DE102014217700A1

DE102014217700A1 - Brennstoffzelle sowie Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102014217700A1
Application number: DE102014217700.6A
Authority: DE
Inventors: Dirk Jenssen; Christian Martin Zillich
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2014-09-04
Filing date: 2014-09-04
Publication date: 2016-03-10
Also published as: US10581087B2; US20170309926A1; CN106605327B; WO2016034334A1; CN106605327A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle (100), umfassend einen Stapel (1) alternierender Bipolarplatten (113) und Membran-Elektroden-Einheiten (114), sowie Strömungskanäle (104, 105), die zwischen einer Bipolarplatte (113) und einer Membran-Elektroden-Einheit (114) ausgebildet sind, und Strömungskanälen (104, 105), die innerhalb einer Bipolarplatte (113) ausgebildet sind, sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen. Es ist vorgesehen, dass eine von einem Fluid überströmbare Oberfläche (101) zumindest eines Teils der Strömungskanäle (104, 105) bezüglich ihrer Erstreckungsrichtung zumindest bereichsweise einen hydrophoben Abschnitt (101a) und einen hydrophilen Abschnitt (101b) bezogen auf einen Querschnitt des Strömungskanals (104, 105) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, umfassend einen Stapel alternierender Bipolarplatten und Membran-Elektroden-Einheiten, sowie Strömungskanäle, die zwischen einer Bipolarplatte und einer Membran-Elektroden-Einheit ausgebildet sind, und Strömungskanälen, die innerhalb einer Bipolarplatte ausgebildet sind, sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die so genannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer ionenleitenden, insbesondere protonenleitenden Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionsschichten (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den, der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl, im Stapel (stack) angeordneter MEAs gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H⁺ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. Durch die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie erzielen Brennstoffzellen gegenüber anderen Elektrizitätsgeneratoren aufgrund der Umgehung des Carnot-Faktors einen verbesserten Wirkungsgrad.
Die Brennstoffzelle wird durch eine Vielzahl, im Stapel angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten gebildet, sodass auch von einem Brennstoffzellenstapel gesprochen wird. Zwischen zwei Membran-Elektroden-Einheiten ist jeweils eine Bipolarplatte angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanden und einer Kühlflüssigkeit, sicherstellt. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Einheiten. Des Weiteren gewährleisten sie eine dichte Trennung zwischen Anoden- und Kathodenraum.
Die Bipolarplatten sind zumeist aus zwei profilierten Platten aufgebaut, welche eine Struktur in Form eines beidseits der Platten angeordneten Höhenprofils aufweisen. Durch dieses Profil ergeben sich beidseits der Platten diskrete Strömungskanäle, die ausgebildet sind, die Betriebsmedien zu führen. Die Betriebsmedien sind wiederum durch die Platten voneinander getrennt, so dass im Inneren der Platte das Kühlmittel geführt wird, während außerhalb die Reaktandengase geführt werden. Die Strömungskanäle der Reaktandengase sind zum einen von der jeweiligen Platte und zum anderen von einer Membranelektroden-Einheit begrenzt.
Der Start eines Brennstoffzellensystems bei geringen Temperaturen, insbesondere bei Temperaturen deutlich unter 0° Celsius, kann problematisch sein, da in dem Brennstoffzellensystem Wasser befindlich ist. Dieses Wasser stammt insbesondere aus der Brennstoffzellenreaktion, kann aber auch mit den Reaktandengasen der Brennstoffzellenreaktion, also den Anoden oder Kathodengasen, in das System eingeführt werden. Da die Brennstoffzellenreaktion exotherm verläuft, und somit das Brennstoffzellensystem automatisch aufheizt, sinkt dessen Temperatur nach dem Abschalten wieder. Bei der Abkühlung des Systems kann es insbesondere bei tiefen Temperaturen zu einem Unterschreiten des Taupunktes und somit zu einem Auskondensieren des im System befindlichen Wasserdampfs kommen. Bei entsprechend tiefen Temperaturen gefriert das Wasser und kann in den Leitungssystemen zur strömungstechnischen und/oder mechanischen Blockaden führen. Auch kann es beim Antauen der eisbedeckten Oberflächen in dem durchströmten System zu Beschädigungen durch von der Strömung losgerissenen und sich im System bewegenden Eisteilchen kommen.
