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Hintergrund der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Wassermanagement in
einer Brennstoffzelle und insbesondere Möglichkeiten zum Entfernen von Wasser
aus feuchtigkeitsreichen Recktanten-Strömpfaden.
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In
vielen Brennstoffzellensystemen wird Wasserstoff oder ein wasserstoffreiches
Gas durch einen Strömpfad
zu der Anodenseite einer Brennstoffzelle geliefert, während Sauerstoff
(beispielsweise in Form von Atmosphärensauerstoff) durch einen separaten
Strömpfad
zur Kathodenseite der Brennstoffzelle geliefert wird. Ein geeigneter
Katalysator (zum Beispiel Platin) ionisiert den Wasserstoff an der Anodenseite
in ein Proton und Elektron, so dass bei anschließendem Vereinen des Protons
mit Sauerstoff und den Elektronen an der Kathodenseite elektrischer
Strom mit Wasserdampf hoher Temperatur als Reaktionsnebenprodukt
erzeugt wird.
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Bei
einer Form von Brennstoffzelle, die als Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC,
vom engl. Proton Exchange Membrane Fuel Cell) bezeichnet wird, wird
ein Elektrolyt in Form einer Ionomermembran zwischen den als Anode
und Kathode bekannten Elektroden eingebaut. Dieser Schichtaufbau
wird häufig
als Membranelektrodeneinheit (MEA, vom engl. Membrane Electrode
Assembly) bezeichnet und ist weiterhin zwischen Bipolarplatten geschichtet,
um eine Verbindung mit den jeweiligen Anoden- und Kathodenreaktanten
zu ermöglichen.
Die jede MEA trennenden Bipolarplatten umfassen Kanäle, die
in gegenüberliegenden
Flächen ausgebildet
sind. Diese Kanäle
dienen als Leitung zum Befördern
von Wasserstoff- und Sauerstoffreaktantenströmen zu der jeweiligen Anode
und Kathode der MEA. Neben dem Vorsehen von Strömungsfeldkanälen, die
als Reaktantenströmpfade dienen,
können
die Bipolarplatten elektrisch leitend ausgelegt werden, um als Stromkollektoren
für die
erzeugte Elektrizität
in den Bereichen der Platten zu dienen, die an einen elektrochemisch
aktiven Bereich der MEA angrenzen. Schichten aus porösem Trägermaterial
und Katalysator befinden sich zwischen den Kanälen der Platten und jeder Seite
der Membran, um die erforderlichen elektrochemischen Reaktionen zu
erleichtern.
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In
einem PEMFC-Stapel wird das in der Sauerstoffreduktionsreaktion
an der Kathode erzeugte Wasser durch die in den Bipolarplatten gebildeten Strömungsfeldkanäle entfernt.
Die höchste
Wasserkonzentration besteht an oder nahe den Auslassbereichen der
Platten, zum Teil aufgrund niedriger Gasgeschwindigkeiten, die die
Spülqualität des Gases mindern.
Unter diesen Bedingungen ist die Wahrscheinlichkeit eines Stagnierens
und Sammelns von Wasser in dem Austrittsbereich der Platte größer, was
unerwünscht
ist, da durch Verstopfen der Strömungskanäle mit Wassertropfen
dies die Stabilität elektrischer
Spannung des Stapels nachteilig beeinflusst. Zudem wirkt es sich
auf die Haltbarkeit des Stapels aus, da die Strömungsblockierung, die solche
Tropfen mit sich bringen, einen örtlich
begrenzten Wasserstoffmangel und damit verbundene Kohlenstoffkorrosion
verursachen kann. Weiterhin führt die
Wasseransammlung, die über
längere
Zeiträume Bedingungen
unter dem Gefrierpunkt ausgesetzt wird, zur Entstehung von Eis in
den Strömungsfeldkanälen, wodurch
der Betrieb gehemmt wird. Derzeitige Verfahren zum Vermeiden dieser
Bedingung umfassen das Aufrechterhalten einer hohen Gasgeschwindigkeit,
um die überschüssige Flüssigkeit
aus dem Stapelströmpfad
zu spülen,
sowie Betreiben des Stapels unter extrem trockenen Bedingungen.
Die erste ist nachteilig, da sie zusätzlichen Stromverbrauch zum
Betreiben eines Verdichters oder einer ähnlichen Pumpvorrichtung erfordert,
während
die zweite nachteilig ist, da sie das empfindliche Feuchtigkeitsgleichgewicht
stören
könnte,
das in dem Ionomer erforderlich ist. Daher ist es wünschenswert, dass
ein PEMFC-Stapel zum Verringern oder Beseitigen des Aufbaus überschüssigen Wassers
in den Strömungsfeldkanälen der
Bipolarplatten ohne die vorstehend erwähnten Nachteile ausgelegt wird.
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Kurze Zusammenfassung der
Erfindung
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Diese
Anliegen werden durch die vorliegende Erfindung erfüllt, wobei
eine PEMFC-Anordnung und ein Verfahren zum Betreiben der Anordnung,
das die nachstehend erläuterten
Merkmale beinhaltet, offenbart wird. Gemäß einer ersten Ausgestaltung
der vorliegenden Erfindung wird eine Brennstoffzellenanordnung mit
einer Wassertransportvorrichtung (auch als Umverteilungsvorrichtung
bezeichnet) offenbart. Die Anordnung umfasst zahlreiche Membranelektrodeneinheiten
und Platten, die jeweils zwischen einzelnen Membranelektrodeneinheiten
angeordnet sind. Jede Platte weist einen Reaktantenströmpfad an
einer oder an beiden ihrer Seiten auf, wodurch der Reaktantenströmpfad mit
einer zugewandten Anode oder Kathode in Fluidverbindung gesetzt
wird. Jeder der Reaktantenströmpfade
(die in Form von Kanälen vorliegen)
entspricht einem aktiven Bereich und einem inaktiven Bereich. Der
aktive Bereich erleichtert durch Zusammenwirken mit einem geeigneten
Teil der Membranelektrodeneinheit eine elektrochemische Reaktion,
die mindestens einen der Recktanten und einen an der entsprechenden
Anode oder Kathode positionierten Katalysator einschließt. Der
inaktive Bereich weist dagegen keinen Katalysator auf und erleichtert
daher nicht eine elektrochemische Reaktion. Die Wassertransportvorrichtung
besteht aus einem hydrophilen Element, das die Kapillarwirkung von Wasser
weg von dem feuchtigkeitsreichen Fluid fördert, was sie besonders gut
geeignet für
die Entfernung von flüssigem
Wasser aus dem Fluid, das durch die Kanäle strömt, macht. In dem vorliegenden
Zusammenhang ist ein feuchtigkeitsreiches Fluid ein Fluid, das einen
Feuchtigkeitsüberschuss
in Form von Flüssigkeit,
Dampf oder einer Kombination der beiden enthält, wogegen ein feuchtigkeitsarmes
Fluid ein Fluid ist, das einen niedrigeren Feuchtigkeitsgehalt als
das feuchtigkeitsreiche Fluid hat.
