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Technisches Gebiet
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Das
Gebiet, das die Offenbarung allgemein betrifft, umfasst Bipolarplatten
einer Brennstoffzelle und insbesondere Bipolarplatten mit darin
ausgebildeten Mikrorillen.
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Hintergrund
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Wasserstoff
ist ein sehr interessanter Brennstoff, da er sauber ist und zum
effizienten Erzeugen von elektrischem Strom in einer Brennstoffzelle
verwendet werden kann. Die Automobilindustrie wendet erhebliche
Ressourcen für die Entwicklung von Wasserstoff-Brennstoffzellen
als Antriebsquelle für Fahrzeuge auf. Solche Fahrzeuge
wären effizienter und würden weniger Emissionen
als die heutigen Fahrzeuge, die Verbrennungsmotoren nutzen, erzeugen.
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Eine
Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung,
die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyten zwischen
der Anode und der Kathode umfasst. Die Anode erhält wasserstoffreiches
Gas oder reinen Wasserstoff und die Kathode erhält Sauerstoff
oder Luft. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten, um
freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen bewegen
sich durch den Elektrolyten zur Kathode, wo die Protonen mit dem
Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode reagieren, um Wasser
zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht
den Elektrolyten passieren. Daher werden die Elekt ronen zum Erbringen
von Arbeit durch eine Last geleitet, bevor sie zur Kathode geleitet
werden. Die Arbeit kann zum Beispiel zum Betreiben eines Fahrzeugs verwendet
werden.
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Mehrere
Brennstoffzellen werden typischerweise in einem Brennstoffzellenstapel
kombiniert, um die Sollleistung zu erzeugen. Der Brennstoffzellenstapel
umfasst eine Reihe von Bipolarplatten. Die Brennstoffzellen-Bipolarplatten
umfassen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen
im Stapel. An der Anodenseite der Bipolarplatten sind Anodengas-Strömungskanäle vorgesehen
und an der Kathodenseite der Bipolarplatten sind Kathodengas-Strömungskanäle
vorgesehen. Die Brennstoffzellen-Bipolarplatten können auch
Strömungskanäle für ein Kühlfluid
umfassen.
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Die
Brennstoffzellen-Bipolarplatten bestehen typischerweise aus einem
leitenden Material, beispielsweise Kohlenstoff-Verbundstoff oder
Metall, so dass sie die durch die Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität
von einer Zelle zu der nächsten Zelle und aus dem Stapel
heraus leiten. Die Brennstoffzellen-Bipolarplatten können
aus relativ dünnen Metallsubstraten maschinell gefertigt
werden oder können gestanzt werden, um Reaktandengas-Strömungskanäle
und Kühlmittelfluid-Strömungskanäle vorzusehen.
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Wie
aus dem Stand der Technik gut verstanden ist, braucht eine Brennstoffzelle
eine bestimmte relative Feuchte. Während des Betriebs der
Brennstoffzelle kann Feuchtigkeit in die Anoden- und Kathodenströmungskanäle
eindringen. Bei niedrigen Leistungsforderungen der Zelle, typischerweise
unter 0,2 A/cm2, sammelt sich Wasser in
den Strömungskanälen, da der Durchfluss des Reaktandengases
zu niedrig ist, um Wasser aus den Kanälen zu drücken. Wenn
sich das Wasser sammelt, bildet es Tropfen, die sich aufgrund der
hydrophoben Beschaffenheit des Plat tenmaterials weiter ausdehnen.
Der Kontaktwinkel der Wassertropfen liegt allgemein bei etwa 90°,
da sich die Tropfen in den Strömungskanälen im Wesentlichen
senkrecht zur Strömrichtung des Reaktandengases bilden.
