DE112005000365B4

DE112005000365B4 - Elektrochemische Zelle mit einer Membranelektrodenanordnung

Info

Publication number: DE112005000365B4
Application number: DE112005000365T
Authority: DE
Inventors: Wenbin Gu; Gerald W. Fly; Mark F. Mathias
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2004-02-17
Filing date: 2005-01-21
Publication date: 2013-01-17
Anticipated expiration: 2025-01-22
Also published as: US20050181264A1; JP2007522642A; CN1943058A; DE112005000365T5; WO2005083815A1; US7846591B2

Abstract

Elektrochemische Zelle mit einer Membranelektrodenanordnung (60) (MEA), die eine Anode (64) und eine Kathode (66) umfasst, wobei die Zelle umfasst: ein Strom leitendes Element (70, 70'', 70'') mit einem undurchlässigen elektrisch leitenden Element (80, 80'', 80''), das eine Hauptfläche (84) aufweist, die zu der Kathode (66) weist, und einem porösen Flüssigkeitsverteilungsmedium (82, 82'', 82'''), das entlang der Hauptfläche (84) angeordnet ist, wobei Strömungskanäle (76, 76'') an der Hauptfläche (84) des elektrisch leitenden Elements (80) zum Transport von Gas und Flüssigkeit zu und von der Kathode (66) definiert sind; eine elektrisch leitende Fluidverteilungsschicht (68), die zwischen dem Flüssigkeitsverteilungsmedium (82, 82'', 82''') und der Kathode (66) angeordnet ist, um Gase und Flüssigkeiten zwischen der Kathode (66) und den Strömungskanälen (76, 76'') zu transportieren, wobei die Fluidverteilungsschicht (68) und das Flüssigkeitsverteilungsmedium (82) aufgebaut und angeordnet sind, um Flüssigkeiten, die sich in der Kathode (66) ansammeln, durch die Fluidverteilungsschicht (68) und zu...

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1, wie sie beispielsweise aus der US 2003/0235735 A1 bekannt geworden ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Brennstoffzellen sind als eine Energiequelle für Elektrofahrzeuge und andere Anwendungen vorgeschlagen worden. Eine beispielhafte Brennstoffzelle besitzt eine Membranelektrodenanordnung (MEA) mit katalytischen Elektroden und einer dazwischen angeordneten Protonenaustauschmembran (PEM). Durch die elektrochemischen Reaktionen zwischen Wasserstoff und Sauerstoff, die in der MEA stattfinden, wird Elektrizität erzeugt. Es wird auch Wasser (auch bekannt als Produktwasser) an der Kathodenelektrode bei derartigen elektrochemischen Reaktionen erzeugt. Die MEA ist schichtartig zwischen einem Paar elektrisch leitender Kontaktelemente angeordnet, die üblicherweise als bipolare Platten bezeichnet werden und dazu dienen, elektrischen Strom von der Anode und Kathode zu sammeln, und die geeignete Kanäle und Öffnungen darin zur Verteilung der gasförmigen Reaktanden (d. h. H₂ & O₂/Luft) der Brennstoffzelle über die Oberflächen der jeweiligen Anode und Kathode enthalten. Oftmals ist ein Gasdiffusionsmedium (ein poröses leitendes Kohlenstoff-Graphit-Papier) zwischen jedem Strom leitenden Element und den jeweiligen Elektroden der MEA angeordnet, um die Gasreaktandenlieferung weiter zu erleichtern. Ein effizienter Betrieb der Brennstoffzelle hängt von der Fähigkeit ab, ein effektives Wassermanagement in dem System vorzusehen, und insbesondere davon, den Transport von Wasser zu steuern, um ein lokales Fluten zu verhindern und eine gleichförmige Befeuchtung vorzusehen, der für die Lebensdauer der MEA kritisch ist. Jedoch besteht nach wie vor der Bedarf nach einem effektiven Mittel, um dies zu erreichen.
Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine hinsichtlich des Wassermanagements verbesserte elektrochemische Zelle vorzusehen, die den Betriebswirkungsgrad wie auch die Lebensdauer der MEA steigert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung sieht eine elektrochemische Zelle vor, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlicher.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
1 eine schematische Darstellung von zwei Zellen in einem flüssigkeitsgekühlten PEM-Brennstoffzellenstapel ist;
2 eine teilweise Schnittansicht entlang der Linie 2-2 von 1 ist, die eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einer Membranelektrodenanordnung (MEA) zeigt, die schichtartig durch zwei Strom leitende Elemente angeordnet ist, wobei eines der Strom leitenden Elemente ein Flüssigkeitsverteilungsmedium und eine undurchlässige elektrisch leitende Platte umfasst;
3 eine teilweise isometrische Ansicht eines beispielhaften Strom leitenden Elements (eine bipolare Plattenanordnung) ist, die zwei elektrisch leitende Platten umfasst, die aneinander befestigt sind, wobei eine Platte eine undurchlässige elektrisch leitende Platte und ein Flüssigkeitsverteilungsmedium gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst;
4 ein Schaubild ist, das eine Wassersättigung gegenüber einem dimensionslosen Kapillardruck für ein poröses Material zeigt;
5 ein Schaubild ist, das die Schichtdicke gegenüber der Porengröße für ein poröses Flüssigkeitsverteilungsmedium in einer Brennstoffzelle zeigt;
6 eine teilweise Schnittansicht ist, die eine nichterfindungsgemäße Ausführungsform eines Strom leitenden Elements zeigt, das ein Flüssigkeitsverteilungsmedium umfasst, das entlang von Gebieten angeordnet ist, die Nuten eines Strömungsfelds entsprechen, das sowohl Stege als auch Nuten umfasst, wobei das Strömungsfeld entlang einer Hauptfläche einer undurchlässigen elektrisch leitenden Platte ausgebildet ist;
7 eine teilweise isometrische Ansicht der Ausführungsform des in 6 gezeigten Strom leitenden Elements ist, das das Flüssigkeitsverteilungsmedium entlang der Gebiete angeordnet umfasst, die den Nuten des Strömungsfeldes entsprechen, das Stege und Nuten umfasst;
8 eine teilweise Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, die sowohl eine Anode als auch eine Kathode einer MEA zeigt, die zwei Strom leitende Elemente aufweist, die eine Flüssigkeitsverteilungsmediumschicht und eine undurchlässige elektrisch leitende Platte umfassen, wobei das Strömungsfeld, das Stege und Nuten umfasst, in einem Körper des Flüssigkeitsverteilungsmediums ausgebildet ist;
9 eine teilweise Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, wobei das Strom leitende Element ein doppellagiges Flüssigkeitsverteilungsmedium und eine undurchlässige elektrisch leitende Platte umfasst; und
10 eine teilweise Schnittansicht einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, die sowohl eine Anode als auch eine Kathode einer MEA zeigt, wobei jede jeweilige Elektrode ein Strom leitendes Element aufweist, das ein Flüssigkeitsverteilungsmedium und eine undurchlässige elektrisch leitende Platte umfasst.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Wassermanagementsystem in einer elektrochemischen Brennstoffzelle und ist auf ein Strom leitendes Element (beispielsweise eine bipolare Platte in einem Brennstoffzellenstapel) gerichtet, das aus einem undurchlässigen elektrisch leitenden Element und einem porösen Flüssigkeitsverteilungsmedium besteht, das entlang einer Hauptfläche des leitenden Elements angeordnet ist. Die Hauptfläche weist eine Membranelektrodenanordnung (MEA) auf, in der Flüssigkeiten erzeugt und/oder gesammelt werden. Das Flüssigkeitsverteilungsmedium transportiert Flüssigkeiten weg von der MEA. Bevorzugt steht das Flüssigkeitsverteilungsmedium in direktem Kontakt und in Fluidverbindung mit einer Fluidverteilungsschicht, die zwischen der MEA und dem Flüssigkeitsverteilungsmedium angeordnet ist, und Flüssigkeiten werden von der MEA durch die Fluidverteilungsschicht an das Flüssigkeitsverteilungsmedium gezogen. Zunächst ist zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung eine Beschreibung einer beispielhaften Brennstoffzelle und eines beispielhaften Brennstoffzellenstapels vorgesehen.
1 zeigt zwei einzelne Protonenaustauschmembran-(PEM)-Brennstoffzellen, die miteinander verbunden sind, um einen Stapel zu bilden, der Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 4 und 6 aufweist, die voneinander durch eine elektrisch leitende flüssigkeitsgekühlte bipolare Separatorplatte 8 getrennt sind. Eine einzelne Brennstoffzelle, die nicht in Reihe in einem Stapel verschaltet ist, besitzt eine Separatorplatte 8 mit einer einzelnen elektrisch aktiven Seite. In einem Stapel mit mehreren Brennstoffzellen besitzt eine bevorzugte bipolare Separatorplatte 8 typischerweise zwei elektrisch aktive Seiten 19, 21 in dem Stapel, wobei jede aktive Seite 19, 21 jeweils zu einer separaten MEA 4, 6 mit entgegengesetzten Ladungen weist, die getrennt sind, daher die so genannte ”bipolare” Platte. Der hier verwendete Begriff ”Strom leitendes Element” betrifft allgemein bipolare Separatorplattenanordnungen, die zwei Separatorplattenelemente umfassen, die aneinander befestigt sind, wie auch einzelne Separatorplatten umfassen, die allgemein als eine Separatorplatte und ein Kollektorelement in einer einzelnen Brennstoffzelle (beispielsweise den Anoden- und Kathodenplatten) oder an den Endplatten jeweiliger Anoden- und Kathodenanschlussenden eines großen Brennstoffzellenstapels verwendet sind.
