DE102006043361B4

DE102006043361B4 - Brennstoffzellen mit verbesserter Konstruktion zur Korrosionsminderung

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Publication number: DE102006043361B4
Application number: DE102006043361A
Authority: DE
Inventors: Michael K. Budinski; Brian K. Brady; Hubert A. Gasteiger; Keith E. Newman
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2005-09-15
Filing date: 2006-09-15
Publication date: 2012-12-06
Anticipated expiration: 2026-09-16
Also published as: US20070059580A1; DE102006043361A1; JP2007080831A; CN1976104A; JP4738297B2

Abstract

Brennstoffzelle (10) mit: einer bipolaren Platte (12) aus einem Metallmaterial, die einen Bereich mit stagnierender Strömung (14) aufweist, wobei der Bereich mit stagnierender Strömung (14) Gebiete außerhalb der Strömungsfeldkanäle des aktiven Bereichs umfasst, einer Diffusionsmediumschicht (20) benachbart zu der bipolaren Platte (12), einer Membranschicht (22), zumindest einer Katalysatorschicht (24) benachbart zu der Membranschicht (22), wobei sich die zumindest eine Katalysatorschicht (24) benachbart zu der Diffusionsmediumschicht (20) befindet und die zumindest eine Katalysatorschicht (24) beabstandet von dem Bereich mit stagnierender Strömung (14) angeordnet ist, und zumindest einer Membranschutzschicht (30) benachbart zu der Membranschicht (22), wobei sich die zumindest eine Membranschutzschicht (30) benachbart zu der Diffusionsmediumschicht (20) befindet, wobei sich die zumindest eine Membranschutzschicht (30) in der Nähe des Bereichs mit stagnierender Strömung (14) befindet, wobei die zumindest eine Katalysatorschicht (24) und die zumindest eine Membranschutzschicht (30) beabstandet voneinander angeordnet sind, und wobei die zumindest eine Membranschutzschicht...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellen mit verbesserter Konstruktion zur Korrosionsminderung.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Brennstoffzellen sind bei vielen Anwendungen als eine Energiequelle verwendet worden. Beispielsweise sind Brennstoffzellen zur Verwendung in elektrischen Fahrzeugantriebsanlagen als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen worden. In Brennstoffzellen vom PEM-Typ wird Wasserstoff an die Anode der Brennstoffzelle und Sauerstoff als das Oxidationsmittel an die Kathode geliefert. PEM-Brennstoffzellen umfassen eine Membranelektrodenanordnung (MEA) mit einer dünnen protonendurchlässigen, nicht elektrisch leitenden Festpolymerelektrolytmembran, die den Anodenkatalysator auf einer ihrer Seiten und den Kathodenkatalysator auf der entgegengesetzten Seite aufweist. Die MEA ist schichtartig zwischen einem Paar elektrisch leitender Elemente angeordnet, die manchmal als die Gasdiffusionsmediumkomponenten bezeichnet werden und die: (1) als Stromkollektoren für die Anode und Kathode dienen; (2) geeignete Öffnungen darin zur Verteilung der gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle über die Oberflächen der jeweiligen Anoden- und Kathodenkatalysatoren enthalten; (3) Produktwasserdampf und -flüssigwasser von der Elektrode an Strömungsfeldkanäle entfernen; (4) zur Wärmeabführung thermisch leitend sind; und (5) eine mechanische Festigkeit besitzen. Der Begriff ”Brennstoffzelle” wird typischerweise dazu verwendet, entweder eine einzelne Zelle oder eine Vielzahl von Zellen (beispielsweise einen Stapel) abhängig vom Kontext zu bezeichnen. Typischerweise wird eine Vielzahl einzelner Zellen miteinander gebündelt, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden, die gewöhnlich in Reihe angeordnet sind. Jede Zelle in dem Stapel umfasst die vorher beschriebene MEA und jede derartige MEA liefert ihr Spannungsinkrement.
In PEM-Brennstoffzellen ist Wasserstoff (H₂) der Anodenreaktand (d. h. Brennstoff) und Sauerstoff ist der Kathodenreaktand (d. h. Oxidationsmittel). Der Sauerstoff kann entweder in reiner Form (O₂) oder als Luft (einer Mischung aus O₂ und N₂) vorliegen. Die protonenleitenden Festpolymerelektrolyte bestehen typischerweise aus Ionentauscherharzen, wie aus auf perfluorierter Sulfonsäure (”PFSA”) basierenden Ionomeren oder kohlenwasserstoffbasierten (nicht fluorierten oder teilweise fluorierten) protonenleitenden Polymeren (beispielsweise sulfoniertem Polyetheretherketon (SPEEK)). Die Anoden-/Kathodenelektroden umfassen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel, die oftmals auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem protonenleitenden Harz gemischt sind. Die katalytischen Partikel sind typischerweise teure Edelmetallpartikel. Diese Membranelektrodenanordnungen sind relativ teuer herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen, einschließlich eines richtigen Wassermanagements wie auch einer richtigen Befeuchtung sowie richtigen Steuerung katalysatorschädigender Bestandteile, wie Kohlenmonoxid (CO), für einen effektiven Betrieb.
Beispiele der Technologie in Verbindung mit PEM und anderen verwandten Typen von Brennstoffzellensystemen können unter Bezugnahme auf die gleichermaßen übertragenen U. S. Patente, mit den Nummern:
US 3,985,578 A von Witherspoon et al.; US 5,272,017 A von Swathirajan et al.; US 5,624,769 A von Li et al.; US 5,776,624 A von Neutzler; US 6,277,513 B1 von Swathirajan et al.; US 6,350,539 B1 von Woods, III et al.; US 6,372,376 B1 von Fronk et al.; US 6,521,381 B1 von Vyas et al.; US 6,524,736 B1 von Sompalli et al.; US 6,566,004 B1 von Fly et al.; US 6,663,994 B1 von Fly et al.; US 6,793,544 B2 von Brady et al.; US 6,794,068 B2 von Rapaport et al.; US 6,811,918 B2 von Blunk et al.; US 6,824,909 B2 von Mathias et al.; US 6,861,173 B2 von Bhaskar et al.; US Patentanmeldungen mit den Veröffentlichungsnummern: US 2003/0165731 A1 von Vyas et al.; US 2004/0067407 A1 von Sompalli et al.; US 2004/0081881 A1 von Vyas et al.; US 2004/0110058 A1 von Lee et al.; US 2004/0151952 A1 von Brady et al.; US 2004/0208989 A1 von Lee et al.; US 2005/0026012 A1 von O'Hara; US 2005/0026018 A1 von O'Hara et al.; US 2005/0026523 A1 von O'Hara et al.; US 2005/0037212 A1 von Budinski und US 2005/0058881 A1 von Goebel et al. gefunden werden, wobei die gesamten Beschreibungen von allen hier ausdrücklich durch Bezugnahme eingeschlossen sind.