Zur Lösung dieses Problems schlägt die WO 2008/086819 A1 vor, die Komponenten des Leitungssystems einer Brennstoffzelle, also Rohrleitungen mit einem freien Querschnitt, der größer als ein auskondensierter Wassertropfen ist, sowie beweglichen Elementen zur Strömungsführung (wie Ventile, Pumpen zur Förderung des Gasstroms) an einem Bereich des inneren Querschnitts hydrophil und an einem anderen Bereich des inneren Querschnitts hydrophob zu beschichten. Es ist beschrieben, dass dies dazu führt, dass sich auskondensierendes Wasser an dem hydrophobe beschichteten Teil des inneren Umfangs der Rohrleitung tropfenförmig anlagert, während sich das auskondensierte Wasser auf dem hydrophil beschichteten Bereich des inneren Umfangs flächig verteilt.
Die Strömungskanäle innerhalb eines Brennstoffzellenstapels, weisen jedoch einen Durchmesser auf, der kleiner ist als der Durchmesser eines auskondensierten Wassertropfens. Somit führt bereits ein Tropfen, insbesondere gefrorenen Wassers zum Verschluss des Strömungskanals. Um ein Verstopfen der Strömungskanäle zu verhindern, ist es also erforderlich, die oben beschriebene Tropfenbildung zu verhindern, da der Verschluss der Strömungskanäle insbesondere mit gefrorenen Wassertropfen zur Inaktivierung der Brennstoffzelle führt.
Die DE 10 2009 012 995 A1 schlägt daher vor, die Strömungskanäle innerhalb eines Brennstoffzellenstapels entlang der Längserstreckung der Kanäle abwechselnd mit hydrophoben und hydrophilen Bereichen auszustatten, und somit den Transport von Wasser entlang der Erstreckungsrichtung der Strömungskanäle zu begünstigen. Die WO 2008/086819 A1 schlägt hingegen vor, die Strömungskanäle innerhalb des Stapels gänzlich mit einer hydrophilen Beschichtung zu versehen.
Diesen Ausgestaltungen ist jedoch gemein, dass aufgrund des geringen Querschnitts der Strömungskanäle Kapillarkräfte entstehen, die sich auf das Brennstoffzellensystem ungünstig auswirken und einen Austrag von Wasser aus dem System beeinträchtigen oder sogar verhindern.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, eine Brennstoffzelle bereitzustellen, die die Nachteile des Standes der Technik ausräumt oder zumindest reduziert. Insbesondere soll eine Brennstoffzelle bereitgestellt werden, die Strömungskanäle aufweist, die einen Verschluss der Strömungskanäle des Brennstoffzellenstapels durch flüssiges und/oder gefrorenes Wasser im Wesentlichen verhindert.
Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzelle sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Somit betrifft ein erster Aspekt der Erfindung eine Brennstoffzelle, umfassend einen Stapel alternierender Bipolarplatten und Membran-Elektroden-Einheiten. Die Brennstoffzelle umfasst ferner Strömungskanäle, die zwischen einer Bipolarplatte und einer Membran-Elektroden-Einheit ausgebildet sind, und Strömungskanäle, die innerhalb einer Bipolarplatte ausgebildet sind. Erfindungsgemäß weist eine überströmte Oberfläche zumindest eines Teils der Strömungskanäle im Bereich der Erstreckungsrichtung zumindest einen hydrophoben Abschnitt und einen hydrophilen Abschnitt bezogen auf einen Querschnitt des Strömungskanals auf.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Brennstoffzelle wird eine Tropfenbildung von kondensierendem Wasser nahezu unterbunden. Dadurch kann wiederum ein Verschluss der Strömungskanäle verhindert werden. Zudem verhindert die erfindungsgemäße Brennstoffzelle die Entfaltung der Kapillarwirkung innerhalb der sehr kleinen Strömungskanäle, sodass Wasser mit einer nur geringen Krafteinwirkung ausgetragen werden kann. Insbesondere genügt der Strömungsdruck des jeweiligen Reaktandengases zur Ausleitung des Wassers. All dies führt in vorteilhafter Weise dazu, dass die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle stabil bleibt.