Die MEAs 4, 6 und die bipolare Platte 8 sind zwischen aus rostfreiem Stahl bestehenden Klemmplatten 10, 12 und Endkontaktelementen 14, 16 aneinander gestapelt. Die Endkontaktelemente 14, 16 wie auch beide Arbeitsseiten der bipolaren Platte 8 enthalten eine Vielzahl von Nuten oder Kanälen 18, 20, 22 und 24 zur Verteilung von Brennstoff- und Oxidationsmittelgasen (d. h. H₂ & O₂) an die MEAs 4, 6. Nichtleitende Dichtungselemente oder Abdichtungen 26, 28, 30 und 32 sehen Dichtungen wie auch eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellenstapels vor. Poröse leitende Diffusionsmediumschichten 34, 36, 38 und 40 werden an die Elektrodenseiten der MEAs 4, 6 gepresst. Derartige elektrisch leitende poröse Diffusionsmediumschichten können aus gewobenem Graphit, graphitisierten Lagen bzw. Tafeln oder Kohlenstoffpapier aufgebaut sein, die eine Verteilung der Reaktanden über die Oberfläche der Elektroden und daher über die Membran, die zu der Elektrode weist, erleichtern. Leitende Gasdiffusionsmediumschichten sind in der Technik gut bekannt, wie das kommerziell erhältliche Toray^®-Graphitfaserpapier, das von Toray Carbon Fibers America, Inc. hergestellt wird. Die Endkontaktelemente 14, 16 werden an die Gasdiffusionsschichten 34 bzw. 40 gepresst, während die bipolare Platte 8 an die Gasdiffusionsmediumschicht 36 auf einer Anodenelektrodenseite 19 der MEA 4 und an eine Gasdiffusionsmediumschicht 38 auf einer Kathodenelektrodenseite 21 der MEA 6 gepresst wird. Wasserstoffgas wird an der Anode 19 über eine Versorgungsverrohrung 44 eingeführt, die mit einer Speichervorrichtung 48 verbunden ist. Sauerstoff oder Luft wird an die Kathode 21 über eine geeignete Versorgungsverrohrung 42 eingeführt, wo er/sie in die poröse Elektrode strömt. Luft kann an die Kathode 21 aus der Umgebung geliefert werden, und Wasserstoff kann an die Anode 19 von einem Methanol- oder Benzinreformer oder dergleichen geliefert werden. Es ist eine Austragsverrohrung (nicht gezeigt) für sowohl die H₂- als auch O₂/Luft-Seiten der MEAs 4, 6 vorgesehen. Es ist auch eine zusätzliche Verrohrung 50, 52, 54 vorgesehen, um ein Kühlmittel durch die bipolare Platte 8 und die Endplatten 14, 16 umzuwälzen.
In 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, in der eine MEA 60 eine Membran (PEM) 62 umfasst, die von einer Anode 64 und einer Kathode 66 umgeben ist. Bei der vorliegenden Erfindung dient eine elektrisch leitende Fluidverteilungsschicht 68 als eine Leitung sowohl für Gase, die in die Brennstoffzelle eintreten bzw. diese verlassen, wie auch als eine Leitung für Flüssigkeiten, die in die Brennstoffzelle eintreten als auch diese verlassen. Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht eine verbesserte Umverteilung von Flüssigkeiten vor, um eine gleichförmigere Befeuchtung der Membran 62 und der Katalysatorschichten 64, 66 vorzusehen, wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist. Die Fluidverteilungsschichten 68 befinden sich benachbart zu der Anode 64 und Kathode 66 der MEA 60 bzw. liegen diesen gegenüber. Die Fluidverteilungsschicht 68 befindet sich benachbart zu einem Strom leitenden Element 70 entlang der Kathode 66 der MEA 60 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt ein Strom leitendes Element 70 als eine Anordnung einer bipolaren Platte mit einer oberen Elementplatte 70a und einer unteren Elementplatte 70b. Wie gezeigt ist, ist die obere Platte 70a gemäß der in 2 gezeigten Ausführungsform ausgebildet und besitzt eine Hauptfläche 84. Wie in 2 gezeigt ist, weist das Strom leitende Element 70 zu der Kathode 66 und liegt der Fluidverteilungsschicht 68 gegenüber.
Bei einer typischen Brennstoffzelle umfasst die MEA 60 die Membran 62, die eine Protonenaustauschmembran (PEM) 62 ist, die zwischen den Elektroden der Anode 64 und der Kathode 66 angeordnet ist. Die Membran (PEM) 62 umfasst typischerweise ein Ionentauscherharz, wie eine Perfluorsulfonationomermembran. Eine derartige kommerziell verfügbare Membran ist die Protonen leitende Membran, die von E. I. DuPont De Nemours & Co. mit der Handelsbezeichnung NAFION^® vertrieben wird.
Die Anode 64 und die Kathode 66 umfassen typischerweise poröse leitende Materialien mit darin verteilten katalytischen Partikeln, um die elektrochemische Reaktion des Sauerstoffs in der Kathode und des Wasserstoffs in der Anode zu begünstigen. Die Anode 64 und die Kathode 66 umfassen typischerweise fein geteilte Kohlenstoffpartikel, die sehr fein geteilte katalytische Partikel, die an den Flächen der Kohlenstoffpartikel getragen sind, und ein Protonen leitendes Material aufweisen, das mit den katalytischen Partikeln und Kohlenstoffpartikeln vermischt ist. An der Anode 64 wird jedes Wasserstoff-(H₂)-Molekül in zwei Protonen (H⁺) aufgespalten, wodurch zwei Elektronen freigesetzt werden. Die Protonen wandern über die PEM 62 an die Kathode 66. Die Katalysatorpartikel in der Kathode 66 erleichtern eine Reaktion zwischen den Protonen (H⁺) und Sauerstoff (O₂), um Wasser in der Elektrode zu bilden. Wenn das Reaktandengas in die poröse Kathode 66 strömt, um zu reagieren, wird flüssiges Produktwasser erzeugt, das gleichzeitig von der Kathode 66 entfernt werden muss. Andernfalls besteht für die Elektrode 66 die Gefahr, mit Flüssigkeit ”geflutet” zu werden. Das Fluten beeinträchtigt die Gasströmung zu der Kathode 66, wodurch tatsächlich jegliche in der Elektrode stattfindende Reaktionen vermindert oder beendet werden.
Bevorzugt ist die Hauptfläche 84 des Strom leitenden Elements 70 so ausgebildet, dass sie eine gewellte Ausgestaltung mit einer Vielzahl von Scheiteln und Tälern umfassen. Die Scheitel entsprechen einer Vielzahl von Stegen 74, die dazwischen die Vielzahl von Tälern definieren, die Nuten 76 entsprechen. Die Stege und Nuten 74, 76 bedecken die gesamte Hauptfläche 84 des undurchlässigen elektrisch leitenden Elements 80, das mit der Fluidverteilungsschicht 68 in Eingriff steht. Wenn die Brennstoffzelle vollständig zusammengebaut ist, werden die Stege 74 an die Fluidverteilungsschicht 68 gepresst, die ihrerseits an die MEA 60 gepresst wird. Diese Oberflächenausgestaltung bildet das Strömungsfeld aus Gasströmungskanälen 72, durch die die Reaktandengase (d. h. H₂ oder O₂) der Brennstoffzelle in einem gewundenen Pfad von einer Einlass- zu einer Auslassseite (nicht gezeigt) des Strom leitenden Elements 70 strömen. Wie für Fachleute angemerkt sei, kann eine gewellte Fläche eine Vielzahl von Formen umfassen, wie trapezförmig, rechtwinklig, dreieckig, wellenförmig oder gezahnt, so dass die Strömungskanäle 72 in einem Durchgang oder Tal zwischen Scheiteln gebildet werden können. Gase strömen in und aus der Fluidverteilungsschicht 68 in die MEA 60 über die Gasströmungskanäle 72. Ferner transportiert die Fluidverteilungsschicht 68 auch Flüssigkeiten zu oder weg von der MEA 60.
Ein typisches Wassermanagement in einer Brennstoffzelle verlässt sich auf eine Gasumwälzung, um das Produktwasser zu entfernen. Die Hydrophobie der Fluidverteilungsschicht 68 bewirkt, dass Wasser aus der Fluidverteilungsschicht 68 und in die Strömungskanäle 72 gedrängt wird. Hochgeschwindigkeitsgasströme können die Flüssigkeiten mitreißen, oder wenn der Gasstrom ungesättigt ist, kann die Flüssigkeit verdampfen und somit aus der Brennstoffzelle transportiert werden. Bevorzugte Brennstoffzellen weisen die poröse Fluidverteilungsschicht 68 benachbart den Elektroden 64, 66 auf, um sowohl Gas als auch Flüssigkeit zu bzw. von den Elektroden 64, 66 zu übertragen. In dem Fall der Kathode 66 zieht die Fluidverteilungsschicht 68 das Produktwasser weg von der Elektrode 66. Die Entfernung des Produktwassers ist insbesondere wirksam, wenn die Gase, die in und aus der Kathode 66 durch die Gasströmungskanäle 72 (und ähnlicherweise die Fluidverteilungsschicht 68) strömen, sich unterhalb des Sättigungszustands befinden.
