DE102008018275A1

DE102008018275A1 - Konstanter Kanalquerschnitt in einem PEMFC-Auslass

Info

Publication number: DE102008018275A1
Application number: DE102008018275A
Authority: DE
Inventors: Jon P. Owejan; Thomas W. Tighe; Thomas A. Trabold
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-04-13
Filing date: 2008-04-10
Publication date: 2008-11-06
Anticipated expiration: 2028-04-11
Also published as: US8101322B2; CN101286568B; DE102008018275B4; US20080254339A1; CN101286568A

Abstract

Es wird eine Platte für eine Brennstoffzelle offenbart, wobei eine Einlassöffnung an einem ersten Ende der Platte angeordnet ist und eine Auslassöffnung an einem zweiten Ende der Platte angeordnet ist. Die Platte umfasst eine erste Seite und eine zweite Seite. Die erste Seite der Platte weist ein darin zwischen der Einlassöffnung und der Auslassöffnung ausgebildetes Strömungsfeld auf, wobei das Strömungsfeld mehrere darin ausgebildete Strömungskanäle aufweist, wobei die mehreren Strömungskanäle mit mehreren in der Platte ausgebildeten Auslassanschlüssen in Verbindung stehen. Die zweite Seite der Platte weist mehrere darin neben der Auslassöffnung ausgebildete Ablasskanäle auf, wobei die mehreren Ablasskanäle mit den Auslassanschlüssen und der Auslassöffnung in Fluidverbindung stehen, wobei eine von jedem der mehreren Strömungskanäle eingenommene Querschnittfläche im Wesentlichen gleich einer von jedem der mehreren Ablasskanäle eingenommenen Querschnittfläche ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle und insbesondere eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle.
Hintergrund der Erfindung
Brennstoffzellen werden vermehrt als Energiequelle bei einer Vielzahl von Anwendungen verwendet. Beispielsweise wurde ein Brennstoffzellensystem zur Verwendung in Fahrzeugen als Ersatz für Brennkraftmaschinen vorgeschlagen. Ein solches System wird in der hierin durch Verweis in ihrer Gesamtheit übernommenen U.S. Patentanmeldung Veröffentl.-Nr. 2004/0209150 offenbart. Brennstoffzellen können auch als stationäre elektrische Energieerzeugungsanlagen in Gebäuden und Wohnanlagen, als tragbare Energie in Videokameras, Computern und dergleichen verwendet werden. Typischerweise erzeugen die Brennstoffzellen Elektrizität, die zum Laden von Batterien oder Liefern von Energie für einen Elektromotor verwendet wird.
Brennstoffzellen sind elektrochemische Vorrichtungen, die einen Brennstoff, z. B. Wasserstoff, und ein Oxidans, z. B. Sauerstoff, direkt verbinden, um elektrischen Strom zu erzeugen. Der Sauerstoff wird typischerweise durch einen Luftstrom geliefert. Der Wasserstoff und der Sauerstoff verbinden sich, um Wasser zu bilden. Es können andere Brennstoffe verwendet werden, z. B. Erdgas, Methanol, Benzin und aus Kohle gewonnene synthetische Brennstoffe.
Eine Art von Brennstoffzelle, die aus dem Stand der Technik bekannt ist, ist eine Protonenaustauschmembran (PEM, kurz vom engl. Proton Exchange Membrane). Die Grundbestandteile einer PEM-Brennstoffzelle sind zwei durch einen Polymermembranelektrolyten getrennte Elektroden. Jede Elektrode ist an einer Seite mit einer dünnen Katalysatorschicht beschichtet. Die Elektroden, der Katalysator und die Membran bilden zusammen eine Membranelektrodeneinheit (MEA, kurz vom engl. Membrane Electrode Assembly).
Bei einer typischen PEM-Brennstoffzelle ist die MEA zwischen „Anoden"- und „Kathoden"-Diffusionsmedien (DM) oder Diffusionsschichten, die aus einem elastischen, leitenden und gasdurchlässigen Material wie Kohlenstoffgewebe oder Papier gebildet sind, sandwichartig eingeschlossen. Die DM dienen als die primären Stromabnehmer für die Anode und Kathode und sehen eine mechanische Lagerung der MEA vor. Die DM und die MEA sind zwischen einem Paar elektrisch leitender Platten, die auch als Bipolarplatten bekannt sind, gepresst, die als sekundäre Stromabnehmer zum Abnehmen des Stroms von den primären Stromabnehmern dienen. Die Platten leiten im Fall von Bipolarplatten elektrischen Strom zwischen angrenzenden Zellen in dem Stapel und leiten im Fall von Monopolarplatten am Ende des Stapels elektrischen Strom außerhalb des Stapels.
Die Bipolarplatten umfassen jeweils mindestens einen aktiven Bereich, der die gasförmigen Reaktanden über den Hauptflächen der Anode und Kathode verteilt. Diese aktive Bereiche, die auch als Strömungsfelder bekannt sind, umfassen typischerweise mehrere Stege, die mit den DM in Eingriff stehen und mehrere Rillen oder Strömungskanäle dazwischen festlegen. Die Kanäle liefern den Wasserstoff und den Sauerstoff von einem Einlasskrümmer zu den Elektroden an jeder Seite der PEM. Insbesondere strömt der Wasserstoff durch die Kanäle zu der Anode, wo der Katalysator die Trennung in Protonen und Elektroden fördert. An der gegenüberliegenden Seite der PEM strömt der Sauerstoff durch die Kanäle zur Kathode, wo der Sauerstoff die Wasserstoffprotonen durch die PEM anzieht. Die Elektronen werden durch einen externen Schaltkreis als verwendbare Energie eingefangen und werden mit den Protonen und dem Sauerstoff verbunden, um an der Kathodenseite Wasserdampf zu erzeugen.
