DE102013008815A1

DE102013008815A1 - Konvektives Strömungsfeld für einen Brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE102013008815A1
Application number: DE102013008815A
Authority: DE
Inventors: Alireza Roshanzamir; Robert Henry Artibise
Original assignee: Daimler AG; Ford Motor Co
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2012-05-27
Filing date: 2013-05-24
Publication date: 2013-11-28
Also published as: US9634345B2; US20130316263A1

Abstract

Die Verteilung von Reaktanden in einer Gasdiffusionslage, welche an Stege einer Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle angrenzt, kann durch die Verwendung einer Strömungsfeldplatte verbessert werden, in welche geeignete, fortlaufende Vorsprünge in die Kanäle eingearbeitet sind. Das Strömungsfeld für den Reaktanden in der Platte umfasst eine Mehrzahl von parallelen Kanälen, in welchen Vorsprünge in einer Abfolge entlang der Länge eines jeden Kanals angeordnet sind, wobei die fortlaufenden Vorsprünge in einem beliebigen gegebenen Kanal im Hinblick auf die fortlaufenden Vorsprünge in den Kanälen versetzt sind, welche an diesen unmittelbar angrenzen.

Description

HINTERGRUND
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft Ausführungen von Strömungsfeldplatten für Feststoff-Polymer-Elektrolytbrennstoffzellen.
Beschreibung des verwandten Stands der Technik
Feststoff-Polymer-Elektrolyt- oder Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFCs) konvertieren Reaktanden, nämlich einen Brennstoff (wie etwa Wasserstoff) und ein Oxidationsmittel (wie etwa Sauerstoff oder Luft), elektrochemisch, um elektrische Leistung zu erzeugen. PEMFCs verwenden im Allgemeinen eine protonenleitfähige Polymer-Elektrolyt-Membran zwischen zwei Elektroden, nämlich einer Kathode und einer Anode. Eine Struktur, welche eine zwischen zwei Elektroden angeordnete protonenleitfähige Polymer-Membran umfasst, wird als Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) bezeichnet. In einer typischen Brennstoffzelle sind auf jeder Seite einer MEA eine anodische Strömungsfeldplatte und eine kathodische Strömungsfeldplatte vorgesehen, welche jeweils zahlreiche Verteilungskanäle für die Reaktanden aufweisen, um Brennstoff und Oxidationsmittel auf die jeweiligen Elektroden zu verteilen und um Nebenprodukte der elektrochemischen Reaktionen zu entfernen, welche innerhalb der Brennstoffzelle stattfinden. Wasser ist das hauptsächliche Nebenprodukt in einer Zelle, welche mit Wasserstoff und Luft als Reaktanden betrieben wird. Da die abgegebene Spannung einer einzelnen Zelle in der Größenordnung von 1 V liegt, wird üblicherweise eine Mehrzahl von Zellen für kommerzielle Anwendungen in Reihe zusammengestapelt. In solch einem Stapel grenzt die anodische Strömungsfeldplatte einer Zelle an die kathodische Strömungsfeldplatte der angrenzenden Zelle an. Für Zwecke des Zusammenbaus wird oft ein Satz von anodischen Strömungsfeldplatten mit einem korrespondierenden Satz von kathodischen Strömungsfeldplatten vor dem Zusammenbauen des Stapels verbunden. Ein verbundenes Paar von anodischen und kathodischen Strömungsfeldplatten wird als Bipolarplatten-Anordnung bezeichnet. In einigen Ausführungen können Bipolarplatten aus einem einzigen Stück eines Materials (zum Beispiel Kohlenstoff) hergestellt sein, in welchem die kathodischen und anodischen Strömungsfelder auf gegenüberliegenden Seiten des Materials ausgebildet sind. Brennstoffzellenstapel können des Weiteren in Gruppen von miteinander verbundenen Stapeln für die Nutzung in automobilen Anwendungen und dergleichen in Reihe oder parallel geschaltet sein.
Zusammen mit Wasser ist Wärme ein bedeutendes Nebenprodukt der elektrochemischen Reaktionen, welche innerhalb der Brennstoffzelle stattfinden. Mittel zum Kühlen eines Brennstoffzellenstapels sind daher im Allgemeinen erforderlich. Stapel, welche dazu ausgelegt sind, eine hohe Leistungsdichte zu erreichen (zum Beispiel Stapel für automobile Anwendungen) zirkulieren typischerweise ein flüssiges Kühlmittel durch den Stapel, um die Wärme rasch und effizient abzuführen. Um dies zu erreichen, sind auch typischerweise Strömungsfelder für ein Kühlmittel, welche zahlreiche Kühlmittelkanäle umfassen, in die elektrochemisch inaktiven Oberflächen der Strömungsfeldplatten der Zellen in dem Stapel integriert (das heißt das Strömungsfeld für das Kühlmittel ist innerhalb der Bipolarplatten-Anordnung angeordnet). Um sowohl die Reaktanden als auch das Kühlmittel zu und von den einzelnen Zellen in dem Stapel zu liefern, sind Reihen von Öffnungen im Allgemeinen an gegenüberliegenden Enden der einzelnen Zellen vorgesehen, so dass diese Sammelleitungen für diese Fluide bilden, wenn die Zellen zusammengestapelt werden. Weitere erforderliche Gestaltungsmerkmale sind dann Durchgänge in den Platten, um die Hauptmenge der Fluide in diesen ausgebildeten Sammelleitungen auf die und von den verschiedenen Kanälen in die Strömungsfelder für die Reaktanden und für das Kühlmittel in den Platten zu verteilen. Diese Durchgangsbereiche werden als die Übergangsbereiche bezeichnet. Die Übergangsbereiche können selber zahlreiche Verteilungskanäle für ein Fluid umfassen, zum Beispiel Übergangskanäle für Oxidationsmittel und/oder Brennstoff.
