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Die Erfindung betrifft eine Fluidverteilungsvorrichtung
für eine
elektrochemische Elektrode.
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Derartige Fluidverteilungsvorrichtungen
werden beispielsweise im Zusammenhang mit Elektroden-Membran-Einheiten
einer Brennstoffzelle eingesetzt, um Reaktionsgase flächig auf
den jeweils zugeordneten Elektroden zu verteilen, das heißt beispielsweise
bei einer Membran-Brennstoffzelle (PEFC) der Kathode reinen Sauerstoff
oder Luftsauerstoff als Oxidans und der Anode Wasserstoff als Brennstoff
zuzuführen.
Bei einer Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC) wird über eine
Fluidverteilungsvorrichtung üblicherweise
ein Methanol-Wasser-Gemisch
einer Elektrode zugeführt.
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Darüber hinaus wird durch solche
Fluidverteilungsvorrichtungen nicht verbrauchtes Reaktionsgas abgeführt und
Reaktionsprodukte (bei der Membran-Brennstoffzelle Wasser) werden abgeführt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Fluidverteilungsvorrichtung für
eine elektrochemische Elektrode zu schaffen, mittels welcher sich eine
optimierte Reaktionsgaszuführung
zu einer Elektrode erreichen läßt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß ein
gasdichter Träger
vorgesehen ist, welcher auf mindestens einer Seite eine Beschichtung
aus einem porösen
Material trägt,
wobei in der Beschichtung eine Mehrzahl von makroskopischen Strömungskanälen gebildet
ist.
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Über
die makroskopischen Strömungskanäle läßt sich
die zugeordnete Elektrode großflächig mit Reaktionsgas
beaufschlagen. Über
die Beschichtung aus dem porösen
Material sind zusätzlich
mesoskopische oder mikroskopische Kanäle gebildet, mittels welchen
sich eine Feinverteilung des Reaktionsgases erreichen läßt. Im wesentlichen
wirkt dann die gesamte Seite der Fluidverteilungsvorrichtung, welche
der zugeordneten Elektrode zugewandt ist, als Verteilungsstruktur,
da zum einen über
insbesondere offene Kanäle
eine Fluidversorgung der Elektrode möglich ist, aber auch über die
Zwischenbereiche zwischen den Kanälen über die Porenstruktur eine Fluidversorgung
möglich
ist.
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Darüber hinaus wirkt die poröse Schicht
als Puffer, in welcher sich in bestimmtem Maße Reaktionsgas und auch Wasser
speichern läßt. Es lassen sich
dann Spitzen bezüglich
Reaktionsgasüberversorgung
oder Reaktionsgasunterversorgung abfangen, da eben ein Übermaß an Reaktionsgas
durch die Beschichtung aufnehmbar ist und bei Unterversorgung eine
Reaktionsgasversorgung aus der Beschichtung heraus möglich ist.
Weiterhin läßt sich
auf diese Weise durch in der Beschichtung gespeichertes Wasser eine
Befeuchtung von Reaktionsgas zur Befeuchtung der Membran bewirken,
um auch so eine stabile Befeuchtung einer Brennstoffzelte (insbesondere
deren Membran) weitgehend unabhängig von
dem Betriebspunkt der Brennstoffzelle zu erreichen.
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Aufgrund einer Feinverästelung
der Kanäle in
der porösen
Schicht (mesoskopische oder mikroskopische Kanäle) kann unter Umständen auch
auf Diffusionsschichten bei der zugeordneten Elektrode verzichtet
werden, da eben die Fluidverteilungsvorrichtung bereits für die Feinverteilung über effektiv die
gesamte Elektrodenoberfläche
sorgt.
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Durch das Vorsehen eines Trägers läßt sich eine
Trennung bezüglich
mechanischer Stabilisierung und Verteilungsfunktion der erfindungsgemäßen Fluidverteilungsvorrichtung
erreichen. Der Träger
selber dient als Haltestruktur für
die Beschichtung, ohne daß er
eine Verteilungsfunktion aufweisen muß. Es lassen sich dann auch
Fluidverteilungsvorrichtungen herstellen, welche beispielsweise
eine gekrümmte
Oberfläche
aufweisen, wenn diese einer gekrümmten
Elektrodenoberfläche
zugeordnet sind. Der Träger
weist auch Öffnungen
zur Einkopplung von Reaktionsgas in die/ Auskopplung von Reaktionsgas
aus den Strömungskanälen auf.
Durch die Beschichtung läßt sich
ein hervorragender elektrischer Kontakt zur Elektrode herstellen,
da die Beschichtung sich mit im wesentlichen gleichen Eigenschaften
wie die Elektrode ausbilden läßt.