Die Reaktanden umfassen typischerweise Wasser in der Form von Wasserdampf zur Befeuchtung der PEM. An der Anodenseite der Bipolarplatte nimmt die Konzentration von Wasserdampf an dem Auslassbereich infolge des Verbrauchs des Wasserstoffbrennstoffs in der Zelle zu. Analog nimmt die Konzentration von Wasserdampf an der Kathodenseite der Bipolarplatte aufgrund der Bildung von Wasser bei Oxidieren des Wasserstoffs zu. Der Wasserdampf muss so gehandhabt werden, dass eine Ansammlung von flüssigem Wasser in den Strömungskanälen gehemmt wird.
Der Wasserdampf wird typischerweise durch eine Geschwindigkeit der durch die Strömungskanäle strömenden Reaktanden durch die Strömungskanäle und in einen Auslassverteiler getrieben. Die zunehmende Konzentration von Wasserdampf am Auslassbereich erleichtert die Bildung von flüssigem Wasser in den Strömungskanälen. Jegliches flüssiges Wasser, das sich in den Strömungskanälen bildet, wird typischerweise durch die Strömungskanäle und in die Auslasskrümmer getrieben.
Ein typisches Strömungsfeld umfasst eine Anzahl an einzelnen Strömungskanälen, die zum Abführen des Wassers in einen gemeinsamen Anschluss ausgelegt sind. Die Anzahl einzelner Strömungskanäle können kombiniert einen größeren Kanal in einem Auslassbereich bilden. Die Anschlüsse und größeren Kanäle führen im Allgemeinen in den Auslassverteiler und nehmen verglichen mit den einzelnen Strömungskanälen in dem Strömungsfeld eine vermehrte Querschnittfläche ein. Die von den Anschlüssen und den größeren Kanälen eingenommene vermehrte Querschnittfläche lässt eine Ansammlung von flüssigem Wasser zu. Die Geschwindigkeit der durch das Strömungsfeld strömenden Reaktanden ist aber häufig nicht ausreichend, um das flüssige Wasser durch die Anschlüsse und Kanäle und in den Auslasskrümmer zu treiben. Folglich kann das angesammelte Wasser den Strom von Reaktanden durch die Kanäle blockieren. Die Ansammlung von Wasser in den Kanälen wird typischerweise als „Fluten" oder „Stagnation" bezeichnet. Eine geflutete Brennstoffzelle kann eine verminderte elektrische Ausgangsleistung aufweisen, wenn die blockierten Kanäle die Brennstoffzelle nicht mit den erforderlichen Reaktanden zum Erreichen einer gewünschten elektrischen Ausgangsleistung versorgen.
Es wäre wünschenswert, eine Platte für eine Brennstoffzelle herzustellen, bei der ein Strömungsfeld der Platte zum Minimieren der Ansammlung von flüssigem Wasser an einem Auslassbereich der Platte ausgelegt ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Im Einklang mit und abgestimmt auf die vorliegende Erfindung wurde überraschenderweise eine Platte für eine Brennstoffzelle mit einem Strömungsfeld entdeckt, das zum Minimieren einer Ansammlung von flüssigem Wasser an einem Auslassbereich der Platte ausgelegt ist.
In einer Ausführungsform umfasst eine Monopolarplatte für eine Brennstoffzelle eine Platte mit einer in einem ersten Ende derselben ausgebildeten Einlassöffnung und einer in einem zweiten Ende derselben ausgebildeten Auslassöffnung, eine erste Seite der Platte mit einem zwischen der Einlassöffnung und der Auslassöffnung ausgebildeten Strömungsfeld, wobei das Strömungsfeld mehrere darin ausgebildete Strömungskanäle umfasst, wobei die mehreren Strömungskanäle mit mehreren in der Platte ausgebildeten Auslassanschlüssen in Verbindung stehen, eine zweite Seite der Platte mit mehreren darin neben der Auslassöffnung ausgebildeten Ablasskanälen, wobei die mehreren Ablasskanäle zwischen den Auslassanschlüssen und der Auslassöffnung eine Fluidverbindung schaffen, wobei eine von jedem der mehreren Strömungskanäle eingenommene Querschnittfläche im Wesentlichen gleich einer von jedem der mehreren Ablasskanäle eingenommenen Querschnittfläche ist.
In einer anderen Ausführungsform umfasst eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle eine erste Monopolarplatte und eine zweite Monopolarplatte, wobei die erste und zweite Monopolarplatte verbunden sind und eine an einem ersten Ende angeordnete Einlassöffnung und eine an einem zweiten Ende angeordnete Auslassöffnung aufweisen, wobei die erste Monopolarplatte und/oder die zweite Monopolarplatte umfasst: eine erste Seite der Platte mit einem zwischen der Einlassöffnung und der Auslassöffnung ausgebildeten Strömungsfeld, wobei das Strömungsfeld mehrere darin ausgebildete Strömungskanäle umfasst, wobei die mehreren Strömungskanäle mit mehreren in der Platte ausgebildeten Auslassanschlüssen in Verbindung stehen, eine zweite Seite der Platte mit mehreren darin neben der Auslassöffnung ausgebildeten Ablasskanälen, wobei die mehreren Ablasskanäle zwischen den Auslassanschlüssen und der Auslassöffnung eine Fluidverbindung schaffen, wobei eine von jedem der mehreren Strömungskanäle eingenommene Querschnittfläche im Wesentlichen gleich einer von jedem der mehreren Ablasskanäle eingenommenen Querschnittfläche ist.