Unter Strömungskanälen werden vorliegend Strömungskanäle zum Transport von Reaktandengasen, also von Anoden- und Kathodengas verstanden. Sie befinden sich sowohl im aktiven Bereich als auch im inaktiven Bereich, also im Verteilerbereich, der Brennstoffzelle und können insbesondere im Verteilerbereich sowohl geschlossen als auch offen ausgeführt sein. Dabei sind offene Kanäle auf einer Seite durch die Bipolarplatte und auf der anderen Seite durch die Membran-Elektroden-Einheit (beispielsweise eine Gasdiffusionsschicht, einer Membran oder einer Elektrode) begrenzt. Geschlossene Strömungskanäle hingegen befinden sich innerhalb einer Bipolarplatte, welche aufgrund ihrer Profilstruktur interne Strömungskanäle ausbildet.
Unter überströmter oder überströmbarer Oberfläche ist in vorliegender Erfindung der Innenumfang der Strömungskanäle zu verstehen, also der Teil der Oberfläche, welcher von Anoden- beziehungsweise Kathodengas überströmt wird. Bezogen auf den Querschnitt der Strömungskanäle befindet sich diese Oberfläche innen, also auf der zum Mittelpunkt der Strömungskanäle gerichteten Seite des Querschnitts.
Die Benetzbarkeit der überströmten Oberfläche wird vorzugsweise anhand eines statischen Kontaktwinkels von Wasser gemessen, sodass die Oberfläche im hydrophoben Abschnitt einen Kontaktwinkel von größer 90 Grad und im hydrophilen Abschnitt einen Kontaktwinkel von kleiner 90 Grad aufweist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Stapel einen inaktiven Bereich und einen aktiven Bereich aufweist, wobei der inaktive Bereich, also der Bereich, der kein Elektrodenmaterial aufweist, und einen Verteilerbereich für Betriebsmedien der Brennstoffzelle umfasst, welcher der Versorgung des aktiven Bereichs dient. Die erfindungsgemäß mit einem hydrophilen und einem hydrophoben Abschnitt ausgestatteten Strömungskanäle sind bevorzugt im Verteilerbereich der Brennstoffzelle angeordnet.
Üblicherweise weisen Bipolarplatten zwei Verteilerbereiche auf, wobei einer der Zuführung von Reaktandengas zum aktiven Bereich und der andere der Abführung von Reaktandengas aus dem aktiven Bereich dient. Insbesondere im Abführungsbereich kommt es zu einer verstärkten Bildung beziehungsweise Kondensation von Wasser, welches aus den Strömungskanälen ausgeleitet werden muss. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Strömungskanäle unterstützt den Abtransport von Wasser aus den Strömungskanälen und verhindert somit eine Ansammlung von Wasser, die zur Verstopfung durch Tröpfchenbildung und Kapillarwirkung führt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Stapel derart ausgerichtet ist, dass die Strömungskanäle einen im Wesentlichen horizontalen Verlauf aufweisen und zumindest ein Teil des hydrophilen Abschnitts in einer Schwerkraftrichtung unten angeordnet ist. Dies führt vorteilhafter Weise dazu, dass sich der Wasserfilm in Schwerkraftrichtung unten sammelt und dort aufgrund des sehr niedrigen Kontaktwinkels auseinandergezogen wird. Die Schwerkraft begünstigt dann den Austrag des gebildeten Wassers. Diese Ausgestaltung ist insbesondere für Kathodenkanäle vorteilhaft, da es hier verstärkt zu einer Wasserbildung kommt. Somit ist besonders bevorzugt, dass der Stapel alternierender Bipolarplatten und Membran-Elektroden-Einheiten derart ausgerichtet ist, dass zumindest ein Großteil der hydrophilen Abschnitte der Kathodenkanäle in einer Schwerkraftrichtung unten angeordnet ist.
Die hydrophoben Abschnitte sind auf der Bipolarplatte und/oder auf der Membran-Elektroden-Einheit angeordnet. Mit besonderem Vorteil sind die hydrophoben Abschnitte auf der Bipolarplatte angeordnet, da sich die Bipolarplatte im Vergleich zu den anderen Bestandteilen der Brennstoffzelle, wie beispielsweise Elementen der Membran-Elektroden-Einheit oder der Gasdiffusionsschicht in Bezug auf die Benetzbarkeit einfacher modifizieren lässt.