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Die erfindungsgemäße Fluidverteilungsvorrichtung
läßt sich
auch auf einfache und kostengünstige
Weise herstellen, da die Beschichtung auf einfache Weise, beispielsweise
mittels Walzen oder Sprühen
auf den Träger
aufbringbar ist und dann die makroskopischen Strömungskanäle in definierter Strukturdimensionierung
beispielsweise mittels einer Prägewalze
integral herstellbar sind. Die Prägewalze kann also dann für eine Aufwalzung
der Beschichtung und gleichzeitig Ausbildung der makroskopischen
Strömungskanäle sorgen.
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Insbesondere ist es vorteilhaft,
wenn der Träger
aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt ist. Es läßt sich
dann eine Bipolarplatte ausbilden, wobei dann vorzugsweise auf beiden
Seiten des Trägers
eine Beschichtung mit jeweiligen makroskopischen Strömungskanälen vorgesehen
ist. Eine solche Fluidverteilungsvorrichtung läßt sich dann mit miteinander
zugewandten Elektroden und Kathoden benachbarter Elektroden-Membran-Einheiten
verbinden.
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Insbesondere ist dabei der Träger aus
einem Material hergestellt, welches bezüglich eingesetzter Reaktionsgase
inert ist. Da beispielsweise der Kathode einer Membran-Brennstoffzelle
Sauerstoff zugeführt
wird, sollte der Träger
nicht oxidativ zersetzbar sein.
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Insbesonders vorteilhaft ist es,
wenn die Strömungskanäle zu einer
Elektrodenseite hin offen sind, um so eine großflächige Reaktionsgasverteilung
auf der Elektrode zu erhalten.
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Üblicherweise
ist in einem Strömungskanal eine
laminare Strömung
eines Fluids ausbildbar, insbesondere weil die Strömungsgeschwindigkeiten
relativ gering sind, so daß die
Reynolds-Zahlen unterhalb eines Schwellenwertes zum Umschlag in
turbulenter Strömung
liegen.
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Es ist dann ganz besonders vorteilhaft,
wenn in dem Strömungskanal
mindestens eine Strömungsleiteinrichtung
vorgesehen ist, welche derart angeordnet und ausgebildet ist, daß sie in
der laminaren Strömung
eine räumliche Umschichtung
von Fluidschichten bewirkt. Dadurch läßt sich dem Aufbauen von Konzentrationsgradienten
entgegenwirken, beispielsweise wenn Sauerstoff als Luftsauerstoff
einer Kathode zugeführt
wird. In diesem Zusammenhang wird auf die
DE 100 56 673 A1 des gleichen
Anmelders verwiesen, in der derartige Strömungsleiteinrichtungen und
ihre Funktionsweise beschrieben sind.
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Die erfindungsgemäße Fluidverteilungsvorrichtung
läßt sich
auf einfache Weise herstellen, wenn die Strömungskanäle durch Materialkomprimierung
und/oder Materialabtragung gebildet sind.
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Weiterhin ist es günstig, wenn
die Strömungskanäle durch
Prägung
gebildet sind. Mittels einer Prägewalze
lassen sich dann entsprechende Kanalstrukturen einer gewünschten
räumlichen
Dimensionierung erzeugen, wobei gleichzeitig eine Beschichtung aufwalzbar
ist.
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Weiterhin ist es günstig, wenn
ein Querschnitt eines Strömungskanals
erheblich größer ist als
eine mittlere Porengröße in der
Beschichtung. Dadurch läßt sich über die
Strömungskanäle eine großflächige Verteilung
einschließlich
Reaktionsgaszufuhr bzw. -abfuhr von unverbrauchtem Reaktionsgas
erreichen, während
dann eine Feinverteilung über
die Beschichtung möglich
ist. Insbesondere sollten die Querabmessungen eines Strömungskanals um
einen Faktor 1000 oder mehr größer sein
als die eines mikroskopischen oder mesoskopischen Kanals.
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Insbesondere ist ein Strömungskanal
durch das Porensystem der Beschichtung begrenzt, das heißt über Strömungskanalwände kann
das Porensystem der Beschichtung Reaktionsgase aufnehmen und auch
wieder abgeben. Dadurch wiederum ist eine feinverteilte Zuführung von
Reaktionsgas zu einer zugeordnete Elektrode möglich. Aus dem gleichen Grund
ist es vorteilhaft, wenn Wände
eines Strömungskanals
aus einem porösen
Material sind.