Obwohl dies im Prinzip hinreichend einfach erscheint, ist das Erreichen einer gewünschten Verteilung der Reaktanden auf die Elektroden und einer gewünschten Entfernung der Nebenprodukte von diesen in Bauformen von Brennstoffzellen mit einer hohen Leistungsdichte nichtsdestotrotz ziemlich komplex, und viele Faktoren müssen berücksichtigt werden. Beispielsweise sorgen die Stege, welche die Verteilungskanäle für ein Fluid in typischen Strömungsfeldplatten voneinander trennen, für eine mechanische Abstützung und können daher nicht zu dünn sein. Jedoch ist die Verteilung von Gasen von den und auf diese Bereiche in den Gasdiffusionslagen, welche unmittelbar an die Stege angrenzen, nicht so gut wie in denjenigen Bereichen, welche unmittelbar an die Kanäle angrenzen.
Ein anderer zu berücksichtigender Sachverhalt ist, dass sich die Zusammensetzungen der zugeführten Reaktionsgase erheblich ändern, während sie durch eine Brennstoffzelle von praxisnaher Größe strömen. In dem Maße wie Reaktanden verbraucht werden und Nebenprodukte in Form von gasförmigem und flüssigem Wasser erzeugt werden, ändern sich die Zusammensetzungen dieser Gase wesentlich, und Formen müssen eingearbeitet werden, um der sich ändernden Beschaffenheit dieser Gase Rechnung zu tragen.
Große Anstrengungen sind in die Verbesserung der Verteilung der Gase auf die und von den Elektroden einer Brennstoffzelle und in das Verständnis der Details des Durchflusses innerhalb solcher Brennstoffzellenstapel eingegangen. Beispielsweise wurden der konvektive Durchfluss in Gasdiffusionslagen und verschiedenen Bauformen von Strömungsfeldern in Veröffentlichungen wie etwa C. Y. Soong et al., "Analysis of reactant gas transport in a PEM fuel cell with partially blocked fuel flow channels", Journal of Power Sources, 143 (2005) 36–47; und T. Kanezaki et al., "Cross-leakage flow between adjacent flow channels in PEM fuel cells", Journal of Power Sources, 162 (2006) 415–425 diskutiert.
Insbesondere wurden Bauformen in Betracht gezogen, welche Vorsprünge oder dergleichen in den Kanälen des Strömungsfelds beinhalten, und welche verschiedene Vorteile mit sich bringen. Beispielsweise berücksichtigt die JP2004241141 Vorsprünge innerhalb der Gaskanäle, und Turbulenzen treten in dem Reaktionsgas auf, welches sich mit einem Effekt ausbreitet, dass sich die Erzeugung von elektrischem Strom verbessert. In dem Dokument US 20040151973 sind in den Kanälen des Strömungsfelds Drosselblenden strategisch angeordnet, um bestimmte erwünschte Druckunterschiede zu erreichen. Des Weiteren berücksichtigt die JP2004327162 in wirksamer Weise Drosselungen, um einen gleichförmigeren Oberflächendruck in den Zellen zu erhalten.
Jedoch obwohl solche Bauformen unter bestimmten Betriebsbedingungen bescheidene Vorteile für die Gasverteilung oder andere Zwecke bieten können, besteht weiterhin der Bedarf nach einer verbesserten Verteilung der Reaktionsgase unter anderen und unterschiedlichen Betriebsbedingungen. Die Erfindung geht solche Sachverhalte an und liefert weitere verwandte Vorteile.
Zusammenfassung
Es wurde herausgefunden, dass bestimmte organisierte Anordnungen von Vorsprüngen in den Kanälen der Strömungsfelder von solchen Brennstoffzellen eine bessere Kontrolle der Querströmung liefern können, welche in den an die Stege der Strömungsfeldplatte angrenzenden Bereichen der Gasdiffusionslagen erreicht wird. Mit einer durchgehend besseren Kontrolle können die Gesamtkonzentrationen der Reaktanden angrenzend an die Stege und unter den Stegen erhöht werden, und die Nebenprodukte können effizienter entfernt werden. Und als eine Folge kann die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle weiter verbessert werden.
Die Strömungsfeldplatte für eine solche Feststoff-Elektrolyt-Brennstoffzelle umfasst eine hauptsächliche Oberfläche für die Verteilung eines Reaktanden, eine Reaktandenöffnung für den Einlass des Reaktanden, eine Reaktandenöffnung für den Auslass des Reaktanden und ein Strömungsfeld für den Reaktanden, welches in der hauptsächlichen Oberfläche der Platte ausgebildet ist. Der Einlass des Strömungsfelds für den Reaktanden ist fluidisch mit der Einlass-Reaktandenöffnung verbunden, und der Auslass des Strömungsfelds für den Reaktanden ist fluidisch mit der Auslass-Reaktandenöffnung verbunden. Hierbei umfasst das Strömungsfeld für den Reaktanden einen Parallelkanalbereich, welcher eine Mehrzahl von im Wesentlichen parallelen Kanälen umfasst, und Stege, welche die Kanäle voneinander trennen. Der Parallelkanalbereich selber umfasst einen Vorsprungsbereich, in welchem die Mehrzahl der parallelen Kanäle eine Mehrzahl von angeordneten Vorsprüngen umfasst, welche den Durchfluss in den Kanälen behindern.
Speziell sind die Vorsprünge in jedem Kanal in dem Vorsprungsbereich in einer Abfolge entlang der Länge eines jeden Kanals angeordnet, und die fortlaufenden Vorsprünge in einem beliebigen gegebenen Kanal in dem Vorsprungsbereich sind entlang der Länge des Kanals im Hinblick auf die fortlaufenden Vorsprünge in den Kanälen versetzt, welche unmittelbar an den beliebigen gegebenen Kanal angrenzen.
Die parallelen Kanäle in dem Parallelkanalbereich sind parallele Kurven, aber sie sind insbesondere im Wesentlichen linear. Des Weiteren kann eine periodische Abfolge bevorzugt sein, obwohl verschiedene Abfolgen in Betracht gezogen werden können. Und obwohl verschiedene Versätze in Betracht gezogen werden können, kann es für die Symmetrie bevorzugt sein, dass die periodischen Vorsprünge in einem beliebigen gegebenen Kanal in dem Vorsprungsbereich um im Wesentlichen die Hälfe einer Periode im Hinblick auf die periodischen Vorsprünge in den Kanälen versetzt sind, welche unmittelbar an den beliebigen gegebenen Kanal angrenzen.