Es hat sich herausgestellt, dass die Leistungsfähigkeit der PEM-Brennstoffzelle empfindlich gegenüber Befeuchtungsniveaus der MEA 60 ist. Oftmals wird ein vollständig befeuchteter oder gesättigter Gasstrom verwendet. Somit erlauben vollständig befeuchtete Gasströme eine hohe Protonenleitfähigkeit wie auch eine gute Membranlebensdauer, was in einem erhöhten Brennstoffzellenwirkungsgrad und einer längeren Lebensdauer für die MEA 60 resultiert. Eine trockene MEA 60 resultiert in einer erheblich verringerten Leistungsfähigkeit und verkürzten Lebensdauer. Infolgedessen umfassen Brennstoffzellensysteme allgemein eine Befeuchtungsausstattung zum Befeuchten von trockener Luft, die in die Kathode 66 der PEM-Brennstoffzelle eintritt. Wenn die Gase vollständig gesättigt sind, tendiert nun das flüssige Produktwasser dazu, sich in der Kathodenelektrode 66 und der Fluidverteilungsschicht 68 anzusammeln. Die Ansammlung des Produktwassers erzielt einen erheblichen Massenübertragungswiderstand für den Zugang gasförmiger Reaktanden zu der Kathodenelektrode 66; kann in einer möglichen Betriebsineffizienz und in Flutungsbedingungen resultieren; und kann einen Mechanismus zur Schädigung der MEA 60 vorsehen.
Eine Flüssigkeitsentfernung kann auch durch eine hohe Gasstromgeschwindigkkeit erreicht werden. Unter Niedriglastbedingungen (beispielsweise Start- oder Übergangsbedingungen), wenn eine geringe Reaktandenströmung vorhanden ist, ist die Gasströmungsgeschwindigkeit oftmals unzureichend, um das notwendige Mitreißen der Flüssigkeit zu erreichen. Ferner können sich bei stabilen Betriebszuständen Flüssigkeiten in stagnierenden Bereichen ansammeln, wie beispielsweise dem Anteil der Fluidverteilungsschicht 68 oberhalb der Stege 74, wobei nur eine geringe oder gar keine konvektive Gasströmung vorhanden ist, um Wasser neben der Kathode 66 zu entfernen. Umgekehrt können einige Bereiche für längere Zeitperioden trockenen Gasen ausgesetzt werden. Somit kann die Befeuchtung der MEA 60 stark ungleichmäßig sein. Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wassermanagementsystem an dem Strom leitenden Element 70 in einer Brennstoffzelle, das eine Wasserentfernung von den Elektroden 64, 66 und der Fluidverteilungsschicht 68 steigert, indem Wasser zu und durch ein Flüssigkeitsverteilungsmedium 82 entlang des Strom leitenden Elements 70 transportiert wird, um einen Brennstoffzellenbetrieb zu steigern, in dem ein potentielles Fluten der Elektrode 66 und der Fluidverteilungsschicht 68 in einigen Gebieten verringert wird und die MEA 60 in anderen Gebieten lokal getrocknet wird. Ein effektives Wassermanagementsystem gemäß der vorliegenden Erfindung erhöht den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle erheblich und verlängert auch deren Lebensdauer erheblich.
Das Strom leitende Element 70 der bipolaren Platte gemäß bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besteht aus einem undurchlässigen elektrisch leitenden Element 80, das mit dem Flüssigkeitsverteilungsmedium 82 bedeckt ist, wie am besten durch die erste Platte 70a in 3 gezeigt ist. Das Strom leitende Element 70 ist in dem Bereich elektrisch aktiv, der mit dem Bereich übereinstimmt, der von der MEA 60 besetzt ist, und leitet die elektrische Ladung in einem leitenden Pfad von der Kathode 66 der Brennstoffzelle. Wie in 3 gezeigt ist, ist bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung das Strom leitende Element 70 als eine gesamte bipolare Plattenanordnung ausgebildet, die eine erste und zweite Platte 70a, 70b umfasst, wobei ein erstes undurchlässiges elektrisch leitendes Element (ähnlich 80, wie in 2 gezeigt ist) an einem zweiten undurchlässigen Element 81 befestigt ist, und Kühlmittelströmungskanäle 83 zwischen den beiden undurchlässigen Elementen 80, 81 ausgebildet sind. Bei einer derartigen Ausführungsform würde das zweite undurchlässige Element 81 der zweiten Platte 70b zu einer Anode (nicht gezeigt) einer anderen Brennstoffzelle weisen.
Das undurchlässige elektrisch leitende Element 80 umfasst einen festen leitenden Körper. Die undurchlässige elektrisch leitende Schicht 80 ist sowohl gegenüber Fluid- als auch Gasströmung undurchlässig, wodurch eine physikalische Barriere zwischen den verschiedenen Brennstoffzellen oder an dem Anschlussende des Stapels vorgesehen wird. Das undurchlässige elektrisch leitende Element 80 kann aus in der Technik bekannten leitenden Materialien aufgebaut sein. Diese leitenden Materialien können Metalle wie beispielsweise Aluminium, Titan, rostfreie Stähle und deren Legierungen, Graphit, C/C-Verbundstoffe oder Polymerverbundmaterialien umfassen, die eine Matrix aus leitenden Partikeln aufweisen. Das undurchlässige elektrisch leitende Element 80 ist oftmals aus Metall aufgebaut, typischerweise einer Tafel, die so dünn wie möglich (beispielsweise etwa 0,051–0,51 mm dick) hergestellt ist. Die Metalltafel kann durch Prägen, Stanzen, durch Photoätzen (d. h. durch eine photolithografische Maske) oder durch einen anderen herkömmlichen Metallherstellprozess geformt werden. Bei alternativen bevorzugten Ausführungsformen kann das undurchlässige elektrisch leitende Element 80 aus einer leitenden Polymermatrix hergestellt sein, die in einem Polymerharz dispergierte leitende Partikel aufweist. Derartige Harze können wärmeaushärtbare und thermoplastische Harze umfassen. Ein derartiges Polymerharz umfasst bevorzugt ein beliebiges Polymer, das wasserunlöslich ist, wenn es vernetzt oder gehärtet oder verfestigt ist, und kann die raue oxidative und saure Umgebung der Brennstoffzelle aushalten. Ein Beispiel eines undurchlässigen elektrisch leitenden Elements 80, das aus Polymermatrizen hergestellt ist, ist in der ebenfalls übertragenen Patentanmeldung US 2004/0175608 A1 offenbart, die am 7. März 2003 eingereicht wurde.
Zusätzlich zu dem undurchlässigen elektrisch leitenden Element 80 umfasst das Strom leitende Element 70 ferner das Flüssigkeitsverteilungsmedium 82 entlang der Hauptfläche 84. Das Flüssigkeitsverteilungsmedium 82 ist bevorzugt eine poröse hydrophile Schicht, die Wasser weg von der Fluidverteilungsschicht 68 und der Kathode 66 transportiert (2). Das Flüssigkeitsverteilungsmedium 82 dient mehreren Funktionen. Eine derartige Funktion besteht darin, jegliches Wasser, das sich in der Kathode 66 ansammelt, wegzuführen (und somit von den entsprechenden Bereichen der Fluidverteilungsschicht 68 wegzuführen). Dies erlaubt, dass Flüssigkeit, die sich in stagnierenden Bereichen der Kathode 66 und der Fluidverteilungsschicht 68 ansammelt, wie diejenigen in Kontakt mit den Stegen 64, weggeführt werden kann, um ein lokales Fluten zu verhindern. Ein bevorzugter Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst die Fähigkeit, das Wasser oder die Flüssigkeit über die gesamte Hauptfläche 84 des Strom leitenden Elements 70 durch nicht mechanische Mittel zu bewegen (d. h. durch Saugwirkung, die durch die Kapillarkräfte in dem Flüssigkeitsverteilungsmedium 82 begünstigt wird, ohne Notwendigkeit eines externen Pumpens oder einer externen Druckbeaufschlagung), um für eine Regulierung der Flüssigkeit entlang der Kathodenseite der MEA 60 und in der Zelle zu sorgen. Die Regulierung des Flüssigkeitstransports wird durch Gleichgewichtstreibkräfte zwischen relativ trockenen und feuchten Bereichen innerhalb des saugenden Materials in dem Flüssigkeitsverteilungsmedium 82 erreicht. Flüssigkeiten werden von Bereichen mit hoher Konzentration zu Bereichen mit niedrigerer Konzentration entlang des Flüssigkeitsverteilungsmediums 82 gesaugt. Eine derartige Kapillarwirkung in dem Flüssigkeitsverteilungsmedium 82 erfolgt oft gegen die Gasströmung und erreicht eine gleichförmige Wasserverteilung über das Strom leitende Element 70 und verringert somit den ionischen ohmschen Verlust in der Membran 62 und der Kathodenelektrode 66 und verbessert die Zellenleistungsfähigkeit.
Ein anderer bevorzugter Aspekt des Flüssigkeitsverteilungsmediums 82 umfasst eine größere Gas-Flüssigkeit-Schnittstellenzone, die aufgrund der hohen Oberfläche des porösen Flüssigkeitsverteilungsmediums 82 auftritt, das die Gasströmungskanäle 72 auskleidet. Somit erfolgt, wenn Flüssigkeiten zu relativ trockeneren Gebieten in dem Flüssigkeitsverteilungsmedium 82 bewegt werden, dies allgemein in die Gasströmungskanäle 72, wo eine größere Gas-Flüssigkeit-Schnittstelle in einem Gebiet einer konvektiven Gasströmung eine größere Verdunstung oder ein stärkeres Mitreißen begünstigt. Zusätzlich ermöglicht die hydrophile Schicht des Flüssigkeitsverteilungsmediums 82 eine bessere Trennung der Flüssigkeit von Gas, wodurch separate Transportpfade für den Reaktandeneintritt und den Produktaustritt ermöglicht werden. Infolgedessen ist der Massenübertragungswiderstand aufgrund der Anwesenheit von flüssigem Wasser in der Fluidverteilungsschicht 68 und der Kathode 66 erheblich verringert, da ein größerer Anteil der Poren zu der Gasströmung offen ist, anstatt durch Flüssigkeitsmoleküle besetzt zu sein. Somit erleichtert das Flüssigkeitsverteilungsmedium 82 einen verbesserten Zutritt von Gasreaktanden in die und Austritt von Flüssigkeit aus der Brennstoffzelle.
