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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel und insbesondere einen Brennstoffzellenstapel mit einer hydrophilen Zwischenschicht und einem hydrophilen Strömungsfeld, um ein Wassermanagement in der Brennstoffzelle zu optimieren.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Eine Brennstoffzelle ist als eine saubere, effiziente und umweltfreundliche Energiequelle vorgeschlagen worden. Einzelne Brennstoffzellen können in Reihe aneinander gestapelt werden, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden. Der Brennstoffzellenstapel ist in der Lage, eine Menge an Elektrizität zu liefern, die ausreichend ist, um Leistung für ein Elektrofahrzeug bereitzustellen.
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Ein Typ von Brennstoffzelle ist die Protonenaustauschmembran-(PEM)-Brennstoffzelle. Die PEM-Brennstoffzelle umfasst eine Membranelektrodenanordnung (MEA), die allgemein einen dünnen Festpolymermembranelektrolyten mit einem Katalysator und einer Elektrode auf beiden Seiten des Membranelektrolyten umfasst. Die PEM-Brennstoffzelle umfasst typischerweise drei Grundkomponenten: eine Kathodenelektrode, eine Anodenelektrode und eine Elektrolytmembran. Die Kathode und die Anode umfassen typischerweise einen fein geteilten Katalysator, wie Platin, der auf Kohlenstoffpartikeln geträgert und mit einem Ionomer gemischt ist. Die Elektrolytmembran ist schichtartig zwischen der Kathode und der Anode angeordnet, um die Membranelektrodenanordnung (MEA) zu bilden.
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Die MEA ist oftmals zwischen porösen Diffusionsmedien (DM) angeordnet, die eine Lieferung von gasförmigen Reaktanden, typischerweise Wasserstoff und Sauerstoff, für eine elektrochemische Brennstoffzellenreaktion unterstützen. In der Brennstoffzellenreaktion wird Wasserstoffgas an der Anode eingeführt, an der er elektrochemisch in der Anwesenheit des Katalysators reagiert, um Elektronen und Protonen zu erzeugen. Die Elektronen werden von der Anode zu der Kathode durch eine dazwischen ausgebildete elektrische Schaltung geleitet. Gleichzeitig gelangen die Protonen durch den Elektrolyt zu der Kathode, an der Sauerstoff elektrochemisch in der Anwesenheit des Elektrolyten und des Katalysators reagiert, um Sauerstoffanionen zu erzeugen. Die Sauerstoffanionen reagieren mit den Protonen, um Wasser als ein Reaktionsprodukt zu bilden.
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Ein Paar elektrisch leitender Endplatten oder Bipolarplatten ordnen die MEA allgemein schichtartig an, um eine einzelne PEM-Brennstoffzelle fertig zu stellen. Die Bipolarplatten dienen als Stromsammler für die Anode und die Kathode und besitzen geeignete Strömungskanäle und Öffnungen, die darin zur Verteilung der gasförmigen Reaktanden (d. h. dem H2 & O2/Luft) der Brennstoffzelle über die Oberflächen der Elektroden geformt sind.
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Wie es in der Technik gut bekannt ist, muss die Elektrolytmembran in der Brennstoffzelle eine gewisse relative Feuchte besitzen, um effektiv Protonen zu leiten. Im Betrieb der Brennstoffzelle kann Feuchtigkeit von der elektrochemischen Reaktion der Brennstoffzelle und aus externer Befeuchtung in die Strömungskanäle der Bipolarplatten eintreten. Typischerweise wird die Feuchtigkeit entlang der Strömungskanäle durch einen Druck eines gasförmigen Reaktanden getrieben, wobei dieser Druck einen Primärmechanismus zur Wasserentfernung aus den Strömungskanälen darstellt. Wenn jedoch der Druck nicht ausreichend ist, kann sich Wasser in einem Phänomen, das als Stagnation bekannt ist, ansammeln. Stagnierendes Wasser kann Strömungskanäle blockieren und den Gesamtwirkungsgrad der Brennstoffzelle reduzieren. Ein hoher Grad an Wasseransammlung oder -stagnation kann auch zu einem Brennstoffzellenausfall insbesondere nach einer Abschaltperiode unter gefrierenden Umgebungsbedingungen führen, bei denen sich das angesammelte Wasser in Eis umwandelt. Sowohl angesammeltes Wasser als auch Eis können einen Gasmangel bewirken. Es ist bekannt, dass ein Gasmangel in einer Kohlenstoffkorrosion resultiert, wenn die den Mangel aufweisende Brennstoffzelle eine einer Anzahl von Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel ist, an den eine elektrische Last angelegt ist.
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Eine Minimierung einer Wasserstagnation ist beispielsweise durch periodisches Spülen der Kanäle mit dem Reaktandengas mit einem höheren Durchfluss oder durch allgemein höhere Reaktandenrezirkulationsraten möglich geworden. Jedoch erhöht dies an der Kathode der MEA die an den Luftkompressor angelegte parasitäre Leistung und reduziert den Gesamtsystemwirkungsgrad. Die Verwendung von Wasserstoff als ein Spülgas an der Anode der MEA kann zu einer reduzierten Wirtschaftlichkeit, einem schlechteren Systemwirkungsgrad sowie einer erhöhten Systemkomplexität führen.
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Eine Reduzierung von angesammeltem Wasser in den Kanälen kann auch durch Verringerung einer Einlassbefeuchtung erreicht werden. Jedoch ist es erwünscht, zumindest eine gewisse relative Feuchte in der Anode und der Kathode bereitzustellen, um die Brennstoffzellenmembrane zu hydratisieren. Trockenes Einlassgas besitzt eine austrocknende Wirkung auf die Membran und kann einen Innenwiderstand der Brennstoffzelle erhöhen. Dieses Verfahren beeinträchtigt auch die Langzeithaltbarkeit der Membran.
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In Brennstoffzellen mit ultradünnen Elektroden sind alle Reaktionen in einem kleinen Raum konzentriert, was zu einer ernsthaften Flutung an der Kathode und einer Austrocknung an der Anode führt. Insbesondere bei Temperaturen unterhalb 60°C ist ein Sättigungsdruck des Wassers zu unbedeutend, um das Wasser effektiv von den Elektroden zu den Strömungskanälen zu transportieren. Infolgedessen ist eine Kaltstartleistungsfähigkeit der Brennstoffzelle beeinträchtigt und hat ein Problem bei der Verwendung der ultradünnen Elektroden in Kraftfahrzeuganwendungen zur Folge.
