DE102009043211A1 - Bipolare Platte mit Merkmalen, um einer Austrittswasserrückhaltung entgegenzuwirken - Google Patents

Bipolare Platte mit Merkmalen, um einer Austrittswasserrückhaltung entgegenzuwirken Download PDF

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Abstract

Eine Brennstoffzellenplatte besitzt eine erste Platte, die eine Einlassöffnung aufweist, und eine zweite Platte, die an der ersten angeordnet ist, wobei eine Leitung gebildet wird. Die Brennstoffzellenplatte, die gut zur Verwendung in einem Brennstoffzellenstapel für Fahrzeuge geeignet ist, ist zur Reduzierung einer Wasserrückhaltung in einer Brennstoffzelle ohne Erhöhung der Anzahl erforderlicher Komponenten und Herstellkosten der Brennstoffzellenplatte offenbart.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft Brennstoffzellen und insbesondere eine Brennstoffzellenplatte, die Merkmale besitzt, die einer Flüssigkeitsrückhaltung an Einlässen und Auslässen von Bipolarplatten entgegenwirken.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Brennstoffzellenenergiesysteme wandeln einen Brennstoff und ein Oxidationsmittel in Elektrizität um. Ein Typ von Brennstoffzellenenergiesystem verwendet eine Protonenaustauschmembran (nachfolgend ”PEM”), um eine Reaktion des Brennstoffes (wie Wasserstoff) und des Oxidationsmittels (wie Luft oder Sauerstoff) katalytisch zu unterstützen und damit Elektrizität zu erzeugen. Wasser ist ein Nebenprodukt der elektrochemischen Reaktion. Die PEM ist ein Festpolymerelektrolyt, der eine Übertragung von Protonen von einer Anodenelektrode zu einer Kathodenelektrode in jeder einzelnen Brennstoffzelle eines Stapels aus Brennstoffzellen, der normalerweise in einem Brennstoffzellenenergiesystem eingesetzt ist, unterstützt.
  • Bei dem typischen Brennstoffzellenstapel besitzen die einzelnen Brennstoffzellen Brennstoffzellenplatten mit Kanälen, durch die verschiedene Reaktanden und Kühlfluide strömen. Brennstoffzellenplatten können beispielsweise unipolar sein. Eine bipolare Platte kann durch Kombination mehrerer unipolarer Platten gebildet werden. Eine Bewegung von Wasser von den Kanälen zu einer Auslasssammelleitung und durch ein Tunnelgebiet, das durch die Brennstoffzellenplatten gebildet wird, wird durch die Strömung der Reaktanden durch die Brennstoffzellenanordnung bewirkt. Grenzschicht-Scherkräfte sowie der Reaktandendruck unterstützen einen Transport des Wassers durch die Kanäle und durch das Tunnelgebiet, bis das Wasser die Brennstoffzelle durch die Auslasssammelleitung verlässt.
  • Eine Membranelektrolytanordnung (MEA) ist zwischen aufeinander folgenden Platten angeordnet, um die elektrochemische Reaktion zu unterstützen. Die MEA umfasst die Anodenelektrode, die Kathodenelektrode und eine Elektrolytmembran, die dazwischen angeordnet ist. Poröse Diffusionsmedien (DM) sind auf beiden Seiten der MEA positioniert, die eine Lieferung von Reaktanden, typischerweise Wasserstoff und Sauerstoff aus Luft, für eine elektrochemische Brennstoffzellenreaktion unterstützen.
  • Aufgrund einer resultierenden schlechten Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle darf sich kein Wasser in den Tunnelgebieten der Brennstoffzelle ansammeln. Eine Wasseransammlung bewirkt eine Fehlverteilung von Reaktandenströmung in einzelnen Brennstoffzellenplatten und innerhalb des Brennstoffzellenstapels. Zusätzlich kann sich in einer Brennstoffzelle nach einem Betrieb verbleibendes Wasser bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes verfestigen, wodurch Schwierigkeiten erzeugt werden, wenn die Brennstoffzelle erneut gestartet werden soll. Bisherige Lösungen zur effektiven Entfernung von Wasser von einer Brennstoffzelle haben zu erhöhten Herstellkosten und der Verwendung zusätzlicher Komponenten geführt.
