Verschiedene PEM-Brennstoffzellen
mit Bipolarplatten sind im Stand der Technik bekannt und werden
als mobile Energieversorgungsquelle eingesetzt.
PEM-Brennstoffzellen bestehen im
Allgemeinen aus einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA),
welche sandwichartig zwischen zwei Gasdiffusionsschichten (GDL)
angeordnet ist. Diese sind wiederum zwischen zwei Stromkollektoren
angeordnet. Mehrere dieser PEM-Brennstoffzellen in Serie angeordnet
ergeben einen PEM-Brennstoffzellenstapel,
kurz Stack genannt. In einem Stack wirken die Stromkollektoren als
Separatoren, die die einzelnen Brennstoffzellen des Stacks voneinander
trennen. Die Separatoren oder Stromkollektoren am oberen und unteren
Ende des Stacks werden im Allgemeinen als Endplatten bezeichnet.
Die Separatoren sind in einem Stack im Allgemeinen als Bipolarplatte
ausgeführt,
wobei diese wiederum auch als Bipolarplatteneinheit ausgeführt sein
kann, die aus zwei oder mehr Teilplatten, sogenannten Monopolarplatten,
besteht.
Eine PEM-Brennstoffzelle, genauer
die MEA bzw. deren Polymer-Elektroly-Membran
(PEM), sollte, um eine hohe Leistungsausbeute zu erzielen, über eine
Gasdiffusionsschicht (GDL) in Verbindung mit einer Bipolarplatte
gleichmäßig mit
Reaktionsgasen versorgt werden. Hierzu sind in die Bipolarplatte(n) üblicherweise
Kanäle
eingearbeitet. Die daraus resultierende Kanalstruktur wird allgemein
Flowfield genannt. Zur optimalen Leistungsausbeute sollte die MEA
nicht nur gleichmäßig mit
Reaktionsgasen versorgt werden, sondern zusätzlich muss gewährleistet sein,
dass die MEA ausreichend befeuchtet ist. Ist die MEA nur teilweise
befeuchtet oder komplett unbefeuchtet, treten Austrocknungserscheinungen
der MEA auf, die den Wirkungsgrad herabsetzen bzw. zu einem Funktionsausfall
der MEA führen.
Stand der Technik sind PEM-Brennstoffzellen
mit unbefeuchteten oder teilbefeuchteten Bipolarplatten mit Flowfields
aus z.B. porösem
Material, geeignet zum Ausgleich des Wasserdampfpartialdrucks entlang
eines Reaktionsgaskanals zu einer Elektrode. Ein Reaktionsgaskanal
ist ein Kanal eines Flowfields, durch den ein Reaktionsgas transportiert
wird. Das Reaktionsgas strömt
dabei durch den Kanal und wird durch die Kanalwände zu einer Elektrode hin- und
von der Elektrode abtransportiert. Am Anfang des Reaktionsgaskanals
ist der Wasserdampfpartialdruck in dem Reaktionsgaskanal aufgrund
des ungesättigt
einströmenden
Gasstroms niedrig. Dieser Strom wird entlang des Reaktionsgaskanals
im weiteren Verlauf durch das entstehende Produktwasser mit Wasser
angereichert, wodurch der Wasserdampfpartialdruck so stark ansteigt,
dass flüssiges
Wasser durch Kondensation entsteht und von den porösen Bipolarplatten
aufgenommen wird. Der Wasserstrom wird in der Bipolarplatte zum
Reaktionsgaseingang und dem daran angrenzenden trockenen Elektrodenbereich
durch Diffusion, zwecks Befeuchtung des in die Elektrode eintretenden
Reaktionsgasstroms geleitet. Hierdurch lässt sich in diesem Bereich
eine Austrocknung der Membran-Elektroden-Anordnung verhindern.
Allgemein bekannt sind Brennstoffzellen
mit dem vorstehend bekannten Aufbau, die das Problem der Austrocknung
der Membran-Elektroden-Anordnung
durch ein Drainage-System reduzieren.