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Optional
können
die Platten aus zahlreichen Bipolarplatten bestehen, die an jeder
ihrer Seiten Reaktantenströmpfade
umfassen, so dass eine Seite jeder Platte mit der Anode einer der
Membranelektrodeneinheiten in Fluidverbindung steht und eine andere
Seite mit der Kathode einer anderen der Membranelektrodeneinheiten
in Fluidverbindung steht. Eine Seite der Bipolarplatte kann zum
Beispiel aus zahlreichen Reaktantenkanälen der nassen Seite und Reaktantenkanälen der
gegenüberliegenden
trockenen Seite bestehen. Die Reaktantenkanäle der trockenen Seite stehen
mittels einer wasserdurchlässigen Membran
mit der gegenüberliegenden
Anode oder Kathode von den Reaktantenkanälen der nassen Seite in Fluidverbindung.
Die Wassertransportvorrichtung kann in verschiedenen Bauweisen vorliegen.
Bei einer kann ein mehrschichtiger Ansatz verwendet werden. Zum
Beispiel können
ein poröses hydrophiles
Element und ein anderes poröses
Element Substrate bilden, die eine wasserdurchlässige Membran umgeben, so dass
Wasser in dem feuchtigkeitsreichen Strömpfad durch das hydrophile
Element, die Membran und das poröse
Substrat und in den feuchtigkeitsarmen Strömpfad strömen kann.
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Bei
einer anderen Bauweise kann Wasser, das sich an der hydrophilen
Membran sammelt, in dem feuchtigkeitsreichen Strömpfad weg von dem Fluidauslass
umverteilt werden. Eine solche Bauweise erfordert keine zusätzliche
Membran bzw. kein poröses
Element an der gegenüberliegen den
Seite. Bei einer noch anderen Bauweise legt die Wasserumverteilungsvorrichtung
einen Schichtaufbau fest, der aus einer wasserundurchlässigen Schicht
(auch als so genannte Subgasket (=Unterdichtung) bezeichnet) besteht,
die gegen eine Fläche
des hydrophilen Elements angeordnet ist. Die Unterdichtung kann
zum Beispiel aus einer dünnen
Kunststoffschicht bestehen, die zum Schützen der Membran verwendet
wird. Durch Integrieren der Wassertransportvorrichtung mit einer
im Wesentlichen nicht durchlässigen
zusätzlichen
Schicht verbleibt in dem hydrophilen Element absorbiertes Wasser
dort. Somit kann in einer Form das hydrophile Material als poröses Element zum
Ermöglichen
von Absorption, Abtransport und Umverteilung zu miteinander verbundenen
Kanälen ausgelegt
sein, während
in einer anderen Form das hydrophile Material als Beschichtung ausgelegt
sein kann, die als Benetzungsmittel zum Fördern der Bildung von dünnen Wasserfilmen
statt massiver Schwallströmungen
in einem beschichteten Kanal dient. Bei der ersten dieser beiden
letzteren Bauweisen kann die Anordnung weiterhin eine dafür ausgelegte
Leitung umfassen, das in dem hydrophilen Element absorbierte Wasser
innerhalb eines im Wesentlichen ebenen, durch das hydrophile Element
festgelegten Bereichs umzuverteilen, so dass das Wasser, das sich
an dem hydrophilen Element sammelt, in den mehreren Reaktantenkanälen der
nassen Seite umverteilt werden kann. Ohne Wasserverlagerung durch
die Unterdichtung oder eine ähnliche
undurchlässige
Membran wird das Wasser in der porösen hydrophilen Umverteilungsvorrichtung
schließlich
während
einer trockeneren Betriebsbedingung verdampft. Somit hält die Vorrichtung
Kanäle
für Gastransport
offen. Die zweite dieser beiden letzteren Auslegungen fördert die
Verteilung von Wasser in jedem der Kanäle, wodurch die Wahrscheinlichkeit
des Blockierens jedes behandelten Kanals durch Wassertropfen verringert
wird.
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Unabhängig davon,
welche der vorstehenden Bauweisen verwendet wird, wird der wasserstoffführende Reaktant
durch einen Anodensammler (anode header) den mehreren Reaktantenkanälen der trockenen
Seite zugeführt,
und der sauerstoffführende
Reaktant wird durch einen Kathodensammler den mehreren Reaktantenkanälen der
nassen Seite zugeführt,
wobei jeder der Sammler in der Bipolarplatte ausgebildet ist. Analog
sind in einer spezifischeren Ausführungsform dieser Bauweise
die feuchtigkeitsarmen Reaktantenkanäle (d. h. trockene Seite) und die
feuchtigkeitsreichen Reaktantenkanäle (d. h. nasse Seite) in Gegenstrombeziehung
zueinander gesetzt.
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Wie
vorstehend erwähnt
ist das hydrophile Element wasserdurchlässig. Wie vorstehend erwähnt kann
es in einer Verwendungsform gegen eine wasserdurchlässige Membran
angeordnet sein, während es
in einer anderen an einer undurchlässigen Schicht (d. h. Unterdichtung)
mit oder ohne die Membran an der anderen Seite angeordnet sein kann.
Zudem kann das hydrophile Element aus porösen Polymeren, nicht leitenden
Faserpapieren, mit einem oberflächenaktiven
Stoff oder ähnlichen
Materialien beschichteten Kohlepapieren bestehen.
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Bei
einer anderen Alternative kann die Wassertransportvorrichtung so
ausgelegt sein, dass sie direkt an der wasserdurchlässigen Membran
angebracht ist, wodurch bei Positionieren in dem Rahmen einer Bipolarplatte
die Notwendigkeit der Unterdichtung eliminiert wird. Bei einer anderen
Alternative können
die feuchtigkeitsreichen und feuchtigkeitsarmen Kanäle ein Kathodenströmpfad bzw.
ein Anodenströmpfad
sein, die entweder in Gegenstrom- oder Parallelstrombeziehung zueinander
sein können.
Zum Fördern
eines zusätzlichen
seitlichen Abtransports von absorbiertem Wasser kann die hydrophile
Schicht über
die einzelnen Kanäle
der Anoden- oder Kathodenströmpfade
hinaus und in den Krüm mer
ausgeweitet werden. Das hydrophile Element kann sich zum Beispiel
in einem Maß in
der gleichen Ebene (insbesondere entlang des längeren Seitenmaßes durch
das kürzere
Maß durch
die Dicke) über den
inaktiven Bereich hinaus erstrecken. Bei einer noch anderen Alternative
kann die Brennstoffzelle als Teil eines Systems integriert werden,
das als Antriebskraftquelle für
ein Fahrzeug dient. Beispiele für solche
Fahrzeuge umfassen Kraftfahrzeuge, Lastwägen, Busse, Luftfahrzeuge,
Raumfahrzeuge und Motorräder
(sind aber nicht hierauf beschränkt).