Ein Problem, das aufgetreten ist, betrifft die Korrosion bipolarer Platten (insbesondere aus Metall bestehender bipolarer Platten), die die MEA oder die Nähe der MEA betrifft und potentiell die Funktion und/oder den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle beeinträchtigen kann. Beispielsweise dringt Sauerstoff (als ”Sauerstoffübergang” bezeichnet) von der Kathodenseite einer MEA durch die Membran hindurch oder in dem Fall, wenn eine Membranschutzschicht (nachfolgend als ”Unterdichtung” bzw. ”Subgasket” bezeichnet) in dem Randgebiet der MEA aufgebracht ist, durch die Membran und die Unterdichtung an die Anodenseite der MEA. Katalysiert durch den auf Kohlenstoff getragenen Platinkatalysator (Pt/C) an der Anodenseite der MEA reagiert der Übergangssauerstoff mit Protonen von dem protonenleitenden Polymer in einer elektrochemischen Reaktion, die einen kleinen Anteil an Wasserstoffperoxid (O₂ + 2H⁺ + 2e^– → H₂O₂) bildet. Diese Reaktion wird auch durch die eine hohe Oberfläche aufweisende Kohlenstoffbeschichtung, die gewöhnlich auf das Anodendiffusionsmedium (”DM”) aufgebracht ist, (oftmals als die mikroporöse Schicht oder die ”MPL” bezeichnet) oder weniger effektiv durch die Kohlenstofffasern und Kohlenstofffüllstoffe des DM-Substrats katalysiert (siehe 1). Zusätzlich kann eine O₂-Permeation an die Anodenseite HF über die folgende Reaktion: (O₂ + H₂ → HF) bilden (siehe 1). Ferner kann die H2-Permeation an die Kathodenseite ebenfalls HF über die folgende Reaktion bilden: (O₂ + H₂ → HF) (siehe 1).
Bei Experimenten mit rotierender Ringscheibe in wässrigen Säuren hat sich herausgestellt, dass der Anteil von O₂, der an der Anode elektrochemisch in H₂O₂ reduziert wird, größer wird, wenn dies durch Kohlenstoff mit hoher Oberfläche katalysiert wird, im Vergleich zu einem kohlenstoffgetragenen Platinkatalysator (siehe 2). In den Grenzgebieten der MEA, d. h. wo keine Gas liefernden Strömungsfeldkanäle mehr vorhanden sind und/oder wo die MEA in Kontakt mit der Umfangsdichtung (allgemein Elastomere) kommt, sind weder Katalysator noch eine MPL erforderlich, jedoch kann abhängig von der Konstruktion der MEA Pt/C und/oder eine MPL in diesen Gebieten vorhanden sind. Die meisten MEA-Konstruktionen umfassen jedoch eine Unterdichtung in dem oben beschriebenen Grenzgebiet, die den Bereich der MEA, der bei den elektrochemischen Prozessen betroffen ist, von dem Bereich unterscheidet, der bei den nützlichen elektrochemischen Prozessen nicht teilnimmt.
In einigen Fällen besteht die Unterdichtung aus demselben PFSA-Ionomer, das in dem Katalysator enthaltenden Teil der MEA verwendet ist. Dieses Ionomer weist eine relativ hohe Sauerstoffpermeabilität auf und ist ein guter Protonenleiter. Sobald der Sauerstoff durch die Unterdichtung hindurchdringt, tritt er in Kontakt mit Wasserstoff an der Anodenseite der Membran. Normalerweise resultiert dies in der Bildung von Wasser, wie auch einer kleinen Menge an Wasserstoffperoxid. Das Verzweigungsverhältnis von Wasser zu Peroxid wird durch die Anwesenheit oder Abwesenheit eines geeigneten Katalysators wie auch das elektrochemische Potential gesteuert.
2 zeigt den relativen Effekt des Katalysators bei verschiedenen Potentialen. Wie in diesem Ausdruck zu sehen ist, katalysiert eine hohe Oberfläche aufweisendes Carbon Black (der Hauptbestandteil üblich verwendeter MPLs) einen erheblichen Anteil des Reaktionsproduktes zwischen Sauerstoff und Wasserstoff in Wasserstoffperoxid unter den Anodenbedingungen, die in einer typischen PEM-Brennstoffzelle beobachtet werden.
In der Literatur ist berichtet worden, dass Wasserstoffperoxid eine Degradation des Ionomers (in der Membran und auch in der Elektrode) insbesondere in der Anwesenheit von Kationen unterstützt, wie Eisen (siehe beispielsweise A. B. LaConti et al., ”Handbook of Fuel Cells” (Eds. W. Vielstich et al.): Wiley (2003), Band 3(9) 647). Das Hauptprodukt aus der Ionomerzersetzung ist Fluorwasserstoffsäure (HF). In den Gebieten der MEA, in denen aktive Reaktandengasströmungen über die Strömungsfeldgaskanäle aufgebracht werden, wird die Konzentration von sowohl H₂O₂ (durch O₂-Übergang an die Anode gebildet) und HF (aus einer Membrandegradation) niedrig gehalten, da diese Arten kontinuierlich durch die Reaktandengasströme entfernt werden. Andererseits kann in Bereichen der bipolaren Platte, in denen Gebiete mit stagnierender Strömung vorhanden sind (beispielsweise herstellungsbedingte Vertiefungen (als ”Grübchen” bezeichnet) ohne aktive Strömung, Gebiete entlang des MEA-Umfangs, wo keine Strömungsfeldkanäle mehr vorhanden sind und/oder jegliches Gebiet des aktiven Bereiches einer bipolaren Platte, das keine kontinuierliche Strömung von reaktiven Gasen während des Brennstoffzellenbetriebs zulässt), die Konzentration von sowohl H₂O₂ als auch HF wesentlich zunehmen, wodurch eine ernsthafte korrosive Umgebung für metallische bipolare Platten, für viele der typisch aufgebrachten Beschichtungen (beispielsweise Metalloxide, Metallnitride und/oder dergleichen) und für Dichtungsmaterialien für bipolare Platten gebildet wird.
In der Literatur ist auch berichtet worden, dass die Korrosion von rostfreien Stählen in sauren HF-Lösungen rapide mit der Fluoridkonzentration zunimmt; ähnlicherweise nimmt die Korrosion von rostfreien Stählen in sauren H₂O₂- und sauren HF/H₂O₂-Lösungen mit der Wasserstoffperoxidkonzentration zu (siehe beispielsweise N. Laycock et al., Corrosion Sciene, Band 37, Nr. 10, S. 1637–1642 (1995); T. Hayward et al., J. Supercritical Fluids, Band 27, S. 275–281 (2003); G. Bellanger, J. Nuclear Materials, Band 210, S. 63–72 (1994); Y. Kim et al., NDT&E International, Band 36, S. 553–562 (2003); und H. Anzai et al.; Corrosion Science, Band 36, Nr, 7, S. 1201–1211 (1994)). Sobald die Korrosion von rostfreiem Stahl beginnt, werden Eisenkationen freigesetzt, die eine Ionomerdegradation beschleunigen, was seinerseits die Konzentration von HF steigert. Dies bildet einen autokatalytischen Prozess, durch den freigesetztes HF die Korrosion von rostfreiem Stahl beschleunigt, was seinerseits die Membrandegradation weiter beschleunigt, wodurch eine zusätzliche Korrosion der bipolaren Platte beschleunigt wird.
In der Technik ist es auch bekannt, dass der Übergang von sowohl Sauerstoff an die Anodenseite wie auch der Übergang von Wasserstoff an die Kathodenseite zu einer erhöhten Ionomerdegradation führt, was größere Mengen an HF erzeugt. In Gebieten mit stagnierender Strömung (d. h. Gebieten außerhalb der Strömungsfeldkanäle des aktiven Bereichs, in Grübchengebieten, Gebieten mit verringerter Gasströmung und/oder dergleichen) führt diese erhöhte HF-Bildung zu hohen Konzentrationen von HF, was seinerseits die Korrosion metallischer bipolarer Platten (und vieler typisch verwendeter Schutzbeschichtungen und Dichtungsmaterialien für bipolare Platten) beschleunigt.
Die Offenlegungsschriften DE 101 35 333 A1 und DE 102 10 293 A1 beschreiben jeweils eine Brennstoffzelleneinheit, welche ein Gehäuse, ein Substrat und eine auf einer Elektrodenseite des Substrats angeordnete Elektrode aufweist, wobei das Substrat so ausgebildet ist, dass es den Durchtritt eines Gases aus einem auf einer Gasraumseite des Substrats angeordneten Gasraum zu der Elektrode erlaubt, wobei das Substrat mindestens eine gasdichte Zone umfasst, welche sich von einer Oberfläche des Substrats durch das Substrat hindurch zu einer gegenüberliegenden Oberfläche des Substrats erstreckt.