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Es kann vorgesehen sein, daß ein Strömungskanal
einen Kanalgrund aufweist, welcher in einem Abstand zu dem Träger liegt.
Dadurch ist zum einen die Herstellung erleichtert, da die Einprägung eines
Strömungskanals
erleichtert ist. Zum anderen ist es dadurch möglich, eine Grundschicht auf
dem Träger
aufzubauen, die dann als Haftschicht für die weitere Beschichtung
mit dem porösen
Material dienen kann oder auch so ausgebildet seien kann, daß sie andere
Eigenschaften wie die restliche Beschichtung aufweist.
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Insbesondere umfaßt dann die Beschichtung eine
Grundschicht, welche auf dem Träger
angeordnet ist. Diese kann beispielsweise hydrophil ausgebildet
sein, um ein Wasserreservoir zur gleichmäßigen Befeuchtung von Reaktionsgas
bereitstellen zu können.
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Ganz besonders vorteilhaft ist es,
wenn das Porensystem der Beschichtung eine Pufferwirkung für Reaktionsgas
und/oder Reaktionsprodukte aufweist. Das Porensystem kann Reaktionsgas
speichern und damit Spitzen bezüglich Überversorgung oder
Unterversorgung abfangen. Ebenso läßt sich dadurch eine gleichmäßigere Befeuchtung
von Reaktionsgas erreichen, wenn entsprechend Wasser in der Beschichtung
gespeichert wird.
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Vorzugsweise ist das Beschichtungsmaterial aus
einer Mischung hergestellt, welche Kohlenstoff und Bindemittel umfaßt. Über Kohlenstoff,
beispielsweise in der Form von vulkanisierten Rußteilchen, läßt sich
eine elektrische Leitfähigkeit für die Beschichtung
herstellen, wobei das Bindemittel die Kohlenstoffteilchen zusammenhält. Darüber hinaus können auch
noch Porenbildner vorgesehen sein, um so insbesondere für eine definierte
Porenbildung in der Beschichtung zu sorgen.
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Weiterhin kann es vorgesehen sein,
daß die Mischung
Hydrophobierungsmittel umfaßt.
Diese können
dabei in bestimmten Bereichen angeordnet sein, so daß die Beschichtung
bestimmte hydrophobe Bereiche aufweist, in die kein Wasser einlagerbar ist.
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Es kann auch vorgesehen sein, daß die Mischung
hydrophile Mittel umfaßt,
welche insbesondere ebenfalls in bestimmten Bereichen angeordnet sind.
Dadurch lassen sich Bereiche in der Beschichtung ausbilden, die
Wasser aufnehmen können
und damit als Wasserspeicher dienen können. Über solche sumpfartige Bereiche
läßt sich
eine gleichmäßige Befeuchtung
einer Membran einer Elektroden-Membran-Einheit bewirken.
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Gans besonders vorteilhaft ist es,
wenn die Beschichtung auf dem Träger
ein elektrisch leitendes Material umfaßt, insbesondere wenn der Träger ebenfalls
aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt ist. Es läßt sich
dann über
die Fluidverteilungsvorrichtung eine elektrische Verbindung nach außen herstellen.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Beschichtung
einen Werkstoff umfaßt
und/oder die Fluidverteilungsvorrichtung derart aufgebaut ist, daß Reaktionsgas von
Katalysatorgiften elektrochemisch reinigbar ist. Es läßt sich
dann auf diese Weise beispielsweise in dem Reaktionsgas enthaltenes
Kohlenmonoxid katalytisch in Kohlendioxid umwandeln, um so eine
Elektrodenvergiftung zu verhindern.
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Es kann vorgesehen sein, daß Abmessungen
der Strömungskanäle und/oder
die Porosität
der Beschichtung räumlich
variieren. Durch eine entsprechende Gradierung lassen sich dann
die Eigenschaften der Fluidverteilungsvorrichtung optimiert an die zugeordnete
Elektrode anpassen. Beispielsweise kann dadurch erreicht werden,
daß ein
bestimmter Teil einer Elektrodenfläche mit mehr Reaktionsgas versorgt
wird als ein anderer Teil. Dies kann beispielsweise sinnvoll sein,
um zu stark Inhomogenitäten
in der Stromdichteverteilung auf der Elektrode zu verhindern: Beispielsweise
wird in einem Bereich, in dem Reaktionsgas der Elektrode zugeführt wird, mengenmäßig weniger
Reaktionsgas zugeführt
als in einem Bereich, in dem nichtverbrauchtes Reaktionsgas abgeführt wird.
