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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Offenlegung betrifft ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie aus der
DE 10 2010 035 360 A1 bekannt.
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Hintergrund der Erfindung
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Eine Brennstoffzelle wurde als saubere, effiziente und umweltbewusste Leistungsquelle für Elektrofahrzeuge und verschiedene weitere Anwendungen vorgeschlagen. Einzelne Brennstoffzellen können in Serie zusammengestapelt sein, um einen Brennstoffzellenstapel für verschiedenste Anwendungen zu bilden. Der Brennstoffzellenstapel ist in der Lage, eine Menge an Elektrizität zu liefern, die ausreicht, um ein Fahrzeug zu betreiben. Im Speziellen wurde der Brennstoffzellenstapel als eine mögliche Alternative für den traditionellen Verbrennungsmotor erkannt, der in modernen Kraftfahrzeugen verwendet wird.
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Ein Typ von Brennstoffzelle ist die Polymerelektrolytmembran(PEM)-Brennstoffzelle. Die PEM-Brennstoffzelle umfasst drei grundlegende Komponenten: eine Elektrolytmembran; und ein Paar Elektroden, das eine Kathode und eine Anode umfasst. Die Elektrolytmembran ist zwischen den Elektroden angeordnet, um eine Membran/Elektroden-Anordnung (MEA) zu bilden. Die MEA ist typischerweise zwischen porösen Diffusionsmedien (DM) wie z. B. einem Kohlefaserpapier angeordnet, das eine Zufuhr von Reaktanden wie z. B. Wasserstoff an die Anode und Sauerstoff an die Kathode erleichtert. In der elektrochemischen Brennstoffzellenreaktion wird der Wasserstoff in der Anode katalytisch oxidiert, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt hindurch zu der Kathode. Die Elektronen von der Anode können nicht durch die Elektrolytmembran hindurch gelangen und werden stattdessen als ein elektrischer Strom durch einen elektrischen Verbraucher wie z. B. einen Elektromotor hindurch zu der Kathode geleitet. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen.
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Wie auf dem technischen Gebiet gut bekannt ist, müssen die Membranen innerhalb des Brennstoffzellenstapels für eine effiziente Leistung eine bestimmte relative Feuchtigkeit (RH, von relative humidity) aufweisen. Oft werden Maßnahmen ergriffen, um die Membranhydration innerhalb eines gewünschten Bereiches, der die Protonenleitung über die Elektrolytmembranen hinweg optimiert, aufrechtzuerhalten. In einem typischen Ansatz wird zumindest einer der Reaktanden zu einer Membranbefeuchter- oder Wasserdampftransport(WVT, von water vapor transport)-Vorrichtung geleitet, bevor sie zu der Brennstoffzelle geleitet werden. Die Befeuchtung der Brennstoffzelle ist z. B. in dem
US-Patent US 7,036,466 B2 von Goebel et al., der gemeinsamen US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungs-Nr. US 2006/0029837 A1 von Sennoun et al. und der gemeinsamen US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungs-Nr. US 2005/0260469 A1 von Forte erläutert. WVT-Vorrichtungen werden typischerweise verwendet, um Luft zu befeuchten, die zu den Kathoden des Brennstoffzellenstapels geleitet wird. Beispiele von Luftbefeuchtern sind in dem
US-Patent US 7,156,379 B2 von Tanihara et al. und in dem
US-Patent US. 6,471,195 B2 von Shimanuki et al. gezeigt und beschrieben. Die WVT-Vorrichtung kann sich entweder außerhalb des Brennstoffzellenstapels befinden oder kann innerhalb des Brennstoffzellenstapels gebildet sein.
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Eine typische Membranbefeuchter-WVT-Vorrichtung ist in der gemeinsamen US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungs-Nr. US 2008/0001313 A1 von Zhang et al. offenbart. Der Membranbefeuchter umfasst eine im Wesentlichen ebene erste Platte mit zumindest einem darin gebildeten im Wesentlichen linearen Strömungskanal und eine im Wesentlichen ebene zweite Platte mit zumindest einem darin gebildeten im Wesentlichen linearen Strömungskanal. Die Strömungskanäle der ersten und der zweiten Platte erleichtern eine Strömung eines ersten bzw. eines zweiten Gases dadurch. Ein Diffusionsmedium ist zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte angeordnet und ist geeignet, eine Übertragung von Wasserdampf dadurch zuzulassen. Auch eine Membran ist zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte angeordnet und ist geeignet, eine Übertragung von Wasserdampf dadurch zuzulassen. Der Wasserdampf in dem ersten Gas wird durch das Diffusionsmedium und die Membran hindurch zu dem zweiten Gas übertragen.
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Der Erfindung liegt die Aufgage zu Grunde, ein Brennstoffzellensystem mit einer Wasserdampftransportvorrichtung anzugeben, die mechanische Festigkeit und Stabilität in Bezug auf Kriechen, thermische Ausdehnung und Hydro-Ausdehnung der Membran der Wasserdampftransportvorrichtung aufrechterhält, wobei die Wasserdampftransportvorrichtung eine Steifigkeit durch die Ebene hindurch aufweisen sollte, die ausreicht, um die Membranausdehnung während des Betriebes der Wasserdampftransportvorrichtung aufzunehmen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird mit einem Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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In Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenlegung wurde ein Brennstoffzellensystem mit einer Wasserdampftransportvorrichtung entwickelt, die eine mechanische Festigkeit und Stabilität in Bezug auf Kriechen, thermische Ausdehnung und Hydro-Ausdehnung der Membran aufrechterhält und eine Steifigkeit durch die Ebene hindurch zeigt, die ausreicht, um die Membranausdehnung während des Betriebes der Wasserdampftransportvorrichtung aufzunehmen.