In eine weiteren Ausführungsform umfasst ein Brennstoffzellenstapel mindestens eine Brennstoffzelle mit einer Membranelektrodeneinheit mit einer Anodenschicht und einer Kathodenschicht, wobei die Membranelektrodeneinheit zwischen einem Paar Bipolarplatten angeordnet ist, wobei jede Bipolarplatte aufweist: eine erste Monopolarplatte und eine zweite Monopolarplatte, wobei die erste Monopolarplatte und die zweite Monopolarplatte verbunden sind und eine an einem ersten Ende angeordnete Einlassöffnung und eine an einem zweiten Ende angeordnete Auslassöffnung aufweisen, wobei die erste Monopolarplatte und/oder die zweite Monopolarplatte umfasst: eine erste Seite der Platte mit einem zwischen der Einlassöffnung und der Auslassöffnung ausgebildeten Strömungsfeld, wobei das Strömungsfeld mehrere darin ausgebildete Strömungskanäle umfasst, wobei die mehreren Strömungskanäle mit mehreren in der Platte ausgebildeten Auslassanschlüssen in Verbindung stehen, eine zweite Seite der Platte mit mehreren darin neben der Auslassöffnung ausgebildeten Ablasskanälen, wobei die mehreren Ablasskanäle zwischen den Auslassanschlüssen und der Auslassöffnung eine Fluidverbindung schaffen, wobei eine von jedem der mehreren Strömungskanäle eingenommene Querschnittfläche im Wesentlichen gleich einer von jedem der mehreren Ablasskanäle eingenommenen Querschnittfläche ist.
Beschreibung der Zeichnungen
Die vorstehenden sowie weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung sind für den Fachmann anhand der folgenden eingehenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform bei Betrachtung im Hinblick auf die Begleitzeichnungen ohne weiteres ersichtlich. Hierbei zeigen:
1 eine perspektivische Explosionsansicht eines veranschaulichenden Brennstoffzellenstapels;
2 eine perspektivische Explosionsansicht einer Bipolarplatte mit einer ersten Monopolarplatte und einer zweiten Monopolarplatte nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;
3 eine vergrößerte unvollständige perspektivische Ansicht der ersten Monopolarplatte in 2, die einen in einer ersten Seite der ersten Monopolarplatte ausgebildeten Auslassbereich zeigt; und
4 eine vergrößerte unvollständige perspektivische Ansicht der zweiten Monopolarplatte in 2, die einen in einer zweiten Seite der zweiten Monopolarplatte ausgebildeten Auslassbereich zeigt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Die folgende eingehende Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und Zeichnungen sollen einen Fachmann befähigen, die Erfindung umzusetzen und zu nutzen, und sollen den Schutzumfang der Erfindung in keiner Weise beschränken. Bezüglich der offenbarten Verfahren sind die dargestellten Schritte beispielhafter Natur, und daher ist die Reihenfolge der Schritte nicht erforderlich oder ausschlaggebend.
1 zeigt einen zweizelligen bipolaren PEM-Brennstoffzellenstapel 10. Auch wenn ein bipolarer PEM-Brennstoffzellenstapel gezeigt wird, versteht sich, dass andere Arten und Auslegungen von Brennstoffzellen verwendet werden können, ohne vom Schutzumfang und Wesen der Erfindung abzuweichen. Es versteht sich auch, dass Brennstoffzellenstapel mit mehr Zellen und Platten verwendet werden können und typischerweise verwendet werden.
Der Brennstoffzellenstapel 10 umfasst eine erste Membranelektrodeneinheit (MEA) 12 und eine zweite Membranelektrodeneinheit (MEA) 14. Zwischen der ersten MEA 12 und der zweiten MEA 14 ist eine elektrisch leitende, flüssigkeitsgekühlte Bipolarplatte 16 angeordnet. Die erste MEA 12, die zweite MEA 14 und die Bipolarplatte 16 sind zwischen Klemmplatten 18, 20 und monopolaren Endplatten 22, 24 geschichtet. Die Klemmplatten 18, 20 sind von den monopolaren Endplatten 22, 24 elektrisch isoliert.
Eine Arbeitsfläche jeder der monopolaren Endplatten 22, 24 sowie beide Arbeitsflächen der Bipolarplatte 16 umfassen mehrere darin ausgebildete Kanäle 26, 28, 30, 32. Die Kanäle 26, 28, 30, 32 bilden ein „Strömungsfeld" zur Verteilung eines Brennstoffs und eines Oxidansgases über den Flächen der MEAs 12, 14 aus. In der hierin beschriebenen Ausführungsform der Erfindung ist der Brennstoff Wasserstoff und das Oxidans ist Sauerstoff, wenngleich sich versteht, dass bei Bedarf andere Brennstoffe und Oxidantien verwendet werden können.
Nicht leitende Dichtungen 34, 36, 38, 40 sind jeweils zwischen der monopolaren Endplatte 22 und der ersten MEA 12, der ersten MEA 12 und der Bipolarplatte 16, der Bipolarplatte 16 und der zweiten MEA 14 sowie der zweiten MEA 14 und der monopolaren Endplatte 24 angeordnet. Die Dichtungen 34, 36, 38, 40 sehen eine Abdichtung vor und isolieren die monopolare Endplatte 22 und die erste MEA 12, die erste MEA 12 und die Bipolarplatte 16, die Bipolarplatte 16 und die zweite MEA 14 sowie die zweite MEA 14 und die monopolare Endplatte 24 elektrisch.
