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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenstapelsystem und insbesondere
eine Brennstoffzellenanordnung und ein Verfahren zum Erzeugen derselben,
das dafür ausgelegt ist, einen elektrischen Widertand in
dem Brennstoffzellensystem zu minimieren, wobei die Brennstoffzellenanordnung
eine Membranelektrodenanordnung mit mehreren Diffusionsmedien umfasst,
die mit einer elektrisch leitenden Klebeschicht an mehreren Bipolarplatten
anhaften.
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Hintergrund der Erfindung
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Brennstoffzellenstapelsysteme
(nachstehend Brennstoffzellen) werden vermehrt als Antriebsquelle
für Elektrofahrzeuge und anderen Anwendungen verwendet.
Es können verschiedene Brennstoffzellenarten vorgesehen
werden, beispielsweise vom Phosphorsäure-, Alkali-, Schmelzcarbonat-,
Festoxid- und Protonenaustauschmembran-(PEM)-Typ.
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Bei
Protonenaustauschmembran-(PEM)-Brennstoffzellen wird ein Wasserstoffgasreaktand
einer Anodenseite der Brennstoffzelle als Brennstoff zugeführt
und ein Sauerstoffgasreaktand einer Kathodenseite der Brennstoffzelle
als Oxidationsmittel zugeführt. Die Reaktion, die zwischen
den Reaktandengasen in der Brennstoffzelle stattfindet, verbraucht
den Was serstoff an der Anodenseite und erzeugt Produktwasser an
der Kathodenseite.
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Die
Grundbestandteile einer PEM-Brennstoffzelle sind zwei Elektroden,
die durch einen Polymermembranelektrolyten getrennt sind. Jede Elektrode
ist an einer Seite mit einer dünnen Katalysatorschicht
beschichtet. Die Elektroden, der Katalysator und die Membran bilden
zusammen eine Membranelektrodenanordnung (MEA, kurz vom engl. Membrane
Electrode Assembly). Die MEA ist typischerweise zwischen „Anoden"-
und „Kathoden"-Diffusionsmedien oder -Diffusionsschichten
schichtartig eingeschlossen, die aus einem elastischen, leitenden
und gaspermeablen Material wie Kohlenstoffgewebe oder -papier gebildet
sind. Die Diffusionsmedien dienen als primäre Stromkollektoren
für die Anode und Kathode, wobei sie auch der MEA mechanische
Abstützung bieten.
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Die
Diffusionsmedien und die MEA werden zwischen einem Paar elektronisch
leitender Platten gepresst, die als sekundäre Stromkollektoren
zum Abnehmen des Stroms von den primären Stromkollektoren
dienen. Die Platten leiten bei Bipolarplatten Strom zwischen benachbarten
Zellen in dem Brennstoffzellenstapel und leiten bei Unipolarplatten
Strom außerhalb des Stapels am Ende des Stapels.
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Die
Bipolarplatten umfassen typischerweise zwei dünne, zugewandte
Metallbleche. Eines der Bleche bildet einen Strömpfad an
einer Außenfläche desselben zur Zufuhr des Brennstoffs
zur Anode der MEA aus. Eine Außenfläche des anderen
Blechs bildet einen Strömpfad für das Oxidationsmittel
zur Zufuhr zur Kathodenseite der MEA aus. Wenn die Bleche verbunden
sind, wird ein Strömpfad für ein dielektrisches
Kühlfluid festgelegt. Die Platten sind typischerweise aus
einem formbaren Metall herge stellt, das geeignete Festigkeit, elektrische
Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit vorsieht,
wie Edelstahl mit 316-Legierung.
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Der
Brennstoffzellenstapel, der mehr als einhundert Platten enthalten
kann, wird zusammengepresst und die Elemente werden durch Schrauben durch
Ecken des Stapels zusammengehalten und an Rahmen an den Enden des
Stapels verankert. Um einem unerwünschten Austreten von
Fluiden zwischen den Paaren von Platten heraus entgegenzuwirken, wird
häufig eine Dichtung oder Abdichtung verwendet. Die Dichtung
ist typischerweise entlang einem umlaufenden Rand der Plattenpaare
angeordnet. Dichtungen des Stands der Technik umfassen die Verwendung
eines elastomeren Materials. Zusätzliche Dichtungen des
Stands der Technik umfassen die Verwendung einer Metalldichtung,
wie sie in der veröffentlichen internationalen PCT-Patentanmeldung
Nr.
PCT/EP2003/011347 offenbart
wird, die hiermit durch Erwähnung in ihrer Gesamtheit aufgenommen
wird.
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Ein
effizienter Betrieb von PEM-Brennstoffzellen kann von einem in dem
System vorhandenen elektrischen Widerstandsbetrag und insbesondere von
dem elektrischen Widerstand an einer Grenzfläche zwischen
den Bipolarplatten und den Diffusionsmedien der MEA abhängen.
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Es
ist wünschenswert, eine Brennstoffzelle zu erzeugen, die
zum Minimieren elektrischen Widerstands zwischen den Bipolarplatten
und der MEA einer Brennstoffzellenanordnung ausgelegt ist, um Systemleistung
zu optimieren. Bei der hierin beschriebenen Brennstoffzelle wird
ein effizienter Betrieb der Brennstoffzelle durch Anhaften von zu
einer Membranelektrodenanordnung benachbarten Diffusionsmedien an
benachbarten Bipolarplatten mittels einer elektrisch leitenden Klebeschicht
maximiert.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Übereinstimmend
und im Einklang mit der vorliegenden Erfindung wurde überraschenderweise ein
Diffusionsmedium zum Optimieren von Wassermanagement bei gleichzeitigem
Maximieren der Leistung der Brennstoffzelle entdeckt.