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In einer Ausführungsform umfasst ein Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzelle mit einer zwischen einem Paar Elektroden angeordneten Elektrolytmembran, einem Paar Diffusionsmediumschichten und einem Paar elektrisch leitfähiger Brennstoffzellenplatten. Die Elektroden sind ausgebildet, um das befeuchtete Fluid von einer mit diesen in fluidtechnischer Verbindung stehenden Wasserdampftransportvorrichtung aufzunehmen. Die Wasserdampftransportvorrichtung umfasst eine nasse Strömungsfeldschicht mit einer groben Mikrofachwerkstruktur, die zwischen einem Paar feiner Mikrofachwerkstrukturen angeordnet ist. Die grobe und die feine Mikrofachwerkstruktur der nassen Strömungsfeldschicht sind aus einem strahlungsempfindlichen Material gebildet und geeignet, eine Strömung eines nassen Fluids dadurch zu erleichtern. Eine trockene Strömungsfeldschicht weist eine grobe Mikrofachwerkstruktur auf, die zwischen einem Paar feiner Mikrofachwerkstrukturen angeordnet ist. Die grobe und die feine Mikrofachwerkstruktur der trockenen Strömungsfeldschicht sind aus einem strahlungsempfindlichen Material gebildet und geeignet, eine Strömung eines trockenen Fluids dadurch zu erleichtern. Eine Membran ist zwischen der nassen Strömungsfeldschicht und der trockenen Strömungsfeldschicht angeordnet. Die Membran ist geeignet, eine Übertragung von Wasserdampf dadurch von dem nassen Fluid zu dem trockenen Fluid zuzulassen, um ein befeuchtetes Fluid zu bilden.
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Zeichnungen
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Die oben stehenden sowie weitere Vorteile der vorliegenden Offenlegung werden für Fachleute aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, insbesondere bei Betrachtung im Licht der hierin beschriebenen Zeichnungen, offensichtlich.
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1 ist eine schematische perspektivische Darstellung einer Wasserdampftransportvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenlegung;
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2A–2B sind fragmentarische seitliche Querschnitts-Aufrissansichten einer Wasserdampftransportvorrichtung entlang der Schnittlinien A-A bzw. B-B in 1, die ein einziges trockenes Strömungsfeld zwischen einem Paar nasser Strömungsfelder zur Illustration zeigen; und
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3A–3B sind fragmentarische seitliche Querschnitts-Aufrissansichten einer Wasserdampftransportvorrichtung entlang der Schnittlinien A-A bzw. B-B in 1, die ferner ein Stützgitter zeigen, das zwischen einer Mikrofachwerkstruktur und einer Membran angeordnet ist.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Die nachfolgende detaillierte Beschreibung und die beiliegenden Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung.
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Wie in 1 gezeigt, umfasst die vorliegende Offenlegung ein Brennstoffzellensystem mit einer Wasserdampftransportvorrichtung 2, die ausgebildet ist, um eine Strömung eines nassen Fluids 4 und eine Strömung eines trockenen Fluids 6 aufzunehmen. Das nasse Fluid 4 kann jedes beliebige Fluid umfassen, das eine Menge von Wasser, typischerweise in der Form von Wasserdampf, darin vorhanden aufweist. Das nasse Fluid 4 kann z. B. befeuchtete Luft umfassen. Das trockene Fluid 6 kann jedes Fluid umfassen, das eine Menge Wasser aufweist, die kleiner ist als die in dem nassen Fluid 4 vorhandene. Die Wasserdampftransportvorrichtung 2 ist ferner ausgebildet, um Wasserdampf von dem nassen Fluid 4 zu dem trockenen Fluid 6 zu übertragen und eine Strömung eines befeuchteten Fluids 8 zu bilden. Die Wasserdampftransportvorrichtung 2 steht in fluidtechnischer Verbindung mit einer Brennstoffzelle (nicht gezeigt) und ist ausgebildet, um einen befeuchteten Reaktanden an diese bereitzustellen. Die Wasserdampftransportvorrichtung 2 kann z. B. eine befeuchtete Strömung von Luft an die Kathode und/oder eine befeuchtete Strömung von Wasserstoff an die Anode der Brennstoffzelle bereitstellen. Weitere Befeuchtungs- und Entfeuchtungsverfahren, welche die Wasserdampftransportvorrichtung 2 verwenden, liegen ebenfalls innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Offenlegung.
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Unter nunmehriger Bezugnahme auf die 2A–2B ist die Wasserdampftransportvorrichtung 2 gemäß einer Ausführungsform der Offenlegung gezeigt. Die Wasserdampftransportvorrichtung 2 umfasst zumindest eine nasse Strömungsfeldschicht 10 und zumindest eine trockene Strömungsfeldschicht 12. Die nasse Strömungsfeldschicht 10 ist ausgebildet, um mit der Strömung des nassen Fluids 4 in fluidtechnischer Verbindung zu stehen. Die trockene Strömungsfeldschicht 12 ist ausgebildet, um mit der Strömung des trockenen Fluids 6 in fluidtechnischer Verbindung zu stehen. Der Einfachheit halber ist in den 2A–2B und 3A–3B ein Paar nasser Strömungsfeldschichten 10 mit einer einzigen dazwischen angeordneten trockenen Strömungsfeldschicht 12 gezeigt. Es sollte jedoch einzusehen sein, dass die Wasserdampftransportvorrichtung 2 z. B. mit einer Vielzahl von den nassen Strömungsfeldschichten 10 und einer Vielzahl von den trockenen Strömungsfeldschichten 12, die abwechselnd in einem Stapel angeordnet sind, ebenfalls innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Offenlegung verwendet werden kann.