Gasdurchlässige Diffusionsmedien 42, 44, 46, 48 liegen an jeweiligen Elektrodenflächen der ersten MEA 12 und der zweiten MEA 14 an. Die Diffusionsmedien 42, 44, 46, 48 sind jeweils zwischen der monopolaren Endplatte 22 und der ersten MEA 12, der ersten MEA 12 und der Bipolarplatte 16, der Bipolarplatte 16 und der zweiten MEA 14 sowie der zweiten MEA 14 und der monopolaren Endplatte 24 angeordnet.
Die Bipolarplatte 16 ist typischerweise aus zwei Monopolarplatten (in 2 gezeigt) gebildet, wenngleich die Bipolarplatte 16 bei Bedarf in anderer Weise ausgebildet sein kann Die Monopolarplatten umfassen zum Beispiel eine (nicht gezeigte) Anodenplatte und eine (nicht gezeigte) Kathodenplatte. Die Anodenplatte und die Kathodenplatte sind typischerweise verbunden und wirken zusammen, um dazwischen eine Kühlmittelkammer zu bilden. Die Kanäle 29 sind in der Anodenplatte gebildet, und die Kanäle 30 sind in der Kathodenplatte gebildet, um die jeweiligen Strömungsfelder festzulegen.
2 zeigt die Bipolarplatte 16 nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform. Die Bipolarplatte umfasst eine erste Monopolarplatte 102 und eine zweite Monopolarplatte 104. Es versteht sich, dass der Aufbau der ersten und zweiten Monopolarplatte 102, 104 im Wesentlichen gleich sein kann, und strukturelle Beschreibungen jeder der Monopolarplatten 102, 104 können gleichermaßen auf jede der Monopolarplatten 102, 104 übertragen werden.
Zur Veranschaulichung weist die erste Monopolarplatte 102 eine erste Seite 106 und eine zweite Seite (nicht gezeigt) auf. Die zweite Monopolarplatte 104 weist eine erste Seite (nicht gezeigt) und eine zweite Seite 108 auf. Die zweite Seite der ersten Monopolarplatte 102 und die zweite Seite 108 der zweiten Monopolarplatte 104 sind in einer wesentlichen vertikalen geschichteten Ausrichtung miteinander verbunden, um die Bipolarplatte 16 zu bilden. Es versteht sich, dass die Monopolarplatten 102, 104 nach Bedarf durch Schweißen, Klebstoff oder andere Verbindungsmittel verbunden werden können. Jede von erster Monopolarplatte 102 und zweiter Monopolarplatte 104 umfasst ein Paar von Einlassöffnungen 110 und ein Paar von Auslassöffnungen 112, die darin ausgebildet sind. Wenn sie verbunden sind, bilden die Einlassöffnungen 110 und die Auslassöffnungen 112 der Monopolarplatten 102, 104 jeweils einen (nicht dargestellten) Einlasskrümmer und einen (nicht dargestellten) Auslasskrümmer.
Als nicht einschränkendes Beispiel ist in der ersten Seite 106 der ersten Monopolarplatte 102 ein Strömungsfeld 114 ausgebildet. Es versteht sich, dass ein (nicht gezeigtes) Strömungsfeld in der ersten Seite der zweiten Monopolarplatte 104 ausgebildet ist. Das Strömungsfeld 114 ist zum Beispiel zwischen den Einlassöffnungen 110 und den Auslassöffnungen 112 ausgebildet.
Eine vergrößerte Ansicht eines Teils der ersten Seite 106 der ersten Monopolarplatte 102 ist in 3 dargestellt. Es versteht sich, dass ein Aufbau der ersten Seite der zweiten Monopolarplatte 104 im Wesentlichen gleich einem hierin beschriebenen Aufbau der ersten Seite 106 der ersten Monopolarplatte 102 ist.
Wie in 2 und 3 gezeigt umfasst das Strömungsfeld 114 der ersten Seite 106 mehrere darin ausgebildete Strömungskanäle 116. Als nicht einschränkendes Beispiel ist eine von jedem der mehreren Strömungskanäle 116 eingenommene Querschnittfläche entlang einer Länge derselben im Wesentlichen konstant. Die Strömungskanäle 116 enden an mehreren Auslassanschlüssen 118. Die Auslassanschlüsse 118 weisen zum Beispiel eine im Wesentlichen kreisförmige Form auf. Es versteht sich, dass bei Bedarf andere Formen für den Auslassanschluss 118 verwendet werden können.
Die Auslassanschlüsse 118 sind in den Monopolarplatten 102, 104 ausgebildete Öffnungen. Einer der mehreren Auslassanschlüsse 118 steht typischerweise mit nur einem der mehreren Strömungskanäle 114 in Verbindung.
Eine vergrößerte Ansicht eines Teils der zweiten Seite 108 der zweiten Monopolarplatte 104 ist in 4 dargestellt. Es versteht sich, dass ein Aufbau der zweiten Seite der ersten Monopolarplatte 102 im Wesentlichen gleich einem hierin beschriebenen Aufbau der zweiten Seite 108 der zweiten Monopolarplatte 104 ist.
