DE102010004160B4

DE102010004160B4 - Bipolarplattenaufbau für einen Brennstoffzellenstapel und Brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE102010004160B4
Application number: DE102010004160.2A
Authority: DE
Inventors: Eric J. Connor; John C. Fagley; Gerald W. Fly; Wenbin Gu; Yeh-Hung Lai; David A. Masten
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-01-13
Filing date: 2010-01-08
Publication date: 2015-11-12
Anticipated expiration: 2030-01-09
Also published as: US8889314B2; US20100178580A1; DE102010004160A1; CN101789508A

Abstract

Bipolarplattenaufbau (8) für eine Brennstoffzelle, umfassend: eine erste Platte (58), die geeignet ist, um an ein Diffusionsmedium (38) anzugrenzen und ein Reaktandengas an eine Kathodenseite einer Membranelektrodenanordnung (6) zu verteilen, wozu die erste Platte (58) aus einem porösen Material hergestellt ist; eine zweite Platte (60), die eine Mehrzahl von Stegen (69, 73) aufweist, wobei die Stege (69, 73) geeignet sind, um an ein Diffusionsmedium (36) anzugrenzen, wobei ein Kanal (70) dazwischen gebildet wird, wobei der Kanal (70) geeignet ist, um ein Reaktandengas an eine Anodenseite einer Membranelektrodenanordnung (4) zu verteilen; und eine dritte Platte (62), die zwischen der ersten Platte (58) und der zweiten Platte (60) angeordnet ist, wobei die dritte Platte (62) an die Stege (69, 73) der zweiten Platte (60) angrenzt, wobei ein Kanal (74) dazwischen gebildet wird, wobei der Kanal (74) geeignet ist, um eine Fluidströmung hindurch zuzulassen, um eine thermische Regulierung der Brennstoffzelle zu unterstützen; wobei sowohl die zweite als auch die dritte Platte (60, 62) fluidundurchlässig sind.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Offenbarung betrifft Brennstoffzellensysteme und insbesondere einen Bipolarplattenaufbau für einen Brennstoffzellenstapel.
Mehrlagig aufgebaute Bipolarplatten sind grundsätzlich bekannt und werden beispielsweise in den Druckschriften US 2008/0090129 A1 , US 2006/0183300 A1 oder US 2007/0015035 A1 beschrieben.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Brennstoffzellen sind als eine saubere, effiziente und umweltfreundliche Energiequelle für Elektrofahrzeuge und verschiedene andere Anwendungen vorgeschlagen worden. Ein Beispiel einer Brennstoffzelle ist die Protonenaustauschmembran-(PEM)-Brennstoffzelle. Die PEM-Brennstoffzelle umfasst eine Membranelektrodenanordnung (MEA), die allgemein einen dünnen Festpolymermembranelektrolyten umfasst, der einen Katalysator und eine Elektrode auf beiden Seiten des Membranelektrolyten aufweist.
Die MEA umfasst allgemein poröse leitende Materialien, die auch als Gasdiffusionsmedien bekannt sind und Reaktanden über die Oberflächen der Elektrodenschichten verteilen. Brennstoff, wie Wasserstoffgas, wird an der Anode eingeführt, an der er elektrochemisch in der Anwesenheit des Katalysators reagiert, um Elektronen und Wasserstoffkationen zu erzeugen. Die Elektronen werden von der Anode zu der Kathode durch eine dazwischen angeordnete elektrische Schaltung geleitet. Gleichzeitig gelangen die Wasserstoffkationen durch den Elektrolyt zu der Kathode, an der ein Oxidationsmittel, wie Sauerstoff oder Luft, elektrochemisch in der Anwesenheit des Elektrolyten und des Katalysators reagiert, um Sauerstoffanionen zu erzeugen. Die Sauerstoffanionen reagieren mit den Wasserstoffkationen, um Wasser als ein Reaktionsprodukt zu bilden.
