DE102007034238B4

DE102007034238B4 - Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102007034238B4
Application number: DE102007034238.3A
Authority: DE
Inventors: Eric L. Thompson; Gerald W. Fly
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-07-25
Filing date: 2007-07-23
Publication date: 2018-02-22
Anticipated expiration: 2027-07-24
Also published as: US7569299B2; DE102007034238A1; US20080026280A1

Abstract

Brennstoffzelle (10), mit:
einem ersten und zweiten Bipolarplattenelement (20, 22), die beabstandet sind und einander gegenüberliegen;
einem ersten und zweiten Diffusionsmediumelement (24, 26), die beabstandet sind, einander gegenüberliegen und zwischen dem ersten und zweiten Bipolarplattenelement (20, 22) angeordnet sind;
einem Membranelektrodenanordnungselement (28), das zwischen dem ersten und zweiten Diffusionsmediumelement (24, 26) angeordnet ist;
einem ersten Abdichtelement (14) in einer inneren Position relativ zu dem ersten und zweiten Bipolarplattenelement (20, 22); und
einem zweiten Abdichtelement (16) benachbart dem ersten Abdichtelement (14), wobei das zweite Abdichtelement (16) in einer äußeren Position relativ zu dem ersten und zweiten Bipolarplattenelement (20, 22) angeordnet ist;
dadurch gekennzeichnet, dass
das erste Abdichtelement (14) aus einem Material besteht, das aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Ethylen-Propylen-Dien-Monomer, Kautschuk, Fluorelastomere und Kombinationen daraus; und dass
das zweite Abdichtelement (16) aus einem Silikonmaterial besteht.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 7, wie sie beispielsweise aus der US 6,692,860 B2 bekannt geworden ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Brennstoffzellen sind bei vielen Anwendungen als eine Energiequelle verwendet worden. Beispielsweise sind Brennstoffzellen zur Verwendung in elektrischen Fahrzeugantriebsanlagen als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen worden. Bei Brennstoffzellen vom Protonenaustauschmembran-(PEM)-Typ wird Wasserstoff an die Anode der Brennstoffzelle geliefert und Sauerstoff als das Oxidationsmittel an die Kathode geliefert. PEM-Brennstoffzellen umfassen eine Membranelektrodenanordnung (MEA) mit einer dünnen protonendurchlässigen, nicht elektrisch leitenden Festpolymerelektrolytmembran, die auf einer ihrer Seiten den Anodenkatalysator und auf der entgegengesetzten Seite den Kathodenkatalysator 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 oder flüssiges Wasser von der Elektrode an Strömungsfeldkanäle entfernen; (4) zur Wärmeabweisung wärmeleitend sind; und (5) eine mechanische Festigkeit besitzen. Der Begriff ”Brennstoffzelle” wird typischerweise dazu verwendet, abhängig vom Kontext entweder eine einzelne Zelle oder eine Vielzahl von Zellen (beispielsweise einen Stapel) zu bezeichnen. Üblicherweise wird eine Vielzahl einzelner Zellen miteinander gebündelt, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden, und werden gemeinsam in Reihe angeordnet. 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 Festpolymerelektrolyte bestehen typischerweise aus Ionentauscherharzen, wie perfluorierter Sulfonsäure. Die Anode/Kathode umfasst 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 für einen effektiven Betrieb bestimmte Bedingungen, die ein richtiges Wassermanagement wie auch eine richtige Befeuchtung sowie eine Steuerung katalysatorschädigender Bestandteile, wie Kohlenmonoxid (CO), umfassen.
Beispiele der Technologie in Verbindung mit Brennstoffzellensystemen vom PEM-Typ und anderen damit in Verbindung stehenden Typen können unter Bezugnahme auf die folgenden Druckschriften gefunden werden: US 3,985,578 A ; US 5,272,017 A ; US 5,624,769 A ; US 5,776,624 A ; US 6,103,409 A ; US 6,277,513 B1 ; US 6,350,539 B1 ; US 6,372,376 B1 ; US 6,376,111 B1 ; US 6,521,381 B1 ; US 6,524,736 B1 ; US 6,528,191 B1 ; US 6,566,004 B1 ; US 6,630,260 B2 ; US 6,663,994 B1 ; US 6,740,433 B2 ; US 6,777,120 B2 ; US 6,793,544 B2 ; US 6,794,068 B2 ; US 6,811,918 B2 ; US 6,824,909 B2 ; US 2004/0229087 A1 ; US 2005/0026012 A1 ; US 2005/0026018 A1 ; und US 2005/0026523 A1 .
