DE102005011853B4

DE102005011853B4 - Brennstoffzelle und Gasdiffusionsmedium zur ausgeglichenen Befeuchtung in Protonenaustauschmembranen von Brennstoffzellen

Info

Publication number: DE102005011853B4
Application number: DE102005011853A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Rohwer; Thorsten Kels
Original assignee: General Motors Corp
Current assignee: General Motors LLC
Priority date: 2004-03-18
Filing date: 2005-03-15
Publication date: 2009-03-05
Anticipated expiration: 2025-03-16
Also published as: DE102005011853A1; US7220513B2; US20050208366A1

Abstract

Brennstoffzelle (122) mit:
einer Separatorplatte (302, 304) mit einem Strömungsfeld (306);
einer Membranelektrodenanordnung (310) mit einem aktiven Bereich, der an einer Protonenaustauschmembran ausgebildet ist, wobei ein Anodenkatalysator (314) oder ein Kathodenkatalysator (316) den aktiven Bereich der Membranelektrodenanordnung (310) definiert; und
einem Gasdiffusionsmedium (318, 320), das zwischen der Separatorplatte (302, 304) und der Membranelektrodenanordnung (310) angeordnet ist, so dass der aktive Bereich in reaktiver Kopplung mit dem Strömungsfeld (306) steht, wobei das Gasdiffusionsmedium (318, 320) umfasst:
eine hydrophobe Lage (324), die benachbart der Separatorplatte (302, 304) und in Fluidverbindung mit dem Strömungsfeld (306) ausgebildet ist; und
eine hydrophile Lage (326), die benachbart der Membranelektrodenanordnung (310) und in Fluidverbindung mit der Membranelektrodenanordnung (310) ausgebildet ist;
wobei ein Reaktandengas in das Strömungsfeld (306) transportiert und an den aktiven Bereich durch das Gasdiffusionsmedium (318, 320) verteilt wird;
dadurch gekennzeichnet, dass
das Gasdiffusionsmedium (318, 320) ferner zumindest...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Befeuchtung eines Brennstoffzellensystems und insbesondere eine Vorrichtung zum Befeuchten des Reaktandengaszufuhrstroms zu der Protonenaustauschmembran einer Brennstoffzelle, indem eine ausgeglichene Feuchtigkeit über die Grenzflächen zwischen dem Gasdiffusionsmedium und der Protonenaustauschmembran vorgesehen wird, so dass die Protonenaustauschmembran in einer im Wesentlichen ausgeglichenen Befeuchtung gehalten wird.
Brennstoffzellensysteme wandeln einen Brennstoff und ein Oxidationsmittel in Elektrizität um. Ein Typ eines Brennstoffzellensystems, für den großes Interesse besteht, verwendet eine Protonenaustauschmembran oder PEM, um eine Reaktion von Brennstoffen (wie beispielsweise Wasserstoff) und Oxidationsmitteln (wie beispielsweise Luft/Sauerstoff) in Elektrizität katalytisch zu unterstützen. Die PEM ist ein Festpolymerelektrolyt, der eine Übertragung von Protonen von der Anode zu der Kathode in jeder einzelnen Brennstoffzelle des Stapels aus Brennstoffzellen unterstützt, die normalerweise in einem Brennstoffzellensystem eingesetzt werden.
Bei einer typischen Brennstoffzellenanordnung (Stapel) in einem Brennstoffzellensystem besitzen die einzelnen Brennstoffzellen Strömungsfelder mit Einlässen zu Fluidverteilern, wobei diese gemeinsam die verschiedenen Reaktandengase, die durch jede Zelle strömen, transportieren. Gasverteilungsmedien oder -anordnungen verteilen dann diese Fluide von dem Strömungsfeld an den reaktiven Anoden- und Kathodenfokus einer Membranelektrodenanordnung oder MEA. Diese Gasdiffusionsmedien sind vorteilhafterweise häufig als Teil der Konstruktion von Primärkollektorelektroden ausgebildet, die an die reaktiven Anoden- und Kathodenseiten gepresst werden.
Ein effektiver Betrieb einer PEM erfordert eine ausgeglichene Bereitstellung von ausreichend Wasser in dem Polymer einer PEM, um seine Protonenleitfähigkeit sogar dann beizubehalten, wenn der Katalysator benachbart der PEM, das Strömungsfeld wie auch das Gasdiffusionsmedium in nicht gefluteten Betriebszuständen gehalten werden. Diesbezüglich wird das Oxidationsmittel, typischerweise Sauerstoff oder sauerstoffhaltige Luft, an die Kathode geliefert, an der es mit Wasserstoffkationen, die die Protonenaustauschmembran durchquert haben, und Elektronen von einer externen Schaltung reagiert. Somit erzeugt die Brennstoffzelle sowohl Elektrizität als auch Wasser durch die elektrochemische Reaktion, und das Wasser wird mit dem Kathodenabfluss entfernt, wodurch die PEM der Brennstoffzelle entwässert wird, sofern das Wasser nicht anderweitig ersetzt wird. Es sei auch angemerkt, dass die Luftströmung durch das Kathodenströmungsfeld allgemein Wasser von der Protonenaustauschmembran mit einer noch höheren Rate als der Rate der Wassererzeugung (mit einer entsprechenden Entwässerung der PEM) über die Reaktion an der Kathode verdunstet.
Im befeuchteten Zustand besitzt die Polymer-Protonenaustauschmembran "saure" Eigenschaften, die ein Medium zum Leiten von Protonen von der Anode zu der Kathode der Brennstoffzellen vorsehen. Wenn jedoch die Protonenaustauschmembran nicht ausreichend bewässert wird, vermindert sich der "saure" Charakter mit einer entsprechenden Verminderung der gewünschten elektrochemischen Reaktion der Zelle.
Ein Problem tritt bei der Membranbefeuchtung im Betrieb der Brennstoffzelle jedoch auf, wenn eine Feuchtigkeitsmassenübertragung in der Zelle lokale Feuchtigkeitsgradienten in dem Gasdiffusionsmedium herstellt. Diesbezüglich tritt ein Ungleichgewicht in der Ebene der Protonenaustauschmembran, die zu dem Gasdiffusionsmedium weist, auf, da einige Bereiche in der Ebene der Membran bezüglich anderer Bereiche der Ebene im Betrieb einen Nutzen aus einem höheren Feuchtigkeitsniveau ziehen. Die lokalen Ungleichgewichte bezüglich der Qualität der Befeuchtung des Gasdiffusionsmediums bewirken vergleichbare verschiedene Qualitäten der Befeuchtung in lokalen Bereichen der Protonenaustauschmembran, was bei der Erzeugung von Elektrizität von der Zelle in unterschiedlichen Wirkungsgraden pro lokaler Bereiche der Protonenaustauschmembran resultiert.
