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Vorliegende
Erfindung betrifft einen Gasverteiler für eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle,
der mindestens eine, in der Regel eine Mehrzahl von durchgängig durch
den Gasverteiler angeordneten Kapillaren aufweist, die der passiven
Abführung
von beim Betrieb der Polymerelektrolytbrennstoffzelle entstehendem
Wasser durch Kapillarkräfte
dienen. Ebenso betrifft die vorliegende Erfindung eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle,
die einen derartigen Gasverteiler aufweist.
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Die
PEMFC gehört
zur Gruppe der Niedertemperatur-Brennstoffzellen,
welche bei Temperaturen unter 100°C
arbeiten. Herzstück
der PEMFC ist die MEA (engl: membrane electrode assembly). Die Membran
trennt die Anode und Kathode elektrisch und fluidisch voneinan der.
Auf beiden Seiten der Membran ist eine katalytisch aktive Elektrode
aufgebracht. Dort finden die elektrochemischen Reaktionen statt.
Die bei der anodenseitigen, elektrochemischen Umwandlung von Wasserstoff
entstehenden Elektronen fließen über den äußeren Stromkreis
von Anode zur Kathode. Aufgrund der anliegenden Potentialdifferenz
diffundieren die verbliebenen Protonen von der Anode durch die protonenleitfähige Membran
zur Kathode. An der katalytischen Elektrode der Kathode wird Luft-Sauerstoff
reduziert (1). Zusammen mit den Protonen
und den Elektronen entsteht Wasser, welches im Niedertemperatur-Bereich zum Großteil in
flüssiger
Phase vorliegt.
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Die
ionische Leitfähigkeit
der Zellmembran ist vom Wassergehalt in der Membran abhängig. Bei optimaler
Sättigung
der Membran mit Wasser bilden sich die protonenleitenden Kanäle in einer
Membran vollständig
aus. Nicht umgesetzte Gase treten an der Anode bzw. Kathode als
Restbrenngas bzw. Restluft wieder aus. Das in der Brennstoffzelle
entstandene bzw. mit den Gasen eingetragene Wasser soll mit den
austretenden Gasen herausgespült
werden, um eine Flutung und eine daraus resultierende, mangelnde
Gaszufuhr oder Gasverteilung zu verhindern. Das durch die elektrochemische
Reaktion an der Kathode entstehende Wasser wird durch mehrere unterschiedliche
Transporteffekte partiell durch die Membran-Elektroden-Einheit hindurch
zur Anodenseite transportiert. Flutungseffekte können demnach sowohl auf der
Kathoden- als auch auf der Anodenseite der Brennstoffzelle auftreten
und zu Leistungseinbußen
während
des Betriebs führen.
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Die
Flutung der Gasverteilerkanäle
(Flowfield), Gasdiffusionsschichten (GDL) und Elektroden wird durch
Auswahl geeigneter Kanalgeometrien und Materialien (Porosität, Wasserbenetzungsverhalten) verhindert.
Das Wasser wird ausgehend von den Elektroden durch die Gasdiffusionsschichten
hindurch in die Gasverteilerkanäle
hineingedrückt.
Dort wird es von nachströmendem
Gas aus den Kanälen heraustransportiert.
Kathodenseitig gelangt das Wasser mit der am Kathodeneinlass überstöchiometrisch
zugeführten
Luft am Kathodenauslaß aus
der Brennstoffzelle hinaus. Anodenseitig werden PEM-Brennstoffzellen
in der Regel in einem fluidischen Kreislauf betrieben. Auch dort
muss Wasser heraustransportiert werden, es soll jedoch kein Brennstoff
verloren gehen. Im Anodenkreislauf wird eine Pumpe betrieben, die
einen definierten Volumenstrom im Kreis fördert. Das hierdurch aus dem Anodenraum
ausgetragene Wasser wird in einem Wasserabscheider gesammelt, der über ein
Ventil regelmäßig entleert
wird (2). Bei diesem Spülvorgang (Purge) werden neben
Wasser auch Brennstoff und andere gegebenenfalls vorhandene Gase
ausgetragen.
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Die
Gasverteilerkanäle
werden in der Regel in die Gehäuseplatten/Bipolarplatten
der Brennstoffzelle eingearbeitet. Wichtige Rahmenbedingungen für die Entwicklung
solcher „Flowfields” sind:
- • Geringer
Druckverlust, da der zur Verfügung
stehende Druck des zugeführten
Gases nach oben begrenzt ist.
- • Homogene
Gasverteilung über
die gesamte aktive Elektrodenfläche.