Für Kraftfahrzeuganwendungen müssen PEM-Brennstoffzellen hinunter bis zu –40°C betriebsfähig bleiben. Silikon- oder Fluorsilikondichtungen können eine angemessene Abdichtung für Brennstoffzellen hinunter bis zu diesen Temperaturen vorsehen, wobei jedoch angenommen wird, dass unerwünschte Schmutzstoffe und Füllstoffe in der inneren Betriebsumgebung der Brennstoffzelle, beispielsweise durch die innere befeuchtete Oberfläche, ausgelaugt werden. Es wird angenommen, dass diese Schmutzstoffe die Katalysatoren und Protonenleitungsstellen der Membran vergiften und die Dichtung zersetzen. Andere Dichtungsmaterialien, wie EPDM, sind gegenüber der rauen Innenumgebung der PEM-Brennstoffzelle beständig und führen zu keiner Verschmutzung der Membran oder Verschlechterung der Abdichtungsqualitäten. Ein signifikanter Nachteil besteht jedoch darin, dass sich gezeigt hat, dass EPDM mit seiner höheren Glasübergangstemperatur insbesondere bei relativ kalten Temperaturen nicht so gut abdichtet.
Demgemäß besteht ein Bedarf nach einer neuen und verbesserten Brennstoffzellendichtung, die verbesserte Charakteristiken zur Niedertemperaturabdichtung und zum Widerstand gegenüber Membranverschmutzung aufweist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist zur Befriedigung dieses Bedarfs eine Brennstoffzelle vorgesehen, mit: (1) einem ersten und zweiten Bipolarplattenelement, die beabstandet sind und einander gegenüberliegen; (2) einem ersten und zweiten Diffusionsmediumelement, die beabstandet sind, einander gegenüberliegen und zwischen dem ersten und zweiten Bipolarplattenelement angeordnet sind; (3) einem Membranelektrodenanordnungselement, das zwischen dem ersten und zweiten Diffusionsmediumelement angeordnet ist; (4) einem ersten Abdichtelement in einer inneren Position relativ zu dem ersten und zweiten Bipolarplattenelement, wobei das erste Abdichtelement aus einem Material besteht, das aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Ethylen-Propylen-Dien-Monomer, Kautschuk bzw. Gummi, Fluorelastomere und Kombinationen daraus; und (5) einem zweiten Abdichtelement benachbart dem ersten Abdichtelement, wobei das zweite Abdichtelement in einer äußeren Position relativ zu dem ersten und zweiten Bipolarplattenelement angeordnet ist, wobei das zweite Abdichtelement aus einem Silikonmaterial besteht.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist zur Befriedigung dieses Bedarfs eine Brennstoffzelle vorgesehen, mit: (1) einem ersten und zweiten Bipolarplattenelement, die beabstandet sind und einander gegenüberliegen; (2) einem ersten und zweiten Diffusionsmediumelement, die beabstandet sind, einander gegenüberliegen und zwischen dem ersten und zweiten Bipolarplattenelement angeordnet sind; (3) einem Membranelektrodenanordnungselement, das zwischen dem ersten und zweiten Diffusionsmediumelement angeordnet ist; (4) einem ersten Abdichtelement in einer inneren Position relativ zu dem ersten und zweiten Bipolarplattenelement, wobei das erste Abdichtelement im Wesentlichen chemisch inert ist; und (5) einem zweiten Abdichtelement benachbart dem ersten Abdichtelement, wobei das zweite Abdichtelement in einer äußeren Position relativ zu dem ersten und zweiten Bipolarplattenelement angeordnet ist, wobei das zweite Abdichtelement dazu dient, eine Abdichtungsfunktion vorzusehen, die gleichwertig zu einer Leckrate von nicht größer als 0,01 Standardkubikzentimeter pro Minute pro Zentimeter linearer Abdichtungslänge ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
1 eine schematische Ansicht einer Brennstoffzelle mit einer Dichtung gemäß den allgemeinen Lehren der vorliegenden Erfindung ist; und
2 eine schematische Ansicht einer alternativen Brennstoffzelle mit einer Dichtung gemäß den allgemeinen Lehren der vorliegenden Erfindung ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung schlägt die Verwendung von zwei oder mehr Materialien als eine Dichtung zur Verwendung in Verbindung mit Brennstoffzellen vor.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM) und/oder dergleichen oder ein anderes chemisches inerteres Dichtungsmaterial in einer inneren Position angeordnet und stellt das befeuchtete Material dar, das der Brennstoffzellenbetriebsumgebung ausgesetzt ist.