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Nach
einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst eine Brennstoffzellenanordnung
zahlreiche Membranelektrodeneinheiten und Bipolarplatten, die mit
den Einheiten zusammenwirken, um einen Brennstoffzellenstapel auszubilden,
sowie eine hydrophile Wassertransportvorrichtung, die zum Umverteilen
von sich in Teilen des Stapels sammelndem flüssigem Wasser ausgelegt ist.
Die Bipolarplatten weisen Anoden- und Kathodenströmpfade auf,
wovon einer im Verhältnis
zum anderen dazu neigt, feuchtigkeitsreich zu sein. Zumindest der
feuchtigkeitsreiche Strömpfad
ist in einen aktiven Bereich und einen inaktiven Bereich unterteilt,
wobei der erstere durch sein Aufweisen von Katalysatoren in zugewandtem
Fluidkontakt mit der jeweiligen Anode oder Kathode eine elektrochemische
Reaktion erleichtert, während
der letztere aufgrund des Ersetzens des Katalysators durch ein hydrophiles
Element keine elektrochemische Reaktion erleichtert. Zusammen bilden die
Membranelektrodeneinheiten und die Bipolarplatten einen Brennstoffzellenstapel
aus, wobei die Bipolarplatten Reaktantenströmpfade an ihren gegenüberliegenden
Seiten umfassen, so dass einer der Reaktantenströmpfade mit der Anode in Fluidverbindung
steht, während
der andere der Reaktantenströmpfade
mit der Kathode in Fluidverbindung steht.
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Optional
umfasst die hydrophile Wassertransportvorrichtung einen Kathodenströmpfad, der mit
der Kathode in Fluidverbindung steht, einen Anodenströmpfad, der
mit der Anode in Fluidverbindung steht, und eine zwischen dem Anoden-
und Kathodenströmpfad
angeordnete Membran. Die Membran kann feuchtigkeitsdurchlässig sein,
so dass mindestens ein Teil des sich in dem inaktiven Bereich sammelnden
Wassers durch die feuchtigkeitsdurchlässige Membran tritt und mit
einem gegenüberliegenden Anoden-
oder Kathodenströmpfad
zusammenwirkt. Mindestens eine Seite der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran
kann mit einem darauf angeordneten porösen hydrophilen Material im
Wesentlichen bedeckt sein. In einer anderen Form kann die Membran nicht
feuchtigkeitsdurchlässig
sein, so dass das flüssige
Wasser eine wesentliche Gesamtheit des porösen hydrophilen Materials in
dem Fluidauslass benetzt. Wie vorstehend erwähnt wird bei dieser Auslegung
ohne Wassertransport durch die Membran das Wasser in der porösen hydrophilen
Umverteilungsvorrichtung schließlich
während
eines trockeneren Abschnitts des Betriebszyklus verdampft. Bei einer Form
kann das hydrophile Material in Form eines Elements vorliegen, das
Wasser darin absorbieren kann, wobei es auch den seitlichen Abtransport
des Wassers durch das Material ermöglichen kann, so dass es in
angrenzenden Kanälen
verteilt werden kann. Bei einer anderen Form kann das hydrophile
Material eine Beschichtung sein, die als Benetzungsmittel dient.
Zwar kann sie Wasser nicht absorbieren, doch ermöglicht sie das Bilden von dünnen Wasserfilmen auf
der beschichteten Oberfläche,
wodurch ein Blockieren von Kanälen
aufgrund der Bildung großer Wassertropfen
vermieden wird. Eine hydrophile Behandlung unter Verwendung eines
Benetzungsmittels kann das Behandeln der wesentlichen Gesamtheit
von Oberflächen
eines Strömungskanals
umfassen, sowie das Behandeln der Oberfläche einer Unterdichtung oder
einer ähnlichen
wasserundurchlässigen
Membran.
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Nach
einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verfahren zum
Verringern von Blockieren durch Wasser offenbart. Die in einer elektrochemischen
Umwandlungsreaktion vereinten Recktanten erzeugen einen elektrischen
Strom und ein wasserhaltiges Nebenprodukt; durch Befördern wenigstens
eines Teils des Wassers durch eine Wassertransportvorrichtung, die
mit der Brennstoffzelle verbunden ist, kann die Wassermenge in diesem
Nebenprodukt verringert werden. Die Wassertransportvorrichtung steht
mit einem feuchtigkeitsreichen Strömpfad in Fluidverbindung, der
zum Transportieren eines einen Anoden- oder Kathodenreaktanten enthaltenden
Fluids durch die Brennstoffzelle verwendet wird. Das Verfahren umfasst
das Befördern eines
ersten Recktanten durch den Anodenströmpfad und eines zweiten Recktanten
durch den Kathodenströmpfad.
Wie vorstehend erläutert
umfasst mindestens einer der Anoden- und Kathodenströmpfade einen
aktiven Bereich und einen inaktiven Bereich, wobei der aktive Bereich
der Teil ist, der in einer im Wesentlichen zugewandten Beziehung
zu einer jeweiligen Anode oder Kathode steht. Das Verfahren umfasst
weiterhin das Vereinen des ersten und zweiten Recktanten in einer
elektrochemischen Umwandlungsreaktion in der Brennstoffzelle, so
dass ein durch den aktiven Bereich strömendes und den ersten oder
zweiten Recktanten enthaltendes Fluid einen vermehrten Wasseranteil
erfährt,
dann das Transportieren des den vermehrten Wasseranteil enthaltenden
Fluids durch ein hydrophiles Element, das in dem inaktiven Bereich
angeordnet ist, und dann das Umverteilen mindestens eines Teils
des vermehrten Wasseranteils weg von dem Strömpfad und in das hydrophile
Element.
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Optional
sind die Anoden- und Kathodenströmpfade
an gegenüberliegenden
Seiten einer Bipolarplatte angeordnet, die zwischen angrenzenden Bipolarplatten
in einem Brennstoffzellenstapel angeordnet ist. Ferner kann das
hydrophile Element aus einem ersten porösen Substrat beste hen, durch
das das absorbierte Wasser strömen
kann. Weiterhin ist das hydrophile Element Teil einer Wassertransportvorrichtung,
die die Anoden- und Kathodenströmpfade
fluidisch verbindet. In einer Form bildet die Wassertransportvorrichtung
einen Schichtaufbau aus, der (zusätzlich zu dem vorsehend erwähnten hydrophilen
Element) eine gegen eine Oberfläche
des hydrophilen Elements angeordnete wasserdurchlässige Membran
und ein zweites poröses
Substrat, das gegen eine andere Oberfläche der wasserdurchlässigen Membran
angeordnet ist, umfassen kann. Das zweite poröse Substrat kann einen Teil
des Strömpfads
bilden, der nicht den vermehrten Wasseranteil enthält. Auf
diese Weise tritt ein Teil des vermehrten Wasseranteils, der durch
das hydrophile Element tritt, weiterhin durch die wasserdurchlässige Membran
und das zweite poröse
Substrat und in den Strömpfad
geringerer Feuchtigkeit, wodurch eine Feuchtigkeitsverlagerung von
dem feuchtigkeitsreichen Strömpfad
zu dem feuchtigkeitsarmen Strömpfad
erleichtert wird.