Die MEA ist typischerweise zwischen einem Paar elektrisch leitender Kontaktelemente oder Bipolarplatten angeordnet, um eine einzelne PEM-Brennstoffzelle zu vervollständigen. Die Bipolarplatten dienen als Stromsammler bzw. -kollektoren für die Anode und die Kathode und besitzen geeignete Strömungskanäle und Öffnungen, die darin geformt sind, um die gasförmigen Reaktanden (d. h. der H₂ & O₂/Luft) der Brennstoffzelle über die Oberflächen der jeweiligen Elektroden zu verteilen. Die Bipolarplatten können verschiedenen zusätzlichen Zwecken dienen, wie, um eine mechanische Abstützung bereitzustellen, um den Kompressionskräften zu widerstehen, die aufgebracht werden, um den Brennstoffzellenstapel zusammenzuhalten, und ein Mittel bereitzustellen, um beispielsweise überschüssige Wärme, die durch die exothermen Brennstoffzellenreaktionen, die in der Brennstoffzelle ablaufen, erzeugt wird, zu entfernen.
Ein wichtiges Maß der Brennstoffzelle ist ihre volumetrische Energiedichte. Eine hohe volumetrische Energiedichte ist für Fahrzeuganwendungen von Brennstoffzellen erwünscht. Die volumetrische Energiedichte wird als die Wattdichte pro cm² einer einzelnen Brennstoffzelle mal der Menge an Zellen pro linearem Zentimeter an Stapelhöhe gemessen. Daher ist es erwünscht, dünne Zellen zu konstruieren, um eine hohe volumetrische Energiedichte zu erreichen. Die volumetrische Energiedichte ist größtenteils eine Funktion der physikalischen Konstruktion der Brennstoffzellenkomponenten und der Konstruktion der Bipolarplatten. Die Konstruktion der Bipolarplatten beim Stand der Technik ist durch viele breit gefächerte Faktoren, wie beispielsweise Zellenchemie, Reaktandenströmungskonfigurationen, Materialauswahl, Systemdruckbeaufschlagung, Betriebstemperatur und Systemkühlanforderungen, gelenkt gewesen.
Demgemäß besteht ein Bedarf, eine Bipolarplatte herzustellen, die einen Massentransportwiderstand bei hoher Stromdichte, insbesondere auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle, minimiert. Die Bipolarplatte soll auch minimierte Materialkosten, einen optimierten Gebrauch von Kühlmittel sowie eine einfachere Herstellbarkeit erreichen, während eine volumetrische Energiedichte maximiert wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein hier auch als Bipolarplatte bezeichneter Bipolarplattenaufbau mit den Merkmalen des Anspruchs 1 entwickelt worden, der einen Massentransportwiderstand bei hoher Stromdichte minimiert, wodurch eine Reduktion hinsichtlich der Materialkosten, ein optimierter Gebrauch von Kühlmittel sowie eine einfachere Herstellbarkeit erreicht werden, während eine hohe volumetrische Energiedichte beibehalten wird.
Bei einer Ausführungsform umfasst ein Brennstoffzellenstapel zumindest eine Brennstoffzelle, die eine Membranelektrodenanordnung mit einer Anodenseite und einer Kathodenseite besitzt, wobei die Membranelektrodenanordnung zwischen einem Paar von Bipolarplatten angeordnet ist, die gemäß Anspruch 1 ausgeschildert sind.
ZEICHNUNGEN
Die obigen wie auch andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen offensichtlich.
1 zeigt eine schematische perspektivische Explosionsdarstellung eines PEM-Brennstoffzellenstapels (es sind nur zwei Brennstoffzellen gezeigt);
2 ist ein bruchstückhafter Aufriss im Schnitt des in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapels; und
3 ist eine vergrößerte Ansicht eines porösen Materials, das dazu verwendet wird, eine Bipolarplatte des Brennstoffzellenstapels herzustellen, wie in dem Kreis 3 von 2 gezeigt ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur. Es sei auch zu verstehen, dass in allen Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale angeben.
Der Einfachheit halber ist nur ein Zwei-Zellen-Stapel (d. h. eine Bipolarplatte) nachfolgend veranschaulicht und beschrieben, wobei zu verstehen sei, dass ein typischer Stapel viel mehr derartige Zellen und Bipolarplatten aufweist.