Es wird Silikon und/oder dergleichen oder ein anderes verschmutzendes Material mit einer besseren Kaltabdichtbarkeit in einer Außenseite oder äußeren Position angeordnet und kommt nicht in Kontakt mit der Brennstoffzelleninnenumgebung.
Bezug nehmend auf 1 ist eine schematische Ansicht einer Brennstoffzelle 10 gezeigt, die eine Dichtung 12 gemäß den allgemeinen Lehren der vorliegenden Erfindung aufweist. Ein Verfahren zum Aufbau der Dichtung 12 würde darin bestehen, zwei parallele Wulstbahnen 14 bzw. 16 der oben beschriebenen Materialien auf einem Polyimid-(beispielsweise KAPTON^®)-Träger 18 einzubinden.
Anhand eines nicht einschränkenden Beispiels kann die innere Wulstbahn 14 aus Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM) und/oder dergleichen oder einem anderen chemisch inerteren Dichtungsmaterial bestehen, wie Kautschuk bzw. Gummi und/oder kautschuk- bzw. gummiartige Materialien, ohne jedoch darauf eingeschränkt zu sein.
Anhand eines anderen nicht einschränkenden Beispiels kann die innere Wulstbahn 14 aus Fluorelastomeren (beispielsweise VITON^®) und/oder dergleichen oder einem anderen elastomeren Polymer bestehen, das in der Brennstoffzelle chemisch inert ist.
Anhand eines noch weiteren nicht einschränkenden Beispiels kann die äußere Wulstbahn 16 aus Silikon und/oder dergleichen oder einem anderen verschmutzenden Material mit einer besseren Abdichtbarkeit bei kalten Temperaturen bestehen.
Anhand eines noch weiteren nicht einschränkenden Beispiels kann die äußere Wulstbahn 16 aus Fluorsilikonen und/oder dergleichen oder einem anderen verschmutzenden Material mit einer besseren Abdichtbarkeit bei kalten Temperaturen bestehen.
Mit ”Abdichtbarkeit bei kalten Temperaturen”, ist, da diese Formulierung hier verwendet ist, gemeint, dass eine Leckrate, ausgedrückt in Standardkubikzentimeter pro Minute (sccm)/cm, nicht größer als 0,01 Standardkubikzentimeter pro Minute pro Zentimeter linearer Dichtung-(d. h. Abdichtungs-)Länge ist.
Andere Hauptkomponenten der Brennstoffzelle umfassen ohne Einschränkung ein erstes und zweites Bipolarplattenelement 20 bzw. 22, die beabstandet und einander entgegengesetzt sind, zwei Diffusionsmediumelemente 24 bzw. 26, die beabstandet und einander entgegengesetzt sind und benachbart den Bipolarplattenelementen 20 bzw. 22 angeordnet sind, und eine Membranelektrodenanordnung 28, wobei ein Abschnitt derselben zwischen den Diffusionsmediumelementen 24 bzw. 26 angeordnet ist.
Bezug nehmend auf 2 ist eine schematische Ansicht einer alternativen Brennstoffzelle 100 gezeigt, die eine Dichtung 102 gemäß den allgemeinen Lehren der vorliegenden Erfindung aufweist. In dieser Ansicht umfasst die Brennstoffzelle 100 einen zentralisierten aktiven Bereich 104, eine Anodeneinlasssammelleitung 106, eine Kathodenauslasssammelleitung 108, eine Kathodeneinlasssammelleitung 110, eine Anodenauslasssammelleitung 112 und beabstandete und einander entgegengesetzte Kühlmittelsammelleitungen 114 bzw. 116. Die Dichtung 102 umfasst Dichtungsabschnitte 118 aus Silikon (oder anderen geeigneten Materialien) und Dichtungsabschnitte 120 aus EPDM (oder anderen geeigneten Materialien), die sich um die verschiedenen Komponenten der Brennstoffzelle 100 erstrecken. Es sei angemerkt, dass 2 eine bestimmte mögliche Dichtungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt, und dass genauso gut andere Dichtungsanordnungen möglich sind.