Nachteilig an den Brennstoffzellen
mit Drainage-System ist, dass diese Brennstoffzellen durch das Drainage-System
eine größere Anzahl
an Bauteilen und somit ein größere Baueinheit
aufweisen. Das größere Gesamtvolumen
einer solchen Baueinheit ist gegenläufig zu den Anforderungen der
Brennstoffzellenhersteller, die eine Miniaturisierung der Brennstoffzellen
vorgeben. Hinzu kommt, dass die an das Drainage-System angrenzenden
Bauteile aus porösem
Material gefertigt werden müssen,
um eine Drainage zu erlauben. Eine Herstellung von Bauteilen aus
porösem
Material ist jedoch aufwendiger, und somit auch mit höheren Kosten
verbunden, als die Herstellung von Bauteilen aus nicht porösem Material.
Aus der Patentschrift
US 6,255,011 ist ein Brennstoffzellenstapel
mit Membran-Elektroden-Anordnungen, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten
bekannt. Die in der
US 6,255,011 offenbarte
Bipolarplatte weist ein Flowfield mit mäanderförmig angeordneten Kanälen sowie
Sammlungsstellen der Kanäle
auf. An den Sammlungsstellen kommt es beim Zusammentreffen der einzelnen
Teilströme
der Reaktionsgase der einzelnen Kanäle zu Turbulenzen in dem aus
den einzelnen Teilströmen
bestehenden Hauptstrom. Die Turbulenzen bewirken eine Verbesserung
eines vertikal zur Hauptströmungsrichtung gerichteten
Stofftransports und führen
somit zu einer lokalen Verbesserung des Feuchtegrades der Membran-Elektroden-Anordnung
in diesem Bereich.
Bei den bekannten Brennstoffzellenstapeln tritt
der Nachteil auf, dass die Turbulenzen nicht gezielt einstellbar
sind und somit kein optimaler Stofftransport senkrecht zur Hauptströmungsrichtung
realisiert ist. Zudem ist der Feuchtegrad der Membran-Elektroden-Anordnung
unzureichend. Eine gezielte Steuerung des Feuchtegrades über die
gesamte Membran-Elektroden-Anordnung
ist nicht gegeben.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
eine Bipolarplatte zu schaffen, welche platzsparend gebaut ist,
d.h. eine niedrige Baugruppenhöhe
aufweist, und einen verbesserten Feuchtigkeitsaustausch durch gezielte
Steuerung der Strömung
ermöglicht.
Diese Aufgabe wird ausgehend von
einer Bipolarplatte gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen
gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung betrifft insbesondere
eine PEM-Brennstoffzelle, umfassend eine MEA mit wenigstens einer
GDL, eine anodenseitig an der MEA angeordnete Bipolarplatte mit
einem Reaktionsgasflowfield für
ein anodenseitiges Reaktionsgas und eine kathodenseitig an der MEA
angeordnete Bipolarplatte mit einem Reaktionsgasflowfield für ein kathodenseitiges
Reaktionsgas, wobei die Bipolarplatte verschiedene Bereiche aufweist,
in denen der Taupunkt des durch das in diesen Bereichen angeordnete
Reaktionsgasflowfield strömende
Reaktionsgas unterschiedlich zu dem Taupunkt des Reaktionsgases
in dem entsprechenden angrenzenden Bereich der Gasdiffusionsschicht
ist, wobei die Abschnitte des in diesen Bereichen angeordneten Reaktionsgasflowfields
mindestens eine Einrichtung zur gezielten Änderung der Strömungseigenschaften
des durchströmenden
Reaktionsgases aufweist, wodurch die Reynolds-Zahl des durchströmenden Reaktionsgases
verändert
wird, um eine Verbesserung des Feuchtegrades der MEA durch einen
verbesserten Stofftransport quer zur Hauptströmungsrichtung des Reaktionsgases
zu bewirken.
