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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Brennstoffzellensystem und insbesondere ein Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzellenplatte mit zumindest einem porösen Strömungsverteiler aufweist.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Brennstoffzellenenergiesysteme wandeln einen Brennstoff und ein Oxidationsmittel in Elektrizität um. Ein Typ von Brennstoffzellenenergiesystem verwendet eine Protonenaustauschmembran (nachfolgend ”PEM”), um eine Reaktion des Brennstoffs (wie Wasserstoff) und des Oxidationsmittels (wie Luft oder Sauerstoff) katalytisch zu unterstützen, um 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 von Brennstoffzellen unterstützt, die normalerweise in einem Brennstoffzellenenergiesystem eingesetzt sind.
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Bei der typischen Brennstoffzellenanordnung besitzen die einzelnen Brennstoffzellen Brennstoffzellenplatten mit Kanälen, durch die verschiedene Reaktanden und Kühlfluide strömen. Die Brennstoffzellenplatten können beispielsweise unipolar sein. Eine Bipolarplatte kann durch Kombination von Unipolarplatten geformt werden. Die Bewegung von Wasser von den Kanälen zu einer Auslasssammelleitung und durch ein Tunnelgebiet unterhalb der Dichtung, das durch die zusammengefügten Brennstoffzellenplatten geformt ist, wird durch die Strömung der Reaktanden durch die Brennstoffzellenanordnung bewirkt. Grenzschicht-Scherkräfte und der Reaktandendruck unterstützen den Transport des Wassers durch die Kanäle und das Tunnelgebiet, bis das Wasser die Brennstoffzelle durch die Auslasssammelleitung verlässt.
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Eine Membranelektrolytanordnung (MEA) ist zwischen aufeinander folgenden Platten angeordnet, um die elektrochemische Reaktion zu unterstützen. Die MEA umfasst die Anodenelektrode, die Kathodenelektrode und eine dazwischen angeordnete Elektrolytmembran. Poröse Diffusionsmedien (DM) sind auf beiden Seiten der MEA positioniert, um eine Lieferung von Reaktanden, typischerweise Wasserstoff und Sauerstoff aus Luft, für die elektrochemische Brennstoffzellenreaktion zu unterstützen.
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Eine Wasseransammlung durch die Tunnelgebiete der Brennstoffzelle resultiert in einer schlechten Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle. Insbesondere bewirkt eine Wasseransammlung eine Fehlverteilung der Reaktandenströmung in einzelnen Brennstoffzellenplatten und in der Brennstoffzellenanordnung. Zusätzlich kann Wasser, das in der Brennstoffzelle nach dem Betrieb verbleibt, sich bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts verfestigen, was Schwierigkeiten während eines Neustarts der Brennstoffzelle bewirkt. Bisherige Lösungen zur effektiven Entfernung von Wasser von der Brennstoffzelle haben zu erhöhten Herstellkosten und der Verwendung zusätzlicher Komponenten geführt.
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Es sind zahlreiche Techniken verwendet worden, um Wasser von den Tunnelgebieten der Brennstoffzelle zu entfernen. Diese Techniken umfassen ein druckbeaufschlagtes Spülen, eine Schwerkraftströmung sowie Verdampfung. Eine Spülung mit druckbeaufschlagtem Gas bei Abschaltung kann dazu verwendet werden, Wasser von den Tunnelgebieten der Brennstoffzellen effektiv zu entfernen. Umgekehrt erhöht diese Spülung die erforderliche Abschaltzeit des Stapels und verschwendet Brennstoff. Die geeignete Positionierung des Stapels kann ermöglichen, dass Schwerkräfte Wasser von den Tunnelgebieten entfernen. Die Schwerkraftentfernung von Wasser kann auf Tunnel mit zumindest einem gewissen Durchmesser beschränkt sein. Kapillarkräfte der Leitung sowie eine Eckenbenetzung durch die gut bekannte Concus-Finn-Bedingung minimieren eine Wirksamkeit der Schwerkraftentfernung von Wasser. Eine Wasserentfernung durch Verdampfung stellt genauso eine unzureichende Technik dar. Die Verdampfung kann teure Heizer erfordern und kann zu einer unerwünschten Austrocknung der protonenleitenden Materialien führen. Eine trockene Brennstoffzellenanordnung kann in einer verringerten Protonenleitung resultieren und eine Inbetriebnahme der Brennstoffzelle verlängern.