Eine Verwendung der Erfindung ist für Ausführungsformen von Strömungsfeldplatten geeignet, in welchen der Parallelkanalbereich den größten Teil der hauptsächlichen Oberfläche der Strömungsfeldplatte einnimmt (das heißt mehr als 50%) und in welchen der Vorsprungsbereich den größten Teil des Parallelkanalbereichs einnimmt (das heißt mehr als 50%). Und die Erfindung ist insbesondere für die Verwendung in Ausführungsformen von Strömungsfeldplatten für ein Oxidationsmittel geeignet, in welchen der Reaktand ein Oxidationsmittel ist.
In bestimmten Ausführungsformen kann der Vorsprungsbereich derart eingearbeitet sein, dass er nicht den Bereich des Strömungsfelds für den Reaktanden einnimmt, welcher an den Einlass des Strömungsfelds für den Reaktanden angrenzt, in welchem während des Normalbetriebs die Sauerstoffkonzentration größer als 50% ist oder in welchem alternativ die relative Feuchte während des Normalbetriebs geringer als 100% ist.
Zahlreiche Formen und Größen können für die Vorsprünge in Betracht gezogen werden und brauchen nicht über die Abfolge hinweg konstant zu sein. Mit anderen Worten kann eine Dimension der Vorsprünge über die Abfolge hinweg variieren und beispielsweise angrenzend an den Auslass des Strömungsfelds für den Reaktanden breiter sein als angrenzend an den Einlass des Strömungsfelds für den Reaktanden. In anderen Ausführungsformen können die Dimensionen der Vorsprünge im Wesentlichen über die Abfolge hinweg konstant sein.
Modellierungen haben ergeben, dass Vorteile in angewandten, Baugrößen für automobile Anwendungen aufweisenden Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen erwartet werden können, welche Vorsprünge gemäß der Erfindung enthalten. Insbesondere können Vorteile für Ausführungsformen erwartet werden, welche eine oder mehrere der nachfolgenden Eigenschaften aufweisen: eine Periode der Vorsprünge, welche in jedem Kanal in dem Vorsprungsbereich angeordnet sind, von etwa 20 bis 30 mm, Vorsprünge, welche etwa zwischen 0,4 und 0,6 der Tiefe des Kanals einnehmen, Vorsprünge, welche die Breite des Kanals einnehmen, Vorsprünge mit einer Länge zwischen etwa 1 bis 2 mm und Breiten der Stege in der Strömungsfeldplatte, welche größer als 0,3 mm sind.
Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Verbessern der Verteilung von Reaktanden in einer Feststoff-Polymer-Brennstoffzelle und insbesondere des konvektiven Durchflusses in Gasdiffusionslagen darin bereit. Eine bessere Verteilung der Reaktanden mit einer größeren Kontrolle als bestimmte Ausführungsformen des Stands der Technik kann erreicht werden. Diese und weitere Aspekte der Erfindung sind mit Bezug auf die angehängten Figuren und die folgende detailliere Beschreibung ersichtlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1a zeigt eine schematische Darstellung einer Strömungsfeldplatte für eine Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle, welche Vorsprünge in einer periodischen Abfolge in den parallelen linearen Strömungsfeldkanälen der Platte aufweist.
1b zeigt eine schematische Darstellung einer Strömungsfeldplatte, welche der von 1a ähnlich ist, außer dass die Vorsprünge in einer nicht-periodischen Abfolge angeordnet sind.
1c zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts entlang einer Strömungsfeldplatte ähnlich dem Schnitt entlang A-A in 1a, außer dass die Dimension in der Höhe der Vorsprünge, welche sich von den Böden der Kanäle erstrecken, über die Länge der Kanäle variiert.
2a zeigt eine schematische Darstellung des vereinfachten Modells in den Beispielen mit zwei halben Kanälen und einem Steg dazwischen und zeigt des Weiteren die Geschwindigkeitsvektoren des Reaktanden in der GDL für einen exemplarischen Durchfluss von Gas in den Kanälen.
2b zeigt die berechneten, erwarteten Konturen von Stoffmengenanteilen an Sauerstoff in den Kanälen und unter dem Steg in der GDL an bestimmten Stellen in dem vereinfachten Modell von 2a, wenn keine Vorsprünge in die Kanäle eingearbeitet wären.
2c zeigt die berechneten erwarteten Konturen von Stoffmengenanteilen an Sauerstoff in und unter dem Steg in der GDL an bestimmten Stellen in dem vereinfachten Modell von 2a, wenn die Vorsprünge in den Kanälen anwesend wären.
3 zeigt graphische Darstellungen der Zellspannung gegenüber der Konzentration von Sauerstoff am Einlass bei mehreren Stromdichten für zwei Ausführungsformen von Brennstoffzellen, welche Vorsprünge unterschiedlicher Größe aufweisen, und vergleicht diese mit graphischen Darstellungen einer vergleichenden Brennstoffzelle mit keinen Vorsprüngen.
Ausführliche Beschreibung
Vorliegend wurden die folgenden Definitionen benutzt.
„Parallel” beschreibt eine Kurve, welche von einer Basiskurve um einen konstanten Betrag versetzt ist und welche so als von dieser äquidistant angesehen wird. Jede Normale einer solchen Kurve ist auch eine Normale der Basiskurve. Vorliegend ist ein Kanal im Wesentlichen parallel zu einem anderen Kanal, wenn die grundlegenden und neuen Eigenschaften von den Kanälen sich nicht grundlegend von denen von tatsächlichen Kanälen unterscheiden, welche wie parallele Kurven geformt sind.
In einem quantitativen Zusammenhang kann der Ausdruck „etwa” als sich in dem Bereich von bis zu plus 10% und bis zu minus 10% befindend ausgelegt werden.
„Normalbetrieb” bezieht sich auf den Betrieb einer Brennstoffzelle in ihren Nennbereichen der Betriebsbedingungen (Stromdichte, Temperatur).
Die Erfindung ist insbesondere nützlich, um die Konzentration der Reaktanden in den Gasdiffusionslagen zu erhöhen und Reaktionsprodukte von diesen zu entfernen, welche unmittelbar angrenzend an die und unter den Bereichen der Stege in Strömungsfeldplatten von typischen Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen sind.