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Die nasse Strömungsfeldschicht 10 umfasst eine grobe Mikrofachwerkstruktur 14, die zwischen einem Paar feiner Mikrofachwerkstrukturen 16 angeordnet ist. Die Strukturen der nassen Strömungsfeldschicht 10 sind aus einem strahlungsempfindlichen Material gebildet und ausgebildet, um die Strömung des nassen Fluids 4 dadurch zu erleichtern. Ebenso umfasst die trockene Strömungsfeldschicht 12 eine grobe Mikrofachwerkstruktur 14, die zwischen einem Paar feiner Mikrofachwerkstrukturen 16 angeordnet ist. Die Strukturen der trockenen Strömungsfeldschicht 12 sind ebenfalls aus einem strahlungsempfindlichen Material gebildet und ausgebildet, um die Strömung des trockenen Fluids 6 dadurch zu erleichtern.
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Die grobe Mikrofachwerkstruktur 14 weist eine Porengröße auf, die ausgebildet ist, um die Strömung des Fluids dadurch zu erleichtern und die feinen Mikrofachwerkstrukturen 16 zu stützen. Die grobe Mikrofachwerkstruktur 14 weist eine durchschnittliche Porengröße von mehr als etwa 250 Mikrometer und im Speziellen von mehr als etwa 500 Mikrometer auf. Die feine Mikrofachwerkstruktur 16 weist eine Porengröße auf, die ausgebildet ist, um eine Membran 22 zu stützen. Die Porengröße der feinen Mikrofachwerkstruktur 16 kann auch derart gewählt sein, dass sie ein Aufsaugen eines Fluids wie z. B. Wasser erleichtert. Die feine Mikrofachwerkstruktur weist eine durchschnittliche Porengröße von weniger als etwa 250 Mikrometer und im Speziellen von weniger als etwa 100 Mikrometer auf.
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Zumindest eine der nassen und der trockenen Strömungsfeldschichten 10, 12 kann ferner eine Vielzahl von Strömungskanälen 15 umfassen. Es sollte einzusehen sein, dass die jeweiligen Strömungskanäle 15 der nassen und der trockenen Strömungsfeldschichten 10, 12 je nach Wunsch quer zu der Strömung oder gegen die Strömung in Bezug zueinander, z. B. nicht parallel zueinander, angeordnet sein können. Die nasse Strömungsfeldschicht 10 kann z. B. ausgebildet sein, um die Strömung des nassen Fluids 4 in einer ersten Richtung zu leiten, und die trockene Strömungsfeldschicht 12 kann ausgebildet sein, um die Strömung des trockenen Fluids 6 in einer zweiten Richtung zu leiten, wobei die erste Richtung von der zweiten Richtung verschieden ist. Eine räumliche Dichte der groben Mikrofachwerkstruktur 14 kann angepasst sein, um die Strömungskanäle 15 zur Leitung der Fluidströmung und zum Austrag der Wassertropfen in der Wasserdampftransportvorrichtung 2 bereitzustellen, während sie auch im Wesentlichen offene Bereiche zur Minimierung des Gesamtdruckabfalls über die Wasserdampftransportvorrichtung 2 hinweg bereitstellt. Die Strömungskanäle 15 können z. B. durch ein Nichtvorhandensein von Fachwerken in der groben Mikrofachwerkstruktur 14 gebildet sein. In einer weiteren Ausführungsform sind die Strömungskanäle 15 durch eine Vielzahl von Kanalwänden, wie hierin weiter beschrieben, gebildet.
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Die Bildung von strahlungsgehärteten Strukturen wie z. B. der nassen und der trockenen Strömungsfeldschichten
10,
12, der groben Mikrofachwerkstrukturen
14 und der feinen Mikrofachwerkstrukturen
16 ist in der gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung US 2010/0159398 A1 des Anmelders beschrieben. Im Speziellen sind strahlungsgehärtete Mikrofachwerkstrukturen von Jacobsen et al. in „Compression behavior of micro-scale truss structures formed form self-propagating polymer wave-guides”, Acta Materialia 55, (2007), 6724–6733 beschrieben. Ein spezielles Verfahren und System zum Erzeugen von strahlungsgehärteten Strukturen ist von Jacobsen in dem
US-Patent US 7,382,959 B1 offenbart. Das System umfasst zumindest eine kollimierte Lichtquelle, die gewählt ist, um einen kollimierten Lichtstrahl zu produzieren; ein Reservoir mit einem Photomonomer, welches geeignet ist, durch den kollimierten Lichtstrahl zu polymerisieren; und eine Maske mit zumindest einer Durchbrechung, die zwischen der zumindest einen kollimierten Lichtquelle und dem Reservoir positioniert ist. Die zumindest eine Durchbrechung leitet einen Teil des kollimierten Lichtstrahles in das Photomonomer, um den zumindest einen Polymer-Wellenleiter durch einen Teil eines Volumens des Photomonomers hindurch zu bilden. Weitere strahlungsgehärtete Strukturen sind von Jacobsen in dem
US-Patent US 8,197,930 B1 offenbart. Ein Polymermaterial, das einer Strahlung ausgesetzt wird und zu einer Selbstfokussierung oder einem „Self-Trapping” des Lichts durch die Bildung von Polymer-Wellenleitern führt, ist auch von Kewitsch et al. in dem
US-Patent US 6,274,288 B1 beschrieben.
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Die strahlungsgehärteten nassen und trockenen Strömungsfeldschichten 10, 12 sind aus strahlungsempfindlichen Materialien gebildet. Die strahlungsempfindlichen Materialien gemäß der vorliegenden Offenlegung umfassen strahlungshärtbare Materialien und durch Strahlung zersetzbare Materialien. Der Ausdruck „strahlungshärtbares Material” ist hierin als jedes Material definiert, das, wenn es einer Strahlung ausgesetzt ist, zumindest angeregt, polymerisiert oder vernetzt wird. Es sollte einzusehen sein, dass auch eine Erhöhung der Temperatur verwendet werden kann, um zumindest teilweise eine Polymerisation oder Vernetzung der strahlungshärtbaren Materialien anschließend an eine Anregung durch den Strahlungseinfluss zu beenden. Der Ausdruck „durch Strahlung zersetzbares Material” ist hierin als jedes Material definiert, das zumindest eines von einer Spaltung des Polymergerüsts und einem Entnetzen durch Strahlungseinfluss zeigt. Als ein Beispiel kann das durch Strahlung zersetzbare Material durch ein ausreichendes Aufbrechen von Vernetzungen und/oder Spalten des Polymergerüsts des durch Strahlung zersetzbaren Materials durch Lösungsmittel löslich gemacht werden.
