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Die vorliegende Offenbarung betrifft Strömungsfeldplatten für Brennstoffzellen und Verfahren zum Herstellen von Strömungsfeldplatten.
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Eine Brennstoffzelle ist eine Vorrichtung, die chemische Energie durch eine chemische Reaktion zwischen Sauerstoff und einem anderen Oxidans, etwa Wasserstoff oder kohlenstoffbasierten Brennstoffen, in Elektrizität umwandelt. Es gibt viele Arten von Brennstoffzellen, doch in der Regel bestehen sie aus einer Anode, einer Kathode und einem Elektrolyt, der es ermöglicht, dass sich Ladungen zwischen den beiden Seiten der Brennstoffzelle bewegen können. Elektronen werden von der Anode zur Kathode gezogen und erzeugen Gleichstrom-Elektrizität. Jedes Ende der typischen Brennstoffzelle enthält eine Platte aus festem, leichtem, elektronenleitfähigem Material (häufig Graphit, Metall oder ein Verbundstoff). Diese Platten weisen Kanäle auf, um ein „Strömungsfeld” bereitzustellen, durch das Brennstoff (auf der Anodenseite) und Sauerstoff (auf der Kathodeseite) der Brennstoffzelle zugeführt werden können. Einzelne Brennstoffzellen können gestapelt werden, um zusätzliche Kapazität zu schaffen.
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Im Allgemeinen werden die Kanäle des Strömungsfelds zu einer bipolaren Platte verarbeitet oder geformt. Die separaten Platten werden dann gegen eine Gasdiffusionsschicht gedrückt, um eine gleichmäßige Gasdiffusion auf eine Membranelektrodenbaugruppe zu ermöglichen. Der Prozess des Bearbeitens zum Herstellen von Strömungsfeldern verwendet spezielle Werkzeuge und Verarbeitungen für Graphitplatten. Das Bearbeiten des Strömungsfelds kann Spannungspunkte erzeugen, die strukturell ausgeglichen werden müssen, was in der Regel erfordert, dass die Platte eine Dicke und/oder ein Gewicht aufweist, die bzw. das größer als gewünscht ist. Die zusätzliche Dicke und/oder das zusätzliche Gewicht laufen typischen Auslegungen zuwider, die nach Brennstoffzellen streben, die relativ klein oder leicht sind.
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Diese üblichen Verfahren und Systeme wurden allgemein als für ihren vorgesehenen Zweck ausreichend betrachtet. Allerdings besteht auf dem Gebiet nach wie vor ein Bedarf an verbesserten Brennstoffzellen und Verfahren derselben. Die vorliegende Offenbarung stellt eine Lösung für diesen Bedarf bereit.
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Eine Platte für eine Brennstoffzelle weist einen ersten Plattenkörper auf, der einen ersten Strömungsfeldkanal in einer ersten Fläche davon definiert. Der erste Strömungsfeldkanal weist einen Querschnitt auf, der als eine Funktion der Tiefe von der ersten Fläche des Plattenkörpers zu einer gegenüberliegenden zweiten Fläche hin variiert. Der Querschnitt des ersten Strömungsfeldkanals kann als eine Funktion der Tiefe von der ersten Fläche zur gegenüberliegenden zweiten Fläche hin zunehmen und/oder abnehmen.
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Die Platte kann einen zweiten Plattenkörper aufweisen, der einen zweiten Strömungsfeldkanal in einer ersten Fläche davon definiert. Ähnlich wie bei dem ersten Strömungsfeldkanal des ersten Plattenkörpers kann der zweite Strömungsfeldkanal einen Querschnitt aufweisen, der als eine Funktion der Tiefe von der ersten Fläche des zweiten Plattenkörpers zu einer gegenüberliegenden zweiten Fläche hin variiert. Die erste Fläche des zweiten Plattenkörpers kann benachbart zu der ersten Fläche des ersten Plattenkörpers angebracht werden, derart, dass der erste Strömungsfeldkanal und der zweite Strömungsfeldkanal einen kontinuierlichen Strömungsfeldweg definieren. Der Querschnitt des zweiten Strömungsfeldkanal kann von der ersten Fläche des zweiten Plattenkörpers zu dessen zweiter Fläche hin zunehmen und/oder abnehmen.
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Der Querschnitt des Strömungsfeldwegs senkrecht zur ersten Fläche kann I-förmig sein. Eine Breite eines ersten Endes des Strömungsfeldwegs kann kleiner als eine Breite eines zweiten Endes sein.