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In
einer Ausführungsform umfasst eine Brennstoffzellenanordnung
eine Membranelektrodenanordnung mit einer zwischen mehreren Katalysatorschichten
angeordneten Membran; mehrere Diffusionsmedien, jedes mit einer
an einer Seite desselben angeordneten mikroporösen Schicht,
wobei die Seite des Diffusionsmediums mit der mikroporösen Schicht
an den Katalysatorschichten der Membranelektrodenanordnung anhaftet;
eine erste Bipolarplatte; eine zweite Bipolarplatte; und eine elektrisch
leitende Klebeschicht, die an mindestens einem Teil der ersten Bipolarplatte
und der zweiten Bipolarplatte angeordnet ist, wobei die Klebeschicht
die erste Bipolarplatte an einem der Diffusionsmedien und die zweite
Bipolarplatte an einem anderen der Diffusionsmedien anhaftet, um
einen elektrischen Kontaktwiderstand zwischen den Diffusionsmedien
der ersten und zweiten Bipolarplatten zu minimieren.
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In
einer Ausführungsform umfasst ein Brennstoffzellenstapel
mehrere Membranelektrodenanordnungen, die jeweils umfassen: eine
zwischen mehreren Katalysatorschichten angeordnete Membran; mehrere
Diffusionsmedien, wobei eines der mehreren Diffusionsmedien zu jeder
Seite der Membranelektrodenanordnungen benachbart ist; mehrere Bipolarplatten,
wobei jede der Bipolarplatten einen Umfangsabschnitt aufweist, wobei
jede der Bipolarplatten zwischen zwei der Membranelektrodenanordnungen
angeordnet ist; ein Dichtmittel, das in einem durch die Umfangsabschnitte
der Bipolarplatten ausgebildeten Hohlraum angeordnet ist, wobei
das Dichtmittel eine Dichtung zwischen der ersten Bipolarplatte,
der zweiten Bipolarplatte und der Membranelektrodenanordnung bildet;
und eine elektrisch leitende Klebeschicht, die an mindestens einem
Teil einer ersten Bipolarplatte und einer zweiten Bipolarplatte
angeordnet ist, wobei die Klebeschicht die erste Bipolarplatte an
einem der Diffusionsmedien und die zweite Bipolarplatte an einem
anderen der Diffusionsmedien anhaftet, um einen elektrischen Kontaktwiderstand
zwischen den Diffusionsmedien und der ersten und zweiten Bipolarplatte
zu minimieren.
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In
einer anderen Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum
Herstellen einer Brennstoffzellenanordnung zur Verwendung in einer
PEM-Brennstoffzelle die Schritte des Vorsehens mehrerer Bipolarplatten,
wobei jede Platte eine erste Arbeitsseite und eine zweite Arbeitsseite
aufweist; des Vorsehens einer elektrisch leitenden Klebeschicht
an der ersten Arbeitsseite und der zweiten Arbeitsseite der Bipolarplatten;
des Vorsehens einer Membranelektrodenanordnung mit einer zwischen
Katalysatorschichten angeordneten Membran; des Beschichtens eines
Diffusionsmediums mit einer Paste zum Bilden einer mikroporösen
Schicht darauf; des Sinterns der Diffusionsmedien und der mikroporösen
Schichten miteinander; des Anhaftens der mikroporösen Schichten der
Diffusionsmedien an den Katalysatorschichten der Membranelektrodenanordnung;
des Anhaftens der Katalysatorschichten und der Protonenaustauschmembran;
des Anhaftens des Diffusionsmediums an der erste Arbeitsseite der
einen der Bipolarplatten mit der Klebeschicht und des Anhaftens
eines anderen Diffusionsmediums an der ersten Arbeitsseite einer
anderen Bipolarplatte mit der Klebeschicht.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Die
vorstehenden sowie andere Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen
für den Fachmann ohne Weiteres aus der folgenden näheren
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform bei Betrachtung
im Hinblick auf die Begleitzeichnungen hervor. Hierbei zeigen:
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1 eine
perspektivische Explosionsansicht eines Brennstoffzellenstapels
mit zwei Brennstoffzellenanordnungen nach einer Ausführungsform der
Erfindung;
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2 eine
unvollständige Querschnittansicht einer in 1 gezeigten
Brennstoffzellenanordnung; und
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3 eine
unvollständige Querschnittansicht einer Brennstoffzellenanordnung
nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform
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Die
folgende eingehende Beschreibung sowie die beigefügten
Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene beispielhafte
Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und Zeichnungen
dienen dazu, einem Fachmann das Herstellen und Nutzen der Erfindung
zu ermöglichen, und sollen nicht den Schutzumfang der Erfindung
in irgendeiner Weise beschränken. Bezüglich der
offenbarten Verfahren sind die dargestellten Schritte beispielhafter
Natur, und somit ist die Reihenfolge der Schritte nicht notwendig
oder ausschlaggebend.