  • Es sind zahlreiche Techniken verwendet worden, um Wasser von den Tunnelgebieten der Brennstoffzelle zu entfernen. Diese Techniken umfassen druckbeaufschlagtes Spülen, Schwerkraftströmung sowie Verdamp fung bzw. Verdunstung. Eine Druckgasspülung bei Abschaltung kann dazu verwendet werden, Wasser effektiv von den Tunnelgebieten von Brennstoffzellen zu entfernen. Umgekehrt erhöht diese Spülung die notwendige Abschaltzeitdauer des Stapels und verschwendet Brennstoff. Eine geeignete Positionierung des Stapels erlaubt, dass Wasser durch Schwerkräfte von den Tunnelgebieten entfernt wird. Eine Schwerkraftentfernung von Wasser kann auf Tunnel begrenzt sein, die zumindest einen gewissen Durchmesser besitzen. Kapillarkräfte der Leitung sowie eine Eckenbenetzung durch die gut bekannte Concus-Finn-Bedingung wirken einer Schwerkraftentfernung von Wasser entgegen. Eine Wasserentfernung durch Verdampfung stellt ebenfalls eine unzureichende Technik dar. Eine Verdampfung kann teure Heizer benötigen und kann zu einem unerwünschten Austrocknen der Elektrolytmembran führen. Ein trockener Brennstoffzellenstapel wirkt einer Protonenleitung und einem schnellen Start entgegen.
  • Die Verwendung von Wassertransportstrukturen und Oberflächenbeschichtungen stellen zwei Verfahren dar, die auch ermöglichen, dass das Tunnelgebiet einer Brennstoffzellenplatte Wasser in ein Sammelleitungsgebiet des Brennstoffzellenstapels transportieren kann.
  • Wassertransportstrukturen, typischerweise in der Form eines hydrophilen oder hydrophoben Schaums, können in die Bipolarplatte integriert sein. Wassertransportstrukturen können zwischen einem aktiven Gebiet der Brennstoffzelle und der Auslasssammelleitung angeordnet sein. Wassertransportstrukturen verbessern eine Entfernung von flüssigem Wasser von einer Brennstoffzelle durch eine Kapillarwirkung. Ein Hinzufügen von Wassertransportstrukturen zu dem Brennstoffzellenstapel erhöht, während es für den Betrieb wie eine Neustartzeitdauer der Brennstoffzelle nützlich ist, die Anzahl von Komponenten, die erforderlich sind, um die Bipolarplatte auszubilden. Herstell- und Montagekosten des Brennstoffzellenstapels steigen folglich, wenn die Komponenten hinzugefügt werden.
  • Es können auch Oberflächenbeschichtungen verwendet werden, um eine Entfernung von Wasser von der Brennstoffzelle zu unterstützen. Hydrophobe oder hydrophile Oberflächenbeschichtungen können dazu verwendet werden, den Oberflächenkontaktwinkel der bipolaren Platte zu erhöhen oder zu verringern, wodurch die Fähigkeit von Reaktanden-Grenzschicht-Scherkräften und -Druck zur Entfernung von Wasser aus dem Inneren der Brennstoffzelle unterstützt wird. Es können auch hydrophobe Oberflächenbeschichtungen verwendet werden, um einer Bildung eines Wasserfilms entgegenzuwirken. Beschichtungsvorläufer können auf die bipolare Platte durch Sprühen, Tauchen oder Bürsten bzw. Streichen aufgetragen und durch sekundäre Betriebsabläufe in eine hydrophobe oder hydrophile Oberflächenbeschichtung geformt werden. Alternativ dazu können die Beschichtungen direkt aufgetragen werden. Während Oberflächenbeschichtungen weniger komplex und teuer als Wassertransportstrukturen sind, erhöhen sie die Herstellkosten der bipolaren Platte.
  • Es existiert ein fortwährender Bedarf nach einer kosteneffektiven Brennstoffzellenplatte, die einen Wassertransport durch das Tunnelgebiet einer Brennstoffzelle unterstützt, kostengünstig ist, die Anzahl erforderlicher Komponenten minimiert sowie eine Plattenherstellung vereinfacht.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Vorliegend ist durch die Erfindung eine kosteneffektive Brennstoffzellenplatte, die einen Wassertransport durch das Tunnelgebiet der Brennstoffzellenplatte unterstützt, die die Anzahl erforderlicher Komponenten mini miert und eine Plattenherstellung vereinfacht, überraschend entdeckt worden.
  • Bei einer Ausführungsform umfasst die Brennstoffzellenplatte eine erste Platte, die eine Einlassöffnung besitzt, und eine zweite Platte, die an der ersten Platte anliegt und eine Leitung dazwischen bildet, wobei die Leitung in Fluidkommunikation mit der Einlassöffnung und einer Auslassöffnung der Brennstoffzellenplatte steht, wobei die Leitung eine zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte geformte kontinuierliche Naht besitzt, um einen Wassertransport zu der Auslassöffnung zu unterstützen.