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Ein Verfahren zum Bilden eines Strömungsfeldkanals für eine Brennstoffzelle schließt das Bilden eines Strömungsfeldkanals an einem ersten Plattenkörper durch additives Bilden von Kanalwänden unmittelbar auf dem ersten Plattenkörper ein. Der Schritt des Bildens kann ferner additives Schichtfertigen von aufeinander folgenden Schichten einschließen, um die Kanalwände zu bilden.
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Diese und weitere Merkmale der Systeme und Verfahren des offenbarten Gegenstands werden für Fachleute anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit den Zeichnungen deutlicher.
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Damit Fachleute auf dem Gebiet des offenbarten Gegenstands leichter und ohne unnötige Versuche nachvollziehen können, wie die Vorrichtungen und Verfahren des offenbarten Gegenstands hergestellt und verwendet werden können, werden bevorzugte Ausführungsform derselben im Folgenden ausführlich und unter Bezugnahme auf bestimmte Figuren beschrieben; dabei zeigen:
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1A eine Querschnittansicht einer im Stand der Technik bekannten Brennstoffzelle;
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1B eine Draufsicht auf eine Strömungsfeldplatte der Brennstoffzelle aus 1A;
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2 eine Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer Platte für eine Brennstoffzelle, die gemäß der vorliegende Offenbarung konstruiert wurde, die den Querschnitt als eine Funktion der Tiefe variierend darstellt;
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3 eine Querschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Platte aus 2;
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4 eine Querschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Platte aus 2; und
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5 eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Platte, die Kanäle zeigt, die als Funktion der Längsposition im Querschnitt variieren.
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Es soll nun auf die Zeichnungen Bezug genommen werden, wobei gleiche Bezugszeichen ähnliche strukturelle Merkmale oder Aspekte des offenbarten Gegenstands bezeichnen. Zu Zwecken der Erläuterung und Veranschaulichung, aber nicht der Einschränkung, ist in 2 eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Plattenkörpers für eine Brennstoffzelle gemäß der Offenbarung gezeigt und allgemein mit dem Bezugszeichen 100 bezeichnet. Weitere Ausführungsformen des Plattenkörpers gemäß der Offenbarung oder Aspekte desselben sind in 3–5 bereitgestellt, wie noch beschrieben werden soll.
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Eine Struktur einer im Stand der Technik bekannten Brennstoffzelle soll unter Bezugnahme auf 1A–1B beschrieben werden. 1A zeigt eine Querschnittansicht einer einzelnen Brennstoffzelle 10. Die Brennstoffzelle 10 weist eine Membranelektrodenbaugruppe 12 auf, die katalytische Elektroden 14 und 16 aufweist. Die katalytische Elektroden 14 und 16 können jeweils als eine Anode und eine Kathode der Brennstoffzelle 10 dienen. Die Brennstoffzelle 10 weist ferner Gasdiffusionsschichten 20 und 22 auf. Die Gasdiffusionsschichten 20 und 22 unterstützen die Gasdiffusion an die katalytische Elektroden 14, 16 zur Reaktion. Gase wie etwa Sauerstoff und ein anderes Oxidans, etwa Wasserstoff oder kohlenstoffbasierte Brennstoffe, werden entlang Fluidströmungsfeldplatten 30 und 32 verteilt. Der Wasserstoff verbindet sich mit dem Sauerstoff, um Wasser zu bilden, und erzeugt dabei elektrischen Strom. Um sicherzustellen, dass das Gas gleichmäßig verteilt wird, sind die Fluidströmungsfeldplatten 30 und 32 jeweils auf der Außenseite der Gasdiffusionsschichten 20 und 22 angeordnet. Um eine gewünschte Spannung zu erzielen, können mehrere Brennstoffzellen 10 in einer Reihe als ein Brennstoffzellenstapel aufeinander gestapelt werden, um die gewünschte Energieproduktion zu erreichen.
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1B zeigt eine Draufsicht der Fluidströmungsfeldplatte 30. Die Fluidströmungsfeldplatte 30 weist Kanäle 18 auf, die in die Fläche geätzt, geformt oder gearbeitet wurden. Diese Kanäle 18 helfen dem Fluid dabei, sich gleichmäßig an der Reaktionsfläche der Fluidströmungsfeldplatte 30 zu verteilen. Eine gleichmäßige Verteilung der Gase durch die Fluidströmungsplatte 30 ist ideal, da eine ungleichmäßige Verteilung des Fluidstroms über die Kanäle zu Dispersion führen kann, was einen Verlust in der Umwandlung von chemischer in elektrische Energie bewirkt. Darüber hinaus erhöht eine ungleichmäßige Strömungsverteilung den Druckabfall im Vergleich zu einer gleichmäßigen Verteilung. In der Regel werden die Kanäle in die Platten der Brennstoffzelle gearbeitet oder geformt und dann innerhalb eines Brennstoffzellenstapels an die Gasdiffusionsschichte gedrückt. Diese Techniken erfordern jedoch spezielle Werkzeuge, die unerwünschte Kosten verursachen können, und eine Verarbeitung, die zu unerwünschten Spannungen im Brennstoffzellenstapel führen kann.