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Die
DE 10 2006 043 279 A1 offenbart ein Fluidverteilungselement für eine Brennstoffzelle, die eine Membranelektrodenanordnung (MEA) aufweist. Dabei weist das Fluidverteilungselement eine Hauptfläche, die zu der Membranelektrodenanordnung weist, und ein oder mehrere Strömungskanäle zum Transport von Gas und Flüssigkeit zu und von der MEA auf. Ein oder mehrere Gebiete der Hauptfläche sind mit einer superhydrophilen korrosionsbeständigen Schicht, die ein Fluorpolymer umfasst, bedeckt.
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Die
US 2005/0 064 275 A1 beschreibt eine Gasdiffusionsschicht für eine Brennstoffzelle, die stark hydrophob ausgebildet ist, um einen Transport von Produktwasser von den Katalysatorstellen weg zu unterstützen. Da diese Gasdiffusionsschicht aufgrund ihres hydrophoben Charakters nur unzureichend an Katalysatorstellen anbinden kann, ist zusätzlich an der hydrophoben Gasdiffusionsschicht eine dünne hydrophile Schicht vorgesehen, die bei Kontakt mit der Membranelektrodenanordnung eine gleichförmigere und festere Katalysatoranbindung bereitstellt. Bei der Ausbildung der hydrophilen Schicht an der hydrophoben Gasdiffusionsschicht kann ein Teil der hydrophoben Schicht maskiert sein, so dass die hydrophile Schicht nur an Teilen der hydrophoben Schicht vorhanden ist und damit ein hydrophiles Oberflächenmuster bildet.
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Die
US 2005/0 092 597 A1 offenbart ein Verfahren zum Ausbilden einer Brennstoffzellenelektrode, die als Dünnschicht ausgebildet ist und Zusammensetzungsgradienten aufweisen kann. Hierzu wird auf Basis vorbestimmter gewünschter Elektrodeneigenschaften ein charakteristisches Abscheidungsprofil entwickelt wird. Anschließend wird auf einem Substrat mit einer Abscheidungsvorrichtung ein Film gemäß dem charakteristischen Abscheidungsprofil ausgebildet, indem Material von der Abscheidungsvorrichtung gesputtert wird, während eine relative Position des Substrates in Bezug zu der Abscheidungsvorrichtung geändert wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Wassermanagementmerkmal zu schaffen, das angesammeltes Wasser von Brennstoffzellen, die ultradünne Elektroden besitzen, wegtransportiert, wobei das Merkmal passiv ist und die Brennstoffzellenleistungsfähigkeit insbesondere bei Kaltstartbetriebsbedingungen (d. h. etwa 0°C bis etwa 60°C) verbessert.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Übereinstimmend mit der vorliegenden Erfindung ist überraschend ein Wassermanagementmerkmal entdeckt worden, das angesammeltes Wasser weg von Brennstoffzellen, die ultradünne Elektroden besitzen, transportiert, wobei das Merkmal passiv ist und die Brennstoffzellenleistungsfähigkeit insbesondere bei Kaltstartbetriebsbedingungen (d. h. etwa 0°C bis etwa 60°C) verbessert.
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Bei einer Ausführungsform umfasst der Brennstoffzellenstapel: eine Endplatte mit einem Strömungsfeld, das an einer Oberfläche derselben geformt ist; eine Vielzahl von Bipolarplatten, wobei jede Bipolarplatte ein Strömungsfeld aufweist, das an einer ersten Oberfläche und/oder einer zweiten Oberfläche derselben geformt ist; und eine Membranelektrodenanordnung, die zwischen den Bipolarplatten angeordnet ist, wobei die Membranelektrodenanordnung eine zwischen einer Anode und einer Kathode angeordnete Membran aufweist, wobei das Strömungsfeld der Endplatte und/oder das Strömungsfeld der Bipolarplatten eine hydrophile Oberfläche aufweist, und wobei die Anode und/oder die Kathode der Membranelektrodenanordnung eine Zwischenschicht aufweist, die eine benachbart dazu angeordnete hydrophile Oberfläche besitzt.
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Bei einer anderen Ausführungsform umfasst der Brennstoffzellenstapel: zumindest eine Endplatte mit einem Strömungsfeld, das an einer Oberfläche derselben geformt ist; zumindest eine Bipolarplatte mit einem Strömungsfeld, das an einer ersten Oberfläche und/oder einer zweiten Oberfläche derselben geformt ist; und eine Membranelektrodenanordnung mit einer Membran, die zwischen einer ultradünnen Anode und einer ultradünnen Kathode angeordnet ist; und eine Zwischenschicht, die eine hydrophile Oberfläche aufweist, die benachbart der Anode und/oder der Kathode angeordnet ist.
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Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst der Brennstoffzellenstapel: zumindest eine Endplatte mit einem Strömungsfeld, das an einer Oberfläche derselben geformt ist; zumindest eine Bipolarplatte mit einem Strömungsfeld, das an einer ersten Oberfläche und/oder einer zweiten Oberfläche desselben geformt ist, wobei zumindest das Strömungsfeld der zumindest einen Endplatte und/oder das Strömungsfeld der ersten Oberfläche und/oder der zweiten Oberfläche der zumindest einen Bipolarplatte eine hydrophile Oberfläche aufweist; eine Membranelektrodenanordnung, die zwischen jeder Platte angeordnet ist, wobei die Membranelektrodenanordnung eine zwischen einer Anode und einer Kathode angeordnete Membran aufweist; und eine Zwischenschicht, die benachbart der Anode und/oder der Kathode angeordnet ist.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die obigen wie auch weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen offensichtlich, in welchen:
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1 eine schematische perspektivische Explosionsdarstellung eines Brennstoffzellenstapels ist, die zwei Brennstoffzellen zeigt;
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2 eine bruchstückhafte Schnittansicht einer PEM-Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist;
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3 eine bruchstückhafte Schnittansicht einer PEM-Brennstoffzelle mit zwei hydrophilen Zwischenschichten ist;
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4 eine bruchstückhafte Schnittansicht einer PEM-Brennstoffzelle gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist, die ein Strömungsfeld zeigt, das derart behandelt ist, um hydrophile Eigenschaften aufzubringen;
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5 eine bruchstückhafte Schnittansicht einer PEM-Brennstoffzelle ist, die zwei Strömungsfelder zeigt, die behandelt sind, um hydrophile Eigenschaften aufzubringen;
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6 eine bruchstückhafte Schnittansicht einer PEM-Brennstoffzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist, die eine hydrophile Zwischenschicht und ein Strömungsfeld zeigt, das derart behandelt ist, um hydrophile Eigenschaften aufzubringen;
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7 eine bruchstückhafte Schnittansicht einer PEM-Brennstoffzelle ist, die zwei hydrophile Zwischenschichten und zwei Strömungsfelder zeigt, die derart behandelt sind, um hydrophile Eigenschaften aufzubringen;
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8 ein Schaubild ist, das ein Strom-Spannungs-Leistungsverhalten eines typischen Brennstoffzellenstapels, der reine MEA mit ultradünnen Elektroden aufweist, bei hohen Mittentemperaturen zeigt;
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9 ein Schaubild ist, das ein Strom-Spannungs-Leistungsverhalten eines Brennstoffzellenstapels, der eine hydrophile Zwischenschicht aufweist, bei hohen Mittentemperaturen zeigt;
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10 ein Schaubild ist, das ein Strom-Spannungs-Leistungsverhalten eines Brennstoffzellenstapels, der ein Strömungsfeld aufweist, das derart behandelt ist, um hydrophile Eigenschaften aufzubringen, bei hohen Mittentemperaturen zeigt;
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11 ein Schaubild ist, das ein Strom-Spannungs-Leistungsverhalten eines Brennstoffzellenstapels, der eine hydrophile Zwischenschicht und ein Strömungsfeld aufweist, das derart behandelt ist, um hydrophile Eigenschaften aufzubringen, bei hohen Mittentemperaturen zeigt; und
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12 ein Schaubild ist, das eine Wirkung einer Dicke einer hydrophilen Zwischenschicht auf ein Leistungsverhalten eines Brennstoffzellenstapels bei einer Kaltstartbetriebstemperatur und bei einer normalen Betriebstemperatur zeigt.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Die folgende detaillierte Beschreibung und die angefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen dazu, den Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung durchzuführen und anzuwenden, und sind nicht dazu bestimmt, den Schutzumfang der Erfindung auf irgendeine Weise einzuschränken.