Insbesondere zeigt 4 mehrere in der zweiten Seite 108 der zweiten Monopolarplatte 104 ausgebildete Ablasskanäle 120. In der gezeigten Ausführungsform ist eine von jedem der Ablasskanäle 120 eingenommene Querschnittfläche entlang einer Länge desselben im Wesentlichen konstant. Zur Veranschaulichung entspringt einer der mehreren Ablasskanäle 120 an einem der mehreren Auslassanschlüsse 118 und endet an den Auslassöffnungen 112. Die Strömungskanäle 116, die Auslassanschlüsse 118 und die Ablasskanäle 120 wirken zusammen, um Strömpfade für einen (nicht dargestellten) Abgasstrom der Reaktanden zu den Auslassöffnungen 112 vorzusehen. In einer bestimmten Ausführungsform wirken einer der mehreren Strömungskanäle, einer der mehreren Ablasskanäle 120 und einer der mehreren Auslassanschlüsse 118 zusammen, um einen einzelnen Strömpfad für den Abgasstrom vorzusehen.
Wie in 2 bis 4 gezeigt stehen die Strömungskanäle 116 mit den Ablasskanälen 120 in Fluidverbindung. Die von einem oder mehreren der Strömungskanäle 116 eingenommene Querschnittfläche kann im Wesentlichen gleich der von einem oder mehreren der mehreren Ablasskanäle 120 eingenommene Querschnittfläche sein. Es versteht sich, dass für verschiedene zusammenwirkende Paare der Strömungskanäle 116 und der Ablasskanäle 120 verschiedene Querschnittflächen gewählt werden können.
In einer weiteren Ausführungsform stehen der eine der mehreren Strömungskanäle 116, der eine der mehreren Ablasskanäle 120 und der eine der mehreren Auslassanschlüsse 118 miteinander in Fluidverbindung und bilden einen einheitlichen oder einzelnen Strömpfad von dem Strömungsfeld 114 zu den Auslassöffnungen 112. Zur Veranschaulichung weist der Strömpfad eine im Wesentlichen identische Breite auf, d. h. der eine der mehreren Strömungskanäle 116, der eine der mehreren Ablasskanäle 120 und der eine der mehreren Auslassanschlüsse 118 weisen im Wesentlichen die gleiche Breite auf. Es versteht sich, dass unterschiedliche Breiten für verschiedene Strömpfade verwendet werden können. Demgemäß wirkt der einheitliche Strömpfad, der durch einen der mehreren Strömungskanäle 116, den einen der mehreren Ablasskanäle 120 und den einen der mehreren Auslassanschlüsse 118 gebildet wird, einer Ansammlung von flüssigem Wasser entgegen.
Mit erneutem Bezug auf 2 versteht sich, dass der die Strömungskanäle 116, die Ablasskanäle 120 und die Auslassanschlüsse 118 bildende Aufbau eingesetzt werden kann, um von den Einlassöffnungen 110 zu dem Strömungsfeld 114 einen Fluidverbindungspfad konstanten Querschnitts vorzusehen. In einer veranschaulichenden Ausführungsform umfasst die zweite Seite 108 der zweiten Monopolarplatte 104 Zufuhrkanäle 122 und Einlassanschlüsse 124. Die Zufuhrkanäle 122 stehen mit den Einlassöffnungen 110 und den Einlassanschlüssen 124 in Verbindung. Die Strömungskanäle 116 entspringen an dem Einlassanschluss 124 und stehen mit den Einlassanschlüssen 124 in Fluidverbindung. Die Einlassöffnungen 110, die Zufuhrkanäle 122 und die Einlassanschlüsse 124 wirken zusammen, um einen Strömpfad für einen Einspeisungsstrom der Reaktanden zu dem Strömungsfeld 114 vorzusehen. Es versteht sich, dass der Fluidverbindungspfad konstanten Querschnitts nur zwischen den Einlassöffnungen 110 und dem Strömungsfeld 114 oder nur zwischen dem Strömungsfeld 114 und den Auslassöffnungen 112 vorgesehen werden kann.
Bei Betrieb wird ein Strömen des Einspeisungsstroms von Reaktanden von den Einlassöffnungen 110 durch die Zufuhrkanäle 112 und die Einlassanschlüsse 124 und in die Strömungskanäle 116 des Strömungsfelds 114 bewirkt. Die Reaktanden umfassen einen Brennstoff und ein Oxidans. In bestimmten Ausführungsformen ist der Brennstoff ein Wasserstoffgas und das Oxidans ist Sauerstoff, zum Beispiel von einer Luftzufuhr. Es versteht sich, dass bei Bedarf andere Brennstoffe und Oxidantien verwendet werden können.
Die Reaktanden strömen durch das Strömungsfeld 114 und werden in dem durch die Auslassanschlüsse 118 und die Ablasskanäle 120 strömenden Abgasstrom und in die Auslassöffnungen 112 ausgestoßen. Die Reaktanden umfassen typischerweise Wasser. Eine Geschwindigkeit des Einlassstroms treibt das Wasser durch die Zufuhrkanäle 122, die Einlassanschlüsse 124 und die Strömungskanäle 116. Eine Geschwindigkeit des sich ergebenden Abgasstroms treibt das Wasser durch die Auslassanschlüsse 118, die Ablasskanäle 120 und in die Auslassöffnungen 112.