1 zeigt einen Zwei-Zellen-PEM-Brennstoffzellenstapel 2 mit einem Paar von Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 4, 6, die voneinander durch ein elektrisch leitendes Fluidverteilungselement 8, nachfolgend eine Bipolarplatte 8, getrennt sind. Die MEAs 4, 6 und die Bipolarplatte 8 sind zwischen Endelementen 10, 12 und Endplatten 14, 16 aneinander gestapelt. Die Endplatten 14, 16 sind derart angepasst, dass sie einen Brennstoff, wie H₂, und ein Oxidationsmittel, wie beispielsweise O₂, an die MEAs 4, 6 verteilen. Nichtleitende Dichtungen 26, 28, 30, 32 sehen Abdichtungen wie auch eine elektrische Isolierung zwischen Komponenten des Brennstoffzellenstapels 2 vor.
Poröse, elektrisch leitende Diffusionsmedien (DM) 34, 36, 38, 40 grenzen an die Elektrodenseiten der MEAs 4, 6 an. Derartige DM 34, 36, 38, 40 können aus einem Material aufgebaut sein, das eine Verteilung der Reaktanden über die Oberfläche der Elektroden und daher über die zu der Elektrode weisenden Membran erleichtert, wie beispielsweise verwebtem Graphit, einer graphitisierten Lage bzw. Tafel und Kohlenstoffpapier. Die Endplatten 14, 16 werden jeweils gegen die DMs 34, 40 gepresst. Die Bipolarplatte 8 grenzt auf einer Anodenseite der MEA 4 an dem DM 36 an und ist derart ausgebildet, dass sie einen wasserstoffführenden Reaktanden aufnimmt. Die Bipolarplatte 8 grenzt auf einer Kathodenseite der MEA 6 an dem DM 38 an und ist derart ausgebildet, dass sie einen sauerstoffführenden Reaktanden aufnimmt. Der sauerstoffführende Reaktand wird an eine Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 2 von einer Sauerstoffquelle 46 durch eine geeignete Lieferleitung 42 geliefert, während der wasserstoffführende Reaktand an eine Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 2 von einer Wasserstoffquelle 48 durch eine geeignete Lieferleitung 44 geliefert wird. Alternativ dazu kann Umgebungsluft an die Kathodenseite als ein sauerstoffführender Reaktand und Wasserstoff an die Anodenseite beispielsweise von einem Methanol- oder Benzinreformer oder dergleichen geliefert werden. Es ist auch eine Austragsleitung (nicht gezeigt) für sowohl die Anodenseite als auch die Kathodenseite der MEAs 4, 6 vorgesehen. Es sind zusätzliche Leitungen 50, 52, 54 zur Lieferung eines Kühlmittels an die Bipolarplatte 8 und die Endplatten 14, 16 vorgesehen. Es sind auch geeignete Leitungen (nicht gezeigt) zum Austrag von Kühlmittel von der Bipolarplatte 8 und den Endplatten 14, 16 vorgesehen.
2 zeigt einen Schnitt des Zwei-Zellen-Brennstoffzellenstapels 2 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die MEAs 4, 6 weisen eine Protonenaustauschmembran (PEM) 55 auf, die schichtartig zwischen einer Kathode 56 und einer Anode 57 angeordnet ist. Die Kathode 56 und die Anode 57 umfassen typischerweise ein poröses leitendes Material mit darin verteilten katalytischen Partikeln, um die elektrochemische Reaktion des Sauerstoffs in der Kathode 56 und des Wasserstoffs in der Anode 57 zu erleichtern.
Wie gezeigt ist, sind die MEAs 4, 6 zwischen der Bipolarplatte 8 bzw. den Endplatten 14, 16 aneinandergestapelt. Die Bipolarplatte 8 umfasst eine erste Außentafel oder Unipolarplatte 58, eine zweite Außentafel oder Unipolarplatte 60 und eine Innenabstandhaltertafel oder Separatorplatte 62, die zwischen den Unipolarplatten 58, 60 angeordnet ist. Typischerweise sind die Unipolarplatten 58, 60 und die Separatorplatte 62 beispielsweise durch einen Klebstoff miteinander verbunden, um die zusammengebaute Bipolarplatte 8 zu bilden. Das Verbinden kann beispielsweise durch Hartlöten, Diffusionsbonden, Laserschweißen oder Kleben mit einem leitenden Klebstoff erreicht werden, wie es in der Technik gut bekannt ist. Geeignete Binder sind den Fachleuten bekannt und können nach Bedarf gewählt werden.