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Der Einfachheit halber ist nur ein Zwei-Zellen-Stapel (d. h. eine einzelne Bipolarplatte) hier gezeigt und beschrieben, wobei zu verstehen sei, dass ein typischer Stapel viel mehr derartige Zellen und Bipolarplatten besitzt.
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1 zeigt einen zwei Zellen umfassenden Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellenstapel 2, der ein Paar Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 4, 6 besitzt, die voneinander durch ein elektrisch leitendes Fluidverteilungselement 8, nachfolgend eine bipolare Platte 8, getrennt sind. Die MEAs 4, 6 und die bipolare Platte 8 sind zwischen Endelementen 10, 12 und Endplatten 14, 16 aneinander gestapelt. Sowohl die Endplatte 14, beide aktiven Oberflächen der Bipolarplatte 8 wie auch die Endplatte 16 sind mit einem jeweiligen Strömungsfeld 18, 20, 22, 24 zur Verteilung beispielsweise eines Brennstoffs, wie H2, und eines Oxidationsmittelgases, wie O2, an die MEAs 4, 6 versehen. Wie in 2 gezeigt ist, umfassen die Strömungsfelder 18, 20, 22, 24 eine Vielzahl von Strömungspfaden oder Strömungskanälen 17 und eine Vielzahl von Stegen 25. Es sei zu verstehen, dass die Strömungskanäle 17 nach Bedarf eine beliebige Form besitzen können, wie beispielsweise trapezförmig, rechtwinklig, dreieckig, gewellt und gezahnt. Nichtleitende Dichtungselemente 26, 28, 30, 32 sehen Dichtungen wie auch eine elektrische Isolierung zwischen benachbarten elektrisch leitenden Komponenten des Brennstoffzellenstapels 2 vor.
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Poröse elektrisch leitende Diffusionsmedien (DM) 34, 36, 38, 40 grenzen an Elektrodenseiten der MEAs 4, 6 an. Derartige DM's 34, 36, 38, 40 können aus einem Material aufgebaut sein, das eine Verteilung der Reaktanden über die Elektrodenseiten und die Elektrolytmembran der MEAs 4, 6 unterstützt, wie beispielsweise ein verwobenes Graphit, eine graphitisierte Lage oder Kohlenstoffpapier. Die Endplatten 14, 16 werden jeweils gegen die DM's 34, 40 getrieben, während die Bipolarplatte 8 auf einer Anodenseite der MEA 4, die derart ausgebildet ist, um einen Wasserstoff führenden Reaktanden aufzunehmen, an dem DM 36 angrenzt und auf einer Kathodenseite der MEA 6, die derart ausgebildet ist, um einen Sauerstoff führenden Reaktanden aufzunehmen, an einem DM 38 angrenzt. Der Sauerstoff führende Reaktand wird an eine Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 2 von einem Speichertank 46 durch eine geeignete Versorgungsleitung 42 geliefert, während der Wasserstoff führende Reaktand an eine Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 2 von einem Speichertank 48 durch eine geeignete Versorgungsleitung 44 geliefert wird. Alternativ dazu kann Umgebungsluft an die Kathodenseite als ein Sauerstoff führender Reaktand und Wasserstoff an die Anodenseite von einem Methanol- oder Benzinreformer oder dergleichen geliefert werden. Es ist auch eine Austragsleitung (nicht gezeigt) für sowohl die Anoden- als auch die Kathodenseiten der MEAs 4, 6 vorgesehen. Es sind zusätzliche Leitungen 50, 52, 54 zur Lieferung eines Kühlmittels an die Bipolarplatte 8 und die Endplatten 14, 16 vorgesehen. Geeignete Leitungen (nicht gezeigt) zum Austrag von Kühlmittel von der Bipolarplatte 8 und den Endplatten 14, 16 sind ebenfalls vorgesehen.
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2 zeigt einen Abschnitt einer Brennstoffzelle des zusammengebauten Brennstoffzellenstapels 2 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der Einfachheit halber wird nur die MEA 4 nachfolgend weiter beschrieben, wobei zu verstehen sei, dass zusätzliche MEAs im Wesentlichen den gleichen Aufbau besitzen. Die MEA 4 umfasst eine Protonenaustauschmembran (PEM) 62, die schichtartig zwischen einer ultradünnen Anode 64 und einer ultradünnen Kathode 66 angeordnet ist. Bei der gezeigten Ausführungsform sind die Anode 64 und die Kathode 66 jeweils weniger als 2 μm dick. Es sei jedoch zu verstehen, dass die Anode 64 und die Kathode 66 nach Bedarf beliebige Dicken besitzen können. Die Anode 64 und die Kathode 66 umfassen typischerweise ein poröses leitendes Material 68 mit darin verteilten katalytischen Partikeln 70, um die elektrochemische Reaktion des Sauerstoffs in der Kathode 66 und des Wasserstoffs in der Anode 64 zu unterstützen.