1a zeigt eine schematische Darstellung einer Strömungsfeldplatte 1 für ein Oxidationsmittel für eine typische Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle für automobile Anwendungen. Die Strömungsfeldplatte 1 ist von gewöhnlicher Bauart, außer dass sie Vorsprünge 2a, 2b gemäß der Erfindung aufweist. Wie in 1a gezeigt, umfasst die Strömungsfeldplatte 1 eine Einlassöffnung 3 für ein Oxidationsmittel, eine Auslassöffnung 4 für das Oxidationsmittel und andere Öffnungen 5 für den Einlass und den Auslass von Brennstoff und Kühlmittel. Ein Strömungsfeld 6 für das Oxidationsmittel ist in der dargestellten Oberfläche der Platte 1 ausgebildet und umfasst einen Parallelkanalbereich 7, welcher eine Mehrzahl von parallelen Kanälen 8 für das Oxidationsmittel umfasst, welche durch Stege 9 voneinander getrennt sind. (Der Übersichtlichkeit halber sind in der schematischen Darstellung von 1a nur drei Kanäle 8 und zwei Stege 9 gezeigt worden. In tatsächlichen Ausführungsformen wären wahrscheinlich eine Größenordnung oder mehr Kanäle und Stege vorhanden). Wie in 1a gezeigt, ist das Strömungsfeld 6 für das Oxidationsmittel im Wesentlichen vollständig aus parallelen Kanälen und Stegen gebildet und so ist das Strömungsfeld 6 im Wesentlichen das Gleiche wie der Parallelkanalbereich 7 und nimmt mehr als 50% der Oberfläche der Platte 1 ein. In anderen Ausführungsformen kann das Strömungsfeld 6 zusätzliche Bereiche mit unterschiedlichen Strömungsfeldstrukturen umfassen.
Parallele, lineare Kanäle 8 des Strömungsfelds in der Platte 1 umfassen auch die Vorsprünge 2a, 2b, welche in einer periodischen Abfolge angeordnet sind und sich über einen Vorsprungsbereich 10 erstrecken. Wo sie vorhanden sind, haben die Vorsprünge eine ausreichende Höhe, um lokale Druckgradienten durch das Behindern des Durchflusses von Gas zu bewirken, zum Beispiel sind die Höhen der Vorsprünge größer als etwa ¼ der Tiefe des Kanals. Wie dargestellt, sind die Vorsprünge 2a, 2b von einem Bereich nahe der Einlassöffnung 3 für das Oxidationsmittel abwesend, aber andererseits tauchen sie über die Länge der Kanäle 8 auf. So erstreckt sich der Vorsprungsbereich 10 hier von dem Vorsprung, welcher der Einlassöffnung 3 am nächsten ist, zu dem Ende des Parallelkanalbereichs 10 und nimmt so mehr als 50% des Parallelkanalbereichs 7 ein.
Wie gezeigt, sind die Vorsprünge 2a und 2b in einer periodischen Abfolge entlang der Länge der Kanäle 8 angeordnet (das heißt sie sind um einen konstanten Abstand voneinander beabstandet, wobei dieser Abstand die Periode ist). Und die periodischen Vorsprünge 2b in ihrem zugehörigen Kanal sind um im Wesentlichen die Hälfte einer Periode versetzt im Hinblick auf die periodischen Vorsprünge 2a in den unmittelbar angrenzenden Kanälen.
Obwohl die periodische Abfolge der Ausführungsform von der 1a der Bauart der Strömungsfeldplatte und den Transversalströmen von Gas in der GDL eine gewünschte Symmetrie verleiht, ändern sich die Zusammensetzung der Gase und ihre Geschwindigkeiten, wenn sie die Länge der Strömungsfeldplatte von dem Einlass zu dem Auslass durchqueren, und zwar aufgrund der elektrochemischen Reaktionen, welche darin stattfinden. In einem bestimmten Fall kann es bevorzugt sein, eine Abfolge an Vorsprüngen zu verwenden, welche regelmäßig aber nicht periodisch ist (zum Beispiel bei welcher die Abstände Oberschwingungen des kürzesten Abstands sind oder sogar andere alternative Abfolgen). Beispielsweise zeigt 1b eine alternative schematische Ausführungsform einer Strömungsfeldplatte, welche der von 1a ähnlich ist, außer dass die Vorsprünge in einer nicht-periodischen Abfolge angeordnet sind (bestimmte Vorsprünge wurden nämlich dem Einlass 3 am nächsten weggelassen, und so sind die Abstände nicht konstant, aber sie sind Oberschwingungen).
Die Einführung der Vorsprünge 2a, 2b in die Kanäle 8 erhöht die Konvektion durch das Einführen von wiederholten lokalen Druckgradienten zwischen benachbarten Kanälen, welche von den Behinderungen des Gasdurchflusses herrühren, welche durch die periodischen Vorsprünge erzeugt werden. Ein vergleichsweise geringer Anteil des Durchflusses in einem Kanal kann durch die angrenzende GDL gedrängt werden und zwar unter dem Steg hindurch zu einem benachbarten Kanal. Die Vorsprünge erhöhen die Konvektion in der GDL und erhöhen so die Konzentration des Reaktanden unter dem Steg und auch den Druckabfall in dem Kanal. Die Leistungsfähigkeit kann durch das Entfernen von Wasserdampf von der GDL erhöht werden (und möglicherweise von flüssigem Wasser), während eine höhere Konzentration des Oxidationsmittels zu der Katalysatorschicht geliefert wird. Jedoch kann ein übermäßiger Durchfluss von Kanal zu Kanal ein Austrocknen und/oder eine lokal hohe Konzentration des Reaktanden bewirken. Die Optimierung der Gestaltung der Vorsprünge bedingt so einen Zielkonflikt zwischen der Konvektion unter dem Steg, dem Druckabfall in dem Kanal und dem Wassermanagement.
Was Gestaltungsüberlegungen anbelangt, so kann die laterale Geschwindigkeit v in der GDL anhand des Darcy-Gesetzes abgschätzt werden, ν = k / μΔP / w wobei:

k: = die Permeabilität in der Ebene
ΔP: = der Druckgradient zwischen zwei benachbarten Kanälen
μ: = die Viskosität des Fluids
w: = die Breite des Stegs ist.