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Als Beispiele können die strahlungshärtbaren Materialien eines von einem flüssigen Photomonomer und einem im Wesentlichen festen, strahlungshärtbaren Polymer umfassen. Das flüssige Photomonomer kann ein Monomer sein, wie von Jacobsen in dem
US Patent US 7,382,959 B1 und dem
US-Patent US 8,197,930 B1 beschrieben. Weitere Beispiele von geeigneten Photomonomeren umfassen Monomere, die über eine freie radikalische Polymerisation polymerisieren, wenn sie einer UV-Strahlung (z. B. einer Wellenlänge zwischen etwa 250 nm und etwa 400 nm) ausgesetzt sind. Das Photomonomer kann jedes geeignete frei radikalische Photopolymermaterial wie z. B. Urethane (Polyurethane), Acrylate, Methacrylate und kationische Polymere wie lichtgehärtete Epoxide umfassen. Geeignete flüssige Photomonomere können bei Photopolymerisation eine Verschiebung des Brechungsindex zeigen, um z. B. sich selbst fortpflanzende Wellenleiter bereitzustellen. Es können je nach Wunsch auch andere Photomonomere verwendet werden.
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Geeignete im Wesentlichen feste strahlungshärtbare Polymere können Negativ-Resist-Polymere umfassen. Negativ-Resist-Polymere durchlaufen einen Photoinitiierungsprozess, der ein Aushärten des Negativ-Resist-Polymers z. B. durch Polymerisation oder Polykondensation zur Folge hat. Wenn die Polymerisations- oder Polykondensationsreaktion im Wesentlichen gleichzeitig stattfindet, wird der Prozess als „lichtgehärtet” bezeichnet. Wenn nur die Reaktionsspezies durch den Photoinitiierungsprozess erzeugt wird und ein nachfolgender Schritt wie z. B. Erwärmen erforderlich ist, um die Polymerisation oder Polykondensation zu schaffen, wird der Prozess als „photoinitiiert” bezeichnet. Es sollte einzusehen sein, dass, wenngleich eine Nachhärtungswärmebehandlung notwendig sein kann, um den Polymerisationsschritt abzuschließen, während des anfänglichen Strahlungseinflusses auch im Wesentlichen stabile strahlungsgehärtete Merkmale in dem Negativ-Photoresist-Polymer erzeugt werden können. Die im Wesentlichen festen strahlungshärtbaren Polymere können gerade den Anregungsprozess durchlaufen und infolge der inhärenten Stabilität und begrenzten Diffusionsrate der chemischen Spezies innerhalb der festen strahlungshärtbaren Polymere kann der Aushärtungsprozess auch viel später ohne eine wesentliche Merkmaldegradation erfolgen. Es sollte einzusehen sein, dass die meisten photoinitiierten Polymere den Aushärtungsprozess zu Beginn des Anregungsprozesses beginnen, aber die Kinetik der Reaktion bei der Expositionstemperatur so langsam ist, dass eine schwache Polymerisation oder Polykondensation, wenn überhaupt, vor dem Erwärmen des Negativ-Resist-Polymers auf eine erwünschte Aushärtungstemperatur stattfinden kann.
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Ein spezielles Negativ-Resist-Polymer ist das Negativ-Resist-Polymer SU-8 2000TM auf Epoxidbasis, das im Handel von Microchem Corporation in Newton, Massachusetts erhältlich ist. Das Negativ-Resist-Polymer SU-8 2000TM ist durch UV-Strahlung härtbar. Es sollte einzusehen sein, dass weitere im Wesentlichen feste strahlungshärtbare Polymere verwendet werden können.
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Als ein Beispiel können die durch Strahlung zersetzbaren Materialien Positiv-Resist-Polymere umfassen. Positiv-Resist-Polymere beginnen als vernetzte Polymere, können jedoch Photoinitiatoren enthalten, die, wenn sie einer speziellen Strahlung ausgesetzt sind, chemische Spezies erzeugen, welche das Polymer zersetzen, indem sie die Vernetzungen aufbrechen und/oder das Polymergerüst spalten. Die Zerlegung macht das Positiv-Resist-Polymer in den Bereichen löslich, die der Strahlung ausgesetzt waren. Bereiche, in denen das Positiv-Resist-Polymer gehärtet bleibt, werden maskiert und nicht exponiert, wie im Fall der hierin oben stehend beschriebenen Negativ-Resist-Polymere. In bestimmten Ausführungsformen sind die Positiv-Resist-Polymere empfindlich gegenüber Strahlung, z. B. Ultraviolett oder einem Elektronenstrahl, ohne dass Photoinitiatoren notwendig sind. Zum Beispiel kann das Positiv-Resist-Polymer selbst durch die Strahlung beschädigt werden und die restlichen gespaltenen Ketten werden in einem Lösungsmittel löslich. Es können je nach Wunsch andere Arten von Positiv-Resist-Polymeren verwendet werden.