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Bei der gezeigten Ausführungsform ist eine Zwischenschicht 72, die eine hydrophile Oberfläche besitzt, zwischen der Kathode 66 und dem DM 34 angeordnet. Es sei zu verstehen, dass gegebenenfalls eine andere Zwischenschicht 82, die eine hydrophile Oberfläche besitzt, zwischen der Anode 64 und dem DM 36 angeordnet sein kann, wie in 3 gezeigt ist. Die hydrophile Oberfläche der Zwischenschichten 72, 82 kann durch eine Oberflächenbehandlung erzeugt werden, wie beispielsweise Auftragen einer Beschichtung auf eine Oberfläche der Zwischenschichten 72, 82, maschinelles Bearbeiten einer Oberfläche der Zwischenschichten 72, 82 und dergleichen. Es sei zu verstehen, dass die auf die Oberfläche der Zwischenschichten 72, 82 aufgetragene Beschichtung ein elektrisch leitendes Material sein kann, wie beispielsweise ein hydrophiles Polymer, ein Kohlenstoff und Ionomer, ein funktionalisierter Kohlenstoff, ein reduzierbares Oxid, eine Zwischengitter-Verbindung und dergleichen. Die Zwischenschichten 72, 82 können auch aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt sein, wie beispielsweise einer dünnen hydrophilen Polymerschicht, einer Kohlenstoff- und Ionomerschicht, einer Schicht aus funktionalisiertem Kohlenstoff, einer Schicht aus reduzierbarem Oxid, einer Schicht einer Zwischengitterverbindung und dergleichen. Es sei jedoch zu verstehen, dass die Zwischenschichten 72, 82 auch beispielsweise durch Auftragen einer hydrophilen Beschichtung auf die Kathode 66 bzw. die Anode 64, durch maschinelles Bearbeiten der Kathode 66 bzw. der Anode 64 und dergleichen erzeugt werden können. Es sei ferner zu verstehen, dass die auf die Kathode 66 und die Anode 64 aufgetragene Beschichtung ein elektrisch leitendes Material sein kann, wie beispielsweise ein hydrophiles Polymer, ein Kohlenstoff und Ionomer, ein funktionalisierter Kohlenstoff, ein reduzierbares Oxid, eine Zwischengitterverbindung und dergleichen. Die Zwischenschichten 72, 82 sind derart angepasst, um einer Ansammlung von überschüssigem Produktwasser an der Kathode 66 und/oder der Anode 64 entgegen zu wirken und zu ermöglichen, dass die Reaktanden die katalytischen Partikel 70 derselben erreichen können. Die Zwischenschichten 72, 82 können beispielsweise zwischen etwa 0,5 μm bis etwa 15 μm dick sein. Bei der gezeigten Ausführungsform sind die Zwischenschichten 72, 82 zwischen etwa 0,5 μm bis etwa 3 μm dick. Es sei jedoch zu verstehen, dass die Zwischenschichten 72, 82 gegebenenfalls beliebige Dicken besitzen können.
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Das DM 34 ist zwischen der Endplatte 14 und der Zwischenschicht 72 angeordnet, wobei eine poröse Substratschicht 74 des DM 34 benachbart dem Strömungsfeld 18 der Endplatte 14 angeordnet ist. Eine mikroporöse Schicht 76 des DM 34 ist benachbart der Zwischenschicht 72 angeordnet. Das DM 36 ist zwischen der Anodenseite der Bipolarplatte 8 und der Anode 64, wie in 2 gezeigt ist, oder der Zwischenschicht 82, wie in 3 gezeigt ist, angeordnet, wobei eine poröse Substratschicht 78 des DM 36 benachbart des Strömungsfeldes 20 der Bipolarplatte 8 angeordnet ist. Eine mikroporöse Schicht 80 des DM 36 ist benachbart der Anode 64, wie in 2 gezeigt ist, oder der Zwischenschicht 82, wie in 3 gezeigt ist, angeordnet. Es sei zu verstehen, dass die Zwischenschichten 72, 82 nicht auf den verwendeten Typ von DM oder die Anwesenheit von mikroporösen Schichten 76, 80 derselben beschränkt sind.
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Im Gebrauch wird Wasserstoff an die Endplatte 16 und die Anodenseite der Bipolarplatte 8 des Brennstoffzellenstapels 2 von einer Wasserstoffquelle 48 geliefert. Sauerstoff wird als das Oxidationsmittel an die Endplatte 14 und die Kathodenseite der Bipolarplatte 8 von einer Sauerstoffquelle 46 geliefert. Alternativ dazu kann Umgebungsluft an die Kathodenseite als ein Oxidationsmittel geliefert werden, und Wasserstoff kann an die Anodenseite von einem Methanol- oder Benzinreformer geliefert werden.
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An der Anode 64 wird der Wasserstoff katalytisch in Protonen und Elektronen aufgespalten. Die gebildeten Protonen dringen durch die PEM 62 zu der Kathode 66. Die Elektronen wandern entlang einer externen Lastschaltung (nicht gezeigt) zu der Kathode 66 der MEA 4, wodurch ein Stromausgang des Brennstoffzellenstapels 2 erzeugt wird. Währenddessen wird ein Sauerstoffstrom an die Kathode 66 der MEA 4 geliefert. An der Kathode 66 reagieren Sauerstoffmoleküle mit den durch die PEM 62 hindurch dringenden Protonen und den durch die externe Schaltung ankommenden Elektronen, um Wasser (nicht gezeigt) zu bilden. Obwohl an der Anode 64 nicht dieselben Flüssigwassermanagementprobleme wie an der Kathode 66 auftreten, d. h. Produktwasser wird nur an der Kathode 66 erzeugt, kann sich einiges Wasser an der Anode 64 aufgrund einer Rückdiffusion durch die PEM 62 ansammeln. Die DM's 34, 36 entfernen das überschüssige Wasser während feuchter Betriebsbedingungen oder an feuchten Gebieten der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 2, um ein Fluten der Anode 64 und der Kathode 66 zu vermeiden. Bei trockenen Betriebsbedingungen oder an trockenen Gebieten der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 2 halten die DM's 34, 36 einen Hydratationsgrad der PEM 62 aufrecht, um eine anständige Protonenleitfähigkeit zu erhalten. Die Zwischenschichten 72, 82 wirken der Ansammlung des überschüssigen Wassers an der Kathode 66 bzw. der Anode 64 entgegen und ermöglichen, dass die Reaktanden die katalytischen Partikel 70 derselben erreichen können. Ein Wassermanagement in dem Brennstoffzellenstapel 2 ist wesentlich für einen erfolgreichen Langzeitbetrieb des Brennstoffzellenstapels 2.
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Die 4 und 5 zeigen einen Abschnitt einer Brennstoffzelle eines zusammengebauten Brennstoffzellenstapels 2' ähnlich dem, der in den 2 und 3 gezeigt ist, gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Die Bezugszeichen für einen ähnlichen Aufbau in Bezug auf die Beschreibung der 2 und 3 sind in den 4 und 5 mit einem Strichindex-(')-Symbol wiederholt.