Eine andere Schwierigkeit bei der Membranbefeuchtung besteht darin, dass viele Brennstoffzellenkatalysatoren deaktiviert werden, wenn sie mit flüssigem Wasser gesättigt sind. Aufgrund dessen sind Lösungen, um eine ausgeglichene Befeuchtung quer zur Ebene der Protonenaustauschmembran hinweg vorzusehen, ebenfalls bezüglich des negativen Einflusses von flüssigem Wasser auf die Aktivität des Katalysators benachbart der Oberflächen der Protonenaustauschmembran beschränkt, wenn der Katalysator selbst bis zur Sättigung mit flüssigem Wasser ent weder lokal oder über die Ebene der PEM, zu der der Katalysator benachbart ist und/oder an der dieser angebracht ist, bewässert wird.
Die nicht vorveröffentlichte DE 103 45 261 A1 und die DE 100 52 189 A1 beschreiben eine Brennstoffzelle und ein Gasdiffusionsmedium nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Brennstoffzelle sowie einen Gasdiffusionsmedium einer Brennstoffzelle bereitzustellen, die eine umfassende ausgeglichene Befeuchtung der Protonenaustauschmembran vorsehen und gleichzeitig im Betrieb die vollständige Aktivität in dem an den Oberflächen der Protonenaustauschmembran angebrachten Katalysator beibehalten.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung erkennt an, dass es wichtig zu verstehen ist, dass eine Anzahl geometrischer Konstruktionsfaktoren der Brennstoffzelle einen direkten Einfluss auf die Feuchtigkeitsverteilung der Gasdiffusionsmedien und somit der PEM hat. Die Erfindung ist darauf gerichtet, die nachteilige Auswirkung von geometrischen Konstruktionsanforderungen zu kompensieren oder zumindest zu minimieren. Die Erfindung führt zu einer ausgeglicheneren Feuchtigkeitsverteilung entlang der Ebene der PEM, und die Feuchtigkeitsverteilung vertikal über die PEM wird besser ausgeglichen und gesteuert. Die Erfindung führt zu einer besseren Befeuchtung der PEM, um die Lebensdauer der PEM zu maximieren. Demgemäß ist die Erfindung auf eine Brennstoffzelle mit einem Gasdiffusionsmedium gerichtet, das eine hydrophobe Lage, die an einer Oberfläche in Fluidverbindung mit einem Strömungsfeld ausgebildet ist, und eine hydrophile Lage aufweist, die an einer entgegengesetzten Oberfläche in Fluidverbindung mit der Membranelektrodenanordnung ausgebildet ist. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner die Verwendung wiederholter hydrophober und hydrophiler Lagen in dem Gasdiffusionsmedium.
Um das Gleichgewicht einer gleichmäßigen Feuchtigkeitsverteilung zu maximieren, brauchen die vorher erwähnten hydrophoben und hydrophilen Lagen weder gleichmäßig über die Ebene des Diffusionsmediums verteilt werden, noch gleichmäßig in einer Richtung quer zu der Ebene, wie beispielsweise vertikal durch den Querschnitt des Diffusionsmediums, verteilt werden. Stattdessen werden die hydrophoben und hydrophilen Eigenschaften des Gasdiffusionsmediums in ihrem Grad oder ihrer "Stärke" derart variiert, dass die Feuchtigkeitsverteilung entlang der gesamten Ebene des Gasdiffusionsmediums wie auch durch den Querschnitt des Gasdiffusionsmediums optimiert ist.
Das Gasdiffusionsmedium ist eine allgemein planare poröse Struktur, die einen Transportmechanismus für Reaktandengas in einer Richtung quer zur Ebene des Gasdiffusionsmediums vorsieht. Die poröse Struktur umfasst eine hydrophobe Lage, die an einer Oberfläche der porösen Struktur ausgebildet ist und einen Transportmechanismus für Feuchtigkeit in einer Richtung entlang der Ebene des Gasdiffusionsmediums vorsieht. Auf diese Art und Weise gleicht die hydrophobe Lage einen Feuchtigkeitsfluss über ihre Ebene aus und sieht schließlich eine ausgeglichene Befeuchtung der Protonenaustauschmembran vor. Eine hydrophile Lage, die an einer Oberfläche der porösen Struktur, die der hydrophoben Lage entgegengesetzt ist, ausgebildet ist, sieht einen Transportmechanismus für Feuchtigkeit in der Richtung quer zur Ebene des Gasdiffusionsmediums vor. Auf diese Art und Weise hält die hydrophile Lage funktionell flüssiges Wasser zur Abgabe als Feuchte in die (diffundierende) Reaktandenzufuhr, wenn diese durch das Diffusionsmedium zu der Membranaustauschanordnung gelangt, wodurch eine nachteilige Strömung von flüssigem Wasser auf dem Katalysator der Membranaustauschanordnung sogar dann verhindert wird, wenn der Recktand befeuchtet ist.
Existierende Konstruktionen begünstigen eine gleichmäßige Verteilung der hydrophilen und hydrophoben Eigenschaften der Gasdiffusionsmedien entlang der Ebene wie auch quer zur Ebene in einer Schnitt- oder Querrichtung in dem Gasdiffusionsmedium. Die vorliegende Erfindung beschreibt eine ungleichmäßige Verteilung der hydrophilen und hydrophoben Eigenschaften entlang der Ebene wie auch quer zur Ebene, um die Feuchtigkeitsverteilung und damit die elektrochemische Leitfähigkeit der PEM und ihre Lebensdauer zu optimieren.
Die vorliegende Erfindung umfasst Kapillarelemente in dem Gasdiffusionsmedium, die sich durch die hydrophobe Lage in die hydrophile Lage hinein erstrecken. Die Kapillarelemente liefern unter Druck stehendes Wasser in das Gasdiffusionsmedium ohne größere Gefahr einer Sättigung des Katalysators der Membranelektrodenanordnung.
Die Kombination aus ausgeglichenem Feuchtigkeitsfluss entlang der Ebene des Diffusionsmediums und der Rückhaltung von Wasser (über die hydrophile Lage), die durch die ausgeglichene Aufbringung der hydrophoben und hydrophilen Materialien entlang der Ebene und quer zur Ebene des Gasdiffusionsmediums vorgesehen wird, um das Reaktandengas vollständig zu befeuchten, schließt ein lokales Austrocknen der Protonenaustauschmembran durch den eintretenden befeuchteten Reaktanden sogar dann aus, wenn der Katalysator in einem nicht befeuchteten Zustand und in vollständiger Aktivität gehalten wird. Gemeinsam sehen diese beiden funktionellen Vorteile einen maximierten Betriebswirkungsgrad der Brennstoffzelle zusammen mit den daraus abgeleiteten Vorteilen bezüglich einer Minimierung der Querschnittsfläche in einer Brennstoffzelle, die einen definierten Betrag an Elektrizität vorsieht, und dadurch von Volumen, Gewicht wie auch Kosten in einem Brennstoffzellensystem vor. Zusätzlich erweitert die optimierte Befeuchtung die Lebensdauer wie auch Beständigkeit der PEM erheblich.