Wenn die Größe der Tropfen zunimmt, wird der Strömungskanal
verschlossen, und das Reaktandengas wird zu anderen Strömungskanälen
umgeleitet, da die Kanäle zwischen gemeinsamen Eintritt-
und Austritt-Verteilern parallel verlaufen. Da das Reaktandengas
nicht durch einen Kanal strömen kann, der durch Wasser
abgesperrt ist, kann das Reaktandengas das Wasser aus dem Kanal
nicht heraus drücken. Wenn immer mehr Strömungskanäle
durch Wasser versperrt werden, wird der von der Brennstoffzelle
erzeugte elektrische Strom weniger. Da die Brennstoffzellen elektrisch
in Reihe geschaltet sind, arbeitet eventuell der gesamte Brennstoffzellen-Stapel
nicht mehr weiter, wenn eine der Brennstoffzellen zu arbeiten aufhört.
Weiterhin kann Sammeln von Wasser in den Kanälen an der
Anodenseite der Brennstoffzelle unter bestimmten Bedingungen eine
Katalysatordegradation an der Kathodenseite der Brennstoffzelle
hervorrufen, was letztendlich Stapelleistung und Haltbarkeit verringert.
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Für
gewöhnlich ist es möglich, durch regelmäßiges
Fördern des Reaktandengases durch die Strömungskanäle
bei einer höheren Strömungsgeschwindigkeit das
gesammelte Wasser in den Strömungskanälen abzuführen.
Dies erhöht aber an der Kathodenseite die an dem Luftverdichter
angelegte parasitäre Energie, wodurch der Gesamtwirkungsgrad
des Systems verringert wird. Zudem gibt es viele Gründe,
den Wasserstoffbrennstoff nicht als Spülgas zu verwenden,
darunter geringere Wirtschaftlichkeit, verminderter Wirkungsgrad
des Systems und größere Systemkomplexität
beim Behandeln erhöhter Wasserstoffkonzentrationen in dem
Abgasstrom.
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Das
Verringern von gesammeltem Wasser in den Kanälen kann auch
durch Verringern der Eintrittbefeuchtung verwirklicht werden. Es
kann aber wünschenswert sein, in den Anoden- und KathodenReaktandengasen
eine gewisse relative Feuchtigkeit vorzusehen, damit die Membran
in den Brennstoffzellen befeuchtet bleibt. Ein trockenes Einlassgas
hat eine trocknende Wirkung auf die Membran, die den Innenwiderstand
der Zelle anheben und die Langzeithaltbarkeit der Membran begrenzen
könnte.
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Zusammenfassung beispielhafter
Ausführungsformen der Erfindung
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Eine
Ausführungsform der Erfindung umfasst eine Brennstoffzellen-Bipolarplatte
mit einem eine erste Seite umfassenden Substrat, einem in der ersten
Seite ausgebildeten Reaktandengas-Strömungsfeld, wobei
das Reaktandengas-Strömungsfeld mehrere Stege und Kanäle
umfasst, und mehreren in der ersten Seite ausgebildeten Mikrorillen.
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Andere
beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
gehen aus der hierin nachstehend vorgesehenen eingehenden Beschreibung hervor.
Es versteht sich, dass die eingehende Beschreibung und die spezifischen
Beispiele zwar beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung
offenbaren, aber lediglich für veranschaulichende Zwecke gedacht
sind und den Schutzumfang der Erfindung nicht beschränken
sollen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Anhand
der eingehenden Beschreibung und der Begleitzeichnungen werden beispielhafte
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verständlicher.
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1 zeigt
ein Erzeugnis nach einer Ausführungsform der Erfindung,
das eine Brennstoffzellen-Bipolarplatte mit Mikrorillen in dem Grundteil
der Brennstoffzellen-Bipolarplatte umfasst.
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2 zeigt
eine Mikrorille, die im Querschnitt quadrat- oder rechteckförmig
ist.
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3 zeigt
eine Mikrorille, da im Querschnitt halbkreisförmig ist.
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4 zeigt
eine Mikrorille, da im Querschnitt v-förmig (von dreieckiger
Form) ist.
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5 zeigt
einen Kanal einer Brennstoffzellen-Bipolarplatte.
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6 zeigt
ein Erzeugnis nach einer Ausführungsform der Erfindung,
das eine Brennstoffzellen-Bipolarplatte mit Mikrorillen in einer
hydrophilen Schicht umfasst, die über dem Grundteil der
Brennstoffzellen-Bipolarplatte liegt.