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Vorteilhafterweise ist die erfindungsgemäße Fluidverteilungsvorrichtung
als Bipolarplatte ausgebildet, so daß sie zwischen benachbarten
Elektroden-Membran-Einheiten gesetzt werden kann. Sie sorgt damit
gleichzeitig für
den elektrischen Kontakt und die Fluidzuführung zu den benachbarten Anoden und
Kathoden.
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Insbesondere ist dann beidseitig
des Trägers eine
Beschichtung mit darin angeordneten makroskopischen Strömungskanälen vorgesehen,
um so gegenüberliegende
Anoden und Kathoden benachbarter Elektroden-Membran-Einheiten mit
dem jeweiligen Reaktionsgas (Sauerstoff als reiner Sauerstoff oder
Luftsauerstoff bzw. Wasserstoff) zu versorgen.
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Die erfindungsgemäße Fluidverteilungsvorrichtung
kann von einer Brennstoffzelle oder einem Brennstoffzellenstapel
mit mindestens einer Elektroden-Membran-Einheit umfaßt sein,
wobei die Elektroden mit einer Fluidverteilungsvorrichtung verbunden
sind.
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Die Erfindung betrifft ferner ein
Verfahren zur Herstellung einer Fluidverteilungsvorrichtung für eine elektrochemische
Elektrode.
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Es liegt dabei die Aufgabe zugrunde,
ein solches Verfahren zu schaffen, mit dem sich auf einfache Weise
eine Fluidverteilungsvorrichtung herstellen läßt, über welche sich eine optimierte
Fluidverteilung erreichen läßt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß auf
einem gasdichten Träger
eine Beschichtung aus einem porösen
Material aufgebracht wird und in die Beschichtung eine Mehrzahl von
makroskopischen Strömungskanälen durch
Materialkomprimierung und/oder Materialabtragung eingebracht wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist die bereits
im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Fluidverteilungsvorrichtung
erwähnten
Vorteile auf.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen
wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Fluidverteilungsvorrichtung
erläutert.
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Insbesondere ist es vorteilhaft,
wenn die Strömungskanäle eingeprägt werden
und vorteilhafterweise mittels einer Prägewalze hergestellt werden.
Durch eine solche Prägewalze
läßt sich
gleichzeitig die Beschichtung aufwalzen und dabei lassen sich die
Strömungskanäle herstellen.
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Ferner ist es dann günstig, wenn
bei der Herstellung der Strömungskanäle Strömungsleiteinrichtungen
in diesen hergestellt werden; es läßt sich dann bei laminarer
Strömung
des Reaktionsgases in diesen Strömungskanälen eine
räumliche
Umschichtung bewirken, wobei integral mit der Herstellung der Strömungskanäle gleichzeitig
Strömungsleiteinrichtungen
hergestellt werden und insbesondere eingeprägt werden.
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Die Beschichtung kann dabei auf den
Träger aufgewalzt
oder aufgesprüht
werden.
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Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
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1a, 1b schematisch die Herstellung
einer erfidungsgemäßen Fluidverteilungsvorrichtung, wobei
in 1a das Halbprodukt
mit einer auf einem Träger
angeordneten. Beschichtung gezeigt ist und in 1b das fertiggestellte Produkt in Schnittansicht;
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2 eine
schematische perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels
eines Herstellungsverfahrens zur Herstellung des Halbprodukts gemäß 1a und der Fluidverteilungsvorrichtung
gemäß 1b; und
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3 eine
Ausbildung einer erfindungsgemäßen Fluidverteilungsvorrichtung
als Bipolarplatte, welche zwischen benachbarten. Elektroden-Membran-Einheiten
angeordnet ist.
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Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Fluidverteilungsvorrichtung,
welche in 1b als Ganzes
mit 10 bezeichnet ist, umfaßt einen Träger 12 aus einem gasdichten
Material. Der Träger 12 kann
eine ebene Oberfläche 14 oder
eine gekrümmte Oberfläche aufweisen,
welche an eine Elektrode angepaßt
ist, welche mit der Fluidverteilungsvorrichtung 10 insbesondere
mit Reaktionsgas zu versorgen ist.
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Das Material des Trägers 12 ist
chemisch inert bezüglich
Oxidationsreaktionen, da beispielsweise bei Brennstoffzellen Sauerstoff
als Reaktionsgas einer Kathode zugeführt wird.
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Bei dem Träger 12 kann es sich
beispielsweise um einen Metallträger
wie eine Blechplatte, einen Graphitträger oder einen Polymerträger handeln. Vorzugsweise
ist der Träger 12 dabei
elektrisch leitend, insbesondere, wenn die Fluidverteilungsvorrichtung 10 als
Bipolarplatte ausgebildet ist.