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus den Figuren wie auch der detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen, die nachfolgend vorgesehen sind, besser offensichtlich. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung wie auch spezifische Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
Die vorliegende Erfindung ist im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1A ein reformerbasiertes Brennstoffzellensystem mit Wasserzusatz zu dem Brennstoffzellenstapel des Systems zeigt;
1B ein wasserstoffspeicherbasiertes Brennstoffzellensystem mit Wasserzusatz zu dem Brennstoffzellenstapel des Systems zeigt;
2 ein Detail in einem Abschnitt eines PEM-Brennstoffzellenstapels in der Brennstoffzellenstapelanordnung des Brennstoffzellensystems der 1A und 1B zeigt;
3 ein Detail im Schnitt einer Brennstoffzelle zeigt, die eine hydrophobe Lage und eine nachfolgende hydrophile Lage umfasst;
4 ein Detail eines Kapillarelements zeigt, das sich durch die hydrophobe Lage und in die hydrophile Lage erstreckt, wie in 3 gezeigt ist;
5 eine planare Ansicht der hydrophoben Lage der 3 und 4 mit einer konzeptartigen Charakterisierung des Feuchtigkeitsflusses über den planaren Bereich des Abschnittes zeigt;
6 ein Schema einer Verteilung einer gleichmäßigen Hydrophobie und gleichmäßigen Hydrophilie entlang der Gasdiffusionsmedien zeigt, was zu einem nicht optimalen Wassermanagement führt; und
7 ein Schema einer Verteilung von Hydrophobie und Hydrophilie über Gasdiffusionsmedien gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, um ein Wassermanagement zu optimieren.
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
Im Überblick ist bei den bevorzugten Ausführungsformen das richtige Management von Wasser, das in der kathodischen Oxidations-Reduktions-Reaktion einer Brennstoffzelle erzeugt wird, wesentlich für einen effizienten Brennstoffzellenbetrieb wie auch die Lebensdauer. Die günstigste Situation besteht darin, eine vollständige Befeuchtung des Brennstoffgases und Oxidationsmittelgases zu haben, die der Protonenaustauschmembran (PEM) zugeführt werden, so dass die PEM gut befeuchtet wird und eine Protonenübertragung erleichtert wird. Wenn jedoch flüssiges Wasser entweder in Strom- oder Partikelform in einem Reaktandengas vorhanden ist, wird, wenn der Recktand mit dem Katalysator, der an der Protonenaustauschmembran angebracht ist, in Kontakt tritt, dann der Katalysator in einem gewissen Grad deaktiviert und/oder ein Fluten beschränkt ein Erreichen der katalytischen Zentren an der Membranoberfläche der PEM durch das Reaktandengas.
Eine Befeuchtung von eintretenden Reaktandengasen in einem Diffusionsmedium wie auch eine planare Wanderung von Feuchtigkeit in demselben Diffusionsmedium stellen zwei etwas gegenläufige Anforderungen in einem Diffusionsmedium, das aus einem einzelnen Material hergestellt ist, dar. Diesbezüglich sieht ein bestimmtes Material, das in eine allgemein planare poröse Struktur geformt ist, inhärent einen einzelnen Mechanismus vor, um diese beiden Anforderungen handhaben zu können. Jedoch werden durch die Bereitstellung eines Diffusionsmediums mit zwei separaten Gebieten, wie beispielsweise einer hydrophoben Lage und einer hydrophilen Lage, mehrere Mechanismen zur Handhabung der Anforderungen hinsichtlich Befeuchtung und planarer Feuchtigkeitswanderung vorgesehen. Tatsächlich sieht die Anwesenheit einer hydrophilen Lage in nächster Nähe zu einer hydrophoben Lage weiter mehrere Mechanismen zur Befeuchtung von Zufuhrgasen vor. Kapillarelemente, die eine Wasserlieferung in der hydrophoben Lage und der hydrophilen Lage vorsehen, dienen ferner dazu, um eine ausgeglichene Befeuchtung der PEM vorzusehen.
Die vorliegende Erfindung wird durch Bezugnahme auf ein allgemeines Brennstoffzellensystem besser verständlich. Daher wird vor einer weiteren Beschreibung der Erfindung ein allgemeiner Überblick über die verschiedenen Brennstoffzellensysteme gegeben, in denen die verbesserten Brennstoffzellen der Erfindung arbeiten. Bei einer Ausführungsform wird ein Kohlenwasserstoff-Brennstoff, wie beispielsweise Methanol, Ethanol, Benzin, Alkalin oder andere aliphatische oder aromatische Kohlenwasserstoffe in einem Brennstoffprozessor beispielsweise durch Reformierungs- und Partialoxidationsprozesse verarbeitet, um ein Reformatgas zu erzeugen, das einen relativ hohen Wasserstoffgehalt auf einer Volumen- oder Molbasis besitzt. Daher wird Bezug auf ein wasserstoffhaltiges Reformat genommen, das einen relativ hohen Wasserstoffgehalt aufweist. Bei einer anderen Ausführungsform können die Wasserstoff- und/oder Sauerstoffzufuhrströme durch geeignete Speichermittel vorgesehen werden. Somit sei zu verstehen, dass die hier ausgeführten Grundsätze auf Brennstoffzellen anwendbar sind, die durch von einer beliebigen Quelle erhaltenem H₂ beliefert werden.
Wie in 1A gezeigt ist, umfasst ein Brennstoffzellensystem 100 einen Brennstoffprozessor 112 zur katalytischen Reaktion eines reformierbaren Kohlenwasserstoff-Brennstoffstroms 114 mit Wasser in der Form von Wasserdampf aus einem Wasserstrom 116. Bei einigen Brennstoffprozessoren wird auch Luft in einer kombinierten Partialoxidations-/Wasserdampfreformierreaktion verwendet. In diesem Fall nimmt der Brennstoffprozessor 112 auch einen Luftstrom 118 auf. Der Brennstoffprozessor 112 umfasst einen oder mehrere Reaktoren, wobei der reformierbare Kohlenwasserstoff-Brennstoff in Kohlenwasserstoff-Brennstoffstroms 114 in der Anwesenheit von Wasserdampf in Strom 116 und Luft in Luftstrom 118 eine Aufspaltung erfährt, um das wasserstoffhaltige Reformat zu erzeugen, das in dem Reformatstrom 120 von dem Brennstoffprozessor 112 ausgetragen wird. Der Brennstoffprozessor 112 umfasst typischerweise auch einen oder mehrere unterstromige Reaktoren, wie beispielsweise Wasser-Gas-Shift-(WGS)-Reaktoren und/oder Reaktoren für selektive bzw. bevorzugte Oxidation (PrOx), die dazu verwendet werden, das Niveau an Kohlenmonoxid in dem Reformatstrom 120 auf akzeptable Niveaus zu verringern, beispielsweise unterhalb 20 ppm. H₂-haltiger Reformatstrom 120 wird der Anodenkammer des Brennstoffzellenstapels 122 zugeführt. Gleichzeitig wird Sauerstoff in der Form von Luft in dem Luftstrom 124 in die Kathodenkammer des Brennstoffzellenstapels 122 zugeführt.