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Bei
einer anderen Alternative sind die Anoden- und Kathodenströmpfade an
gegenüberliegenden
Seiten einer Bipolarplatte angeordnet, die zwischen angrenzenden
Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel angeordnet ist.
Ferner kann das hydrophile Element aus einem ersten porösen Substrat
bestehen, durch das das absorbierte Wasser treten kann. Zwischen
den porösen
Substraten an der feuchtigkeitsreichen und feuchtigkeitsarmen Seite
der Membran kann eine perforierte Schicht angebracht sein, die Wassertransport
dadurch zulässt. Eine
solche perforierte Schicht schützt
das Membranmaterial mechanisch, während sie gleichzeitig Gasübertritt
zwischen der Anode und Kathode verringert.
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Bei
einer noch anderen Alternative ist das hydrophile Element Teil einer
Transportvorrichtung für
flüssiges
Wasser, die einen Schichtaufbau ausbildet, der auch eine zwischen
der Oberfläche
des hydrophilen Ele ments und der wasserdurchlässigen Membran angeordnete
wasserundurchlässige Schicht
umfasst. Bei einer solchen Bauweise bleibt der vermehrte Wasseranteil,
der in dem hydrophilen Element absorbiert wird, dort, statt vollständig durch die
wasserdurchlässige
Membran und in den gegenüberliegenden
Fluidströmpfad
zu treten. Bei dieser Auslegung transportiert das hydrophile Element Wasser
weg von dem feuchtigkeitsreichen Strömungskanal, so dass das entfernte
Wasser in dem hydrophilen Element enthalten ist. In dem hydrophilen
Element enthaltenes Wasser wird seitlich verteilt, wodurch die Flächengröße des Wassers
vergrößert wird.
Anschließend
wird das Wasser durch Verdampfung entfernt, wenn relative Feuchtigkeitsänderungen
dies zulassen.
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Bei
einer noch anderen Alternative reicht das hydrophile Element in
den Auslasskrümmer
des Brennstoffzellenstapels hinein. Dies kann mit oder ohne die
vorstehend erläuterten
Membranverlagerungsalternativen verwendet werden. Durch Ausdehnen
des hydrophilen Elements in den Krümmer werden die darin ausgebildeten
flüssigen
Wasserfilme seitlich in das hydrophile Element abtransportiert. Sobald
diese Filme in das hydrophile Element abtransportiert sind, blockieren
sie nicht länger
ein Strömen
an dem Auslass, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Strömungsfehlverteilung
verringert wird.
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Kurze Beschreibung der verschiedenen
Ansichten der Zeichnungen
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Die
folgende eingehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung lässt sich
am Besten bei Lesen in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen verstehen,
bei denen ein ähnlicher
Aufbau mit ähnlichen
Bezugszeichen kenntlich gemacht ist. Hierbei zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm eines für
Fahrzeuganwendung ausgelegten Brennstoffzellensystems;
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2A eine
Explosionsansicht einer einzelnen Brennstoffzelle mit Anode, Kathode,
Membran, Katalysator, Diffusionsschicht und umgebenden Bipolarplatten;
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2B eine
perspektivische Ansicht einer einzelnen zusammengebauten Brennstoffzelle,
wobei die Anode, Kathode und Membran im Verhältnis zu den Bipolarplatten
so angeordnet sind, dass Wasserstoff- und Sauerstoffeingangskanäle sowie
Wasserdampfauslasströmungskanäle ausgebildet
sind;
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3 eine
perspektivische Ansicht einer Kathodenseite einer Bipolarplatte
nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform,
die sowohl einen aktiven Bereich als auch einen inaktiven Bereich
sowie einen Reaktantensammler mit Strömpfadkrümmern zeigt;
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4 eine
Querschnittansicht in dem inaktiven Bereich der Bipolarplatte nach 3,
wobei das Wasserentfernungssystem hervorgehoben ist;
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5 ein
Fahrzeug, das die erfindungsgemäße Brennstoffzelle
einsetzt;
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6A und 6B das
Einschließen
einer um eine Membran angeordneten Unterdichtung;
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7 eine
andere erfindungsgemäße Ausführungsform,
wobei zwischen Strömungskanälen und
einer nicht durchlässigen
Membran eine hydrophile Schicht positioniert ist;
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8 eine
andere Ausführungsform,
bei der die wesentliche Gesamtheit der Strömungskanäle mit einem hydrophilen Material
bedeckt sind; und
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9 wie
eine Schicht aus hydrophilem Material in einen Strömpfadkrümmer hineinreichen kann.
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Eingehende Beschreibung der
bevorzugten Ausführungsformen
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Unter
Bezug zunächst
auf 1, 2A, 2B und 5 werden
die Hauptkomponenten eines erfindungsgemäßen mobilen Brennstoffzellensystems 1 (1)
sowie eine repräsentative
Brennstoffzelle (2A und 2B) und
ein repräsentativer
Brennstoffzellenstapel (auch in 1) sowie
das Unterbringen eines Brennstoffzellensystems in einer Kraftfahrzeuganwendung
(5) gezeigt. Unter besonderem Bezug auf 1 umfasst
das System 1 ein Reaktantenzufuhrsystem 100 (bestehend
aus einer Brennstoffquelle 100A und einer Sauerstoffquelle 100B),
ein optionales Brennstoffverarbeitungssystem 200 (in Situationen,
da von der Brennstoffquelle 100A kein verhältnismäßig reiner
Wasserstoff geliefert wird), einen Brennstoffzellenstapel 3000,
der aus einer oder mehreren Brennstoffzellen 300 besteht, eine
oder mehrere optionale Energiespeichervorrichtungen 600,
einen Antriebsstrang 700 und eine oder mehrere Antriebsvorrichtungen 800,
die fiktiv als Rad gezeigt sind. Optional kann ein (nicht dargestellter) Verdichter
in Auslegungen verwendet werden, bei denen eine oder beide der Brennstoff-
oder Sauerstoffquellen 100A, 100B nicht mittels
eines druckbeaufschlagten Tanks oder ähnlichen Behälters versorgt
werden. Unter besonderem Bezug auf 5 ist die
Verwendung eines Stapels 3000 besonders bei Fahrzeuganwendungen
und ähnlichen
Anwendungen relevant, bei denen signifikante Anstiege der elektrischen
Spannung, des elektrisch Stroms oder beider zum Vorsehen der nötigen Antriebskraft
erforderlich sein können.