Ohne diese Einrichtungen zur Veränderung der
Strömungseigenschaften
würde die
Reaktionsgasströmung
gleichmäßig entlang
eines Kanals des Reaktionsgasflowfields strömen. Entlang des Kanals beziehungsweise
des Reaktionsgasflowfields wird in der benachbart angeordneten MEA
Energie aus dem Reaktionsgas erzeugt. Dabei entsteht unter anderem gasförmiges Wasser.
Das gasförmige Wasser
gelangt über
spezielle Stofftransporteffekte zurück zu dem Reaktionsgasflowfield
beziehungsweise zu dessen Kanälen.
Die Wassermenge die zu dem Reaktionsgasflowfield transportiert wird,
ist an jedem Punkt des Reaktionsgasflowfields praktisch gleich.
Somit gelangt in Strömungsrichtung
immer mehr gasförmiges
Wasser in den Reaktionsgasstrom. Dieser nimmt das gasförmige Wasser
bis zu einem gewissen Gehalt auf und transportiert dieses weiter.
Ohne die Einrichtungen zur Veränderung
der Strömungseigenschaft
existieren verschiedene Bereiche, in denen der Reaktionsgasstrom
einen unterschiedlichen Wassergehalt aufweist. Den Anteil von gasförmigem Wasser
an dem Reaktionsgasstrom bezeichnet man üblicherweise als relative Feuchte.
Die relative Feuchte des Reaktionsgasstrom kann dabei bei 0%, 100%
oder allen Werten dazwischen liegen. Üblicherweise steigt die relative
Feuchte in dem Reaktionsgasstrom von praktisch 0% am Kanaleingang
bis zu 100% an. Dabei liegt eine relative Feuchte des Reaktionsgasstroms
von 100% oft schon deutlich vor dem Kanalende vor. Bei Erreichen
einer relativen Feuchte von 100% ist kein weiterer Abtransport von gasförmigem Wasser
durch das Reaktionsgas möglich.
Die Brennstoffzelle kann nicht mehr optimal arbeiten. Eine geringe
relative Feuchte bewirkt einen verstärkten Wassertransport, was
zu einem Austrocknen der gesamten Brennstoffzelle und damit ebenfalls
zu einem suboptimalen Funktionieren führt. Die Sättigung des Reaktionsgasstroms
mit gasförmigem
Wasser hängt
u.a. von der Temperatur ab. Bei höheren Temperaturen kann der
Reaktionsgasstrom entsprechend mehr gasförmiges Wasser aufnehmen und
transportieren. Der Taupunkt wird alternativ zur relativen Feuchte
verwendet, um den Wassergehalt anzugeben. Entsprechend den vorgenannten
Ausführungen
ergeben sich in Strömungsrichtung
Bereiche mit unterschiedlichen Taupunkten. Diese sind oft einfacher
zu bestimmen.
Der im vorangehenden Abschnitt erläuterte Sachverhalt
sei anhand der 1 und 2 noch einmal verdeutlicht. 1 zeigt ein typisches Ergebnis
einer Taupunktmessung eines Reaktionsgases entlang eines Kathodenkanals
unter isothermen Bedingungen, die entsprechende, in die relative
Feuchte umgerechnete Meßkur ve
ist in 2 dargestellt.
Die Meßwerte wurden
mittels einer herkömmlichen
PEM-Brennstoffzelle mit einem herkömmlichen Flowfield mit mehreren
S-förmig,
serpentinenartig ausgebildeten Kanälen, die zu einem Bündel zusammengefaßt sind,
gewonnen. Die PEM-Brennstoffzelle wurde mit Wasserstoff und Luft
bei einer Stromdichte von 1 A/cm2 betrieben.
Zur Ermittlung der Meßwerte
wurden entlang eines Kathodenkanals in gleichmäßigen Abständen neun Proben eines darin
strömenden
Reaktionsgases entnommen und auf den Taupunkt hin analysiert.