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Die Strömungskanäle 15 von zumindest einer von der nassen Strömungsfeldschicht 10 und der trockenen Strömungsfeldschicht 12 können eine Vielzahl von ersten Kanalwänden 24 umfassen, die sich entlang einer Richtung erstrecken. Die ersten Kanalwände 24 können sich entlang einer Länge zumindest einer der nassen und der trockenen Strömungsfeldschichten 10, 12 erstrecken. Die Strömungskanäle 15 können ferner eine Vielzahl von zweiten Kanalwänden 26 umfassen, die sich ebenfalls entlang der Länge zumindest einer der nassen und der trockenen Strömungsfeldschichten 10, 12 erstrecken. Die ersten und zweiten Kanalwände 24, 26 können beabstandet sein, wie in den 2A bis 3B gezeigt. In einer alternativen Ausführungsform durchdringen die ersten und zweiten Kanalwände 24, 26 einander an einer Vielzahl von Knoten (nicht gezeigt). Als ein Beispiel können die ersten und zweiten Kanalwände 24, 26 im Wesentlichen V-förmige Strömungskanäle 15 bilden. Es sollte einzusehen sein, dass die Bildung der Strömungskanäle 15 als offene V-Formen die Rückgewinnung von überschüssigen strahlungsempfindlichen Materialien, die z. B. während der Herstellung der nassen und der trockenen Strömungsfeldschichten 10, 12 verwendet werden, zulassen kann. Die Knoten können je nach Wunsch benachbart zu jeder der feinen Mikrofachwerkstrukturen 16, zwischen denen sich die Strömungskanäle 15 befinden, angeordnet sein.
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Die nassen und die trockenen Strömungsfeldschichten 10, 12 können ferner eine Vielzahl von beabstandeten Stützbändern 30 umfassen, welche die Strömungen des nassen bzw. des trockenen Fluids 4, 6 durch die nassen und die trockenen Strömungsfeldschichten 10, 12 hindurch erleichtern und einer unerwünschten Durchbiegung der ersten und zweiten Kanalwände 24, 26 unter typischen Brennstoffzellen-Betriebsbedingungen entgegenwirken. Wie Fachwerkelemente, welche die Mikrofachwerkstruktur 16 bilden, wie hierin weiter beschrieben, können die Stützbänder 30 je nach Wunsch eine elliptische Querschnittsform oder andere Querschnittsform aufweisen. Es sollte jedoch einzusehen sein, dass die Stützbänder 30 eine Querschnittsfläche aufweisen können, die jedoch größer ist als eine Querschnittsfläche der umgebenden Fachwerkelemente, um eine Stütze der ersten und zweiten Kanalwände 24, 26 zu erleichtern.
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Die Stützbänder 30 können sich je nach Wunsch auch kontinuierlich oder intermittierend schneiden. Zum Beispiel können die Stützbänder 30 zwischen zumindest einer von den ersten und den zweiten Kanalwänden 24, 26 und zumindest einer der feinen Mikrofachwerkstrukturen 16 angeordnet sein. Die Stützbänder 30 können auch zwischen den feinen Mikrostrukturen 16 angeordnet sein. Zumindest eines der Stützbänder 30 kann ein weiteres der Stützbänder 30 benachbart zu den feinen Mikrofachwerkstrukturen 16 schneiden. Im Speziellen können die Stützbänder 30 derart ausgestaltet sein, dass sie sich der Steifigkeit wegen und um ein unerwünschtes Verbiegen und Brechen der ersten und zweiten Kanalwände 24, 26 zu vermeiden, benachbart zu den feinen Mikrofachwerkstrukturen 16 schneiden. In einem weiteren Beispiel kann eine räumliche Dichte der Stützbänder 30 kleiner sein als eine räumliche Dichte der benachbarten feinen Mikrofachwerkstrukturen 16. Es sollte einzusehen sein, dass die räumliche Dichte der feinen Mikrofachwerkstrukturen 16 der nassen und trockenen Strömungsfeldschichten 10, 12 maximiert sein kann, um eine im Wesentlichen gleichmäßige Stützung der dazwischen angeordneten Membran 22 vorzusehen.
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In speziellen Ausführungsformen kann zumindest eine der nassen und den trockenen Strömungsfeldschichten 10, 12 eine Dicke von bis zu etwa 5,0 mm, im Speziellen bis zu etwa 2,0 mm und im Spezielleren bis zu etwa 1,0 mm aufweisen. In bestimmten Beispielen kann die Dicke von zumindest einer der nassen und trockenen Strömungsfeldschichten 10, 12 zwischen etwa 0,05 mm und 1,0 mm liegen. Es können auch andere geeignete Dicken der nassen und der trockenen Strömungsfeldschichten 10, 12 gewählt werden.
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Die Membran 22 ist zwischen der nassen Strömungsfeldschicht 10 und der trockenen Strömungsfeldschicht 12 angeordnet. Die Membran 22 kann z. B. als eine separate Schicht vorgesehen sein, die zwischen den nassen und den trockenen Strömungsfeldschichten 10, 12 angeordnet ist. In einem weiteren Beispiel ist die Membran 22 aus einem Material gebildet, das durch die feine Mikrofachwerkstruktur 16 zumindest einer der nassen und der trockenen Strömungsfeldschichten 10, 12 aufgesaugt ist. Die Membran 22 lässt eine Übertragung von Wasserdampf dadurch von dem nassen Fluid 6 zu dem trockenen Fluid 4 zu, um das befeuchtete Fluid 8 zu bilden. In bestimmten Ausführungsformen weist die Membran 22 eine Dicke von etwa 10 Mikrometer bis etwa 100 Mikrometer, im Spezielleren von etwa 25 Mikrometer bis etwa 75 Mikrometer und am speziellsten etwa 50 Mikrometer auf. Als Beispiele kann das die Membran 22 bildende Material ein Perfluorsulfonsäurepolymer (PFSA), Zellulose, Chitosan (CS), ein Polyamid, Polyacrylamid (PAM), Polyarylat, Polyacrylnitril (PAN), Polybenzimidazol (PBI), Polyetherimid (PEI), Polyethersulfon (PES), Polyimid (PI), Polyphenylsulfon (PPSU), Polystyrol, Polysulfon (PS), Polyurethan, Polyvinylalkohol (PVA), Natriumalginat (SA), sulfoniertes Polyetheretherketon (SPEEK) und Kombinationen und Mischungen davon umfassen. Die verschiedenen Materialien, die zum Bilden der Membran 22 geeignet sind, können aufquellen, wenn sie Wasserfeuchtigkeit ausgesetzt sind. Zum Beispiel können Materialien für die Membran 22 während des Betriebes der Wasserdampftransportvorrichtung 2 ein volumetrisches Aufquellen von etwa 0% bis zu einem volumetrischen Aufquellen von etwa 300% zeigen. Ein Fachmann kann je nach Wunsch geeignete Dicken und Materialien für die Membran 22 wählen.