Während
das vorliegende System 1 für mobile Anwendungen (beispielsweise
Fahrzeuge) gezeigt wird, ist für
den Fachmann ersichtlich, dass die Verwendung des Brennstoffzellenstapels 3000 und
einzelner Brennstoffzellen 300 sowie von Nebenaggregaten
bei stationären
Anwendungen gleichermaßen
verwendbar ist.
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Das
optionale Brennstoffverarbeitungssystem 200 kann integriert
werden, um einen Rohbrennstoff, beispielsweise Methanol, in Wasserstoff
oder einen wasserstoffreichen Brennstoff zur Verwendung in der Brennstoffzelle 300 umzuwandeln;
ansonsten ist das Brennstoffverarbeitungssystem 200 bei
Auslegungen, bei denen die Brennstoffquelle 100A bereits im
Wesentlichen reinen Wasserstoff liefert, unter Umständen nicht
erforderlich. Die optionalen Energiespeichervorrichtungen 600 können in
Form einer oder mehrerer Batterien, Kondensatoren, Stromwandler
oder sogar eines Motors zum Umwandeln des von der Brennstoffzelle 300 kommenden
elektrischen Stroms in mechanische Leistung, beispielsweise eine
Drehwellenleistung, die zum Betreiben eines Antriebsstrangs 700 oder
einer oder mehrerer Antriebsvorrichtungen 800 verwendet
werden kann, vorliegen.
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Unter
besonderem Bezug auf 2A und 2B ist
jede Brennstoffzelle 300 von Schichtbauweise und umfasst
eine Anode 310, eine Kathode 330 und eine Elektrolytschicht 320,
die zwischen der Anode 310 und Kathode 330 angeordnet
ist, wobei die Anode 310, die Elektrolytschicht 320 und
die Kathode 330 kollektiv als die MEA bezeichnet werden. Bipolarplatten 301 (auch
einfach als „Platten" bezeichnet) sind
zwischen aufeinanderfolgen den MEAs für die Wegführung des Fluids (und optional
des Kühlmittels)
positioniert. Bei Laminieren oder einer anderen geeigneten Bauweise
wirken die jeweiligen Seiten 312 und 332 der Bipolarplatte 301 zusammen mit
entsprechenden Anoden- und Kathodenströmungskanälen 314, 334 mit
einem porösen
Diffusionsmedium 316, 336 und einer Katalysatorschicht 318, 338 zusammen,
um mit der jeweiligen Anode 310 und Kathode 330 für die elektrochemische
Umwandlung von Wasserstoff und Sauerstoff zusammenzuwirken. Im vorliegenden
Zusammenhang bezeichnet der Begriff „Laminat" und seine Varianten lediglich die im
Allgemeinen sandwichartige Bauweise zwischen den verschiedenen Brennstoffzellenkomponenten;
es soll nicht impliziert werden, dass herkömmliche Laminatverbindungs-
oder Laminatklebevorgehen erforderlich sind, um den Zusammenhalt eines
solchen Aufbaus sicherzustellen. Sauerstoff (möglicherweise in Form von Luft)
tritt in die Kathodenfluidkanäle 3334 ein,
die an einer Seite der Bipolarplatte ausgebildet sind, während Wasserstoff
in die Anodenfluidkanäle
eindringt, die an der anderen Seite der Bipolarplatte ausgebildet
sind. Von den beiden reaktantenführenden
Fluidkanälen 314, 334 wird
der eine, der ein feuchtigkeitsreiches Fluid befördert, als der Reaktantenkanal
der nassen Seite bezeichnet, während
der eine, der ein feuchtigkeitsleeres (oder feuchtigkeitsarmes)
Fluid befördert,
als Reaktantenkanal der trockenen Seite bezeichnet wird. Es versteht
sich, dass, auch wenn ein Anodenströmpfad im Allgemeinen trockener
als ein Kathodenströmpfad ist,
Betriebsbedingungen vorliegen können,
bei denen der Anodenströmpfad
einen höheren
Feuchtigkeitsanteil als der Kathodenströmpfad aufweist. Während die
in der Figur gezeigte Version für
konzeptuelle Zweckdienlichkeit zwei Hälften von zwei separaten Bipolarplatten
im Schnitt zeigt, wobei eine Hälfte
einer Platte im Allgemeinen aus der Seite heraus weist und eine
Hälfte
der anderen Platte im Allgemeinen in die Seite von 2B weist,
versteht sich für
den Fachmann des Gebiets der Brennstoffzellen, dass eine solche
Schnittdarstellung eine vergleichbare Funktionalität zu der
einer einzelnen Bipolarplatte besitzt.
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Unter
Bezug als Nächstes
auf 3 werden verschiedene Merkmale einer Kathodenseite 332 der Bipolarplatte 301 mit
einer Teilansicht der in dieser Kathodenseite 332 ausgebildeten
verschiedenen Kathodenfluidkanäle 334 gezeigt.
Die Kathodenseite 332 umfasst einen aktiven Bereich 332A und
einen inaktiven Bereich 332B, die zusammen eine fluidisch durchgehende
Leitung, Verrohrung oder ähnliche Fluidkanäle 334 bilden,
durch die der Reaktant strömt.
Der aktive Bereich 332A ist der Abschnitt der Kathodenseite 332, über den
ein katalysatorbeladenes Diffusionsmedium (beispielsweise Diffusionsmedium 336 von 2A)
gelegt würde,
so dass die elektrochemische Vereinigung der Recktanten über die
verschiedenen MEAs Elektronenstrom, Wärme und Wasserdampf erzeugt.
Die Diffusionsschicht (auch als in 2A gezeigtes
Diffusionsmedium bekannt) 336 ist aus einem im Allgemeinen
porösen Elektrodensubstrat
gebildet, auf dem eine Katalysatorschicht 338 (ebenfalls
in 2 gezeigt) angeordnet ist. Während die
vorliegende Ansicht die Kathodenseite 332 der Bipolarplatte
darstellt, versteht sich, dass die gegenüberliegende Anodenseite auf
die Beschreibung, wie die Bipolarplatte 301 der vorliegenden
Erfindung aufgebaut ist und arbeitet, gleichermaßen übertragbar ist. In dem vorliegenden
Zusammenhang werden die Begriffe „Leitung", „Strömpfad", „Strömungsfeldkanal", „Strömungskanal" und ihre Varianten
im Allgemeinen so verwendet, dass sie die verschiedenen Formen von
fluidbefördernden
Kanälen
für Recktanten,
Kühlmittel
oder ähnliche
Fluide einschließen.
Wie für
den Fachmann verständlich
ist, paart sich das die Kathode 330 bildende Diffusionsmedium 336 mit
einer Fläche
der Platte 301, während sich
das die Anode 310 bildende Diffusionsmedium 316 mit
der anderen gegenüberliegenden
Fläche paart.