Bei der in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsform ist die Unipolarplatte 58 aus einem porösen Material hergestellt, wie beispielsweise einem Metallschaum (beispielsweise Nickelschaum und Schaum aus rostfreiem Stahl), einem kohlenstoffbasierten Schaum (beispielsweise Graphitschaum) und einem Mikrofachwerkmaterial (Mikrogerüstmaterial). Zulieferer derartiger Schäume sind beispielsweise Ultramet, Platingtech, Mitsubishi Materials Corporation, Siping AKS Metal Material Technology Corporation, Sumitomo Electric Industries, Ltd. und Porvair plc. Ein Verfahren und System zur Erzeugung von Polymermaterialien mit geordneten Mikrofachwerkstrukturen ist von Jacobsen in dem U.S. Patent US 7,382,959 B1 offenbart, deren gesamte Offenbarung hierdurch durch Bezugnahme hier eingeschlossen ist. Es sei zu verstehen, dass das Mikrofachwerkmaterial nach Bedarf durch ein beliebiges Verfahren und System hergestellt werden kann. Es sei ferner zu verstehen, dass das Mikrofachwerkmaterial nach Bedarf metallisiert, karbonisiert und/oder keramisiert sein kann. Es sei auch zu erkennen, dass das poröse Material in beliebiger Dicke, Porosität und mit beliebiger Porengröße vorgesehen werden kann, wie es für die Unipolarplatte 58 geeignet ist. Als ein nicht beschränkendes Beispiel besitzt die Unipolarplatte 58 eine Dicke von etwa 0,25 mm bis etwa 1,0 mm. Eine Innenseite 64 der Unipolarplatte 58 ist derart angepasst, dass sie an der Separatorplatte 62 angrenzt. Eine Außenseite 66 der Unipolarplatte 58 ist derart angepasst, dass sie an dem DM 38 angrenzt. Wie gezeigt ist, erlaubt das poröse Material der Unipolarplatte 58 einen Kontakt des Reaktandengases mit einem wesentlichen Abschnitt der Kathodenseite der MEA 6 gegenüber einer typischen Strömungskanalkonfiguration. Demgemäß ist der Kathodenmassentransportwiderstand minimiert. Ein geschätzter Kathodenmassentransportwiderstand für eine typische Strömungskanalkonfiguration bei 1,5 A/cm² beträgt 60 mV. Bei einem nicht beschränkenden Beispiel bewirkt das poröse Material der Unipolarplatte 58 eine Abnahme von ungefähr dreiunddreißig Prozent (33%) des Kathodenmassentransportwiderstandes oder zusätzliche 20 mV. Bei einem anderen nicht beschränkenden Beispiel ist, wenn eine maximale Leistung und ein maximaler Strom konstant gehalten werden, eine insgesamt aktive Fläche des Brennstoffzellenstapels 2 um etwa drei Prozent (3%) verringert, eine Kühlanforderung ist um etwa sechs Prozent (6%) verringert, und ein Wasserstoffverbrauch ist um etwa drei Prozent (3%) verringert. Bei einem anderen nicht beschränkenden Beispiel können, wenn die Kühlanforderung und die maximale Leistung konstant gehalten werden und der maximale Strom erhöht ist, die Kathode 56 und das DM 38, die in dem Brennstoffzellenstapel 2 verwendet sind, eine etwa zehn bis fünfzehn Prozent (10–15%) kleinere Oberfläche besitzen, als eine Kathode und ein DM in einem typischen Brennstoffzellenstapel. Obwohl die Unipolarplatte 58 eine Porengröße von etwa 10 μm bis etwa 1500 μm besitzt, sei zu verstehen, dass die Unipolarplatte 58 nach Bedarf eine beliebige Porengröße besitzen kann. Es sei ferner zu erkennen, dass die Porengröße des porösen Materials der Unipolarplatte 58 die Dicke des DM 38 beeinflussen kann (d. h. je kleiner die Porengröße des porösen Materials ist, umso dünner ist das DM 38, das in dem Brennstoffzellenstapel 2 verwendet werden kann, oder eine Beseitigung des DM 38 davon). Es ist erwünscht, dass das poröse Material, das dazu verwendet wird, die Unipolarplatte 58 zu erzeugen, eine ausreichende Verformbarkeit und Nachgiebigkeit besitzt, um möglichen Unebenheiten der Separatorplatte 62 nachzukommen, einen vernachlässigbaren elektrischen Kontaktwiderstand mit der Separatorplatte 62 sowie eine ausreichende thermische Leitfähigkeit besitzt, um erzeugte thermische Energie zu verteilen. Es sei zu verstehen, dass das poröse Material der Unipolarplatte 58 eine Mehrzahl anderer physikalischer Charakteristiken besitzen kann, wie beispielsweise Hydrophilie und Permeabilität. Es sei ferner zu verstehen, dass gegebenenfalls ein mehrschichtiges poröses Material mit den oben erwähnten Charakteristiken dazu verwendet werden kann, die Unipolarplatte 58 herzustellen.