  • Bei einer anderen Ausführungsform umfasst die Brennstoffzelle ein Paar von Brennstoffzellenplatten, wobei eine der Brennstoffzellenplatten eine erste Platte, die eine Einlassöffnung besitzt, und eine zweite Platte aufweist, die an der ersten Platte anliegt und eine Leitung dazwischen bildet, wobei die Leitung in Fluidkommunikation mit der Einlassöffnung und einer Auslassöffnung der Brennstoffzellenplatte steht, wobei die Leitung eine zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte geformte kontinuierliche Naht besitzt, um einen Wassertransport zu der Auslassöffnung zu unterstützen, und eine Elektrolytmembran sowie ein Paar von Elektroden, die zwischen dem Paar von Brennstoffzellenplatten angeordnet sind.
  • Bei einer anderen Ausführungsform umfasst der Brennstoffzellenstapel eine Vielzahl von Brennstoffzellen, wobei eine der Zellen ein Paar von Brennstoffzellenplatten aufweist, wobei eine der Brennstoffzellenplatten eine erste Platte, die eine Einlassöffnung besitzt, und eine zweite Platte aufweist, die an der ersten Platte anliegt und eine Leitung dazwischen bildet, wobei die Leitung in Fluidkommunikation mit der Einlassöffnung und einer Auslassöffnung der Brennstoffzellenplatte steht, wobei die Leitung eine zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte geformte kontinuierliche Naht besitzt, um einen Wassertransport zu der Auslassöffnung zu unterstützen, und eine Elektrolytmembran und ein Paar von Elektroden aufweist, die zwischen dem Paar von Brennstoffzellenplatten angeordnet sind.
  • BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die obigen wie auch weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen offensichtlich, in welchen:
  • 1 eine Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist;
  • 2 eine bruchstückhafte perspektivische Ansicht einer Brennstoffzellenplatte von dem in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapel ist;
  • 3 eine vergrößerte bruchstückhafte perspektivische Ansicht der in 2 gezeigten Brennstoffzellenplatte ist, die einen Abschnitt im Querschnitt entlang der Schnittlinie 3-3 zeigt;
  • 4 eine vergrößerte bruchstückhafte Draufsicht der in 2 gezeigten Brennstoffzellenplatte ist;
  • 5 eine bruchstückhafte perspektivische Ansicht der in 2 gezeigten Brennstoffzellenplatte ist, die eine kon tinuierliche Naht zwischen einer ersten Platte und einer zweiten Platte zeigt; und
  • 6 eine vergrößerte bruchstückhafte Schnittansicht einer Leitung der in 2 gezeigten Brennstoffzellenplatte ist.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • Die folgende detaillierte Beschreibung und die angefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen dazu, den Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung durchzuführen und anzuwenden, und sind nicht dazu bestimmt, den Schutzumfang der Erfindung auf irgendeine Weise einzuschränken.
  • 1 zeigt eine Brennstoffzellenanordnung 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Die Brennstoffzellenanordnung 10 umfasst mehrere gestapelte Brennstoffzellenplatten 12. Jede der Brennstoffzellenplatten 12 umfasst einen Einlassdurchlass 14 und einen Auslassdurchlass 16. Gemeinsam bilden die Einlassdurchlässe 14 von jeder der Brennstoffzellenplatten 12 eine Einlasssammelleitung 18, und die Auslassdurchlässe 16 von jeder der Platten bilden eine Auslasssammelleitung 20. Ein Einlass 22 steht in Fluidkommunikation mit der Einlasssammelleitung 18, und ein Auslass 24 steht in Fluidkommunikation mit der Auslasssammelleitung 20. Die Brennstoffzellenanordnung 10, die in 1 gezeigt ist, ist veranschaulichend für eine Anodeneinlasssammelleitung und eine Anodenauslasssammelleitung, eine Kathodeneinlasssammelleitung und eine Kathodenauslasssammelleitung sowie eine Kühlmitteleinlasssammelleitung und eine Kühlmittelauslasssammelleitung.
  • 2 zeigt eine der Brennstoffzellenplatten 12, die eine erste Platte 26 und eine zweite Platte 28 aufweist. Die erste Platte 26 und die zweite Platte 28 umfassen beide aktive Gebiete 30 und inaktive Gebiete 32. Die erste Platte 26 und die zweite Platte 28 können aus einem beliebigen herkömmlichen Material hergestellt sein, wie beispielsweise gestanztem bzw. geprägtem Metall, Graphit oder einem Kohlenstoffkomposit- bzw. Verbundstoff. Es sei zu verstehen, dass das Material zum Aufbau, die Größe, die Form, die Menge wie auch der Typ von Brennstoffzellenplatten 12 in der Brennstoffzellenanordnung 10 wie auch die Konfiguration der Brennstoffzellenplatten 12 innerhalb der Anordnung 10 auf Grundlage von Konstruktionsparametern variieren können, wie beispielsweise der Menge an zu erzeugender Elektrizität, der Größe der mit der Brennstoffzellenanordnung 10 zu betreibenden Maschine, dem Soll-Volumendurchfluss von Gasen durch die Brennstoffzellenanordnung 10 wie auch anderen ähnlichen Faktoren.