Die Geschwindigkeit des Fluids in der GDL hängt also von spezifischen Gestaltungsparametern des Strömungsfelds und der GDL ab. Bei einer gegebenen Viskosität des Fluid kann die Geschwindigkeit ansteigen, indem der Druckgradient oder die Permeabilität in der Ebene erhöht wird oder indem die Breite des Stegs verringert wird. Der Fachmann wird einsehen, dass obwohl es im Prinzip einfach ist, die Konvektion in der GDL mit einem breiten Bereich von Gestaltungen der Vorsprünge zu erhöhen, die Größe, die Anzahl und der Abstand von Vorsprüngen so gewählt werden sollte, dass eine verbesserte Konvektion unter einem Gleichgewicht der wichtigsten Bedingungen erreicht wird. Zahlreiche Parameter müssen für einen gegebenen Satz von Bedingungen berücksichtigt werden. Und wie in den folgenden Beispielen offenbart kann eine Gestaltung der Vorsprünge für einen Satz von Betriebsparametern bevorzugt sein, während diese unter einem anderen Satz von Betriebsbedingungen vergleichsweise schlecht ist. Insgesamt kann also eine unterschiedliche Gestaltung bevorzugt sein, um eine Verbesserung unter einem Gleichgewicht von Betriebsbedingungen zu erreichen als unter einer beliebigen spezifischen Betriebsbedingung. Obwohl sie komplex sind, können geeignete Erwägungen und die notwendigen Berechnungen vom Fachmann erwartet werden. Die Beispiele unten liefern in dieser Hinsicht einen nützlichen Leitfaden.
Im Allgemeinen sollte der Abstand (oder die Periode in 1a) zwischen Vorsprüngen ausreichend groß sein, um starke seitwärts gerichtete Stöße zu vermeiden, ohne so groß zu sein, als dass er keinen transversalen Effekt über einen Großteil der Länge des Kanals hat. Des Weiteren können verschiedene Formen für die Vorsprünge in Betracht gezogen werden, aber eine stromlinienförmige Bauform ist vorteilhaft, um eine Aufteilung des Durchflusses und eine Wirbelströmung hinter den Vorsprüngen zu vermeiden. Für eine einfache Herstellung kann die Breite der Vorsprünge so gewählt sein, dass sie die volle Breite des Kanals beträgt.
Da der Einlassbereich der Brennstoffzellen vergleichsweise trocken ist, kann es insbesondere bevorzugt sein, hier überhaupt keine Vorsprünge einzuarbeiten. So kann es als ein Beispiel bevorzugt sein, Vorsprünge in dem Bereich des Strömungsfelds für den Reaktanden nahe dem Einlass des Strömungsfelds für den Reaktanden wegzulassen, in welchem die Sauerstoffkonzentration während des Normalbetriebs größer als 15% ist oder alternativ in welchem die relative Feuchte während des Normalbetriebs geringer ist als 100%.
Jedoch wird an dem gegenüberliegenden Ende der Brennstoffzelle vergleichsweise mehr flüssiges Wasser nahe der Auslassöffnung erwartet als in dem Großteil des Strömungsfelds, und es kann erwartet werden, dass höhere Gasgeschwindigkeiten zulässig oder gar bevorzugt sind. Demnach können die Vorsprünge so gestaltet sein, dass sie nahe der Auslassöffnung ein größeres Hindernis sind, und sie können daher größere Dimensionen haben, und/oder es können mehr Vorsprünge verwendet werden.
Die Gestaltung von Vorsprüngen für eine Brennstoffzelle mit keinen Vorsprüngen in dem Einlassbereich und mit stärker behindernden Vorsprüngen in dem Auslassbereich ist beispielhaft in der schematischen Darstellung von 1c gezeigt. 1c zeigt einen Querschnitt entlang eines Kanals einer Strömungsfeldplatte, welcher dem entlang eines Schnittes A-A in 1a ähnlich ist, außer dass die Dimension in der Höhe der Vorsprünge über die Länge des Kanals variiert. Speziell sind keine Vorsprünge nahe dem Einlassbereich vorhanden und auch Vorsprünge 2bb nahe dem Auslass sind in der Höhe größer als die Vorsprünge 2b in der Mitte des Kanals 8.
Andere Ausführungsformen als die, welche in den 1a bis 1c gezeigt sind, können selbstverständlich in Betracht gezogen werden, um die Vorteile der Erfindung zu erhalten.
Die nachfolgenden Beispiele erläutern die Erfindung, sollten aber nicht als in irgendeiner Weise einschränkend aufgefasst werden.
Beispiele
Die Geschwindigkeitsvektoren für den Durchfluss des Oxidationsmittels unter den Stegen in der Gasdiffusionslage (GDL) für das Oxidationsmittel in einer beispielhaften Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle gemäß der Erfindung wurden auf der Basis des vereinfachten Modells berechnet, welches schematisch in 2a gezeigt ist. Die exemplarische Brennstoffzelle war von einer gewöhnlichen Bauart und verwendete ein Strömungsfeld für das Oxidationsmittel, welches zahlreiche parallele lineare Kanäle umfasst. Jedoch umfassten hier die Kanäle auch versetzte periodische Abfolgen von Vorsprüngen entlang ihrer Länge.
Das vereinfachte Modell umfasst zwei Kanäle, welche die gleiche Tiefe hatten wie ein gewöhnlicher Kanal (0,52 mm tief) aber nur die Hälfte der Breite (das heißt die Hälfte von 0,49 mm oder 0,245 mm breit) mit einem einzigen Steg dazwischen mit einer Breite von 0,5 mm. In jedem Kanal waren die Vorsprünge periodisch 22,8 mm voneinander beabstandet, aber die Vorsprünge in einem Kanal waren zu den Vorsprüngen in dem anderen Kanal um die Hälfte einer Periode versetzt. Die Vorsprünge waren 1,5 mm lang, so breit wie der Kanal und nahmen die Hälfte der Kanaltiefe ein (das heißt 0,26 mm). Von der Symmetrie her sollte daher angenommen werden, dass das vereinfachte Modell anwendbar ist, um die annähernde gleichen Durchflussgeschwindigkeiten unter allen Stegen in der GDL für die exemplarische Brennstoffzelle zu bewirken.