Die Unipolarplatte 60 ist eine im Wesentlichen fluidundurchlässige, elektrisch und thermisch leitende sowie korrosionsbeständige Tafel. Die Unipolarplatte 60 kann aus einem Metallmaterial und/oder einem Nicht-Metall-Material hergestellt sein, wie beispielsweise einem Material aus rostfreiem Stahl, einem Aluminiummaterial, einem Titanmaterial, einem Graphitmaterial und einem Verbundstoff- bzw. Kompositmaterial. Es kann jegliches herkömmliche Verfahren zum Ausbilden der Unipolarplatte 60 verwendet werden, wie beispielsweise Stanzen bzw. Prägen, Walzformen, Druckformen sowie elektromagnetisches Formen. Es sei zu erkennen, dass das Material und das Verfahren zum Formen der Unipolarplatte 60 eine Formbarkeit der Unipolarplatte 60 beeinflussen können. Als ein nicht beschränkendes Beispiel besitzt die Unipolarplatte 60 eine Dicke von etwa 0,05 mm bis etwa 0,1 mm. Es sei jedoch zu verstehen, dass die Unipolarplatte 60 gegebenenfalls eine beliebige Dicke besitzen kann.
Eine Innenseite 68 der Unipolarplatte 60 umfasst eine Mehrzahl von Stegen 69. Die Stege 69 sind derart angepasst, dass sie an dem DM 36 angrenzen, um dazwischen eine Mehrzahl im Wesentlichen paralleler beabstandeter Kanäle 70 zu definieren. Die Kanäle 70 sind für eine Strömung eines Reaktandengases hindurch während eines Betriebs des Brennstoffzellenstapels 2 konfiguriert. Eine Außenseite 72 der Unipolarplatte 60 weist auch eine Mehrzahl von Stegen 73 auf. Die Stege 73 sind derart angepasst, dass sie an die Separatorplatte 62 angrenzen, um dazwischen eine Mehrzahl im Wesentlichen paralleler beabstandeter Kanäle 74 zu definieren. Die Kanäle 74 sind für eine Strömung eines Fluides, wie beispielsweise eines Kühlmittels, hindurch während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 2 und zur Unterstützung seiner thermischen Regulierung konfiguriert. Die Kanäle 74 sind derart angepasst, dass sie die Strömung des Fluides in nächster Nähe zu einem Reaktionsort und ohne nicht strömende Volumen zulassen, als bei einer typischen Strömungskanalkonfiguration. Demgemäß sind in dem Brennstoffzellenstapel 2 im Gegensatz zu einem typischen Brennstoffzellenstapel höhere Fluidtemperaturen und geringere Fluidvolumen zugelassen. Die Formbarkeit der Unipolarplatte 60 erlaubt, dass Radien R1, R2 der Kanäle 70 und Radien der Kanäle 74 nach Bedarf geformt werden können. Bei der gezeigten Ausführungsform sind die Radien R1 und R2 so geformt, dass erlaubt wird, dass flachere Kanäle 70, als bei einer typischen Strömungskanalkonfiguration, zwischen der Unipolarplatte 60 und dem DM 36 definiert werden können, wodurch einer Abnahme des Anodendrucks entgegengewirkt wird.