  • Die zweite Platte 28 ist benachbart der ersten Platte 26 angeordnet und mit dieser durch ein beliebiges herkömmliches Mittel verbunden, wie Schweißen, einen Klebstoff oder dergleichen, um die Brennstoffzellenplatte 12 zu bilden. Eine Anordnung einer Membranelektrodenanordnung und eines Diffusionsmediums zwischen zwei aufeinander folgenden Brennstoffzellenplatten 12 bildet eine einzelne Brennstoffzelle. Eine der ersten Platte 26 und der zweiten Platte 28 kann für eine Anodenseite oder für eine Kathodenseite der Brennstoffzellenanordnung 10 verwendet werden. Die erste Platte 26 und die zweite Platte 28 können beabstandet sein, und ein dazwischen existierender Kühlmittelkanal kann zur Flüssigkeitskühlung der Brennstoffzelle oder zur Erzeugung eines Tunnelgebietes 34 verwendet werden.
  • Das Tunnelgebiet 34 ermöglicht, dass Reaktanden sowie während der elektrochemischen Reaktion erzeugtes Wasser in die Brennstoffzelle von der Einlasssammelleitung 18 eintreten und die Zelle zu der Auslasssammelleitung 20 verlassen können. Merkmale, die die Tunnelgebiete 34 definieren, sind einteilig an der ersten Platte 26 und der zweiten Platte 28 geformt. Die Tunnelgebiete 34 sind von den Kühlmittelkanälen durch die Verwendung von Schweißstellen oder Klebstoffen getrennt, die die Platten 26, 28 selektiv verbinden. Wie in den 3, 4, 5 und 6 gezeigt ist, kann die Brennstoffzellenplatte 12 eine Anzahl von zwischen der ersten Platte 26 und der zweiten Platte 28 geformten Leitungen 36 aufweisen, die gemeinsam das Tunnelgebiet 34 formen. Die Leitungen 36 können beispielsweise entlang eines linearen Randes der Auslassöffnung 16 geformt sein oder können ringförmig um eine im Wesentlichen kreisförmige Öffnung geformt sein. Die Tunnelgebiete 34 können um die Einlasssammelleitung 18 oder die Auslasssammelleitung 20 geformt sein.
  • Die 3 und 4 zeigen die erste Platte 26, die mehrere Einlassöffnungen 38 aufweist. Die erste Platte 26 kann auch Ausstülpungen 40 der ersten Platte sowie erste planare Abschnitte 41 aufweisen. Wie in 2 gezeigt ist, umfasst das aktive Gebiet 30 eine Vielzahl von Strömungskanälen 42, die Reaktanden effektiv über das aktive Gebiet 30 verteilen. Zusätzlich führen die Strömungskanäle 42 während der elektrochemischen Reaktion erzeugtes Wasser in Richtung des inaktiven Gebietes 32. Flüssiges Wasser wird durch das aktive Gebiet 30 und das inaktive Gebiet 32 durch Reaktandenmitreißkräfte bewegt. Die Reaktanden und das Wasser treten in das Tunnelgebiet 34 der Platte 12 durch die Einlassöffnungen 38 ein. Die Einlassöffnungen 38 können beispielsweise während dem Prägen bzw. Stanzen der Platte oder durch andere sekundäre Prozesse geformt werden. An dem ersten planaren Abschnitt 41 der ersten Platte 26 oder an einem anderen planaren Abschnitt der Platte 12 kann ein Dichtungselement angeordnet sein. Das Dichtungselement kann einem Umfang der Auslasssammelleitung 20 oder einem Umfang der Platte 12 folgen. Das Dichtungselement wirkt einer Leckage der Reaktanden und des Wassers von der Brennstoffzelle entgegen und isoliert die Brennstoffzellenplatte 12 elektrisch von einer benachbarten Brennstoffzellenplatte 12.