Die Offenlegungsschrift DE 102 25 210 A1 offenbart eine Brennstoffzelle mit einer Dichtungsstruktur, welche zwei Dichtungsflächen und eine Dichtungsmasse sammelnde Struktur zum Sammeln eines Abschnitts der Dichtungsmasse aufweist.
Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2004 052 029 A1 ist eine Brennstoffzelle bekannt, bei der eine Kathodenkatalysatorschicht und eine Anodenkatalysatorschicht jeweils von einem Halteabschnitt umgeben sind, deren Poren ganz oder teilweise mit einem Harz gefüllt sind.
In der Offenlegungsschrift DE 102 50 478 A1 wird eine Brennstoffzelleneinheit beschrieben, welche ein Gasverteilerelement aufweist, das durch ein Gehäuse gasdicht umschlossen ist.
Demgemäß besteht ein Bedarf nach neuen und verbesserten Brennstoffzellen, die neue verbesserte bipolare Platten, Konstruktionen für Membranelektrodenanordnungen und/oder MEA/MPL-Ausgestaltungen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, einschließen, die die Korrosion von rostfreiem Stahl minimieren oder beseitigen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß den allgemeinen Lehren der vorliegenden Erfindung sind neue und verbesserte Membranelektrodenanordnungen für Brennstoffzellen, wie für PEM-Brennstoffzellensysteme, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, vorgesehen.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegenden Erfindung eine Brennstoffzelle mit: einer bipolaren Platte aus einem Metallmaterial, die einen Bereich mit stagnierender Strömung aufweist, wobei der Bereich mit stagnierender Strömung Gebiete außerhalb der Strömungsfeldkanäle des aktiven Bereichs umfasst, einer Diffusionsmediumschicht benachbart zu der bipolaren Platte, einer Membranschicht, zumindest einer Katalysatorschicht benachbart zu der Membranschicht, wobei sich die zumindest eine Katalysatorschicht benachbart zu der Diffusionsmediumschicht befindet und die zumindest eine Katalysatorschicht beabstandet von dem Bereich mit stagnierender Strömung angeordnet ist, und zumindest einer Membranschutzschicht benachbart zu der Membranschicht, wobei sich die zumindest eine Membranschutzschicht benachbart zu der Diffusionsmediumschicht befindet, wobei sich die zumindest eine Membranschutzschicht in der Nähe des Bereichs mit stagnierender Strömung befindet, wobei die zumindest eine Katalysatorschicht und die zumindest eine Membranschutzschicht beabstandet voneinander angeordnet sind, und wobei die zumindest eine Membranschutzschicht aus einem nicht protonenleitfähigen Material besteht.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegenden Erfindung eine Brennstoffzelle mit: einer bipolaren Platte aus einem Metallmaterial, die zumindest zwei Kanäle, wobei die Kanäle in der bipolaren Platte ausgebildet sind und durch die Kanäle ein Medium frei strömen kann, und zumindest zwei Stegbereiche aufweist, wobei ein Stegbereich zwischen den Kanälen angeordnet ist und ein anderer Stegbereich nach dem letzten Kanal angeordnet ist, und wobei die bipolare Platte im Wesentlichen frei von Bereichen mit stagnierender Strömung, welche während des Brennstoffzellenbetriebs keine kontinuierliche Strömung von reaktiven Gasen im aktiven Bereich der bipolaren Platte zulassen, ist, einer Diffusionsmediumschicht benachbart zu der bipolaren Platte, wobei ein Teil der Diffusionsmediumschicht den anderen Stegbereich überlappt, einer Membranschicht, zumindest einer Katalysatorschicht benachbart zu der Membranschicht, wobei sich die zumindest eine Katalysatorschicht benachbart zu der Diffusionsmediumschicht befindet und die zumindest eine Katalysatorschicht beabstandet von den Stegbereichen angeordnet ist, und zumindest einer Membranschutzschicht benachbart zu der Membranschicht, wobei sich die zumindest eine Membranschutzschicht benachbart zu der Diffusionsmediumschicht befindet und die Diffusionsmediumschicht in der Nähe des anderen Stegbereichs zumindest teilweise überlappt, wobei die zumindest eine Katalysatorschicht und die zumindest eine Membranschutzschicht beabstandet voneinander angeordnet sind.
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung und 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.
KURZE BESCHREIBUGN DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
1 eine schematische Darstellung der lokalen Elektrochemie, die über die MEA als Ergebnis einer Sauerstoff- und/oder Wasserstoffpermeation durch die Membran auftritt, gemäß dem Stand der Technik ist;
2 eine grafische Darstellung der Mengen an Peroxidbildung in der Anwesenheit von Carbon Black und Platin gemäß dem Stand der Technik ist;
3a eine schematische Darstellung eines ersten Typs von Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
3b eine schematische Darstellung eines nicht-erfindungsgemäßen zweiten Typs von Brennstoffzelle ist;
3c eine schematische Darstellung eines nicht-erfindungsgemäßen dritten Typs von Brennstoffzelle ist;
3d eine schematische Darstellung eines nicht-erfindungsgemäßen vierten Typs von Brennstoffzelle ist;
3e eine schematische Darstellung eines nicht-erfindungsgemäßen fünften Typs von Brennstoffzelle ist;
4a eine schematische Darstellung eines sechsten Typs von Brennstoffzelle gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
4b eine schematische Darstellung eines nicht-erfindungsgemäßen siebten Typs von Brennstoffzelle ist;
4c eine schematische Darstellung eines nicht-erfindungsgemäßen achten Typs von Brennstoffzelle ist; und
4d eine schematische Darstellung eines neunten Typs von Brennstoffzelle gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
Gemäß den allgemeinen Lehren der vorliegenden Erfindung sind Systeme und Verfahren vorgesehen, um das Auftreten und/oder den Grad einer Korrosion bipolarer Platten, insbesondere derjenigen bipolaren Platten, die aus rostfreiem Stahl bestehen, zu beseitigen oder zumindest zu reduzieren, wie auch die Beseitigung oder Verringerung der Oberflächenbeschichtungsdegradation (beispielsweise Metalloxide und/oder organische Beschichtungen (beispielsweise Siliziumoxid und/oder dergleichen)).
Anhand eines nicht beschränkenden Beispiels sollten alle Bereiche des aktiven Bereichs der MEA (d. h. Bereiche, die eine protonenleitende Membran, einen Pt/C-Katalysator, andere Brennstoffzellenelektrokatalysatoren, die in der Technik bekannt sind (beispielsweise Pt-Legierungen/C), und eine MPL enthalten) benachbarte Strömungsfeldkanäle sowohl an der Anoden- als auch der Kathodenseite besitzen, die eine aktiv getriebene Reaktandenströmung aufweisen, d. h. es dürfen keine stagnierenden Gebiete wie Grübchen (durch einige Konstruktionen bipolarer Platten erzeugt) oder extrabreite Stege (z. B. Strömungsfelder sind aus Stegen und Kanälen (wo das Gas strömt) aufgebaut, und am Umfang der MEA zwischen dem letzten Strömungsfeldkanal und der Umfangsdichtung der bipolaren Platte vorhanden sein (beispielsweise besitzen einige herkömmliche Konstruktionen sehr breite Stege, unter denen keine aktiv getriebene Gasströmung stattfindet) aufweisen. Die vorliegende Erfindung sieht dieses wichtige Konstruktionskriterium für metallische bipolare Platten vor, um Korrosion zumindest zu reduzieren oder zu beseitigen.