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Jede der groben und feinen Mikrofachwerkstrukturen 14, 16 der vorliegenden Offenlegung umfasst eine Vielzahl von ersten Fachwerkelementen, die sich entlang einer ersten Richtung erstrecken, eine Vielzahl von zweiten Fachwerkelementen, die sich entlang einer zweiten Richtung erstrecken, und eine Vielzahl von dritten Fachwerkelementen, die sich entlang einer dritten Richtung erstrecken. Die ersten, zweiten und dritten Fachwerkelemente können einander an einer Vielzahl von Knoten durchdringen. Es sollte einzusehen sein, dass die ersten, zweiten und dritten Fachwerkelemente je nach Wunsch einander nicht durchdringen können oder einander an der Vielzahl von Knoten auf intermittierender Basis durchdringen können. Die ersten, zweiten und dritten Fachwerkelemente bilden eine kontinuierliche, dreidimensionale, selbsttragende Zellstruktur.
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Wenngleich die groben und feinen Mikrofachwerkstrukturen 14, 16 mit der Vielzahl von ersten Fachwerkelementen, der Vielzahl von zweiten Fachwerkelementen und der Vielzahl von dritten Fachwerkelementen eine 3-fache architektonische Symmetrie aufweisen können, wie hierin oben beschrieben, sollte ein Fachmann einsehen, dass andere Architekturen für die grobe und feine Mikrofachwerkstruktur 16 wie z. B. eine 4-Fach-Symmetrie und eine 6-Fach-Symmetrie innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Offenlegung verwendet werden können. Die spezielle Architektur kann z. B. gewählt sein, um die Verbindungsfähigkeit der groben und feinen Mikrofachwerkstrukturen 14, 16 zu maximieren und die Anfälligkeit auf ein Biegen und Knicken der groben und feinen Mikrofachwerkstrukturen 14, 16 unter Belastung zu minimieren. Die gewählte Architektur kann je nach Wunsch symmetrisch oder asymmetrisch sein. Die Architektur kann auch gewählt sein, um die Festigkeit und Steifigkeit der groben und feinen Mikrofachwerkstrukturen 14, 16 zu optimieren. Ein Fachmann sollte ferner einsehen, dass je nach Wunsch auch die anderen Architekturen für die groben und feinen Mikrofachwerkstrukturen 14, 16 verwendet werden können.
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Beispielhafte Architekturen der groben und feinen Mikrofachwerkstrukturen
14,
16 sind von Jacobsen in dem
US-Patent US 7,382,959 B1 und dem
US-Patent US 8,197,930 B1 beschrieben. Zum Beispiel kann die Vielzahl von ersten Fachwerkelementen durch eine Vielzahl von ersten sich selbst fortpflanzenden Polymer-Fachwerk-Wellenleitern definiert sein. Die Vielzahl von zweiten Fachwerkelementen kann durch eine Vielzahl von zweiten sich selbst fortpflanzenden Polymer-Fachwerk-Wellenleitern definiert sein. Die Vielzahl von dritten Fachwerkelementen kann durch eine Vielzahl von dritten sich selbst fortpflanzenden Polymer-Fachwerk-Wellenleitern definiert sein. Je nach Wunsch können andere geeignete Mittel zum Bilden der groben und feinen Mikrofachwerkstrukturen
14,
16 verwendet werden.
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Ein Fachmann sollte einsehen, dass die speziellen groben und feinen Mikrofachwerkstrukturen 14, 16 je nach Wunsch z. B. durch zumindest eines von: 1) Wählen der Winkel und der Muster der Polymer-Fachwerkelemente in Bezug aufeinander, 2) Anpassen der Packung oder der relativen Dichte der resultierenden Zellstruktur und 3) Wählen der Querschnittsformen und Dimensionen der Polymer-Fachwerkelemente entworfen werden können. Im Speziellen können Polymer-Fachwerkelemente mit einer elliptischen Fachwerkquerschnittsform einer Degradation mit Differenzen im thermischen Ausdehnungskoeffizienten entgegenwirken. Je nach Wunsch können auch andere Querschnittsformen verwendet werden.
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Unter nunmehriger Bezugnahe auf die 3A und 3B kann die Wasserdampftransportvorrichtung 2 ferner ein Paar Gitter 32 umfassen, die in zumindest einer von der nassen Strömungsfeldschicht 10 und der trockenen Strömungsfeldschicht 12 angeordnet sind. Die Gitter 32 sind zwischen einer der feinen Mikrofachwerkstrukturen 16 und der Membran 22 angeordnet. Wie die groben und feinen Mikrofachwerkstrukturen 14, 16 sind die Gitter 32 aus einem strahlungsgehärteten Material gebildet. Illustrativ sind die Gitter 32 ausgebildet, um die Membran 22 zu stützen und/oder eine Degradation derselben zu verhindern, die andernfalls auf Grund des Kontakts der Membran 22 mit den Enden der Fachwerkelement der Mikrofachwerkstruktur 16 stattfinden könnte. Als ein Beispiel kann die Oberfläche der Gitter 32 im Wesentlichen eben sein. In speziellen Ausführungsformen können die Gitter 32 eine Dicke von etwa 50 Mikrometer bis etwa 400 Mikrometer, im Spezielleren etwa 100 Mikrometer bis etwa 200 Mikrometer und am speziellsten etwa 150 Mikrometer aufweisen. Ein Fachmann kann je nach Wunsch andere geeignete Dicken der Gitter 32 wählen. Die Gitter 32 können auch die feinen Mikrofachwerkstrukturen 16 ersetzen, sodass zumindest eine von der nassen Strömungsfeldschicht 10 und der trockenen Strömungsfeldschicht 12 nur die grobe Mikrofachwerkstruktur 14 und die Gitter 32 umfasst.