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1 zeigt
einen Brennstoffzellenstapel 10 mit zwei Brennstoffzellenanordnungen
nach einer Ausführungsform der Erfindung, es versteht sich aber,
dass in einem typischen Brennstoffzellenstapel nach Bedarf eine
beliebige Anzahl an Brennstoffzellenanordnungen und Bipolarplatten
verwendet werden kann. Der Brennstoffzellenstapel 10 ist
ein aus zwei Zellenbestehender PEM-Brennstoffzellenstapel 10 mit
einem Paar Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 56, 57,
die durch ein elektrisch leitendes Fluidverteilungselement 52,
nachstehend eine Bipolarplatte 52, voneinander getrennt
sind. Die MEAs 56, 57 und die Bipolarplatte 52 sind
zwischen Endplatten 16, 18 und Endkontaktelementen 20, 22 zusammen aufgestapelt.
Die Bipolarplatte 52 und die Endkontaktelemente 20, 22 umfassen
jeweils Arbeitsseiten 26, 28, 24, 30 zum
Verteilen von Brennstoff und Oxidationsmittelgasen (d. h. H2 & O2) zu den MEAs 56, 57. Nicht
leitende Dichtungen 32 sehen Abdichtungen und eine elektrische
Isolierung zwischen den mehreren Komponenten des Brennstoffzellenstapels 10 vor.
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Die
MEAs 56, 57 sind benachbart zu gaspermeablen leitenden
Materialien, die als Gasdiffusionsmedien bekannt sind, angeordnet.
Die Gasdiffusionsmedien können Kohlenstoff-/Graphitdiffusionspapier umfassen.
Wie hierin beschrieben wird, haften die Gasdiffusionsmedien an den
MEAs 56, 57 an. Die Endkontakteinheiten 20, 22 liegen
an den Diffusionsmedien der MEAs 56, 57 an. Die
Bipolarplatte 52 liegt an dem Diffusionsmedium an der Anodenseite
der MEA 56 an, die zum Aufnehmen von wasserstoffhaltigem
Reaktand ausgelegt ist, und liegt auch an dem Gasdiffusionsmedium
an der Kathodenseite der MEA 57 an, die zum Aufnehmen von
sauerstoffhaltigem Reaktand ausgelegt ist. Sauerstoff wird der Kathodenseite
des Brennstoffzellenstapels 10 von einer Speicherquelle 46 zum
Beispiel mittels einer geeigneten Zufuhrleitung 42 zugeführt.
Wasserstoff wird der Anodenseite der Brennstoffzelle von einer Wasserstoffquelle 48 zum
Bei spiel mittels einer geeigneten Zufuhrleitung 44 zugeführt.
Alternativ kann der Kathodenseite Umgebungsluft als Sauerstoffquelle und
der Anode Wasserstoff von einem Methanol- oder Benzinreformer oder
dergleichen zugeführt werden. Ablassleitungen (nicht gezeigt)
sowohl für die Anoden- als auch die Kathodenseiten der
MEAs 56, 57 sind ebenfalls vorgesehen. Zusätzliche
Leitungen 36, 38, 40 sind zum Zuführen
flüssigen Kühlmittels zu der Bipolarplatte 52 und
den Endplatten 16, 18 vorgesehen. Geeignete Leitungen
zum Ablassen von Kühlmittel aus der Bipolarplatte 52 und
den Endplatten 16, 18 sind ebenfalls vorgesehen
(nicht dargestellt).
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Unter
Bezug als Nächstes auf 2 wird eine
Brennstoffzellenanordnung 50 gezeigt, die eine in 1 gezeigte
Bipolarplatte 52 und eine zweite Bipolarplatte 54 umfasst.
Die Brennstoffzellenanordnung 50 umfasst eine Membranelektrodenanordnung (MEA) 56,
die zwischen mehreren Diffusionsmedien 55 angeordnet ist,
wobei eines der Diffusionsmedien 55 zwischen der MEA 56 und
der ersten Bipolarplatte 52 angeordnet ist und ein anderes
der Diffusionsmedien 55 zwischen der MEA 56 und
der zweiten Bipolarplatte 54 angeordnet ist.
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Die
MEA 56 ist zwischen den Diffusionsmedien 55 angeordnet
und umfasst eine Protonenaustauschmembran (PEM) 78, die
zwischen zwei Katalysatorschichten 80 angeordnet ist. In
der in 2 gezeigten Ausführungsform ist die PEM 78 ein
dünner Festpolymermembran-Elektrolyt, kann aber nach Bedarf
jede herkömmliche PEM sein. Die Katalysatorschichten 80 sind
aus Platin gebildet, wobei sie in der dargestellten Ausführungsform
auf Carbon-Black mit hoher Struktur gelagert sind, können
aber nach Bedarf jeder herkömmliche Katalysator, beispielsweise
ein Platin-Ruthenium-Katalysator, sein.
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Eines
der Diffusionsmedien 55 ist zwischen einer Seite der MEA 56 und
der ersten Bipolarplatte 52 angeordnet, und ein anderes
der Diffusionsmedien 55 ist zwischen einer anderen Seite
der MEA 56 und der zweiten Bipolarplatte 54 angeordnet.
Die MEA 56 umfasst eine erste Seite 72 und eine
zweite Seite 74. An der zweiten Seite 74 des Diffusionsmediums 55 ist
zwischen dem Diffusionsmedium 55 und der MEA 56 eine
mikroporöse Schicht 76 angeordnet. In der gezeigten
Ausführungsform sind die Diffusionsmedien 55 Kohlenstofffaserpapier
wie das von Mitsubishi Rayon Company hergestellte Papier MRC-U-105.