Die Separatorplatte 62 ist eine im Wesentlichen fluidundurchlässige, elektrisch und thermisch leitende, korrosionsbeständige Tafel. Die Separatorplatte 62 kann aus einem Metallmaterial und/oder einem Nicht-Metall-Material hergestellt werden, wie beispielsweise einem Material aus rostfreiem Stahl, einem Aluminiummaterial, einem Titanmaterial, einem Graphitmaterial sowie einem Verbundstoff- bzw. Kompositmaterial. Es kann jegliches herkömmliche Verfahren zur Ausbildung der Separatorplatte 62 verwendet werden, wie beispielsweise Stanzen bzw. Prägen, Walzformen, Druckformen sowie elektromagnetisches Formen. Als ein nicht beschränkendes Beispiel besitzt die Separatorplatte 62 eine Dicke von etwa 0,02 mm bis etwa 0,1 mm. Es sei jedoch zu verstehen, dass die Separatorplatte 62 gegebenenfalls eine beliebige Dicke besitzen kann. Wie gezeigt ist, ist die Separatorplatte 62 im Wesentlichen planar, obwohl zu verstehen sei, dass die Separatorplatte 62 nach Bedarf Durchbrechungen und außerhalb der Ebene angeordnete Merkmale, wie beispielsweise Vertiefungen, Kanäle, Rippen und dergleichen, aufweisen kann. Die Separatorplatte 62 kann auch derart angepasst sein, dass sie zulässt, dass eine Fluid, wie beispielsweise ein Kühlmittel, hindurchströmt und eine thermische Regulierung des Brennstoffzellenstapels 2 unterstützt.
Bei der gezeigten Ausführungsform weist die Endplatte 14 eine Separatorplatte 80 und eine Unipolarplatte 82 auf. Typischerweise sind die Platten 80, 82 beispielsweise durch einen Klebstoff miteinander verbunden, um die zusammengebaute Endplatte 14 zu bilden. Das Verbinden kann beispielsweise durch Hartlöten, Diffusionsbonden, Laserschweißen oder Kleben mit einem leitenden Klebstoff erreicht werden, wie es in der Technik gut bekannt ist. Geeignete Binder sind dem Fachmann gut bekannt und können nach Bedarf gewählt werden.
Die Separatorplatte 80 ist eine im Wesentlichen fluidundurchlässige, elektrisch und thermisch leitende, korrosionsbeständige Tafel. Die Separatorplatte 80 kann aus einem Metallmaterial und/oder einem Nicht-Metall-Material hergestellt werden, wie beispielsweise einem Material aus rostfreiem Stahl, einem Aluminiummaterial, einem Titanmaterial, einem Graphitmaterial und einem Verbundstoff- bzw. Kompositmaterial. Es kann jedes herkömmliche Verfahren zum Formen der Separatorplatte 80 verwendet werden, wie beispielsweise Stanzen bzw. Prägen, Walzformen, Druckformen sowie elektromagnetisches Formen. Als ein nicht beschränkendes Beispiel ist die Separatorplatte 80 etwa 0,02 mm bis etwa 0,1 mm dick. Es sei jedoch zu verstehen, dass die Separatorplatte 80 gegebenenfalls eine beliebige Dicke besitzen kann. Wie gezeigt ist, ist die Separatorplatte 80 im Wesentlichen planar, obwohl zu verstehen sei, dass die Separatorplatte 80 nach Bedarf Durchbrechungen und außerhalb der Ebene befindliche Merkmale aufweisen kann, wie beispielsweise Vertiefungen, Kanäle, Rippen und dergleichen. Die Separatorplatte 80 kann auch derart angepasst sein, dass sie zulässt, dass ein Fluid, wie beispielsweise ein Kühlmittel, hindurchströmt und eine thermische Regulierung des Brennstoffzellenstapels 2 unterstützt.