Das Flüssigkeitsverteilungsmedium 82, das für die vorliegende Erfindung gewählt ist, ist bevorzugt ein leitendes poröses Material, das Flüssigkeit durch Kapillarwirkung saugt. Ein poröses Material besitzt eine Kapillarwirkungssaugrate, die von sowohl der Porengröße als auch der Permeabilität des Materials abhängig ist. Der Massenfluss (m₁) des Arbeitsfluides, das in einer porösen Kapillarschicht strömt, wird bestimmt durch
wobei K₁ die Permeabilität der Kapillarschicht in der Anwesenheit eines flüssigen Arbeitsfluides ist; v₁ die dynamische Viskosität der Flüssigkeit ist; p_g der Gasphasendruck ist; p_c der Kapillardruck ist und L die Transportlänge ist. Der Kapillardruck (p_c) wird allgemein in einem porösen Material durch die folgende Gleichung bestimmt:
und die Permeabilität der Kapillarschicht K₁ ist gegeben durch
wobei σ die Oberflächenspannung der Flüssigkeit ist; θ_c der Kontaktwinkel zwischen der Flüssigkeit und der Oberfläche, mit der sie in Kontakt steht, ist (wobei ein Wert von Null angibt, dass die Oberfläche vollständig hydrophil für die Flüssigkeit ist), d der Porengrößendurchmesser ist; s das Flüssigkeitssättigungsniveau ist, das durch das Verhältnis des Volumenanteils von Flüssigkeit zu der Porosität definiert ist, und ε definiert ist durch
wobei A und B Konstanten sind, die mit der Porenstruktur und der Form der Partikel in Verbindung stehen, die die Kapillarschicht bilden. In Gleichung 2 ist f(s) bekannt als der dimensionslose Kapillardruck, der eine Funktion von s ist. Der dimensionslose Kapillardruck f(s) ist gegenüber dem Wassersättigungswert in 4 für ein poröses Material, das kugelförmige Partikel aufweist, aufgetragen. Der Wert des dimensionslosen Kapillardrucks f(s) liegt im Bereich von 1 bis 0 (da s dementsprechend von 0 nach 1 zunimmt), was bedeutet, dass sich die Kapillarkraft verflüchtigen würde, wenn das poröse Material durch die Flüssigkeit vollständig gesättigt ist.
In Gleichung 3 steht die Formel innerhalb der Klammern für die absolute Permeabilität eines porösen Mediums in der Abwesenheit von Flüssigkeit, und sⁿ wird als die relative Permeabilität des porösen Mediums in der Anwesenheit von Flüssigkeit betrachtet, wobei n die Wirkung der Gas-Flüssigkeit-Wechselwirkung reflektiert. Ferner sind K₁ und p_c abhängig von der Porengröße, wobei K₁ zunimmt, wenn die Porengröße erhöht ist, und p_c zunimmt, wenn die Porengröße verringert ist. Wie beobachtet werden kann, existiert eine optimale Porengröße, die einen Kapillardruck erzeugt, der ausreichend groß ist, um einen gewünschten Massenfluss des Arbeitsfluides herzustellen, und die erlaubt, dass Flüssigkeit gegen einen Gasdruckgradienten über das Strömungsfeld strömen kann. Somit ist, um einen Massenfluss über das Flüssigkeitsverteilungsmedium zu erleichtern, die Porengröße bevorzugt eine Größe, die eine gleichförmige Verteilung von Flüssigkeiten über den gesamten aktiven Bereich mittels einer kapillar betriebenen Strömung zulässt.
Die Porengrößenauswahl für das Flüssigkeitsverteilungsmedium 82 kann von dem Gebiet von Differenzdrücken über das Strömungsfeld abhängig sein. Innenporen werden als Mikroporen bezeichnet und Außenporen werden als Mesoporen bezeichnet. Die hier verwendeten Begriffe ”Pore” und ”Poren” betreffen sowohl Mesoporen als auch Mikroporen, und die ”Porengröße” betrifft einen durchschnittlichen oder mittleren Wert, der die Durchmessergrößen sowohl der inneren als auch äußeren Poren umfasst. Es ist bevorzugt, dass die durchschnittliche Porengröße äquivalent zu einem Radius von größer als etwa 0,2 μm und kleiner als etwa 30 μm ist. Die Auswahl des Materials für das Flüssigkeitsverteilungsmedium 82 optimiert die Porengröße, um den Massenfluss auf eine maximale Größe zu erhöhen, über das Gebiet von Druckdifferenzen, die während der Betriebsbedingungen auftreten. Toleranzniveaus für den Differenzdruck über das Strömungsfeld werden durch verschiedene Systemparameter bestimmt, wie die Integrität der Membran 62, Partialdrücke von Reaktanden, wie auch die Systemhandhabungsfähigkeit.
Die Breite und Höhe des Flüssigkeitsverteilungsmediums 82 beeinflusst auch den Massenfluss und den elektrischen Widerstand. Wenn die Dicke der Flüssigkeitsverteilungsschicht 82 abnimmt oder die Länge des Flüssigkeitsverteilungsmediums 82 zunimmt, wird der Transport des Wassers durch die Materialmenge zunehmend schwierig. Die allgemeine Beziehung zwischen der Porengröße und der Schichtdicke ist in 5 gezeigt. Bei der Entwicklung von 5 wurde die Brennstoffzelle bei einer Temperatur von 70°C betrieben, die angelegte Stromdichte betrug 1,2 A/cm², der Gasdruckabfall wurde von 10 nach 30 kPa variiert; die dimensionslose Kapillardruckdifferenz betrug 0,3, der Wassersättigungswert s betrug 0,8 und der Porenanteil ε betrug 0,5. 5 gibt an, dass das Gebiet der Porengrößen sich für eine gegebene Dicke der Flüssigkeitsverteilungsschicht 82 erweitert, wenn der Gasdruckabfall abnimmt. Bei der Auswahl der Dicke des Flüssigkeitsverteilungsmediums steht die Bewertung der Dicke des Materials im Gleichgewicht mit der Porengröße (und daher dem Kapillardruck und den hydrophilen Eigenschaften). Wie beobachtet werden kann, ist für die Flüssigkeitsverteilungsschicht 82 eine minimale Dicke vorhanden. Ferner ist es bei der Auswahl einer Dicke des Flüssigkeitsverteilungsmediums 82 erwünscht, den Kapillardruck gegenüber der Permeabilität, die durch die Porengröße bestimmt ist, zu optimieren. Somit ist δ die minimale Dicke der Flüssigkeitsverteilungsschicht, die durch Maximierung der Wasserströmung durch diese bestimmt ist. δ wird nämlich durch die folgende Gleichung bestimmt:
(Gleichung 5). In Gleichung 5 ist I der maximale Strom der Brennstoffzelle; F ist die Faradaysche Konstante gleich 96,487 C/mol; W_c ist die Breite des Kanals; W_L ist die Breite des Steges, MW_H2O ist das Molekulargewicht von Wasser gleich etwa 18 g/mol, p_I ist die Dichte der Flüssigkeit, μ_I ist die Viskosität der Flüssigkeit und D_C ist der so genannte Kapillardiffusionskoeffizient. Abhängig von dem Massenfluss für ein gegebenes Material kann die Materialdicke für größere Massenflussraten größer sein und für kleinere Massenflussraten dünner sein, wobei die ultimative Aufgabe darin besteht, eine gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit über das Flüssigkeitsverteilungsmedium 82 während der Betriebsbedingungen sicherzustellen. Somit beträgt mit einer bevorzugten Porengröße zwischen 3 bis 6 um die minimale Schichtdicke 10 μm für einen Gasdruckabfall von 10 kPa. Eine bevorzugte Dicke für das Flüssigkeitsverteilungsmedium 82 des Strom leitenden Elements 70 gemäß der vorliegenden Erfindung liegt zwischen etwa 3 μm bis etwa 50 μm, wobei die Flüssigkeitsverteilungsschicht 82 auf die Platte 70 des Strom leitenden Elements aufgebracht ist. Für Platten, bei denen die Flüssigkeitsverteilungsschicht 82 Teil der Struktur der Platte 70 ist, können die Dicken in der Höhe von 3 mm liegen.
