DE69905389T2

DE69905389T2 - Bipolare platten für brennstoffzellen und diese platten enthaltende brennstoffzelle

Info

Publication number: DE69905389T2
Application number: DE69905389T
Authority: DE
Inventors: Michel Amblard; Bruno Bador; Fabien Heurtaux; Olivier Lebaigue; Jean-Pierre Lisse; Marielle Marchand
Original assignee: Automobiles Peugeot SA; Automobiles Citroen SA; Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Renault SAS
Current assignee: Automobiles Peugeot SA; Automobiles Citroen SA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA; Renault SAS
Priority date: 1998-11-12
Filing date: 1999-11-10
Publication date: 2003-12-11
Anticipated expiration: 2019-11-11
Also published as: CA2349934C; WO2000030199A1; US6649297B1; FR2786027B1; EP1131854A1; JP2002530816A; EP1131854B1; JP4920133B2; FR2786027A1; AU1166400A; DE69905389D1; ATE232649T1; ES2192105T3; CA2349934A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine bipolare Brennstoffzellenplatte.
Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere des Typs mit festem Elektrolyten, die wenigstens eine der genannten bipolaren Platten umfasst.
Das Gebiet der Erfindung kann als das der Brennstoffzellen definiert werden, insbesondere der Brennstoffzellen des Typs mit Polymerelektrolyten.
Die Brennstoffzellen des Typs mit festem Polymerelektrolyten finden insbesondere bei den Elektrofahrzeugen Anwendung, die gegenwärtig Gegenstand von vielen Entwicklungsprogrammen sind, um eine Lösung für die Probleme der Umweltverschmutzung zu finden, die durch die Verbrennungsmotoren verursacht wird.
Die Brennstoffzellen mit festem Polymerelektrolyten könnten ermöglichen, indem sie in Verbindung mit einem mitgeführten Energiespeicher - zum Beispiel Wasserstoff oder ein Alkohol - die Rolle des Umsetzers von elektrochemischer Energie spielen, insbesondere die Kraftfahrzeug-Probleme zu lösen, nämlich die Wiederaufladungszeit und die Kosten, die mit der Verwendung von Batterien bei den elektrischen Fahrzeugen verbunden sind.
Der schematische Aufbau einer Brennstoffzelle, die die Erzeugung von elektrischer Energie ermöglicht, ist in der beigefügten Fig. 1 partiell dargestellt.
Eine Ionenaustauschmembran, gebildet durch einen festen Polymerelektrolyten (1), dient der Trennung der Anodenabteilung (2), wo die Oxidation des Brennstoff - zum Beispiel Wasserstoff H&sub2; (4) - stattfindet nach dem Schema:
2H&sub2; → 4H&spplus; + 4e&supmin;,
von der Katodenabteilung (3), wo das Oxidationsmittel - zum Beispiel der Luftsauerstoff O&sub2; (5) -reduziert wird nach dem Schema:
O&sub2; + 4H&spplus; + 4e&supmin; → 2H&sub2;O,
mit der Erzeugung von Wasser (6), während die Anode und die Katode durch einen äußeren Kreis (10) verbunden sind. Das so erzeugte Wasser zirkuliert zwischen den beiden Abteilungen durch Elektroosmose und durch Diffusion (Pfeile 11, 12).
Die ionenleitende Membran ist im Allgemeinen eine organische Membran des Perfluor-Ionomer-Typs, das Ionengruppen enthält, die bei Vorhandensein von Wasser die Leitung der Protonen (9) ermöglichen, die an der Anode durch Oxidation des Wasserstoffs erzeugt wurden.
Die Dicke dieser Membran beträgt einige zehn bis einige hundert um und resultiert aus einem Kompromiss zwischen der mechanischen Festigkeit und dem ohmschen Spannungsabfall. Diese Membran ermöglicht auch die Trennung der Gase. Der chemische und elektrochemische Widerstand dieser Membranen ermöglicht im Allgemeinen eine Betriebsdauer in der Zelle von mehr als 1 000 Stunden.
Die Volumenelektroden (13), beiderseits der Membran befindlich, umfassen hauptsächlich eine aktive Zone (14) und eine Diffusionszone (15). Die aktive Zone wird durch porösen Graphit gebildet, überzogen mit Körnern (16) aus Edelmetall, zum Beispiel Platin, und eine dünnen Abscheidung aus ionenleitendem Polymer von ähnlicher Struktur wie derjenigen der Membran ermöglicht den Ionentransport. Die Diffusionszone (15) wird durch ein poröses Element gebildet, hydrophob gemacht durch die Anwendung eines hydrophoben Polymers wie zum Beispiel Graphit, überzogen mit PTFE. Der hydrophobe Charakter ermöglich die Evakuierung des flüssigen Wassers.
Die an der Anode durch Oxidation erzeugten Protonen, zum Beispiel Wasserstoff an der Oberfläche der Platinkörner, werden durch die Membran hindurch transportiert (9), bis zu der Katode, wo sie sich mit den durch die Reduktion erzeugten Ionen - zum Beispiel des Luftsauerstoffs - rekombinieren, so dass Wasser (6) entsteht.
Die derart erzeugten Elektronen (17) ermöglichen zum Beispiel, einen in den äußeren Kreis (10) eingeschalteten Elektromotor (18) zu speisen, wobei als Unterprodukt der Reaktion nur Wasser entsteht.
Die Einheit aus Membran und Elektroden ist eine sehr dünne Einheit, mit einer Dicke in Millimeter-Größenordnung, wobei jede Elektrode von hinten versorgt wird, zum Beispiel mit Hilfe einer gerillten Platte für die Gase.
Die Leistungsdichten, erhalten durch diese Rekombination, die im Falle der Verwendung von Wasserstoff und Sauerstoff generell in der Größenordnung 0,5 bis 2 W/cm² liegen, erfordern die Verbindung mehrerer dieser Volumenelektrode-Membran- Volumenelektrode-Strukturen, um zum Beispiel die 50 kW zu erhalten, die nötig sind für ein elektrisches Standardfahrzeug.
Mit anderen Worten ist es nötig, eine große Anzahl dieser Strukturen zusammenzubauen, deren Elementarflächen 20 · 20 cm² betragen können, um die erwünschte Leistung zu erhalten, insbesondere in dem Fall, wo die Brennstoffzelle in einem elektrischen Fahrzeug eingesetzt wird.
Zu diesem Zweck wird Einheit, gebildet durch zwei Elektroden und eine Membran, also eine Elementarzelle der Brennstoffzelle, zwischen zwei dichten Platen (7, 8) angeordnet, die einerseits auf der Anodenseite die Verteilung des Wasserstoffs sicherstellen und andererseits auf der Katodenseite die Verteilung des Sauerstoffs. Diese Platten werden bipolare Platten genannt.
Die bei den Brennstoffzellen verwendeten bipolaren Platten müssen mehrere Funktionen erfüllen. Unter anderem müssen sie folgenden Kriterien oder Anforderungen entsprechen:
- Sicherstellung der mechanischen Festigkeit der Volumenelektroden-Membran-Einheiten in den Preßfiltereinheiten, wobei die Dicken auf einige Millimeter begrenzt bleiben müssen, um ein Gesamtvolumen der Brennzelle zu erhalten, das insbesondere mit dem Einsatz in einem elektrischen Fahrzeug kompatibel ist;
- Sicherstellung der elektronischen und thermischen Leitfähigkeit zwischen den aufeinanderfolgenden Volumenelektroden-Membran-Einheiten, indem man die größtmöglichen elektronischen und thermischen Leitfähigkeiten herstellt, um die ohmschen Spannungsabfälle zu begrenzen, die den Betrieb (exzessive Erwärmung) und den Wirkungsgrad der Zelle beeinträchtigen;
- Sicherstellung der Gas-Dichtheit bei thermischer und elektrochemischer Korrosionsfestigkeit in Verbindung mit den für eine Brennstoffzelle spezifischen Betriebsbedingungen;
- Integration der Diffusionswege, die eine homogene Verteilung der Versorgungsgase auf die Elektroden sicherstellen;
- Integration der Elemente zur Beseitigung des überschüssigen Wassers;
- Integration der Kühlelemente.