Es versteht sich, dass die Diffusionsmedien 55 auch ein
Kohlenstofftuch oder ein anderes herkömmliches Material
sein können, das dafür ausgelegt ist, elektrisch
und thermisch leitend zu sein. Weiterhin können die Diffusionsmedien 55 nach
Bedarf unbehandelt oder an der zweiten Seite 74 mit einem
Fluorkohlenwasserstoffpolymer behandelt sein. Die mikroporösen
Schichten 76 sind aus einem Kohlenstoffpulver- und Fluorkohlenwasserstoffpolymergemisch
gebildet und können nach Bedarf aus jeder herkömmlichen
Kohlenstofftinte oder Kohlenstoffpaste gebildet sein.
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Die
erste Bipolarplatte 52 und die zweite Bipolarplatte 54 sind
aus einer ersten Unipolarplatte 60 und einer zweiten Unipolarplatte 62 gebildet,
und jede Platte 52, 54 umfasst die erste Arbeitsseite 26 und
die zweite Arbeitsseite 28. Jede der Arbeitsseiten 26, 28 umfasst
mehrere Strömungskanäle 64, die zum Verteilen
der Brennstoff- und Oxidationsmittelgase über den Arbeitsseiten 26, 28 der
Bipolarplatten 52, 54 ausgelegt sind. Die mehreren
Strömungskanäle 64 bilden mehrere Stege 66 aus,
die dazwischen angeordnet sind.
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Weiterhin
wirken die Unipolarplatten 60, 62 zusammen, um
einen Strömpfad 68 zwischen den Stegen 66 der
Unipolarplatten 60, 62 zu bilden. Der Strömpfad 68 ist
dafür ausgelegt, eine Verteilung eines dielektrischen Kühlfluids
durch die Bipolarplatten 52, 54 zu erleichtern.
Durch die Unipolarplatten 60, 62 können
nach Bedarf eine Reihe von Strömpfaden 68 gebildet
werden. In der gezeigten Ausführungsform sind die Unipolarplatten 60, 62 der
Bipolarplatten 52, 54 mit geschmolzenem Zinn 70 miteinander verbunden.
Die Unipolarplatten 60, 62 können aber durch
jedes herkömmliche Mittel, beispielsweise einen Kleber
der B-Stufe, oder durch Verschweißen verbunden werden,
oder die Bipolarplatten 52, 54 können
nach Bedarf aus einem einzigen Stück Material gebildet
werden. In der gezeigten Ausführungsform sind die Bipolarplatten 52, 54 aus
316-Edelstahl gebildet, können aber zum Beispiel aus einem
beliebigen herkömmlichen Material wie Graphit gebildet werden.
Es versteht sich, dass die Strömungskanäle 64 nach
Bedarf geradlinig, im Wesentlichen wellenförmig, gewunden
sein können oder jede andere Auslegung haben können.
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An
den Strömungskanälen 64 und Stegen 66 jeder
der Bipolarplatten 52, 54 ist eine Klebeschicht 58 angeordnet.
In der gezeigten Ausführungsform sind die Klebeschichten 58 benachbart
zu den zweiten Seiten 74 der Diffusionsmedien 55 und
sind aus einem elektrisch leitenden Kleber der B-Stufe gebildet.
Die Klebeschichten 58 verbinden die Stege 66 der
Bipolarplatten 52, 54 mit den ersten Seiten 72 der Diffusionsmedien 55.
Die Klebeschichten 58 können nach Bedarf aus jedem
elektrisch leitenden Material gebildet werden. Die Klebeschichten 58 können
auch leitender thermoplastischer Klebstoff oder eine Kombination
aus leitendem Primer und leitendem Klebstoff sein.
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Zum
Zusammenbau der in 2 gezeigten Brennstoffzellenanordnung 50 wird
die erste Unipolarplatte 60 an der zweiten Unipolarplatte 62 zum
Anhaften gebracht, um die Bipolarplatten 52, 54 zu
bilden. Die erste Unipolarplatte 60 kann nach Bedarf durch
ein beliebiges herkömmliches Anhaftmittel, beispielsweise
Punktschweißen, Laserschweißen, Klebstoff oder Löten,
an der zweiten Unipolarplatte 62 zum Anhaften gebracht
werden. Die erste Unipolarplatte 60 wird an der zweiten
Unipolarplatte 62 zum Anhaften gebracht, um einen elektrischen
Widerstand zwischen Flächen durch die Bipolarplatten 52, 54 zu
minimieren. Es versteht sich, dass die Bipolarplatten 52, 54 nach
Bedarf aus einer einzigen integral ausgebildeten Platte gebildet
werden können. Die Arbeitsseiten 26, 28 der
Bipolarplatten 52, 54 werden mit einem Primer
behandelt, um ein verbessertes Anhaften der Klebeschicht 58 und
der Unipolarplatten 60, 62 zu erleichtern. Der
Primer kann nach Bedarf ein Säureprimer, ein alkalischer
Primer oder eine selbstätzende Klebeschicht sein. Die Klebeschicht 58 ist
an den Strömungskanälen 64 und den Stegen 66 der
Arbeitsseiten 26, 28 der Bipolarplatten 52, 54 angeordnet.