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Die Verwendung von Wassertransportstrukturen und Oberflächenbeschichtungen stellen zwei Verfahren dar, die ebenfalls ermöglichen, dass das Tunnelgebiet einer Brennstoffzellenplatte Wasser in ein Sammelleitungsgebiet der Brennstoffzellenanordnung transportieren kann.
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Wassertransportstrukturen können in der Bipolarplatte enthalten 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. Während der Zusatz von Wassertransportstrukturen zu der Brennstoffzellenanordnung nützlich für den Betrieb und eine Neustartzeit der Brennstoffzelle ist, erhöhen sie die Anzahl von Komponenten, die erforderlich sind, um die Bipolarplatte zu formen. Herstell- und Montagekosten der Brennstoffzellenanordnung steigen anschließend, wenn Komponenten hinzugefügt werden.
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Es können auch Oberflächenbeschichtungen verwendet werden, um eine Entfernung von Wasser von der Brennstoffzelle zu unterstützen. Es können hydrophobe oder hydrophile Oberflächenbeschichtungen verwendet werden, um den Oberflächenkontaktwinkel der Bipolarplatte zu erhöhen oder zu verringern, wodurch die Fähigkeit von Reaktandenscherkräften und Druck zur Entfernung von Wasser von einem Bereich innerhalb der Brennstoffzelle unterstützt wird oder die Bildung von Wasserfilmen verhindert wird. Beschichtungsvorläufer können auf die Bipolarplatte durch Sprühen, Tauchen oder 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 Bipolarplatte.
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Es existiert ein fortwährender Bedarf nach einer kosteneffektiven Brennstoffzellenplatte, die einen Transport von Wasser hindurch unterstützt, die kostengünstig ist, die Anzahl erforderlicher Komponenten minimiert sowie eine Plattenherstellung vereinfacht.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist überraschend eine kosteneffektive Brennstoffzellenplatte entdeckt worden, die einen Transport von Wasser hindurch unterstützt, die eine Anzahl erforderlicher Komponenten minimiert und die Plattenherstellung vereinfacht.
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Bei einer Ausführungsform umfasst eine Unipolarplatte für eine Brennstoffzelle: ein Strömungsfeld, das derart angepasst ist, dass es ein Reaktandengas verteilt; einen Einlassströmungsverteiler, der benachbart des Strömungsfeldes angeordnet ist, um den Zutritt des Reaktandengases zu dem Strömungsfeld zuzulassen; und einen Auslassströmungsverteiler, der benachbart des Strömungsfeldes angeordnet ist, um einen Austritt des Reaktandengases von dem Strömungsfeld zuzulassen, wobei der Einlassströmungsverteiler und/oder der Auslassströmungsverteiler aus einem porösen Material hergestellt sind.
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Bei einer anderen Ausführungsform umfasst eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle: eine erste Platte mit einem Strömungsfeld, das derart angepasst ist, dass es ein Reaktandengas an eine Kathodenelektrode einer Membranelektrodenanordnung verteilt, einen Einlassströmungsverteiler, der benachbart des Strömungsfeldes angeordnet ist, um den Zutritt des Reaktandengases zu dem Strömungsfeld zuzulassen, und einen Auslassströmungsverteiler, der benachbart des Strömungsfeldes angeordnet ist, um einen Austritt des Reaktandengases von dem Strömungsfeld zuzulassen, wobei der Einlassströmungsverteiler und/oder der Auslassströmungsverteiler aus einem porösen Material hergestellt sind; und eine zweite Platte mit einem Strömungsfeld, das derart angepasst ist, dass es ein Reaktandengas an eine Anode einer Membranelektrodenanordnung verteilt, einen Einlassströmungsverteiler, der benachbart des Strömungsfeldes angeordnet ist, um einen Zutritt des Reaktandengases zu dem Strömungsfeld zuzulassen, und einen Auslassströmungsverteiler, der benachbart des Strömungsfeldes angeordnet ist, um einen Austritt des Reaktandengases von dem Strömungsfeld zuzulassen, wobei der Einlassströmungsverteiler und/oder der Auslassströmungsverteiler aus einem porösen Material hergestellt sind.