Für die Verteilung der Gase sind in die bipolaren Platten Gasverteilungskanäle (19) mit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt eingearbeitet, zum Beispiel mit einer Seitenlänge von ungefähr 1 bis 2 mm. Diese Kanäle dienen dazu, die Elektroden möglichst gleichmäßig mit Gas zu versorgen, denn sie verlaufen in Schlangenlinie über die gesamte Oberfläche der Elektrode. Sie ermöglichen auch, das erzeugte Wasser zu sammeln und nach außen zu entleeren. Üblicherweise werden diese Kanäle durch horizontale Teilstücke gebildet, verbunden durch 180º-Krümmer.
Um die Druckverluste zwischen dem Eintritt und Austritt der Gase zu minimieren, und um zu vermeiden, einen zu großen Druckunterschied zwischen den beiden Seiten der Membran zu erhalten, können mehrere Kanäle auf einer selben bipolaren Platte oder Verteilerplatte vorgesehen werden, zum Beispiel parallel.
Es wurde festgestellt, dass die Leistungen der mit solchen, Gasverteilungskanäle mit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt umfassenden, bipolaren Platten ausgerüsteten Zellen noch nicht zufriedenstellend waren, insbesondere aufgrund der Tatsache, dass die erreichte, relativ niedrige Höchstspannung, die bei H&sub2;/Luft-Betrieb ungefähr 0,5 V bis 0,7 V cm² beträgt, als unzureichend betrachtet werden kann.
Außerdem ist die gelieferte Spannung zeitlich sehr unstabil, und der höchste Spannungspegel kann über einen langen Zeitraum nicht aufrechterhalten werden, ohne dass sich Schwankungen ereignen, die manchmal groß sind und völlig unvorhersehbar.
Diese Probleme sind sehr wahrscheinlich mit dem Fließen der diversen gasförmigen und flüssigen Fluide verbunden, die in der Brennzellenvorrichtung zirkulieren, und insbesondere in den Gasverteilungskanälen der bipolaren Platten.
Außerdem sind gegenwärtig verwendeten bipolaren Platten entweder aus harzimprägniertem Graphit oder aus nichtrostendem Stahl. Es ist in beiden Fällen nötig, auf eine langwierige, teure und komplizierte mechanische Bearbeitung zurückzugreifen, um die Rillen, Kanäle oder Hohlkehlen zu realisieren.
Es wurde ermittelt, dass die Kosten dieser Platten ungefähr 60 bis 70% der Gesamtkosten der existierenden Prototypen ausmachen, dass also ein wesentlicher wenn nicht essentieller Teil der Kosten der Platten mit ihrer mechanischen Bearbeitung verbunden sind.
Auch wenn also im Laufe der letzten Jahre konsequente Fortschritte erzielt wurden und ermöglicht haben, die Kosten der Brennstoffzellen zu reduzieren, indem einerseits die verwendete Platinmengen und andererseits - in geringerem Maße - die Herstellungskosten der nötigen Membranen reduziert wurden, so müssen bezüglich der Platten noch substantielle Fortschritte gemacht werden, indem vor allem die mechanischen Bearbeitungsoperationen - insbesondere zur Herstellung der Diffusionswege der Gase - wegfallen.
Eine solche Vereinfachung ihrer Herstellung, die zu einer Reduzierung der Kosten der Platten führt, würde sich auf die Brennstoffzellen auswirken und sie in einen Preisbereich bringen, der dem eines Verbrennungsmotors entspricht.
Es besteht also ein Bedarf an bipolaren Platten für Brennstoffzellen, insbesondere für Brennstoffzellen mit einem festen Elektrolyten, die, wenn eingesetzt in einer solchen Brennstoffzelle, verbesserte Leistungen ermöglichen, insbesondere bezüglich der erreichten Höchstspannung, und die eine zeitlich stabile Aufrechterhaltung dieser höheren Leistungen sicherstellen, ohne unvorhergesehene und zufällige Schwankungen, wobei solche bipolaren Platten zudem, unter anderem, allen schon weiter oben genannten Anforderungen genügen müssen.
Es gibt außerdem einen Bedarf an bipolaren Platten, die einfach hergestellt werden können, mit einer begrenzten Anzahl von Schritten, zu geringeren Kosten und mittels eines Verfahrens, das insbesondere die langen und teuren mechanischen Bearbeitungsoperationen begrenzt, die diese Teile und folglich die sie enthaltenden Brennstoffzellen teuer machen.
Der Zweck der Erfindung besteht also darin, bipolare Platten für Brennstoffzellen zu liefern, die u. a. allen oben erwähnten Bedürfnissen entsprechen, die die Nachteile, Fehler und Beschränkungen der bipolaren Platten nach dem Stand der Technik nicht aufweisen, und die die Probleme der bipolaren Platten nach dem Stand der Technik lösen.
Der Zweck der Erfindung besteht auch noch darin, ein Herstellungsverfahren solcher bipolaren Platten für Brennstoffzellen zu liefern, das u. a. einfach, kostengünstig und relativ schnell ist.
Außerdem besteht der Zweck der Erfindung darin, eine Brennstoffzellenvorrichtung mit höheren Leistungen - insbesondere bezüglich der erreichten Höchstspannung und der zeitlichen Stabilität dieser Leistungen - zu deutlich niedrigeren Kosten zu liefern, wobei eine solche Brennstoffzellenvorrichtung insbesondere in einem elektrischen Fahrzeug eingesetzt werden soll.
Dieser und weitere Zwecke werden erfindungsgemäß mit einer bipolaren Brennstoffzellenplatte erreicht, die auf wenigstens einer ihrer Seiten wenigstens eine Hohlkehle umfasst, die mit der Oberfläche einer angrenzenden Elektrode wenigstens einen Gasverteilungskanal bildet und bei der dieser Gasverteilungskanal eine solche Form oder Geometrie aufweist, dass er ermöglicht, die Zweiphasenabflussflüssigkeit (écoulement diphasique) abzuleiten, die in diesem Kanal der genannten Elektrodenoberfläche zirkuliert.
Generell ist die genannte angrenzende Elektrodenoberfläche eine im Wesentlichen vertikale Oberfläche.
Vorzugsweise ist es der Querschnitt des genannten Kanals, der eine Form oder Geometrie aufweist, die ermöglicht, die Zweiphasenabflussflüssigkeit abzuleiten, die in dem genannten Kanal der Elektrodenoberfläche fließt.
Die erfindungsgemäße spezifische Form oder Geometrie der Kanäle und insbesondere der Querschnitt der Gasverteilungskanäle leitet die Flüssigkeit der Elektroden ab, oder ermöglicht vorzugsweise auch, die Flüssigkeit in entfernte Zonen der Elektrodenoberfläche zu leiten, zum Beispiel in eine Zone, die man als "Boden" bzw. "Grund" der genannten Hohlkehle oder des genannten Kanals bezeichnen kann, und derart vermeidet man die Bildung eines Flüssigkeitsfilms - zum Beispiel eines Wasserfilms - auf der Elektrodenoberfläche.
Dank der erfindungsgemäßen Form oder spezifischen Geometrie der Gasverteilungskanäle erhält man ein für die Leistungen der Zelle besonders günstiges Abflusssystem. Unter den zahlreichen möglichen Geometrien für die Abflusskanäle ist die erfindungsgemäße spezifische Geometrie die einzige, die unter allen möglichen Abflussführungen einen speziellen Abflusstyp erlaubt, bei dem die zirkulierende Flüssigkeit von der Elektrode entfernt wird.
Dieser Abflusstyp ist überraschenderweise derjenige, der vor allem ermöglicht, auf stabile Weise die besten Leistungen der Brennstoffzelle zu erzielen, insbesondere die höchste Spannung während der längsten Dauer ohne zeitlich zufällige und unvorhersehbare Schwankungen.
Die erfindungsgemäße bipolare Platte ermöglicht, der Gesamtheit der oben genannten Ansprüche zu genügen und die Probleme zu beseitigen, die die bipolaren Platten nach dem Stand der Technik verursachen, deren Gasverteilungskanäle einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt haben.