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7 zeigt
ein Erzeugnis nach einer Ausführungsform der Erfindung,
das eine Brennstoffzellen-Bipolarplatte mit einer hydrophilen Schicht,
die über mindestens einem Teil des Grundteils der Brennstoffzellen-Bipolarplatte
liegt, sowie mit Mikrorillen, die über dem Grundteil der
Brennstoffzellen-Bipolarplatte liegen, umfasst.
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8A zeigt
ein Erzeugnis nach einer Ausführungsform der Erfindung,
das Kanäle rechteckigen Querschnitts einer Brennstoffzellen-Bipolarplatte,
die darin Mikrorillen aufweist, umfasst.
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8B zeigt
ein Erzeugnis nach einer Ausführungsform der Erfindung,
das Kanäle u-förmigen Querschnitts einer Brennstoffzellen-Bipolarplatte,
die darin Mikrorillen aufweist, umfasst.
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8C zeigt
ein Erzeugnis nach einer Ausführungsform der Erfindung,
das Kanäle v-förmigen Querschnitts einer Brennstoffzellen-Bipolarplatte,
die darin Mikrorillen aufweist, umfasst.
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9 zeigt
ein Erzeugnis nach einer Ausführungsform der Erfindung,
das eine Brennstoffzellen-Bipolarplatte mit Mikrorillen in dem Grundteil
der Brennstoffzellen-Bipolarplatte umfasst.
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10 zeigt
ein Erzeugnis nach einer Ausführungsform der Erfindung,
das eine Brennstoffzellen-Bipolarplatte mit Mikrorillen umfasst.
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11 zeigt
ein Erzeugnis nach einer Ausführungsform der Erfindung,
das eine Brennstoffzellen-Bipolarplatte mit einer hydrophilen Schicht,
die über mindestens einem Teil des Grundteils der Brennstoffzellen-Bipolarplatte
liegt, sowie mit Mikrorillen in einer oder mehreren Schichten, die über
dem Grundteil der Brennstoffzellen-Bipolarplatte liegen, umfasst.
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12 zeigt
ein Erzeugnis nach einer Ausführungsform der Erfindung,
das eine Brennstoffzellen-Bipolarplatte mit einer hydrophilen Schicht,
die über mindestens einem Teil des Grundteils der Brennstoffzellen-Bipolarplatte
liegt, sowie mit Mikrorillen in einer oder mehreren Schichten, die über
dem Grundteil der Brennstoffzellen-Bipolarplatte liegen, umfasst.
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13 zeigt
ein Erzeugnis nach einer Ausführungsform der Erfindung,
das mehrere Brennstoffzellen-Bipolarplatten und einen aus weichen
Komponenten, so genannten Soft Goods, bestehenden Abschnitt umfasst.
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14A zeigt einen Wassertropfen in einem Brennstoffzellen-Bipolarplattenkanal
mit einer Mikrorille.
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14B ist eine Schnittansicht entlang der Linie
B-B von 14A, die einen Wassertropfen
in einem Brennstoffzellen-Bipolarplattenkanal mit einer Mikrorille
zeigt.
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15 zeigt
einen Prozess zum Herstellen eines Erzeugnisses nach einer Ausführungsform
der Erfindung, der selektives Abscheiden eines Maskierungsmaterials über
Teilen desselben und Ausbilden von Mikrorillen in einer oder mehreren
Schichten, die über dem Grundteil einer Brennstoffzellen-Bipolarplatte
liegen, umfasst.
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16A zeigt einen Prozess zum Herstellen eines Erzeugnisses,
der das Ausbilden von Mikrorillen in einer oder mehreren Schichten,
die über einem Grundteil einer Brennstoffzellen-Bipolarplatte
liegen, und das Abscheiden oder Ausbilden von einer oder mehreren
elektrisch leitenden Schichten über dem Grundteil umfasst.