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Bei einer anderen Ausführungsform umfasst eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle: eine erste Platte mit einem Strömungsfeld, das ein inaktives Gebiet und ein aktives Gebiet aufweist und derart ausgebildet ist, dass es ein Reaktandengas an eine Kathodenelektrode einer Membranelektrodenanordnung verteilt, einen Einlassströmungsverteiler, der benachbart des Strömungsfeldes angeordnet ist, um einen Zutritt des Reaktandengases zu dem Strömungsfeld zuzulassen, und einen Auslassströmungsverteiler, der benachbart dem Strömungsfeld angeordnet ist, um einen Austritt des Reaktandengases von dem Strömungsfeld zuzulassen, wobei der Einlassströmungsverteiler und/oder der Auslassströmungsverteiler aus einem porösen Material hergestellt sind, und wobei eine erste Separatorplatte benachbart dem Strömungsfeld und/oder den Strömungsverteilern angeordnet ist; und eine zweite Platte mit einem Strömungsfeld, das ein inaktives Gebiet und ein aktives Gebiet aufweist und derart angepasst ist, dass es ein Reaktandengas an eine Anode einer Membranelektrodenanordnung verteilt, einen Einlassströmungsverteiler, der benachbart des Strömungsfeldes angeordnet ist, um einen Zutritt des Reaktandengases zu dem Strömungsfeld zuzulassen, und einen Auslassströmungsverteiler, der benachbart dem Strömungsfeld angeordnet ist, um einen Austritt des Reaktandengases von dem Strömungsfeld zuzulassen, wobei der Einlassströmungsverteiler und/oder der Auslassströmungsverteiler aus einem porösen Material hergestellt sind, und wobei eine zweite Separatorplatte benachbart dem Strömungsfeld und/oder den Strömungsverteilern angeordnet ist, wobei die zweite Separatorplatte an der ersten Separatorplatte anliegt, um zumindest einen Kanal dazwischen zu bilden.
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ZEICHNUNGEN
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Die obigen, wie auch weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen leichter offensichtlich.
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1 ist eine schematische Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 ist eine Draufsicht einer Brennstoffzelle des in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapels;
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3 ist eine vergrößerte Schnittansicht der in 2 gezeigten Brennstoffzelle entlang der Schnittlinie 3-3; und
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4 ist eine vergrößerte Schnittansicht der in 2 gezeigten Brennstoffzelle entlang der Schnittlinie 4-4.
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DETAILIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die vorliegende Offenbarung, Anwendung bzw. Gebräuche zu beschränken. Es sei auch zu verstehen, dass in allen Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale angeben.
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1 zeigt eine Brennstoffzellenanordnung 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Die Brennstoffzellenanordnung 10 umfasst eine Mehrzahl gestapelter Brennstoffzellen 12. Jede der Brennstoffzellen 12 umfasst einen Einlassdurchlass 14 und einen Auslassdurchlass 16. Die Brennstoffzellen 12 sind so gestapelt, dass der Einlassdurchlass 14 und der Auslassdurchlass 16 jeder Brennstoffzelle 12 im Wesentlichen mit dem jeweiligen Einlassdurchlass 14 und Auslassdurchlass 16 einer benachbarten Platte oder Brennstoffzelle 12 ausgerichtet sind. Gemeinsam bilden die Einlassdurchlässe 14 von jeder der Brennstoffzellen 12 eine Einlasssammelleitung 18, und die Auslassdurchlässe 16 jeder der Brennstoffzellen 12 bilden eine Auslasssammelleitung 20. Es sei zu verstehen, dass der Durchmesser, die Menge wie auch die Länge der Einlasssammelleitung 18 von der Größe und Menge der Einlassdurchlässe 14 in den Brennstoffzellen 12 und der Anzahl von Brennstoffzellen 12, die in der Brennstoffzellenanordnung 10 gestapelt sind, abhängen. Es sei ferner zu verstehen, dass der Durchmesser, die Menge wie auch die Länge der Auslasssammelleitung 20 von der Größe und Menge der Auslassdurchlässe 16 in den Brennstoffzellen 12 und der Anzahl von Brennstoffzellen 12, die in der Brennstoffzellenanordnung 10 gestapelt sind, abhängen. Ein Einlass 22 steht in Fluidkommunikation mit der Einlasssammelleitung 18, und ein Auslass 24 steht in Fluidkommunikation mit der Auslasssammelleitung 20. Die in 1 gezeigte Brennstoffzellenanordnung 10 veranschaulicht eine Anodeneinlasssammelleitung und eine Anodenauslasssammelleitung, eine Kathodeneinlasssammelleitung und eine Kathodenauslasssammelleitung sowie eine Kühlmitteleinlasssammelleitung und eine Kühlmittelauslasssammelleitung.