  • Die zweite Platte 28 umfasst eine Vielzahl von Vertiefungen 44 der zweiten Platte. Die Vertiefungen 44 der zweiten Platte können beispielsweise entlang eines linearen Randes der Auslassöffnung 16 geformt sein oder können ringförmig um eine im Wesentlichen kreisförmige Öffnung geformt sein. Ein Vorderrand 45 der Vertiefung 44 der zweiten Platte kann im Wesentlichen mit einem Rand der Einlassöffnung 38 ausgerichtet sein. Bei Anordnung der zweiten Platte 28 benachbart der ersten Platte 26 sind die Vertiefungen 44 der zweiten Platte von der ersten Platte 26 beabstandet. Mehrere Kontaktrippen 46 zwischen den Vertiefungen 44 der zweiten Platte definieren eine Kopplungsfläche 48 der zweiten Platte in der Nähe der Vertiefungen 44 der zweiten Platte. Die zweite Platte 28 kann auch eine Vielzahl von Ausstülpungen 50 der zweiten Platte aufweisen, die benachbart der Vertiefungen 44 der zweiten Platte geformt sind und im Wesentlichen mit den Ausstülpungen 40 der ersten Platte ausgerichtet sind. Die Ausstülpungen 50 der zweiten Platte sorgen dafür, dass eine Querschnittsfläche der Leitung 36 im Wesentlichen konstant bleibt, wodurch Geschwindigkeitsänderungen eines sich darin bewegenden Fluides entgegengewirkt wird.
  • Die Leitungen 36 werden durch ein Zusammenwirken der Vertiefungen 44 der zweiten Platte, der ersten Platte 26, der Einlassöffnungen 38 und einer Vielzahl von Auslassöffnungen 52 geformt. Die Leitungen 36 können auch die Ausstülpungen 40 der ersten Platte und die Ausstülpungen 50 der zweiten Platte aufweisen. Es sei zu verstehen, dass ein Kontakt zwischen der ersten Platte 26 und der zweiten Platte 28 eine kontinuierliche Naht 54 von der Einlassöffnung 38 zu der Auslassöffnung 52 definiert. Die kontinuierliche Naht 54 zwischen der ersten Platte 26 und der zweiten Platte 28 kann auf verschiedenen Wegen erreicht werden. Beispielsweise kann eine planare Fläche der ersten Platte 26 auf einen Rand der Vertiefungen 44 der zweiten Platte treffen, eine planare Fläche der zweiten Platte 28 kann auf einen Rand der Ausstülpungen 40 der ersten Platte treffen, ein Rand der Ausstülpungen 40 der ersten Platte kann auf einen Rand der Vertiefungen 44 der zweiten Platte treffen, und der Vorderrand 45 von einer der Vertiefungen 44 der zweiten Platte kann auf einen Rand von einer der Einlassöffnungen 38 treffen. Die kontinuierliche Naht 54 isoliert jede der Leitungen 36 von anderen der Leitungen 36. Die Auslassöffnungen 52 können zwischen der ersten Platte 26 und der zweiten Platte 28 geformt sein. Wie gezeigt ist, bildet ein Anschlussende der Leitung 36 zumindest einen Abschnitt der Auslassöffnung 52. Alternativ dazu kann die Auslassöffnung 52 einzeln in der zweiten Platte 28 geformt sein. Ein Rand der Auslassöffnung 52 hält einen Kontakt mit der kontinuierlichen Naht 54 aufrecht. Ähnlicherweise können die Einlassöffnungen 38 in der Ausstülpung 40 der ersten Platte geformt sein, vorausgesetzt, dass der Rand der Einlassöffnung 38 einen Kontakt mit der kontinuierlichen Naht 54 beibehält.
  • Die Leitungen 36 sehen eine Fluidkommunikation zwischen den Einlassöffnungen 38 und den Auslassöffnungen 52 vor. Beispielsweise kann eine Fluidströmung einen der Reaktanden sowie eine Wasserbewegung zu und von der Brennstoffzelle aufweisen. Die Reaktanden können in die Brennstoffzelle während des Betriebs der Brennstoffzelle eintreten oder diese verlassen. Wasser kann von der Brennstoffzelle durch Kapillarströmung nach einem Brennstoffzellenbetrieb abgelassen werden. Die diskreten Leitungen 36 sind gegenüber nicht diskreten Leitungen vorteilhaft, da sie eine Fehlverteilung von Strömung in dem Tunnelgebiet 34 verhindern und eine Kapillarströmung gefördert wird.
  • Die Kapillarströmung wird durch die Verwendung der diskreten Leitungen 36 der Tunnelgebiete 34 unterstützt. Die zwischen der ersten Platte 26 und der zweiten Platte 28 geformte kontinuierliche Naht 54 stellt einen beispielhaften Ort für einen Prozess dar, der als spontane Benetzung oder spontane Imbibition bezeichnet ist. Dieser Prozess, wenn er offene Kapillaren betrifft, die durch V-förmige oder dreieckige Oberflächennuten gebildet werden, ist in Rye et al., Langmuir, 12: 555–565 (1996) beschrieben, der hierdurch in seiner Gesamtheit hier durch Bezugnahme eingeschlossen ist. Die physikalischen Anforderungen zur Unterstützung einer spontanen Benetzung in den Ecken eines Strömungskanals sind durch die Concus-Finn-Bedingung β + α/2 < 90° gekennzeichnet, wobei β ein statischer Kontaktwinkel ist, der zwischen einer Flüssigkeitsfläche und einer festen Fläche gebildet ist. Ein Winkel α ist der Eckenwinkel der Leitung 36 und bei bestimmten Ausführungsformen der Winkel, der durch die Überschneidung der ersten Platte 26 mit der zweiten Platte 28 geformt wird. Der statische Kontaktwinkel β ist eine für eine bestimmte Oberfläche und ein bestimmtes Material spezifische Eigenschaft, die beispielsweise dadurch experimentell bestimmt wird, dass ein Flüssigkeitströpfchen auf der Oberfläche angeordnet wird und aufgezeichnet wird, wann ein Gleichgewichtszustand erfüllt ist, an dem keine weitere Ausbreitung des Tröpfchens stattfindet.