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Der Träger 12 trägt eine
Beschichtung 16. Diese umfaßt bei einer Variante eines
Ausführungsbeispiels
eine Grundschicht 18, welche über die Oberfläche 14 mit
dem Träger 12 verbunden
ist. Diese Grundschicht 18 ist insbesondere dünner ausgebildet
ist als der restliche Teil der Beschichtung 16. Die Beschichtung 16 kann
aber auch einheitlich ausgebildet sein. Die Oberfläche 14 kann
glatt oder strukturiert sein; die Struktur kann beispielsweise makroskopische
Strömungskanäle umfassen.
Der Träger 12 kann
auch als Kühlungsträger ausgebildet sein,
indem er insbesondere Kühlkanäle oder
dergleichen aufweist.
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Die Beschichtung 16 umfaßt ferner
eine auf der Grundschicht 18 aufgebaute poröse Schicht
20 mit einem mesoskopischen oder mikroskopischen Porensystem. (Auch
die Grundschicht 18 kann ein Porensystem umfassen.) Diese
poröse
Schicht 20 ist beispielsweise aus einer Mischung von Kohlenstoff, insbesondere
in der Form von vulkanisiertem Ruß, und einem Bindemittel wie
PTFE (Polytetrafluorethylen) hergestellt. Sie kann auch ein Hydrophobierungsmittel
umfassen, wobei PTFE hydrophobierend wirkt, und weitere Zusatzwerkstoffe
wie Porenbilder.
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Die poröse Schicht 20 erlaubt über das
Porensystem eine Gasleitung innerhalb der Schicht 20. Typische Porengrößen liegen
dabei im Bereich von 30 nm entsprechend einer mittleren Kohlenstoffpartikelgröße. Bei
diesen Größenordnungen
spricht man von Mesoporen, während
Mikroporen eine Größe von 3
mm oder kleiner aufweisen.
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Ebenso kann die Beschichtung 16 als
Reservoir, beispielsweise für
Wasser dienen, um so für
eine weitgehend betriebspunktunabhängige Befeuchtung einer Membran
einer Elektroden-Membran-Einheit zu sorgen. Dadurch lassen sich
beispielsweise Spitzen als Reaktionsgasüberversorgung oder Reaktionsgasunterversorgung
und Befeuchtung als Unterversorgung oder Überversorgung abfangen und
damit die Lebensdauer einer Elektroden-Membran-Einheit, an welcher
die Fluidverteilungsvorrichtung 10 angeordnet ist, erhöhen.
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Da die Schicht 20 ein Porensystem
mit einer entsprechenden Feinverästelung
aufweist, kann dann auch auf Diffusionsschichten an der Elektrode, an
welcher die Fluidverteilungsvorrichtung 10 angeordnet ist,
verzichtet werden. Die poröse
Schicht 20 bildet selber feinverästelte
mesoskopische oder mikroskopische Kanäle aus, in welchen Reaktionsgas und
Reaktionsprodukte aufnehmbar sind.
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Es kann auch vorgesehen sein, daß die Beschichtung 16 ein
hydrophiles Material umfaßt,
wobei beispielsweise in Teilbereichen hydrophobes Material angeordnet
ist und in anderen Teilbereichen hydrophiles Material. Über eine
entsprechende hydrophile Mischung läßt sich dann sumpfartig in
einem großen Oberflächenbereich
Wasser sammeln, um so ein Wasserreservoir auszubilden und beispielsweise
für eine
stabile Befeuchtung von Reaktionsgasen bei der Zuführung zu
den jeweiligen Elektroden zu sorgen. Insbesondere ist dabei die
Grundschicht 18 hydrophil aufgebaut, während die poröse Schicht
20 hydrohpbierend ist.
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Neben den feinverästelten Kanälen in der porösen Schicht
20 und der Grundschicht 18 sind in der Beschichtung 16 makroskopische
Strömungskanäle 22 gebildet, über welche
Reaktionsgas, nämlich Sauerstoff
oder Luft zu einer Kathode und Wasserstoff zu einer Anode zugeführt wird,
wenn über
die Fluidverteilungsvorrichtung 10 eine Membran-Brennstoffzelle
(PEFC) versorgt werden soll und über
die Fluidverteilungsvorrichtung 10 die entsprechenden Reaktionsgase
der entsprechenden Elektrode zugeführt werden sollen.
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Die Strömungskanäle 22 sind durch Wände 24 begrenzt,
welche in dem Porensystem der porösen Schicht 20 gebildet sind.