So ist insbesondere bevorzugt, dass die Bipolarplatte zumindest bereichsweise hydrophobisiert ist. Diese Ausgestaltung bringt den Vorteil, dass zur Ausbildung der Bipolarplatte ein Material verwendet werden kann, welches von sich aus eher hydrophil ist, aber in Bezug auf Stabilität, elektrische Leitfähigkeit und Gewicht zur Herstellung von Brennstoffzellenstapeln besser geeignet ist. Die Hydrophobisierung der Bipolarplatte wird vorzugsweise durch Beschichten und/oder Aufrauhen der Oberfläche erreicht. Insbesondere zur Beschichtung stehen vielerlei Verfahren und Materialien zur Verfügung, welche gut in die Produktion von Bipolarplatten beziehungsweise Brennstoffzellen eingegliedert werden können.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Kapillarkraft F_K von Wasser innerhalb der den zumindest einen hydrophilen und zumindest einen hydrophoben Abschnitt aufweisenden Strömungskanäle, um mindestens 50 % kleiner ist als innerhalb von Strömungskanälen mit gleicher geometrischer Ausgestaltung des Querschnitts, deren überströmte Oberfläche im gesamten Querschnitt die gleiche Benetzbarkeit aufweist. Vorzugsweise ist die Kapillarkraft F_K um 75 %, insbesondere um 80 %, bevorzugt um 85 %, insbesondere um 90 %, besonders bevorzugt um 95 % reduziert, sodass die Kapillarkraft innerhalb der erfindungsgemäß ausgestalteten Strömungskanäle möglichst nahe an Null ist. Da die Kapillarkraft aus einem Verhältnis von Adhäsionskräften zwischen dem Wasser und der überströmten Oberfläche zu Kohäsionskräften innerhalb der Wassersäule resultiert, hat eine Reduktion der Kapillarkraft im Inneren der Strömungskanäle eine Reduktion der Haftreibung des Wassers an der überströmten Oberfläche und somit eine leichtere und vollständigere Ausleitung des kondensierten Wassers innerhalb der Strömungskanäle zur Folge.
Nachfolgende Gleichungen geben eine allgemeine Formel für die Kapillarkraft F_K an: F_K = Ap_Kcosθ F_K = 2πrσ / gcosθ
Bezogen auf einen Strömungskanal ist

A: = überströmte Fläche
p_K: = Kapillardruck
θ: = Kontaktwinkel von Wasser auf der Oberfläche
r: = Radius des Strömungskanals
σ: = Oberflächenspannung von Wasser
g: = Erdbeschleunigung.

Innerhalb Strömungskanäle welche die gleiche Geometrie, die gleichen Materialien und den gleichen Querschnitt aufweisen, ist die resultierende Kapillarkraft F_K proportional zum Kontaktwinkel θ. Die Kapillarkraft F_K tendiert dementsprechend gegen Null, wenn die Summe der Cosini der Kontaktwinkel θ an jedem Punkt der überströmten Oberfläche A innerhalb des Querschnitts der überströmten Oberfläche A gegen Null geht.
Dies wird vorzugsweise über eine Variation des Anteils der hydrophoben gegenüber dem Anteil der hydrophilen Abschnitte in Bezug auf den Querschnitt erreicht. Somit ist in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung die Kapillarkraft F_K über das Größenverhältnis der hydrophoben zu den hydrophilen Abschnitten eingestellt, genauer des hydrophoben zu hydrophilen Radius. Für die hydrophilen Abschnitte ergibt sich, cosθ < 0 und für die hydrophoben Abschnitte cosθ >0. Wenn also beispielsweise der Betrag des Cosinus der Kontaktwinkel im hydrophoben Abschnitt (Icosθ_hydrophobI), deutlich kleiner ist als der Betrag des Cosinus der Kontaktwinkel im hydrophilen Abschnitt (Icosθ_hydrophilI) kann bei in sich homogener Benetzbarkeit in den einzelnen Abschnitten eine Reduktion der Kapillarkraft F_K durch eine flächenmäßige beziehungsweise radiale Vergrößerung des hydrophoben Abschnitts erzielt werden.