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Die Gitter 32 weisen eine Vielzahl von darin gebildeten Öffnungen 34 auf. Die Öffnungen 34 erleichtern die Reaktandenverteilung und Wasserbewegung durch die nassen und trockenen Strömungsfeldschichten 10, 12 hindurch. Illustrativ können die Gitter 32 aus einer Vielzahl von ersten Wänden 36, die sich entlang einer ersten Richtung erstrecken, und einer Vielzahl von zweiten Wänden 38, die sich entlang einer zweiten Richtung erstrecken, gebildet sein. Die ersten und zweiten Wände 36, 38 können sich schneiden, um die Vielzahl von Öffnungen 34 in den Gittern 32 zu bilden. Die ersten und zweiten Wände 36, 38 können Öffnungen 34 mit einer Viereckform wie z. B. einer Quadratform, Rechteckform oder Rhombusform bilden. Es sollte einzusehen sein, dass je nach Wunsch andere Formen für die Öffnungen 34 gewählt werden können.
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Wie in den 2A bis 3B gezeigt, kann die Wasserdampftransportvorrichtung 2 zumindest eine Dichtung 42 umfassen, die eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung an den Umfangskanten der Wasserdampftransportvorrichtung 2 bereitstellt. Zum Beispiel kann die Dichtung 42 an einer Umfangskante von zumindest einer von der nassen Strömungsfeldschicht 10 und der trockenen Strömungsfeldschicht 12 angeordnet sein. Die Dichtung 42 ist aus einem elastomeren Material gebildet, das eine erwünschte fügsame Fläche zum Stapeln der Komponenten der Wasserdampftransportvorrichtung 2 bereitstellt. Geeignete elastomere Materialien umfassen Materialien, die nicht wesentlich degradieren, wenn sie den Betriebsbedingungen der Wasserdampftransportvorrichtung 2 ausgesetzt sind, z. B., wenn sie Feuchtigkeit ausgesetzt sind. Als Beispiele kann das elastomere Material ein Silikon oder ein Polyurethan umfassen. Es können je nach Wunsch andere geeignete elastomere Materialien für die Dichtung 42 gewählt werden.
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In einem Beispiel wird die Dichtung 42 durch Tränken eines Abschnittes von zumindest einer der nassen Strömungsfeldschicht 10 und der trockenen Strömungsfeldschicht 12 mit dem elastomeren Material gebildet. In einer speziellen Ausführungsform ist das elastomere Material ein flüssiges Elastomer, das durch Siebdruck, z. B. des flüssigen Elastomers, auf die gewünschten Abschnitte zumindest einer der nassen und der trockenen Strömungsfeldschichten 10, 12 aufgebracht wird. Die Porengrößen der Mikrofachwerkstruktur 16 können z. B. gewählt sein, um eine Aufsaugreaktion vorzusehen, wenn das flüssige Elastomer aufgebracht wird. Es sollte einzusehen sein, dass das Tränken der nassen und trockenen Strömungsfeldschichten 10, 12 mit dem elastomeren Material das Tränken eines Abschnittes der groben Mikrofachwerkstruktur 14 und/oder der feinen Mikrofachwerkstrukturen 16 und/oder der beabstandeten Stützbänder 30 und/oder der Gitter 32 mit dem elastomeren Material umfassen kann. Um die nassen und trockenen Strömungsfeldschichten 10, 12 mit dem elastomeren Material zu tränken, müssen Bereiche der groben Mikrofachwerkstrukturen 14, in die hinein ein Aufsaugen des elastomeren Materials erwünscht ist, ausreichend fein sein, um ein unerwünschtes Aufsaugen des elastomeren Materials aus den groben Mikrofachwerkstrukturen 14 heraus und in die benachbarten feinen Mikrofachwerkstrukturen 16 hinein zu verhindern.
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In einem weiteren Beispiel wird die Dichtung 42 gebildet, indem eine Schicht aus dem elastomeren Material um die Umfangskanten von zumindest einer von der nassen Strömungsfeldschicht 10 und der trockenen Strömungsfeldschicht 12 herum gepresst wird. Ein Fachmann sollte einsehen, dass je nach Wunsch andere Mittel zum Bilden der Dichtungen 42 der Wasserdampftransportvorrichtung 2 verwendet werden können.
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Es sollte einzusehen sein, dass im Anschluss an die Herstellung zumindest einer von der strahlungsgehärteten nassen Strömungsfeldschicht 10 und der trockenen Strömungsfeldschicht 12 zumindest eine von der nassen Strömungsfeldschicht 10 und der trockenen Strömungsfeldschicht 12 weiter bearbeitet werden kann, um eine Festigkeit und eine Umweltbeständigkeit davon zu erhöhen. Als Beispiele kann zumindest ein Abschnitt der Wasserdampftransportvorrichtung 2 metallisiert, keramisiert und karbonisiert werden.