Die beiden Figuren zeigen den typischen Verlauf
der relativen Feuchte in einem herkömmlichen Flowfield: Geringe
relative Feuchte am Eingang des Kanals (0 % Kanallänge), wo
die Gefahr der Austrocknung der MEA besteht. Dann eine stark ansteigende
relative Feuchte und, noch vor Erreichen des Ausgangs des Kanals
(100 % Kanallänge),
eine relativen Feuchte von 100 % (in 2 bei
etwa 75 % Kanallänge),
bei der das Reaktionsgas keine Feuchtigkeit, d.h. kein gasförmiges Wasser
mehr aufnehmen und abtransportieren kann.
Die Analyse fand mit Hilfe eines
Taupunktspiegels statt. Dabei handelt es sich um ein Meßgerät, das einen
Spiegel, Mittel zum exakten Einstellen der Temperatur (z.B. Peltier-Elemente)
und einen Laser aufweist. Bei der Messung steht der Spiegel in Kontakt
mit der zu vermessenden Probe. Die Temperatur des Spiegels wird
mit Hilfe der Peltier-Elemente exakt eingestellt bzw. gezielt verändert. Mit
dem Laser wird der Spiegel permanent abgetastet, wodurch sich flüssiges Wasser
auf dem Spiegel, in Form von Tau-Tröpfchen, detektieren läßt. Wird
der Spiegel auf eine Temperatur gebracht, bei der gasförmiges Wasser
beginnt auszukondensieren, sich also Tau-Tröpfchen zu bilden beginnen,
kann dies mit Hilfe des Lasers festgestellt werden. Diese Temperatur
ist die Taupunkts-Temperatur, oder kurz: der Taupunkt.
Ohne die Einrichtungen zur Veränderung
der Strömungseigenschaften
des Reaktionsgas sind zusätzliche
Einrichtungen notwendig, die den Wasserhaushalt der gesamten Brennstoffzelle
regulieren.
So müsste zum Beispiel das Reaktionsgas am
Kanaleingang zusätzlich
befeuchtet werden, wohingegen es am Kanalausgang zusätzlich getrocknet werden
müsste.
Dieses würde
eine größere Bauweise
nach sich ziehen und einen zusätzlichen
Fertigungsaufwand erfordern.
Unter den Einrichtungen zur Veränderung der
Strömungseigenschaften
sind Einrichtungen zur Erzeugung turbulenter Strömungen in einem Flowfield insbesondere
dann vorteilhaft, wenn das in diesem Flowfield strömende Reaktionsgas
annähernd vollständig mit
Wasserdampf gesättigt
ist, d.h. eine relative Feuchte von über 90 % aufweist. Umgekehrt sind
Einrichtungen zur Erzeugung laminarer Strömungen insbesondere dann vorteilhaft,
wenn das Reaktionsgas im betreffenden Flowfield wenig befeuchtet
ist, d.h. eine relative Feuchte von weniger als 80 % aufweist.
Durch die Einrichtungen zur Veränderung der
Strömungseigenschaften
wird an den Stellen, an denen eine hohe relative Feuchte im Reaktionsgaskanal
vorliegt, auch eine vorteilhafte Durchmischung des Reaktionsgasstromes
erreicht. Dadurch wird beispielsweise Sauerstoff am Kanalgrund,
also verhältnismäßig weit
von der MEA entfernt, wirkungsvoll Richtung MEA geleitet. Unterschiede
in der relativen Feuchte zwischen Reaktionsgaskanal und angrenzender
GDL werden dadurch wenigstens teilweise reduziert.
An Stellen mit vergleichsweise geringer
relativer Feuchte wird dagegen eine möglichst geringe Reduzierung
von Unterschieden in der relativen Feuchte in den Schichten der
GDL angestrebt, um ein Austrocknen der MEA zu vermeiden. Da der
Sauerstoffgehalt in diesen Bereichen (Eintrittsbereich des Reaktionsgaskanals)
verhältnismäßig hoch
ist, ist eine Durchmischung des Reaktionsgasstroms in diesem Bereich
von untergeordneter Bedeutung.