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Die 2–4 zeigen eine der Brennstoffzellen 12 der Brennstoffzellenanordnung 10. Die Brennstoffzelle 12 weist ein Paar von Unipolarplatten 26 und ein Paar von Unipolarplatten 28 auf. Jede der Unipolarplatten 26, 28 weist ein aktives Gebiet 30 und inaktive Gebiete 32 auf. Typischerweise ist jede der Unipolarplatten 26 zusammen mit einer benachbarten Unipolarplatte 28 verbunden, um eine Bipolarplatte 33 zu bilden. Das Verbinden kann beispielsweise durch Hartlöten, Diffusionsbonden, Laserschweißen oder Kleben mit einem leitenden Klebstoff erreicht werden, wie es in der Technik gut bekannt ist. In der Technik sind geeignete Binder bekannt, die nach Bedarf gewählt werden können. Es sei zu verstehen, dass die Größe, die Form, die Menge wie auch der Typ der Unipolarplatten 26, 28 in der Brennstoffzelle 12 wie auch die Konfiguration der Unipolarplatten 26, 28 in der Brennstoffzelle 12 auf der Basis von Konstruktionsparametern variieren kann, wie beispielsweise der Menge an zu erzeugender Elektrizität, der Größe der durch die Brennstoffzellenanordnung 10 zu betreibenden Maschine, dem Soll-Volumendurchfluss von Gasen durch die Brennstoffzellenanordnung 10 wie auch anderen Faktoren. Es ist auch eine Membranelektrodenanordnung (MEA) 34 in der Brennstoffzelle 12 enthalten. Die MEA 34 ist zwischen zwei aufeinander folgenden Bipolarplatten 33 angeordnet. Die MEA 34 umfasst eine Protonenaustauschmembran (PEM) 35, die schichtartig zwischen einer Anodenelektrode 36 und einer Kathodenelektrode 38 angeordnet ist.
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Nun Bezug nehmend auf die 3 und 4 umfasst die Unipolarplatte 26 ein im Wesentlichen poröses Strömungsfeld 40, das einteilig mit einem im Wesentlichen porösen Einlassströmungsverteiler 42 und einem im Wesentlichen porösen Auslassströmungsverteiler 44 geformt ist. Eine Separatorplatte 46 trägt das Strömungsfeld 40 und die Strömungsverteiler 42, 44 der Unipolarplatte 26. Die Unipolarplatte 28 umfasst ein im Wesentlichen poröses Strömungsfeld 48, das einteilig mit einem im Wesentlichen porösen Einlassströmungsverteiler 50 und einem im Wesentlichen porösen Auslassströmungsverteiler 52 geformt ist. Eine Separatorplatte 54 trägt das Strömungsfeld 48 und die Strömungsverteiler 50, 52 der Unipolarplatte 28. Demgemäß umfassen die Unipolarplatten 26, 28 eine kontinuierliche, im Wesentlichen poröse Schicht von der Einlasssammelleitung 18 zu der Auslasssammelleitung 20. Es sei zu verstehen, dass die Strömungsfelder 40, 48 der jeweiligen Unipolarplatten 26, 28 gegebenenfalls separat aus den jeweiligen Strömungsverteilern 42, 44, 50, 52 geformt werden können. Es sei ferner zu verstehen, dass jedes der Strömungsfelder 40, 48 eine typische Strömungsfeldkonfiguration mit einer Mehrzahl darin geformter Strömungskanäle sein kann. Es sei zu verstehen, dass die Strömungsfelder 40, 48 und die Strömungsverteiler 42, 44, 50, 52 nach Bedarf aus einem beliebigen porösen Material hergestellt sein können, wie beispielsweise ein Metallgewebe, ein Metallschaum (beispielsweise Nickelschaum oder Schaum aus rostfreiem Stahl), ein kohlenstoffbasierter Schaum (beispielsweise Graphitschaum) sowie ein Mikrofachwerkmaterial. Zulieferer derartiger Schäume sind beispielsweise Ultramet, Platingtech, Mitsubishi Materials Corporation, Siping AKS Metal Material Technology Corporation, Sumitomo Electric Industries, Ltd. und Porvair plc. Es sei ferner zu verstehen, dass die Strömungsfelder 40, 48 und die Strömungsverteiler 42, 44, 50, 52 aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt werden können, das beispielsweise eine elektrisch leitende Oberflächenbehandlung und dergleichen aufweist. Bei einem nicht beschränkenden Beispiel besitzen die Strömungsfelder 40, 48 und die Strömungsverteiler 42, 44, 50,52 der Unipolarplatten 26, 28 eine Porosität von etwa 70% bis etwa 85% und eine Porengröße von etwa 50 μm bis etwa 200 μm. Bei einem weiteren Beispiel beträgt die Porengröße etwa 120 μm. Bei der gezeigten Ausführungsform sind die Strömungsfelder 40, 48 und die Strömungsverteiler 42, 44, 50, 52 etwa 0,2 mm bis etwa 1,0 mm dick. Bei einem weiteren nicht beschränkenden Beispiel sind die Strömungsverteiler 42, 44 etwa 0,6 mm dick, und die Strömungsverteiler 50, 52 sind etwa 0,4 mm dick. Es sei ferner zu erkennen, dass die Strömungsfelder 40, 48 und die Strömungsverteiler 42, 44, 50, 52 nach Bedarf mit beliebiger Porosität, Porengröße und Dicke, die für die Unipolarplatten 26, 28 geeignet sind, versehen sein können.