Ferner ist das Material des Flüssigkeitsverteilungsmediums 82 so gewählt, dass es einen relativ geringen elektrischen Widerstand besitzt, um die elektrische Leitfähigkeit durch die Platte 70 des Strom leitenden Elements zu steigern. Es ist bevorzugt, dass der elektrische Widerstand des Flüssigkeitsverteilungsmediums 82 nicht ungefähr 25 mΩ·cm² überschreitet, der den Kontaktwiderstand zwischen der Flüssigkeitsverteilungsschicht 82 und der Fluidverteilungsschicht 68 umfasst. Somit umfassen Faktoren, die bei dem Auswahlprozess des Materials des Flüssigkeitsverteilungsmediums 82 wichtig sind, die Saugfähigkeit oder -rate des Flüssigkeitsmassentransports des Materials, die durch die Porengröße (und durch die Permeabilität), die angibt, ob das Material effizient Wasser unter unter Druck stehenden Bedingungen transportiert, wie auch die elektrische Leitfähigkeit bestimmt ist.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung steht das Flüssigkeitsverteilungsmedium 82 in Kontakt mit der Fluidverteilungsschicht 68. Die Fluidverteilungsschicht 68 steht mit der Kathode 66 (oder Elektrode) auf einer ersten Seite 90 in Kontakt, die einer zweiten Seite 92 in Kontakt mit dem Flüssigkeitsverteilungsmedium 82 gegenüberliegt. Die Fluidverteilungsschicht 68 ist bevorzugt ein poröses Material, das behandelt worden ist, so dass es relativ hydrophobe Eigenschaften in Bezug auf das Flüssigkeitsverteilungsmedium 82 aufweist. Die poröse Fluidverteilungsschicht 68 dient zwei Funktionen, wie vorher beschrieben ist, die umfassen, dass Flüssigkeiten weg von der Elektrode 66 (beispielsweise Produktwasser) gezogen werden, während eine gleichförmige Verteilung vorgesehen wird und Reaktandengas an die Elektrode 66 geliefert wird.
Bei gewissen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die durchschnittliche Porengröße der Fluidverteilungsschicht 68 größer als die durchschnittliche Porengröße des Flüssigkeitsverteilungsmediums 82. Die Fluidverteilungsschicht 68 ist weniger hydrophil als das benachbarte Flüssigkeitsverteilungsmedium 82 (so dass Wasser aus der Fluidverteilungsschicht 68 in das Flüssigkeitsverteilungsmedium 82 gezogen wird). Die Kapillarkraft in einer kleineren Porengröße zieht Flüssigkeiten in das Flüssigkeitsverteilungsmedium 82. Ein bevorzugter Typ von poröser Fluidverteilungsschicht 68 ist aus Graphitfasern aufgebaut, wie beispielsweise dem Toray^®-Kohlepapier, das in eine hydrophobe Polymerlösung getaucht worden ist, wie eine Lösung, die ein Gusslösemittel und Polytetrafluorethylen (PTFE) umfasst. Die Hydrophobie einer derartigen Fluidverteilungsschicht 68 ist typischerweise kleiner als die Hydrophobie der Katalysatorschicht.
Produktwasser tritt aufgrund eines Gradienten mit zunehmender Hydrophilie in die Fluidverteilungsschicht 68 von der Kathode 66 ein. Die zweite Seite 92 der Fluidverteilungsschicht 68 ist benachbart zu dem hydrophileren Flüssigkeitsverteilungsmedium 82 angeordnet, was weiter Wasser weg von der Fluidverteilungsschicht 68 zieht. Auf Grundlage des Hydrophiliegradienten wird Wasser weg von der Kathodenelektrode 66 und in das Flüssigkeitsverteilungsmedium 82 getrieben. Wie nachfolgend weiter beschrieben ist, wird bei bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung das Flüssigkeitsverteilungsmedium 82 behandelt, so dass es hydrophile Eigenschaften aufweist. Bei bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist das Flüssigkeitsverteilungsmedium 82 so ausgebildet, dass es kleinere Porengrößen und eine größere Hydrophilie aufweist, um Flüssigkeiten schnell aus der Fluidverteilungsschicht 68 zu ziehen.
Wie in den 2 und 3 gezeigt ist, bedeckt bei einer bevorzugten Ausführungsform des Strom leitenden Elements 70 gemäß der vorliegenden Erfindung das Flüssigkeitsverteilungsmedium 82 im Wesentlichen die gesamte Hauptfläche 84 des Strom leitenden Elements 70, die der elektrisch aktiven Fläche der MEA 60 entspricht. Die undurchlässige leitende Platte 80 bildet das Strömungsfeld aus Stegen und Nuten 74, 76, das die Gasströmungskanäle 82 bildet, die einen Zutritt und Austritt von Gas zulassen. Das Flüssigkeitsverteilungsmedium 82 bildet eine Schicht entlang der Hauptfläche 84, die die undurchlässige leitende Platte 80 bedeckt, und das Flüssigkeitsverteilungsmedium 82 erstreckt sich über die Stege und Nuten 74, 76. Bei der vorliegenden Ausführungsform erhöht das Flüssigkeitsverteilungsmedium 82 den Bereich des elektrischen Kontakts durch Vergrößerung der Oberfläche des leitenden Materials, das mit der Fluidverteilungsschicht 68 in Kontakt steht. Ferner steht das Flüssigkeitsverteilungsmedium 82 in Kontakt mit der Fluidverteilungsschicht 68 in den Bereichen, die den Stegen 74 entsprechen, was den Abzug von Flüssigkeiten, die sich über den Stegen 74 sammeln können, steigert. Wie vorher beschrieben wurde, wird auch die Gas-Flüssigkeit-Schnittstelle in den Gasströmungskanälen 72 aufgrund einer Auskleidung eines eine hohe Oberfläche aufweisenden, porösen Flüssigkeitsverteilungsmediums 82 gesteigert. Somit werden Flüssigkeiten von der Fluidverteilungsschicht 68 zu und durch das poröse Material an Gebiete mit niedrigerer Flüssigkeitskonzentration gezogen, was wahrscheinlich in Bereichen erfolgt, in denen die Flüssigkeiten durch Wechselwirkung mit Gasen, die über das poröse Material strömen, verdampft werden.
Bei einer nicht-erfindungsgemäßen Ausführungsform, wie in den 6 und 7 gezeigt ist, ist die Platte 70' des Strom leitenden Elements mit einem Flüssigkeitsverteilungsmedium 82 nur in den Gasströmungskanälen 72 bedeckt. Die darunter liegende undurchlässige leitende Platte 80' weist die darin ausgebildeten Stege 74' und Nuten 76' auf, um das Strömungsfeld zu erzeugen, das Gasströmungskanäle 72 aufweist, die den Nuten 76' entsprechen. Bei der vorliegenden Ausführungsform bedeckt das Flüssigkeitsverteilungsmedium 82' die Gebiete, die den Nuten 76' oder Gasströmungskanälen 72 entsprechen. Somit bleiben die Stege 74' der undurchlässigen leitenden Platte 80' unbedeckt und in direktem Kontakt mit der Fluidverteilungsschicht 68. Das Flüssigkeitsverteilungsmedium 82' steht in Kontakt mit der Fluidverteilungsschicht 68 an Anschlussenden 96 des Flüssigkeitsverteilungsmediums 82', um einen Transportpfad für Flüssigkeit vorzusehen, die aus der Fluidverteilungsschicht 68 kommt. Die vorliegende Ausführungsform sieht eine Schicht 82' des Flüssigkeitsverteilungsmediums vor, die Wasser von der Fluidverteilungsschicht 68 zieht und an trockene Bereiche in dem Material selbst und/oder in den strömenden Gasstrom, der durch die Gasströmungskanäle 72 strömt, umverteilt. Bei dieser Ausführungsform verläuft der elektrische Leitungspfad von der Fluidverteilungsschicht 68 direkt in die bipolare leitende Kollektorplatte 80', und die Fluidverteilungsschicht 82' muss nicht elektrisch leitend sein.
Bei einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in 8 gezeigt ist, sind die Gasströmungskanäle 72 ausschließlich in dem Körper des Flüssigkeitsverteilungsmediums 82'' eines Strom leitenden Elements 70'' ausgebildet. Das Strom leitende Element 70'' umfasst auch ein flaches oder planares undurchlässiges Element 80'' der elektrisch leitenden Platte. Das Strom leitende Element 70'' umfasst ferner ein Flüssigkeitsverteilungsmedium 82', das die flache undurchlässige leitende Platte 80'' in einer relativ dicken Schicht überdeckt. In dem Flüssigkeitsverteilungsmedium 82'' sind Stege 74'' und Nuten 76'' ausgebildet, die Gasströmungskanäle 72 erzeugen, die das Strömungsfeld voll-ständig innerhalb des Flüssigkeitsverteilungsmediums 82'' bilden. Somit wird ein elektrisch leitender Pfad von der Fluidverteilungsschicht 68 durch die Masse des Flüssigkeitsverteilungsmediums 82'' an die elektrisch leitende undurchlässige Platte 80'' gebildet.