Die Klebeschicht 58 kann durch ein beliebiges herkömmliches
Verfahren an den Bipolarplatten 52, 54 angeordnet
werden, beispielsweise kann sie nach Bedarf aufgepresst oder aufgesprüht
werden. Wenn ferner die Unipolarplatten 60, 62 aus
einem Metall gebildet werden, kann die Klebeschicht 58 während
eines Spulenbeschichtungsprozesses und vor einem Stanzprozess, der
die Unipolarplatten 60, 62 bildet, auf das Metall
aufgebracht werden. Es versteht sich, dass bei Bilden der Bipolarplatten 52, 54 aus
einem Polymermaterial die Klebeschicht 58 ohne Auftragen
eines Primers direkt auf die Bipolarplatten 52, 54 aufgebracht
werden kann oder die Polymerbipolarplatten 52, 54 eine
Koronaentladungsbehandlung oder eine Hochfrequenz-Glimmentladungsbehandlung
erfahren können, um ein verbessertes Anhaften der Klebeschicht 58 an
den Bipolarplatten 52, 54 zu erleichtern.
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Die
Diffusionsmedien
55, die mikroporösen Schichten
76,
die PEM
78 und die Katalysatorschichten
80 werden
zusammengesetzt. Eine (nicht dargestellte) Paste, die ein Gemisch
aus Kohlenstoffpulver und Fluorkohlenwasserstoffpolymeren enthält,
wird gebildet, auf die zweite Seite
74 des Diffusionsmediums
55 aufgebracht
und bei oder nahe 380°C gesintert, um das Diffusionsmedium
55 und
die mikroporöse Schicht
76 anhaften zu lassen.
Das gleichfalls gehaltene
U.S.-Patent
Nr. 7,063,913 wird hiermit durch Erwähnung aufgenommen,
um Verfahren zum Erzeugen der Paste und andere Materialien und Prozesse
weiter zu beschreiben, die beim Erzeugen der Diffusionsmedien
55 verwendet
werden. Die mikroporöse Schicht
76 wird an einer
ersten Seite der Katalysatorschicht
80 mit einem selbst
blockenden Mechanismus durch Erwärmen des Diffusionsmediums
55,
der mikroporösen Schicht
76 und der Katalysatorschicht
80 bei
oder nahe 130°C zum Anhaften gebracht. Eine zweite Seite
der Katalysatorschicht
80 wird an einer ersten Seite der
PEM
78 zum Anhaften gebracht. Eine zweite Anordnung von
Diffusionsmedium
55, mikroporöser Schicht
76 und
Katalysatorschicht
80 wird wie vorstehend beschrieben erzeugt und
an einer zweiten Seite der PEM
78 zum Anhaften gebracht.
Eines der Diffusionsmedien
55 wird gegen die Klebeschicht
58 der
Bipolarplatte
52 gepresst, und das andere Diffusionsmedium
55 wird
gegen die Klebeschicht
58 der zweiten Bipolarplatte
54 gepresst.
Nach Zusammenbau kann die Brennstoffzellenanordnung
50 erwärmt
werden, um ein verbessertes Anhaften der MEA
56 und der
Bipolarplatten
52,
54 zu erleichtern.
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Bei
Gebrauch wird dem Endkontaktelement 22 und der Anodenseite
der Bipolarplatte 52 des Brennstoffzellenstapels 10 Wasserstoff
von der Wasserstoffquelle 48 zugeführt. Dem Endkontaktelement 20 und
der Kathodenseite der Bipolarplatte 52 wird Sauerstoff
als Oxidationsmittel von der Sauerstoffquelle 46 zugeführt.
Alternativ kann der Kathodenseite Umgebungsluft als Oxidationsmittel
zugeführt werden, und der Anode kann Wasserstoff von einem
Methanol- oder Benzinreformer zugeführt werden. An der
Anodenseite wird der Wasserstoff katalytisch in Protonen und Elektronen
aufgespalten. Die gebildeten Protonen dringen durch die PEM 78 zur
Kathodenseite. Die Elektronen wandern entlang einer (nicht gezeigten)
externen Lastschaltung zur Kathodenseite der MEA 56, wodurch
sie einen elektrischen Ausgangsstrom des Brennstoffzellenstapels 10 erzeugen.
Gleichzeitig wird der Kathodenseite der MEA 56 ein Sauerstoffstrom
zugeführt. An der Kathodenseite reagieren Sauerstoffmoleküle
mit den durch die PEM 78 dringenden Elektronen und den
durch die externe Schaltung ankommenden Elektronen, um (nicht dargestellte)
Wassermoleküle zu bilden. Um ein Fluten der Elektroden
der Brennstoffzellenanordnung 50 zu vermeiden und einen
Grad an Hydratation der PEM 78 zu bewahren, werden überschüssiges Produktwasser
und Wasserdampf veranlasst, durch den Gasstrom durch die Brennstoffzellenanordnung 50 zu
den Diffusionsmedien 55 zu strömen. Die Diffusionsmedien 55 erleichtern
durch Absorbieren des Wassers und dessen Abtransport von den Bipolarplatten 52, 54 das
Entfernen überschüssigen Produktwassers aus dem
Brennstoffzellenstapel 10 während nasser Betriebsbedingungen.
Durch Abtransportieren des Wassers weg von den Bipolarplatten 52, 54 und
hin zum PEM 78 halten die PEM 78 einen Grad an
Hydratation aufrecht, um während trockener Betriebsbedingungen
eine angemessene Leitfähigkeit des Brennstoffzellenstapels
zu erleichtern. Das Wasser in den Diffusionsmedien 55 wird
durch (nicht dargestellte) Verteiler durch das Strömen
von Wasserstoff- und Sauerstoffgas benachbart zu und durch die Diffusionsmedien 55 aus
dem Brennstoffzellenstapel 10 entfernt.