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16B zeigt einen Prozess zum Herstellen eines Erzeugnisses,
der das Ausbilden von Mikrorillen in einer oder mehreren Schichten,
die über einem Grundteil einer Brennstoffzellen-Bipolarplatte
liegen, und das Abscheiden oder Ausbilden von einer oder mehreren
elektrisch leitenden Schichten über dem Grundteil umfasst.
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16C zeigt einen Prozess zum Herstellen eines Erzeugnisses,
der das Ausbilden von Mikrorillen in einer oder mehreren Schichten,
die über einem Grundteil einer Brennstoffzellen-Bipolarplatte
liegen, und das Abscheiden oder Ausbilden von einer oder mehreren
elektrisch leitenden Schichten über dem Grundteil umfasst.
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Eingehende Beschreibung beispielhafter
Ausführungsformen
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Die
folgende Beschreibung der Ausführungsformen ist lediglich
beispielhafter Natur und soll in keiner Weise die Erfindung, ihre
Anwendung oder Verwendungszwecke beschränken.
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Unter
Bezug nun auf 1 umfasst eine Ausführungsform
der Erfindung ein Erzeugnis 10 mit einer Brennstoffzellen-Bipolarplatte 12.
Die Brennstoffzellen-Bipolarplatte 12 umfasst ein Substrat 29. Das
Substrat 29 kann einen Grundteil 28 und optional ein
oder mehrere Schichten über dem Grundteil 28 umfassen.
Der Grundteil 28 kann verschiedene Materialien umfassen,
einschließlich aber nicht ausschließlich ein Metall,
eine Metalllegierung und/oder einen elektrisch leitenden Verbundstoff.
Der Grundteil 28 kann ein oder mehrere Schichten umfassen.
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Die
Brennstoffzellen-Bipolarplatte 12 umfasst eine erste Seite 100 und
eine gegenüberliegende zweite Seite 102. Die Brennstoffzellen-Bipolarplatte 12 umfasst
ein Reaktandengas-Strömungsfeld, das zumindest teilweise
durch mehrere Stege 14 und Kanäle 16 in
der ersten Seite 100 festgelegt ist. Ein Kanal 16 kann
durch eine Seitenwand/Seitenwände 22 und einen
Boden 24 festgelegt sein. In der zweiten Seite 102 können
Kühlkanäle 26 festgelegt sein.
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Die
Brennstoffzellen-Bipolarplatte 12 umfasst darin ausgebildete
Mikrorillen 20. Der Begriff „Mikrorille", wie
er hierin verwendet wird, bezeichnet eine Rille, bei der mindestens
eine Abmessung der Rille eine Länge aufweist, die im Wesentlichen
kleiner als die charakteristische Kanallänge ist, wobei
die Kanallänge typischerweise kleiner als 100 μm
ist. Die Mikrorille kann in verschiedenen Formen, wie zum Beispiel
in 2–4 gezeigt,
ausgebildet sein. Eine Mikrorille, die im Querschnitt v-förmig
(von dreieckiger Form) ist, kann eine Breite und/oder eine Tiefe
von unter 50 μm aufweisen; eine Mikrorille, die im Querschnitt
quadrat- oder rechteckförmig ist, kann eine Breite und/oder
eine Tiefe von unter 50 μm aufweisen; eine Mikrorille,
die im Querschnitt kreisförmig ist, kann einen Radius von
unter 50 μm aufweisen. In einer (nicht dargestellten) anderen
Ausführungsform kann die Mikrorille im Querschnitt trapezförmig
oder sinusförmig sein.
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Unter
Bezug nun auf 5 kann der Kanal 16 in
einer Ausführungsform der Erfindung wie durch Linie A gezeigt
eine Breite, die von etwa 200 μm bis etwa 1 mm reicht,
und eine durch Linie B gezeigte Tiefe, die von etwa 200 μm
bis etwa 1 mm reicht, aufweisen. Wie in 4 gezeigt,
kann die Mikrorille 20 in einer Ausführungsform
der Erfindung eine durch Linie C gezeigte Breite, die von etwa 1 μm
bis etwa 100 μm reicht, und eine durch Linie D gezeigte
Tiefe, die von etwa 1 μm bis etwa 50 μm reicht,
aufweisen. In einer Ausführungsform der Erfindung reicht
die Tiefe (Linie D) der Mikrorille 20 von etwa 0,1% bis 30%
der Tiefe (Linie B) des Kanals 16, und die Breite (Linie
C) der Mikrorille 20 reicht von etwa 0,1% bis 30% der Breite
(Linie A) des Kanals 16.