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2 zeigt einen Plattenkörper 100 gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Plattenkörper 100, beispielsweise eine Gasdiffusionsschicht, definiert einen ersten Strömungsfeldkanal 102 in einer ersten Fläche 104 davon. Der erste Strömungsfeldkanal 102 weist einen Querschnitt auf, der als eine Funktion der Tiefe D von der ersten Fläche 104 des Plattenkörpers 100 zu einer gegenüberliegenden zweiten Fläche 106 hin variiert. Es ist vorgesehen, dass der erste Strömungsfeldkanal 102 durch additives Fertigen hergestellt wird. Auf diese Weise wird der erste Strömungsfeldkanal 102 hergestellt, indem Kanalwände 103 Schicht für Schicht unmittelbar auf dem Plattenkörper 100 gebildet werden. Dieses Herstellungsverfahren ermöglicht das Aufbringen einer präzisen Menge an Material, beispielsweise Graphit, unmittelbar auf den Plattenkörper 100, um den ersten Strömungsfeldkanal 102 zu erzeugen, der relativ dünn ist, und mit einer Kanalhöhe und -breite, die für die Brennstoffzelle benötigt wird. Die Verwendung von additiver Fertigung ermöglicht es ferner, den ersten Strömungsfeldkanal 102 in einem beliebigen geeigneten Muster für eine jeweilige Anwendung herzustellen.
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Weiterhin unter Bezugnahme auf 2 nimmt der Querschnitt des ersten Strömungsfeldkanals 102 in einer Richtung von der ersten Fläche 104 zur gegenüberliegenden zweiten Fläche 106 hin zu. Entsprechend verjüngt sich der Querschnitt nach außen und weitet sich im Plattenkörper 100 weiter auf. Diese Verjüngung des ersten Strömungsfeldkanals 102 ermöglicht einen kontrollierten Druckabfall zum Steuern der Gasströmungsrate durch den Plattenkörper, indem das Strömungsvolumen gesteuert wird, anders als bei der Strömungsrate in einem Kanal ohne Verjüngung. Die Verjüngung kann abhängig davon angepasst werden, wie hoch die von dem Plattenkörper 100 erzeugte Einschränkung ist, und welcher Gasstrom zu den Elektroden gewünscht wird. Die Verwendung der Technik des additiven Fertigens ermöglicht das Herstellen des spezifischen Kanalprofils des ersten Strömungsfeldkanals 102 derart, dass auch das Strömungsvolumen in der Brennstoffzelle maximiert wird. Außerdem kann der erste Strömungsfeldkanal 102 wahlweise abgeschrägte Ecken 108 aufweisen, um unerwünschte Kontaktspannung zwischen dem ersten Strömungsfeldkanal 102 und dem Plattenkörper 100 zu reduzieren.
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In bestimmten Ausführungsformen nimmt der Querschnitt eines Kanals von der ersten Fläche 304 zur gegenüberliegenden zweiten Fläche 306 ab, wie in 3 gezeigt. In dieser Ausführungsform verjüngt sich der Querschnitt des ersten Strömungsfeldkanals in den Plattenkörper 300 hinein nach innen. In 3 ist eine Mehrzahl von ersten Strömungsfeldkanälen 302 gezeigt. Die ersten Strömungsfeldkanäle 302 können strukturiert sein, indem sich nach innen verjüngende Kanäle und sich nach außen verjüngende Kanäle einbezogen werden. Dieses Muster kann ebenfalls den Druckabfall in der Brennstoffzelle durch Steuern des Strömungsvolumens durch den Plattenkörper kontrollieren.