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Der Einfachheit halber wird nur die MEA 4' nachfolgend weiter beschrieben, wobei zu verstehen sei, dass zusätzliche MEAs einen im Wesentlichen ähnlichen Aufbau besitzen. Die MEA 4' umfasst eine PEM 62', die schichtartig zwischen einer ultradünnen Anode 64' und einer ultradünnen Kathode 66' angeordnet ist. Bei der gezeigten Ausführungsform sind die Anode 64' und die Kathode 66' jeweils weniger als 2 μm dick. Es sei jedoch zu verstehen, dass die Anode 64' und die Kathode 66' gegebenenfalls beliebige Dicken besitzen können. Die Anode 64' und die Kathode 66' umfassen typischerweise ein poröses leitendes Material 68' mit darin verteilten katalytischen Partikeln 70', um die elektrochemische Reaktion des Sauerstoffs in der Kathode 66' und des Wasserstoffs in der Anode 64' zu unterstützen.
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Ein DM 34' ist zwischen der Endplatte 14' und der Kathode 66' angeordnet, wobei eine poröse Substratschicht 74' des DM 34' benachbart dem Strömungsfeld 18' der Endplatte 14' angeordnet ist. Eine mikroporöse Schicht 76' des DM 34' ist benachbart der Kathode 66' angeordnet. Ein DM 36' ist zwischen der Anodenseite der Bipolarplatte 8' und der Anode 64' angeordnet, wobei eine poröse Substratschicht 78' des DM 36' benachbart dem Strömungsfeld 20' der Bipolarplatte 8' angeordnet ist. Eine mikroporöse Schicht 80' des DM 36' ist benachbart der Anode 64' angeordnet.
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Die Strömungsfelder 18', 20' der Endplatte 14' bzw. der Bipolarplatte 8' können derart angepasst werden, um effizient Produktwasser von dem DM 34', 36' durch ein nicht mechanisches Mittel abzulassen, wie beispielsweise Kapillarwirkung, wodurch eine Wassersättigung in den DM's 34', 36' sowie ein Massenübertragungswiderstand der Reaktanden minimiert wird. Bei der gezeigten Ausführungsform wird das Strömungsfeld 18' behandelt, um hydrophile Eigenschaften aufzubringen, wie beispielsweise mit einer hydrophilen Oberfläche 90. Als ein nicht beschränkendes Beispiel umfasst das Strömungsfeld 18' die hydrophile Oberfläche 90 und/oder eine Vielzahl von Poren (nicht gezeigt), die darin benachbart dem DM 34' geformt sind. Es sei zu verstehen, dass die hydrophile Oberfläche 90 des Strömungsfeldes 18' durch eine beliebige Oberflächenbehandlung hergestellt werden kann, wie beispielsweise durch Auftragen einer hydrophilen Beschichtung, wie in den 4 und 5 gezeigt ist, durch Auftragen eines adsorbierten Reagenz, Formen des Strömungsfeldes 18' aus einem hydrophilen Material, maschinelles Bearbeiten einer Oberfläche desselben, Ausbildung einer Vielzahl von Poren darin und dergleichen. Beispiele geeigneter hydrophiler Beschichtungen umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Metalloxide. Wie gezeigt ist, werden eine Vielzahl von Kanälen 17' und eine Vielzahl von Stegen 25' des Strömungsfeldes 18' behandelt, um hydrophile Eigenschaften aufzubringen. Es sei jedoch zu verstehen, dass gegebenenfalls nur einer der Kanäle 17' und der Stege 25' behandelt werden kann, um hydrophile Eigenschaften aufzubringen. Das Strömungsfeld 18', das hydrophile Eigenschaften besitzt, ist derart angepasst, um Wasser weg von dem DM 34' durch eine Kapillarwirkung zu saugen. Es sei zu verstehen, dass das Strömungsfeld 20' gegebenenfalls auch behandelt werden kann, um hydrophile Eigenschaften aufzubringen. Bei einem nicht beschränkenden Beispiel, das in 5 gezeigt ist, umfasst das Strömungsfeld 20' eine hydrophile Oberfläche 92. Es sei zu verstehen, dass die hydrophile Oberfläche 92 des Strömungsfeldes 20' durch eine beliebige Oberflächenbehandlung hergestellt werden kann, wie beispielsweise Auftragen einer hydrophilen Beschichtung, wie in 5 gezeigt ist, Auftragen eines adsorbierten Reagenz, Formen des Strömungsfeldes 20' aus einem hydrophilen Material, maschinelles Bearbeiten einer Oberfläche desselben, Formen einer Vielzahl von Poren darin und dergleichen. Beispiele geeigneter hydrophiler Beschichtungen umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Metalloxide. Wie gezeigt ist, sind eine Vielzahl von Kanälen 17' und eine Vielzahl von Stegen 25' des Strömungsfeldes 18' behandelt, um hydrophile Eigenschaften aufzubringen. Es sei jedoch zu verstehen, dass gegebenenfalls nur einer der Kanäle 17' und der Stege 25' behandelt sein kann, um hydrophile Eigenschaften aufzubringen. Das Strömungsfeld 20', das hydrophile Eigenschaften besitzt, ist derart angepasst, um Wasser weg von dem DM 36' durch eine Kapillarwirkung zu saugen. Es sei zu verstehen, dass die Strömungsfelder 18', 20' nicht auf den verwendeten Typ von DM oder die Anwesenheit mikroporöser Schichten 76', 80' derselben begrenzt sind.
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Im Gebrauch wird Wasserstoff an die Endplatte und die Anodenseite der Bipolarplatte 8' des Brennstoffzellenstapels 2' von einer Wasserstoffquelle geliefert. Sauerstoff wird als das Oxidationsmittel an die Endplatte 14' und die Kathodenseite der Bipolarplatte 8' von einer Sauerstoffquelle geliefert. Alternativ dazu kann Umgebungsluft an die Kathodenseite als ein Oxidationsmittel geliefert werden, und Wasserstoff kann an die Anodenseite von einem Methanol- oder Benzinreformer geliefert werden.