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Die
Mikrorillen 20 können in dem Grundteil 28 oder
in bzw. durch eine oder mehrere Schichten über dem Grundteil 28 ausgebildet
sein. Die Mik rorillen 20 können zum Beispiel in
oder über der Seitenwand/den Seitenwänden der
Kanäle 22 und/der in oder über dem Boden
der Kanäle 24 ausgebildet sein. Die Mikrorillen
sind vorzugsweise nur in oder über dem Boden der Kanäle 24 ausgebildet.
Die Mikrorillen 20 können durch Stanzen oder Formen
der Mikrorillen in mindestens einem Teil des Grundteils 28 unter
Verwenden eines Stempel- oder Tiefziehwerkzeugs, das die Merkmale
zum Bilden der Mikrorillen enthält, gebildet werden. Die
Mikrorillen 20 können auch während des
maschinellen Herstellens der Kanäle 16 in dem
Grundteil 28 gebildet werden. Die Mikrorillen 20 können
auch durch Lasermikrobearbeitung unter Verwendung leistungsstarker
gepulster Laser über mindestens einem Teil der ersten Seite 100 gebildet
werden, wobei eine Computersteuerung des Laserkopfs zum Begrenzen
der Ausbildungsfläche der Mikrorillen 20 in oder über
einem Teil der Flächen, die die Kanäle 16 festlegen,
verwendet werden kann. Wie in 15 gezeigt,
können die Mikrorillen 20 auch durch chemisches Ätzen,
zum Beispiel Chromsäureätzen, in dem Grundteil 28 gebildet
werden. Über dem Grundteil 28 der Brennstoffzellen-Bipolarplatte 12 kann
eine Maske 106 selektiv aufgebracht werden, was eine Öffnung 108 zurücklässt, die
einen Teil des Grundteils 28 freilegt. Danach kann der
freiliegende Teil des Grundteils 28 mit einem Ätzmittel,
Gas oder Flüssigkeit, kontaktiert werden, um die Ausbildungsfläche
der Mikrorillen 20 auf einen nicht maskieren Teil des Grundteils 28 zu
begrenzen. Die Mikrorillen 20 können auch durch
mechanisches Einritzen gebildet werden, wobei die Mikrorillen 20 in mindestens
einen Teil der ersten Seite 100 der Brennstoffzellen-Bipolarplatte
unter Verwenden von zum Beispiel federbelasteten Ritzelementen wie Stahl
mit Diamantspitze oder Stahl mit Carbidspitze eingekratzt werden.
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In
einer anderen Ausführungsform der Erfindung können
die Mikrorillen
20 in einer oder mehreren Schichten, die über
dem Grundteil
28 liegen, ausgebildet werden. In einer Ausführungsform
können eine oder mehrere elektrisch leitende Schichten
104 über
dem Grundteil
28 abgeschieden oder ausgebildet werden,
wie in
16A gezeigt wird. Eine Maske
106 kann über
der elektrisch leitenden Schicht
104 selektiv abgeschieden
werden, was eine Öffnung
108 zurücklässt,
die einen Teil der elektrisch leitenden Schicht
104 freilegt.
Der freiliegende Teil der elektrisch leitenden Schicht
104 kann
nass oder trocken geätzt werden, um in der elektrisch leitenden
Schicht
104 eine Mikrorille
20 zu bilden, wie
in
16B gezeigt wird. Optional kann eine hydrophile
Schicht
30 über der elektrisch leitenden Schicht
104 abgeschieden
oder ausgebildet werden, wie in
16C gezeigt wird.