Der Wasserstoff von dem Reformatstrom 120 und der Sauerstoff von dem Oxidationsmittelstrom 124 reagieren in dem Brennstoffzellenstapel 122, um Elektrizität zu erzeugen. Ein geeignetes Kühlfluid zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels 122 wird über Kühlfluidstrom 172 zugesetzt und in Kühlfluidaustrag 176 ausgetragen. Wasser für die PEM- Befeuchtung in dem Brennstoffzellenstapel 122 wird in Wassereintragsstrom 170 zugesetzt und in Wasserauntragsstrom 174 ausgetragen. Diesbezüglich wird Wasser in dem Wassereintragsstrom 170 bei einem Kapillarlieferdruck geliefert, d. h. bei einem Druck, der einen nützlichen befeuchtenden Wasserstrom über Kapillarelemente vorsieht, die in Gasdiffusionsanordnungen des Brennstoffzellenstapels 122 eingebettet sind, wie nachfolgend beschrieben ist. Wasser in dem Wassereintragstrom 170 wird auch mit einer Reinheit geliefert, die erforderlich ist, um die Kapillarelemente in nicht verstopfter Betriebsform beizubehalten. Das Druckbeaufschlagen von Wasser für den Wassereintragsstrom 170 wird durch Verwendung einer Pumpe (nicht gezeigt) erreicht. Das in dem Kühlfluideintragsstrom 172 vorgesehene Kühlfluid wird bei einem Druck geliefert, der für Kühlanforderungen in dem Brennstoffzellenstapel 122 optimiert ist. Bei einer Ausführungsform werden die Ströme 172 und 170 kombiniert und von einer Wasserquelle bei demselben Druck geliefert.
Ein Anodenaustrag (oder -abfluss) 126 von der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 122 enthält einigen nicht reagierten Wasserstoff. Ein Kathodenaustrag (oder -abfluss) 128 von der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 122 kann einigen nicht reagierten Sauerstoff umfassen. Diese nicht reagierten Gase stellen zusätzliche Energie dar, die in einem Brenner 130 in der Form von Wärmeenergie für verschiedene Wärmeanforderungen in dem Brennstoffzellensystem 100 rückgewonnen wird. Genauer wird ein Kohlenwasserstoff-Brennstoff 132 und/oder Anodenabfluss 126 katalytisch oder thermisch in dem Brenner 130 mit Sauerstoff verbrannt, der an den Brenner 130 entweder aus Luft in dem Luftstrom 134 oder von einem Kathodenabflussstrom 128 abhängig von den Betriebsbedingungen des Energiesystems 100 geliefert wird. Der Brenner 130 trägt einen Austragsstrom 154 an die Umgebung aus, und die dadurch erzeugte Wärme wird nach Bedarf an den Brennstoffprozessor 112 geführt.
Wie in 1B gezeigt ist, wird ein Wasserstoffzufuhrstrom 120' von einem geeigneten Speichersystem 112' an den Brennstoffzellenstapel 122 geliefert. Ähnlicherweise wird ein Sauerstoffzufuhrstrom 124' von einer Luftquelle 118' geliefert. Der Wassereintragsstrom 170 und der Wasseraustragsstrom 174 zur Befeuchtung und Kühlung des Kühlfluideintragsstroms 172 und des Kühlfluidaustragsstroms 176 des Brennstoffzellenstapels 122 sind in einer Art und Weise angeordnet, wie unter Bezugnahme auf das Brennstoffzellensystem 100 beschrieben ist, das in 1A gezeigt ist. Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit einer Brennstoffzelle beschrieben, die durch ein H₂-haltiges Reformat beliefert wird, ungeachtet des Verfahrens, durch das ein derartiges Reformat hergestellt wird.
In 2 ist ein teilweiser PEM-Brennstoffzellenstapel 200 schematisch mit einem Paar Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 208 und 210 gezeigt, die voneinander durch eine nicht poröse, elektrisch leitende bipolare Platte 212 getrennt sind. Jede der MEAs 208, 210 besitzt eine Kathodenseite 208c, 210c und eine Anodenseite 208a, 210a. Die MEAs 208, 210 wie auch die bipolare Platte 212 sind zwischen nicht porösen, elektrisch leitenden, flüssigkeitsgekühlten Endplatten 214 und 216 aneinander gestapelt. Die bipolare Platte bzw. Endplatten 212, 214, 216 umfassen jeweils jeweilige Strömungsfelder 218, 220, 222, die in den Seiten der Platten hergestellt sind, um Reaktandengase (d. h. H₂ & O₂) an die jeweiligen Seiten der MEAs 208, 210 zu verteilen. Nichtleitende Dich tungen oder Versiegelungen 226, 228, 230, 232 sehen eine Abdichtung wie auch elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Platten des Brennstoffzellenstapels 200 vor.
Die Gasdiffusionsmedien 234, 236, 238, 240 sind allgemein planare poröse, gasdurchlässige, elektrisch leitende dünnen Platten bzw. Lagen, die an die Elektrodenseiten der MEAs 208, 210 gepresst werden. Die Gasdiffusionsmedien 234–240 dienen als Primärstromkollektoren für die jeweiligen Elektroden, als ein Transportmechanismus zur gleichförmigen Verteilung der Reaktandengase an die MEA und als mechanische Abstützung der MEAs 208, 210 insbesondere an Orten, an denen die MEAs ansonsten in dem Strömungsfeld ungestützt sind. Die bipolare Platte 214 wird an das Gasdiffusionsmedium 234 an der Kathodenseite 208c der MEA 208 gepresst, die Endplatte 216 wird an das Gasdiffusionsmedium 240 an der Anodenseite 210a der MEA 210 gepresst, und die bipolare Platte 212 wird an das Gasdiffusionsmedium 236 an der Anodenseite 208a der MEA 208 und an das Gasdiffusionsmedium 238 an der Kathodenseite 210c der MEA 210 gepresst.