In 9 ist eine andere alternative bevorzugte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Ein Strom leitendes Element 70'' umfasst ein undurchlässiges leitendes Plattenelement 80''', das mit dem Flüssigkeitsverteilungsmedium 82''' bedeckt ist. Das Flüssigkeitsverteilungsmedium 82''' umfasst mehrere Schichten 98 aus leitendem porösen Material. Somit ist bei der in 9 gezeigten Ausführungsform das Flüssigkeitsverteilungsmedium 82''' eine Doppelschichtstruktur, die aus einer ersten Schicht 100 und einer zweiten Schicht 102 aufgebaut ist, die aus den bevorzugten Materialien der Flüssigkeitsverteilungsmedien, die beschrieben wurden, aufgebaut ist. Ein bevorzugter Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst die Fähigkeit, die erste Schicht 100 mit einer relativ hohen Hydrophilie und die zweite Schicht 102 mit einer relativ niedrigen Hydrophilie zu erzeugen. Ferner umfasst ein anderer Vorteil mit mehreren Schichten 98 des Flüssigkeitsverteilungsmediums 82''' die Fähigkeit, verschiedene Porengrößen in jeder Schicht 98 zu haben, wodurch ein Gradient an Porosität durch das Flüssigkeitsverteilungsmedium 82''' erzeugt wird. Somit besitzt bei bevorzugten Ausführungsformen die erste Schicht 100, die mit dem Fluidverteilungsmedium 68 in Kontakt steht, kleinere Porengrößen, um den Kapillardruck zu steigern, wobei beispielsweise die durchschnittliche Porengröße in der ersten Schicht 100 zwischen etwa 0,2 bis etwa 10 μm liegen kann. Die zweite Schicht 102, die nicht in Kontakt mit der Fluidverteilungsschicht 68 steht, kann eine relativ große Porengröße beispielsweise zwischen etwa 10 bis etwa 30 μm besitzen. Somit besitzt die zweite Schicht 102 eine erhöhte Permeabilität bezüglich der ersten Schicht 100, was eine größere Sauggeschwindigkeit und einen stärkeren Massentransport zur Folge hat, wodurch eine schnellere Umverteilung von Flüssigkeit in dem Flüssigkeitsverteilungsmedium 82''' erleichtert wird. Wie für Fachleute offensichtlich ist, können mehrere Schichten 98 mit einer Vielzahl physikalischer Eigenschaften in dem Flüssigkeitsverteilungsmedium 80''' der vorliegenden Ausführungsform verwendet werden, um die Flüssigkeitsentfernung von der MEA 60 und der Fluidverteilungsschicht 68 zu steigern.
Bei bestimmten bisherigen Ausführungsformen, wie der, die in 2 gezeigt ist, ist beispielsweise ein herkömmliches Strömungsfeld an einem Strom leitenden Element 102 entlang der Anodenseite 64 ausgebildet, wo die obere Fluidverteilungsschicht 98 die Stege 104, die in dem Strom leitenden Element 102 ausgebildet sind, berührt. Bei anderen bevorzugten alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann das Strom leitende Element gemäß der vorliegenden Erfindung an sowohl der Anodenseite 64 der MEA 60 als auch der Kathodenseite 66 enthalten sein, wie in den 8 und 10 gezeigt ist. Wie in 10 gezeigt ist, besitzt die Anode 64 nicht dieselben Probleme mit dem Management von flüssigem Wasser wie die Kathode 66, da Produktwasser nur an der Kathodenseite 66 erzeugt wird. Jedoch kann sich einiges flüssiges Wasser an der Seite der Anode 64 aufgrund einer Rückdiffusion durch die Membran 62 ansammeln, und eine Umverteilung dieses Wassers ist bei der Verbesserung der Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit der Brennstoffzelle von Vorteil. Bei den vorherigen Ausführungsformen, die oben beschrieben wurden, umfasst das Strom leitende Element 70 das Flüssigkeitsverteilungsmedium 82, um flüssiges Wasser zu sammeln, an trockene Bereiche entlang der Kathode 66 umzuverteilen, die PEM 62 zu befeuchten und das Wasser in Gasströmen zu verdampfen oder mitzureißen, um die Flüssigkeit von der Brennstoffzelle über Gasströmungskanäle 72 zu entfernen. Die Befeuchtung der PEM 62 entlang der Anode 64 ist allgemein ausreichend, da die Dicke einer typischen Membran 62 nicht verhindert, dass Wasserdampf beide Seiten der Membran 62 befeuchtet (beispielsweise liegen typische Dicken bei etwa 15~50 μm). Wenn jedoch eine zusätzliche Befeuchtung oder ein zusätzliches Wassermanagement entlang der Anode 64 nötig ist, können zwei Strom leitende Elemente 70, die Schichten 82 des Flüssigkeitsverteilungsmediums umfassen, benachbart zu den Anoden- bzw. den Kathodenseiten 64, 66 anstelle eines herkömmlichen Strom leitenden Elements (102 von 2) an der Anode 64 angeordnet werden.
Somit besitzen sowohl die Anode als auch die Kathode 64, 66 Strom leitende Elemente 70, die das Flüssigkeitsverteilungsmedium 82 und die leitende undurchlässige Platte 80 gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen. Ferner sind zwei Fluidverteilungsschichten 68 bevorzugt zwischen den bipolaren Platten 70 des Strom leitenden Elements und der Anode bzw. Kathode 64, 66 angeordnet, um eine gleichmäßige Gasverteilung zu erleichtern. Es ist jede Ausgestaltung der Platten 70 des Strom leitenden Elements mit der vorliegenden Ausführungsform denkbar, und die Anode und Kathode 64, 66 können ähnliche oder verschiedene Ausführungsformen der Strom leitenden Elemente 70, die das Flüssigkeitsverteilungsmedium 82 aufweisen, haben. Wie in 10 gezeigt ist, sind die Ausgestaltungen des Flüssigkeitsverteilungsmediums 82 ähnlich der Ausführungsform, die nur in 2 an der Kathode 66 gezeigt ist.
Das Strom leitende Element 70 gemäß der vorliegenden Erfindung kann durch verschiedene Verfahren hergestellt oder aufgebaut werden. Ein derartiges Verfahren umfasst, dass ein undurchlässiges elektrisch leitendes Element 80 mit einer Hauptfläche 84 vorgesehen wird, die durch ein leitendes poröses polymeres Flüssigkeitsverteilungsmedium 82 bedeckt ist. Das undurchlässige elektrisch leitende Element 80 kann aus leitendem Metall oder einem leitenden Verbundstoff hergestellt sein. Wie vorher beschrieben, können bei der undurchlässigen elektrisch leitenden Platte 80 die Stege und Nuten 74, 76 vor der Aufbringung eines Flüssigkeitsverteilungsmediums 82 geformt werden, und gemäß der vorliegenden Ausführungsform zur Herstellung des Strom leitenden Elements 70 ist es bevorzugt, dass das Strömungsfeld vorgeformt ist. Ein Vorläufer eines Flüssigkeitsverteilungsmediums 82 wird dadurch ausgebildet, dass ein Poren bildender Bestandteil, wie beispielsweise ein Salz, mit einer Polymerlösung gemischt wird. Bevorzugt wird das den Poren bildenden Bestandteil darstellende Salz homogen mit der gesamten Polymerlösung gemischt und besitzt eine Partikelgröße von etwa 0,2 bis 10 μm.
Ferner ist bei gewissen bevorzugten Ausführungsformen das Flüssigkeitsverteilungsmedium 82 elektrisch leitend, während bei anderen bevorzugten Ausführungsformen das Flüssigkeitsverteilungsmedium 82 keine elektrische Leitfähigkeit erfordert (wie bei der Ausführungsform, die in den 6 und 7 gezeigt ist). Bei einer derartigen Ausgestaltung, bei der es nicht erforderlich ist, dass das Flüssigkeitsverteilungsmedium 82 leitend ist, können die Stege 74 maskiert werden, wenn der Vorläufer des Flüssigkeitsverteilungsmediums 82 aufgebracht wird. Bei Ausführungsformen, bei denen eine elektrische Leitfähigkeit erforderlich ist, werden der Vorläufermischung des Flüssigkeitsverteilungsmediums 82 elektrisch leitende Partikel hinzugesetzt. Die leitenden Partikel ermöglichen eine elektrische Leitfähigkeit durch das polymere Flüssigkeitsverteilungsmedium 82. Derartige leitende Partikel können elektrisch leitende Partikel (d. h. weniger als etwa 50 μm) umfassen, die über die Polymermatrix verteilt sind. Typischerweise enthält diese Polymermatrix etwa 15 Gew.-% bis etwa 80 Gew.-% Feststoffe, bestimmt durch die Festigkeits- und Leitfähigkeitsanforderungen der Schicht bei einer bestimmten Ausführungsform.
Die elektrisch leitenden Partikel sind aus der Gruppe gewählt, die umfasst: Gold, Platin, Graphit, Kohlenstoff, Nickel, leitende Metallboride, -nitride und -carbide (beispielsweise Titannitrid, Titancarbid, Titandiborid), Titanlegierungen, die Chrom und/oder Nickel enthalten, Palladium, Niob, Rhodium, Seltenerdmetalle und andere Edelmetalle. Am bevorzugtesten umfassen die Partikel Kohlenstoff oder Graphit (d. h. hexagonal kristallisierten Kohlenstoff). Die Partikel umfassen variierende Gewichtsprozentsätze der Polymermatrix, die das Flüssigkeitsverteilungsmedium 82 bildet, abhängig von sowohl den leitenden Eigenschaften des Polymers selbst (Bestimmung des Ausmaßes der erforderlichen Leitfähigkeit) als auch weiter der Dichte und Leitfähigkeit der Partikel (d. h. Partikel mit einer hohen Leitfähigkeit und geringen Dichte können in geringeren Gewichtsprozentsätzen verwendet werden). Kohlenstoff/graphithaltige leitende Polymerbeschichtungen enthalten typischerweise 25–50 Gewichtsprozent Kohlenstoff/Graphitpartikel. Bevorzugte Polymere, die mit der vorliegenden Erfindung verwendbar sind, umfassen beispielsweise Polypropylen, Polyethylen, Epoxidharze, Silikone, Polyamidimide, Polyetherimide, Polyphenole, Fluorelastomere (beispielsweise Polyvinylidenfluorid), Polyester, Phenoxyphenole, Epoxidphenol, Acrylharze und Urethane.
