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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle, ein Verfahren zur Herstellung derselben, sowie eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffbatterie umfassend dieselbe.
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Stand der Technik
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Die Automobilindustrie steht vor den enormen Herausforderungen, wie der globalen Erwärmung, der atmosphärischen Belastung und Energieverknappung, und dabei entsteht dringender Bedarf an Neuenergie-Fahrzeugen mit Energieeinsparung und Belastungsreduzierung, was auf die Umwandlung der auf Verbrennungskraftmaschinen basierenden herkömmlichen Fahrzeuge in die umweltfreundlicheren, mit Neuenergie betriebenen elektrischen Fahrzeuge drängt. Bei einem elektrischen Fahrzeug erregt die Brennstoffzelle, insbesondere Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle, als versprechende, hocheffiziente und umweltfreundliche Energieversorgung umfangreiche Aufmerksamkeit.
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Bei einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle wird Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff bzw. Luft als Oxidationsmittel verwendet, um die chemische Energie elektrochemisch in elektrische Energie umzuwandeln. Da dabei ausschließlich Wasser abgeleitet wird, wird ein tatsächlich emissionsfreier Betrieb realisiert. Wegen der Verwendung einer Feststoff-Polymermembran als Elektrolyt weist die Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle auch Vorteile, wie einen hohen Energieumwandlungssatz, eine niedrige Anfahrtemperatur, keine Leckage von Elektrolyt, usw. auf.
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Wie aus 1 zu entnehmen ist, umfasst in der Regel eine herkömmliche Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle aufeinanderfolgend eine Anodenplatte 23, eine Anodengasdiffusionsschicht 22, eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA, umfassend eine Anodenkatalysatorschicht 21, eine Protonenaustauschmembran 10 und eine Anodenkatalysatorschicht 31), eine Kathodengasdiffusionsschicht 32 und eine Kathodenplatte 33.
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Bei einer solchen herkömmlichen Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle wird üblicherweise Luft bzw. Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet. Da jedoch für die Oxidation/Reduktion eine hohe Barriere der Aktivierungsenergie vorliegt, weist die Brennstoffzelle typisch eine hohe Überspannung auf, so dass die Betriebsspannung (wie z. B. circa 0,6 - 0,7 V) niedriger ist als die Sollspannung (wie z. B. circa 1,23 V). Um die Leistungsdichte der Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle zu verbessern, muss zudem die Luft nach einer Komprimierung bis 1 - 3 bar durch einen Kompressor zugeführt werden, was die Ausstattungs- und Prozesskosten erhöht und die Effizienz der Brennstoffzelle durch den Energieverbrauch des Kompressors (typisch bis zu niedriger als 50%) reduziert. Darüber hinaus könnte bei einem ungünstigen Design der Wasserverwaltung die Leistungsfähigkeit der Zelle durch Überfluss von Wasser verschlechtert werden.
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Daher soll die Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle noch verbessert werden, um ihre Leistungsfähigkeit zu erhöhen und die Kosten zu reduzieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Deswegen wird in einem Aspekt der Offenbarung eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle bereitgestellt, bei der Wasserstoffperoxid als Oxidationsmittel verwendet wird,
umfassend aufeinanderfolgend eine Anodengasdiffusionsschicht, eine Anodenkatalysatorschicht, eine Protonenaustauschmembran und eine Kathodenkatalysatorschicht,
wobei die Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle weiterhin eine einzige Polarplatte und keine Kathodengasdiffusionsschicht umfasst.
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In einem anderen Aspekt wird in der Erfindung auch eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffbatterie bereitgestellt, umfassend zumindest zwei oben beschriebene Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen, die in Reihe miteinander verbunden sind.
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In einem anderen Aspekt wird in der Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle bereitgestellt, umfassend:
- aufeinanderfolgendes Anordnen einer Anodengasdiffusionsschicht, einer Anodenkatalysatorschicht, einer Protonenaustauschmembran und einer Kathodenkatalysatorschicht, um eine Lamellenstruktur zu erhalten,
- Ausstanzen einer Polarplatte aus einem ebenen Plattenmaterial, und
- Zusammensetzen der Polarplatte mit der Lamellenstruktur.
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Die erfindungsgemäße Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle kann in Elektrofahrzeugen (wie Automobilen), lokalen Kraftwerken und tragbaren Geräten eingesetzt werden.
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Weitere Vorteile, Aspekte und Vorzüge der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Zeichnungen deutlicher. Diese Figuren sind nicht maßstabsgetreu, dienen zur schematischen Erläuterung verschiedener Strukturen und positioneller Beziehungen, und sollen nicht als einschränkend verstanden werden. In den Figuren stehen die gleichen Bezugszeichen in unterschiedlichen Ansichten in der Regel für die gleichen Teile.