Wie vorher angemerkt wurde, tritt aufgrund der sehr stark sauren Beschaffenheit protonenleitender Polymere (pH-Werte von 0±1) eine beschleunigte Korrosion von rostfreiem Stahl auf, sobald protonenleitende Ionomere in direktem Kontakt mit der metallischen bipolaren Platte stehen. Demgemäß sieht die vorliegende Erfindung MEAs vor, die so ausgestaltet sind, dass das protonenleitende Polymer niemals in direktem Kontakt mit der metallischen bipolaren Platte steht, ungeachtet dessen, ob ein stagnierendes Strömungsgebiet vorhanden ist oder nicht. Dies kann dadurch erreicht werden, dass nicht protonenleitende Schutzfilme (beispielsweise Unterdichtungen) auf diese Gebiete aufgebracht werden. Diese Unterdichtungen besitzen bevorzugt auch eine reduzierte Permeabilität im Vergleich zu der protonenleitenden Membran. Mögliche Materialien umfassen ohne Beschränkung KAPTON^® (beispielsweise Polyimide), MYLAR^®, Polyethylennaphthalat, Ethylentetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid, Polyester, Polyamid, Copolyamid, Polyamidelastomer, Polyurethane, Polyurethanelastomer und beliebige andere nicht protonenleitende Filme oder Beschichtungen. Zusätzlich können die Unterdichtungen aus nicht korrosiven Metallmaterialien bestehen, wie Gold und/oder dergleichen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist entdeckt worden, dass, wenn die Menge an korrosiven Arten, die in bestimmten Gebieten einer metallischen bipolaren Platte vorhanden sind, variiert wurde, es bestimmt wurde, dass mehr oder weniger Metallkorrosion erhalten wurde. Unter Bezugnahme auf die erfindungsgemäße Ausführungsform gemäß der 3a und die nicht-erfindungsgemäßen Ausführungsformen gemäß den 3b–e werden verschiedene Brennstoffzellenkonstruktionen vorgestellt, die verschiedene alternative Unterdichtungsmaterialien und -konstruktionen für die Membranelektrodenanordnung (MEA), die unter anderem geometrische Anordnungen der Unterdichtung betreffen, umfassen, und die unter anderem eine Sauerstoffpermeation von der Kathoden- an die Anodenseite der Membrane reduzieren und/oder eine Wasserstoffpermeation von der Anoden- an die Kathodenseite der Membrane reduzieren und bevorzugt sowohl die Sauerstoff- als auch Wasserstoffpermeation reduzieren.
Zusätzlich zur Verwendung protonisch und nicht leitender Unterdichtungsmaterialien mit geringeren Sauerstoffpermeationsraten gegenüber ionomeren Unterdichtungen, die protonenleitend sind und hohe O₂-und/oder H₂-Permeationsraten besitzen, sieht die vorliegende Erfindung vor, dass die Beseitigung der mikroporösen Schicht (beispielsweise auf das Diffusionsmedium beschichtet) direkt unterhalb der permeablen Unterdichtungsmaterialien ebenfalls die Erzeugung korrosiver Arten reduziert.
Wenn die obigen MEA-Merkmale zusammen mit der Steuerung der Konzentration korrosiver Arten bei bestimmten geometrischen Merkmalen an der bipolaren Platte, wo eine Strömungsstagnierung auftreten kann, vereinigt werden, wird die Korrosion verringert. Ein anderer Vorteil von Änderungen in der MEA ist das Potential zur Beseitigung eines direkten Kontaktes zwischen der Oberfläche des Materials der bipolaren Platte und dem PFSA-Ionomermembranmaterial, von dem bestimmt wurde, dass es hohe Korrosionsraten an metallischen bipolaren Platten erzeugt.
Ausgehend von den obigen Mechanismen finden die folgenden Konstruktionsregeln Anwendung.
Eine Ausführungsform besteht darin, dass eine protonisch nicht leitende Unterdichtung mit Null/minimal O₂- und/oder H₂-Permeabilität in allen Gebieten mit stagnierender Strömung (beispielsweise Grübchengebiete, die in typischen gestanzten bzw. geprägten bipolaren Platten auftreten, Umfangsgebiete mit Gebieten mit breitem Steg und/oder dergleichen) aufgebracht wird. Ferner sollte das Diffusionsmedium in Gebieten mit stagnierender Strömung keine Kohlenstoffbeschichtung mit hoher Oberfläche (d. h. eine MPL) besitzen. Auf diese Weise kann keine elektrochemische Reduktion von O₂ nach H₂O₂ auftreten. Diese Ausführungsform ist insbesondere in 3a gezeigt, die bei Haltbarkeitstests eines kurzen Stapels bzw. Short-Stacks aus rostfreiem Stahl keine Korrosion von Platten aus rostfreiem Stahl aufwies.
Angesichts dessen umfasst die Brennstoffzelle 10 eine bipolare Platte 12 aus einem Metall (wie rostfreiem Stahl) mit einem Gebiet mit stagnierender Strömung 14.
Ein frei strömender Kanal 16 ist benachbart des Gebietes mit stagnierender Strömung vorgesehen. Die geometrische Anordnung des Unterdichtungsrandes 17 ist vorteilhaft, wenn der Unterdichtungsrand 17 zwischen dem Rand 18 des aktiven Strömungsfeldes und dem Rand 19 des stagnierenden Gebietes liegt. Ein breiter Steg wird hier als eine beliebige Distanz zwischen einem Rand 18 einer aktiven Strömung und einem Rand 19 eines stagnierenden Gebietes definiert, vorausgesetzt, dass sie größer als eine Hälfte der Breite des Steges in dem Strömungsfeld ist. Es ist bevorzugt, dass der Unterdichtungsrand 17 zwischen dem Rand 19 des stagnierenden Gebietes und dem Rand 18 des aktiven Strömungsfeldes liegt, jedoch nicht mehr als eine Hälfte einer Stegbreite weg von dem Rand 18 des aktiven Strömungsfeldes liegt. Es ist bevorzugt, wenn der Unterdichtungsrand 17 bis zu dem Rand 18 des aktiven Strömungsfeldes reicht. Dies findet genauso auch Anwendung auf einige der anderen Ausführungsformen.
Eine Diffusionsmediumkomponente 20 befindet sich benachbart zu der bipolaren Platte 12. Eine Membran 22 ist zwischen einem Paar von Katalysatorschichten 24 bzw. 26 angeordnet, wobei eine Katalysatorschicht 24 benachbart zu der Diffusionsmediumkomponente 20 angeordnet ist. Die Katalysatorschichten 24 bzw. 26 sind von dem Grübchenbereich 14 weg beabstandet. Ein Paar Unterdichtungsschichten 28 bzw. 30 ist um die Membran 22 in der Nähe des Grübchenbereichs 14 angeordnet. Das Unterdichtungsmaterial kann aus einem beliebigen Typ von protonisch nicht leitenden Materialien bestehen. Diesbezüglich besteht die Unterdichtung aus dem ”PEN”-Typ (d. h. Polyethylennaphthalat); es sei jedoch angemerkt, dass die Unterdichtung aus beliebigen geeigneten Polymermaterialien bestehen kann, wie vorher beschrieben wurde.
Es sei angemerkt, dass die Unterdichtung aus einer diskreten Schicht, einem Film, einer Beschichtung und/oder dergleichen bestehen kann. Ein Haftmaterial kann verwendet werden, um eine Anhaftung an beliebige benachbarte Schichten und/oder Materialien (beispielsweise die Membran, die DM und/oder dergleichen) zu unterstützen.