Die elektrisch leitende Schicht
104 kann ein Metall, eine
Metalllegierung, ein elektrisch leitendes Polymer oder ein Polymer
mit elektrisch leitenden Partikeln oder Fasern umfassen, ist aber
nicht hierauf beschränkt. Beispiele für ein geeignetes
Material für die elektrisch leitende Schicht
104 umfassen
die in Fronk et al,
U.S. Patent
Nr. 6,372,376 offenbarten sowie PVD-(physikalisches Abscheiden
aus der Dampfphase)-Gold, wie in Vyas et al,
U.S. Patent Nr. 6,866,958 offenbart
wird.
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Unter
Bezug nun auf 6 kann in einer anderen Ausführungsform
eine hydrophile Schicht 30 über der ersten Seite 100 der
Brennstoffzellen-Bipolarplatte 12 abgeschieden oder ausgebildet
werden. Die hydrophile Schicht 30 kann gebildet werden durch:
Abscheiden einer hydrophilen Beschichtung über mindestens
einem Teil der ersten Seite 100 der Brennstoffzellen-Bipolarplatte,
zum Beispiel eine Metalloxidbeschichtung, die Siliciumdioxid (SiO2), Hafniumdioxid (HfO2),
Zirconiumdioxid (ZrO2), Aluminiumoxid (Al2O3), Zinndioxid
(SnO2), Tantal(pent)oxid (Ta2O5), Niobpentoxid (Nb2O5), Molybdändioxid (MoO2),
Iridiumdioxid (IrO2), Rutheniumdioxid (RuO2), metastabile Oxynitride, nicht stöchiometrische
Metalloxide oder Oxynitride und Mischungen derselben umfasst, aber
nicht hierauf beschränkt ist, wie in U.S. Patentanmeldung
Nr. 2006/0216571A1 offen bart wird; Abscheiden einer hydrophilen
Beschichtung über mindestens einem Teil der ersten Seite 100 der
Brennstoffzellen-Bipolarplatte, zum Beispiel eine Kombination aus
einem leitenden Material und einem Metalloxid, wie in U.S. Patentanmeldung
Nr. 2006/0194095A1 offenbart wird; Lasermikrobearbeiten kleiner
Merkmale über mindestens einem Teil der ersten Seite der
Brennstoffzellen-Bipolarplatte; eine chemische Oxidationsbehandlung über
mindestens einem Teil der ersten Seite der Brennstoffzellen-Bipolarplatte,
wie zum Beispiel in U.S. Patentanmeldung Nr. 2006/0040148A1 offenbart
wird; mechanisches Einritzen über mindestens einem Teil
der ersten Seite der Brennstoffzellen-Bipolarplatte; chemisches Ätzen über
mindestens einem Teil der ersten Seite der Brennstoffzellen-Bipolarplatte,
um Oberflächenrauheit vorzusehen oder funktionelle Gruppen
der Oberfläche vorzusehen; oder chemisches Anbringen funktioneller
Gruppen an mindestens einem Teil der ersten Seite der Brennstoffzellen-Bipolarplatte.
In einer Ausführungsform wird die hydrophile Schicht 30 durch
chemisches Ätzen einer Edelstahl umfassenden Brennstoffzellen-Bipolarplatte
mit Hilfe von 20% Salpetersäure und 10% Flusssäure
gebildet. Eine hydrophile Schicht 30 kann auch durch Integrieren
feiner Strukturen in das Kohlenstoffverbundstoff-Formwerkzeug oder
in das Metallstanzwerkzeug gebildet werden.
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Eine
Brennstoffzellen-Bipolarplatte mit hydrophilen Eigenschaften bewirkt
ein Verteilen von Wasser in den Kanälen entlang der Oberfläche
in einem als spontanes Benetzen oder Imbibition bezeichneten Prozess.
Die sich ergebende dünne Schicht neigt weniger dazu, die
Strömungsverteilung entlang der Anordnung von Kanälen
zu ändern, die mit den gemeinsamen Eintritt- und Austrittverteilern verbunden
sind. Wenn das Plattenmaterial eine ausreichend hohe Oberflächenenergie
hat, berührt durch die Diffusionsmedien befördertes
Wasser die Kanalwände und wird dann durch Kapillarkraft
in die Bodenecken des Kanals entlang dessen Länge befördert.