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Figurenliste
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- 1 ist eine schematische Darstellung einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle im Stand der Technik.
- 2 ist eine schematische Darstellung einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle gemäß der Offenbarung.
- 3 ist eine schematische Darstellung einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle gemäß der Offenbarung.
- 4 ist eine schematische Schnittansicht einer Polarplatte gemäß der Offenbarung.
- 5 ist eine Draufsicht auf eine Kathodenseite der Polarplatte gemäß der Offenbarung.
- 6 ist eine Draufsicht auf eine Anodenseite der Polarplatte gemäß der Offenbarung.
- 7 ist eine schematische Darstellung einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffbatterie gemäß der Offenbarung.
- 8 ist eine schematische Darstellung einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffbatterie gemäß der Offenbarung.
- 9 ist eine schematische Darstellung einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffbatterie gemäß der Offenbarung.
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Ausführliche Ausführungsformen
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Wenn nicht anders angegeben, sollen die hierin eingesetzten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung, wie die von dem Fachmann üblich verstandene, haben. Falls sie miteinander nicht übereinstimmen, sollen die Definitionen in der vorliegenden Anmeldung bevorrechtigt berücksichtigt werden.
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Wenn nicht anders angegeben, sind im Kontext der Beschreibung die Begriffe „Zelle“, „Brennstoffzelle“ und „Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle“ gegeneinander austauschbar.
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Wenn nicht anders angegeben, sollen die hierin aufgelisteten Zahlenbereiche die Endpunkte der Bereiche sowie alle Zahlen in den Bereichen und alle Teilbereiche einschließen.
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Die Materialien, Inhalte, Verfahren, Vorrichtungen, Figuren und Beispiele der Anmeldung sind nur beispielhaft, und wenn nicht anders angegeben, sollen sie nicht als einschränkend verstanden werden.
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Der Ausdruck „enthalten“, „umfassen“ und „aufweisen“ hierin bedeutet, dass auch zusätzliche Komponenten oder Schritte ohne Einfluss auf die endgültigen Effekte umfasst sein können. Diese Ausdrücke decken die Bedeutungen von „bestehen aus“ und „im Wesentlichen bestehen aus“. Das erfindungsgemäße Produkt und Verfahren können die hierin beschriebenen, notwendigen technischen Merkmale sowie zusätzliche und/oder optionale Komponenten, Bestandteile, Schritte oder hierin beschriebene andere definitive Merkmale enthalten oder umfassen. Alternativ können sie aus den hierin beschriebenen, notwendigen technischen Merkmalen sowie zusätzlichen und/oder optionalen Komponenten, Bestandteilen, Schritten oder hierin beschriebenen anderen definitiven Merkmalen bestehen. Noch alternativ können sie im Wesentlichen aus den hierin beschriebenen, notwendigen technischen Merkmalen sowie zusätzlichen und/oder optionalen Komponenten, Bestandteilen, Schritten oder hierin beschriebenen anderen definitiven Merkmalen bestehen.
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Wenn nicht anders angegeben, sind alle hierbei eingesetzten Materialien und Mittel kommerziell erhältlich.
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Wenn nicht anders angegeben oder im Gegensatz zueinander stehen, können die hierin durchgeführten Bedienungen bei Raumtemperatur und unter Normaldruck erfolgen.
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Wenn nicht anders angegeben oder im Gegensatz zueinander stehen, können die Verfahrensschritte der Offenbarung in beliebiger geeigneter Reihenfolge durchgeführt werden.
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Nachfolgend werden die Beispiele der Offenbarung beschrieben.
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Gemäß der Offenbarung wird eine Polarplatte für eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle bereitgestellt, umfassend:
- aufeinanderfolgendes Anordnen einer Anodengasdiffusionsschicht, einer Anodenkatalysatorschicht, einer Protonenaustauschmembran und einer Kathodenkatalysatorschicht, um eine Lamellenstruktur zu erhalten,
- Ausstanzen einer Polarplatte aus einem ebenen Plattenmaterial, und
- Zusammensetzen der Polarplatte mit der Lamellenstruktur.