Der Abstand zwischen gegenüberliegenden
Wänden 24 ist
dabei erheblich größer als
der mittlere Durchmesser der Poren im Porensystem der porösen Schicht
20. Typische Größenordnungen
für den
Querschnitt solcher Querschnittskanäle 22, wenn diese
rechteckig sind, sind in Breite und Tiefe jeweils 400 μm. Die Dicke
der Beschichtung 16 über
dem Träger
liegt typischerweise bei 500 μm,
wobei die Grundsicht 18 eine Dicke von 100 μm aufweist
bzw. der Abstand von Kanalgründen 30
zum Träger
12 bei 100 μm
liegt. Die Querabmessungen der makroskopischen Strömungskanäle liegen
somit um einen Faktor von mehr als 10.000 über denen der mesoskopischen
Kanäle
in der porösen Schicht
20.
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Über
die Strömungskanäle 22 läßt sich
Reaktionsgas mit großem
Volumendurchfluß der
jeweiligen Elektrode zuführen. Über die
poröse
Schicht 20 mit ihrer Porenstruktur ist für eine Feinverteilung
gesorgt.
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Die Strömungskanäle 22 sind dabei zu
einer Elektrodenseite 26 hin offen, damit eine großflächige Beaufschlagung
der Elektrode mit Reaktionsgas erfolgen kann, wobei, wie erwähnt, eine
Feinverteilung über
zwischen den Strömungskanälen 22 liegende Abstandselemente 28 der
porösen
Schicht 20 erfolgen. Diese Abstandselemente 28 wirken ebenfalls, wie
bereits oben erwähnt,
als Puffer für
Reaktionsgas und Reaktionsprodukte, insbesondere Wasser.
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Der Kanalgrund 30 der Strömungskanäle 22 weist
einen Abstand zu der Oberfläche 14 des
Trägers 12 auf.
Auch die Grundschicht 18 kann porös ausgebildet sein und eine
Pufferwirkung ausüben.
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Zur Ausbildung einer Bipolarplatte
kann auf einer der Oberfläche 14 abgewandten
Oberfläche 32 des
Trägers 12 ebenfalls
eine Beschichtung mit einer Mehrzahl von makroskopischen Strömungskanälen angeordnet
sein, so daß die
eine Elektrodenseite 26 der Fluidverteilungsvorrichtung 10 mit
einer Elektrodenseite einer Elektrode-Membran-Einheit verbindbar
ist und die andere Elektrodenseite 34 der Fluidverteilungsvorrichtung
mit der anderen Elektrode der Elektroden-Membran-Einheit.
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Das Material der jeweiligen porösen Schichten
20 auf beiden Seiten des Trägers 12 kann
dabei an die jeweilige Funktion angepaßt sein, das heißt angepaßt sein,
ob eine Verbindung mit der Anode oder mit der Kathode vorgesehen
ist.
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Es kann auch noch vorgesehen sein,
daß in die
Beschichtung 16 ein Wirkstoff integriert ist, über welchen
Reaktionsgase von Katalysatorgiften elektrochemisch reinigbar sind.
Beispielsweise läßt sich über Wirkstoffe
wie Eisen katalytisch eine Umwandlung von Kohlenmonoxid in Kohlendioxid
durchführen,
um eine Elektrodenvergiftung zu verhindern.
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Es kann auch vorgesehen sein, daß das Reaktionsgas
durch eine entsprechende poröse
Schicht mit einem solchen Wirkstoff durchgeführt wird, bevor es in die Strömungskanäle 22 gelangt,
um eben eine solche Reinigung durchzuführen.
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Um die Fluidverteilungsvorrichtung 10 optimal
anzupassen, kann es auch vorgesehen sein, daß die Strömungskanäle 22 in ihrer räumlichen
Dimensionierung, insbesondere bezüglich Tiefe und/oder Abstand
des Kanalgrundes 30 zu dem Träger 12 variieren.
Darüber
hinaus kann auch alternativ oder zusätzlich die Porosität der Beschichtung 16 räumlich variieren
oder auch der Abstand der Grundschicht 18 zu dem Träger 12 kann
räumlich
variieren. Auf diese Weise kann die Fluidverteilungsvorrichtung 10 an
die entsprechenden räumlichen
Verhältnisse
der Elektroden, mit welchen diese verbunden wird, angepaßt werden,
um so auf eine optimale Fluidverteilung (einschließlich Abführung von
unverbrauchten Reaktionsgasen und Reaktionsprodukten) zu sorgen.