Die erfindungsgemäße bipolare Platte entspricht allen weiter oben genannten Anforderungen, denen die bipolaren Brennstoffzellenplatten entsprechen müssen.
Die erfindungsgemäße bipolare Platte ermöglicht eine höhere Höchstspannung als bei den Brennstoffzellen nach dem Stand der Technik, die mit Gasverteilungskanälen mit quadratischem oder rechteckigem Querschnittausgestattet sind.
Dieses hohe Spannungsniveau wird ohne nennenswerte Schwankungen über eine lange Zeitdauer aufrechterhalten, was heißt, dass die durch die Zelle gelieferte Spannung permanent sehr hoch ist, und dies mit einer großen zeitlichen Stabilität, ohne zufällige Schwankungen. Die Zuverlässigkeit der Zelle ist dadurch höher.
Die erfindungsgemäße bipolare Platte hat auch den Vorteil, den Bereich der Betriebsparameter - zum Beispiel die Gasmengen - in Bezug auf die Platten zu vergrößern, die mit Kanälen mit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt ausgestattet sind. Diese bedeutet, dass die Regelung der Betriebsparameter der Zelle weniger schwierig ist und eine größere Fehler- oder Unsicherheitsspanne zulässt.
Erfindungsgemäß und vorzugsweise umfassen die beiden Seiten der genannten bipolaren Platte wenigstens eine Hohlkehle.
Bei einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen bipolaren Platte sind die Winkel des Querschnitts des genannten Kanals auf der Seite des Kanals, die durch die genannte Elektrodenoberfläche gebildet wird, größer als auf jener Seite dieses Kanals, die von der genannten Oberfläche am weitesten entfernt ist.
Vorzugsweise hat bei dieser ersten Ausführungsart der genannte Kanal im Wesentlichen einen Querschnitt mit der Form eines konvexen Trapezoids, mit einer ersten Seite, die durch die genannte Elektrodenoberfläche gebildet wird, einer der ersten Seite gegenüberstehenden zweiten Seite und zwei weiteren Seiten, wobei die zwischen der ersten Seite und jeder der beiden weiteren Seiten enthaltenen Winkel größer sind als die zwischen der genannten entgegengesetzten Seite und jeder der beiden weiteren Seiten enthaltenen Winkel.
Bei dieser Geometrie sind die Winkel in Höhe der Elektrode größer als in Höhe der Zonen, wo man die Flüssigkeit - zum Beispiel Wasser - hinleiten möchte. Die kleineren oder spitzeren Winkel, die also zwischen der der Elektrode entgegengesetzten Seite, die den "Boden" bzw. "Grund" des Kanals und der Hohlkehle definiert, und jeder der beiden weiteren Seiten enthalten sind, entsprechen den größten Kapillarwirkungen und die Flüssigkeit bewegt sich vorzugsweise in diese Zonen.
Bei dieser ersten Ausführungsform ist das genannte konvexe Trapezoid vorzugsweise ein Trapez, dessen Grundlinien die genannte erste Seite (Elektrodenoberfläche) und die genannte entgegengesetzte Seite ("Boden" bzw. "Grund" des Kanals und der Hohlkehle) bilden.
Mit anderen Worten sind die erste Seite und die entgegengesetzte Seite parallel.
Wieder vorzugsweise ist das genannte Trapez ein gleichschenkliges Trapez, das heißt dass die genannten weiteren Seiten gleich sind.
Bei einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen bipolaren Platte ist der Querschnitt des Kanals quadratisch oder rechteckig und wenigstens eine der Wände oder Seiten des Kanals - ausgenommen die durch die Elektrodenoberfläche gebildete - umfasst wenigstens eine Rille oder Kerbe. Die drei Wände oder Seiten - ausgenommen die durch die Elektrodenoberfläche gebildete - können wenigstens eine Rille oder Kerbe umfassen.
Oder es umfassen nur die beiden "seitlichen" Wände des Kanals, das heißt die Wände ohne die durch die Elektrodenoberfläche gebildete und die dieser gegenüberstehende Wand, wenigstens eine Rille oder Kerbe.
Oder es umfasst nur diejenige Wand, die der durch die Elektrodenwand gebildeten Wand gegenübersteht (Boden bzw. Grund des Kanals), wenigstens eine Hohlkehle.
Die Form der Rillen oder Kerben kann beliebig sein, jedoch handelt es sich im Allgemeinen um Rillen oder Kerben mit V-förmigem Querschnitt, wobei der Öffnungswinkel des V vorzugsweise kleiner als 90º ist.
Die Abmessungen der Rillen ist generell klein in Bezug auf die Größe des Kanals, das heißt dass die Tiefe und/oder die Breite der Rillen zum Beispiel nur 114 bis 1110 der Größe der Wände betragen, in denen sie ausgebildet sind.
Nach einem besonders vorteilhaften Aspekt der vorliegenden Anmeldung ermöglicht die spezifische Geometrie der Gasverteilungskanäle der erfindungsgemäßen bipolaren Platten, die Integration neuer Funktionen in diese Platten zu erleichtern.
Die Platten können zum Beispiel Entnahme- und/oder Zuführungseinrichtungen zur Neu- bzw. Umverteilung (redistribution) von Flüssigkeit umfassen, die zum Beispiel eine interne Befeuchtung der Gase ermöglichen. Diese Funktion wird durch die erfindungsgemäße Lokalisierung der Flüssigkeit - zum Beispiel Wasser - in von der Elektrodenoberfläche entfernten Zonen erleichtert.
Die genannten Entnahme- und/oder Zuführungseinrichtungen zur Neu- bzw. Umverteilung von Flüssigkeit umfassen zum Beispiel Drainage- und/oder Kapillaranstiegseinrichtungen, die zum Beispiel wenigstens ein poröses Element umfassen, vorgesehen zum Beispiel in oder auf der Hohlkehle, die in der Zone zur Gasverteilung dient, wo die Flüssigkeit lokalisiert ist, das heißt in einer von der Elektrodenoberfläche vorzugsweise entfernten Zone, in oder auf der Wand, die der Wand gegenübersteht, die durch die Elektrodenwand gebildet wird, und/oder in oder auf wenigstens einer der seitlichen Wände der genannten Hohlkehle.
Die porösen Elemente können zum Beispiel die Form einer zwischen den Kanälen eingefügten Platte haben und dazu dienen, das Wasser zugunsten der Zonen neu zu verteilen, in denen Mangel herrscht, zum Beispiel am Eingang der Zelle, oder das erzeugte Wasser aus der Zeile zu entfernen.
Das poröse Element kann zum Beispiel auch die Form von zum Beispiel trapezförmigen Einsatz- bzw. Einspritzteilen haben.
Das poröse Element kann ein Schaum mit offenen Poren aus verschiedenen Materialien sein, zum Beispiel aus metallischen oder auch polymeren Materialien.
Die Flüssigkeitsentnahme- und/oder -zuführungseinrichtungen können auch Perforationen oder Löcher umfassen, vorgesehen in wenigstens einer der Wände der Gasverteilungshohlkehlen oder -kanäle und vorzugsweise in den Teilen der Wände dieser Hohlkehlen, die Kontakt haben mit dem genannten porösen Element.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsart der Erfindung wird die bipolare Platte durch eine einzige gezogene und gebogene Platte gebildet, die eine Folge von Hohlkehlen derselben Tiefe umfasst, abwechseln auf beiden Seiten der genannten einzigen Platte.
Die genannten Hohlkehlen definieren also beim stapelartigen Zusammenbau der bipolaren Platten mit den Elektroden (oder genauer der Einheiten des Typs Elektrode- Membran-Elektrode oder EME) beiderseits der genannten einzigen Platte zwei Gasverteilungskanäle oder -zonen, jeweils anodisch und katodisch.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung der oben beschriebenen bipolaren Platten. Das erfindungsgemäße Verfahren, das einfach, schnell und sehr genau ist, umfasst nacheinander folgende Schritte:
- Beschaffung eines Drahts (oder von Drähten) von entsprechender Form, um die Hohlkehlen der bipolaren Platte zu definieren;
- Befestigung des Drahts oder der Drähte auf wenigstens einer der Seiten einer ebenen Platte, um eine Hohlkehle (oder Hohlkehlen) der gewünschten Geometrie zu definieren.
Den genannten Draht erhält man vorzugsweise durch Ziehen mit Hilfe einer Düse von entsprechender Form, und der Draht (oder die Drähte) wird (werden) an der Platte mittels Punktschweißung befestigt.
Schließlich betrifft die Erfindung die Brennstoffzelle, die wenigstens eine erfindungsgemäße bipolare Platte umfasst.
In der Folge wird die Erfindung detailliert beschrieben, bezogen auf die beigefügten Zeichnungen:
- die Fig. 1 zeigt schematisch eine Brennstoffzelle, die mehrere Elementarzellen mit einer Elektrode-Membran-Elektrode-Einheit sowie bipolare Platten umfasst;
- die Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Form der ersten Ausführungsart der Gasverteilungskanäle der erfindungsgemäßen bipolaren Platten;
- die Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der Gasverteilungskanäle der erfindungsgemäßen bipolaren Platten, die der ersten Ausführungsform entspricht;
- die Fig. 4 und 5 zeigen eine zweite Ausführungsform der Gasverteilungskanäle der erfindungsgemäßen bipolaren Platten, wobei die Kanäle oder Hohlkehlen jeweils rechteckige und quadratische Querschnitte haben und mit Rillen oder Kerben versehen sind;
- die Fig. 6 zeigt einen Formdraht, wie er bei einem Herstellungsverfahren der erfindungsgemäßen Platten verwendet wird;
- die Fig. 7 zeigt einen eine Elementarzelle bildenden Zusammenbau mit einer Einheit des Typs Elektrode-Membran-Elektrode (EME) und zwei bipolaren Platten, hergestellt nach einem erfindungsgemäßen Verfahren mit Hilfe des Drahts der Fig. 6;
- die Fig. 8 zeigt einen Zusammenbau aus zwei Elektrode-Membran-Elektrode-Einheiten und zwei erfindungsgemäßen bipolaren Platten, gebildet durch gezogene und gefaltete bzw. gebogene Blechprofile;
- die Fig. 9 zeigt einen Zusammenbau aus zwei Elektrode-Membran-Elektrode-Einheiten, zwei erfindungsgemäßen bipolaren Platten, gebildet durch gezogene und gefaltete bzw. gebogene Blechprofile und poröse Drainage- und Umverteilungselemente des auf dem Boden des Kanals befindlichen Wassers;
- die Fig. 9A zeigt eine vergrößerte Schnittansicht einer Hohlkehle der bipolaren Platte aus gezogenem und gefaltetem bzw. gebogenem Blech der Fig. 9, die auf der Elektrodenfläche gegenüberstehenden Boden- bzw. Grundfläche Perforationen aufweist;
- die Fig. 10 zeigt einen Zusammenbau aus zwei Elektrode-Membran-Elektrode-Einheiten, zwei erfindungsgemäßen bipolaren Platten, gebildet durch Profile aus gezogenem und gefaltetem bzw. gebogenem Blech, und porösen Drainage- und Umverteilungselementen des Wassers, das sich auf den seitlichen Flächen der Verteilungskanäle befindet;
- die Fig. 10A ist eine vergrößerte Schnittansicht einer Hohlkehle der bipolaren Platte aus gezogenem und gefaltetem bzw. gebogenem Blech der Fig. 10, die auf ihren Seitenwänden Perforationen aufweist;
- die Fig. 11 ist eine Graphik, die als Funktion der Zeit t, ausgedrückt in Stunden, einerseits die Sauerstoffmenge QO&sub2;, ausgedrückt in Nl/h (gestrichelt), und andererseits die Spannung, ausgedrückt in V (durchgezogen), einer 50 cm²-Zelle darstellt, die mit Wasserstoff/Sauerstoff gespeist wird und in Reihe geschaltet ist mit einer 200 cm²-Zelle;
- die Fig. 12 ist eine Graphik, die als Funktion der Zeit t, ausgedrückt in Sekunden, einerseits die Spannung Ute, ausgedrückt in V (durchgezogene Kurve), einer 50 cm²-Zelle und andererseits die Spannung, ausgedrückt in V (gestrichelte Kurve), eines Photovervielfachers darstellt, der den Durchgang der Wasserpfropfen in den Gasverteilungskanälen detektiert.
Erfindungsgemäß hat der Querschnitt des oder der Gasverteilungskanäle eine Form oder Geometrie, die ermöglicht, die Zweiphasenabflussflüssigkeit abzuleiten, die in dem genannten Kanal der Elektrodenoberfläche fließt.
Die Erfinder haben die Zweiphasenabflüsse einer Brennstoffzelle charakterisiert und konnten zeigen, dass es im Betrieb mehrere Abflusssysteme gibt, dass aber überraschenderweise ein einziges dieser Systeme zu höheren Leistungen der Zelle führt.
Es gibt prinzipiell drei Abflusssysteme:
- einen ringförmigen Abfluss, charakterisiert durch einen dünnen Flüssigkeitsfilm, der alle Wände des Kanals bedeckt, einschließlich der Elektrodenoberfläche;
- einen intermittierenden Abfluss, charakterisiert durch den intermittierenden Durchgang von Gastaschen und Wasserpfropfen und folglich eine kontinuierliche Präsenz von Flüssigkeit auf allen Wänden des Kanals, einschließlich der Elektrodenoberfläche;
- einen ein- oder doppelschichtigen Abfluss, wenigstens einen Wasserfilm auf den oberen und unteren Teilen des Kanals in seinen horizontalen Teilstücken umfassend.
Bei Wasserstoff/Sauerstoff-Betrieb existieren das intermittierende und das doppelschichtige Abflusssystem zum Beispiel anoden- und katodenseitig bei normalen Betriebsbedingungen.
Bei Wasserstoff/Luft-Betrieb existieren das doppelschichtige und das intermittierende Abflusssystem anodenseitig. Wegen der Verdünnung des Sauerstoffs mit Stickstoff ist der intermittierende Abfluss luftseitig unmöglich und der ringförmige Abfluss wird unter Betriebsbedingungen beobachtet, die durch sehr große Mengen charakterisiert sind.
Anschließend wurde also gezeigt, dass unter identischen experimentellen Bedingungen - abgesehen von der Gasmenge - überraschenderweise ein doppelschichtiger Abfluss Brennstoffzellen-Leistungen liefert, die höher sind als die beiden anderen Abflusssysteme, das ringförmige und das intermittierende.
Zudem führt ein intermittierender Abfluss zu zeitlichen Instabilitäten der Spannung.
Aus den vorhergehenden Erläuterungen resultiert, dass es, um die Leistungen einer Brennstoffzelle mit Gasverteilung über Kanäle auf ihrem höchsten Spannungsniveau zu halten, nötig ist, das doppelschichtige Abflusssystem mit den Zweiphasenabflüssen der Anoden- und Katodenkanäle beizubehalten bzw. zu wählen (conserver).
Die hier a posteriori gelieferte Erläuterung betrifft die Art der Abflusssysteme. Bei einem ringförmigen Abfluss ist das Gas auf seiner gesamten Peripherie von einem flüssigen Film umgeben. Ebenso sind bei einem intermittierenden Abfluss die Gastaschen von einem Wasserfilm umgeben. Die Elektrode ist nicht in direktem Kontakt mit dem reaktiven Gas und dieses letztere muss durch den flüssigen Film diffundieren, zum Beispiel den Wasserfilm, ehe es die Elektrode erreicht. Diese Diffusion stellt einen einschränkenden Schritt dar. Im Falle von schichtenweisen Abflüssen hat das Gas direkten Zugang zu der Elektrode.
In den realistischen Fällen haben die Anzahl und die Dimension der Kanäle keinen voraussehbaren Einfluss auf das Aussehen eines intermittierenden Betriebs. Die Gasmenge ist ein Schlüsselparameter dafür, einen doppelschichtigen Abfluss beizubehalten bzw. zu wählen (conserver), aber um den Platzbedarf der annexen Bauteile der Zelle - zum Beispiel Reformer, Befeuchter - zu reduzieren, tendiert man dazu, die Gasmenge zu reduzieren, was dem Einfluss der Gasmenge auf die Aufrechterhaltung eines doppelschichtigen Systems entgegenwirkt. Man muss dann die Vorteile des doppelschichtigen Abflusses für die beiden Gase konservieren, das heißt das Fehlen eines flüssigen Films auf der Elektrode, ohne auf den Mengenparameter einzuwirken.