- • Effektiver
Wasseraustrag über
die gesamte aktive Elektrodenfläche
zur Vermeidung von Flutungserscheinungen/Gasdiffusionshemmung.
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Effektiv
und zuverlässig
wird das anodenseitig anfallende Wasser ausgetragen, wenn ein einziger
Kanal, z. B. in Mäanderform,
die gesamte aktive Elektrodenfläche
mit Gas versorgt. Bei mehreren parallel zueinander verlaufenden
Kanälen
besteht die Gefahr einer dauerhaften Flutung von Kanälen, da die
gefluteten Kanäle
einen erhöhten
Druckverlust aufweisen und somit nicht mit nachströmendem Gas versorgt
werden. Die Einkanal-Lösung
verhindert diese Flutung, bringt jedoch den Nachteil eines hohen
Druckverlustes aufgrund des kleinen Strömungsquerschnitts mit sich.
In Hinblick auf eine Minimierung des Druckverlusts sollte das Flowfield
aus mehreren parallel geführten
Kanälen
aufgebaut sein (3), was jedoch den beschriebenen
Nachteil einer partiellen Flutung des Flowfields zur Folge hat. Die
Vorteile eines Parallel-Flowfields sind:
- • Geringer
Druckverlust,
- • Einfache
Fertigung,
- • Geringe
Kanaltiefe und somit dünne
Gasverteilerplatten.
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Eine
Kompromisslösung
aus geringem Druckverlust und effektivem Wasseraustrag stellt das Mehrfach-Mäander-Flowfield dar (4).
Hier werden mehrere Mäanderkanäle parallel
zueinander geführt.
Je größer die
aktive Elektrodenfläche,
desto größer muss
die Anzahl der parallel geführten
Kanäle sein,
damit der Druckverlust in einem technisch sinnvollen Bereich bleibt.
Mit steigender Anzahl der parallel geführten Kanäle wird das Mehrfach-Mäander-Flowfield
dem reinen Parallel-Flowfield ähnlicher und
die Wahrscheinlichkeit der Flutung einzelner Kanäle steigt. Derartige Flowfield-Konstruktionen
haben sich in unterschiedlichsten Ausführungen in der Brennstoffzellen-Szene
international durchgesetzt. Wo es möglich ist, werden jedoch Parallel-Flowfields aufgrund
der genannten Vor teile eingesetzt, z. B. im Bereich der Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzellen, da
hier die Gefahr der Flutung nicht gegeben ist.
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Ausgehend
hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gasverteiler
anzugeben, der zum einen einen geringen Druckverlust beim Austrag
des Wassers bietet, zum anderen einen deutlich effektiveren Wasseraustrag
ermöglicht,
wie er aus den Austragsmöglichkeiten
aus dem Stand der Technik bekannt ist.
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Ebenso
war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle
anzugeben, die einen derartigen Gasverteiler umfasst.
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Diese
Aufgabe wird bezüglich
des Gasverteilers mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und bezüglich der
Polymerelektrolytbrennstoffzelle mit den Merkmalen des Patentanspruches
8 gelöst.
In Patentanspruch 13 ist ein Polymerelektrolytbrennstoffzellenstack
angegeben, der aus mehreren erfindungsgemäßen Polymerelektrolytbrennstoffzellen besteht.
Die weiteren abhängigen
Ansprüche
stellen dabei vorteilhafte Weiterbildungen dar.
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Erfindungsgemäß wird somit
ein Gasverteiler für
eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle bereitgestellt, der eine Grundstruktur
sowie mindestens einen in eine Seite der Grundstruktur eingelassenen,
durch einen Kanalboden und Stege begrenzten Kanal zur Fluidzu- und/oder -abfuhr
umfasst, wobei die Grundstruktur mindestens eine Kapillare aufweist,
die die eine Seite der Grundstruktur durchgängig mit der gegenüberliegenden
Seite der Grundstruktur verbindet.
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Die
erfindungsgemäße Lösung sieht
somit vor, das Wasser nicht in Kanalrichtung/-ebene auszutragen,
sondern durch Öffnungen,
die senkrecht zur Kanalebene in die Kanalböden bzw. in die Stege zwischen
den Kanälen
eingebracht sind (5). Das an der Rückseite
der Gehäuse-/Bipolarplatten
austretende Wasser kann nun direkt an die Umgebung abgegeben werden.