Es versteht sich, dass in der hierin beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsform die Geschwindigkeit des Einspeisungsstroms und des Abgasstroms ausreichend ist, um flüssiges Wasser durch den Strömpfad zu treiben. Die Geschwindigkeit des Einspeisungs- und des Abgasstroms ist ausreichend, um eine Ansammlung von Wasser zu minimieren, das andernfalls das Strömen von Reaktanden blockieren würde. Ein Durchschnittsfachmann kann erkennen, dass das Strömen von Reaktanden in dem Fluidverbindungspfad konstanten Querschnitts weniger wahrscheinlich blockiert wird als in einem Verbindungspfad, bei dem zwei oder mehr Kanäle in einen gemeinsamen Anschluss münden.
Eine Oberfläche der Strömungskanäle 116, der Anschlüsse 118 und/oder der Ablasskanäle 120 kann mit einer darauf angeordneten hydrophilen Beschichtung versehen werden. Die hydrophile Beschichtung verringert eine Reibung zwischen der Oberfläche des Strömpfads und jeglichem darin enthaltenem Wasser. Die hydrophile Beschichtung kann zum Beispiel die Reibung zwischen der Oberfläche des Strömpfads und jeglichem darin enthaltenem Wasser durch Aufrechterhalten eines dünnen Wasserfilms an der Oberfläche der Strömungskanäle minimieren. Die verminderte Reibung erleichtert eine Maximierung des Treibens von flüssigem Wasser durch die Strömungskanäle 116, die Anschlüsse 118 und/oder die Ablasskanäle 120 bei einer vorgegebenen Reaktandengeschwindigkeit. Die Kombination aus dem Strömpfad konstanten Querschnitts und der hydrophilen Beschichtung minimiert das Potenzial für ein Fluten oder eine Stagnation in dem Brennstoffzellenstapel 10 weiter.
Als nicht einschränkende Beispiele kann die hydrophile Beschichtung mindestens eine Si-O-Gruppe, mindestens eine polare Gruppe und mindestens eine Gruppe, die eine gesättigte oder ungesättigte Kohlenstoffkette umfasst, umfassen. In weiteren Ausführungsformen umfasst die Beschichtung mindestens eine Si-O-Gruppe und eine Si-R-Gruppe, wobei R eine gesättigte oder ungesättigte Kohlenstoffkette umfasst und das Molverhältnis der Si-R-Gruppen zu den Si-O-Gruppen von 1/8 bis ½ reicht. Die hydrophile Beschichtung kann auch durch jedes Mittel aufgebracht werden, das zum Aufbringen hydrophiler Beschichtungen ausreicht. Zum Beispiel kann eine Beschichtung unter Verwendung eines plasmaunterstützten chemischen Abscheideprozesses abgeschieden werden, der ein Vorläufergas, z. B. z. B. ein Siloxangas, und weiterhin ein zweites Gas, z. B. Sauerstoff, umfasst. Geeignete hydrophile Beschichtungen können auch Nanopartikel mit einer von 1 bis 100 Nanometer reichenden Größe umfassen, wobei die Nanopartikel eine Verbindung mit einer Si-O-Gruppe, einer gesättigten oder ungesättigten Kohlenstoffkette und einer polaren Gruppe umfassen. Es versteht sich, dass auch andere hydrophile Beschichtungen verwendet werden können.
Die Oberfläche der Strömungskanäle 116, der Auslassanschlüsse 118 und der Ablasskanäle 120 kann auch strukturiert sein, um verstärkte Hydrophilie vorzusehen. Oberflächenstrukturen können eine matte Beschaffenheit umfassen, die zum Beispiel durch Sandstrahlen erzeugt wird. Es können auch Muster eingeätzt werden, zum Beispiel chemisch, um ein erwünschtes Muster oder einen erwünschten Grad an Rauheit vorzusehen. Ferner kann die Oberfläche des Strömungsfelds Mikrofaltungen oder Mikrokanäle enthalten. Es versteht sich, dass andere Oberflächenstrukturen, die verstärkte Hydrophilie vorsehen, ebenfalls verwendet werden können.
Eine an dem Brennstoffzellenstapel 10 angelegte elektrische Last bestimmt eine erforderliche Mindestströmrate oder -geschwindigkeit der Reaktanden. Je größer die elektrische Last ist, desto größer ist das erforderliche Volumen an Reaktanden. Die Geschwindigkeit der Reaktanden wird angepasst, um mindestens das erforderliche Mindestvolumen an Reaktanden für eine vorgegebene elektrische Last zu liefern. Es versteht sich, dass die erste und die zweite Monopolarplatte 102, 104 besonders anfällig für Fluten sind, wenn die an dem Brennstoffzellenstapel 10 angelegte elektrische Last sich in einem Mindestbereich befindet. Die Geschwindigkeit der Reaktanden ist bei herkömmlichen Brennstoffzellen bei einem Mindestwert, wenn sich die elektrische Last innerhalb des Mindestbereichs befindet, und ist weniger geeignet, flüssiges Wasser durch die Strömungskanäle 116, die Anschlüsse 118 und/oder die Ablasskanäle 120 und in die Auslassöffnungen 112 zu treiben. Die konstante Querschnittfläche der Strömungskanäle 116, der Auslassanschlüsse 118 und der Ablasskanäle 120 der vorliegenden Erfindung wirkt aber selbst bei den Mindestreaktandengeschwindigkeiten dem Fluten der Bipolarplatte 16 entgegen, indem eine Sollgeschwindigkeit der Reaktanden in den gesamten Brennstoffzellenplatten 102, 104 beibehalten wird, was das Sammeln von Wasser darin minimiert.