Diese Lösung bietet den Vorteil, dass
der Stofftransport senkrecht zur Hauptströmungsrichtung nicht über ein
zusätzliches
Drainage-System, welches außerhalb
des Flowfields angeordnet ist, erfolgt. Eine solche erfindungsgemäße Vorrichtung
besteht folglich aus weniger Bauteilen. Somit lässt sich insgesamt ein geringeres
Bauvolumen, d.h. eine kleinere Baugruppeneinheit, herstellen.
Eine Bipolarplatte weist erfindungsgemäß zumindest
ein Reaktionsgasflowfield zur Versorgung einer Elektrode mit einem
Reaktionsgas auf. Geeignete Materialien für eine Bipolarplatte können sowohl porös, als auch
nicht porös
sein. Als Beispiele seien metallische Bipolarplatten, z.B. aus einem
Edelstahl mit einer Beschichtung, oder Bipolarplatten aus kohlenstoffhaltigen
Materialien, wie z.B. Hartgraphite, genannt.
Vorzugsweise kann eine erfindungsgemäße Bipolarplatte
wenigstens ein Kühlmediumflowfield aufweisen.
Ist die Bipolarplatte als Bipolarplatteneinheit ausgeführt, so
ist das Kühlmediumflowfield
bevorzugt im Inneren der Bipolarplatteneinheit angeordnet. Besonders
bevorzugt besteht eine Bipolarplatteneinheit mit einem Kühlmediumflowfield
aus zwei oder mehreren Monopolarplatten die zu einer Bipolarplatteneinheit
zusammengefasst sind.
Eine erfindungsgemäße Ausführungsform sieht
vor, dass in dem Reaktionsgasflowfield wenigstens eine Einrichtung
zur Veränderung
der Strömung des
Reaktionsgases angeordnet ist, die an die benachbart angeordnete
GDL angrenzt.
Vorteilhaft ist es, dass sich die
Strömung
des durch das Reaktionsgasflowfield strömenden Reaktionsgases von einer
laminaren in eine turbulente Strömung
oder von einer turbulenten Strömung
in eine laminare Strömung
durch Kontaktierung des Reaktionsgases mit einer Einrichtung zur
Veränderung
der Strömung
des Reaktionsgases ändert.
Als Kennzeichen für
den Übergang
einer laminaren Strömung
in eine turbulente Strömung
und umgekehrt kann die Reynolds-Zahl als Kennzahl herangezogen werden. Die
Reynolds-Zahl ist eine theoretische Kennzahl, welche eine Strömungsform
dahingehend kennzeichnet, dass bei Übersteigen einer kritischen
Reynolds-Zahl eine Strömung
von einer laminaren Strömungsform
in eine turbulente Strömung übergeht oder
umschlägt.
Insofern ist unter der Änderung
der Reynolds-Zahl zu verstehen, dass sich die Strömungsform
des Reaktionsgases verändert,
sobald dieses eine Einrichtung zur Veränderung der Strömung des
Reaktionsgases kontaktiert. Das Kontaktieren kann jegliche Art von
Kontakt sein, bevorzugt aber das An- bzw. Umströmen der Einrichtung.
Bei den Kanälen des Reaktionsgasflowfields einer
Bipolarplatte handelt es sich im Wesentlichen um rechteckige Kanäle. Ein
laminares Strömungsfeld in
einem solchen Kanal zeichnet sich gemäß Hagen-Poiseuille durch ein
parabelförmiges
Geschwindigkeitsprofil über
den Kanalquerschnitt aus. Im weitaus überwiegenden Teil des Kanalquerschnitts
treten bei geraden Fluidkanälen
ohne Störungen
keine Verwirbelungen auf, d.h. der Stofftransport quer zur Strömungsrichtung
im Kanal erfolgt nach den Gesetzen der Diffusion.