2a zeigt einen Bereich des Modells über nur eine Periode der Vorsprünge. Das Modell umfasst zwei halbe Kanäle 21, einen Steg 22 und Vorsprünge 23 in jedem der halben Kanäle 21. Repräsentative Geschwindigkeitsvektoren 25 für den Durchfluss des Oxidationsmittels unter den Stegen in die GDL sind in 2a ebenfalls gezeigt.
In der exemplarischen Ausführungsform betrug die Dicke der GDL 0,18 mm und die Durchlässigkeit in der Ebene der GDL unter dem Steg betrug 1,9 × 10^–12 m². Zuluft wurde als das Oxidationsmittel angenommen, welches eine Dichte von 2,4 kg/m³ bei 60°C aufweist.
Repräsentative Geschwindigkeitsvektoren für den Durchfluss des Oxidationsmittels in die GDL unter dem Steg wurden dann für dieses Modell berechnet, wenn Luft, welche durch einen Pfeil 24 veranschaulicht ist, jedem halben Kanal von links in 2a mit einer üblichen durchschnittlichen Geschwindigkeit von 10 m/s zugeführt wird. Software (STAR-CCM+) zur Berechnung der Fluiddynamik wurde für die Berechnungen eingesetzt. 2a stellt diese berechneten repräsentativen Geschwindigkeitsvektoren 25 dar. Die Größe von jedem Geschwindigkeitsvektor 25 kann durch Vergleich seiner Länge mit dem Maßstab bestimmt werden, welcher in 2a angegeben ist. Die geschätzte durchschnittliche laterale Geschwindigkeit in der GDL unter dem Steg wurde mit etwa 3 cm/s bestimmt. (Beachte: das Modell wurde nicht im Hinblick auf die Porosität korrigiert.)
Jedoch würden in einer gewöhnlichen Brennstoffzelle ohne Vorsprünge in den Kanälen des Strömungsfelds erhebliche Netto-Querströme des Oxidationsmittels nur dann in der GDL unter den Stegen erwartet, wenn/falls sich zufällig Tröpfchen flüssigen Wassers in den Kanälen gebildet haben. Daher wird erwartet, dass das Einarbeiten von Vorsprüngen in die Kanäle in dieser speziellen periodischen Abfolge zu einer erheblichen Änderung des lateralen Durchflusses in die GDL unter den Stegen führt.
Repräsentative, erwartete Stoffmengenanteile des Sauerstoffs wurden dann für das Modell in den Kanälen und unter den Stegen in die GDL berechnet. Und ebenfalls wurden zu Vergleichszwecken Berechnungen für ein ähnliches Modell vorgenommen, jedoch ohne in die Kanäle eingearbeitete Vorsprünge. Konturen der Stoffmengenanteile des Sauerstoffs wurden entlang der Strömungsrichtung an vier Stellen bestimmt, welche in 2a mit i, ii, iii und iv bezeichnet sind.
2b und 2c zeigen die Konturen der Stoffmengenanteile des Sauerstoffs für das Modell mit keinen Vorsprüngen in den Kanälen und entsprechend für das Modell mit Vorsprüngen in den Kanälen. Die Kontur wird gemäß ihrer Position entlang des Kanals wie in 2a angezeigt markiert. Man beachte, dass das Modell so orientiert sein soll, dass die GDL am Boden der Figuren erscheint. Die horizontalen Komponente dieser Konturen gibt also den Stoffmengenanteil des Sauerstoffs in der GDL an, während die vertikalen Komponenten der Kontur den Stoffmengenanteil des Sauerstoffs in den beiden angrenzenden Kanälen wiedergeben.
Die in 2b und 2c gezeigten Maßstäbe geben einen Hinweis auf den Gradienten der Stoffmengenanteile des Sauerstoffs. Je dunkler die Schattierung ist, desto geringer ist der Stoffmengenanteil an Sauerstoff. Das Modell ohne Vorsprünge (2b) zeigt, dass die Konturen im Wesentlichen an jeder Stelle gleich sind und dass der Stoffmengenanteil an Sauerstoff auf einen sehr niedrigen Wert (0,06) in der GDL fällt, welche an die Mitte der Stege angrenzt.
Das Modell mit Vorsprüngen (2c) zeigt andererseits einen durchgängig viel gleichförmigeren Stoffmengenanteil an Sauerstoff. Es gibt dort einen viel geringeren Abfall des Stoffmengenanteils an Sauerstoff in der GDL als dies in 2b der Fall ist.
In 2c ist ein Vorsprung 2 auf der rechten Seite zwischen den Stellen ii und iii angeordnet. Obwohl es möglicherweise schwer zu erkennen ist, sind die minimalen Stoffmengenanteile an Sauerstoff an den Stellen i und ii in der GDL nach links verschoben, welche an die Stege angrenzt. Andererseits ist das Minimum des Stoffmengenanteils an Sauerstoff in den Konturen an den Stellen iii und iv in der GDL nach rechts verschoben, welche an die Stege angrenzt. Dies ist ein Ergebnis der Konvektion und der periodischen Beschaffenheit stromaufwärts und stromabwärts der Vorsprünge in den Kanälen.
Als nächstes wurde eine Reihe von Versuchen an einer einzelnen Brennstoffzelle durchgeführt. Die Strömungsfeldplatten der Zelle umfassten einen Satz von 36 parallelen, linearen Strömungsfeldkanälen. Die gesamten Dimensionen der Platte waren 185 mm auf 90 mm und die aktive Fläche war etwas größer als die, welche von den Kanälen eingenommen ist. Die Dimensionen der Kanäle waren 114 mm in der Länge, 0,49 mm in der Breite und 0,52 mm in der Tiefe. Die Breite der Stege betrug 0,5 mm. Wo Vorsprünge verwendet wurden, waren diese alle 22,8 mm voneinander beabstandet. Die Vorsprünge in jedem Kanal waren um eine halbe Periode gegenüber denjenigen in angrenzenden Kanälen versetzt. Jeder Vorsprung hatte eine Länge von 1,5 mm und eine Breite, welche die des Kanals ausfüllt. Die Zuführungslängen (der Abstand von dem Rand der Platte zu dem ersten Vorsprung) betrugen 17,1 und 28,5 mm (das heißt 17,1 plus eine halbe Periode) für benachbarte Kanäle. Die Höhen der Vorsprünge variierten jedoch zwischen den untersuchten Zellen. Eine gewöhnliche Zelle ohne Vorsprünge wurde zu Vergleichszwecken untersucht, und zwei Zellen mit Vorsprüngen von 0,26 mm Höhe (50% der Tiefe des Kanals) und 0,34 mm Höhe (66% der Tiefe des Kanals) wurden ebenso jeweils untersucht. Im Folgenden wird auf diese Platten entsprechend als vergleichende, gemäßigte und offensive Plattenbauformen Bezug genommen.