Hierdurch wird eine Flutung von Kanälen generell vermieden und
somit der Einsatz von Parallel-Flowfields ermöglicht. Dabei ergeben sich
insbesondere folgende Vorteile:
- • Einsatz
von Parallel-Flowfields ohne Flutungsproblematik
- • Bei
Betrieb mit reinem Wasserstoff kann anodenseitig auf eine überstöchiometrische
Versorgung der Brennstoffzelle verzichtet werden.
- • Nutzung
der Vorteile von Parallel-Flowfields (siehe oben).
- • Auf
einen Anodenkreislauf kann verzichtet werden. Die Anodenseite kann ”dead-ended” betrieben
werden und muss gegebenenfalls zeitweise gespült (purge) werden.
- • Das
aus den Flowfield-Kanälen
ausgetragene, flüssige
Wasser kann vollständig
verdunstet werden, sodass kein flüssiges Wasser aus dem Brennstoffzellensystem
austritt.
- • Kathodenseitiger
Einsatz einer Pumpe/Kompressor/Gebläse mit geringerer Leistungsaufnahme
aufgrund des geringeren Druckverlusts des Parallel-Flowfields.
- • Anodenseitiger
Einsatz einer Rezirkulationspumpe mit geringerer Leistungsaufnahme
aufgrund des geringeren Druckverlusts des Parallel-Flowfields.
- • Das
im porösen
Medium gespeicherte Wasser kann zur Befeuchtung der trocken zugeführten Gase
dienen.
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Die
Geometrie der Grundstruktur kann dabei nahezu auf beliebige Art
und Weise ausgestaltet sein, beispielsweise als Platte bzw. flächige Struktur. Die
in die Grundstruktur eingelassenen Kanäle stellen dabei die Gasverteilerkanäle und deren
Gesamtheit das sog. Flowfield des Gasverteilers dar. Die mindestens
eine Kapillare, die in der Grundstruktur der Gasverteilerplatte
eingelassen sind, verbinden dabei den mindestens einen Kanal mit
der gegenüber liegenden
Seite des Gasverteilers.
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Vorzugsweise
weist dabei die Grundstruktur im Bereich des Kanalbodens und/oder
im Bereich der Stege des Kanals mindestens eine Kapillare auf, die den
Kanal durchgängig
mit der gegenüberliegenden Seite
der Grundstruktur verbindet.
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Die
mindestens eine Kapillare bzw. die Mehrzahl von Kapillaren können also
in den Boden und/oder in die seitlichen Begrenzungswände (Stege)
der Gasverteilerkanäle
eingelassen sein.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist der Querschnitt der mindestens einen Kapillare einen Durchmesser
zwischen 0,05 und 5 mm, bevorzugt zwischen 0,1 und 1 mm auf.
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Die
Kapillare selbst kann durch eine Vielzahl möglicher Methoden in die Grundstruktur
der Gasverteilerplatte eingebracht werden, beispielsweise durch
Bohren und/oder Ätzen.
Insofern kann der Querschnitt der Kapillaren über die gesamte Länge der
Kapillare entweder konstant sein, aber auch relativ stochastische
und undefinierte Geometrien mit Hinterschneidungen usw. aufweisen.
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Weiter
bevorzugt ist es, wenn der Querschnitt der mindestens einen Kapillare
auf der Seite des Kanals einen größeren Durchmesser aufweist als
der Querschnitt auf der gegenüberliegenden
Seite. Bei dieser Möglichkeit
ist vorgesehen, dass sich die Kapillarkräfte mit zunehmendem Wasseraustrag aufgrund
abnehmenden Durchmessers der Kapillare vergrößern und somit die Effizienz
des Wasseraustrags weiter gesteigert wird.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen,
dass die mindestens eine Kapillare im Randbereich des Kanalbodens
angeordnet ist.
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Ebenso
ist es vorteilhaft, wenn die Grundstruktur eine Mehrzahl parallel
geführter
Kanäle
mit dazwischen liegenden Stegen aufweist und somit durch die Kanäle ein Flowfield
aufgespannt wird.
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Vorteilhaft
ist ebenso, wenn der Gasverteiler als Bipolarplatte ausgestaltet
ist.
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Erfindungsgemäß wird ebenso
eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle bereitgestellt, die mindestens
einen wie vorstehend beschriebenen Gasverteiler aufweist.
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Typischerweise
ist die Polymerelektrolytbrennstoffzelle dabei wie folgt aufgebaut:
Die
Polymerelektrolytbrennstoffzelle umfasst eine protonenleitende Membran,
auf deren erster Seite eine Anode sowie auf deren anderer Seite
eine Kathode aufgebracht ist, sowie jeweils auf der der protonenleitenden
Membran abgewandten Seite der Anode und Kathode jeweils einen Gasverteiler.