Ferner ist bevorzugt, dass die Kapillarkraft F_K über den statischen Kontaktwinkel von Wasser in den hydrophoben Abschnitten eingestellt ist. Das heißt, dass bei konstantem Größenverhältnis der hydrophoben zu den hydrophilen Abschnitten eine Variation, insbesondere Reduktion der Kapillarkraft vorzugsweise durch die Einstellung des statischen Kontaktwinkels erzielt wird. Die Hydrophobizität, also der Kontaktwinkel gegenüber von Wasser innerhalb der hydrophoben Abschnitte wird vorzugsweise durch die Zusammensetzung der Beschichtung und/oder durch den Rauheitsgrad der Oberfläche der Bipolarplatte eingestellt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, welches eine Brennstoffzelle in einer der bevorzugten Ausgestaltungen aufweist.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels,
2 eine Querschnittszeichnung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels in einer bevorzugten Ausführungsform, und
3 eine schematische Zeichnung eines Querschnitts eines Strömungskanals in der bevorzugten Ausführungsform.
1 zeigt in einer stark schematischen Darstellung einen Brennstoffzellenstapel 1. Der Brennstoffzellenstapel 1 umfasst eine erste Endplatte 111 sowie eine zweite Endplatte 112. Zwischen den Endplatten 111, 112 ist eine Vielzahl übereinander gestapelter Stapelelemente angeordnet, welche Bipolarplatten 113 und Membran-Elektroden-Einheiten 114 umfassen. Die Bipolarplatten 113 sind mit den Membran-Elektroden-Einheiten 114 abwechselnd gestapelt. Die Membran-Elektroden-Einheiten 114 umfassen jeweils eine Membran 110 und beidseitig der Membran 115 anschließende Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode (nicht dargestellt). An der Membran 110 anliegend, können die Membran-Elektroden-Einheiten 114 zudem (ebenfalls nicht dargestellte) Gasdiffusionslagen aufweisen. Zwischen den Bipolarplatten 113 und Membran-Elektroden-Einheiten 114 sind jeweils nicht dargestellte Dichtungselemente angeordnet, welche die Anoden- und Kathodenräume gasdicht nach außen abdichten. Zwischen den Endplatten 111 und 112 ist der Brennstoffzellenstapel 1 mittels Zugelementen 116, z. B. Zugstangen oder Spannblechen, verpresst.
In 1 sind von den Bipolarplatten 113 und den Membran-Elektroden-Einheiten 114 lediglich die Schmalseiten sichtbar. Die Hauptflächen der Bipolarplatten 113 und der Membran-Elektroden-Einheiten 114 liegen aneinander an. Die Darstellung in 1 ist teilweise nicht dimensionsgetreu. Typischerweise beträgt eine Dicke einer Einzelzelle, bestehend aus einer Bipolarplatte 113 und einer Membran-Elektroden-Einheit 114, wenige mm, wobei die Membran-Elektroden-Einheit 114 die weitaus dünnere Komponente ist. Zudem ist die Anzahl der Einzelzellen üblicherweise wesentlich größer als dargestellt.
Eine schematische Schnittansicht einer Einzelzelle des Brennstoffzellenstapels 1 ist in 2 dargestellt.
Der Brennstoffzellenstapel 1 umfasst als Kernkomponente eine Membran-Elektroden-Einheit 114, welche die Polymerelektrolytmembran 110 aufweist sowie jeweils eine, an eine der beiden Flachseiten der Membran 110 anschließende Elektrode 108, 109, nämlich eine Anode 109 sowie eine Kathode 108. Bei der Membran 110 handelt es sich um eine Membran, welche vorzugsweise befähigt ist, Kationen, insbesondere Protonen (H⁺), zu leiten. Die Elektroden 108, 109 umfassen ein katalytisches Material, beispielsweise Platin, das auf einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt.
An die Elektroden 108, 109 schließt jeweils eine Gasdiffusionsschicht 107 an, der im Wesentlichen die Aufgabe einer gleichmäßigen Verteilung der zugeführten Betriebsgase über die Hauptflächen der Elektroden 108, 109 beziehungsweise der Membran 110 zukommt.