Wenn beispielsweise eine NAFION^®-PFSA-Membran, wie N 112^® als die Membran verwendet wird, sollte die nicht protonenleitende Unterdichtung mit reduzierter Permeabilität oder der nicht protonenleitende Film mit reduzierter Permeabilität oder die nicht protonenleitende Beschichtung mit reduzierter Permeabilität eine Permeabilität von Sauerstoff von weniger als 0,56664 mm³ × mm/(mm² × h × Pa) [3500 cm³-mil/(100 Zoll²-24 h-atm)] bei 25°C/100% RF[77°F/100% RF] besitzen. Bevorzugt sollte die Unterdichtung/der Film/die Beschichtung mit reduzierter Permeabilität eine Sauerstoffpermeabilität von weniger als oder gleich 0,03238 mm³ × mm/(mm² × h × Pa)[200 cm³-mil/(100 Zoll²-24 h-atm)] bei 25°C/100% RF [77°F/100% RF] besitzen. Ein bevorzugtes Material, um eine derartige Permeabilität zu erreichen, ist beispielsweise Ethylentetrafluorethylen (ETFE), das eine Sauerstoffpermeabilität von 0,029789 mm³ × mm/(mm² × h × Pa) [184 cm³-mil/(100 Zoll²-24 h-atm)] bei 25°C/100% RF [77°F/100% RF] besitzt. Am bevorzugtesten sollte die Unterdichtung/der Film/die Beschichtung mit reduzierter Permeabilität eine Sauerstoffpermeabilität von weniger als oder gleich 0,00405 mm³ × mm/(mm² × h × Pa) [25 cm³-mil/(100 Zoll²-24 h-atm)] bei 25°C/100% RF [77°F/100% RF] besitzen. Geeignete Materialien, die die bevorzugteste Sauerstoffpermeabilität erreichen, sind anhand eines nicht beschränkenden Beispiels Polyimid (vertrieben mit der Handelsbezeichnung KAPTON^®: 0,00405 mm³ × mm/(mm² × h × Pa) [25 cm³-mil/(100 Zoll²-24 h-atm)] bei 25°C/100% RF [77°F/100% RF], Polyvinylidenfluorid (PVDF:
0,00055 mm³ × mm/(mm² × h × Pa) [3,4 cm³-mil/(100 Zoll²-24 h-atm) bei 25°C/100% RF [77°F/100% RF]) und/oder dergleichen.
Die Permeabilität von Wasserstoff in der Unterdichtung/dem Film/der Beschichtung mit reduzierter Permeabilität sollte kleiner als 1,1 × 10↑–11↑ ml(STP) × cm_dick/(s × cm ² × Pa) [1,5 × 10^–8 ml(STP)-cm_dick/(s-cm²-cm_Hg)] bei 80°C, 270 kPa, 100% RF; bevorzugt
kleiner als oder gleich 7,5 × 10↑–13↑ ml(STP) × cm_dick/(s × cm² × Pa) [1 ×10^–9 ml(STP)-cm_dick/(s-cm²-cm_Hg)] bei 80°C, 270 kPa, 100% RF; und am bevorzugtesten kleiner als oder gleich 3,75 × 10↑–13↑ ml(STP) × cm_dick/(s × cm² × Pa) [5 × 10^–10 ml(STP)-cm_dick/(s-cm²-cm_Hg)] bei 80°C, 270 kPa, 100% RF sein. Geeignete Materialien, um die obigen Wasserstoffpermeabilitäten zu erreichen, umfassen ohne Beschränkung KAPTON^® [3,5 × 10↑–13↑ ml(STP) × cm_dick/(s × cm² × Pa) (4,7 × 10^–10 ml(STP)-cm_dick/(s-cm²-cm_Hg)] bei 80°C, 270 kPa, 100% RF) und Polyethylennaphthalat (PEN, 1,5 × 10↑–13↑ ml(STP) × cm_dick/(s × cm² × Pa) [2 × 10^–10 ml(STP)-cm_dick/(s-cm²-cm_Hg)] bei 80°C, 270 kPa, 100% RF).
Eine Variation dieser Ausführungsform umfasst eine MEA-Randkonstruktionsausgestaltung mit einer nicht protonenleitenden Unterdichtung/einem nicht protonenleitenden Film/einer nicht protonenleitenden Beschichtung, die dennoch Sauerstoff- und Wasserstoffpermeabilitäten ähnlich der protonenleitenden Membran besitzen kann. Da diese Unterdichtung/dieser Film/diese Beschichtung keine Protonen vorsieht, die für die elektrochemische Reaktion von Übergangssauerstoff an der Anodenseite in H₂O₂ erforderlich sind, trägt sie in einem großen Ausmaß zu einer Verringerung der Korrosion von metallischen bipolaren Platten bei.
Wenn die obige protonisch nicht leitende Unterdichtung nicht in Gebieten mit stagnierender Strömung verwendet werden kann, kann eine Korrosion bipolarer Platten aus rostfreiem Stahl reduziert werden, wenn das Diffusionsmedium in diesen Gebieten keine MPL und keinen Pt/C-Katalysator aufweist. Dies wäre der Fall, wenn eine ionomere Unterdichtung verwendet wird und die Katalysatorschicht und die MPL von Gebieten mit stagnierender Strömung zurückgezogen werden, wie genauer in der nicht-erfindungsgemäßen Ausführungsform gemäß der 3b gezeigt ist. Diese Option zeigte eine minimale Korrosion in einer Prüfung kurzer Stapel bzw. Short-Stacks eines Tests bipolarer Platten aus rostfreiem Stahl.
Angesichts dessen umfasst die Brennstoffzelle 100 ein elektrisch leitendes Element wie eine bipolare Platte 102, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein (z. B. ein Metall wie rostfreier Stahl, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein) mit einem Grübchenbereich 104, der einem Gebiet mit stagnierender Strömung entspricht. Ein frei strömender Kanal 106 ist benachbart des Gebietes mit stagnierender Strömung vorgesehen. Diese Ausführungsform enthält auch einen Unterdichtungsrand 107, einen Rand 108 eines aktiven Strömungsfeldes und einen Rand 109 eines stagnierenden Gebiets. Eine Diffusionsmediumkomponente 110 befindet sich benachbart der bipolaren Platte 102. Eine Membran 112 ist zwischen einem Paar von Katalysatorschichten 114 bzw. 116 angeordnet, wobei die Katalysatorschicht 114 sich benachbart der Diffusionsmediumkomponente 110 befindet. Die Katalysatorschichten 114 bzw. 116 sind von dem Grübchenbereich 104 beabstandet. Ein Paar Unterdichtungsschichten 118 bzw. 120 ist um die Membran 112 herum in der Nähe zu dem Grübchenbereich 104 angeordnet. Diesbezüglich besteht die Unterdichtung aus Materialien vom Ionomertyp.
Wenn keine der obigen beiden Konstruktionsoptionen verwendet werden kann, sollte eine MPL über Gebieten mit stagnierender Strömung zumindest vermieden werden, wie genauer in der nicht-erfindungsgemäßen Ausführungsform gemäß der 3c gezeigt ist.
Diesbezüglich enthält die Brennstoffzelle 200 ein elektrisch leitendes Element, wie eine bipolare Platte 202, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein (z. B. ein Metall, wie rostfreier Stahl, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein) mit einem Grübchenbereich 204, der einem Gebiet mit stagnierender Strömung entspricht. Ein frei strömender Kanal 206 ist benachbart zu dem Gebiet mit stagnierender Strömung vorgesehen. Eine Diffusionsmediumkomponente 208 befindet sich benachbart der bipolaren Platte 202, Eine Membran 210 ist zwischen einem Paar von Katalysatorschichten 212 bzw. 214 angeordnet, wobei sich die Katalysatorschicht 212 benachbart der Diffusionsmediumkomponente 208 befindet. Die Katalysatorschichten 212 bzw. 214 befinden sich in der Nähe zu dem Grübchenbereich 204.