  • Als ein nicht beschränkendes Beispiel besitzt ein rechtwinkliger Kanal ein α/2 von 45°, was angibt, dass eine spontane Benetzung auftritt, wenn der statische Kontaktwinkel kleiner als 45° ist. Wie in den 3 bis 6 gezeigt ist, besitzt die Überschneidung zwischen der ersten Platte 26 und der zweiten Platte 28 αβ + α/2 < 90°, wodurch die Concus-Finn-Bedingung erfüllt ist. Illustrativ kann die Überschneidung zwischen der ersten Platte 26 und der zweiten Platte 28 einen spitzen Winkel besitzen. Wie in 6 gezeigt ist, bildet eine spontane Benetzung entlang der kontinuierlichen Naht 54 gemeinsam ein kontinuierliches Band 56 aus Wasser, das von der Einlassöffnung 38 zu der Auslassöffnung 52 strömt. Das kontinuierliche Band 56 unterstützt eine konstante und ununterbrochene Strömung von Wasser durch die Leitung 36 von einer Vereinigungsfläche 58 der ersten Platte 26 zu der Auslasssammelleitung 20. Die kontinuierlichen Bänder 56 können sich an beiden Seiten der Leitung 36 bilden.
  • Im Gebrauch unterstützt das kontinuierliche Band 56 eine Entfernung von Wasser von dem Tunnelgebiet 34 und der Vereinigungsfläche 58 nach einem Betrieb des Brennstoffzellenstapels 10. Bei einer Stapelabschaltung kann sich Wasser innerhalb der Brennstoffzelle in der Vereinigungsfläche 58 oder innerhalb des Tunnelgebietes 34 aufgrund einer Entfernung der Mitreißkräfte und des Mitreißdrucks der Reaktandenströmung sammeln. Wasser in dem Tunnelgebiet 34 benetzt spontan die kontinuierliche Naht 54 und bildet das kontinuierliche Band 56. Alternativ dazu kann das kontinuierliche Band 56 während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 10 gebildet werden. Wasser an der Vereinigungsfläche 58 tritt in die Einlassöffnung 38 aufgrund einer Bildung eines Flüssigkeitsfilmes oder einer Schwerkraft ein. Das Wasser tritt mit dem Vorderrand 45 in Kontakt und benetzt spontan die kontinuierliche Naht 54. Die Kapillarwirkung sammelt weiterhin das Wasser und breitet dieses entlang der kontinuierlichen Naht 54 aus, wobei das kontinuierliche Band 56 gebildet wird. Wasser dringt von der Auslassöffnung 52 in die Einlasssammelleitung 18 oder die Auslasssammelleitung 20, wenn das Volumen von Wasser, das die kontinuierliche Naht 54 bildet, zunimmt. Wasser, das von der Auslassöffnung 52 vordringt, ist im Wesentlichen frei von den Kapillarkräften, die das konti nuierliche Band 56 bilden. Das Wasser bewegt sich in die Einlasssammelleitung 18 oder die Auslasssammelleitung 20 durch Grenzschicht-Scherkräfte, Schwerkräfte sowie Kapillarmechanismen. Wasser wird von dem Tunnelgebiet 34 und der Vereinigungsfläche 58 so lange kontinuierlich entfernt, bis die verbliebene Menge an Wasser die kapillarbasierte Entfernung von Wasser nicht weiter unterstützen kann. Demgemäß liegt Wasser, das nach Beendigung der kapillarbasierten Entfernung zurückbleibt, in einer Menge vor, die nicht in der Lage ist, die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle bei Bedingungen unterhalb des Gefrierpunktes zu beeinträchtigen.