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An der Anode 64' wird der Wasserstoff katalytisch in Protonen und Elektronen aufgespalten. Die gebildeten Protonen dringen durch die PEM 62' zu der Kathode 66'. Die Elektronen wandern entlang einer externen Lastschaltung (nicht gezeigt) zu der Kathode 66' der MEA 4', wodurch ein Stromausgang des Brennstoffzellenstapels 2' erzeugt wird. Währenddessen wird ein Sauerstoffstrom an die Kathode 66' der MEA 4' geliefert. An der Kathode 66' reagieren Sauerstoffmoleküle mit den durch die PEM 62' hindurch dringenden Protonen und den durch die externe Schaltung ankommenden Elektronen, um Wasser (nicht gezeigt) zu bilden. Obwohl an der Anode 64 nicht dieselben Flüssigwassermanagementprobleme wie an der Kathode 66' auftreten, d. h. Produktwasser wird nur an der Kathode 66' erzeugt, kann sich einiges Wasser an der Anode 64' aufgrund einer Rückdiffusion durch die PEM 62' ansammeln. Die DM's 34', 36' entfernen das überschüssige Wasser während feuchter Betriebsbedingungen oder an feuchten Gebieten der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 2', um ein Fluten der Anode 64' und der Kathode 66' zu vermeiden. Bei trockenen Betriebsbedingungen oder an trockenen Gebieten der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 2' halten die DM's 34', 36' einen Hydratationsgrad der PEM 62' aufrecht, um eine anständige Protonenleitfähigkeit zu erhalten. Die hydrophilen Eigenschaften der Strömungsfelder 18', 20', insbesondere die hydrophilen Oberflächen 90, 92 wirken der Ansammlung des überschüssigen Wassers an der Kathode 66' bzw. der Anode 64' entgegen und ermöglichen, dass die Reaktanden die katalytischen Partikel 70' derselben erreichen können. Die hydrophilen Eigenschaften verbessern das Wassermanagement der Anode 64', der Kathode 66' und der DM's 34', 36' und wirken einem Fluten derselben entgegen, während eine verbesserte Wasserentfernung unterstützt wird. Ein Wassermanagement in dem Brennstoffzellenstapel 2' ist wesentlich für einen erfolgreichen Langzeitbetrieb des Brennstoffzellenstapels 2'.
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Die 6 und 7 zeigen einen Abschnitt einer Brennstoffzelle eines zusammengebauten Brennstoffzellenstapels 2'' ähnlich dem, der in den 2, 3, 4 und 5 gezeigt ist, gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Bezugszeichen für einen ähnlichen Aufbau in Bezug auf die Beschreibung der 2, 3, 4 und 5 sind in den 6 und 7 mit einem Strichindex-('')-Symbol dargestellt.
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Der Einfachheit halber wird nur die MEA 4'' nachfolgend weiter beschrieben, wobei zu verstehen sei, dass zusätzliche MEAs im Wesentlichen den gleichen Aufbau besitzen. Die MEA 4'' umfasst eine PEM 62'', die schichtartig zwischen einer ultradünnen Anode 64'' und einer ultradünnen Kathode 66'' angeordnet ist. Bei der gezeigten Ausführungsform sind die Anode 64'' und die Kathode 66 jeweils weniger als 2 μm dick. Es sei jedoch zu verstehen, dass die Anode 64'' und die Kathode 66'' nach Bedarf beliebige Dicken besitzen können. Die Anode 64'' und die Kathode 66'' umfassen typischerweise ein poröses leitendes Material 68'', in dem katalytische Partikel 70'' verteilt sind, um die elektrochemische Reaktion des Sauerstoffs in der Kathode 66'' und des Wasserstoffs in der Anode 64'' zu unterstützen.
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Bei der gezeigten Ausführungsform ist eine Zwischenschicht 72'', die eine hydrophile Oberfläche aufweist, zwischen der Kathode 66'' und einem DM 34'' Es sei zu verstehen, dass gegebenenfalls eine andere Zwischenschicht 82'', die eine hydrophile Oberfläche aufweist, zwischen der Anode 64'' und einem DM 36'' angeordnet sein kann, wie in 7 gezeigt ist. Die hydrophile Oberfläche der Zwischenschichten 72'', 82'' kann durch eine Oberflächenbehandlung hergestellt werden, wie beispielsweise durch Auftragen einer Beschichtung auf eine Oberfläche der Zwischenschichten 72'', 82'', einem maschinellen Bearbeiten einer Oberfläche der Zwischenschichten 72'', 82'' und dergleichen. Es sei zu verstehen, dass die auf die Oberfläche der Zwischenschichten 72'', 82'' aufgetragene Beschichtung ein elektrisch leitendes Material sein kann, wie beispielsweise ein hydrophiles Polymer, ein Kohlenstoff und Ionomer, ein funktionalisierter Kohlenstoff, ein reduzierbares Oxid, eine Zwischengitterverbindung und dergleichen. Die Zwischenschichten 72'', 82'' können auch aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt sein, wie beispielsweise einer dünnen hydrophilen Polymerschicht, einer Kohlenstoff- und Ionomerschicht, einer Schicht aus funktionalisiertem Kohlenstoff, einer Schicht aus reduzierbarem Oxid und einer Zwischengitterverbindungsschicht und dergleichen. Es sei jedoch zu verstehen, dass die Zwischenschichten 72'', 82'' beispielsweise auch durch Auftragen einer hydrophilen Beschichtung auf die Kathode 66'' bzw. die Anode 64'', ein maschinelles Bearbeiten der Kathode 66'' bzw. der Anode 62'' und dergleichen hergestellt werden können. Es sei ferner zu verstehen, dass die auf die Kathode 66'' und die Anode 64'' aufgetragene Beschichtung ein elektrisch leitendes Material sein kann, wie beispielsweise ein hydrophiles Polymer, ein Kohlenstoff und Ionomer, ein funktionalisierter Kohlenstoff, ein reduzierbares Oxid, eine Zwischengitterverbindung und dergleichen. Die Zwischenschichten 72'', 82'' sind derart angepasst, um einer Ansammlung von überschüssigem Produktwasser an der Kathode 66'' und der Anode 64'' entgegenzuwirken und zu ermöglichen, dass die Reaktanden die katalytischen Partikel 70'' derselben erreichen können. Die Zwischenschichten 72'', 82'' können beispielsweise zwischen etwa 0,5 μm bis etwa 15 um dick sein. Bei der gezeigten Ausführungsform sind die Zwischenschichten 72'', 82'' zwischen etwa 0,5 μm bis etwa 3 μm dick. Es sei jedoch zu verstehen, dass die Zwischenschichten 72'', 82'' gegebenenfalls beliebige Dicken besitzen können.
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Das DM 34'' ist zwischen der Endplatte 14'' und der Zwischenschicht 72'' angeordnet, wobei eine poröse Substratschicht 74'' des DM 34'' benachbart dem Strömungsfeld 18'' der Endplatte 14'' angeordnet ist. Eine mikroporöse Schicht 76'' des DM 34'' ist benachbart der Zwischenschicht 72'' angeordnet. Das DM 36'' ist zwischen der Anodenseite der Bipolarplatte 8'' und der Anode 64'', wie in 6 gezeigt ist, oder der Zwischenschicht 82'', wie in 7 gezeigt ist, angeordnet, wobei eine poröse Substratschicht 78'' des DM 36'' benachbart dem Strömungsfeld 20'' der Bipolarplatte 8'' angeordnet ist. Eine mikroporöse Schicht 80'' des DM 36'' ist benachbart der Anode 64'', wie in 6 gezeigt ist, oder der Zwischenschicht 82'', wie in 7 gezeigt ist, angeordnet. Es sei zu verstehen, dass die Zwischenschichten 72'', 82'' nicht auf den verwendeten Typ von DM oder die Anwesenheit von mikroporösen Schichten 76'', 80'' derselben begrenzt sind.