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Die erfindungsgemäße Fluidverteilungsvorrichtung 10 wird,
wie in den 1a und 1b und in der 2 schematisch dargestellt,
wie folgt hergestellt: Auf den Träger 12, der auch flexibel
ausgebildet sein kann, wird die Grundschicht 18 aufgesprüht oder
aufgewalzt (in 2 nicht
gezeigt). Dies kann dabei auf einer Seite des Trägers 12 erfolgen oder
auf beiden Oberflächen 14 und 32.
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Auf die Grundschicht 18 wird
dann die Beschichtung 16 aufgebracht und insbesondere aufgewalzt.
Falls keine Grundschicht 18 vorgesehen ist, wird die Beschichtung 16 direkt
auf den Träger 12 aufgewalzt.
Beispielsweise ist dazu eine Gegenwalze 36 und eine Beschichtungswalze 38 vorgesehen, welche
in Gegenrotation in der Art eines Kalanders angetrieben sind. Die
Beschichtungswalze 38 walzt das Beschichtungsmaterial 40 auf
den Träger 12 auf, wobei
das Beschichtungsmaterial 40 beispielsweise aus einem Trichter 42 zugeführt wird.
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Ein entsprechendes Verfahren ist
im Zusammenhang mit der Herstellung einer mehrschichtigen Elektrode
oder Elektrodenverbundeinheit in der nicht-vorveröffentlichten
deutschen Patentanmeldung Nr. 101 12 232.2 vom 7. März 2001
mit dem Titel. "Verfahren
zur Herstellung einer mehrschichtigen Elektrode oder Elektrodenverbundeinheit
und Gasdiffusionselektrode" des
gleichen Anmelders beschrieben. Hierauf wird ausdrücklich Bezug
genommen.
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Die Beschichtungswalze 38 weist
eine Oberflächenstruktur 44 auf,
mittels welcher sich durch Materialkomprimierung und/oder Materialabhebung
die Strömungskanäle 22 in
die Beschichtung 16 einprägen lassen.
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Beispielsweise umfaßt die Oberflächenstruktur 44 beabstandete
Ringelemente 46, welche über eine Zylinderfläche 48 der
Beschichtungswalze 38 hinausstehen und sich dadurch in
die Beschichtung 16 eingraben können und die Strömungskanäle 22 prägen können. Bereiche
zwischen den Ringelementen 46 sorgen für die Herstellung der Abstandselemente 28.
Durch Querpressung der Ringelemente 46 werden die makroskopischen
Strömungskanäle 22 hergestellt.
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Mittels entsprechender Anordnung
und Ausbildung der Ringelemente 46 lassen sich definierte Strömungskanäle 22 mit
definierter Kanaltiefe und definiertem Abstand zueinander erzeugen.
Die Strömungskanäle 22 werden
dabei in einer Längsrichtung 50 des
Trägers 12 entsprechend
einer Transportrichtung des Trägers 12 zwischen
den beiden Walzen 36 und 38 erzeugt.
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Durch Aufwalzen der Beschichtung 16 wird also
die Porenstruktur mit den feinverästelten mesoskopischen oder
mikroskopischen Kanälen
erzeugt, während
durch Prägung
mittels der Beschichtungswalze 38 (Prägewalze 38) die makroskopischen
Strömungskanäle 22 erzeugt
werden.
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Auf der gegenüberliegenden Seite des Trägers 12 kann
ebenfalls eine Prägewalze
vorgesehen sein (in 2 nicht
gezeigt), um so Strömungskanäle 22 auf
beiden Seiten des Trägers 12 in
den jeweiligen Beschichtungen dort zu erzeugen. Die Prägewalzen auf
beiden Seiten des Trägers 12 können dabei
unterschiedliche Strömungskanalstrukturen
in den jeweiligen Beschichtungen 16 erzeugen.
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Bei einer Variante einer Ausführungsform
ist es vorgesehen, daß die
Beschichtungswalze eine derartige Oberflächenstruktur 44 aufweist,
daß in
den Strömungskanälen 22 Strömungsleiteinrichtungen 52 gebildet
sind, wie in 1b angedeutet.
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Es ist vorgesehen, daß Reaktionsgas
in den jeweiligen Strömungskanälen 22 laminar
strömt,
das heißt
in laminarer Strömung
auf die entsprechenden Oberflächen
der zugeordneten Elektrode verteilt wird. Da in der Praxis die Strömungsgeschwindigkeiten
relativ klein sind (in der Größenordnung
höchstens
wenigen m/s) ergeben sich niedrige Reynolds-Zahlen, so daß sich sehr
stabile laminare Fluidströmungen
ausbilden können.