Die Zellen wurden unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen betrieben, wobei vollständig befeuchteter Wasserstoff und verschiedene Mischungen von Sauerstoff und Stickstoff als Reaktanden verwendet wurden. Um die Effekte der unterschiedlichen Höhen der Vorsprünge unter bestimmten unterschiedlichen Betriebsbedingungen zu erforschen, wurden die Zellen bei verschiedenen Kombinationen von Temperaturen (welche 40, 60 und 80°C umfassten), Stromdichten (welche 1,5, 2, 2,5 und 3 A/cm² umfassten), Sauerstoffkonzentration, wie sie in den Oxidationsmittelstrom am Einlass eingebracht wurden (von 9 bis 21% [O₂]), und Durchflüssen des Oxidationsmittels betrieben (Durchflüsse von 10 bis 20 slpm, welche sich in jeweiligen Durchflussgeschwindigkeiten von etwa 10 m/s und 20 m/s an den jeweiligen Einlässen der Platten für das Oxidationsmittel übersetzen).
Beispielsweise zeigte die Zelle, welche die gemäßigte Platte verwendete, bei 80°C eine vergleichsweise bessere Leistung von all den untersuchten Platten. Die offensive Platte zeigte eine schlechte Leistung, womöglich aufgrund des übermäßigen Austrocknens, welches in der Zelle auftrat.
Bei 60°C übertraf die offensive Platte die beiden anderen Platten nur bei niedrigeren Sauerstoffkonzentrationen (zum Beispiel weniger als 15% [O₂]), und der Unterschied war bei niedrigeren Stromdichten weniger signifikant.
Des Weiteren übertraf die offensive Platte bei 2,5 A/cm² und 40°C die beiden anderen Platten bei allen untersuchten Sauerstoffkonzentrationen. Bei 1,5 A/cm² waren die erhaltenen Zellspannungen bei Verwendung jeder Platte bei Sauerstoffkonzentrationen von 15% und mehr im Wesentlichen ähnlich. Darunter zeigte wiederum die offensive Platte die beste Leistung.
3 zeigt einen Satz von grafischen Darstellungen, welche bei 80°C für die drei untersuchten Ausführungsformen bei mehreren unterschiedlichen Stromdichten und einem Durchfluss des Oxidationsmittels von 20 slpm erhalten wurden. (In 3 sind Daten für die vergleichende, die gemäßigte und die offensive Bauform jeweils durch kurz gestrichelte, lang gestrichelte und durchgezogene Linien gezeigt. Daten für 1,5, 2,0, 2,5 und 3,0 A/cm² sind jeweils durch Quadrate, Rauten, Dreiecke und Kreuze dargestellt.) Es ist jedoch beachtenswert, dass eine bevorzugte Umgrenzungslinie des Betriebs bei Stromdichten von 2,5 A/cm² oder mehr und bei Sauerstoffkonzentrationen zwischen etwa 12 und 15% liegen kann. Innerhalb dieser Umgrenzungslinie übertrafen sowohl die gemäßigte und die offensive Bauform der Zelle die vergleichende Bauform (um etwa 200 mV bei 2,5 A/cm² und 12% [O₂]), wobei die gemäßigte Bauform etwas bevorzugt ist.
Im Hinblick auf den Effekt von unterschiedlichen Gasgeschwindigkeiten wurde beispielsweise beobachtet, dass die Leistungsfähigkeit der Zelle bei 80°C nicht viel geändert werden würde. Ein Verringern des Durchflusses am Einlass auf 10 slpm in der gemäßigten Platte (und demzufolge der Gasgeschwindigkeit in den Kanälen von 20 m/s auf 10 m/s) hatte keinen signifikanten Unterschied in der Leistungsfähigkeit zur Folge.
Die Ergebnisse, welche von den drei Platten erhalten wurden, unterschieden sich in Abhängigkeit von den Kombinationen der untersuchten Parameter. In einigen Fällen wurden keine signifikanten Unterschiede gefunden. In anderen Fällen zeigte eine erfindungsgemäße Platte eine wesentlich bessere Leistungsfähigkeit als die vergleichende Platte. Daher erfordert die Auswahl einer bevorzugten Bauform eine Untersuchung, welche die Leistungsfähigkeit, den Druckverlust und das Wassermanagement über die interessierenden Betriebsbedingungen bewertet.
Der Fachmann wird daher verstehen, dass ein ordnungsgemäßes Einarbeiten von Vorsprüngen gemäß der Erfindung ein komplexer Prozess sein kann. Obwohl signifikante Effekte erhalten werden können, müssen verschiedene Faktoren berücksichtigt werden, und alle möglichen erforderlichen Betriebsbedingungen für eine gegebene Ausführungsform müssen ebenso berücksichtigt werden, und Zielkonflikte der Leistungsfähigkeit werden wahrscheinlich unter einigen dieser Bedingungen erforderlich sein.
Alle die oben genannten US-Patente, Veröffentlichungen von US-Patentanmeldungen, ausländischen Patente, ausländischen Patentanmeldungen und nicht der Patentliteratur zugehörigen Publikationen, auf welche in dieser Beschreibung Bezug genommen wurde, sind hiermit in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme einbezogen.
Obwohl bestimmte Elemente, Ausführungsformen und Anwendungen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben sind, ist natürlich verständlich, dass die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist, da Abänderungen vom Fachmann vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen, insbesondere im Lichte der vorstehenden Lehren. Solche Änderungen sind innerhalb des Bereichs und Umfangs der nachstehenden Ansprüche zu berücksichtigen.