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Wie in 2 ersichtlich ist, umfasst die Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle gemäß der Offenbarung aufeinanderfolgend eine Anodengasdiffusionsschicht 22, eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA, umfassend eine Anodenkatalysatorschicht 21, eine Protonenaustauschmembran 10 und eine Kathodenkatalysatorschicht 31) und eine einzige Polarplatte 13. Dabei kann sich die Polarplatte 13 entweder auf einer Außenseite der Kathodenkatalysatorschicht 31, wie in 2 gezeigt, oder auf einer Außenseite der Anodengasdiffusionsschicht 22, wie in 3 gezeigt, befinden.
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In einigen Beispielen ist vorgesehen, dass auf der Außenseite der Kathodenkatalysatorschicht 31 weiterhin ein metallisches Sieb vorgesehen ist.
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In einigen Beispielen ist vorgesehen, dass sich die Polarplatte 13 auf der Außenseite der Kathodenkatalysatorschicht 31 und das metallische Sieb (in 2 nicht gezeigt) zwischen der Kathodenkatalysatorschicht 31 und der Polarplatte 13 befindet. In einigen Beispielen ist vorgesehen, dass sich die Polarplatte 13 auf der Außenseite der Anodengasdiffusionsschicht 22 und das metallische Sieb (in 3 nicht gezeigt) auf der Außenseite der Kathodenkatalysatorschicht 31 befinden kann. Das metallische Sieb dient dem physikalischen Schutz für den Kathodenkatalysator, um zu verhindern, dass die Flüssigkeit beim Fließen die Oberfläche des Kathodenkatalysators 31 spült. Das metallische Sieb kann beispielsweise Edelstahl, wie Edelstahl 316, enthalten.
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Die Verwendung von Wasserstoffperoxid statt Sauerstoff als Oxidationsmittel weist einige Vorteile auf:
- Da Wasserstoffperoxid in flüssiger Form vorliegt, ist kathodenseitig keine Gasdiffusionsschicht mehr benötigt.
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Zudem wird das Problem der Überspannung bei einer herkömmlichen Wasserstoff/Sauerstoff-Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle überwunden, so dass eine hohe Effizienz der Zelle, z. B. höher als 60%, erzielt wird.
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Es ist nicht mehr benötigt, einen Kompressor vorzusehen, so dass die gesamte Leistungseffizienz der Zelle erhöht werden kann und Kosten gespart werden können.
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Bei einer herkömmlichen Wasserstoff/Sauerstoff-Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle liegen kathodenseitig sowohl ein gasförmiges Oxidationsmittel als auch das Produkt, also Wasser, vor, d. h. eine gasförmige Phase und eine flüssige Phase bestehen nebeneinander. Bei einem ungünstigen Design der Wasserverwaltung könnte die Leistungsfähigkeit der Zelle durch Überfluss von Wasser verschlechtert werden. Hingegen liegt erfindungsgemäß kathodenseitig ausschließlich eine einzige flüssige Phase aus Wasserstoffperoxid, dem Produkt (also Wasser) und dem Kühlmittel vor, so dass das Problem mit der Wasserverwaltung eliminiert wird.
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Weil die Dichte des flüssigen Edukts höher als die Dichte des gasförmigen Edukts ist, wird die Leistungsdichte der Zelle auch verbessert.
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In der Offenbarung wird eine einzige Polarplatte statt einer herkömmlichen Bipolarplatte verwendet, wodurch auf eine Polarplatte im Vergleich zur herkömmlichen Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle verzichtet wird. Dies reduziert die Dicke der Brennstoffzelle, lässt einen Fügeprozess (z. B. Schweißen oder Verkleben) für die Bipolarplatte weg, und vermeidet die damit einhergehenden Nachteile (z. B. die Kosten damit oder die Beschädigung der Polarplatte).
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Des Weiteren kann der kathodenseitige Strömungskanal in der einzigen Polarplatte gleichzeitig als Kanal für Wasserstoffperoxid, das Produkt (also Wasser) und das Kühlmittel dienen. Dagegen weist die herkömmliche Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle drei Eingänge und drei Ausgänge auf, d. h. den Eingang und Ausgang für Brennstoff, für das Oxidationsmittel und für das Kühlmittel. In der Offenbarung wird eine einzige Polarplatte verwendet, in die die Kathodenplatte und die Anodenplatte integriert sind und in der die Kanäle für Oxidationsmittel und für Kühlmittel in einen Kanal integriert sind, was nicht nur das Design vereinfacht und die Materialkosten spart, sondern auch die volumetrische Energiedichte der Zelle erhöht.