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Da aber keine turbulente Durchmischung
der Reaktionsgase in den Strömungskanälen 22 stattfindet,
ergibt sich ein Konzentrationsgradient der aufzunehmenden bzw. abzugebenden
Substanz in dem Fluid; wird insbesondere Luft zugeführt mit
Sauerstoff als Abgabesubstanz, dann verarmt die Luft in oberflächennahen,
der Elektrodenseite 26 zugewandten Bereichen an Luftsauerstoff.
Da in dem Strömungskanal 22 dann
Sauerstoff über
die einzelnen Fluidschichten der laminaren Strömung im wesentlichen nur durch Diffusion
quer zur Richtung der Laminarströmung transportiert
werden kann, ist die Abgabe von Luftsauerstoff durch die laminar
strömende
Luft gehemmt.
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Es werden nun mittels Prägung mit
der Beschichtungswalze bzw. Prägewalze 38 Strömungsleiteinrichtungen 52 in
den Strömungskanälen 22 gebildet,
welche derart angeordnet und derart ausgebildet sind, daß sie in
der laminaren Strömung
eine räumliche
Umschichtung von Fluidschichten bewirken und dabei insbesondere
so wirken, daß Fluidschichtströme aus der
der Abgabeoberfläche
des Fluids entfernter liegenden Bereiche in der Elektrodenseite 26 näherliegende
Bereiche umgelenkt werden.
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Derartige Strömungsleiteinrichtungen sind
in der
DE 100 56 673
A1 beschrieben, auf die hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird.
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Durch entsprechende Ausbildung der
Oberflächenstruktur
44 der
Beschichtungswalze
38 lassen sich solche Strömungsleiteinrichtungen
52 während der
Prägung
der Strömungskanäle
22 herstellen,
beispielsweise als keilförmige
Elemente oder spiralförmige
Elemente. Es wird hier wieder auf die
DE 100 56 673 A1 Bezug
genommen. Strömungseinrichtungen
52 können auch
noch durch nachträgliche
spanabhebende Materialbearbeitung hergestellt werden.
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Die erfindungsgemäße Fluidverteilungsvorrichtung 10 läßt sich,
wie in 3 gezeigt, als
Bipolarplatte einsetzen, wenn auf beiden Seiten des Trägers 12 entsprechende
Beschichtungen 16 mit makroskopischen Strömungskanälen 22 angeordnet sind.
Die Elektrodenseite 26 wird dazu beispielsweise mit einer
Kathode 54 einer Elektroden-Membran-Einheit 56 verbunden.
Die Elektrodenseite 34 wird mit einer Anode 58 einer
benachbarten Elektroden-Membran-Einheit 60 verbunden.
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In den Elektroden-Membran-Einheiten 56, 60 sind
dabei die jeweiligen elektrochemischen Elektroden durch eine protonenleitende
Membran 62 gasdicht getrennt.
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Der gasdichte Träger 12 trennt dabei
ebenfalls die einander zugewandten Kathoden 54 und Anoden 58 benachbarter
Elektroden-Membran-Einheiten 56, 60, wobei bei
der Herstellung des Trägers 12 aus
einem elektrisch leitenden Material die beiden Brennstoffzellen
elektrisch miteinander gekoppelt sind und sich so ein Brennstoffzellen-Stapel
ausbilden läßt.
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Über
die Strömungskanäle 22 wird
der Kathode 54 Luft oder reinen Sauerstoff zugeführt, wobei die
makroskopischen Strömungskanäle 22 für die großflächige Verteilung
sorgen und die Abstandselemente 28 in der porösen Schicht
20 für
eine feinverästelte
Verteilung über
die mesoskopischen oder mikroskopischen Kanäle in der porösen Schicht
20 sorgen.
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Dadurch wird auch die oben beschriebene Pufferwirkung
erzielt, um so Überversorgungs-
und Unterversorgungsspitzen abfangen zu können.
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Darüber hinaus läßt sich
Wasser in der Beschichtung 16 und insbesondere in der Grundschicht 18 speichern,
insbesondere wenn in letzterer hydrophile Bereiche erzeugt werden,
um so für
eine gleichmäßige Befeuchtung
der Reaktionsgase zu sorgen und damit für eine gleichmäßige Befeuchtung
der Membrane 62 zu sorgen. Bildet sich nämlich ein
Konzentrationsgradient im Wassergehalt aus, dann kann die Grundschicht
Wasser nachliefern und das zu trockene Reaktionsgas anfeuchten.