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Die Strömungsfelder 18'', 20'' der Endplatte 14'' bzw. der Bipolarplatte 8'' können derart angepasst sein, um Produktwasser von dem DM's 34'', 36'' durch ein nicht mechanisches Mittel effizient abzulassen, wie beispielsweise durch Kapillarwirkung, wodurch eine Wassersättigung in den DM's 34'', 36'' und ein Massenübertragungswiderstand der Reaktanden minimiert werden. Bei der gezeigten Ausführungsform wird das Strömungsfeld 18'' behandelt, um hydrophile Eigenschaften aufzubringen, wie beispielsweise mit einer hydrophilen Oberfläche 90''. Als ein nicht beschränkendes Beispiel umfasst das Strömungsfeld 18'' die hydrophile Oberfläche 90'' und/oder eine Vielzahl von Poren (nicht gezeigt), die darin benachbart des DM 34'' geformt sind. Es sei zu verstehen, dass die hydrophile Oberfläche 90'' des Strömungsfeldes 18'' durch eine beliebige Oberflächenbehandlung hergestellt werden kann, wie beispielsweise durch Auftragen einer hydrophilen Beschichtung, wie in den 6 und 7 gezeigt ist, Auftragen eines adsorbierten Reagenz, Formen des Strömungsfeldes 18'' aus einem hydrophilen Material, maschinelles Bearbeiten einer Oberfläche derselben, Formen einer Vielzahl von Poren darin und dergleichen. Wie gezeigt ist, werden eine Vielzahl von Kanälen 17'' und eine Vielzahl von Stegen 25'' des Strömungsfeldes 18'' behandelt, um hydrophile Eigenschaften aufzubringen. Es sei jedoch zu verstehen, dass gegebenenfalls nur einer der Kanäle 17'' und der Stege 25'' behandelt werden kann, um hydrophile Eigenschaften aufzubringen. Das Strömungsfeld 18'', das hydrophile Eigenschaften besitzt, ist derart angepasst, um Wasser weg von dem DM 34'' durch eine Kapillarwirkung zu saugen. Es sei zu verstehen, dass nach Bedarf das Strömungsfeld 20'' ebenfalls behandelt werden kann, um hydrophile Eigenschaften aufzubringen. Bei einem nicht beschränkenden Beispiel, wie in 7 gezeigt ist, umfasst das Strömungsfeld 20'' eine hydrophile Oberfläche 92''. Es sei zu verstehen, dass die hydrophile Oberfläche 92'' des Strömungsfeldes 20'' durch eine beliebige Oberflächenbehandlung hergestellt werden kann, wie beispielsweise Auftragen einer hydrophilen Beschichtung, wie in 7 gezeigt ist, Auftragen eines adsorbierten Reagenz, Formen des Strömungsfeldes 20'' aus einem hydrophilen Material, maschinelles Bearbeiten einer Oberfläche desselben, Formen einer Vielzahl von Poren darin und dergleichen. Wie gezeigt ist, werden eine Vielzahl von Kanälen 17'' und eine Vielzahl von Stegen 25'' des Strömungsfeldes 20'' behandelt, um hydrophile Eigenschaften aufzubringen. Es sei jedoch zu verstehen, dass nach Bedarf nur einer der Kanäle 17'' und der Stege 25'' behandelt werden kann, um hydrophile Eigenschaften aufzubringen. Das Strömungsfeld 20'', das hydrophile Eigenschaften besitzt, ist derart angepasst, um Wasser weg von dem DM 34'' durch eine Kapillarwirkung zu saugen. Es sei zu verstehen, dass die Strömungsfelder 18'', 20'' nicht auf den Verwendetem Typ von DM oder die Anwesenheit mikroporöser Schichten 76'', 80'' derselben begrenzt sind.
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Im Gebrauch wird Wasserstoff an die Endplatte und die Anodenseite der Bipolarplatte 8'' des Brennstoffzellenstapels 2'' von einer Wasserstoffquelle geliefert. Sauerstoff wird als das Oxidationsmittel an die Endplatte 14'' und die Kathodenseite der Bipolarplatte 8'' von einer Sauerstoffquelle geliefert. Alternativ dazu kann Umgebungsluft an die Kathodenseite als ein Oxidationsmittel geliefert werden und Wasserstoff kann an die Anodenseite von einem Methanol- oder Benzinreformer geliefert werden.
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An der Anode 64'' wird der Wasserstoff katalytisch in Protonen und Elektronen aufgespalten. Die gebildeten Protonen dringen durch die PEM 62'' zu der Kathode 66. Die Elektronen wandern entlang einer externen Lastschaltung (nicht gezeigt) zu der Kathode 66'' der MEA 4'', wodurch ein Stromausgang des Brennstoffzellenstapels 2'' erzeugt wird. Währenddessen wird ein Sauerstoffstrom an die Kathode 66'' der MEA 4'' geliefert. An der Kathode 66'' reagieren Sauerstoffmoleküle mit den durch die PEM 62'' hindurch dringenden Protonen und den durch die externe Schaltung ankommenden Elektronen, um Wasser (nicht gezeigt) zu bilden. Obwohl an der Anode 64'' nicht dieselben Flüssigwassermanagementprobleme wie an der Kathode 66'' auftreten, d. h. Produktwasser wird nur an der Kathode 66'' erzeugt, kann sich einiges Wasser an der Anode 64'' aufgrund einer Rückdiffusion durch die PEM 62'' ansammeln. Die DM's 34'', 36'' entfernen das überschüssige Wasser während feuchter Betriebsbedingungen oder an feuchten Gebieten der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 2'', um ein Fluten der Anode 64'' und der Kathode 66'' zu vermeiden. Bei trockenen Betriebsbedingungen oder an trockenen Gebieten der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 2'' halten die DM's 34'', 36'' einen Hydratationsgrad der PEM 62'' aufrecht, um eine anständige Protonenleitfähigkeit zu erhalten. Die Zwischenschichten 72'', 82'' wirken der Ansammlung des überschüssigen Wassers an der Kathode 66'' bzw. der Anode 64'' entgegen und ermöglichen, dass die Reaktanden die katalytischen Partikel 70'' derselben erreichen können.