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Da
die Klebeschichten 58 elektrisch leitend sind, wird der
Kontaktwiderstand zwischen den Diffusionsmedien 55 und
den Bipolarplatten 52, 54 minimiert. Da weiterhin
die Klebeschichten 58 elektrisch leitende Kontaktpunkte
zwischen den Diffusionsmedien 55 und den Bipolarplatten 52, 54 vorsehen,
kann der Betrag an Druckkraft, die auf den Brennstoffzellenstapel 10 zum
Erhalten ausreichender Leitfähigkeit ausgeübt
wird, minimiert werden. Durch Minimieren der Druckkraft können
eine elastische und plastische Verformung der Bipolarplatten 52, 54 und
der Diffusionsmedien 55 minimiert werden, wodurch eine Lebensdauer
der Bipolarplatten 52, 54 verlängert wird.
Das Minimieren der Druckkraft an dem Brennstoffzellenstapel 10 wirkt
auch dem Eindringen des Diffusionsmediums 55 in die Strömungskanäle 64 der Bipolarplatten 52, 54 und
einem Faserkriechen in die MEA 56 entgegen.
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Unter
Bezug als Nächstes auf 3 wird eine
Brennstoffzellenanordnung 50' nach einer anderen Ausführungsform
der Erfindung gezeigt. Der aus 2 wiederholte
Aufbau umfasst die gleichen Bezugszeichen und ein eingestrichenes
Symbol ('). Die Brennstoffzellenanordnung 50' umfasst eine
Membranelektrodenanordnung (MEA) 56', die zwischen mehreren
Diffusionsmedien 55' angeordnet ist, wobei eines der Diffusionsmedien 55' zwischen
der MEA 56' und einer ersten Bipolarplatte 52' angeordnet
ist und ein anderes der Diffusionsmedien 55' zwischen der
MEA 56' und einer zweiten Bipolarplatte 54' angeordnet
ist.
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Die
MEA 56' ist zwischen den Diffusionsmedien 55' angeordnet
und umfasst eine Protonenaustauschmembran (PEM) 78', die
zwischen zwei Katalysatorschichten 80' angeordnet ist.
In der in 3 gezeigten Ausführungsform
ist die PEM 78' ein dünner Festpolymermembran-Elektrolyt,
kann aber nach Bedarf jede herkömmliche PEM sein. Die Katalysatorschichten 80' sind
typischerweise aus Platin gebildet, können aber nach Bedarf
jeder herkömmliche Katalysator, beispielsweise ein Platin-Ruthenium-Katalysator,
sein.
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Eines
der Diffusionsmedien 55' ist zwischen einer Seite der MEA 56' und
der ersten Bipolarplatte 52' angeordnet, und ein anderes
der Diffusionsmedien 55' ist zwischen einer anderen Seite
der MEA 56' und der zweiten Bipolarplatte 54' angeordnet.
Die MEA 56' umfasst eine erste Seite 72' und eine
zweite Seite 74'. An der zweiten Seite 74' des
Diffusionsmediums 55' ist zwischen dem Diffusionsmedium 55' und
der MEA 56' eine mikroporöse Schicht 76' angeordnet.
In der gezeigten Ausführungsform sind die Diffusionsmedien 55' Kohlenstofffaserpapier
wie das von Mitsubishi Rayon Company hergestellte Papier MRC-U-105.
Es versteht sich, dass die porösen Diffusionsmedien 55' auch
ein Kohlenstofftuch oder ein anderes herkömmliches Material
sein können, das dafür ausgelegt ist, elektrisch
und thermisch leitend zu sein. Weiterhin können die Diffusionsmedien 55' nach
Bedarf unbehandelt oder an der zweiten Seite 74' mit einem
Fluorkohlenwasserstoffpolymer behandelt sein. Die mikroporösen
Schichten 76' sind aus einem Kohlenstoffpulver- und Fluorkohlenwasserstoffpolymergemisch
gebildet und können nach Bedarf aus jeder herkömmlichen
Kohlenstofftinte oder Kohlenstoffpaste gebildet sein.
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Die
erste Bipolarplatte 52' und die zweite Bipolarplatte 54' sind
aus einer ersten Unipolarplatte 60' und einer zweiten Unipolarplatte 62' gebildet. Jede
von erster Bipolarplatte 52' und zweiter Bipolarplatte 54' umfasst
eine erste Arbeitsseite 26' und eine zweite Arbeitsseite 28'.
Die Arbeitsseiten 26', 28' umfassen mehrere darin
ausgebildete Strömungskanäle 64', die
zum Verteilen eines Brennstoff- und Oxidationsmittelgases über
den Bipolarplatten 52', 54' ausgelegt sind. Die
mehreren Strömungskanäle 64' bilden mehrere
Stege 66' aus, die dazwischen angeordnet sind.
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Weiterhin
wirken die Unipolarplatten 60', 62' zusammen,
um einen Strömpfad 68' zwischen den Stegen 66' der
Unipolarplatten 60, 62' zu bilden. Der Strömpfad 68' ist
dafür ausgelegt, eine Verteilung eines dielektrischen Kühlfluids
durch die Bipolarplatten 52', 54' zu erleichtern.