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Im
Gegensatz zu dem aktiven Bereich 332A ist der inaktive
Bereich 332B der Abschnitt, der keinen Katalysator umfasst
(und daher nicht zu der elektrochemischen Reaktion fähig ist,
die in dem aktiven Bereich 332A erfolgt), sondern wird
stattdessen zum Vorsehen von Wassertransportvermögen verwendet. Bei einer Auslegung
wird Wasser seitlich transportiert und breitet sich dann zwischen
den feuchtigkeitsreichen und feuchtigkeitsarmen Strömpfaden
aus, die zum Befördern
von Recktanten oder Nebenprodukten der elektrochemischen Reaktion
verwendet werden. Im vorliegenden Zusammenhang ist das Fluid feuchtigkeitsreich,
wenn es eine relative Fülle
an Feuchtigkeit enthält
(beispielsweise in Form von Wassertropfen oder einer hohen relativen
Feuchte), und ist feuchtigkeitsarm, wenn es eine relative niedrige
Feuchte (beispielweise etwa fünfzig
Prozent relative Feuchte) aufweist. Wie nachstehend näher beschrieben
wird, ist der Hauptunterschied zwischen dem inaktiven Bereich 332B und
dem aktiven Bereich 332A die Verwendung einer Wassertransportvorrichtung
an Stelle einer gegen die jeweilige Anode 310 oder Kathode 330 angeordneten
Elektrode.
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Ein
Rahmen 302 wird zum Festlegen der Außengrenzen und der baulichen
Stütze
der Bipolarplatte 301 verwendet und kann eine aufrechte
Lippe oder einen aufrechten Flansch zum Verbessern von Plattenabdichtung,
Festigkeit oder dergleichen umfassen. Der Sammler 335 bildet
einen Teil des inaktiven Bereichs 332B und legt Strömkrümmer 335A, 335B und 335C darin
fest, um einen Kontakt von einem oder mehreren Fluiden mit der (in
Verbindung mit 4 nachstehend gezeigten und
beschriebenen) Wassertransportvorrichtung zu ermöglichen. Der Krümmer 335C ist
ein optionaler Kühlmittelkrümmer, der
mit einem (nicht dargestellten) Kühlmittelströmpfad fluidisch verbunden ist.
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Unter
Bezug als Nächstes
auf 4 wird eine Wassertransportvorrichtung 400,
die zum Befördern
von Wasser von einem feuchtigkeitsreichen Fluidkanal 334B zu
einem Fluidkanal 334A geringer Feuchtigkeit (d. h. feuchtigkeitsarm)
verwendet wird, gezeigt. Die Querschnittansicht zeigt die Schichtnatur
der jeweiligen unteren und oberen Hälften von zwei zugewandten
Bipolarplatten 301 mit der dazwischen befindlichen Wassertransportvorrichtung 400. Wenn
dies eine Querschnittansicht des aktiven Bereichs 332A wäre, versteht
sich, dass Katalysatoren in Verbindung mit der MEA gezeigt würden. Die
Vorrichtung 400 umfasst eine wasserdurchlässige Membran 420,
die an gegenüberliegenden
Seiten von einem ersten porösen
Diffusionsmedium 410 und einem zweiten porösen Diffusionsmedium 430 umgeben
ist, wobei sich das zweite Medium 430 von dem ersten 410 durch
das Integrieren oder Anbringen von hydrophilem Material an dem Diffusionsmedium 430 unterscheidet.
Wie gezeigt bildet die Gesamtheit des zweiten Mediums 430 ein
hydrophiles Element (auch als hydrophile Schicht, Material, Beschichtung
oder Konstruktion bezeichnet) zum Fördern von Abtransport oder
anderen ähnlichen
Wassertransportmechanismen. Somit ist die zweite poröse Diffusionsschicht 430 aufgrund
von Materialeigenschaften oder Behandlungen durch ihre gesamte Dicke
an sich hydrophil. Bei einer anderen Auslegung könnten hydrophile Behandlungen
in Form einer Materialschicht vorliegen, die auf dem zweiten porösen Diffusionsmedium 430 aufgebracht
ist oder auf den Oberflächen
des feuchtigkeitsreichen Fluidkanals 334B aufgebracht ist,
um sie hydrophil zu machen.
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Das
erste poröse
Diffusionsmedium 410 steht mit dem feuchtigkeitsarmen Fluidkanal 334A in Fluidverbindung,
während
das zweite poröse
Diffusionsmedium 430 mit dem feuchtigkeitsreichen Fluidkanal 334B in
Fluidverbindung steht (und einen Teil davon bildet). Das zweite
poröse
Diffusionsmedium 430 ist Feuchtigkeit (vorliegend in Form
von flüssigem
Wasser 500 in Form eines Tropfens 500B gezeigt)
ausgesetzt, die durch den feuchtigkeitsreichen Fluidkanal 334B strömt. Als
Beispiel kann sich der Wassertropfen 500B als Nebenprodukt
der elektrochemischen Reaktion zwischen Wasserstoff, der in die
Anode 310 eingeleitet wird, und Sauerstoff, der in die
Kathode 330 eingeleitet wird, bilden. Die treibende Kraft
zum Schieben von Wasser von dem zweiten porösen Diffusionsmedium 430 zu
dem ersten porösen
Diffusionsmedium 410 fußt zumindest teilweise auf
einem Konzentrationsgefälle,
das über
der Membran 420 besteht. Die hydrophile Natur des zweiten porösen Diffusionsmediums 430 an
der feuchtigkeitsreichen Seite erfüllt zwei vorteilhafte Funktionen. Zum
einen zieht sie flüssiges
Wasser aus dem feuchtigkeitsreichen Fluidanal 334B, wodurch
die Wahrscheinlichkeit eines Blockierens aufgrund von Wasser verringert
wird. Zum anderen bietet sie durch Halten von flüssigem Wasser an der Membran 420 eine gleichmäßigere Zufuhr
von Wasser zu dem feuchtigkeitsarmen Fluidkanal 334A, wodurch
sie als Wasserpuffer dient. Dies kann in Situationen, bei denen Membranmaterialien
eine höhere
Leistung bei Kontakt von flüssigem
Wasser mit der Seite der Membran, die dem feuchtigkeitsreichen Fluidkanal 334B zugewandt
ist (d. h. an ihn angrenzt), zeigt, besonders vorteilhaft sein.
Während
die Wassertransportvorrichtung 400 mit einem feuchtigkeitsspendenden Fluid
in entweder Flüssigkeits-
oder Dampfform arbeitet, arbeitet die Membran 400 im Allgemeinen
besser, wenn das in dem Fluid enthaltene Wasser in flüssiger Form
ist. Zudem ist die biegsame poröse
Bauweise des zweiten porösen
Diffusionsmediums 430 solcher Art, dass in dem feuchtigkeitsreichen
Fluidkanal 334B eingeschlossenes Wasser während Gefrierbedingungen
zu der Schicht abtransportiert wird, was es gegenüber Gefrier/Auftau-Zyklen
beständig macht.