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Die hydrophilen Eigenschaften der Strömungsfelder 18'', 20'', insbesondere der hydrophilen Oberflächen 90'', 92'' wirken einer Ansammlung von überschüssigem Wasser an der Kathode 66'' bzw. der Anode 64'' weiter entgegen und ermöglichen, dass die Reaktanden die katalytischen Partikel 70'' derselben erreichen können. Die hydrophilen Eigenschaften steigern ein Wassermanagement der Anode 64'', der Kathode 66'' und der DM's 34'', 36'' und wirken einem Fluten derselben entgegen, während eine verbesserte Wasserentfernung unterstützt wird. Ein Wassermanagement in dem Brennstoffzellenstapel 2'' ist wesentlich für einen erfolgreichen Langzeitbetrieb des Brennstoffzellenstapels 2''.
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Die Brennstoffzellenstapel 2, 2', 2'' wurden unter verschiedenen Betriebsbedingungen getestet. Die 8, 9, 10 und 11 zeigen die Ergebnisse in Bezug auf die Stromdichte (A/cm2) gegenüber der Spannung (V) bei Temperaturen von 30°C, 40°C, 50°C, 60°C und 80°C. Es sei zu verstehen, dass das Testen der Brennstoffzellenstapel 2, 2', 2'' bei Temperaturen von 30°C, 40°C, 50°C und 60°C Kaltstartbetriebsbedingungen simulierte, und ein Testen bei einer Temperatur von 80°C einen normalen Betriebszustand simulierte.
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8 zeigt die Stromdichte gegenüber der Spannung für einen typischen Brennstoffzellenstapel, der eine Standard-MEA mit einer ultradünnen Elektrode und Strömungsfeldern aufweist. Der Brennstoffzellenstapel wurde bei 150 kPa und einer relativen Feuchte von 100% bei Temperaturen von 30°C, 40°C, 50°C, 60°C und 80°C betrieben.
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9 zeigt die Stromdichte gegenüber der Spannung für den Brennstoffzellenstapel 2, der die hydrophile Zwischenschicht 72 besitzt, die aus einem Kohlenstoff- und Ionomermaterial mit einer Dicke von etwa 3 μm hergestellt und benachbart der Kathode 66 angeordnet wurde. Der Brennstoffzellenstapel 2 wurde bei 150 kPa und einer relativen Feuchte von 100% bei Temperaturen von 30°C, 40°C, 50°C, 60°C und 80°C betrieben. Die Kurven für die Temperaturen 30°C, 40°C und 50°C zeigen eine signifikante Zunahme der Stromdichte, etwa 2x, im Vergleich zu dem typischen Brennstoffzellenstapel bei derselben Spannung. Die Kurven für die Temperaturen 60°C und 80°C zeigen keinen merklichen Unterschied.
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10 zeigt die Stromdichte gegenüber der Spannung für den Brennstoffzellenstapel 2, der die Strömungsfelder 18, 20' aufweist, die hydrophile Eigenschaften besitzen. Der Brennstoffzellenstapel 2' wurde bei 150 kPa und einer relativen Feuchte von 100% bei Temperaturen von 30°C, 40°C, 50°C, 60°C und 80°C betrieben. Die Kurven für die Temperaturen 30°C, 40°C und 80°C zeigen keinen merklichen Unterschied in der Stromdichte im Vergleich zu dem typischen Brennstoffzellenstapel, der Standardströmungsfelder besitzt. Die Kurven für die Temperaturen 50°C und 60°C zeigen eine merkliche Zunahme, insbesondere bei geringeren Spannungen.
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11 zeigt die Stromdichte gegenüber der Spannung für den Brennstoffzellenstapel 2'', der die hydrophile Zwischenschicht 72'' aufweist, die aus einem Kohlenstoff- und Ionomermaterial mit einer Dicke von 1 μm hergestellt ist, benachbart der Kathode 66'' angeordnet ist und Strömungsfelder 18'', 20'' aufweist, die hydrophile Eigenschaften besitzen. Der Brennstoffzellenstapel 2'' wurde bei 150 kPa und einer relativen Feuchte von 100% bei Temperaturen von 30°C, 40°C, 50°C, 60°C und 80°C betrieben. Die Kurven für die Temperaturen 30°C, 40°C, 50°C und 60°c zeigen eine signifikante Zunahme der Stromdichte, etwa 2x, im Vergleich zu dem typischen Brennstoffzellenstapel bei derselben Spannung. Die Kurve für die Temperatur von 80°C zeigt keinen merklichen Unterschied.
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12 zeigt eine Wirkung der Dicke der hydrophilen Zwischenschicht 72, die aus einem Kohlenstoff- und Ionomermaterial hergestellt ist, auf die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels 2 bei einer Kaltstartbetriebstemperatur (30°C) und bei einer normalen Betriebstemperatur (80°C). Die Kaltstartleistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels 2 steigt, wenn die Dicke der hydrophilen Zwischenschicht 72 von etwa 0 μm auf etwa 3 μm Dicke zunimmt. Jedoch nimmt über den Dickenbereich von etwa 3 μm bis etwa 12 μm Dicke die Kaltstartleistungsfähigkeit geringfügig ab und stabilisiert sich im Wesentlichen. Ferner nimmt die normale Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels 2 ab, wenn die Dicke der hydrophilen Zwischenschicht 72 von etwa 0 μm auf etwa 12 μm Dicke zunimmt. Die Abnahme der normalen Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels 2 wird wahrscheinlich durch eine Zunahme der Wasseransammlung und einen höheren Massentransportwiderstand in der Kathode 66 bewirkt. Wie in dem Beispiel gezeigt ist, ist die optimierte Dicke für die hydrophile Zwischenschicht 72, die aus einem Kohlenstoff- und Ionomermaterial hergestellt ist, eine Dicke von etwa 0,5 μm bis etwa 3 μm. Es sei jedoch zu verstehen, dass die optimierte Dicke von einer Porosität und Porengröße des Materials abhängt, das dazu verwendet wird, die hydrophile Zwischenschicht 72 zu erzeugen.
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Demgemäß ist der Vorteil verschiedener hydrophiler Modifikationen an einem Brennstoffzellenstapel mit ultradünnen Anoden und ultradünnen Kathoden bei relativ feuchten Betriebsbedingungen für hohe Mittentemperaturen in den obigen Beispielen gezeigt worden. Die Anordnung der zumindest einen hydrophilen Zwischenschicht zusammen mit Strömungsfeldern, die hydrophile Eigenschaften besitzen, hat eine Maximierung der Stromdichte und eine Optimierung von Wassermanagementfähigkeiten innerhalb des Brennstoffzellenstapels insbesondere Kaltstartbetriebsbedingungen (d. h. etwa 0°C bis etwa 60°C) gezeigt.
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Aus der vorhergehenden Beschreibung kann der Fachmann leicht die wesentlichen Charakteristiken dieser Erfindung ermitteln und ohne Abweichung von deren Erfindungsgedanken und Schutzumfang verschiedene Änderungen und Abwandlungen an der Erfindung ausführen, um diese an verschiedene Gebräuche und Bedingungen anzupassen.