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In einer Ausführungsform kann zumindest ein Abschnitt der Wasserdampftransportvorrichtung 2 durch Überziehen zumindest eines Abschnittes zumindest einer von der nassen Strömungsfeldschicht 10 und der trockenen Strömungsfeldschicht 12 mit einer Metallbeschichtung metallisiert sein. Die Metallbeschichtung kann z. B. im Wesentlichen oxidationsbeständig, reduktionsbeständig und säurebeständig sein. Die Metallbeschichtung kann ein Edelmetall umfassen, welches z. B. aus der Gruppe gewählt ist, die aus: Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Palladium (Pd), Silber (Ag), Iridium (Ir), Platin (Pt) und Osmium (Os) und Legierungen daraus besteht. In einer speziellen Ausführungsform ist die Metallbeschichtung aus Gold (Au). In einer weiteren speziellen Ausführungsform ist die Metallbeschichtung aus Tantal (Ta). Eine weitere geeignete Metallbeschichtung kann Nickel (Ni)-Legierungen wie z. B. Legierungen aus Nickel (Ni) und Chrom (Cr) oder Nickel (Ni) und Kobalt (Co) umfassen. Wie für einen Fachmann einzusehen sein sollte, kann die Metallbeschichtung Mischungen oder Legierungen aus den oben angeführten Metallen umfassen. Es können je nach Wunsch auch andere Metalle verwendet werden.
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Die Metallbeschichtung kann auf der Wasserdampftransportvorrichtung 2 durch Elektronenstrahlverdampfen und/oder Magnetron-Sputtern und/oder physikalische Gasphasenabscheidung und/oder chemische Gasphasenabscheidung und/oder Atomlagenabscheidung und/oder elektrolytische Abscheidung und/oder stromlose Abscheidung und/oder Flammspritzabscheidung und/oder Bürstengalvanisierung und/oder weitere ähnliche Verfahren abgeschieden werden. Es können auch elektrolytische Metallabscheidetechniken auf Lösungsbasis, die das Eintauchen von zumindest einem Abschnitt von zumindest einer von der nassen Strömungsfeldschicht 10 und der trockenen Strömungsfeldschicht 12 in ein Galvanisierungsbad umfassen, verwendet werden. Es kann auch das Aufbringen von Metall in der Form eines Schlämmpulvers und anschließendes Brennen des Schlämmpulvers, um die Metallbeschichtung zu bilden, verwendet werden. Ein geübter Fachmann kann mehr als eine Abscheidetechnik wählen, um Unterschiede zwischen Sichtlinien- und Nicht-Sichtlinieneigenschaften der gewählten Abscheidetechniken zu berücksichtigen. In bestimmten Ausführungsformen kann die Metallbeschichtung im Wesentlichen gleichmäßig auf sowohl den Innen- als auch den Außenflächen der strahlungsgehärteten Struktur abgeschieden werden. Es können je nach Wunsch geeignete Mittel zum Metallisieren von zumindest einem Abschnitt zumindest einer von der nassen Strömungsfeldschicht 10 und der trockenen Strömungsfeldschicht 12 gewählt werden.
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Ein Fachmann sollte einsehen, dass je nach Wunsch zumindest ein Abschnitt zumindest einer von der nassen Strömungsfeldschicht
10- und der trockenen Strömungsfeldschicht
12-Struktur karbonisiert sein kann. Offenzellige Kohlenstoffstrukturen und ein Verfahren zur Herstellung derselben aus einem Polymervorlagenmaterial sind von Jacobsen in dem
US-Patent US 8,197,930 B1 offenbart. Es können auch andere geeignete Verfahren zur Karbonisierung zumindest eines Abschnittes zumindest einer von der nassen Strömungsfeldschicht
10 und der trockenen Strömungsfeldschicht
12 verwendet werden.
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Es sollte einzusehen sein, dass zumindest ein Abschnitt der Wasserdampftransportvorrichtung
2 durch Beschichten zumindest eines Abschnittes zumindest einer von der nassen Strömungsfeldschicht
10 und der trockenen Strömungsfeldschicht
12 mit einem/r geeigneten Metalloxid oder Keramik keramisiert werden kann. In bestimmten illustrativen Ausführungsformen kann zumindest ein Abschnitt zumindest einer von der nassen Strömungsfeldschicht
10 und der trockenen Strömungsfeldschicht
12 mit dem Metalloxid oder der Keramik beschichtet sein, um ein wünschenswertes Niveau an Biegefestigkeit vorzusehen. Geeignete Keramikstrukturen und Verfahren zum Keramisieren von strahlungsgehärteten Strukturen sind von Gross et al. in dem
US-Patent US 7 687 132 B1 offenbart. Es können auch andere geeignete Verfahren zum Keramisieren zumindest eines Abschnittes zumindest einer von der nassen Strömungsfeldschicht
10 und der trockenen Strömungsfeldschicht
12 verwendet werden.
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Die Fähigkeit, die Porosität in nassen und trockenen Strömungsfeldschichten 10, 12 durch die Dicke hindurch und in Mustern über die Fläche hinweg zu steuern, gestattet eine Leistungsoptimierung im Vergleich mit handelsüblichen Materialien. Die Komplexität der Wasserdampftransportvorrichtung 2, insbesondere in Bezug auf die Anzahl der Komponenten zum Aufbau der Wasserdampftransportvorrichtung 2, ist auch durch Kombinieren der Strömungsverteilungs-, Abdicht-, Kanalführungs- und Membranstützfunktionen minimiert, wie hierin beschrieben.
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Es zeigt sich ferner überraschenderweise, dass die Wasserdampftransportvorrichtung 2 der vorliegenden Offenlegung während des Betriebes der Wasserdampftransportvorrichtung 2 eine mechanische Festigkeit und Stabilität in Bezug auf Kriechen, thermische Ausdehnung und Hydro-Ausdehnung der Membran 22 aufrechterhält. Wünschenswerterweise zeigt die Wasserdampftransportvorrichtung 2 der vorliegenden Offenlegung eine ebenendurchgängige Steifigkeit, die ausreicht, um die Ausdehnung der Membran 22 während des Betriebes der Wasserdampftransportvorrichtung 2 zu erleichtern.