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Bei einer herkömmlichen Wasserstoff/Sauerstoff-Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle wird eine kostspielige Platine als Kathodenkatalysator verwendet. Wegen der hohen Aktivität des Wasserstoffperoxids kann hierbei als Kathodenkatalysator die Platine vollständig oder teilweise durch preiswertere Metalle (wie Gold), Legierungen, Metalloxide (wie Eisenoxide) und/oder Kohlenstoff ersetzt werden, so dass die Kosten der Zelle reduziert werden, ohne die Leistungsfähigkeit der Zelle zu beeinträchtigen.
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In einigen Beispielen ist vorgesehen, dass die einzige Polarplatte eine Struktur mit versetzten konkaven und konvexen Flächen aufweist. In einigen Beispielen ist vorgesehen, dass die einzige Polarplatte eine wellenförmige Struktur aufweist.
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Durch Stanzen eines ebenen Plattenmaterials kann die Polarplatte gemäß der Offenbarung erhalten werden.
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Die Nut in der Polarplatte wird als Kanal für Edukt, Produkt und/oder Kühlmittel verwendet, auch als Strömungskanal bezeichnet. Die gesamten Strömungskanäle werden gemeinsam als Strömungsfeld bezeichnet. Es ist aus 4 ersichtlich, dass die Nuten auf beiden Seiten der Polarplatte jeweils als Anodenströmungskanal 24 und Kathodenströmungskanal 34 verwendet werden. Der Anodenströmungskanal 24 dient als Wasserstoffkanal. Der Kathodenströmungskanal 34 dient gleichzeitig als Kanal für Wasserstoffperoxid, das Produkt (also Wasser) und das Kühlmittel. In der Regel wird Wasser als Kühlmittel eingeleitet. Die Kühleffizienz kann durch die Regelung des Verhältnisses des Wasserstoffperoxids zum Kühlmittel (z. B. Wasser) und ihrer Strömungsgeschwindigkeiten kontrolliert werden.
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In einigen Beispielen ist vorgesehen, dass in der Polarplatte die Breite (bzw. der Durchmesser) eines anodenseitigen Strömungskanals nicht größer als die Breite (bzw. der Durchmesser) eines kathodenseitigen Strömungskanals ist. Vorzugsweise ist die Breite (bzw. der Durchmesser) des anodenseitigen Strömungskanals kleiner als die Breite (bzw. der Durchmesser) des kathodenseitigen Strömungskanals. Beispielsweise ist das Verhältnis der Breite (bzw. der Durchmesser) D24 des anodenseitigen Strömungskanals zur Breite (bzw. der Durchmesser) D34 des kathodenseitigen Strömungskanals 0,5 - 1 : 1, bevorzugt 0,5 : 1 bis kleiner als 1 : 1. Durch den anodenseitigen Strömungskanal wird Wasserstoff durchgeführt, und durch den kathodenseitigen Strömungskanal werden Wasserstoffperoxid, das Produkt (also Wasser) und das Kühlmittel (z. B. Wasser) durchgeführt. Im Vergleich zur Menge an Wasserstoffperoxid und Wasser ist die Menge an Wasserstoff relativ klein. Daher kann die Effizienz der Verteilung des Strömungsfelds erhöht werden, indem der anodenseitige Strömungskanal schmaler als der kathodenseitige Strömungskanal ausgestaltet ist. Hierin liegt keine Einschränkung auf die Form des Strömungskanals vor, und er kann in einer kreiszylindrischen, halbkreiszylindrischen, quaderförmigen, prismatischen oder einer anderen üblichen Form, oder eine beliebige Kombination davon ausgebildet sein. Je nach der konkreten Form des Strömungskanals sind die Breite und der Durchmesser des Strömungskanals gegeneinander austauschbar.
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Keine Einschränkung liegt auf die Struktur des Strömungsfelds vor, und für die vorliegende Offenbarung gelten die üblichen Strukturen des Strömungsfelds für die Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle. Beispielsweise kann die Struktur des Strömungsfelds punktförmig, netzförmig, parallel, schlangenförmig, porös, ineinander verzahnt, wellenförmig oder dreieckwellenförmig ausgebildet sein.
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In einigen Beispielen ist vorgesehen, dass die Polarplatte gebohrt wird, um den Eingang für Anode, Ausgang für Anode, Eingang für Kathode und Ausgang für Kathode bereitzustellen.
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5 ist eine Draufsicht auf eine Kathodenseite der Polarplatte gemäß der Offenbarung. Wie in 5 gezeigt, stehen der Eingang für Kathode 35 und der Ausgang für Kathode 36 in Kommunikation mit dem Kathodenströmungskanal 34 der Polarplatte, um einen Kanal für Wasserstoffperoxid, das Produkt (also Wasser) und das Kühlmittel bereitzustellen.