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Wie gezeigt ist, ist der Einlassströmungsverteiler 42 der Unipolarplatte 26 im Wesentlichen planar und erstreckt sich von der Einlasssammelleitung 18 zu dem Strömungsfeld 40. Der Einlassströmungsverteiler 50 der gezeigten Unipolarplatte 28 ist im Wesentlichen planar und erstreckt sich von der Einlasssammelleitung 18 zu dem Strömungsfeld 48. Die Einlassströmungsverteiler 42, 50 erlauben einen Zutritt von Reaktanden (nicht gezeigt) zu der Brennstoffzellenanordnung 10 an der Einlasssammelleitung 18 und strömen im Wesentlichen ununterbrochen zu den Strömungsfeldern 40, 48. Der Auslassströmungsverteiler 44 der gezeigten Unipolarplatte 26 ist im Wesentlichen planar und erstreckt sich von dem Strömungsfeld 40 zu der Auslasssammelleitung 20. Der Auslassströmungsverteiler 52 der gezeigten Unipolarplatte 28 ist im Wesentlichen planar und erstreckt sich von dem Strömungsfeld 48 zu der Auslasssammelleitung 20. Die Auslassströmungsverteiler 44, 52 lassen zu, dass die Reaktanden im Wesentlichen ununterbrochen von den Strömungsfeldern 40, 48 zu der Auslasssammelleitung 20 strömen und die Brennstoffzellenanordnung 10 verlassen. Die Strömungsfelder 40, 48 verteilen die Reaktanden effektiv über das aktive Gebiet 30 der Unipolarplatten 26, 28. Zusätzlich führen und unterstützen die Strömungsverteiler 42, 44, 50, 52 und die Strömungsfelder 40, 48 eine Bewegung von flüssigem Wasser, das während der elektrochemischen Reaktion erzeugt wird, durch das aktive Gebiet 30 und die inaktiven Gebiete 32 der Unipolarplatten 26, 28 und in Richtung zu der Auslasssammelleitung 20. Das flüssige Wasser wird durch die Strömungsverteiler 42, 44, 50, 52 und das Strömungsfeld 40, 48 durch ein Mitreißen durch Reaktanden wie auch Kapillarkräfte bewegt. Wie gezeigt ist, erlaubt das Strömungsfeld 40 der Unipolarplatte 26 einen Kontakt der Reaktanden mit einem wesentlichen Anteil der Kathodenelektrode 38 der MEA 34 im Gegensatz zu einer typischen Strömungskanalkonfiguration. Das Strömungsfeld 48 der Unipolarplatte 28 erlaubt einen Kontakt der Reaktanden mit einem wesentlichen Anteil der Anodenelektrode 36 der MEA 34 im Gegensatz zu einer typischen Strömungskanalkonfiguration. Zumindest eines der inaktiven Gebiete 32 der Strömungsfelder 40, 48 und der Strömungsverteiler 42, 44, 50, 52 kann eine Oberflächenbehandlung aufweisen, um ein Flüssigwassermanagement der Brennstoffzellenanordnung 10 zu maximieren und ein Gefrieren bei einer Inbetriebnahme derselben zu minimieren. Es sei zu verstehen, dass die Oberflächenbehandlung nach Bedarf eine beliebige Oberflächenbehandlung sein kann, wie beispielsweise eine hydrophobe Oberflächenbehandlung (beispielsweise ein poröser Schaum, der in ein hydrophobes Material getaucht ist), eine hydrophile Oberflächenbehandlung (beispielsweise ein poröser Schaum, der in ein hydrophiles Material getaucht ist) und dergleichen.