Genau dies wurde bei der vorliegenden Erfindung realisiert, wo auf überraschende Weise bewiesen wurde, dass die Form des Kanals unter den zahlreichen Parametern, die die Leistungen der Zelle bestimmen, der wichtigste Parameter ist.
Jede Geometrie, die ermöglicht, die in dem Kanal zirkulierende Zweiphasenabflussflüssigkeit von der Elektrodenoberfläche zu entfernen, erfindungskonform ist, das heißt auch, dass jede Kanalgeometrie, die ermöglicht, die Flüssigkeit vorzugsweise in entfernte Zonen der Elektrode zu leiten, um die Bildung eines Films auf der Elektrode zu vermeiden, erfindungskonform ist.
Solche Geometrien sind zum Beispiel diejenigen, welche die Oberflächenspannung nutzen, um der Forderung bezüglich dem Entfernen der Flüssigkeit von der Elektrodenoberfläche zu genügen. Vorzugsweise wird diese Geometrie durch eine spezifische Geometrie des Kanalquerschnitts definiert.
Bei einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen bipolaren Platte sind die Winkel des Querschnitts des genannten Kanals auf der Seite des Kanals, die durch die genannte Elektrodenoberfläche gebildet wird, größer als auf jener Seite dieses Kanals, die von der genannten Oberfläche am weitesten entfernt ist (zum Beispiel die entgegengesetzte Seite). Unter den zahlreichen Geometrien, die dieser. Bedingung entsprechen, hat der Querschnitt des Verteilungskanals bei dieser ersten Ausführungsart im Wesentlichen die Form eines konvexen Trapezoids, mit einer ersten Seite, die durch die genannte Elektrodenoberfläche gebildet wird, einer der ersten Seite gegenüberstehenden zweiten Seite und zwei weiteren Seiten, wobei die zwischen der ersten Seite und jeder der beiden weiteren Seiten enthaltenen Winkel größer sind als die zwischen der genannten entgegengesetzten Seite und jeder der beiden weiteren Seiten enthaltenen Winkel, das heißt, dass die ersten genannten Winkel stumpfe Winkel sind, die zum Beispiel von 90º bis 135º gehen, und die zweiten genannten Winkel spitze Winkel sind, die zum Beispiel von unter 90º bis 45º gehen.
Man stellt fest, dass eine solche Geometrie sich von den Geometrien mit quadratischen oder rechteckigen Querschnitten nach dem Stand der Technik unterscheidet und aufgrund der großen Kapillarwirkung der entgegengesetzten, von der Elektrode entfernten spitzen Winkel die Flüssigkeit von dieser entfernt.
Die Fig. 2 stellt eine bevorzugte Geometrie der Kanäle nach der ersten Ausführungsart der Erfindung dar: die Kanäle (19) (s. Fig. 1) haben einen Querschnitt mit der Form eines gleichschenkligen Trapezes, dessen Seiten (21) - außer den Grundlinien (22, 23) - gleich sind, und die kleine Basis (22) wird durch die Elektrodenoberfläche (13) definiert.
Diese Geometrie wird auch "Schwalbenschwanz-Geometrie" genannt. Es handelt sich um einen Sonderfall eines Querschnitts in Form von konvexen Trapezoiden mit zwei parallelen Seiten (22, 23) und zwei weiteren, gleichen Seiten (21). Selbstverständlich muss bei allen diesen Geometrien die weiter oben definierte Winkelbedingung eingehalten werden.
Die Dimensionen der Kanäle der Fig. 4 sind zum Beispiel eine Höhe oder Tiefe H von 1,5 mm und eine Länge L des Kanalbodens (23), das heißt der großen Basis (23) des Trapezes von 1,5 mm, während die Elektrode (13) eine Dicke e von zum Beispiel 0,4 mm hat.
Es ist klar, dass diese Werte nur beispielhaft sind und innerhalb eines großen Bereichs variieren können. So kann zum Beispiel die Höhe H von 1 bis 4 mm gehen und die Länge L ebenso von 1 bis 4 mm.
In der Fig. 2 haben die der Elektrode nahen Winkel (24, 25) alle beide einen Wert von 105º, das heißt dass sie sehr viel größer sind als die beiden entgegengesetzten Winkel (26, 27), die einen Wert von 75º haben.
Diese Werte sind wieder nur beispielhaft und die Winkel können jeden Wert annehmen, der einen stumpfen bzw. spitzen Winkel definiert.
In der Fig. 3 ist eine weitere bevorzugte Geometrie der Kanäle gemäß der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kanäle dargestellt. In diesem Fall ist der Querschnitt des Kanals (19) im Wesentlichen auch der eines gleichschenkligen Trapezes, wie in der Fig. 3, dessen Winkel jedoch abgerundet sind. Die Dimensionen H, L und e sind gleich den weiter oben in Bezug auf die Fig. 2 angegebenen.
In den Fig. 4 und 5 sieht man zwei Geometrien der Verteilungskanäle der bipolaren Platten gemäß der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform. Der Querschnitt des Kanals ist rechteckig (Fig. 4) oder quadratisch (Fig. 5) und in die Wände des Kanals sind kleine Rillen oder Kerben eingearbeitet.
In der Fig. 4 haben die Kanäle einen rechteckigen Querschnitt und Rillen oder Kerben (41), zum Beispiel zwei an der Zahl, sind nur auf den der Elektrode gegenüberstehenden Wänden des Kanals vorgesehen.
In der Fig. 5 haben die Kanäle einen quadratischen Querschnitt und Rillen oder Kerben (51) sind auf den drei Wänden des Kanals (52, 53, 54), aber nicht auf der Elektrodenoberfläche (55) vorgesehen. Die in den Fig. 4 und 5 dargestellten Rillen oder Kerben haben die Form eines V mit einem Winkel von 60º. Diese Rillen sind klein, das heißt dass ihre Tiefe ungefähr 0,5 mm beträgt.
Die Dimensionen der Kanäle der Fig. 4 und 5 sind die folgenden: für die Kanäle mit quadratischem Querschnitt: Seite und Tiefe H, L von 1,5 mm, und für die Kanäle mit rechteckigem Querschnitt: Länge L on 2,0 mm und Tiefe H von 1,0 mm.
Selbstverständlich sind diese Angaben nur beispielhaft und die Seitenlänge dieser Quadrate kann von 1 bis 4 mm gehen, während die Breite H und die Länge L der genannten Rechtecke jeweils von 1 bis 4 mm und 1 bis 4 mm gehen kann.
Ebenso ist es selbstverständlich, dass die Angaben bezüglich Anzahl, Form und Dimension der Rillen nur beispielhaft sind. Andere mögliche Formen sind zum Beispiel das Trapez, oder ds Dreieck mit abgerundeten Ecken, wobei die Tiefe der genannten Rillen generell ein Bruchteil der Breite des Kanals ist.
Die erfindungsgemäßen bipolaren Platten können nach jedem bekannten Verfahren gefertigt werden. Jedoch besteht ein bevorzugtes Fertigungsverfahren der erfindungsgemäßen bipolaren Platten - um die Verteilungskanäle auf der ebenen Platte zu definieren - darin, einen Draht von entsprechender Form herzustellen und auf der Platte zu befestigen, um die Verteilungskanäle auszubilden.
Den Draht erhält man vorzugsweise ad hoc durch Ziehen mit Hilfe einer Düse von geeigneter Form. Selbstverständlich kann man eine andere Technik als das Ziehen anwenden, um dem Draht die spezielle erfindungsgemäße Form zu geben. Zum Beispiel kann man die Drähte durch Fräsen vorbereiten, mittels geschliffener Oberflächen.
In allen Fällen ermöglicht das Fertigungsverfahren, dem Draht die gewünschte Form zu geben, noch ehe er auf der Platte angebracht wird.
Die Fig. 6 zeigt einen solchen Draht, der sich zur Herstellung von bipolaren Platten eignet, deren Kanäle, die anschließend die Verteilungskanäle definieren, einen Querschnitt mit der Form eines gleichschenkligen Trapezes haben. Der Querschnitt des genannten Drahts hat folglich die Form eine gleichschenkligen Trapezes mit den parallelen Grundlinien 61 und 62 und gleichen Seiten (63).