Die Vorläufermischung des Flüssigkeitsverteilungsmediums 82 wird auf die Hauptfläche 84 des undurchlässigen elektrisch leitenden Elements 80 durch ein beliebiges in der Technik bekanntes Verfahren, beispielsweise durch Sprühbeschichtung oder Streichaufbringung aufgebracht. Nachdem die Vorläufermischung des Flüssigkeitsverteilungsmediums 82 aufgebracht ist, wird die Hauptfläche 84 behandelt, um das poröse Flüssigkeitsverteilungsmedium 82 zu erzeugen. Die geeignete Behandlung ist abhängig von dem gewählten Poren bildenden Bestandteil in der Vorläufermischung. Beispielsweise ist ein bevorzugter Poren bildender Bestandteil ein Salz, das sich in Lösemittel löst, wie in Natriumnitrat, das sich in Wasser löst. Das Strom leitende Element 70 mit dem aufgebrachten Vorläufer des Flüssigkeitsverteilungsmediums 82 wird mit Wasser in dem Ausmaß gewaschen, dass die Salzpartikel in dem Material im Wesentlichen gelöst und entfernt werden. Der gelöste Poren bildende Bestandteil hinterlässt Lücken oder offene Poren in den Gebieten, die er in der Schicht des Flüssigkeitsverteilungsmediums 82 besetzt hat, wodurch dem Material poröse Eigenschaften verliehen werden.
Bei einem anderen Verfahren zum Aufbringen einer Porosität auf das Flüssigkeitsverteilungsmedium 82 ist der Poren bildende Bestandteil so gewählt, dass er sich zersetzt, um bei Anwendung von Wärme ein Gas zu bilden, wie beispielsweise mit Ammoniumbicarbonatsalz. Die Freigabe von Gasen reißt Löcher in das Material, die die poröse Struktur bilden. Nach einem Behandeln des Vorläufer-Flüssigkeitsverteilungsmediums 82, um die Porosität aufzubringen, wird das Strom leitende Element 70 weiter durch Aufbringen von Wärme behandelt, um die polymere Struktur zu härten und diese dauerhaft an der Hauptfläche 84 der undurchlässigen Platte 80 zu befestigen. Vernetzte Polymere sind für die Erzeugung undurchlässiger Beschichtungen bevorzugt, die korrosionsbeständige Eigenschaften für die darunter liegenden potentiell korrosionsanfälligen Substrate vorsehen. Allgemein wird ein Härten oder Vernetzen durch Aufbringen von Wärme erreicht. In dem Fall eines den Poren bildenden Bestandteil darstellenden Salzes, das verdampft, wie beispielsweise Ammoniumbicarbonat, kann die Aufbringung von Wärme zum Härten mit der Aufbringung von Wärme zum Zersetzen und Verdampfen des Salzes kombiniert werden. Bevorzugte Temperaturen zum Härten liegen allgemein im Bereich von etwa 150° bis etwa 300°C.
Bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann das Flüssigkeitsverteilungsmedium 82 so behandelt werden, dass dem Material zusätzliche hydrophile Eigenschaften verliehen werden. Dies kann durch Behandlung mit einem Ätzmittel oder durch Brennen bei hohen Temperaturen ausgeführt werden. Ferner kann eine derartige Behandlung eine Chemical Vapor Deposition (CVD); Physical Vapor Deposition (PVD); oder andere Elektroabscheidungsverfahren umfassen, die dazu verwendet werden, dreidimensionale poröse Strukturen zu beschichten. CVD und PVD sind gut bekannte Prozesse, die nützlich sind, um eine Vielzahl von leitenden Substraten zu beschichten. Abgeschiedene Beschichtungen sind besonders vorteilhaft, da sie schnell in einem automatisierten Prozess mit wenig Abfall abgeschieden werden können und im Wesentlichen gleichförmig auf Substraten abgeschieden werden können. CVD ist für Substrate mit komplexen ausgenommenen Flächen ähnlich denen bevorzugt, die für das Flüssigkeitsverteilungsmedium 82 gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugt sind. Das poröse Flüssigkeitsverteilungsmedium 82 kann mit einer hydrophilen Beschichtung bis zu einer gewünschten Tiefe einwärts von der freiliegenden Fläche beschichtet werden. Eine derartige Strom leitende Beschichtung kann ein Metalloxid, ein dotiertes Metalloxid oder andere Edelmetalle und deren Legierungen umfassen, wie beispielsweise Gold, Niob oder Platin.
Bei einem alternativen bevorzugten Verfahren zum Formen eines Strom leitenden Elements 70 gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Fluidverteilungsschicht 82 aus einer gesinterten porösen Metallbeschichtung ausgebildet. Das undurchlässige elektrisch leitende Element 80 besteht bevorzugt aus einem leitenden Metall und besitzt die Stege 74 und Nuten 76 daran, die vor dem Aufbringen des Flüssigkeitsverteilungsmediums 82 ausgebildet wurden. Es ist bevorzugt, dass die Strömungskanäle 82 durch Stanzen oder Prägen ausgebildet werden. Eine Metallpartikelaufschlämmung oder ein Vorläufer des Flüssigkeitsverteilungsmediums 82 wird durch Mischen eines Polymerbinders mit Metallpartikeln gebildet. Bevorzugt werden die Metallpartikel homogen mit Polymer in der Metallpartikelaufschlämmung gemischt und besitzen eine Partikelgröße von etwa 5 bis 30 μm. Die Metallpartikelaufschlämmung wird auf die Hauptfläche 84 der undurchlässigen elektrisch leitenden Platte 80 aufgebracht. Das gesamte Strom leitende Element 70 wird dann durch Aufbringen von Wärme gebrannt, bevorzugt im Temperaturbereich von etwa 204 bis etwa 1093°C, wobei bei dieser Temperatur der Binder durch die Wärme verdampft und entfernt wird und die Metallpartikel aneinander wie auch an die darunter liegende undurchlässige Platte gesintert werden, um eine poröse Schicht aus Metallflüssigkeitsverteilungsmedium 82 zu bilden. Leitende Metallpartikel, die für die vorliegende Erfindung verwendbar sind, umfassen Niob, Gold, Platin, Tantal und deren Legierungen wie auch andere Metalllegierungen wie rostfreien Stahl (beispielsweise 316) oder Inconel^® (beispielsweise Inconel^® 601). Ein nicht beschränkendes Beispiel von Polymeren, die als ein Binder für die vorliegende Erfindung nützlich sind, umfassen Phenole bzw. Phenoplaste. Ein Beispiel einer netzförmigen porösen Metallschaumbeschichtung, die kommerziell hergestellt und verfügbar ist, wird mit der Handelsbezeichnung Metpore^® von Porvair Fuel Cell Technologies of Henderson, North Carolina vertrieben und ist mit der vorliegenden Erfindung verwendbar.
Bei einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das poröse Flüssigkeitsverteilungsmedium 82 des Strom leitenden Elements 70 durch Metallsiebe, -gewirke, -gewebe, -schaum oder dergleichen gebildet. Die undurchlässige leitende Platte wird bevorzugt aus einer leitenden Metallplatte gebildet, wie einem Beilagenblech. Beispielsweise wird ein leitendes Metallgewebe oder ein leitender Metallsieb, das/der durch mehrere Schichten aus aneinander gebundenem Material gebildet wurde, über der Hauptseite 84 der undurchlässigen Platte 80 angeordnet. Der Sieb wird an der undurchlässigen leitenden Platte (beispielsweise dem Beilagenblech) 80 bevorzugt durch Diffusionsbonden oder einen ähnlichen Prozess befestigt. Der leitende Metallsieb bildet eine poröse Flüssigkeitsverteilungsschicht 82. Bei bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden die Stege 74 und die Nuten 76, die das Strömungsfeld entlang der Hauptfläche 84 bilden, anschließend durch Prägen mit einer Strömungsfeldmustermatrize ausgebildet. Ferner ist das vorliegende Verfahren zum Formen eines Strom leitenden Elements 70, das eine leitende Schicht 82 des Flüssigkeitsverteilungsmediums umfasst, besonders gut für Doppelschicht- oder Mehrfachschichtausgestaltungen (einschließlich 3 oder mehr einzelnen Schichten) mit verschiedener Porosität und Hydrophilie geeignet, wie beispielsweise der, die in Verbindung mit 9 oben beschrieben ist. Es ist auch bevorzugt, dass die Strom leitenden Elemente 70, die gemäß des vorliegenden Verfahrens ausgebildet sind, anschließend behandelt werden, um die Hydrophilie des Flüssigkeitsverteilungsmediums 82 zu steigern, wie durch CVD-Behandlung, um eine hydrophile Beschichtung abzuscheiden, wie vorher beschrieben wurde.