Wie vorher beschrieben wurde, wird ein Oxidationsmittelgas, wie beispielsweise Luft bzw. Sauerstoff, an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 200 von einer Luftquelle bzw. einem Speichertank 118, 118' über eine geeignete Versorgungsverrohrung 242 geliefert. Ein Brennstoff, wie beispielsweise Wasserstoff, wird an die Anodenseite der Brennstoffzelle 200 von einem Brennstoffreformer 112 oder 112' bzw. einem Speichertank über eine geeignete Versorgungsverrohrung 244 geliefert. Eine Austragsverrohrung (nicht gezeigt) für sowohl die H₂- und O₂- bzw. Luftseiten der MEAs 208, 210 ist ebenfalls vorgesehen, um Anodenabfluss von dem Anodenströmungsfeld und den Kathodenabfluss von dem Kathodenströmungsfeld zu entfernen. Eine Kühlmitteleinlass bzw. -auslass 250, 252 ist vorgesehen, um flüssiges Kühlmittel nach Bedarf an Endplatten 214, 216 zu liefern und von diesen auszutragen. Wasser für die PEM-Befeuchtung in dem Brennstoffzellenstapel 122 wird von dem Wassereintragsstrom 170 geliefert, um Wassereinlasskanäle 268, 264 und 262 in der Endplatte 214, der bipolaren Platte 212 wie auch der Endplatte 216 (mit anderen Worten die Platten 214, 212 und 216) jeweils zu befeuchten und wird von diesen Platten über jeweilige Auslasskanäle 270, 266 und 260 an Wasseraustragsstrom 174 ausgetragen.
In 3 ist ein Querschnitt eines Abschnittes einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellenstapel 122 gezeigt. Die Brennstoffzelle 300 umfasst ein Paar Separatorplatten 302, 304 (allgemein bezeichnet als bipolare Platten, wenn sie zwischen benachbarten Membranelektrodenanordnungen angeordnet sind). Wie es derzeit bevorzugt ist, ist jede der Separatorplatten von einem Typ mit einem Reaktandengasströmungsfeld 306, das in einer Seite der Platte ausgebildet ist, und einem Kühlmittelströmungsfeld 308, das in der entgegengesetzten Seite der Platte ausgebildet ist. Eine Membranelektrodenanordnung (MEA) 310 ist zwischen den Separatorplatten 302, 304 angeordnet. Die MEA 310 umfasst eine Protonenaustauschmembran 312 mit einem Anodenkatalysator 314 und einem Kathodenkatalysator 316, die auf entgegengesetzten Seiten derselben ausgebildet sind und aktive Bereiche an der MEA 310 definieren.
Ein Gasdiffusionsmedium 318 ist zwischen der Anodenseite 314 und der Separatorplatte 302 angeordnet. Das Gasdiffusionsmedium 320 ist zwischen der Kathodenseite 316 und der Separatorplatte 304 angeordnet. Wie vorher beschrieben ist die Protonenaustauschmembran (PEM) 312 in der Membranelektrodenanordnung (MEA) 310 bevorzugt ein Polymerelektrolyt, der einen Protonenaustausch in der Oxidations-Reduktions-Reaktion des Brennstoffs und Oxidationsmittels zwischen dem Anodenkatalysator 314 und dem Kathodenkatalysator 316 ermöglicht. Ein Kühlmittel in dem Kühlmittelkanal 308 der Strömungsplatte kühlt den Brennstoffzellenstapel 122. Das Kühlmittel wird dem Brennstoffzellenstapel 122 von dem Kühlfluideintragsstrom 172 und in die Kühlmittelkanäle der Strömungsplatte durch Kühlmitteleinlässe zugeführt, wie beispielsweise einen Kühlmitteleinlass 250 der Strömungsplatte, und über Kühlmittelauslässe, wie beispielsweise einen Kühlmittelauslass 252 der Strömungsplatte, an Kühlfluidaustragsstrom 176 ausgetragen.
Brennstoff (beispielsweise Wasserstoff) wird in die Brennstoffzelle 300 über ein in der Separatorplatte 302 definiertes Strömungsfeld 306 transportiert. Der Brennstoffreaktand wird dann an den Anodenkatalysator 314 über das Gasdiffusionsmedium 318 verteilt. Ähnlicherweise wird ein Oxidationsmittel (beispielsweise Luft) in die Brennstoffzelle 300 über das Strömungsfeld 306, das in der Separatorplatte 304 definiert ist, transportiert. Ein Oxidationsmittelreaktand wird dann an den Kathodenkatalysator 316 über das Gasdiffusionsmedium 320 verteilt.
Wie es derzeit bevorzugt ist, umfasst jedes der Gasdiffusionsmedien 318, 320 eine hydrophobe Lage 324 und eine hydrophile Lage 326, die zusammen als Primärstromkollektoren dienen (siehe auch 6). Die hydrophile Lage 326 ist aus einem relativ hydrophilen Material aufgebaut, wie beispielsweise Kohlepapier, Graphitpapier, Graphitgewebe, feinmaschiger Edelmetallsieb oder einem offenzelligen Edelmetallschaum und dergleichen, die Strom leiten, während eine ausreichend poröse Struktur vorgesehen wird, um durch dieses hindurchströmendes Reaktandengas zu verteilen. Bevorzugt umfasst die hydrophobe Lage 324 ein Polymer mit hydrophoben Qualitäten, wie beispielsweise Polytetrafluorethylenlage oder eine Lage aus fluoriertem Polyethylenpropylen.
Bei einer Ausführungsform kann die hydrophobe Lage 324 als eine Beschichtung (in einer Weise, wie beispielsweise einem Siebdruck oder einer Prägung bzw. Reliefbildung) auf ein poröses Substrat aufgebracht werden, das durch die hydrophile Lage vorgesehen wird. Auf diese Art und Weise definiert die Beschichtung eine hydrophobe Bedeckung auf der Oberfläche der Gasdiffusionsmedien 318, 320, die zwischen der Separatorplatte 302, 304 und der MEA 310 angeordnet sind. Die Beschichtung wird in einer solchen Weise aufgebracht, dass das Gasdiffusionsmedium eine ausreichende Porosität beibehält, um zu ermöglichen, dass Reaktandengas durch dieses hindurchgelangen kann. Genauer existieren Zwischendurchgänge in der hydrophoben Bedeckung, um ein dreidimensionales Netzwerk aus Polymer im Wesentlichen und kontinuierlich über die allgemeine Ebene der hydrophoben Lage hinweg vorzusehen. Auf diese Art und Weise sieht das Netzwerk einen Transportmechanismus für Feuchtigkeit in der Ebene der porösen Struktur vor, während zugelassen wird, das Reaktandengas durch die poröse Struktur gelangen und diffundieren kann. Diesbezüglich ist dieses Netzwerk integral mit der porösen Struktur ausgebildet, auf der die Beschichtung abgeschieden ist. Eine Behandlung der anfänglichen Gasdiffusionsmedien mit dem hydrophilen und/oder hydrophoben Mittel erfolgt derart, dass ein spezifischer Grad an Hydrophilie bzw. Hydrophobie an einem beliebigen Punkt entlang der Ebene und quer zur Ebene der Gasdiffusionsmedien erreicht werden kann (siehe 7). Dem Ausdruck "entlang der Ebene" entspricht die Richtung X der Koordinatenangaben der 6 und 7 und dem Ausdruck "quer zur Ebene" entspricht die Richtung Y.