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6 ist eine Draufsicht auf eine Anodenseite der Polarplatte gemäß der Offenbarung. Wie in 6 gezeigt, stehen der Eingang für Anode 25 und der Ausgang für Anode 26 in Kommunikation mit dem Anodenströmungskanal 24 der Polarplatte, um einen Kanal für Wasserstoff bereitzustellen.
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In einigen Beispielen ist vorgesehen, dass die Polarplatte aus Metall, wie Titan oder Edelstahl, z. B. Edelstahl 316 L; aus Legierung, wie Titan-Legierung, Aluminium-Legierung oder Nickel-Legierung; oder aus Graphen hergestellt ist.
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Die Dicke der Polarplatte kann etwa 0,08 bis etwa 0,1 mm sein.
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Die Breite (bzw. der Durchmesser) des Anodenströmungskanals kann beispielsweise etwa 0,2 bis etwa 0,6 mm sein, und die Breite (bzw. der Durchmesser) des Kathodenströmungskanals kann beispielsweise etwa 0,2 bis etwa 1,2 mm, bevorzugt etwa 0,3 bis etwa 0,8 mm, sein. Die Tiefe der Nuten der Strömungskanäle kann etwa 0,2 bis etwa 0,6mm, beispielsweise etwa 0,4 mm, sein.
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In einigen Beispielen ist vorgesehen, dass die Polarplatte beidseitig mit Beschichtung (in den Figuren nicht gezeigt) versehen ist. Die Beschichtungen auf den beiden Seiten können gleich oder unterschiedlich sein.
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In einigen Beispielen ist vorgesehen, dass beide Seiten der Polarplatte oder zumindest die der Kathode zugewandte Seite der Polarplatte eine Kohlenstoffbeschichtung aufweist. Es handelt sich bei der Kohlenstoffbeschichtung um zumindest eine ausgewählt aus Kohlenstofffasern, Graphen, und Kohlenstoffnanoröhren. Die Kohlenstoffbeschichtung kann durch physikalische Aufdampfung (english: physical vapor deposition, PVD) oder Siebdruck geformt werden. Mit der Verwendung der Kohlenstoffbeschichtung können die Hydrophobizität und Korrosionsbeständigkeit der Polarplatte verbessert werden und damit kann die Strömung des Fluids begünstigt werden.
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Eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffbatterie gemäß der Offenbarung umfasst zumindest zwei oben beschriebene Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen, die in Reihe miteinander verbunden sind. 7 - 9 sind schematische Darstellungen einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffbatterie gemäß der Offenbarung. In 7 umfasst die Protonenaustauschmembran-Brennstoffbatterie zwei in Reihe verbundene Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen. In 8 und 9 umfasst die Protonenaustauschmembran-Brennstoffbatterie mehr als zwei, beispielsweise 3, 4, 5, 6, ..., mehr als zehn, einige Dutzende, mehr als einhundert, einige Hunderte, oder mehr in Reihe verbundene Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen. Bevorzugt sind die Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen in der Batterie identisch. Mit anderen Worten sind die Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen als wiederholende Einheiten miteinander in Reihe verbunden. In 7 - 9 sind die zwei Enden der Batterie mit einem Stromabnehmer für Anode 27 bzw. einem Stromabnehmer für Kathode 37 verbunden. In 8 ist die Polarplatte der Protonenaustauschmembran-Brennstoffbatterie auf der Seite der Kathode positioniert. In 9 ist die Polarplatte der Protonenaustauschmembran-Brennstoffbatterie auf der Seite der Anode positioniert.
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In der Offenbarung wird auch ein Verfahren zur Herstellung einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle bereitgestellt, umfassend:
- aufeinanderfolgendes Anordnen einer Anodengasdiffusionsschicht, einer Anodenkatalysatorschicht, einer Protonenaustauschmembran und einer Kathodenkatalysatorschicht, um eine Lamellenstruktur zu erhalten,
- Ausstanzen einer Polarplatte aus einem ebenen Plattenmaterial, und
- Zusammensetzen der Polarplatte mit der Lamellenstruktur.
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Dabei können der Schritt des Anordnens der Lamellenstruktur und der Schritt des Stanzens des Plattenmaterials in beliebiger Reihenfolge durchgeführt werden. Beispielsweise kann zuerst das Stanzen des Plattenmaterials und danach das Anordnen der Schichten der Lamellenstruktur erfolgen. Beim Anordnen der Lamellenstruktur kann ebenfalls die Reihenfolge für die Anordnung der einzelnen Schichten nach Bedarf eingestellt werden.