Zusätzlich führt, wenn die MPL in Kontakt mit einer ionomeren Membran oder Unterdichtung über Gebieten mit stagnierender Strömung (wie beispielsweise in der nicht-erfindungsgemäßen Ausführungsform gemäß der 3d genauer gezeigt ist) steht, dies zu einer bedeutenden Korrosion von bipolaren Platten aus rostfreiem Stahl und sollte ebenfalls vermieden werden.
Diesbezüglich enthält die Brennstoffzelle 300 ein elektrisch leitendes Element wie eine bipolare Platte 302, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein (z. B. ein Metall, wie rostfreier Stahl, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein) mit einem Grübchenbereich 304, der einem Gebiet mit stagnierender Strömung entspricht. Ein frei strömender Kanal 306 ist benachbart des Gebietes mit stagnierender Strömung vorgesehen. Diese Ausführungsform enthält auch einen Unterdichtungsrand 307, einen Rand 308 des aktiven Strömungsfelds und einen Rand 309 des stagnierenden Gebiets. Eine Diffusionsmediumkomponente 310 ist benachbart der bipolaren Platte 302 angeordnet. Eine Membran 312 ist zwischen einem Paar von Katalysatorschichten 314 bzw. 316 angeordnet, wobei sich die Katalysatorschicht 314 benachbart der Diffusionsmediumkomponente 310 befindet. Die Katalysatorschichten 314 bzw. 316 sind von dem Grübchenbereich 304 beabstandet. Ein Paar von Unterdichtungsschichten 318 bzw. 320 ist um die Membran 312 in der Nähe zu dem Grübchenbereich 304 angeordnet. Zusätzlich ist eine MPL 322 zwischen der Diffusionsmediumkomponente 310 und der Katalysatorschicht 314/Unterdichtungsschicht 318 angeordnet. Diesbezüglich besteht die Unterdichtung aus Materialien vom Ionomertyp.
Ferner führt die Anwesenheit von Pt/C-Katalysator zwischen der Membran und einer MPL über Gebiete mit stagnierender Strömung (wie genauer in der nicht-erfindungsgemäßen Ausführungsform gemäß der 3e gezeigt ist) immer noch zu einer erheblichen Korrosion, obwohl sie geringfügig besser ist, als in dem Fall ohne Verwendung des Pt/C-Katalysators.
Diesbezüglich enthält die Brennstoffzelle 400 ein elektrisch leitendes Element, wie eine bipolare Platte 402, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein (z. B. ein Metall, wie rostfreier Stahl, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein) mit einem Grübchenbereich 404, der einem Gebiet mit stagnierender Strömung entspricht. Ein frei strömender Kanal 406 ist benachbart des Gebietes mit stagnierender Strömung vorgesehen. Eine Diffusionsmediumkomponente 408 ist benachbart der bipolaren Platte 402 angeordnet. Eine Membran 410 ist zwischen einem Paar von Katalysatorschichten 412 bzw. 414 angeordnet, wobei sich die Katalysatorschicht 412 benachbart der Diffusionsmediumkomponente 408 befindet. Die Katalysatorschichten 412 bzw. 414 befinden sich in der Nähe zu dem Grübchenbereich 404. Zusätzlich ist eine MPL 416 zwischen der Diffusionsmediumkomponente 408 und der Katalysatorschicht 412 angeordnet.
Zusammengefasst sollten die Gebiete mit stagnierender Strömung entweder frei von Übergangs-O₂ mittels der Verwendung einer undurchlässigen Unterdichtung sein oder sollten keine Substanz aufweisen, die eine H₂O₂-Bildung aus O₂ katalysiert (beispielsweise Kohlenstoff mit hoher Oberfläche), HF aus entweder einer O₂- und/oder H₂-Permeation erzeugt oder sollte eine Unterdichtung besitzen, die protonisch nicht leitend ist. Dies erfolgt auf Grundlage des Grundsatzes, dass die H₂O₂-Bildungsreaktion von O₂ an der Anode (d. h. bei niedrigen Elektrodenpotentialen von 0–0,2 V gegenüber dem reversiblen Wasserstoffreferenzpotential) als O₂ + 2H + 2e → H₂O₂ ausgedrückt werden kann (wie in 1 gezeigt ist). Zusätzlich kann die O₂-Permeation an die Anodenseite HF über die folgende Reaktion erzeugen: (O₂ + H₂ → HF) (wie in 1 gezeigt ist). Ferner kann die H₂-Permeation an die Kathodenseite ebenfalls HF über die folgende Reaktion erzeugen: (O₂ + H₂ → HF) (wie in 1 gezeigt ist). Die vorliegende Erfindung beseitigt oder reduziert zumindest die Bildung dieser korrosiven Arten.
Diese Reaktion zeigt, dass H₂/O₂ nur gebildet werden kann, wenn O₂ und H⁺ gleichzeitig an einer katalytisch aktiven Oberfläche (beispielsweise Kohlenstoff mit hoher Oberfläche) verfügbar sind. Wenn die Unterdichtungen entweder eine O₂-Permeation und/oder H⁺-Leitung verhindern oder wenn katalytisch aktive Substanzen von Gebieten mit stagnierender Strömung (beispielsweise eine MPL oder in einem geringeren Grad Pt/C) weggelassen werden, kann kein H₂O₂ gebildet werden, und es wird keine oder wenig Korrosion von rostfreiem Stahl beobachtet.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird, wenn bipolare Platten ohne die Anwesenheit von Merkmalen konstruiert sind, die eine Stagnierung von Produktwasser und/oder anderen Reaktionsprodukten aus einem normalen Brennstoffzellenbetrieb zulassen, dann die Korrosion der bipolaren Platte verringert oder beseitigt. Wenn derartige Merkmale für den Brennstoffzellenbetrieb notwendig sind, dann sollten ihre Anordnungen, beispielsweise bezüglich der Unterdichtung, mikroporöser Schichten und dem MEA-Katalysator, eine gleichzeitige Anordnung entweder von Platinkatalysator oder einem Unterdichtungsmaterial, das eine geringe Permeation gegenüber Sauerstoff und/oder Wasserstoff besitzt, zulassen, was die Bildung von Peroxid und/oder HF begrenzt. Zusätzlich wird auch die Korrosion der Beschichtungen beseitigt und/oder reduziert. Die verschiedenen Komponenten dieser Typen von Brennstoffzellen können aus Materialien bestehen, wie vorher hier beschrieben wurde. Ferner können die Charakteristiken und die Leistungsfähigkeit dieser Komponenten gegenüber denjenigen Komponenten, die vorher hier beschrieben wurden, ähnlich oder identisch sein. Ein Beispiel dieses besonderen Aspekts der vorliegenden Erfindung ist in 4a gezeigt.
Diesbezüglich enthält die Brennstoffzelle 500 eine bipolare Platte 502 aus einem Metall (wie rostfreiem Stahl) mit einem Strömungsfeld 504 des aktiven Bereiches. Das Strömungsfeld enthält zumindest zwei frei strömende Kanäle 506 bzw. 508, die einen Stegbereich 510 aufweisen, der dazwischen angeordnet ist. Ein anderer Stegbereich 512 ist nach dem letzten frei strömenden Kanal 508 angeordnet. Die Breite/Länge/Distanz des Stegbereichs 512 sollte kleiner als und bevorzugt nicht größer als eine Hälfte der Breite/Länge/Distanz des letzten frei strömenden Kanals 508 sein. Bevorzugt sollte die Breite/Länge/Distanz des Stegbereichs 512 sich Null annähern. Die Begriffe ”Breite”, ”Länge” und ”Distanz”, die hier gegenseitig austauschbar verwendet werden, bedeuten, dass jeglicher relative Vergleich der Abmessungen ungeachtet der Richtung oder Orientierung von einem Punkt zu einem zweiten beabstandeten Punkt eingeschlossen ist.