Bei der gezeigten Ausführungsform ist die Unipolarplatte 82 aus einem porösen Material hergestellt, wie beispielsweise einem Metallschaum (beispielsweise Nickelschaum und Schaum aus rostfreiem Stahl), einem kohlenstoffbasierten Schaum (beispielsweise Graphitschaum) und einem Mikrofachwerkmaterial. Es sei zu verstehen, dass das Mikrofachwerkmaterial gegebenenfalls durch ein beliebiges Verfahren und System hergestellt werden kann. Es sei ferner zu verstehen, dass das Mikrofachwerkmaterial gegebenenfalls metallisiert, karbonisiert und/oder keramisiert werden kann. Es sei ebenfalls zu erkennen, dass das poröse Material in einer beliebigen Dicke, Porosität wie auch Porengröße vorgesehen werden kann, die für die Unipolarplatte 82 geeignet sind. Als ein nicht beschränkendes Beispiel ist die Unipolarplatte 82 etwa 0,25 mm bis etwa 1,0 mm dick. Eine Innenseite 84 der Unipolarplatte 82 ist derart angepasst, dass sie an dem DM 34 angrenzt. Eine Außenseite 86 der Unipolarplatte 82 ist derart angepasst, dass sie an der Separatorplatte 80 angrenzt. Wie gezeigt ist, ermöglicht das poröse Material der Unipolarplatte 82 im Gegensatz zu einer typischen Strömungskanalkonfiguration, dass das Reaktandengas mit einem wesentlichen Anteil der Kathodenseite der MEA 4 in Kontakt tritt. Demgemäß ist ein Kathodenmassentransportwiderstand minimiert. Ein geschätzter Kathodenmassentransportwiderstand für eine typische Strömungskanalkonfiguration bei 1,5 A/cm² beträgt 60 mV. Bei einem nicht beschränkenden Beispiel bewirkt das poröse Material der Unipolarplatte 82 eine Abnahme um ungefähr dreiunddreißig Prozent (33%) des Kathodenmassentransportwiderstandes oder zusätzliche 20 mV. Bei einem anderen nicht beschränkenden Beispiel wird, wenn eine maximale Leistung und ein maximaler Strom konstant gehalten werden, eine insgesamt aktive Fläche des Brennstoffzellenstapels 2 um etwa drei Prozent (3%) verringert, eine Kühlanforderung wird um etwa sechs Prozent (6%) verringert, und ein Wasserstoffverbrauch wird um etwa drei Prozent (3%) verringert. Bei einem anderen nicht beschränkenden Beispiel können, wenn die Kühlanforderung und die maximale Leistung konstant gehalten werden und der maximale Strom erhöht ist, die Kathode 56 und das DM 34, die in dem Brennstoffzellenstapel 2 verwendet sind, eine etwa zehn bis fünfzehn Prozent (10–15%) kleinere Oberfläche als eine Kathode und ein DM in einem typischen Brennstoffzellenstapel besitzen. Obwohl die Unipolarplatte 82 eine Porengröße von etwa 10 μm bis etwa 1500 μm besitzt, sei zu verstehen, dass die Unipolarplatte 82 nach Bedarf eine beliebige Porengröße besitzen kann. Es sei ferner zu erkennen, dass die Porengröße des porösen Materials der Unipolarplatte 82 die Dicke des DM 34 beeinflussen kann (d. h. je kleiner die Porengröße des porösen Materials ist, umso dünner ist das DM 34, das in dem Brennstoffzellenstapel 2 verwendet werden kann, oder eine Beseitigung des DM 34 davon). Es ist erwünscht, dass das poröse Material, das dazu verwendet wird, die Unipolarplatte 82 herzustellen, eine ausreichende Verformbarkeit und Nachgiebigkeit besitzt, um möglichen Unebenheiten der Separatorplatte 80 nachzukommen, einen vernachlässigbaren elektrischen Kontaktwiderstand mit der Separatorplatte 80 besitzt, sowie eine ausreichende thermische Leitfähigkeit besitzt, um erzeugte thermische Energie zu verteilen. Es sei zu verstehen, dass das poröse Material der Unipolarplatte 82 eine Mehrzahl anderer physikalischer Charakteristiken besitzen kann, wie beispielsweise Hydrophilie und Permeabilität. Es sei ferner zu verstehen, dass gegebenenfalls ein mehrschichtiges poröses Material, das die oben erwähnten Charakteristiken besitzt, verwendet werden kann, um die Unipolarplatte 82 herzustellen.