Ein Bereich eines kritischen Feuchtigkeitsgleichgewichts betrifft diejenigen Teile der Gasdiffusionsmedien, die in direktem Kontakt mit den "Stegbereichen" der bipolaren Platte stehen. Ein derartiger Zielbereich "B" ist in 7 gezeigt. Das Fehlen eines direkten Kontaktes zu dem Oxidationsmittelfluss durch die Kanäle des Strömungsfeldes verhindert eine richtige Befeuchtung (siehe 7, Kreis B).
Wie in 7 gezeigt ist, umfasst eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, dass ein hydrophobes Mittel derart in und/oder an die Gasdiffusionsmedien aufgebracht wird, dass die Hydrophobie an den vorher erwähnten Teilen, die in direktem Kontakt mit den bipolaren Platten stehen, erheblich höher als an denjenigen Teilen ist, die nicht in direktem Kontakt mit den bipolaren Platten stehen.
Bei einer anderen Ausführungsform kann die hydrophobe Lage 324 ein getrennter Plättchenabschnitt bzw. lagenartiger Abschnitt sein, der separat und unabhängig von der hydrophilen porösen Struktur ausgebildet wird, um ein dreidimensionales hydrophobes Polymernetzwerk vorzusehen. Dieser hydrophobe Plättchenabschnitt wird dann an der hydrophilen porösen Struktur angebracht und erstreckt sich im Wesentlichen und kontinuierlich über dessen allgemeine Ebene. Diesbezüglich ist das Netzwerk von der hydrophilen Lage getrennt, jedoch kontinuierlich mit dieser ausgebildet.
Es wird eine Befeuchtung des eintretenden Reaktandengases erreicht, da jeder dieser Lagenabschnitte 324, 326 dazu dient, ein jeweiliges Reaktandendiffusionsmedium vorzusehen, um allgemein einen Reaktanden im Wesentlichen rechtwinklig zu der Ebene der Gasdiffusionsmedien zu bewegen, und dazu dient, ein jeweiliges Medium für die Wanderung der Feuchtigkeit in der Form von Wasser entlang der Ebene der Gasdiffusionsmedien vorzusehen. Diesbezüglich sieht ein Diffusionsmedium mit zwei separaten Gebieten – hydrophobe Lage 324 und hydrophile Lage 326 – mehrere Mechanismen zum Handhaben der Anforderungen hinsichtlich Befeuchtung wie auch planarem Feuchtigkeitsausgleich vor. Die Dicke von jeder der Lagen und das Verhältnis der Dicken repräsentiert bei verschiedenen Ausführungsformen eine Variable, die unabhängig eingestellt werden kann, um eine optimale Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle 300 zu erreichen. Eine andere Variable ist insoweit als das Aufbaumaterial und/oder Beschichtungsmaterial realisiert, die ebenfalls unabhängig durch die Lage eingestellt werden kann, um eine optimale Auflösung der Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle 300 vorzusehen.
Wie zuvor beschrieben wurde, sieht die spezifische Anwendung hydrophiler und hydrophober Mittel weiter eine Basis für eine gleichmäßige Befeuchtung von Reaktandengasen über eine Kapillarwasserlieferung über die Grenzfläche zwischen der Separatorplatte 302, 304 und den Diffusionsmedien 318, 320 vor. Zu diesem Zweck wird ein Kapillarelement 322 in der Brennstoffzelle 300 ausgebildet, das eine Kapillarwasserlieferung ermöglicht.
Demgemäß ist die Menge hydrophiler und hydrophober Mittel, die aufgebracht sind, und damit die Hydrophobie bzw. Hydrophilie über das Diffusionsmedium (entlang der Ebene und quer zur Ebene) nicht gleichmäßig. Damit kann bei spezifischen Anwendungen eine gewünschte Verteilung erreicht werden. Als Faustregel ist eine höhere Hydrophobie erwünscht:

a) neben der MEA-Katalysatorschicht;
b) wo die bipolare Platte die Diffusionsmedien berührt (7, Kreis "B"); und
c) neben dem Kathodenabflussauslass (1B), wo das meiste Wasser vorhanden ist.

Eine höhere Hydrophilie ist erwünscht:

a) neben der bipolaren Platte,
b) wo der Gasfluss einen direkten Kontakt zu den Diffusionsmedien besitzt (siehe 7); und
c) neben dem Kathodeneinlass (1B), wo die Wasserkonzentration am niedrigsten ist.

Wie in den 3–5 gezeigt ist, erstrecken sich Kapillarelemente 322 in die Gasdiffusionsmedien 318, 320 an der Grenzfläche mit den Separatorplatten 302, 304. Genauer ist jedes Kapillarelement 322 als eine Blindbohrung oder als Durchgang 328 ausgebildet, der sich durch die hydrophobe Lage 324 und in die hydrophile Lage 326 erstreckt. Die Durchgänge 328 stehen in Fluidverbindung mit Wasserströmungskanälen 330, die in der benachbarten Seite der Separatorplatte 302, 304 ausgebildet sind. Die Durchgänge 328 dienen als Kapillaren durch die hydrophobe Lage 324, um Wasser von dem Kanal 330 in die hydrophile Lage 326 bis zu einer Tiefe d zu transportieren. Diesbezüglich verbleibt eine ausreichende Dicke t der hydrophilen Lage 326, so dass keine Flüssigwasserströmung direkt an die Seite des Katalysators 314, 316 in der Membranelektrodenanordnung 310 geliefert wird. Wasser in den Wasserströmungskanälen 330 wird durch eine Wasserquelle vorgesehen, die auf einen geeigneten Druck zur Kapillarlieferung durch die Durchgänge 328 unter Druck gesetzt ist, so dass eine geeignete Wassermenge in die hydrophile Lage 326 gezogen wird.