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 Patentliteratur

JP 2004241141 [0007]
US 20040151973 [0007]
JP 2004327162 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

C. Y. Soong et al., ”Analysis of reactant gas transport in a PEM fuel cell with partially blocked fuel flow channels”, Journal of Power Sources, 143 (2005) 36–47 [0006]
T. Kanezaki et al., ”Cross-leakage flow between adjacent flow channels in PEM fuel cells”, Journal of Power Sources, 162 (2006) 415–425 [0006]

Claims

Strömungsfeldplatte für eine Brennstoffzelle umfassend: eine hauptsächliche Oberfläche für die Verteilung eines Reaktanden; eine Reaktandenöffnung für den Einlass des Reaktanden; eine Reaktandenöffnung für den Auslass des Reaktanden; und ein Strömungsfeld für den Reaktanden, welches in der hauptsächlichen Oberfläche der Platte ausgebildet ist, wobei der Einlass des Strömungsfelds für den Reaktanden fluidisch mit der Einlass-Reaktandenöffnung verbunden ist, wobei der Auslass des Strömungsfelds für den Reaktanden fluidisch mit der Auslass-Reaktandenöffnung verbunden ist, wobei das Strömungsfeld für den Reaktanden einen Parallelkanalbereich umfasst, welcher eine Mehrzahl von parallelen Kanälen und die Kanäle voneinander trennenden Stegen umfasst, und wobei der Parallelkanalbereich wenigstens einen Vorsprungsbereich umfasst, wobei die Mehrzahl der parallelen Kanäle eine Mehrzahl von Vorsprüngen umfasst, welche den Durchfluss in den Kanälen behindern; dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge in jedem Kanal in dem Vorsprungsbereich in einer Abfolge entlang der Länge eines jeden Kanals angeordnet sind; und die fortlaufenden Vorsprünge in einem beliebigen gegebenen Kanal in dem Vorsprungsbereich entlang der Länge des Kanals im Hinblick auf die fortlaufenden Vorsprünge in den Kanälen versetzt sind, welche unmittelbar an den beliebigen gegebenen Kanal angrenzen.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 1, wobei die parallelen Kanäle in dem Parallelkanalbereich im Wesentlichen linear sind.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 1, wobei die Abfolge eine periodische Abfolge ist.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 3, wobei die periodischen Vorsprünge in einem beliebigen gegebenen Kanal in der Vorsprungsregion um im Wesentlichen die Hälfte einer Periode im Hinblick auf die periodischen Vorsprünge in den Kanälen versetzt sind, welche unmittelbar an den beliebigen gegebenen Kanal angrenzen.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 1, wobei der Parallelkanalbereich mehr als 50% der hauptsächlichen Oberfläche der Strömungsfeldplatte einnimmt.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 5, wobei der Vorsprungsbereich mehr als 50% des Parallelkanalbereichs einnimmt.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 6, wobei die Strömungsfeldplatte eine Strömungsfeldplatte für ein Oxidationsmittel ist.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 1, wobei eine Dimension der Vorsprünge über die Abfolge variiert.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 8, wobei die Dimension der Vorsprünge angrenzend an den Auslass des Strömungsfelds für den Reaktanden größer ist als angrenzend an den Einlass des Strömungsfelds für den Reaktanden.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 1, wobei die Dimensionen der Vorsprünge über die Abfolge konstant sind.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 3, wobei die Periode der Vorsprünge, welche in jedem Kanal in der Vorsprungsregion angeordnet sind, etwa 20 bis 30 mm beträgt.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 10, wobei die Vorsprünge zwischen 0,4 und 0,6 der Tiefe des Kanals einnehmen.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 1, wobei die Vorsprünge die Breite des Kanals einnehmen.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 1, wobei die Vorsprünge zwischen etwa 1 bis 2 mm lang sind.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 1, wobei die Breite der Stege größer als 0,3 mm ist.
Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle, welche einen Feststoff-Polymer-Elektrolyten, eine Katalysatorelektrode, welche an den Feststoff-Polymer-Elektrolyten angrenzt, eine Gasdiffusionslage, welche an die Katalysatorelektrode angrenzt, und eine Strömungsfeldplatte nach Anspruch 1 umfasst, welche an die Gasdiffusionslage angrenzt.
Verfahren zum Verbessern der Verteilung eines Reaktanden in einer Festoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle, wobei die Brennstoffzelle einen Feststoff-Polymer-Elektrolyten, eine Katalysatorelektrode, welche an den Feststoff-Polymer-Elektrolyten angrenzt, eine Gasdiffusionslage, welche an die Katalysatorelektrode angrenzt, und eine Strömungsfeldplatte umfasst, welche an die Gasdiffusionslage angrenzt, wobei das Verfahren ein Integrieren der Strömungsfeldplatte nach Anspruch 1 als die Strömungsfeldplatte umfasst, welche an die Gasdiffusionslage angrenzt.
Verfahren nach Anspruch 17, welches das Anordnen der Vorsprünge in einer periodischen Abfolge umfasst.
Verfahren nach Anspruch 18, welches das Versetzen der periodischen Vorsprünge in einem beliebigen gegebenen Kanal in der Vorsprungsregion im Wesentlichen um die Hälfte einer Periode im Hinblick auf die periodischen Vorsprünge in den Kanälen umfasst, welche unmittelbar an den beliebigen gegebenen Kanal angrenzen.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die integrierte Strömungsfeldplatte eine Strömungsfeldplatte für ein Oxidationsmittel ist.
Verfahren nach Anspruch 20, welches das Anordnen der Vorsprünge derart umfasst, dass die Vorsprungsregion nicht den Bereich des Strömungsfelds für den Reaktanden umfasst, welcher an den Einlass des Strömungsfelds für den Reaktanden angrenzt, wobei die Sauerstoffkonzentration während des Normalbetriebs größer als 15% ist.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 20, welches das Anordnen der Vorsprünge derart umfasst, dass die Vorsprungsregion nicht den Bereich des Strömungsfelds für den Reaktanden nahe dem Einlass des Strömungsfelds für den Reaktanden einnimmt, wobei die relative Feuchte während des Normalbetriebs geringer ist als 100%.