Eine Diffusionsmediumkomponente 514 ist benachbart der bipolaren Platte 502 angeordnet. Eine Membran 516 ist zwischen einem Paar von Katalysatorschichten 518 bzw. 520 angeordnet, wobei sich die Katalysatorschicht 518 benachbart der Diffusionsmediumkomponente 514 befindet. Die Katalysatorschichten 518 bzw. 520 sind über dem Strömungsfeld 504 des aktiven Bereiches angeordnet. Ein Paar von Unterdichtungsschichten 522 bzw. 524 ist um die Membran 516 in der Nähe des Stegbereichs 512 angeordnet. Das Unterdichtungsmaterial kann aus einem beliebigen Typ protonisch nicht leitender Materialien bestehen, wie vorher beschrieben wurde. Es ist auch ein optionales Dichtungselement 526 gezeigt.
Die geometrische Anordnung des Unterdichtungsrandes 528 ist vorteilhaft, wenn der Unterdichtungsrand 528 zwischen dem Rand des letzten frei strömenden Kanals 508 und dem Stegbereich 512 liegt.
Ein Beispiel gemäß einem weiteren Aspekt ist in der nicht-erfindungsgemäßen Ausführungsform gemäß der 4b gezeigt.
Diesbezüglich enthält die Brennstoffzelle 600 ein elektrisch leitendes Element, wie eine bipolare Platte 602, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein (z. B. ein Metall, wie rostfreier Stahl, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein) mit einem Strömungsfeld 604 eines aktiven Bereichs. Das Strömungsfeld enthält zumindest zwei frei strömende Kanäle 606 bzw. 608, die einen Stegbereich 610 aufweisen, der dazwischen angeordnet ist. Ein anderer Stegbereich 612 ist nach dem letzten frei strömenden Kanal 608 angeordnet. Die Breite/Länge/Distanz des Stegbereichs 612 sollte kleiner als und bevorzugt nicht größer als eine Hälfte der Breite/Länge/Distanz des letzten frei strömenden Kanals 608 sein. Bevorzugt sollte sich die Breite/Länge/Distanz des Stegbereichs 612 Null annähern.
Eine Diffusionsmediumkomponente 614 ist benachbart der bipolaren Platte 602 angeordnet. Eine Membran 616 ist zwischen einem Paar von Katalysatorschichten 618 bzw. 620 angeordnet, wobei sich die Katalysatorschicht 618 benachbart der Diffusionsmediumkomponente 614 befindet. Die Katalysatorschichten 618 bzw. 620 sind über dem Strömungsfeld 604 des aktiven Bereiches angeordnet. Ein Paar von Unterdichtungsschichten 622 bzw. 624 ist um die Membran 616 in der Nähe zu einem Randabschnitt des Stegbereichs 612 angeordnet, d. h. keine der Unterdichtungsschichten 622 bzw. 624 überlappt den Bereich, der dem Stegbereich 612 entspricht. Das Unterdichtungsmaterial kann aus einem beliebigen Typ von protonisch nicht leitenden Materialien bestehen, wie vorher beschrieben wurde. Es ist auch ein optionales Dichtungselement 626 gezeigt.
Die geometrische Anordnung des Unterdichtungsrandes 628 ist vorteilhaft, wenn der Unterdichtungsrand 628 außerhalb des Randabschnitts des Stegbereichs 612 liegt.
Ein weiteres Beispiel dieses besonderen Aspekts ist in der nicht-erfindungsgemäßen Ausführungsform gemäß der 4c gezeigt. Jedoch kann dadurch, dass die MPL sich nahe oder in Kontakt mit einer ionomeren Membran oder Unterdichtung befindet, dies zu einer bedeutenden Korrosion bipolarer Platten aus rostfreiem Stahl führen und sollte vermieden werden.
Diesbezüglich enthält die Brennstoffzelle 700 ein elektrisch leitendes Element, wie eine bipolare Platte 702, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein (z. B. ein Metall, wie rostfreier Stahl, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein) mit einem Strömungsfeld 704 eines aktiven Bereiches. Das Strömungsfeld enthält zumindest zwei frei strömende Kanäle 706 bzw. 708 mit einem Stegbereich 710, der dazwischen angeordnet ist. Ein anderer Stegbereich 712 ist nach dem letzten frei strömenden Kanal 708 angeordnet. Die Breite/Länge/Distanz des Stegbereichs 712 sollte kleiner als und bevorzugt nicht größer als eine Hälfte der Breite/Länge/Distanz des letzten frei strömenden Kanals 708 sein. Bevorzugter sollte sich die Breite/Länge/Distanz des Stegbereichs 712 Null annähern.
Eine Diffusionsmediumkomponente 714 befindet sich benachbart der bipolaren Platte 702. Eine Membran 716 ist zwischen einem Paar von Katalysatorschichten 718 bzw. 720 angeordnet, wobei die Katalysatorschicht 718 sich benachbart der Diffusionsmediumkomponente 714 befindet. Die Katalysatorschichten 718 bzw. 720 sind über dem Strömungsfeld 704 des aktiven Bereiches wie auch dem Stegbereich 712 angeordnet. Zusätzlich ist eine MPL 722 zwischen der Diffusionsmediumkomponente 714 und der Katalysatorschicht 718 angeordnet. Ein Paar Unterdichtungsschichten 724 bzw. 726 ist um die Membran 716 in der Nähe zu einem Randabschnitt des Stegbereichs 712 angeordnet, d. h. keine der Unterdichtungsschichten 724 bzw. 726 überlappt den Bereich der dem Stegbereich 712 entspricht. Das Unterdichtungsmaterial kann aus einem beliebigen Typ von protonisch nicht leitenden Materialien bestehen, wie vorher beschrieben wurde. Es ist auch ein optionales Dichtungselement 728 gezeigt.
Die geometrische Anordnung des Unterdichtungsrandes 730 ist vorteilhaft, wenn der Unterdichtungsrand 730 zumindest teilweise in dem Stegbereich 712 liegt und zumindest teilweise die MPL 722 überlappt.
Ein Beispiel einer anderen Ausführungsform dieses besonderen Aspekts der vorliegenden Erfindung ist in der nicht-erfindungsgemäßen Ausführungsform gemäß der 4d gezeigt. Jedoch kann, wenn die MPL in Kontakt mit einer ionomeren Membran oder Unterdichtung steht, dies zu einer bedeutenden Korrosion bipolarer Platten aus rostfreiem Stahl führen und sollte vermieden werden.
Diesbezüglich enthält die Brennstoffzelle 800 eine bipolare Platte 802 aus einem Metall (wie rostfreiem Stahl) mit einem Strömungsfeld 804 des aktiven Bereiches. Das Strömungsfeld umfasst zumindest zwei frei strömende Kanäle 806 bzw. 808 mit einem Stegbereich 810, der dazwischen angeordnet ist. Ein anderer Stegbereich 812 ist nach dem letzten frei strömenden Kanal 808 angeordnet. Die Breite/Länge/Distanz des Stegbereichs 812 sollte kleiner als und bevorzugt nicht größer als eine Hälfte der Breite/Länge/Distanz des letzten frei strömenden Kanals 808 sein. Bevorzugter sollte sich die Breite/Länge/Distanz des Stegbereichs 812 Null annähern.