  • Eine Fehlverteilung von Strömung kann in nicht diskreten Leitungen aufgrund einer Wasservereinigung in einer oder mehreren Leitungen auftreten. Tunnelgebiete mit nicht diskreter Leitung können eine Leitungs-Sammelleitung, überbrückte Leitungen oder andere gemeinsame Plattenmerkmale aufweisen, die angeordnet sind, bevor die Leitung in der Auslassöffnung 52 endet. Diese Merkmale, die im Vergleich zu der Größe der Leitung selbst relativ groß sein können, bewirken, dass die Strömungsgeschwindigkeit von Reaktanden durch die Leitung signifikant reduziert wird. Flüssiges Wasser kann sich in Bereichen mit einer reduzierten Strömungsgeschwindigkeit vereinigen, was zur Folge hat, dass Reaktandengase Abschnitte von Leitungen, gesamte Leitungen oder Bereiche mit reduzierter Strömungsgeschwindigkeit umgehen. Tunnelgebiete mit diskreter Leitung sehen eine im Wesentlichen konstante Reaktandenströmungsgeschwindigkeit vor, wodurch einer Wasseransammlung, eine Reaktandenumgehung sowie eine Strömungsvariation zwischen den Brennstoffzellen entgegengewirkt wird.
  • Eine Querschnittsfläche der Leitungen 36 kann so gewählt sein, um die Entfernung von flüssigem Wasser von dem Tunnelgebiet 34 zu unterstüt zen. Die Leitungen 36 können beispielsweise eine im Wesentlichen konstante Querschnittsfläche besitzen, die ermöglicht, dass die Strömungsgeschwindigkeit der sich darin bewegenden Fluide relativ konstant bleibt. Eine relative konstante Strömungsgeschwindigkeit in der Leitung 36 wirkt einer Vereinigung von Wasser entgegen. Alternativ dazu können die Leitungen 36 eine abnehmende Querschnittsfläche besitzen. Eine erste Querschnittsfläche nahe der Einlassöffnung 38 kann eine größere Querschnittsfläche besitzen, als eine zweite Querschnittsfläche nahe der Auslassöffnungen 52. Die Leitungen 36 mit einer abnehmenden Querschnittsfläche unterstützen gleichermaßen eine Entfernung von flüssigem Wasser davon durch Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit in der Leitung 36, wenn sich das Fluid entlang einer Länge der Leitung 36 in Richtung der Auslassöffnung 52 bewegt.
  • Es kann eine Vielzahl von Übergangsabschnitten 60 der Leitungen 36 durch eine Überlappung der Ausstülpungen 40 der ersten Platte und der Vertiefungen 44 der zweiten Platte geformt sein, wie in den 3 und 4 gezeigt ist. Die Ausstülpungen 50 der ersten Platte und die Vertiefungen 44 der zweiten Platte werden demgemäß geformt, um die im Wesentlichen konstante oder abnehmende Querschnittsfläche der Leitungen 36 in den Übergangsabschnitten 60 aufrechtzuerhalten.
  • Es sei angemerkt, dass die vorliegende Brennstoffzellenplatte 12 aufgrund einer Beseitigung eines Bedarfs nach zusätzlichen Komponenten, wie Wassertransportstrukturen, Oberflächenbeschichtungen und dergleichen, kosteneffektiv ist. Es ist überraschend herausgefunden worden, dass die Brennstoffzellenplatte 12 effektiv dazu dient, einer Wasseransammlung in dem Tunnelgebiet 34 der Brennstoffzelle sowie einer Fehlverteilung von Reaktanden entgegenzuwirken. Die Brennstoffzellenplatte 12 maximiert dadurch eine Startleistungsfähigkeit der Brennstoffzelle bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes.
  • Aus der vorhergehenden Beschreibung kann der Fachmann leicht die wesentlichen Charakteristiken dieser Erfindung ermitteln und ohne Abweichung von dem Erfindungsgedanken und Schutzumfang derselben verschiedene Änderungen und Abwandlungen an der Erfindung ausführen, um diese an verschiedene Gebräuche und Bedingungen anzupassen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - Rye et al., Langmuir, 12: 555–565 (1996) [0031]

Claims (20)

  1. Brennstoffzellenplatte, umfassend: eine erste Platte, die eine Einlassöffnung aufweist; und eine zweite Platte, die an der ersten Platte anliegt und eine Leitung dazwischen bildet, wobei die Leitung in Fluidkommunikation mit der Einlassöffnung und einer Auslassöffnung der Brennstoffzellenplatte steht, wobei die Leitung eine zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte geformte kontinuierliche Naht besitzt, um einen Transport von Wasser zu der Auslassöffnung zu unterstützen.
  2. Brennstoffzellenplatte nach Anspruch 1, wobei die Leitung eine diskrete Leitung ist.
  3. Brennstoffzellenplatte nach Anspruch 1, wobei die Auslassöffnung zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte gebildet ist.
  4. Brennstoffzellenplatte nach Anspruch 1, wobei die Auslassöffnung in der ersten Platte oder der zweiten Platte geformt ist.