Die hydrophobe Lage 324 verteilt die Feuchtigkeit über ihre Ebene und sieht schließlich eine ausgeglichene Befeuchtung der Protonenaustauschmembran 312 vor. Die hydrophile Lage 326 hält flüssiges Wasser zur Abgabe als Feuchte in das (diffundierende) Reaktandengas, das hindurch zu der Membranelektrodeanordnung 310 strömt, wodurch eine nachteilige Strömung von flüssigem Wasser auf der Seite des Katalysators 314, 316 sogar dann verhindert wird, wenn das Reaktandengas vollständig befeuchtet ist. Die Kombination des ausgeglichenen Feuchtigkeitsflusses (wie ferner unter Bezugnahme auf 5 beschrieben ist) durch die hydrophobe Lage 324 und der Rückhaltung von Wasser durch die hydrophile Lage 326, um das Reaktandengas vollständig zu befeuchten, schließt ein lokales Austrocknen der Protonenaustauschmembran 312 durch eintretendes befeuchtetes Reaktandengas aus, sogar wenn der Katalysator 314, 316 in einem nicht befeuchteten Zustand gehalten wird und vollständig aktiv ist. Zusammen genommen sehen diese beiden Vor teile einen maximierten Betriebswirkungsgrad einer Brennstoffzelle zusammen mit daraus abgeleiteten Vorteilen bezüglich einer Minimierung der Querschnittsfläche des Brennstoffzellensystems vor. Es sei angemerkt, dass die "Dicke" der hydrophoben Lage 324 und hydrophilen Lage 326 entlang der Ebene nicht so gleichmäßig sein muss, wie in den 3–5 gezeigt ist. Der Schlüsselteil der vorliegenden Erfindung ist das spezifische Aufbringen hydrophober und hydrophiler Eigenschaften entlang der Ebene und quer zur Ebene der Gasdiffusionsmedien, wie in 7 gezeigt ist, um eine optimale Feuchtigkeit entlang der Ebene und quer zur Ebene der Gasdiffusionsmedien sicherzustellen. Die Begriffe hydrophob und hydrophil, die hier verwendet sind, sind relative Begriffe und werden relativ zueinander verwendet. Beispielsweise zeigt 7 einen Bereich mit niedrigster Hydrophobie, der in dem darstellenden Schaubild so gezeigt ist, dass er sich dem hydrophilen annähert.
Die Art und Weise, in der die hydrophobe Lage 324 funktioniert, um den Feuchtigkeitsfluss entlang der Ebene auszugleichen, ist in 5 gezeigt, die eine planare Ansicht entlang der Grenzfläche zwischen der hydrophoben Lage 324 und der hydrophilen Lage 326 zeigt. Die Schattierung von 5 (von oben nach unten) zeigt eine konzeptartige Charakterisierung eines Feuchtigkeitsflusses über diesen planaren Bereich. Zusätzliche Wasserströmungskanäle 330 können Wasser zu der Gruppierung von Durchgängen 328 zuführen. Die hydrophobe Beschaffenheit der hydrophoben Lage 324 erlaubt eine Feuchtigkeitsmassenübertragung, die sich aus einem Massendiffusitätstransport angesichts der Feuchtigkeitskonzentrationsunterschiede (symbolisch dargestellt zu einem beispielhaften Zeitpunkt im Betrieb durch variierende Schattierungsdichte) zwischen einem planaren Gebiet mit relativ hoher Feuchtigkeitskonzentration (all gemein durch die dunklere Schattierung 332 an dem oberen Bereich der Figur gezeigt) und einem planaren Gebiet mit relativ niedriger Feuchtigkeitskonzentration (allgemein durch die hellere Schattierung 334 an dem unteren Bereich der Figur gezeigt) ableitet. Eine Massenübertragung von Feuchtigkeit über den planaren Bereich der hydrophoben Lage 324 bringt daher den Feuchtigkeitsfluss über die Ebene des Gasdiffusionsmediums in Ausgleich und sieht schließlich eine ausgeglichene Befeuchtung der Protonenaustauschmembran 312 vor. Die Unterschiede in der Feuchtigkeitskonzentration zwischen einem Gebiet mit relativ hoher Feuchtigkeitskonzentration und einem Gebiet mit relativ niedriger Feuchtigkeitskonzentration sind als ein Feuchtigkeitsungleichgewicht zu einem beispielhaften Zeitpunkt dargestellt und leiten sich aus lokalen Unterschieden der Wasserzugabe über die Kapillarelemente 322, der Wassererzeugung in den Oxidations-Reduktions-Reckionen der MEA 310 und/oder einer Wasserverdunstung in die Reaktandengase ab. Es sei zu dem Vorhergehenden angemerkt, dass ein stationärer Betrieb der Brennstoffzelle, die die vorliegende Erfindung umfasst, eine im Wesentlichen ausgeglichene Feuchtigkeitskonzentration über den planaren Bereich erreicht.
Die Beschreibung der vorliegenden Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und somit sind Abwandlungen, die nicht von der Grundidee der Erfindung abweichen, als innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung anzusehen. Derartige Abwandlungen sind nicht als Abweichung von dem erfinderischen Gedanken wie auch dem Schutzumfang der Erfindung zu betrachten.

Claims

Brennstoffzelle (122) mit: einer Separatorplatte (302, 304) mit einem Strömungsfeld (306); einer Membranelektrodenanordnung (310) mit einem aktiven Bereich, der an einer Protonenaustauschmembran ausgebildet ist, wobei ein Anodenkatalysator (314) oder ein Kathodenkatalysator (316) den aktiven Bereich der Membranelektrodenanordnung (310) definiert; und einem Gasdiffusionsmedium (318, 320), das zwischen der Separatorplatte (302, 304) und der Membranelektrodenanordnung (310) angeordnet ist, so dass der aktive Bereich in reaktiver Kopplung mit dem Strömungsfeld (306) steht, wobei das Gasdiffusionsmedium (318, 320) umfasst: eine hydrophobe Lage (324), die benachbart der Separatorplatte (302, 304) und in Fluidverbindung mit dem Strömungsfeld (306) ausgebildet ist; und eine hydrophile Lage (326), die benachbart der Membranelektrodenanordnung (310) und in Fluidverbindung mit der Membranelektrodenanordnung (310) ausgebildet ist; wobei ein Reaktandengas in das Strömungsfeld (306) transportiert und an den aktiven Bereich durch das Gasdiffusionsmedium (318, 320) verteilt wird; dadurch gekennzeichnet, dass das Gasdiffusionsmedium (318, 320) ferner zumindest ein Kapillarelement (322) umfasst, das sich durch die hydrophobe Lage (324) erstreckt und in der hydrophilen Lage (326) endet, und dass die hydrophobe Lage (324) und hydrophile Lage (326) in einer Richtung X entlang der Ebene des Gasdiffusionsmediums (318, 320) variabel sind, um Bereiche mit verschiedenen Hydrophobiegraden und/oder verschiedenen Hydrophiliegraden vorzusehen.
Brennstoffzelle (122) nach Anspruch 1, wobei das Gasdiffusionsmedium (318, 320) eine poröse Struktur umfasst und die hydrophobe Lage (324) durch ein Gebiet der porösen Struktur benachbart der Separatorplatte (302, 304) definiert ist, die eine hydrophobe Beschichtung aufweist.