Betrachtet man beispielsweise einen
laminar durchströmten
rechteckigen Kathodenkanalquerschnitt einer PEM-Brennstoffzelle
unter Berücksichtigung
der Sauerstoffabreicherung und der Entstehung von Wasser(-dampf)
an einer der vier Wänden durch
die elektrochemische Reaktion in der MEA, so wird der Wasserdampf,
d.h. gasförmiges
Wasser durch Diffusion von der Kanalwand über den gesamten Kanalquerschnitt
verteilt. Der hiermit vorliegende Fall der Diffusion wird durch
(Wasserdampf-)Konzentrationsunterschiede über den Kanalquerschnitt aufrecht
erhalten und ermöglicht
einen – relativ
zum konvektiven Stofftransport – nur
sehr geringen und wenig wirkungsvollen Konzentrationsausgleich des
Wassers in dem Reaktionsgasstrom über den Kanalquerschnitt.
Erfindungsgemäß kann dieser Umstand genutzt
werden, um den wasserdampfstrom von der MEA an das Anoden- bzw.
Kathodengemisch zu minimieren, falls das im Kanal strömende Gasgemisch einen
geringeren Taupunkt aufweist als das Gasgemisch in der GDL, also
trockener ist.
Unter einem Taupunkt ist erfindungsgemäß die Temperatur
zu verstehen, bei der der Partialdruck des Wasserdampfes oder des
gasförmigen
Wassers gleich dem Partialdruck des Umgebungsdampfes oder des Reaktionsgases
ohne den Wasseranteil ist.
Besonders vorteilhaft ist es, dass
wenigstens eine Einrichtung zur Veränderung der Strömung des Reaktionsgases
von einer laminaren Strömung
zu einer turbulenten Strömung
und somit zu einer Erhöhung
der Reynolds-Zahl der Strömung
in einem Abschnitt des Reaktionsgasflowfield positioniert ist, in dem
der Taupunkt des durch das Reaktionsgasflowfield strömenden Reaktionsgases
höher ist,
als der Taupunkt des Reaktionsgases in dem entsprechenden angrenzenden
Bereich der Gasdiffusionsschicht.
Hierdurch lässt sich gezielt eine turbulente Strömungsform
des Elektrodenreaktionsgases in dem Reaktionsgasflowfield hervorrufen,
um eine Befeuchtung der MEA zu unterstützen und überschüssiges Flüssigwasser besser von den reaktiven
Zonen entfernen.
In Bereichen eines Reaktionsgasflowfields, in
denen das in den Kanälen
strömende
Reaktionsgas bereits zu 100 % mit Wasserdampf gesättigt ist (in
den 1 und 2 ab etwa 75 % Kanallänge), kann sich
flüssiges
Wasser, z.B. in Form von Tröpfchen oder
Filmen, bilden, das unter ungünstigen
Umständen
einen oder mehrere Kanäle
oder die GDL verstopft und so eine Leistungsminderung der PEM-Brennstoffzelle
verursacht. Die Erzeugung einer turbulenten Reaktionsgasströmung in
diesen Bereichen mit Hilfe von Einrichtungen zur Veränderung der
Strömungseigenschaften
des Reaktionsgases ist in diesem Fall von besonderem Vorteil, weil
in einer turbulenten Strömung
Wirbel entstehen, die auf die Wände
des Kanals eine Schubspannung, sog. Wandschubspannung, ausüben, die
an der Wand anhaftendes flüssiges
Wasser abreißen
und in den Reaktionsgasstrom befördern,
so dass dieses Wasser mit dem Reaktionsgasstrom in flüssiger Form,
z.B. als Tröpfchen,
aus der Brennstoffzelle ausgetragen wird.
Vorzugsweise sind die Einrichtungen
zur Veränderung
des Reaktionsgasstroms von einer laminare Strömung in eine turbulente Strömung Einrichtungen
zur Begrenzung der Durchflussmenge des Reaktionsgases. Solche Einrichtungen
sind beispielsweise Durchflussbegrenzer, Nasen, Ecken, Noppen, Hindernisse,
Ausbuchtungen und/oder Erhebungen. Als Kennzahl für einen
Umschlag der Reaktionsgasströmung
von einer laminaren in eine turbulente Strömung ist die kritische Reynolds-Zahl. Übersteigt
die gemessene Reynolds-Zahl die kritische Reynolds-Zahl, so ist
dies ein Anzeichen dafür, dass
eine turbulente Strömung
vorliegt. Einrichtungen zur Begrenzung der Durchflussmenge des Reaktionsgases
können
auch in Form einer erhöhten Wandrauhigkeit
ausgebildet sein. Die vorgenannten Einrichtungen sind kleinbauend
bzw. weisen ein geringe Baugruppenhöhe auf. Ferner lassen sich
die Einrichtungen einfach herstellen und können in einem Reaktionsgasflowfield
angeordnet werden.