Eine Diffusionsmediumkomponente 814 befindet sich benachbart der bipolaren Platte 802. Eine Membran 816 ist zwischen einem Paar von Katalysatorschichten 818 bzw. 820 angeordnet, wobei sich die Katalysatorschicht 818 benachbart der Diffusionsmediumkomponente 814 befindet. Die Katalysatorschichten 818 bzw. 820 sind über dem Strömungsfeld 804 des aktiven Bereichs wie auch dem Stegbereich 812 angeordnet. Zusätzlich ist eine MPL 822 zwischen der Diffusionsmediumkomponente 814 und der Katalysatorschicht 818 angeordnet. Ein Paar von Unterdichtungsschichten 824 bzw. 826 ist um die Membran 816 in der Nähe des Stegbereichs 812 angeordnet, d. h. die Unterdichtungsschichten 824 bzw. 826 überlappen die MPL 822 und stehen mit dieser in Kontakt. Das Unterdichtungsmaterial kann aus einem beliebigen Typ protonisch nicht leitender Materialien bestehen, wie vorher beschrieben wurde. Es ist auch ein optionales Dichtungselement 828 gezeigt.
Die geometrische Anordnung des Unterdichtungsrandes 830 ist vorteilhaft, wenn der Unterdichtungsrand 830 zumindest teilweise innerhalb des Stegbereiches 812 liegt und zumindest teilweise die MPL 822 überlappt.
Es sei angemerkt, dass beliebige der Merkmale und Eigenschaften der verschiedenen vorher beschriebenen Ausführungsformen in einer Vielzahl von Kombinationen in Verbindung miteinander verwendet werden können.

Claims

Brennstoffzelle (10) mit: einer bipolaren Platte (12) aus einem Metallmaterial, die einen Bereich mit stagnierender Strömung (14) aufweist, wobei der Bereich mit stagnierender Strömung (14) Gebiete außerhalb der Strömungsfeldkanäle des aktiven Bereichs umfasst, einer Diffusionsmediumschicht (20) benachbart zu der bipolaren Platte (12), einer Membranschicht (22), zumindest einer Katalysatorschicht (24) benachbart zu der Membranschicht (22), wobei sich die zumindest eine Katalysatorschicht (24) benachbart zu der Diffusionsmediumschicht (20) befindet und die zumindest eine Katalysatorschicht (24) beabstandet von dem Bereich mit stagnierender Strömung (14) angeordnet ist, und zumindest einer Membranschutzschicht (30) benachbart zu der Membranschicht (22), wobei sich die zumindest eine Membranschutzschicht (30) benachbart zu der Diffusionsmediumschicht (20) befindet, wobei sich die zumindest eine Membranschutzschicht (30) in der Nähe des Bereichs mit stagnierender Strömung (14) befindet, wobei die zumindest eine Katalysatorschicht (24) und die zumindest eine Membranschutzschicht (30) beabstandet voneinander angeordnet sind, und wobei die zumindest eine Membranschutzschicht (30) aus einem nicht protonenleitfähigen Material besteht.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 1, wobei der Bereich mit stagnierender Strömung (14) einen Bereich umfasst, der aus einem breiten Steg an dem Umfang einer Membranelektrodenanordnung besteht.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 1, wobei die zumindest eine Membranschutzschicht (30) aus einem Material besteht, welches aus der Gruppe bestehend aus Polyimiden, Polyethylennaphthalat, Ethylentetrafluorethylen, Polyvinylidenfluoriden, Polyestern, Copolyamiden, Polyamidelastomeren, Polyurethanen, Polyurethanelastomeren, Gold und beliebigen Mischungen von zwei oder mehr der vorgenannten Verbindungen ausgewählt ist.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 1, wobei die bipolare Platte (12) aus rostfreiem Stahl besteht.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 1, welche ein Paar von Katalysatorschichten (24, 26) aufweist.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 1, welche ein Paar von Membranschutzschichten (28, 30) aufweist.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 1, welche ferner eine mikroporöse Schicht aufweist, die zwischen der Diffusionsmediumschicht (20) und zumindest einer der Katalysatorschicht (24) und der Membranschutzschicht (30) angeordnet ist.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 1, wobei die bipolare Platte (12) mit der Membranschicht (22) nicht in Kontakt steht.
Brennstoffzelle (500; 800), mit: einer bipolaren Platte (502; 802) aus einem Metallmaterial, die zumindest zwei Kanäle (506; 508; 806; 808), wobei die Kanäle (506; 508; 806; 808) in der bipolaren Platte (502; 802) ausgebildet sind und durch die Kanäle (506; 508; 806; 808) ein Medium frei strömen kann, und zumindest zwei Stegbereiche (510; 512; 810; 812) aufweist, wobei ein Stegbereich (510; 810) zwischen den Kanälen (506; 508; 806; 808) angeordnet ist und ein anderer Stegbereich (512; 812) nach dem letzten Kanal (508; 808) angeordnet ist, und wobei die bipolare Platte (502; 802) im Wesentlichen frei von Bereichen mit stagnierender Strömung, welche während des Brennstoffzellenbetriebs keine kontinuierliche Strömung von reaktiven Gasen im aktiven Bereich der bipolaren Platte zulassen, ist, einer Diffusionsmediumschicht (514; 814) benachbart zu der bipolaren Platte (502; 802), wobei ein Teil der Diffusionsmediumschicht (514; 814) den anderen Stegbereich (512; 812) überlappt, einer Membranschicht (516; 816), zumindest einer Katalysatorschicht (518; 818) benachbart zu der Membranschicht (516; 816), wobei sich die zumindest eine Katalysatorschicht (518; 818) benachbart zu der Diffusionsmediumschicht (514; 814) befindet und die zumindest eine Katalysatorschicht (518; 818) beabstandet von den Stegbereichen (510; 512; 810; 812) angeordnet ist, und zumindest einer Membranschutzschicht (522; 824) benachbart zu der Membranschicht (516; 816), wobei sich die zumindest eine Membranschutzschicht (522; 824) benachbart zu der Diffusionsmediumschicht (514; 814) befindet und die Diffusionsmediumschicht (514; 814) in der Nähe des anderen Stegbereichs (512; 812) zumindest teilweise überlappt, wobei die zumindest eine Katalysatorschicht (518; 818) und die zumindest eine Membranschutzschicht (522; 824) beabstandet voneinander angeordnet sind.
Brennstoffzelle (500; 800) nach Anspruch 9, wobei die bipolare Platte (502; 802) aus rostfreiem Stahl besteht.
Brennstoffzelle (500; 800) nach Anspruch 9, wobei die zumindest eine Membranschutzschicht (522; 824) aus einem nicht leitenden Material, besteht.
Brennstoffzelle (500; 800) nach Anspruch 11, wobei die zumindest eine Membranschutzschicht (522; 824) aus einem protonisch nicht leitenden Material besteht.
Brennstoffzelle (500; 800) nach Anspruch 9, wobei die zumindest eine Membranschutzschicht (522; 824) aus einem Material besteht, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Polymermaterial, einem nicht korrosiven Metallmaterial und deren Kombinationen besteht.
Brennstoffzelle (500; 800) nach Anspruch 9, welche ein Paar von Katalysatorschichten (518; 520; 818; 820) aufweist.
Brennstoffzelle (500; 800) nach Anspruch 9, welche ein Paar von Membranschutzschichten (522; 524; 824; 826) aufweist.
Brennstoffzelle (800) nach Anspruch 9, welche zudem eine mikroporöse Schicht (822) aufweist, die zwischen der Diffusionsmediumschicht (814) und zumindest einer der Katalysatorschicht (818) und der Membranschutzschicht (824) angeordnet ist.
Brennstoffzelle (500; 800) nach Anspruch 9, wobei die bipolare Platte (502; 802) mit der Membranschicht (516; 816) nicht in Kontakt steht.