In einer Form stehen die zwei Fluidkanäle 334A, 334B in
Gegenstrombeziehung zueinander, so dass das Fluid in dem feuchtigkeitsarmen
Fluidkanal 334A mit wenig oder keiner Feuchtigkeit eindringt und
nach Aufnahme von Wasser von dem Fluid in dem feuchtigkeitsreichen
Fluidkanal 334B mit einem erhöhten Feuchtigkeitswert austritt.
Auch wenn die Wassertransportvorrichtung 400 in einer im
Allgemeinen gestapelten rechteckigen Auslegung gezeigt wird, versteht
sich, dass die Membran und das poröse Diffusionsmedium von einer
Vielzahl von Formen sein können.
Theoretische Berechnungen zeigen, dass ein Hundertstel eines Kubikzentimeters
flüssigen
Wassers pro Sekunde entfernt werden kann (wenn die beiden Fluidkanäle 334A und 334B in
Gegenstromanordnung ausgelegt sind), was einem Entfernen des gesamten
Volumens des porösen
Auslasssubstrats bei weniger als alle dreißig Sekunden entspricht.
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Wie
vorstehend erwähnt
kann die Membran 420 in dem inaktiven Bereich 332B von
der in dem aktiven Bereich 332A verwendeten abweichen.
Auch die Materialdicke kann variieren. Eine Möglichkeit, durch die ein solches
Variieren erreicht werden ist, ist durch Verwenden einer Unterdichtung 440 zwischen dem
aktiven Bereich 332A und dem inaktiven Bereich 332B.
Unter Bezug als Nächstes
auf 6A und 6B schützt die
Unterdichtung 440 die Elektrodenkante und könnte in
dem inaktiven Bereich 332B perforiert sein, um eine Wasserverlagerung
zuzulassen, und stützt
die Membran 420 mechanisch. Die Unterdichtung 440 ist
eine undurchlässige Schicht
(zum Beispiel ein dünnes
Polymer), die an der Membran angebracht ist, um mechanische Abstützung vorzusehen
und Gasdurchtritt zu beseitigen. Bei einer eine Membran verwendenden
Ausführungsform
können
die Perforationen durch Löcher 445 in
den Figuren erreicht werden. Auch wenn dies nicht gezeigt ist, kann
die Unterdichtung 440 frei von Löchern oder ähnlichen Perforationen sein.
Unter besonderem Bezug auf 6B wird
ein verringerter Gasdurchtritt (im Einzelnen Stickstoff, der von
der Kathode zur Anode diffundiert) durch Versetzen der Perforation
erreicht, so dass die Löcher
an der Anode nicht mit der Kathode ausge richtet sind. Dies sieht eine
Zunahme der Diffusionslänge
vor, wodurch die Durchtrittsrate verringert wird.
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Unter
erneutem Bezug auf 4 umfasst der feuchtigkeitsreiche
Fluidkanal 334B eine Einlassseite und eine Auslassseite,
wobei jede mit einem jeweiligen Sammler (beispielsweise Sammler 335)
fluidisch verbunden ist. Der hydrophile Charakter des zweiten porösen Diffusionsmediums 430,
das an den feuchtigkeitsreichen Fluidkanal 334B angrenzt,
kann durch die Verwendung verschiedener Materialien erreicht werden,
einschließlich
poröse
Polymere (beispielsweise gesintertes Polyethylen), nicht leitende Faserpapiere
(beispielsweise Acrylfaserpapier) oder mit einem oberflächenaktiven
Stoff behandeltes Kohlenfaserpapier. An der verdampfenden Einlassseite ist
der Kontaktwinkel des porösen
Substrats weit weniger wichtig. Dies liegt daran, dass dieses Medium nur
Dampf (statt Flüssigkeit)
handhaben sollte, da Wasser durch dieses von der Membran in den
feuchtigkeitsarmen Kanal verdampft. Die Oberflächeneigenschaften sind weniger
wichtig, da die feuchtigkeitsarme Seite im Allgemeinen Wasser in
flüssiger Form
nicht handhabt. Zu beachten ist, dass das poröse Medium 410 optional
ist, da es die Verdampfungsrate auf Kosten zusätzlicher Dicke erhöht. Sowohl
das poröse
Medium 410 als auch 430 sind bevorzugt steif und
weisen ein ähnliches
Spannungs-Dehnungs-Verhalten auf. Eine externe Befeuchtung, die
beim Verbessern des Systemwirkungsgrads vorteilhaft sein kann, kann
ebenfalls verwendet werden.
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Unter
Bezug als Nächstes
auf 7 in Verbindung mit 4 wird in
einer zweiten Ausführungsform
die Erfindung vereinfacht, indem Wasser nicht durch die Wassertransportvorrichtung 400 transportiert
wird, stattdessen wird es durch die verschiedenen feuchtigkeitsreichen
Fluidkanäle 334B,
die vorliegend als nasse Kanäle 334B1 und
trockene Kanäle 334B2 gezeigt
werden, umverteilt und aus diesen entfernt. In dieser Ausführungsform könnte an
Stelle von Membran 420 von 4 eine wasserundurchlässige Variante,
beispielsweise eine Unterdichtung 440, verwendet werden,
die kein Wasser durch diese von dem feuchtigkeitsreichen Fluidkanal 334B zu dem
feuchtigkeitsarmen Fluidkanal 334B (vorliegend nicht gezeigt)
treten lässt.
Stattdessen wird flüssiges Wasser
von dem feuchtigkeitsreichen Fluidkanal 334B und in das
hydrophile Element 430 absorbiert, um in der gleichen Ebene
durch einen seitlichen Strömmechanismus 435 umverteilt
zu werden. Bei einer solchen Form kann die Unterdichtung 440 als nichtdurchlässige Anoden-
oder Kathodenstützschicht
zu dem porösen
hydrophilen Element 430 dienen. Das hydrophile Element
ermöglicht,
dass sich überschüssiges Wasser 500 (vorliegend
als Tropfen 500B gezeigt) in der durch das Element 430 gebildeten
Schicht sammelt und durch diese seitlich verteilt wird. Durch Umverteilen
von lokalen Schwallströmungen
des Auslasskanals in dem gesamten feuchtigkeitsreichen porösen hydrophilen
Element 430 in dem inaktiven Bereich 332B kann
eine signifikante Menge flüssigen
Wassers (etwa eine Blockierung pro Kanal) absorbiert werden, so
dass es aus dem Strömpfad
des Kanals 334B entfernt wird. In der Figur strömt zum Beispiel
flüssiges
Wasser 500 von einem nassen Kanal 334B1 in das
hydrophile Element 430, wo durch den seitlichen Strömmechanismus 435,
der mit der porösen
Natur des Elements 430 einhergeht, das Wasser mit vergrößerter Flächengröße umverteilt
wird, so dass der Gasstrom in den Kanälen 334B2 das Wasser
bei einer viel höheren
Rate als bei Nichtumverteilen des Wassers mühelos verdampft. Dies hält eine
gleichmäßige Strömverteilung
zwischen allen Kanälen 334B aufrecht.