Durch die Unipolarplatten 60', 62' können
nach Bedarf eine Reihe von Strömpfaden 68' gebildet
werden. Ferner bilden die Unipolarplatten 60', 62' jeweils
einen Umfangabschnitt 84 an einer Innenfläche
einem Außenumfangsrand der Unipolarplatten 60', 62'.
Die Umfangsabschnitte 84 wirken zusammen, um einen zum
Aufnehmen eines Dichtmittels 82 ausgelegten Hohlraum zu
bilden. In der gezeigten Ausführungsform sind die Unipolarplatten 60', 62' der
Bipolarplatten 52', 54' mit Lötmetall 70' miteinander
verbunden. Die Unipolarplatten 60', 62' können
aber durch jedes herkömmliche Mittel, beispielsweise einen
Kleber der B-Stufe, oder durch Verschweißen verbunden werden,
oder die Bipolarplatten 52', 54' können
nach Bedarf aus einem einzigen Stück Material gebildet
werden. In der gezeigten Ausführungsform sind die Bipolarplatten 52', 54' aus
316-Edelstahl gebildet, können aber zum Beispiel aus einem
beliebigen herkömmlichen Material wie Graphit oder einem
Polymer gebildet werden. Es versteht sich, dass die Strömungskanäle 64' nach Bedarf
geradlinig, im Wesentlichen wellenförmig, gewunden sein
können oder jede andere Auslegung haben können.
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An
den Strömungskanälen 64' und Stegen 66' jeder
der Bipolarplatten 52', 54' ist eine Klebeschicht 58' angeordnet.
In der gezeigten Ausführungsform sind die Klebeschichten 58' benachbart
zu den zweiten Seiten 74' der Diffusionsmedien 55' und sind
aus einem elektrisch leitenden Kleber der B-Stufe gebildet. Die
Klebeschichten 58' verbinden die Stege 66' der
Bipolarplatten 52', 54' mit den ersten Seiten 72' der
Diffusionsmedien 55'. Die Klebeschichten 58' können
nach Bedarf aus jedem elektrisch leitenden Material gebildet werden.
Die Klebeschichten 58' können auch leitender thermoplastischer
Klebstoff oder eine Kombination aus leitendem Primer und einem leitenden
Klebstoff sein.
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Das
Dichtmittel 82 ist zwischen den durch die Umfangsabschnitte 84 jeder
der Bipolarplatten 52', 54' ausgebildeten Hohlräumen,
der MEA 56' und einem äußeren Abschnitt 85 eines
(nicht dargestellten) Brennstoffzellenstapels angeordnet, um die
vorstehend erwähnten Komponenten miteinander zu verbinden
und eine Abdichtung zwischen den Komponenten zu bilden. In der gezeigten
Ausführungsform sind die Dichtmittel 82 ein Schmelzdichtmittel,
beispielsweise ein Epoxydharz. Die Umfangsabschnitte 84 können
in dem Außenumfangsrand der Bipolarplatten 52', 54' aus gebildet
sein oder die Umfangsabschnitte 84 können zwischen
dem Außenumfangsrand und den Arbeitsseiten 26', 28' der
Bipolarplatten 52', 54' ausgebildet sein. Der äußere
Abschnitt 85 kann nach Bedarf eine Dichtung, ein Druckmittel
oder eine andere Brennstoffzellenstapelkomponente sein. Es versteht
sich, dass das Dichtmittel 82 jedes herkömmliche
Material sein kann, das zum Bilden einer Abdichtung zwischen den
Bipolarplatten 52', 54' und der MEA 56' ausgelegt
ist. Es versteht sich, dass das Dichtmittel 82 mit Hilfe
eines Spritzgussverfahrens separat ausgebildet und in den Umfangsabschnitten 84 angeordnet
werden kann. Das Dichtmittel 82 kann auch mit Hilfe eines
herkömmlichen Prozesses, beispielsweise manuelles Beschichten
oder Aufspritzen des Dichtmittels 82 auf die Umfangsabschnitte 84,
direkt an den Umfangsabschnitten 84 der Bipolarplatte 52' aufgebracht
werden. Ferner kann das Dichtmittel 82 auf die Unipolarplatten 60', 62' während
eines Spulenbeschichtungsprozesses aufgebracht werden, oder das
Dichtmittel 82 kann eine Dichtung sein, die separat ausgebildet
wird und nach Bedarf in den Umfangsabschnitten 84 angeordnet
wird.
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Zum
Zusammenbau der in 3 gezeigten Brennstoffzellenanordnung 50' wird
die erste Unipolarplatte 60' an der zweiten Unipolarplatte 62' zum Anhaften
gebracht, um die Bipolarplatten 52', 54' zu bilden.
Die erste Unipolarplatte 60' kann nach Bedarf durch ein
beliebiges herkömmliches Anhaftmittel, beispielsweise Punktschweißen,
Laserschweißen, Ankleben oder Löten, an der zweiten
Unipolarplatte 62' zum Anhaften gebracht werden. Die erste
Unipolarplatte 60' wird an der zweiten Unipolarplatte 62' zum
Anhaften gebracht, um einen elektrischen Widerstand zwischen Flächen
durch die Bipolarplatten 52', 54' zu minimieren.