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Eine erste Seite 56 des Strömungsfeldes 40 und der Strömungsverteiler 42, 44 der Unipolarplatte 26 liegt an der Kathodenelektrode 38 der MEA 34 und/oder der die MEA 34 umgebenden Unterdichtung bzw. Subgasket 58 an. Eine zweite Seite 60 des Strömungsfeldes 40 und der Strömungsverteiler 42, 44 der Unipolarplatte 26 liegt an einer ersten Seite 62 der Separatorplatte 46 an. Wie in 4 gezeigt ist, liegt eine erste Seite 64 des Strömungsfeldes 48 und der Strömungsverteiler 50, 52 der Unipolarplatte 28 an einer ersten Seite 66 der Separatorplatte 54 an. Eine zweite Seite 68 des Strömungsfeldes 48 und der Strömungsverteiler 50, 52 liegt an der Anodenelektrode 36 der MEA 34 und/oder der Unterdichtung 58 an.
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Die Separatorplatten 46, 54 sind im Wesentlichen fluidundurchlässige, elektrisch und thermisch leitende sowie korrosionsbeständige Tafeln. Die Separatorplatten 46, 54 können beispielsweise aus einem Metallmaterial und/oder einem Nichtmetallmaterial hergestellt sein, wie einem Edelstahlmaterial, einem Aluminiummaterial, einem Titanmaterial, einem Graphitmaterial und einem Verbundstoff- bzw. Kompositmaterial. Es kann jedes herkömmliche Verfahren zum Formen der Separatorplatten 46, 54 verwendet werden, wie beispielsweise Stanzen bzw. Prägen, Walzformen, Druckformen und elektromagnetisches Formen. Es sei zu verstehen, dass das Material und das Verfahren zum Formen der Separatorplatten 46, 54 eine Formbarkeit der Separatorplatten 46, 54 beeinflussen kann. Als ein nicht beschränkendes Beispiel ist jede der Separatorplatten 46, 54 etwa 0,05 mm bis etwa 0,2 mm dick. Es sei jedoch zu verstehen, dass die Separatorplatten 46, 54 nach Bedarf eine beliebige Dicke besitzen können. Die Separatorplatten 46, 54 sind im Wesentlichen planar, obwohl es zu verstehen sei, dass die Separatorplatten 46, 54 nach Bedarf Durchbrechungen und außerhalb der Ebene liegende Merkmale aufweisen können, wie beispielsweise Vertiefungen, Kanäle, Rippen und dergleichen.
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Ein Umfang der Separatorplatten 46, 54 umfasst jeweilige Stege 70, 72, die daran geformt sind. Der Steg 70 der Separatorplatte 46 liegt an dem Steg 72 der Separatorplatte 54 an, um zumindest einen Kanal 74 dazwischen zu bilden. Der zumindest eine Kanal 74 ist derart konfiguriert, dass er ein Fluid, wie beispielsweise ein Kühlmittel, aufnimmt, das während eines Betriebs der Brennstoffzellenanordnung 10 hindurchströmt und deren thermische Regulierung unterstützt. Es sei zu verstehen, dass der zumindest eine Kanal 74 gegebenenfalls einen porösen Schaum, der darin angeordnet ist, aufweisen kann. Der zumindest eine Kanal 74 ist derart angepasst, dass er die Strömung des Fluides über eine größere Oberfläche der Unipolarplatten 26, 28 und in engerer Nähe zu den aktiven Gebieten 30 derselben zulässt, als eine typische Strömungskanalkonfiguration. Demgemäß sind in der Brennstoffzellenanordnung 10 höhere Fluidtemperaturen und geringere Fluidvolumen zulässig, als bei einer typischen Brennstoffzellenanordnung.