Bei einer weiteren erfindungsgemäß bevorzugten
Ausführungsform
lässt sich
in vorteilhafter Weise wenigstens eine Einrichtung zur Veränderung der
Strömung
des Reaktionsgases in einem Abschnitt des Reaktionsgasflowfields
positionieren. Die Veränderung
der Strömung
bewirkt ein Umschlagen der Strömung
von einer turbulenten Strömung
in eine laminare Strömung.
Kennzeichnend für
den Umschlag einer Strömung
ist die kritische Reynolds-Zahl.
Wird der Wert der kritischen Reynolds-Zahl unterschritten, ist die
Strömung
laminar. Die Einrichtungen sind in einem Abschnitt des Reaktionsgasflowfield
positioniert, in dem der Taupunkt des durch das Reaktionsgasflowfield
strömenden Reaktionsgases
niedriger ist, als der Taupunkt des Reaktionsgases in dem entsprechenden
angrenzenden Bereich der Gasdiffusionsschicht.
Hierdurch lässt sich gezielt eine laminare Strömungsform
des Reaktionsgases in dem Reaktionsgasflowfield hervorrufen, um
ein Austrocknen der MEA zu verhindern.
Dies sei beispielhaft an den 1 und 2 erläutert.
Ausgehend von dem dortigen Verlauf der Taupunkts-Temperatur (1) bzw. dem Verlauf der
relativen Feuchte (2)
werden in einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung in den Kanälen bei den Kanallängen zwischen
0 bis etwa 35 % keine Einrichtungen zur Veränderung der Strömungseigenschaften
des Reaktionsgas angeordnet oder solche, die eine laminare Strömung gewährleisten
und so einen möglichst
geringen Transport von Wasser von der MEA in den trockenen Reaktionsgasstrom
bewirken. Dadurch wird eine Austrocknung der MEA verhindert. Dagegen
werden in den Kanälen bei
den Kanallängen
zwischen etwa 35 % und 100 % Kanallänge in dieser bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung Einrichtungen zur Veränderung
der Strömungseigenschaften
des Reaktionsgas angeordnet, und zwar solche, die eine turbulente
Strömung
gewährleisten
und so einen verbesserten Transport von Wasser von der MEA in den
bereits feuchten Reaktionsgasstrom bewirken. Dadurch wird eine nachteilhafte
Flutung der MEA mit flüssigem Wasser
verhindert.
Weiterhin bevorzugt ist es, dass
die Einrichtungen zur Veränderung
der Strömung
des Reaktionsgases von einer turbulenten in eine laminare Strömung und
damit zu einer Verringerung der Reynolds-Zahl der Strömung Einrichtungen
zur Erhöhung
der Durchflussmenge des Reaktionsgases, vorzugsweise Durchflussverstärker, Einbuchtungen und/oder
Vertiefungen umfassen. Einrichtungen zur Erhöhung der Durchflussmenge des
Reaktionsgases können
auch in Form einer verminderten Wandrauhigkeit ausgebildet sein
Vorzugsweise umfasst die Bipolarplatte
mindestens ein Reaktionsgasflowfield, bevorzugt zwei Flowfields.
Auf diese Weise lassen sich zwei
Flowfields platzsparend auf einer Bipolarplatte unterbringen.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist es, wenn ein Brennstoffzellenstapel
mindestens zwei erfindungsgemäße PEM-Brennstoffzellen
umfasst. Auf diese Weise lässt
sich ein kompakter und leistungs fähiger Brennstoffzellenstapel
zur mobilen Energieversorgung herstellen.