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Weiter
vorteilhaft ist, wenn sich anodenseitig an den Gasverteiler ein
wasserdurchlässiges,
gasdichtes Medium anschließt,
bevorzugt eine wasserdurchlässige,
gasdichte Membran, insbesondere eine Membran aus sulfoniertem Tetrafluorethylen-Polymer
(Nafion®).
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
schließt
sich an das wasserdurchlässige,
gasdichte Medium ein poröses
Medium an.
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Besonders
bevorzugt ist die Polymerelektrolytbrennstoffzelle in Form einer
planaren Brennstoffzelle ausgebildet.
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Erfindungsgemäß wird ebenso
ein Polymerelektrolytbrennstoffzellenstack bereitgestellt, der mindestens
zwei gestapelt verschaltete erfindungsgemäße Polymerelektrolytbrennstoffzellen
umfasst.
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Die
vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungen
sowie der beigefügten Figuren
näher erläutert, wobei
die Erfindung keinesfalls auf die im Folgenden genannten speziellen
Parameter und Ausführungsformen
beschränkt
ist.
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Dabei
zeigt
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1 den
grundlegenden Aufbau einer Polymermaterial-Brennstoffzelle;
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2 eine
Prinzipskizze einer Brennstoffzelle mit Anodenkreislauf;
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3 einen
Aufbau eines Flowfields mit parallelen Kanälen;
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4 einen
Aufbau eines Flowfields mit Zweifach-Mäanderkanal;
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5 einen
erfindungsgemäßen Gasverteiler,
der als Parallel-Flowfield mit einer Mehrzahl von Kapillaren zum
passiven Wassertransport ausgebildet ist;
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6 den
beispielhaften Aufbau einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle, umfassend
einen erfindungsgemäßen Gasverteiler
mit einer Mehrzahl von Kapillaren;
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7 einen
beispielhaften Aufbau eines Brennstoffzellenstacks bestehend aus
zwei Polymerelektrolytbrennstoffzellen.
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Der
in 1 dargestellte prinzipielle Aufbau einer Polymermaterial-Brennstoffzelle
umfasst mehrere Schichten, nämlich
einen anodenseitig angeordneten Gasverteiler 31, der auch
in Form einer Bipolarplatte ausgebildet sein kann, gefolgt von einer Gasdiffusionsschicht 32,
an die die Wasserstoffelektrode (Anode) 33 angeschlossen
ist. Das Kernstück bildet
die protonenleitende Membran (MEA) 34, an die die Luftelektrode
(Kathode 35) angrenzt. Abschließend sind erneut eine Gasdiffusionsschicht 36 sowie
ein weiterer Gasverteiler 37 kathodenseitig angeordnet.
Im Falle von Wasserstoff als Brennstoff laufen dabei folgende Reaktionen
an den jeweiligen Elektroden ab: Anode
(Oxidation): H2 → H+ +
2e– Kathode (Reduktion): O2 +
2H+ + 2e– → H2O
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In 2 ist
ein aus dem Stand der Technik bekanntes Arrangement dargestellt,
umfassend eine Brenn stoffzelle mit Anodenkreislauf. Das beim Betrieb
der Brennstoffzelle gebildete Wasser wird dabei über einem Wasserabscheider
gesammelt und über ein
Sprühventil
aus dem Anodenkreislauf ausgetragen.
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In
den 3 und 4 sind zwei alternative Bauweisen
von Flowfields mit parallelen Kanälen bzw. mit Zweifach-Mäanderkanälen dargestellt,
wobei der Austrag des beim Verbrennungsprozess gebildeten Wassers
jeweils über
die Kanäle
selbst erfolgt.
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5 zeigt
nun den erfindungsgemäßen Aufbau
eines Gasverteilers 1, bei dem in eine plattenförmige Grundstruktur 2 mehrere
Kanäle 3 eingelassen
sind (in diesem Fall 4 Stück),
die somit ein Parallel-Flowfield aufspannen. Die Kanäle 3 sind
dabei als Vertiefung in der Grundstruktur 2 ausgebildet
und verfügen über eine
Mehrzahl von Kapillaren 4, sog. „Fluidischen Vias”, zum passiven
Wasserabtransport, der über
Kapillarkräfte
erfolgt. Die Kanäle 3 sind voneinander
durch eine Mehrzahl von Stegen 5 getrennt. Ebenso ist es
möglich,
dass die Stege 5 Kapillaren 4 respektive „Fluidische
Vias” aufweisen,
die in den Seitenwänden
oder an der Oberfläche
der Stege enden.