Brennstoffzelle (122) nach Anspruch 2, wobei die hydrophobe Beschichtung ein Polymer umfasst, das aus der Gruppe gewählt ist, die im Wesentlichen Polytetrafluorethylen und fluoriertes Polyethylenpropylen umfasst.
Brennstoffzelle (122) nach Anspruch 1, wobei das Gasdiffusionsmedium (318, 320) einen hydrophoben Plättchenabschnitt umfasst, der die hydrophobe Lage (324) definiert; und wobei ein hydrophiler Plättchenabschnitt die hydrophile Lage (326) definiert, wobei der hydrophile Plättchenabschnitt in Kontakt mit dem hydrophoben Plättchenabschnitt steht, um so eine Fluidverbindung dazwischen vorzusehen.
Brennstoffzelle (122) nach Anspruch 4, wobei die hydrophobe Lage (324) in ihrer Aufbringung in einer Richtung Y quer zu der Ebene des Gasdiffusionsmediums (318, 320) variabel ist, um Bereiche mit verschiedenen Hydrophobiegraden über das Gasdiffusionsmedium (318, 320) hinweg vorzusehen.
Brennstoffzelle (122) nach Anspruch 4, wobei die hydrophile Lage (326) in ihrer Aufbringung in einer Richtung Y quer zu der Ebene des Gasdiffusionsmediums (318, 320) variabel ist, um Bereiche mit verschiedenen Hydrophobiegraden über die Ebene des Gasdiffusionsmediums (318, 320) vorzusehen.
Brennstoffzelle (122) nach Anspruch 4, wobei der hydrophobe Plättchenabschnitt ein Polymer umfasst, das aus der Gruppe gewählt ist, die im Wesentlichen Polytetrafluorethylen und fluoriertes Polyethylenpropylen umfasst.
Brennstoffzelle (122) nach Anspruch 1, wobei das Gasdiffusionsmedium (318, 320) eine poröse Struktur umfasst, die aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Kohlepapier, Kohlegewebe, Graphitpapier, Graphitgewebe, maschiges Edelmetallsieb und offenzelligen Edelmetallschaum.
Brennstoffzelle (122) nach Anspruch 1, ferner mit: einem Wasserströmungskanal (330) in der Separatorplatte (302, 304), der mit dem Kapillarelement (322) in Fluidverbindung steht.
Brennstoffzelle (122) nach Anspruch 9, wobei das Kapillarelement (322) einen Durchgang (328) umfasst, der in dem Gasdiffusionsmedium (318, 320) ausgebildet ist.
Brennstoffzelle (122) nach Anspruch 10, wobei eine Dicke der hydrophilen Lage (326) zwischen dem Durchgang (328) und der Membranelektrodenanordnung (310) vorhanden ist, um einen direkten Kontakt von Wasser an der Membranelektrodenanordnung (310) zu verhindern.
Brennstoffzelle (122) nach Anspruch 9, ferner mit einer Wasserquelle in Fluidverbindung mit dem Wasserströmungskanal (330), um Wasser an das zumindest eine Kapillarelement (322) bei einem Kapillarlieferdruck zu liefern.
Brennstoffzelle (122) nach Anspruch 1, wobei die Separatorplatte (302, 304) ein zweites Strömungsfeld (308) aufweist, das in einer Seite, die dem Strömungsfeld (306) entgegengesetzt ist, ausgebildet ist.
Gasdiffusionsmedium (318, 320) für eine Brennstoffzelle (122) mit einer allgemein planaren porösen Struktur, die eine Richtung X entlang der Ebene des Gasdiffusionsmediums (318, 320) und eine Richtung Y quer zur Ebene des Gasdiffusionsmediums (318, 320) definiert, wobei die poröse Struktur einen Transportmechanismus für Reaktandengas in der Richtung Y quer zur Ebene vorsieht, wobei die poröse Struktur ferner eine hydrophobe Lage (324), die an einer ersten Fläche der porösen Struktur ausgebildet ist und einen Transportmechanismus in dem Gasdiffusionsmedium (318, 320) für Feuchtigkeit in der Richtung X entlang der Ebene vorsieht, und eine hydrophile Lage (326) aufweist, die an einer zweiten Fläche der porösen Struktur ausgebildet ist und einen Transportmechanismus in dem Gasdiffusionsmedium (318, 320) für Feuchtigkeit in der Richtung Y quer zur Ebene vorsieht; gekennzeichnet durch zumindest ein Kapillarelement (322), das sich durch die hydrophobe Lage (324) erstreckt und in der hydrophilen Lage (326) endet, wobei die hydrophobe Lage (324) und hydrophile Lage (326) in der Richtung X entlang der Ebene des Gasdiffusionsmediums (318, 320) variabel sind, um Bereiche mit verschiedenen Hydrophobiegraden und/oder verschiedenen Hydrophiliegraden vorzusehen.
Gasdiffusionsmedium (318, 320) nach Anspruch 14, wobei die hydrophobe Lage (324) eine Schicht ist, die durch ein Gebiet der porösen Struktur mit einer hydrophoben Beschichtung definiert ist.
Gasdiffusionsmedium (318, 320) nach Anspruch 15, wobei die hydrophobe Beschichtung ein Polymer umfasst, das aus der Gruppe gewählt ist, die im Wesentlichen Polytetrafluorethylen und fluoriertes Polyethylenpropylen umfasst.
Gasdiffusionsmedium (318, 320) nach Anspruch 14, wobei die poröse Struktur einen hydrophoben Plättchenabschnitt umfasst, der die hydrophobe Lage (324) definiert; und wobei ein hydrophiler Plättchenabschnitt die hydrophile Lage (326) definiert, wobei der hydrophile Plättchenabschnitt in Kontakt mit dem hydrophoben Plättchenabschnitt steht, um so eine Fluidverbindung dazwischen vorzusehen.
Gasdiffusionsmedium (318, 320) nach Anspruch 17, wobei der hydrophobe Plättchenabschnitt ein Polymer umfasst, das aus der Gruppe gewählt ist, die im Wesentlichen Polytetrafluorethylen und fluoriertes Polyethylenpropylen umfasst.
Gasdiffusionsmedium (318, 320) nach Anspruch 14, wobei die poröse Struktur eine poröse Struktur umfasst, die aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Kohlepapier, Kohlegewebe, Graphitpapier, Graphitgewebe, maschigen Edelmetallsieb und offenzelligen Edelmetallschaum.
Gasdiffusionsmedium (318, 320) nach Anspruch 14, wobei das Kapillarelement (322) einen Durchgang (328) umfasst, der in der porösen Struktur ausgebildet ist.
Gasdiffusionsmedium (318, 320) nach Anspruch 20, wobei eine Dicke der hydrophilen Lage (326) zwischen dem Durchgang (328) und der zweiten Fläche vorhanden ist, um eine Wasserströmung direkt durch das Gasdiffusionsmedium (318, 320) zu verhindern.