  5. Brennstoffzellenplatte nach Anspruch 1, wobei die Leitung eine im Wesentlichen konstante Querschnittsfläche besitzt.
  6. Brennstoffzellenplatte nach Anspruch 1, wobei die Leitung eine erste Querschnittsfläche benachbart der Einlassöffnung und eine zweite Querschnittsfläche benachbart der Auslassöffnung besitzt, wobei die erste Querschnittsfläche größer als die zweite Querschnittsfläche ist.
  7. Brennstoffzellenplatte nach Anspruch 1, wobei die erste Platte mit der zweiten Platte durch Schweißen oder einen Klebstoff verbunden ist.
  8. Brennstoffzellenplatte nach Anspruch 1, wobei die zweite Platte eine Vertiefung besitzt, die mit der ersten Platte zusammenwirkt, um einen Abschnitt der Leitung zu bilden.
  9. Brennstoffzellenplatte nach Anspruch 9, wobei die Einlassöffnung einen Rand besitzt, der benachbart einem Vorderrand der Vertiefung positioniert ist, um einen Abschnitt der kontinuierlichen Naht zu bilden.
  10. Brennstoffzellenplatte nach Anspruch 1, wobei die Einlassöffnung in einer an der ersten Platte angeordneten Ausstülpung geformt ist.
  11. Brennstoffzellenplatte nach Anspruch 1, wobei eine Überlappung einer Ausstülpung und einer Vertiefung einen Abschnitt der Leitung bildet.
  12. Brennstoffzellenplatte nach Anspruch 1, wobei die erste Platte oder die zweite Platte einen im Wesentlichen planaren Abschnitt aufweist, der einen Auslassdurchlass umschließt, der in der ersten Platte oder der zweiten Platte geformt ist.
  13. Brennstoffzellenplatte nach Anspruch 12, wobei der im Wesentlichen planare Abschnitt der ersten Platte oder der zweiten Platte mit der ersten Platte oder der zweiten Platte zusammenwirkt, um einen Abschnitt der Leitung zu bilden.
  14. Brennstoffzelle, umfassend: ein Paar von Brennstoffzellenplatten, wobei eine der Brennstoffzellenplatten eine erste Platte, die eine Einlassöffnung aufweist, und eine zweite Platte aufweist, die an der ersten Platte anliegt und eine Leitung dazwischen bildet, wobei die Leitung in Fluidkommunikation mit der Einlassöffnung und einer Auslassöffnung der Brennstoffzellenplatte steht, wobei die Leitung eine zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte gebildete kontinuierliche Naht besitzt, um einen Wassertransport zu der Auslassöffnung zu unterstützen; und eine Elektrolytmembran sowie ein Paar von Elektroden, die zwischen dem Paar von Brennstoffzellenplatten angeordnet sind.
  15. Brennstoffzelle nach Anspruch 14, wobei die Leitung eine diskrete Leitung ist.
  16. Brennstoffzelle nach Anspruch 14, wobei die zweite Platte eine Vertiefung besitzt, die mit der ersten Platte zusammenwirkt, um einen Abschnitt der Leitung zu bilden.
  17. Brennstoffzelle nach Anspruch 14, wobei eine Überlappung einer Ausstülpung und einer Vertiefung einen Abschnitt der Leitung bildet.
  18. Brennstoffzelle nach Anspruch 14, wobei die erste Platte oder die zweite Platte einen im Wesentlichen planaren Abschnitt aufweist, der einen Auslassdurchlass umschließt, der in der ersten Platte oder der zweiten Platte geformt ist.
  19. Brennstoffzelle nach Anspruch 18, wobei der im Wesentlichen planare Abschnitt der ersten Platte oder der zweiten Platte mit der ersten Platte oder der zweiten Platte zusammenwirkt, um einen Abschnitt der Leitung zu bilden.
  20. Brennstoffzellenstapel, umfassend: eine Vielzahl von Brennstoffzellen, wobei eine der Zellen ein Paar von Brennstoffzellenplatten besitzt, wobei eine der Brennstoffzellenplatten eine erste Platte, die eine Einlassöffnung aufweist, und eine zweite Platte aufweist, die an der ersten Platte anliegt und eine Leitung dazwischen bildet, wobei die Leitung in Fluidkommunikation mit der Einlassöffnung und einer Auslassöffnung der Brennstoffzellenplatte steht, wobei die Leitung eine zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte gebildete kontinuierliche Naht besitzt, um einen Wassertransport zu der Auslassöffnung zu unterstützen, und eine Elektrolytmembran und ein Paar von Elektroden aufweist, die zwischen dem Paar von Brennstoffzellenplatten angeordnet sind.
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