An den Außenseiten jeder Gasdiffusionsschicht 107 ist eine Bipolarplatte 113 angeordnet, die hier aus zwei Einzelplatten 117 ausgebildet ist. Bipolarplatten 113 haben die Aufgabe, die einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten 114 der Einzelzellen im Stapel elektrisch miteinander zu verschalten, den Brennstoffzellenstapel 1 zu kühlen sowie die Betriebsgase den Elektroden 108, 109 zuzuführen. Zu letzterem Zweck weist die Bipolarplatte 113 (auch Flussfeldplatten genannt) Flussfelder auf. Die Flussfelder umfassen beispielsweise eine Vielzahl parallel zueinander angeordneter Strömungskanäle 104 und 105, die in Form von Rinnen oder Nuten in die Platten 113 eingearbeitet sind. Üblicherweise weist jede Bipolarplatte 113 auf ihrer einen Seite ein Anodenflussfeld, also eine Vielzahl von Anodenströmungskanälen 105 auf, das der Anode 109 zugewandt ist, und auf ihrer anderen Seite ein der Kathode 108 zugewandtes Kathodenflussfeld, welches aus einer Vielzahl von Kathodenströmungskanälen 104 zusammengesetzt ist. Den Anodenströmungskanälen 105 wird ein Brennstoff, insbesondere Wasserstoff (H₂) zugeführt, während den Kathodenströmungskanälen 104 ein Sauerstoff (O₂) enthaltenes Betriebsmittel, insbesondere Luft, zugeführt wird.
In der dargestellten Ausführungsform ist die Anode 109 in Schwerkraftrichtung (g) unten angeordnet, während die Kathode 108 in Schwerkraftrichtung (g) oben angeordnet ist. Die Kathodenströmungskanäle 104 weisen im Bereich der Bipolarplatte 113 einen hydrophoben Abschnitt 101a auf, der sich aufgrund der Anordnung des Schichtstapels aus Bipolarplatte 113/ Anode 109/ Membran 110/ Kathode 108/ Bipolarplatte 113 in Schwerkraftrichtung (g) oben befindet. Alternativ kann sich der hydrophobe Abschnitt 101a auf einer an den Strömungskanal 108, 109 angrenzenden Schicht der Membran-Elektroden-Einheit 114 befinden. In der dargestellten Ausführungsform entspricht die Gasdiffusionsschicht 107 einer solchen Schicht.
3 zeigt eine stark schematisierte Detaildarstellung des Querschnitts eines Strömungskanals 104, 105 in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Der Querschnitt des Strömungskanals ist stark schematisiert, so dass die Form und Größenverhältnisse keinen Rückschluss auf die Funktionsweise zulassen. Bezogen auf 2 ist der gezeigte Strömungskanal ein Kathodenströmungskanal 104. Als solcher weist er auf der überströmten Oberfläche 102 seines inneren Umfangs einen hydrophoben Abschnitt 101a und einen hydrophilen Abschnitt 101b auf. Der hydrophobe Abschnitt ist in Schwerkraftrichtung (g) oben angeordnet und in dargestellter Ausführungsform durch Beschichtung der überströmten Oberfläche 102 erzielt worden. Die Beschichtung wird beispielsweise durch Materialien realisiert, an deren Oberfläche Alkyl- oder fluorierte Alkylgruppen, insbesondere Methyl- und/oder Trifluormethylgruppen, angeordnet sind. Dabei steht die Anzahl der Gruppen je Flächeneinheit in direktem Verhältnis zur Hydrophobizität der Oberfläche. Das Größenverhältnis von hydrophoben Abschnitt 101a zu hydrophilen Abschnitt 101b ist exemplarisch 1:1 gewählt, kann aber, beispielsweise in Abhängigkeit von der Benetzbarkeit der beiden Abschnitte 101a, b, von Strömungskanal 104, 105 zu Strömungskanal 104, 105 variieren.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der in den 2 und 3 gezeigten Strömungskanäle 104, 105 führt zu einer Reduktion der Kapillarkraft F_K. Im Idealfall heben sich die Adhäsionskräfte zwischen der überströmten Oberfläche 101 und innerhalb der Strömungskanäle kondensiertem Wasser mit den Kohäsionskräften innerhalb des kondensierten Wassers gegenseitig auf, so dass die resultierende Kapillarkraft im Strömungskanal gegen Null geht. Kondensiertes Wasser perlt am hydrophoben Abschnitt 101a ab und lagert sich im hydrophilen Abschnitt 101b an, wo es aufgrund des sehr geringen Kontaktwinkels auseinanderfließt, also keine oder nur sehr flache Tropfen oder einen Film bildet. Durch die Einwirkung minimaler Kräfte, wie beispielsweise der Schwerkraft (g) oder einem (geringen) Gasstrom werden die Tropfen aus dem Strömungskanal 104, 105 herausgetrieben.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellenstapel
100: Brennstoffzelle
101: überströmte Oberfläche
101a: hydrophober Abschnitt
101b: hydrophiler Abschnitt
102: hydrophobe Beschichtung
103: Kühlmittelkanal
104: Kathodenströmungskanal
105: Anodenströmungskanal
107: Gasdiffusionsschicht
108: Kathode
109: Anode
110: Membran
111: erste Endplatte
112: zweite Endplatte
113: Bipolarplatte
114: Membran-Elektroden-Einheit
116: Elektroden

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2008/086819 A1 [0006, 0008]
DE 102009012995 A1 [0008]

Claims

Brennstoffzelle (100), umfassend einen Stapel (1) alternierender Bipolarplatten (113) und Membran-Elektroden-Einheiten (114), sowie Strömungskanäle (104, 105), die zwischen einer Bipolarplatte (113) und einer Membran-Elektroden-Einheit (114) ausgebildet sind, und Strömungskanälen (104, 105), die innerhalb einer Bipolarplatte (113) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine von einem Fluid überströmbare Oberfläche (101) zumindest eines Teils der Strömungskanäle (104, 105) bezüglich ihrer Erstreckungsrichtung zumindest bereichsweise einen hydrophoben Abschnitt (101a) und einen hydrophilen Abschnitt (101b) bezogen auf einen Querschnitt des Strömungskanals (104, 105) aufweist.
Brennstoffzelle (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel (1) einen Verteilerbereich und einen aktiven Bereich aufweist und die den hydrophoben und hydrophilen Abschnitt (101a, 101b) aufweisenden Strömungskanäle (104, 105) im Verteilerbereich des Stapels (1) angeordnet sind.
Brennstoffzelle (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel (1) derart ausgerichtet ist, dass die Strömungskanäle (104, 105) einen horizontalen Verlauf aufweisen und zumindest ein Teil des hydrophilen Abschnitts (101b) in Schwerkraftrichtung unten angeordnet ist.
Brennstoffzelle (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrophoben Abschnitte (101a) auf der Bipolarplatte (113) angeordnet sind.
Brennstoffzelle (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrophoben Abschnitte (101b) durch Hydrophobisierung der Bipolarplatte (113) ausgebildet sind.
Brennstoffzelle (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (113) durch Beschichtung (102) und/oder Aufrauhung der Oberfläche (102) hydrophobisiert ist.
Brennstoffzelle (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kapillarkraft F_K von Wasser innerhalb der den zumindest einen hydrophilen (101b) und zumindest einen hydrophoben Abschnitt (101a) aufweisenden Strömungskanäle (104, 105) um mindestens 50% kleiner ist als eine Kapillarkraft F_K von Wasser eines innerhalb eines Strömungskanals mit gleicher geometrischer Ausgestaltung des Querschnitts, dessen überströmte Oberfläche (101) im gesamten Querschnitt eine homogene Benetzbarkeit aufweist.
Brennstoffzelle (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarkraft F_K über das Größenverhältnis der hydrophoben Abschnitte (101a) zu den hydrophilen Abschnitte (101b) eingestellt ist.
Brennstoffzelle (100) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarkraft F_K über einen statischen Kontaktwinkel von Wasser der hydrophoben Abschnitte (101a) eingestellt ist.
Kraftfahrzeug aufweisend einer Brennstoffzelle (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.