Da die mittlere relative Feuchte des Auslasses bei typischem Stapelbetrieb
unter 100% liegt, ist flüssiges Wasser
nur bei bestimmten Betriebsbedingungen über kurze Zeitspannen vorhanden;
diese Flüssigkeit würde anschließend während typtischen
Betriebs, bei dem austretendes Gas weniger als gesättigt ist, aus
dem porösen
hydrophilen Substrat verdampft. Durch Absorbieren des flüssigen Was sers
in das poröse
Medium des hydrophilen Elements 430 ist die Verdampfungs-
oder die damit verbundene Entfernungsrate mit anderen Worten signifikant
erhöht,
so dass das Auftreten einer einzelnen Kanalstagnation weniger wahrscheinlich
ist.
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In
einer dritten Ausführungsform
kann ein hydrophiles Material auf die Oberflächen der Fluidkanäle 334B in
dem inaktiven Bereich 332B (und auch in dem aktiven Bereich 332A in
Situationen, bei denen die gesamte Platte in eine Lösung getaucht
ist) gegeben werden. Unter Bezug als Nächstes auf 8 werden
nur die feuchtigkeitsreichen Fluidkanäle 334B gezeigt. Wie
bei der Ausführungsform
von 7 ermöglicht
eine solche Auslegung einen Verzicht auf die Funktion der Membran 420 von 4, wodurch
die Erfindung weiter vereinfacht wird. An Stelle der Membran kann
eine nichtdurchlässige
Unterdichtung 440 ähnlich
der von 7 verwendet werden, die als
eine Anoden- oder Kathodenfluidsperre dient. Der inaktive Bereich 332B entfernt
flüssiges
Wasser effektiver, wenn diese Oberfläche hydrophil ist, insbesondere
bei Verwendung mit einem dargestellten hydrophil behandelten Strömungskanal,
wobei der zuvor beschriebene Fluidkanal 334B mit einer
dünnen
Schicht aus hydrophilem Material 432 beschichtet ist, das
sich vom dem des hydrophilen Elements 430 unterscheidet.
Somit kann der hydrophile Charakter entweder durch eine inhärente Materialeigenschaftr
oder durch Oberflächenbehandlungen
erhalten werden. Der Hauptunterschied zwischen dem hydrophilen Elementsubstrat 430 der Ausführungsform
von 7 und der dünnen
Schicht aus hydrophilem Material 432 der Ausführungsform von 8 besteht
darin, dass das hydrophile Elementsubstrat 430 Flüssigkeit
absorbiert und hydrophiles Material 432 dies nicht tut,
da das letztere nur eine benetzbare Oberfläche vorsieht. Aus diesem Grund
funktionieren die Auslegungen von 7 und 8 unterschiedlich
zueinander, da die Ausführungsform
von 8 Wasser nur an der Oberfläche des Kanals umvertei len
kann, in dem es sich befindet, während
in der Ausführungsform
von 7 Wasser (in Tropfenform 500B gezeigt)
aus dem Kanal 334B, in dem es sich befindet, absorbiert
wird und zu anderen Kanälen 334B im
gesamten inaktiven Bereich umverteilt wird. Bei dieser Ausführungsform
tragen alle Kanäle
und der Gasstrom in ihnen dazu bei, das Wasser durch Verdampfung
und Gasschubspannung zu entfernen. Analog zu der vorstehend erläuterten
Ausführungsform
von 7 ist die Natur der Unterdichtung 440 der
Ausführungsform
von 8 solcher Art, dass zwischen den feuchtigkeitsreichen und
feuchtigkeitsarmen Fluidkanälen 334A, 334B (von 4)
kein Wasser strömt.
Wenn alle drei Wände
der Kanäle 334B hydrophil
sind und die vierte Wand durch die Oberfläche der Unterdichtung 440 gebildet
ist, die dem Kanal 334B zugewandt ist, wie an der linken
Seite der Bruchstelle der Figur gezeigt wird, bilden sich dünne Wasserfilme 500,
wodurch ein Gastransport zwischen angrenzenden Kanälen zugelassen
wird. Ohne dieses Merkmal des Anordnens von hydrophilem Material
auf der Oberfläche der
Unterdichtung 440 liegt eine Unstetigkeit der Oberflächeneigenschaft
zwischen den Wänden
von Kanal 334 und der Unterdichtung 440 vor, wodurch eine
größere Gasgeschwindigkeit
zum Entfernen angesammelten Wassers benötigt wird. Weiterhin würde die
unbehandelte Wand des Kanals 334B Wasser in Tropfenform 500B (wie
an der rechten Seite der Bruchstelle in 8 gezeigt)
statt als Film sammeln, was unerwünscht ist, da die Tropfen 500B mehr
Kanalquerschnitt beanspruchen als bei Vorliegen des Wassers 500 in
Filmform. Wenn mehr Querschnitt blockiert ist, könnte sich eine Strömfehlverteilung
ergeben. Aus dem vorliegenden Zusammenhang ist klar, dass der Teil
der Figur rechts der Bruchstelle nicht Teil der vorliegenden Ausführungsform
ist, sondern lediglich zur Demonstration dient, was mit Wasser geschehen
würde,
wenn eine der Kanaloberflächen
nicht mit hydrophilem Material beschichtet belassen würde.
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Unter
Bezug als Nächstes
auf 9 reicht das hydrophile Element 430 über die
Kante der Bipolarplatte 301 hinaus und in den Strömungskrümmer 335B hinein.
Dies kann mit oder ohne die vorstehend erläuterten Membranverlagerungsalternativen
verwendet werden. Durch Reichen des hydrophilen Elements 430 in
den Krümmer 335B hinein
werden die darin gebildeten Filme flüssigen Wassers seitlich in das
hydrophile Element 430 abtransportiert Sobald diese Filme
in das hydrophile Element 430 abtransportiert sind, blockieren
sie nicht länger
Strömen
am Auslass, was ansonsten eine Strömungsfehlverteilung bewirken
könnte.
Dies beseitigt Blockaden an der Kante der Platte 301, die
andernfalls zu Problemen mit Haltbarkeit und Gefrierstart führen könnten.
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Während bestimmte
repräsentative
Ausführungsformen
und Einzelheiten zum Zwecke der Veranschaulichung der Erfindung
gezeigt wurden, versteht sich für
den Fachmann, dass verschiedene Änderungen
vorgenommen werden können,
ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, der in den beigefügten Ansprüchen dargelegt
wird.