Einige der Vorteile der vorliegenden Erfindung umfassen, ohne darauf eingeschränkt zu sein, eine verbesserte Niedertemperaturabdichtung von PEM-Brennstoffzellen ohne Verschmutzungsgefahr, beispielsweise von Silikonschmutzstoffen, wodurch die Haltbarkeit beeinträchtigt wird.

Claims

Brennstoffzelle (10), mit: einem ersten und zweiten Bipolarplattenelement (20, 22), die beabstandet sind und einander gegenüberliegen; einem ersten und zweiten Diffusionsmediumelement (24, 26), die beabstandet sind, einander gegenüberliegen und zwischen dem ersten und zweiten Bipolarplattenelement (20, 22) angeordnet sind; einem Membranelektrodenanordnungselement (28), das zwischen dem ersten und zweiten Diffusionsmediumelement (24, 26) angeordnet ist; einem ersten Abdichtelement (14) in einer inneren Position relativ zu dem ersten und zweiten Bipolarplattenelement (20, 22); und einem zweiten Abdichtelement (16) benachbart dem ersten Abdichtelement (14), wobei das zweite Abdichtelement (16) in einer äußeren Position relativ zu dem ersten und zweiten Bipolarplattenelement (20, 22) angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, dass das erste Abdichtelement (14) aus einem Material besteht, das aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Ethylen-Propylen-Dien-Monomer, Kautschuk, Fluorelastomere und Kombinationen daraus; und dass das zweite Abdichtelement (16) aus einem Silikonmaterial besteht.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, ferner mit einem Trägerelement (18), wobei das Trägerelement dazu dient, das erste und zweite Abdichtelement (14, 16) zu stützen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 2, wobei das Trägerelement aus einem Polyimidmaterial besteht.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das erste Abdichtelement (14) aus einem chemisch inerten Material besteht.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das zweite Abdichtelement (16) dazu dient, eine Abdichtungsfunktion vorzusehen, die gleichwertig zu einer Leckrate von nicht größer als 0,01 Standardkubikzentimeter pro Minute pro Zentimeter linearer Abdichtungslänge ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das Silikonmaterial ein Fluorsilikon ist.
Brennstoffzelle, mit: einem ersten und zweiten Bipolarplattenelement (20, 22), die beabstandet sind und einander gegenüberliegen; einem ersten und zweiten Diffusionsmediumelement (24, 26), die beabstandet sind, einander gegenüberliegen und zwischen dem ersten und zweiten Bipolarplattenelement (20, 22) angeordnet sind; einem Membranelektrodenanordnungselement (28), das zwischen dem ersten und zweiten Diffusionsmediumelement (24, 26) angeordnet ist; einem ersten Abdichtelement (14) in einer inneren Position relativ zu dem ersten und zweiten Bipolarplattenelement (20, 22); und einem zweiten Abdichtelement (16) benachbart dem ersten Abdichtelement (14), wobei das zweite Abdichtelement (16) in einer äußeren Position relativ zu dem ersten und zweiten Bipolarplattenelement (20, 22) angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, dass das erste Abdichtelement chemisch inert ist und das zweite Abdichtelement eine Abdichtungsfunktion vorsieht, die gleichwertig zu einer Leckrate von nicht größer als 0,01 Standardkubikzentimeter pro Minute pro Zentimeter linearer Abdichtungslänge ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 7, ferner mit einem Trägerelement (18), wobei das Trägerelement (18) dazu dient, das erste und zweite Abdichtelement (14, 18) zu stützen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 8, wobei das Trägerelement (18) aus einem Polyimidmaterial besteht.
Brennstoffzelle nach Anspruch 7, wobei das erste Abdichtelement (14) aus einem Material besteht, das aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Ethylen-Propylen-Dien-Monomer, Kautschuk, Fluorelastomere und Kombinationen daraus; und
Brennstoffzelle nach Anspruch 7, wobei das zweite Abdichtelement (16) aus einem Silikonmaterial besteht.
Brennstoffzelle nach Anspruch 12, wobei das Silikonmaterial ein Fluorsilikon ist.