Dieser Draht ist aus einem Material, das ausgewählt wird aus den Materialien, die man üblicherweise für die bipolaren Platten verwendet, zum Beispiel aus einem nichtrostenden Stahl.
Der Draht (oder die Drähte) wird (werden) anschließend auf wenigstens einer Seite und vorzugsweise auf den beiden Seiten einer ebenen Platte aus einem geeigneten Material befestigt, das seinerseits auch unter den für Brennstoffzellen geeigneten Materialien ausgewählt wird.
Der Draht wird vorzugsweise mittels Punktschweißung auf der ebenen Platte befestigt. Ein solches einfaches und schnelles Befestigungsverfahren reicht aus, um den Draht auf der Platte zu immobilisieren, und eine relative Dichtheit ist sichergestellt während des Drucks beim Zusammenbau mehrerer Zellen, jede gebildet durch zwei bipolare Platten, getrennt durch eine Elektrode-Membran-Elektrode-Einheit (EME), um die Brennstoffzelle herzustellen.
Dieses Herstellungsverfahren ist einfach, schnell und sehr genau bezüglich der Form und der Dimension der Verteilungskanäle.
Der fertige Zusammenbau ist in der Fig. 7 dargestellt:
Auf zwei ebenen Platten (71) sind Formdrähte (72) (s. Fig. 6) durch Schweißpunkte (73) befestigt, und zwischen den beiden derart definierten bipolaren Platten, die Hohlkehlen umfassen, die Verteilungskanäle 74, 75 bilden, befindet sich eine EME-Einheit (76). Die Verteilungskanäle sichern einerseits anodenseitig (75) die Verteilung zum Beispiel des Wasserstoffs und katodenseitig (74) die des Sauerstoffs.
Ein anderes Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen bipolaren Platten besteht darin, ein Profil oder eine einzige Blechplatte zu bilden (zum Beispiel Polymere oder nichtrostender Stahl), diese bzw. diesen zu ziehen und zu falten bzw. zu biegen, um die bipolare Platte direkt zu formen. Man formt anschließend simultan die beiden Seiten der einzigen gezogenen und gebogenen bzw. gefalteten Platte (81) und abwechselnd, beiderseits von dieser, die Hohlkehlen, die einerseits den katodischen Gasverteilungskanälen (82) entsprechen und andererseits anodischen Gasverteilungskanälen (83). Der fertige Zusammenbau mit drei EME-Einheiten (84), der dann zwei Elementarzellen bildet, ist in der Fig. 8 dargestellt.
Die genannten, gezogenen und gebogenen Platten können auch gemäß Fig. 9 auf einer ebenen Platte (92) befestigt werden, die die Dichtheit sicherstellt, um die bipolare Platte zu bilden. Man definiert so auf jeder Seite einer EME-Einheit (84) abwechselnd Verteilungskanäle von anodischem Gas (83) wie etwa Wasserstoff und katodischem (82) wie etwa Sauerstoff. Kanäle (85) können für die thermische Kontrolle der Zelle benutzt werden.
Eine poröse Platte (90) befindet sich im Kontakt mit der Platte 92 und trägt die Hohlkehlen (82, 83) aus gefaltetem Blech, die Löcher 96 aufweisen (s. Fig. 9A), vor der porösen Platte 90, das heißt auf der Grundwand, die der Elektrodenoberfläche der Hohlkehlen (82, 83) gegenübersteht.
Die porösen Elemente 90, die sich auf dem Grund der Kanäle 82, 83 befinden, ermöglichen die Kapillardrainage des Wassers und/oder seine Verteilung und seine Um- bzw. Neuverteilung, um zum Beispiel die Gase zu befeuchten.
Die Fig. 9A zeigt eine vergrößerte Schnittansicht einer Hohlkehle (82, 83) der bipolaren Platte 81 der Fig. 9 aus gezogenem und gebogenem bzw. gefaltetem Blech, wobei der Grund des genannten Kanals oder der genannten Hohlkehle (82, 83) Löcher oder Perforationen (96) aufweist.
Die Fig. 10 zeigt einen Zusammenbau, der im Wesentlichen dem der Fig. 9 entspricht und EME-Einheiten und zwei bipolare Platten (81) umfasst, erfindungsgemäß gebildet durch gezogene und gefaltete Blechprofile und poröse Elemente zur Drainage und Um- bzw. Neuverteilung des Wassers, das sich auf den Seitenflächen der Verteilungskanäle (82, 83) befindet.
Das heißt, dass es bei dem Zusammenbau der Fig. 10 die oben in Fig. 9 bzw. 9A definierten Kanäle (85) sind, die mit den porösen Elementen (90a) gefüllt sind, und aus diesem Grunde sind es die Seitenwände der Hohlkehlen (82, 83), die perforiert und mit Löchern (96) versehen sind, und nicht, wie in der Fig. 9A, der Grund der genannten Hohlkehlen.
Mit anderen Worten befindet sich in der Fig. 10 bzw. 10A das poröse Element (90a) in den Kanälen (85), die nicht mehr zu thermischen Kontrolle benutzt werden, wie in der Fig. 9, und die Hohlkehlen sind mit seitlichen Löchern (96) versehen, die den porösen Elementen gegenüberstehen.
Die Fig. 10A zeigt eine vergrößerte Schnittansicht einer Hohlkehle (82, 83) der gezogenen und gefalteten bipolaren Platte 81 der Fig. 10, wo die Seitenwände des genannten Kanals Löcher oder Perforationen 96 aufweisen.
Die vorliegende Erfindung hat auch eine Brennstoffzellenvorrichtung zum Gegenstand, die wenigstens eine erfindungsgemäße bipolare Platte umfasst
Die Brennstoffzelle kann zum Beispiel dem schon in der Fig. 1 dargestellten Schema entsprechen, d. h. dass die Membran (1) sich zwischen zwei Elektroden (13) befindet, zum Beispiel aus platiniertem bzw. platinüberzogenem (oder mit einem anderen Edelmetall behandelten) Kohlenstoffgewebe, vorzugsweise imprägniert mit einer Verbindung wie Nation® o.Ä., mit dem Zweck, eine Volumenelektrode zu bekommen.
Diese Einheit wird anschließend zum Beispiel zwischen zwei erfindungsgemäßen bipolaren Platten (7, 8) angeordnet, die einerseits anodenseitig die Verteilung des Anodengas genannten Wasserstoffgases (4) und andererseits katodenseitig des Katodengas genannten Gases wie etwa Sauerstoff (5).
Außer Sauerstoff kann das Kathodengas auch Luft oder ein Sauerstoffenthaltendes Gasgemisch sein.
Die Zelle kann auch Einrichtungen (nicht dargestellt) umfassen, um die Temperatur zu messen, zum Beispiel Kupferplatten, durch Monozellen-Heizstifte oder Wärmeaustauschermodule, und Einrichtungen zur Regelung des Betriebs der Zelle, angeschlossen an den Außenkreis (10): diese Einrichtungen werden zum Beispiel durch Mengen-, Temperatur- und Druckregulatoren sowie eine elektronische Ladung bzw. Belastung (charge électronique) zum Regeln des Stroms gebildet.
Die erfindungsgemäße Zelle unterscheidet sich fundamental nicht von der Zelle der Fig. 1 nach dem Stand der Technik, außer durch die Form der Gasverteilungskanäle (19), die höhere Leistungen der Zelle sicherstellen und ermöglichen, poröse Zonen einzuführen, um das Wasser dort zu sammeln, wo es aufgrund der Form der Kanäle der vorliegenden Erfindung lokalisiert ist. Außerdem zeigen die Figuren spezielle Formen, die die erfindungsgemäß hergestellten Platten sowie die Zusammenbauten und Stapel von Brennstoffzellen, die sie umfassen, haben können.
Die erfindungsgemäßen Brennstoffzellen eignen sich insbesondere zur Speicherung von Energie, um die elektrischen Motoren in den elektrischen Fahrzeugen zu versorgen oder, im Rahmen der Energieerzeugungsmodule, um eine Hilfsenergie zu liefern oder schwer zugängliche Zonen mit Energie zu versorgen.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die folgenden erläuternden und nicht einschränkenden Beispiele beschrieben:

BEISPIEL 1

Bei diesem Beispiel wurden die anoden- und katodenseitigen Zweiphasenabflüsse einer Brennstoffzelle im Wasserstoff/Luft- und Wasserstoff/Sauerstoff-Betrieb bei einer Zelle von 250 cm² charakterisiert, die katodenseitig vier Kanäle und anodenseitig zwei Kanäle mit identischem Querschnitt 1,5 · 1,5 mm² umfasst.
Die Abflüsse wurden durch ein Sichtfenster in gleicher Höhe mit den Verteilungskanälen beobachtet, und es konnten drei hauptsächliche Abflusssysteme nachgewiesen und sichtbar gemacht werden: es handelt sich um die drei weiter oben definierten Abflusssysteme, nämlich: ringförmiger Abfluss, intermittierender Abfluss und ein- oder doppelsichtiger Abfluss.
Festzustellen ist, dass bei der in diesem Beispiel realisierten Charakterisierung des doppelschichtigen Abflusses das Vorhandensein von Wassertröpfen auf der Wand des Sichtfensters anzeigt, dass man es nicht mit einem ringförmigen Abfluss zu tun hat, denn die Wassertröpfen könnten sich auf einem die Wand netzenden Film nicht halten. Die Bildung eines oberen Films bei einem doppelschichtigen Abfluss erklärt sich durch das Durchfließen eines 180º-Krümmers.

BEISPIEL 2

Bei diesem Beispiel wurde der Einfluss des Abflusssystems wie definiert in Beispiel 1 bezüglich der Leistungen einer Brennstoffzelle untersucht.
Die Versuchbedingungen sind dieselben während der gesamten Dauer der Untersuchung, außer was die Gasmenge (O&sub2;) betrifft, die ermöglicht, das Abflusssystem zu bestimmen.
Dieser Versuch wurde mit Wasserstoff/Sauerstoff mit unterschiedlichen Gasmengen bei einer 50 cm²-Zelle durchgeführt, in Serie mit einer 200 cm²-Zelle, bei 4 bar und 80ºC. Die Werte der vorgeschriebenen Stromdichten sind jeweils 1,1 A/cm² für die 200- cm² Zelle und 2,0 A für die 50 cm²-Zelle.
Um anodenseitig eine doppelschichtige Strömung aufrecht zu erhalten, wird die Wasserstoff-Durchsatzmenge am Ausgang auf 100 Nl/h gehalten. Die Resultate dieses Versuchs zeigt die Fig. 11, die eine Graphik ist, die einerseits diese Wasserstoffmenge QO&sub2;, ausgerückt in Nl/h (untere, gestrichelte Kurve), und andererseits die Spannung U der 50 cm²- Zelle, ausgedrückt in V (obere, durchgezogene Kurve), als eine Funktion der Zeit t, ausgedrückt in Stunden, darstellt. Außerdem wurden die Abflüsse auch durch ein Sichtfenster beobacht, in gleicher Weise wie in dem Beispiel 1.
Man stellt fest, dass mit einer austretenden Sauerstoffmenge von 50 Nl/h der katodenseitige Fluss doppelschichtig ist und die Spannung der Zelle 0,42 V beträgt. Der Übergang zu einer Menge von 400 Nl/h, dann zu 800 Nl/h führt zu einem Leistungsschwund bei der zweiten Zelle aufgrund des Abflusssystemwechsels; das System wird ringförmig, charakterisiert durch das Auftreten einer Kräuselung des Wassers, sehr gut festzustellen durch das Sichtfenster. Die Rückkehr zu einer Normalmenge von 50 Nl/h ermöglicht auch die Rückkehr zum Anfangsleistungsniveau.
Anschließend wurde die Sauerstoffmenge bis auf 10 Nl/h reduziert, um das intermittierende Abflusssystem zu erhalten. Die Sichtbarmachung bestätigt die Art dieses Abflusssystems. Die Spannung der Zelle ist kleiner als in dem Fall eines geschichteten Systems, nämlich um 0,40 V, und weist die typischen Instabilitäten eines intermittierenden Abflusses auf.
Die Fig. 11 zeigt deutlich, dass unter identischen Versuchsbedingungen, ausgenommen die Gasmenge, ein doppelschichtiger Abfluss höhere Zellenleistungen liefert als die beiden anderen hauptsächlichen Abflussarten.