Wie hierin beschrieben umfasst der Brennstoffzellenstapel 10 typischerweise die mehreren in elektrischer Reihe verbundenen Brennstoffzellen, um eine gewünschte elektrische Leistung bereitzustellen. Es ist erwünscht, dass jede Zelle in dem Stapel 10 effizient arbeitet und ein im Wesentlichen gleiches elektrisches Potential zu der gesamten elektrischen Leistung des Brennstoffzellenstapels 10 beiträgt. Jedes Fluten der Brennstoffzellen kann die elektrische Leistung derselben verringern. Wenn das elektrische Potential einer Zelle verringert ist, kann die gesamte elektrische Leistung des Brennstoffzellenstapels 10 verringert sein und Kompo nenten des Brennstoffzellenstapels können verschlechtert sein. Eine solche Abweichung des elektrischen Potentials zwischen den Brennstoffzellen verringert den Wirkungsgrad und die Betriebslebensdauer des Brennstoffzellenstapels 10. Die konstanten Querschnittflächen des Strömungskanals 116, des Auslassanschlusses 118 und des Ablasskanals 120 fördern eine gleichmäßige Verteilung der Reaktanden in den Brennstoffzellen und des im Wesentlichen gleichen elektrischen Potentials zwischen den Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstapel 10, wodurch der effiziente Betrieb des Brennstoffzellenstapels 10 durch ein Bekämpfen eines Flutens in den monopolaren Brennstoffzellenplatten 102, 104 maximiert wird.
Der Brennstoffzellenstapel 10 kann bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt betrieben werden. Die Temperaturen unter dem Gefrierpunkt können zu einem Gefrieren von Wasser führen, das sich in dem Brennstoffzellenstapel 10 angesammelt hat. Das gefrorene Wasser oder Eis kann die Kanäle 26, 28, 30, 32 in dem Brennstoffzellenstapel 10 blockieren. Ein Blockieren der Kanäle 26, 28, 30, 32 beschränkt die elektrische Leistung und kann die Brennstoffzellenplatte 16, die MEA 12, 14, die Diffusionsmedien 42, 44, 46, 48 oder andere Komponenten des Brennstoffzellenstapels 10 dauerhaft schädigen. Durch Minimieren der Ansammlung von Wasser in der Bipolarplatte 16, den Strömungskanälen 116, den Auslassanschlüssen 118 und den Ablasskanälen 122 wird das Potential zur Bildung von Eis in dem Brennstoffzellenstapel 10 minimiert.
Der vorstehenden Beschreibung kann ein Durchschnittsfachmann ohne Weiteres die wesentlichen Eigenschaften dieser Erfindung entnehmen und kann, ohne vom Wesen und Schutzumfang derselben abzuweichen, verschiedene Änderungen und Abwandlungen an der Erfindung vorneh men, um sie verschiedenen Einsatzmöglichkeiten und Bedingungen anzupassen.

Claims

Monopolarplatte für eine Brennstoffzelle umfassend: eine Platte mit einer in einem ersten Ende derselben ausgebildeten Einlassöffnung und einer in einem zweiten Ende derselben ausgebildeten Auslassöffnung, wobei eine erste Seite der Platte ein zwischen der Einlassöffnung und der Auslassöffnung ausgebildetes Strömungsfeld aufweist, das Strömungsfeld mehrere darin ausgebildete Strömungskanäle aufweist, die mehreren Strömungskanäle mit mehreren in der Platte ausgebildeten Auslassanschlüssen in Verbindung stehen, eine zweite Seite der Platte mehrere darin neben der Auslassöffnung ausgebildete Ablasskanäle aufweist und die mehreren Ablasskanäle eine Fluidverbindung zwischen den Auslassanschlüssen und der Auslassöffnung schaffen, wobei eine von jedem der mehreren Strömungskanäle eingenommene Querschnittfläche im Wesentlichen gleich einer von jedem der mehreren Ablasskanäle eingenommene Querschnittfläche ist.
Monopolarplatte nach Anspruch 1, wobei die mehreren Strömungskanäle, die mehreren Auslassanschlüsse und die mehreren Ablasskanäle mehrere Pfade für das Strömen eines Abgasstroms von dem Strömungsfeld zu der Auslassöffnung bilden.
Monopolarplatte nach Anspruch 1, wobei einer der mehreren Strömungskanäle, einer der mehreren Auslassanschlüsse und einer der mehreren Ablasskanäle mit einem einheitlichen Pfad für das Strömen eines Abgasstroms von dem Strömungsfeld zu der Auslassöffnung in Fluidverbindung stehen und diesen bilden.
Monopolarplatte nach Anspruch 3, wobei eine Breite des Strömungskanals, eine Breite des Auslassanschlusses und eine Breite des Ablasskanals im Wesentlichen gleich sind.
Monopolarplatte nach Anspruch 1, wobei die Auslassanschlüsse im Querschnitt eine im Wesentlichen kreisförmige Form aufweisen.
Monopolarplatte nach Anspruch 1, wobei eine hydrophile Beschichtung an einer Oberfläche angeordnet ist, die die mehreren Strömungskanäle, die mehreren Auslassanschlüsse und/oder die mehreren Ablasskanäle bildet.
Monopolarplatte nach Anspruch 6, wobei das hydrophile Material ein Siliziumdioxid ist.
Monopolarplatte nach Anspruch 1, wobei eine Oberfläche, welche die mehreren Strömungskanäle, die mehreren Auslassanschlüsse und/oder die mehreren Ablasskanäle bildet, strukturiert ist.
Monopolarplatte nach Anspruch 2, wobei der Abgasstrom Wasser umfasst.