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Außerdem kann ein zweiter Plattenkörper 200, der einen zweiten Strömungsfeldkanal 202 in einer ersten Fläche 204 davon definiert, durch additive Fertigung hergestellt werden. Der zweite Strömungsfeldkanal 202 weist einen Querschnitt auf, der als eine Funktion der Tiefe von der ersten Fläche 204 des zweiten Plattenkörpers zu einer gegenüberliegenden zweiten Fläche 206 hin variiert. Die erste Fläche 204 des zweiten Plattenkörpers 200 ist benachbart zu der ersten Fläche 104 des ersten Plattenkörpers 100, derart, dass der erste Strömungsfeldkanal 102 und der zweite Strömungsfeldkanal 202 einen kontinuierlichen Strömungsfeldweg 110 definieren. Genauer kann der zweite Plattenkörper 200, beispielsweise eine Wassertransportplatte mit dem zweiten Strömungsfeldkanal 202, mit dem ersten Plattenkörper 100 zusammengedrückt werden, derart, dass die erste Fläche 104 des ersten Plattenkörpers 100 und die erste Fläche 204 des zweiten Plattenkörpers 200 benachbart sind. Wenn die jeweiligen ersten Flächen 104, 204 zusammengedrückt werden, erzeugen der erste und der zweite Strömungsfeldkanal 102, 202 einen kontinuierlichen Strömungsfeldweg 110. Wie in 2 und 3 gezeigt, kann eine Mehrzahl von Strömungsfeldwegen 110 in dem ersten und zweiten Plattenkörper 100, 200 geschichtet werden und auf diese Weise Strömungsfeldplatten 30, 32 wie denen der Brennstoffzelle 10 gleichen. Ferner ermöglichen der erste und zweite Plattenkörper 100, 200 mit dem darin geschichteten Strömungsfeldweg 110 eine wesentliche Reduzierung der Höhe eines Brennstoffzellenstapels und der Stapelkosten.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform des ersten und zweiten Plattenkörpers 400, 500 mit einem kontinuierlichen Strömungsfeldweg 410. In dieser Ausführungsform ist der Querschnitt des Strömungsfeldwegs 410 senkrecht zu den ersten Flächen 404, 504 betrachtet I-förmig und ähnelt z. B. der Querschnittform von wenigstens einem Teil einer I-Träger-förmigen Struktur. Diese Auslegung verbessert die Brennstoffzellenkontaktflächen und reduziert einen Druckabfall in der Brennstoffzelle. Ein erstes Ende 420 des Kanalquerschnitts kann eine kleinere Breite als ein gegenüberliegendes zweites Ende 520 aufweisen. Die einzelnen Auslegungen und/oder Muster, die in 2–4 veranschaulicht sind, können durch Bilden des ersten und zweiten Strömungsfeldkanals zu jeweiligen Plattenkörper mittels additiver Fertigung durch Bilden der jeweiligen Kanalwände gebildet werden. Dies gestattet es, die Plattenkörper herzustellen, ohne dass spezielle Werkzeuge benötigt werden. Fachleute werden erkennen, dass weitere Auslegungen und/oder Muster geschaffen werden können, um Strömungsfeldkanäle zu ermöglichen, die Spannungen und Verarbeitungskosten für eine Brennstoffzelle reduzieren und die Strömungsverteilung maximieren.
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5 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung dar, wobei ein erster Strömungsfeldkanal 602 in einem ersten Plattenkörper 600 in Längsrichtung im Querschnitt variiert. Wie in 5 gezeigt, nimmt der Querschnitt des Strömungsfeldkanals 602 als eine Funktion der Länge L ab und/oder zu. Diese Variation des Querschnitts erfolgt zusätzlich zu oder anstelle des Variierens des Querschnitts als eine Funktion der Tiefe D.
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Fachleute werden erkennen, dass die gezeigten und beschriebenen Strömungsfeldwege mit einer Brennstoffzelle oder einem Brennstoffzellenstapel erzeugt werden können. Beispielsweise können die Strömungsfeldwege aus 2 und 3 mit dem Strömungsfeldweg aus 4 vermischt werden. Die Technik der additiven Fertigung der Strömungsfeldwege ermöglicht die Schaffung besonderer Muster, ohne dass spezielle Werkzeuge benötigt werden. Außerdem können unterschiedliche Materialien benutzt werden, um die Zusammensetzung der Plattenkörper abzuwandeln. Mittels additiver Fertigung beispielsweise können verschiedene Materialien aufgeschichtet werden, um einen Strömungsfeldweg zu erzeugen, der halb hydrophob und halb hydrophil ist, um mit der Feuchtigkeitsansammlung im Strömungsfeldweg umzugehen.
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Die oben beschriebenen und in den Zeichnungen gezeigten Verfahren und Systeme der vorliegenden Offenbarung stellen Strömungsfeldkanäle für eine Brennstoffzelle mit überlegenen Eigenschaften einschließlich einer verbesserten Kanalgeometrie bereit. Obwohl die Vorrichtungen und Verfahren des offenbarten Gegenstands unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsform gezeigt und beschrieben wurden, werden Fachleute verstehen, dass Änderungen und/oder Abwandlungen daran vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang des offenbarten Gegenstands abzuweichen.