BEISPIEL 3

Bei diesem Beispiel wurde die Entwicklung der Spannung einer Brennstoffzelle über einen langen Zeitraum untersucht, wobei die zeitlichen Instabilitäten, beruhend auf einem intermittierenden Abfluss, bewiesen wurden.
Es wurde wie in dem Beispiel 2 eine 50 cm²-Zelle verwendet, gespeist mit Wasserstoff/Sauerstoff, aber ohne Serienschaltung mit einer 200 cm²-Zelle.
Der Druck beträgt 4 bar, die Temperatur der Zelle 80ºC, die Temperatur der Befeuchtung 90ºC und die Gaseintrittstemperatur 20ºC. Die Wasserstoff- und Sauerstoffmengen wurden während der gesamten Dauer des Versuchs konstant gehalten und betrugen jeweils 10 Nl/h und 40 Nl/h. Die verlangte Stromstärke betrug 100 A, also 2 A/cm².
Die Fig. 12 zeigt eine Graphik, die, als Funktion der Zeit, ausgedrückt in Sekunden, einerseits die Spannung der Zelle in Volt (obere, durchgezogene Kurve) und andererseits die Spannung eines Photovervielfachers (untere, gestrichelte Kurve) darstellt.
Die Verbindung des Photovervielfachers mit einem Laser, angeordnet in einem der katodenseitigen Gasverteilungskanäle der Zelle ermöglicht, den Inhalt des Kanals zu bestimmen: Wasser oder Gas. Es wurde nämlich die Reflexionsdifferenz eines Laserstrahls zwischen einem mit Wasser gefüllten Kanal und einem mit Gas gefüllten Kanal benutzt, um bei einem intermittierenden Abfluss den Durchgang der Wasserpfropfen zu detektieren. Die Intensität des reflektierten Laserstrahls wird zum Photovervielfacher gesendet.
In der Kurve der Fig. 12, die die Spannung des Photovervielfachers liefert, sieht man, dass jeder in Höhe des Photovervielfachers aufgezeichnete Peak, der dem Durchgang eines Wasserpfropfens entspricht, vollkommen mit einem sehr deutlichen Leistungsabfall in Höhe der Spannung der Zelle korreliert.
Dieser Versuch bestätigt, dass man nur mit dem spezifischen erfindungsgemäßen Abfluss und folglich der spezifischen erfindungsgemäßen Geometrie die besten Leistungen erzielen und ohne zufällige Schwankungen über einen langen Zeitraum aufrecht erhalten kann.

Claims

1. Bipolare Platte für Brennstoffzelle, auf wenigstens einer ihrer Seiten mindestens eine Hohlkehle umfassend, die mit der Oberfläche einer benachbarten Elektrode wenigstens einen Gasverteilungskanal bildet, bei der der Querschnitt des genannten Verteilungskanals im Wesentlichen die Form eines konvexen Trapezoids aufweist, mit einer ersten, durch die genannte Elektrodenoberfläche gebildeten Seite, einer zweiten, der genannten ersten Seite gegenüberstehenden Seite, und zwei weiteren Seiten, wobei die zwischen der genannten ersten Seite und jeder der genannten beiden weiteren Seiten enthaltenen Winkel offener bzw. größer sind als die Winkel zwischen der genannten entgegengesetzten Seite und jeder der genannten beiden weiteren Seiten.

2. Bipolare Platte für Brennstoffzelle, auf wenigstens einer ihrer Seiten mindestens eine Hohlkehle umfassend, die mit der Oberfläche einer benachbarten Elektrode wenigstens einen Gasverteilungskanal bildet, bei der der Querschnitt des genannten Verteilungskanals quadratisch oder rechteckig ist und wenigstens eine der Wände oder Seiten des Kanals, ausgenommen die durch die Elektrodenoberfläche gebildete Wand oder Seite, mindestens eine Rille oder Kerbe umfasst.

3. Bipolare Platte nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der die beiden Seiten der bipolaren Platte wenigstens eine Hohlkehle umfassen.

4. Bipolare Platte nach Anspruch 1, bei der das genannte konvexe Trapezoid ein Trapez ist, dessen Grundlinien die genannte erste Seite und die genannte gegenüberstehende Seite bilden.

5. Bipolare Platte nach Anspruch 4, bei der das genannte Trapez ein gleichschenkliges Trapez ist.

6. Bipolare Platte nach Anspruch 2, bei der alle Seiten oder Wände des Kanals mit Ausnahme der die Elektrodenoberfläche bildenden Seite wenigstens eine Rille oder Kerbe umfassen.

7. Bipolare Platte nach Anspruch 2, bei der nur die Wand des Kanals, die der durch die Elektrodenoberfläche gebildeten Wand gegenübersteht, wenigstens eine Rille oder Kerbe umfasst.

8. Bipolare Platte nach Anspruch 2, bei der nur die Wände des Kanals, die nicht durch die Elektrodenoberfläche und die ihr gegenüberstehende Wand gebildeten werden, wenigstens eine Rille oder Kerbe umfassen.

9. Bipolare Platte nach einem der Ansprüche 2 und 6 bis 8, bei der die Kerbe(n) oder Rille(n) einen V-förmigen Querschnitt haben.

10. Bipolare Platte nach Anspruch 9, bei der der genannte V-förmige Querschnitt einen Öffnungswinkel unter 90º hat.

11. Bipolare Platte nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die genannten Platten Flüssigkeitsentnahme- und/oder -zuführungseinrichtungen umfassen.

12. Bipolare Platte nach Anspruch 11, bei der die genannten Flüssigkeitsentnahme- und/oder -zuführungseinrichtungen wenigstens ein poröses Element umfassen.

13. Bipolare Platte nach Anspruch 12, bei der das genannte poröse Element in dem genannten Gasverteilungskanal in der von der Elektrodenoberfläche entfernten Zone vorgesehen ist, wo die Flüssigkeit lokalisiert ist.

14. Bipolare Platte nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei der die genannten Flüssigkeitsentnahme- und/oder -zuführungseinrichtungen Perforierungen oder Löcher umfassen, vorgesehen in wenigstens einer der Wände des genannten Kanals mit Ausnahme der durch die Elektrodenoberfläche gebildeten Wand.

15. Bipolare Platte nach Anspruch 12 und Anspruch 14, bei der die genannten Perforierungen in den Teilen der Wände der Hohlkehle vorgesehen sind, die Kontakt haben mit dem genannten porösen Element.

16. Bipolare Platte nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gebildet durch eine einzige gezogene und gebogene Platte mit einer Folge von Hohlkehlen derselben Tiefe, abwechselnd auf beiden Seiten der genannten einzigen Platte.

17. Herstellungsverfahren der bipolaren Platte nach einem der Ansprüche 1 bis 15, folgende Schritte umfassend:

- Beschaffung von einem Draht oder von Drähten mit der entsprechenden Form, um die Hohlkehle(n) der bipolaren Platte zu definieren;

- Befestigung des Drahts oder der Drähte an wenigstens einer der Seiten einer ebenen Platte, um eine Hohlkehle oder Hohlkehlen mit der gewünschten Geometrie zu definieren.

18. Verfahren nach Anspruch 17 mit Befestigung des Drahts oder der Drähte durch Punktschweißen.

19. Brennstoffzelle mit wenigstens einer bipolaren Platte nach einem der Ansprüche 1 bis 16.