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Die
physikalischen Anforderungen zum Unterstützen spontaner
Benetzung in den Ecken eines Strömungskanals werden von
der Concus-Finn-Bedingung
beschrieben, wobei β der
statische Kontaktwinkel ist, der zwischen einer Flüssigkeitsoberfläche
und einer Feststoffoberfläche ausgebildet ist, und α der
Kanaleckenwinkel ist. Bei einem rechteckigen Kanal ist α/2 =
45°, was vorgibt, dass spontanes Benetzen auftritt, wenn
der statische Kontaktwinkel kleiner als 45° ist. Bei den
in etwa rechteckigen Kanälen, die in derzeitigen Brennstoffzellenstapelauslegungen
mit Brennstoffzellen-Bipolarplatten aus Verbundstoff verwendet werden,
legt dies einen ungefähren oberen Grenzwert des Kontaktwinkels
fest, der erforderlich ist, um die vorteilhaften Wirkungen der hydrophilen Plattenoberflächen
auf Kanalwassertransport und Stabilität bei niedriger Last
zu verwirklichen.
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Unter
Bezug nun auf 7 kann die hydrophile Schicht 30 über
den Seitenwänden 22 der Kanäle 16 und über
dem Teil der Böden 24 der Kanäle 16 an
jeder Seite der Mikrorillen 20, aber ausgenommen der Mikrorillen,
gebildet werden. Dies kann zum Beispiel durch selektives Abscheiden
einer Maske über den Stegen und/oder Kanälen der
Brennstoffzellen-Bipolarplatte vor dem Ausbilden der hydrophilen
Schicht 30 und dann Entfernen der Maske erfolgen.
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In
einer anderen Ausführungsform der Erfindung können
die Kanäle 16 von beliebiger Form sein. Wie in 8A gezeigt
können die Kanäle 16 im Querschnitt rechteckig
sein, oder die Kanäle können wie in 8B gezeigt
im Querschnitt u-förmig sein, oder die Kanäle
können wie in 8C gezeigt im Querschnitt v-förmig
sein. In einer anderen (nicht dargestellten) Ausführungsform
können die Kanäle 16 im Querschnitt trapezförmig
oder sinusförmig sein. Analog können die Mikrorillen 20 von
jeder geeigneten Form sein. Zum Beispiel können die Mikrorillen 20 ähnlich
den in 8A, 8B und 8C gezeigten
Kanälen 16 im Querschnitt rechteckig, im Querschnitt
u-förmig, im Querschnitt v-förmig sein. In einer
anderen (nicht dargestellten) Ausführungsform können
die Mikrorillen 20 im Querschnitt trapezförmig
oder sinusförmig sein.
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Unter
Bezug nun auf 9 können die Mikrorillen 20 in
einer Ausführungsform der Erfindung im Wesentlichen parallel
zur Längsachse eines Segments eines Kanals 16 der
Brennstoffzellen-Bipolarplatte 12 ausgerichtet sein.
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Unter
Bezug nun auf 10 umfasst eine andere Ausführungsform
der Erfindung eine Brennstoffzellen-Bipolarplatte 12 mit
einem ersten dünnen Metallblech 40 und einem zweiten
dünnen Metallblech 42, die jeweils gestanzt und
verbunden wurden, um mehrere Stege 14 und Kanäle 16 vorzusehen.
Mikrorillen 20 können in den ersten Seiten 100 und 100' des
ersten Metallblechs 40 bzw. des zweiten Metallblechs 42 ausgebildet
werden. Kühlkanäle 26 können
in den zweiten Seiten 102 und 102' des ersten
Metallblechs 40 bzw. des zweiten Metallblechs 42 vorgesehen
werden.
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Unter
Bezug nun auf 11 können in einer anderen
Ausführungsform der Erfindung die hydrophilen Eigenschaften
der ersten Seiten 100 und 100' der Brennstoffzellen-Bipolarplatte
durch Bilden einer hydrophilen Schicht 30 über
den ersten Seiten der Brennstoffzellen-Bipolarplatte, wie vorstehend
beschrieben wurde, verbessert werden.