Ein anderes bevorzugtes Verfahren zum Aufbau eines Strom leitenden Elements 70, das ein Flüssigkeitsverteilungsmedium 82 umfasst, umfasst die Behandlung der Hauptfläche 84 des undurchlässigen elektrisch leitenden Elements 80, um die Oberflächenrauheit zu steigern. Bei einer derartigen Ausführungsform ist das undurchlässige elektrisch leitende Element 80 des Strom leitenden Elements 70 bevorzugt ein Metall. Die Oberfläche 84 wird behandelt, um die Oberfläche oder die Rauheit zu steigern, so dass eine höhere Oberflächenenergie vorhanden ist, die Wasser anzieht und entlang der Hauptfläche 84 transportiert. Bei bevorzugten Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Nuten 76 (Strömungskanäle 72) geätzt, beispielsweise durch photolithografisches Ätzen. Anschließend wird die Oberfläche ein zweites Mal mit einem aggressiven Ätzmittel geätzt, um das gewünschte Niveau an Oberflächenrauheit zu erzeugen. Es kann eine Vielzahl an Ätzmitteln verwendet werden, um die Oberfläche eines Metallsubstrats zu behandeln, wie für Fachleute bekannt ist. Bevorzugte nicht beschränkende Ätzmittel, die mit der vorliegenden Erfindung verwendbar sind, umfassen organische und anorganische Säuren mit einem pH von weniger als 3 und am bevorzugtesten mit einem pH von weniger als 1. Besonders bevorzugte nicht beschränkende Ätzmittel gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen Schwefelsäure, Salpetersäure, Fluorwasserstoffsäure, Eisentrichloridsäure und deren Mischungen. Die Oberfläche 84 kann dann durch Partikel gestrahlt werden, um die erforderliche Oberflächenrauheit zu erzeugen. Eine nicht beschränkende Liste von Partikeln, die zum Strahlen verwendet werden können, umfassen Sand, Glas, Kunststoffkugeln (beispielsweise Polymerkugeln) oder Nussschalen. Somit bildet die aufgeraute Oberfläche das Flüssigkeitsverteilungsmedium 82 entlang der Hauptfläche 84. Es ist bevorzugt, dass die aufgeraute Oberfläche weiterbehandelt wird, um die Hydrophilie zu steigern, wie durch Abscheiden elektrophiler Beschichtungen durch CVD, Ätzen oder Brennen.
Die vorliegende Erfindung sieht ein verbessertes System zum Wassermanagement entlang einer Elektrode einer Brennstoffzelle und insbesondere entlang der Kathodenseite vor. Das Strom leitende Element der vorliegenden Erfindung umfasst das Flüssigkeitsverteilungsmedium, das ein selbst reguliertes Wassermanagementsystem vorsieht, bei dem an der Kathodenseite das Wasser intern in dem Flüssigkeitsverteilungsmedium verteilt und weiter verdampft oder durch die Gase, die über das Flüssigkeitsverteilungsmedium strömen, mitgerissen wird. Somit steigert das Wassermanagementsystem der vorliegenden Erfindung eine Flüssigwasserentfernung von der Elektrode und Fluidverteilungsschicht und verhindert ein Fluten, während eine größere Wasserentfernung durch Verdampfung und Mitreißen erleichtert wird. Das gesteigerte Wassermanagement umfasst einen erhöhten Massentransport von Wasser an Gebiete mit niedrigerer Flüssigkeitskonzentration, was einen höheren Betriebswirkungsgrad der Brennstoffzelle unterstützt wie auch den Verlust durch elektrischen Widerstand verringert. Ferner sieht das Wassermanagementsystem des bipolaren Plattenelements gemäß der vorliegenden Erfindung eine gleichmäßige Befeuchtung der PEM-Membran vor, was die Haltbarkeit wie auch Langlebigkeit der Membran unterstützt.

Claims

Elektrochemische Zelle mit einer Membranelektrodenanordnung (60) (MEA), die eine Anode (64) und eine Kathode (66) umfasst, wobei die Zelle umfasst: ein Strom leitendes Element (70, 70'', 70'') mit einem undurchlässigen elektrisch leitenden Element (80, 80'', 80''), das eine Hauptfläche (84) aufweist, die zu der Kathode (66) weist, und einem porösen Flüssigkeitsverteilungsmedium (82, 82'', 82'''), das entlang der Hauptfläche (84) angeordnet ist, wobei Strömungskanäle (76, 76'') an der Hauptfläche (84) des elektrisch leitenden Elements (80) zum Transport von Gas und Flüssigkeit zu und von der Kathode (66) definiert sind; eine elektrisch leitende Fluidverteilungsschicht (68), die zwischen dem Flüssigkeitsverteilungsmedium (82, 82'', 82''') und der Kathode (66) angeordnet ist, um Gase und Flüssigkeiten zwischen der Kathode (66) und den Strömungskanälen (76, 76'') zu transportieren, wobei die Fluidverteilungsschicht (68) und das Flüssigkeitsverteilungsmedium (82) aufgebaut und angeordnet sind, um Flüssigkeiten, die sich in der Kathode (66) ansammeln, durch die Fluidverteilungsschicht (68) und zu und durch das Flüssigkeitsverteilungsmedium (82, 82'', 82''') zu transportieren; dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigkeitsverteilungsmedium (82, 82, 82''') eine Schicht ist, die die gesamte Hauptfläche (84) des elektrisch leitenden Elements (80, 80'', 80''') bedeckt; und dass die Fluidverteilungsschicht (68) porös ist und eine durchschnittliche Porengröße aufweist, die größer als die durchschnittliche Porengröße des porösen Flüssigkeitsverteilungsmediums (82, 82'', 82''') ist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei das undurchlässige elektrisch leitende Element (80) und das Flüssigkeitsverteilungsmedium (82) gemeinsam die Strömungskanäle (76) ausbilden.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei das Flüssigkeitsverteilungsmedium (82) einen elektrisch leitenden Pfad zwischen dem undurchlässigen elektrisch leitenden Element (80) und der leitenden Fluidverteilungsschicht (68) bildet.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei das Flüssigkeitsverteilungsmedium (82) hydrophiler als die Fluidverteilungsschicht (68) ist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei in Gebieten entlang der Hauptfläche (84) separate voneinander beabstandete Strömungskanäle (76) ausgebildet sind.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei das Flüssigkeitsverteilungsmedium (82) eine gewellte Ausgestaltung von Scheiteln und Tälern aufweist, wobei die Scheitel den Stegen entsprechen und die Täler den Nuten entsprechen, die die Strömungskanäle (76) bilden.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei das poröse Flüssigkeitsverteilungsmedium (82) eine durchschnittliche Porengröße im Bereich von 0,2 bis 30 Mikrometer besitzt.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei das Flüssigkeitsverteilungsmedium (82) intern flüssiges Wasser umverteilt, wodurch Unterschiede der Feuchte entlang einer Seite der MEA minimiert sind.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei das Strom leitende Element (70) ein zweites undurchlässiges elektrisch leitendes Element (81), das eine zweite Fläche besitzt, die zu der Anode (64) weist, und ein zweites Flüssigkeitsverteilungsmedium (82) aufweist, das entlang von Gebieten der zweiten Fläche angebracht ist, und wobei eine zweite Fluidverteilungsschicht (68) zwischen dem Strom leitenden Element (70) und der Anode (66) angeordnet ist, wobei das zweite Flüssigkeitsverteilungsmedium (82) mit der zweiten Fluidverteilungsschicht (68) in Kontakt steht.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei das Flüssigkeitsverteilungsmedium (82) eine erste und eine zweite Schicht (100, 102) umfasst, wobei die zweite Schicht (102) in Kontakt mit dem undurchlässigen elektrisch leitenden Element (80''') steht und die erste Schicht (100) in Kontakt mit der Fluidverteilungsschicht (68) steht, wobei die erste Schicht (100) hydrophiler als die zweite Schicht (102) ist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei das Flüssigkeitsverteilungsmedium (82''') eine erste und eine zweite Schicht (100, 102) umfasst, wobei die zweite Schicht (102) in Kontakt mit dem undurchlässigen elektrisch leitenden Element (80''') steht und die erste Schicht (100) in Kontakt mit der Fluidverteilungsschicht (68) steht, wobei die zweite Schicht (102) eine größere durchschnittliche Porengröße als die erste Schicht (100) besitzt, so dass Flüssigkeit mit einer höheren Sauggeschwindigkeit in der ersten Schicht (100) als in der zweiten Schicht (102) transportiert wird.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei das Flüssigkeitsverteilungsmedium (82'') eine erste Fläche und eine zweite Fläche aufweist, wobei die erste Fläche in Kontakt mit der Fluidverteilungsschicht (68) steht und eine gewellte Oberfläche besitzt, die den Strömungsfeldern entspricht, wobei die zweite Fläche der ersten Fläche gegenüberliegt und mit einer Fläche des undurchlässigen elektrisch leitenden Elements (80'') zusammentrifft und planar ist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei das Flüssigkeitsverteilungsmedium (82) elektrisch leitend ist und aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Gewebe, Sieb und Schaum.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei das Flüssigkeitsverteilungsmedium (82) aus einem Material aufgebaut ist, das aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Kohlenstoff, Graphit, Polymere, rostfreier Stahl, Chrom und dessen Legierungen und Mischungen.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei das Flüssigkeitsverteilungsmedium (82) aus Materialien gebildet ist, die auf die Hauptfläche (84) gegossen, beschichtet oder gesprüht sind.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei das Flüssigkeitsverteilungsmedium (82) ein leitendes Polymer oder ein nicht leitendes Polymer mit darin verteilten leitenden Partikeln umfasst.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 16, wobei das Flüssigkeitsverteilungsmedium (82) durch Aufbringung von Wärme gehärtet ist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei das Flüssigkeitsverteilungsmedium (82) eine Vielzahl leitender Metallpartikel umfasst, die aus der Gruppe gewählt sind, die umfasst: rostfreier Stahl, Niob, Inconel^® und deren Mischungen.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 18, wobei das Flüssigkeitsverteilungsmedium (82) durch Sintern der Vielzahl von leitenden Metallpartikeln gebildet ist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei das undurchlässige elektrisch leitende Element (70) eine Verbindung umfasst, die aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: rostfreien Stahl, Aluminium, Titan und deren Legierungen und Mischungen.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei das Flüssigkeitsverteilungsmedium (82) durch Ätzen der Hauptfläche ausgebildet ist.