Monopolarplatte nach Anspruch 9, wobei die Kanäle des Strömungsfelds, die Auslassanschlüsse und die Ablasskanäle dafür ausgelegt sind, Wasser durch eine Geschwindigkeit eines Einspeisungsstroms in die Auslassöffnung zu leiten.
Monopolarplatte nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: mehrere in der Platte ausgebildete und mit den Strömungskanälen des Strömungsfelds in Verbindung stehende Einlassanschlüsse; und mehrere in der zweiten Seite der Monopolarplatte und neben dem Einlasskrümmer ausgebildete Zufuhrkanäle, wobei die mehreren Zufuhrkanäle mit der Einlassöffnung und den Einlassanschlüssen in Fluidverbindung stehen, wobei eine von jedem der mehreren Zufuhrkanäle eingenommene Querschnittfläche im Wesentlichen gleich einer von jedem der mehreren Strömungskanäle eingenommenen Querschnittfläche ist.
Monopolarplatte nach Anspruch 11, wobei einer der mehreren Zufuhrkanäle, einer der mehreren Einlassanschlüsse und einer der mehreren Strömungskanäle miteinander in Fluidverbindung stehen und einen einheitlichen Pfad für das Strömen des Einspeisungsstroms von der Einlassöffnung zum Strömungsfeld vorsehen.
Monopolarplatte nach Anspruch 12, wobei eine Breite des Zufuhrkanals, eine Breite des Einlassanschlusses und eine Breite des Strömungskanals im Wesentlichen gleich sind.
Monopolarplatte nach Anspruch 11, wobei die Einlassanschlüsse im Querschnitt eine im Wesentlichen kreisförmige Form aufweisen.
Monopolarplatte nach Anspruch 11, wobei eine hydrophile Beschichtung auf einer Oberfläche angeordnet ist, die die mehreren Einlasskanäle, die mehreren Einlassanschlüsse und/oder die mehreren Strömungskanäle bildet.
Monopolarplatte nach Anspruch 11, wobei eine Oberfläche, welche die mehreren Einlasskanäle, die mehreren Einlassanschlüsse und/oder die mehreren Strömungskanäle bildet, strukturiert ist.
Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle umfassend: eine erste Monopolarplatte und eine zweite Monopolarplatte, wobei die erste und die zweite Monopolarplatte verbunden sind und eine an einem ersten Ende angeordnete Einlassöffnung und eine an einem zweiten Ende angeordnete Auslassöffnung aufweisen, wobei die erste Monopolarplatte und/oder die zweite Monopolarplatte umfasst: eine erste Seite der Platte, die ein zwischen der Einlassöffnung und der Auslassöffnung ausgebildetes Strömungsfeld aufweist, wobei das Strömungsfeld mehrere darin ausgebildete Strömungskanäle aufweist, die mehreren Strömungskanäle mit mehreren in der Platte ausgebildeten Auslassanschlüssen in Verbindung stehen, eine zweite Seite der Platte, die mehrere darin neben der Auslassöffnung ausgebildete Ablasskanäle aufweist, wobei die mehreren Ablasskanäle eine Fluidverbindung zwischen den Auslassanschlüssen und der Auslassöffnung schaffen, wobei eine von jedem der mehreren Strö mungskanäle eingenommene Querschnittfläche im Wesentlichen gleich einer von jedem der mehreren Ablasskanäle eingenommene Querschnittfläche ist.
Bipolarplatte nach Anspruch 17, wobei die erste Monopolarplatte und die zweite Monopolarplatte in einer im Wesentlichen horizontalen Ausrichtung verbunden sind.
Bipolarplatte nach Anspruch 17, wobei einer der mehreren Strömungskanäle, einer der mehreren Auslassanschlüsse und einer der mehreren Ablasskanäle in Verbindung stehen und einen einheitlichen Pfad für das Strömen eines Abgasstroms von dem Strömungsfeld zu dem Auslasskrümmer vorsehen, wobei eine Breite des Strömungskanals, eine Breite des Auslassanschlusses und eine Breite des Ablasskanals im Wesentlichen gleich sind.
Brennstoffzellenstapel umfassend: mindestens eine Brennstoffzelle, die eine Membranelektrodeneinheit mit einer Anodenschicht und einer Kathodenschicht aufweist, wobei die Membranelektrodeneinheit zwischen einem Paar Bipolarplatten angeordnet ist, wobei jede Bipolarplatte aufweist: eine erste Monopolarplatte und eine zweite Monopolarplatte, wobei die erste und die zweite Monopolarplatte verbunden sind und eine an einem ersten Ende angeordnete Einlassöffnung und eine an einem zweiten Ende angeordnete Auslassöffnung aufweisen, wobei die erste Monopolarplatte und/oder die zweite Monopolarplatte umfasst: eine erste Seite der Platte, die ein zwischen der Einlassöffnung und der Auslassöffnung ausgebildetes Strömungsfeld aufweist, wo bei das Strömungsfeld mehrere darin ausgebildete Strömungskanäle aufweist, die mehreren Strömungskanäle mit mehreren in der Platte ausgebildeten Auslassanschlüssen in Verbindung stehen, eine zweite Seite der Platte, die mehrere darin neben der Auslassöffnung ausgebildete Ablasskanäle aufweist, wobei die mehreren Ablasskanäle eine Fluidverbindung zwischen den Auslassanschlüssen und der Auslassöffnung schaffen, wobei eine von jedem der mehreren Strömungskanäle eingenommene Querschnittfläche im Wesentlichen gleich einer von jedem der mehreren Ablasskanäle eingenommene Querschnittfläche ist.