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Ein Trägerelement 76 kann zwischen der Unterdichtung 58 und den Strömungsverteilern 50, 52 und/oder dem Steg 72 der Separatorplatte 54 angeordnet sein. Es sei zu verstehen, dass das Trägerelement 76 und die Unterdichtung 58 einteilig geformt sein können. Die Unterdichtung 58 wird durch zumindest einen der Strömungsverteiler 42, 44 und die Separatorplatte 46 im Wesentlichen gleichförmig getragen, wodurch Komplikationen minimiert werden, die durch eine kontinuierliche Mikrokanalkonstruktion bewirkt werden, wie denen, wenn die Unterdichtung 58 in Kanäle eindringt und diese beschränkt, die ein Zufuhrgebiet in den inaktiven Gebieten 32 der Brennstoffzellenanordnung 10 bilden.
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Es sei angemerkt, dass die vorliegende Brennstoffzelle 12 durch Beseitigung zusätzlicher Komponenten und Herstellprozesse, wie die Wassertransportstrukturen, die Oberflächenbeschichtungen, Tunnelgebiete, die in den inaktiven Gebieten 32 geformt sind, und dergleichen, kosteneffektiv ist. Es ist überraschend herausgefunden worden, dass die Brennstoffzelle 12 darin effektiv ist, einer Wasseransammlung in den aktiven Gebieten 30 und den inaktiven Gebieten 32 der Brennstoffzellenanordnung 10 und einer Fehlverteilung von Reaktanden entgegenzuwirken. Die Brennstoffzelle 12 maximiert dadurch eine Startleistungsfähigkeit der Brennstoffzellenanordnung 10 bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts.
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Allgemein wird während des Betriebs eines Brennstoffzellensystems der Wasserstoffreaktand in die Anodenelektrode 36 der Brennstoffzellenanordnung 10 zugeführt. Gleichzeitig wird der Sauerstoffreaktand in die Kathodenelektrode 38 der Brennstoffzellenanordnung 10 zugeführt. An der Anodenelektrode 36 wird der Wasserstoff katalytisch in Protonen und Elektronen aufgespalten. Die Oxidations-Halbzellenreaktion wird dargestellt durch: H2 ↔ 2H+ + 2e–. In einer Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellenanordnung dringen die Protonen durch die PEM 35 zu der Kathodenelektrode 38 hindurch. Die Elektronen gelangen entlang einer Schaltung einer externen Last zu der Kathodenelektrode 38, wobei der Strom der Elektrizität der Brennstoffzellenanordnung 10 erzeugt wird. An der Kathodenelektrode 38 reagiert der Sauerstoff mit den durch die PEM 35 hindurch dringenden Protonen und den Elektronen von der externen Schaltung, um Wassermoleküle zu bilden. Diese Reduktions-Halbzellenreaktion wird dargestellt durch: 4H+ + 4e– + O2 ↔ 2H2O
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Während des Betriebs der Brennstoffzellenanordnung 10 ermöglichen die Einlassströmungsverteiler 42, 50 den Eintritt der Reaktanden in die Brennstoffzelle 10 durch die Einlasssammelleitung 18. Die Auslassströmungsverteiler 44, 52 erlauben den Austritt der Reaktanden und von Wasser, das während der elektrochemischen Reaktion erzeugt wird, aus der Brennstoffzelle 12 durch die Auslasssammelleitung 20. Insbesondere werden Tröpfchen von flüssigem Wasser in dem Strömungsfeld 40 benachbart der Kathodenelektrode 38 der MEA 34 gebildet. Einiges Wasser kann auch in das Strömungsfeld 48 benachbart der Anodenelektrode 36 der MEA 34 transportiert werden oder kann sich in der Anodenelektrode 36 über Kondensation, die sich aus dem Verbrauch des Wasserstoffs ergibt, bilden. Der durch die Kathodenelektrode 38 strömende Luftstrom bewirkt eine Strömung der Wassertröpfchen und des Wasserdampfs durch das Strömungsfeld 40 und den Strömungsverteiler 44 in die Auslasssammelleitung 20. Es sei zu verstehen, dass der Betrieb, wie hier für die Kathodenelektrode 38 beschrieben ist, ähnlich dem Betrieb für die Anodenelektrode 36 der Brennstoffzellenanordnung 10 ist.
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Während bestimmte repräsentative Ausführungsformen und Einzelheiten zu Zwecken der Veranschaulichung der Erfindung gezeigt worden sind, sei dem Fachmann offensichtlich, dass verschiedene Änderungen ohne Abweichung von dem Schutzumfang der Offenbarung durchgeführt werden können, der ferner in den folgenden angefügten Ansprüchen beschrieben ist.