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Unter
Bezug nun auf 12 können in einer anderen
Ausführungsform der Erfindung die hydrophilen Schichten 30 selektiv über
den ersten Seiten 100 und 100' der Brennstoffzellen-Bipolarplatte
gebildet werden, wobei aber die Mikrorillen 20 nicht eingeschlossen
sind. Dies kann zum Bei spiel durch selektives Abscheiden einer Maske über
den Stegen 14 und/oder Kanälen 16 der
Brennstoffzellen-Bipolarplatte vor Ausbilden der hydrophilen Schichten 30 und
dann Entfernen der Maske erfolgen.
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In
einer anderen Ausführungsform der Erfindung, die in 13 gezeigt
wird, umfasst ein Erzeugnis 10 eine erste Brennstoffzellen-Bipolarplatte 112 mit
einer ersten Seite 100, die durch mehrere Stege 14 und
Kanäle 16 darin ein Reaktandengas-Strömungsfeld
festgelegt aufweist, eine zweite Brennstoffzellen-Bipolarplatte 212 mit
einer ersten Seite 100, die durch mehrere Stege 14 und
Kanäle 16 darin ein Reaktandengas-Strömungsfeld
festgelegt aufweist, und einen dazwischen vorgesehenen Soft-Goods-Abschnitt 84.
Der Soft-Goods-Abschnitt 84 kann eine Polymerelektrolytmembran 62 mit
einer ersten Seite 64 und einer zweiten Seite 66 umfassen. Über
der ersten Seite 64 der Polymerelektrolytmembran 62 kann
eine Kathode 68 liegen. Über der Kathode 68 kann
eine erste Gasdiffusionsmediumschicht 76 liegen, und optional
kann eine erste mikroporöse Schicht 72 zwischen
der ersten Gasdiffusionsmediumschicht 76 und der Kathode 68 gesetzt sein.
Die erste Brennstoffzellen-Bipolarplatte 112 liegt über
der ersten Gasdiffusionsmediumschicht 76. Eine Anode 70 kann
unter der zweiten Seite 66 der Polymerelektrolytmembran 62 liegen.
Eine zweite Gasdiffusionsmediumschicht 78 kann unter der
Anodenschicht 70 liegen, und optional kann eine zweite mikroporöse
Schicht 74 zwischen der zweiten Gasdiffusionsmediumschicht 78 und
der Anode z70 gesetzt sein. Die zweite Brennstoffzellen-Bipolarplatte 212 kann über
der zweiten Gasdiffusionsmediumschicht 78 liegen.
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14A zeigt einen Wassertropfen 200 in einem
Kanal 16 mit einer Mikrorille 20. 14B ist eine Schnittansicht entlang Linie B-B,
die bei einem Kanal 16 mit einem Seitenverhältnis
von Breite zu Tiefe von 0,6 und einer abgerundeten Dreiecksmikrorille 20 mit
einer Tiefe von etwa 1/7 der des Kanals 16 und einem Kanalkontaktwinkel
von 45° spontanes Benetzen der Mikrorille (Imbibition)
zeigt.
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Bei
Verwenden der Begriffe „über", „liegend über", „liegt über"
oder „unter", „liegend über", „liegt unter"
bezüglich der relativen Position einer ersten Komponente
oder Schicht bezüglich einer zweiten Komponente oder Schicht
verwendet werden, bedeutet dies, dass die erste Komponente oder
Schicht in direktem Kontakt mit der zweiten Komponente oder Schicht
steht oder dass zusätzliche Schichten oder Komponenten
zwischen die erste Komponente oder Schicht und die zweite Komponente
oder Schicht gesetzt sind.
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Die
vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung
ist lediglich beispielhafter Natur, und somit sind Änderungen
derselben nicht als Abweichen vom Wesen und Schutzumfang der Erfindung
zu sehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6372376 [0039]
- - US 6866958 [0039]