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Die Öffnungen
(„Fluidische
Vias”)
können bezüglich Größe, Geometrie,
Position, Anzahl und Oberflächenbeschaffenheit
derart ausgeführt
sein, dass der Wassertransport unabhängig vom Gasdruck durch Kapillarkräfte stattfindet.
In 5 sind z. B. die „Fluidischen Vias” jeweils
am Rand der Kanalböden
positioniert, da sich das Wasser aufgrund von Kapillarkräften dort
vermehrt sammelt. Zur Verstärkung
des Kapillareffekts können
die Öffnungen
konisch (mit der kleineren Querschnittsfläche nach außen) ausgeführt werden.
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6 zeigt
den beispielhaften Aufbau einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle 10,
die eine Kathode 13, eine Membran-Elektronen-Einheit 11,
eine daran angeordnete Anode 12 sowie daran angeordnet
einen erfindungsgemäßen Gasverteiler mit
einer Mehrzahl von Flowfieldkanälen 3 aufweist. Der
Gasverteiler verfügt über eine
Mehrzahl von Kapillaren 4 bzw. Fluidischen Vias, die sowohl
von den Kanälen 3,
von der einen Seite des Gasverteilers auf die andere Seite 4,
jedoch auch zwischen den Kanälen 3,
angeordnet sein können
und die eine Seite der Gasverteilerstruktur mit der anderen Seite
verbinden. Auf der der Anode 12 abgewandten Seite des erfindungsgemäßen Gasverteilers
schließt
sich eine wasserdurchlässige
Nafion®-Membran 14 an,
die über eine
Abdichtung 16 verfügt.
Hieran angeordnet ist ein poröses
bzw. saugfähiges
Material 15, das die Wasserabführung weiter verbessert. Zur
weiteren Abdichtung kann Klebstoff 17 vorgesehen sein,
um die Brennstoffzelle im Gehäuse
für die
Anode 18 bzw. für die
Kathode 18' weiter
abzudichten. Die Brennstoffzelle wird von einer Deckplatte 19 mit
mehreren Öffnungen 19' zur Evaporation
des Wassers begrenzt.
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Bei
Anwendung auf der Kathodenseite bietet der durch den Einsatz eines
Parallel-Flowfields mit „Fluidischen
Vias” geringere
Druckabfall die Möglichkeit,
einen Kompressor/Pumpe/Gebläse
mit geringerer Leistungsaufnahme einzusetzen. Gleiches gilt für die Re-Zirkulationspumpe
des Anodenkreislaufs. Wird die Technologie der „Fluidischen Vias” auf der Anodenseite
angewandt, muss der Verlust von Brennstoff verhindert werden. Hierzu
kann als Gassperre ein wasserdurchlässiges, aber dennoch gasdichtes
Medium (z. B. Nafion®-Membran) verwendet werden.
Weiterhin kann sowohl anoden- als auch kathodenseitig an der Ausgangs seite
der „Fluidischen Vias” ein poröses Medium
zum Zweck der Wasserspeicherung, des Wassertransports und der Vergrößerung der
Wasseroberfläche
und somit zur Erhöhung
der Verdunstungsrate eingesetzt werden (6). Das
Wasser kann auch für
den Fall der weiteren Verwendung zu einem Wasserspeicher transportiert
werden.
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Die
Idee der Fluidischen Vias kann sowohl im Bereich der planaren als
auch der gestapelten Brennstoffzellen (Stacks) eingesetzt werden,
unabhängig
von Größe und Leistungsbereich
(7). Planare Brennstoffzellen bieten im Vergleich
zu den gestapelten Konstruktionen allerdings den Vorteil, dass die
Austrittsfläche
des Wassers nicht durch die Bipolarplatte der angrenzenden Zelle
verdeckt wird. Beim planaren Aufbau kann das austretende Wasser demnach
unmittelbar an die Umgebung abgegeben werden. Bei Einsatz im bipolaren
Aufbau wirkt die Gassperre als elektrischer Isolator. Es können hier Bereiche
vorgesehen werden, die eine elektrische Verbindung der Gasverteilerplatten
ermöglichen.
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Die
Idee der „Fluidischen
Vias” kann
besonders gut in der Multilayer-Keramik-Technologie umgesetzt werden.
Hier sind die Fertigung von Bauteilen aus vielen Schichten und die
Einbringung von Vias (elektrisch/fluidisch) bereits zur Produktreife
gelangt. Weitere Technologien, die zur Anwendung kommen könnten, sind
der Spritzguss und das Ätzen.