Es versteht sich, dass die Bipolarplatten 52', 54' nach
Bedarf aus einer einzigen integral ausgebildeten Platte gebildet
werden können. Die Arbeitsseiten 26', 28' der
Bipolarplatten 52', 54' werden mit einem Primer
behandelt, um ein ver bessertes Anhaften der Klebeschicht 58' und
der Unipolarplatten 60', 62' zu erleichtern. Der
Primer kann nach Bedarf ein Säureprimer, ein alkalischer
Primer oder eine selbstätzende Klebeschicht sein. Die Klebeschicht 58' ist
an den Strömungskanälen 64' und den Stegen 66' der
Arbeitsseiten 26', 28' der Bipolarplatten 52', 54' angeordnet.
Die Klebeschicht 58' kann durch ein beliebiges herkömmliches
Verfahren an den Bipolarplatten 52', 54' angeordnet
werden, beispielsweise kann sie nach Bedarf aufgepresst oder aufgesprüht
werden. Wenn ferner die Unipolarplatten 60', 62' aus
einem Metall gebildet werden, kann die Klebeschicht 58' während
eines Spulenbeschichtungsprozesses und vor einem Stanzprozess, der
die Unipolarplatten 60', 62' bildet, auf das Metall aufgebracht
werden. Es versteht sich, dass bei Bilden der Bipolarplatten 52', 54' aus
einem Polymermaterial die Klebeschicht 58' ohne Auftragen
eines Primers direkt auf die Bipolarplatten 52', 54' aufgebracht
werden kann oder die Polymerbipolarplatten 52', 54' eine
Koronaentladungsbehandlung oder eine Hochfrequenz-Glimmentladungsbehandlung
erfahren können, um ein verbessertes Anhaften der Klebeschicht 58' an
den Bipolarplatten 52', 54' zu erleichtern.
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Das
Diffusionsmedium 55', die mikroporöse Schicht 76',
die PEM 78' und die Katalysatorschicht 80' werden
zusammengesetzt. Eine (nicht dargestellte) Paste, die ein Gemisch
aus Kohlenstoffpulver und Fluorkohlenwasserstoffpolymeren enthält,
wird gebildet, auf die zweite Seite 74' des Diffusionsmediums 55' aufgebracht
und bei oder nahe 380°C gesintert, um das Diffusionsmedium 55' und
die mikroporöse Schicht aneinander anhaften zu lassen.
Die mikroporöse Schicht 76' wird an einer ersten
Seite der Katalysatorschicht 80' mit einem selbst blockenden
Mechanismus durch Erwärmen des Diffusionsmediums 55',
der mikroporösen Schicht 76' und der Katalysatorschicht 80' bei
oder nahe 130°C aufgebracht. Die zweite Seite der Katalysatorschicht 80' wird
an einer ersten Seite der PEM 78' zum Anhaften gebracht. Eine
zweite Anordnung von Diffusionsmedium 55', mikroporöser
Schicht 76' und Katalysatorschicht 80', die wie
vorstehend beschrieben erzeugt wird, wird an einer zweiten Seite
der PEM 78' zum Anhaften gebracht.
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Das
Dichtmittel 82 wird in den Umfangabschnitten 84 der
ersten Bipolarplatte 52' angeordnet. Eines der Diffusionsmedien 55' wird
gegen die Klebeschicht 58' der Bipolarplatte 52' gepresst
und das andere Diffusionsmedium 55' wird gegen die Klebeschicht 58' einer
zweiten Bipolarplatte 54' gepresst. Nach dem Zusammenbau
kann die Brennstoffzellenanordnung 50' erwärmt
werden, um ein Verbinden des Dichtmittels 82 mit den Bipolarplatten 52', 54' und
einem Umfang der MEA 56' zu bewirken und ein verbessertes
Anhaften der MEA 56' und der Bipolarplatten 52', 54' zu
erleichtern. Das Dichtmittel 82' kann nach Bedarf auch
eine fluiddichte Abdichtung zwischen der MEA 56' und den
Bipolarplatten 52', 54' bilden.
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Da
die Klebeschichten 58' elektrisch leitend sind, wird der
Kontaktwiderstand zwischen den Diffusionsmedien 55' und
den Bipolarplatten 52', 54' minimiert. Da weiterhin
die Klebeschichten 58' elektrisch leitende Kontaktpunkte
zwischen den Diffusionsmedien 55' und den Bipolarplatten 52', 54' vorsehen, kann
der Betrag an Druckkraft, die auf den Brennstoffzellenstapel zum
Erhalten ausreichender Leitfähigkeit ausgeübt
wird, minimiert werden. Durch Minimieren der Druckkraft können
eine elastische und plastische Verformung der Bipolarplatten 52', 54' und der
Diffusionsmedien 55' minimiert werden, wodurch eine Lebensdauer
der Bipolarplatten 52', 54' verlängert
wird. Das Minimieren der Druckkraft an dem Brennstoffzellenstapel
wirkt auch dem Eindringen des Diffusionsmediums 55' in
die Strömungskanäle 64' der Bipolarplatten 52', 54' und
einem Faserkriechen in die MEA 56' entgegen.
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Der
Durchschnittsfachmann kann der vorstehenden Beschreibung ohne Weiteres
die wesentlichen Eigenschaften dieser Erfindung entnehmen und kann,
ohne vom Wesen und Schutzumfang derselben abzuweichen, verschiedene Änderungen
und Abwandlungen an der Erfindung vornehmen, um sie an verschiedene
Nutzungsmöglichkeiten und Bedingungen anzupassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 2003/011347 [0007]
- - US 7063913 [0028]