Bei der gezeigten Ausführungsform umfasst die Endplatte 16 eine Unipolarplatte 90 und eine Separatorplatte 92. Die Unipolarplatte 90 ist eine im Wesentlichen fluidundurchlässige, elektrisch und thermisch leitende und korrosionsbeständige Tafel. Die Unipolarplatte 90 kann aus einem Metallmaterial und/oder einem Nicht-Metall-Material hergestellt werden, wie beispielsweise einem Material aus rostfreiem Stahl, einem Aluminiummaterial, einen Titanmaterial, einem Graphitmaterial und einem Verbundstoff- bzw. Kompositmaterial. Es kann jedes herkömmliche Verfahren zum Formen der Unipolarplatte 90 verwendet werden, wie beispielsweise Stanzen bzw. Prägen, Walzformen, Druckformen sowie elektromagnetisches Formen. Es sei angemerkt, dass das Material und Verfahren zum Formen der Unipolarplatte 90 eine Formbarkeit der Unipolarplatte 90 beeinflussen kann. Als ein nicht beschränkendes Beispiel ist die Unipolarplatte 90 etwa 0,05 mm bis etwa 0,1 mm dick. Es sei jedoch zu verstehen, dass die Unipolarplatte 90 gegebenenfalls eine beliebige Dicke besitzen kann.
Eine Innenseite 94 der Unipolarplatte 90 weist eine Mehrzahl von Stegen 96 auf. Die Stege 96 sind derart angepasst, dass sie an dem DM 40 angrenzen, um dazwischen eine Mehrzahl im Wesentlichen paralleler beabstandeter Kanäle 98 zu definieren. Die Kanäle 98 sind für eine Reaktandengasströmung hindurch während eines Betriebs des Brennstoffzellenstapels 2 konfiguriert. Eine Außenseite 100 der Unipolarplatte 90 weist auch eine Mehrzahl von Stegen 102 auf. Die Stege 102 sind derart angepasst, dass sie an der Separatorplatte 92 angrenzen, um dazwischen eine Mehrzahl im Wesentlichen paralleler beabstandeter Kanäle 104 zu definieren. Die Kanäle 104 sind für eine Strömung eines Fluides, wie beispielsweise eines Kühlmittels, hindurch während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 2 konfiguriert und unterstützen eine thermische Regulierung desselben. Die Kanäle 104 sind derart angepasst, dass sie im Gegensatz zu einer typischen Strömungskanalkonfiguration die Strömung des Fluides in nächster Nähe zu einem Reaktionsort und ohne nicht strömende Volumen zulassen. Demgemäß sind bei dem Brennstoffzellenstapel 2 höhere Fluidtemperaturen und geringere Fluidvolumen zugelassen, als bei einem typischen Brennstoffzellenstapel. Die Formbarkeit der Unipolarplatte 90 erlaubt, dass Radien R3, R4 der Kanäle 98 und Radien der Kanäle 104 nach Bedarf geformt werden können. Bei der gezeigten Ausführungsform sind die Radien R3, R4 so geformt, dass zugelassen wird, dass flachere Kanäle 98, als bei einer typischen Strömungskanalkonfiguration, zwischen der Unipolarplatte 90 und dem DM 40 definiert werden können, wodurch einer Abnahme des Anodendrucks entgegengewirkt wird.
Die nächste Nähe der Kanäle 74, 104 zu der Anode 57 der jeweiligen MEAs 4, 6 in Kombination mit einer relativ schlechten thermischen Leitfähigkeit des porösen Materials der Unipolarplatten 58, 82 resultiert in einem steileren Wärmegradienten an der Anodenseite der MEAs 4, 6. Demgemäß ist die Anode 57 der MEAs 4, 6 kälter als eine Anode einer Brennstoffzelle, die eine typische Strömungskanalkonfiguration besitzt. Die kältere Anode 57 der MEAs 4, 6 bewirkt, dass Wasser von der Kathode 56 der MEAs 4, 6 in Richtung der Anode 57 derselben getrieben wird, wodurch einem osmotischen Zug entgegengewirkt wird. Demgemäß sind eine Ionenleitfähigkeit der MEAs 4, 6 sowie ein Flüssigwassermanagement des Brennstoffzellenstapels 2 maximiert, während Anforderungen an externe Befeuchtung des Brennstoffzellenstapels 2 minimiert sind.
Die Separatorplatte 92 ist eine im Wesentlichen fluidundurchlässige, elektrisch und thermisch leitende, korrosionsbeständige Tafel. Die Separatorplatte 92 kann aus einem Metallmaterial und/oder einem Nicht-Metall-Material hergestellt werden, wie beispielsweise einem Material aus rostfreiem Stahl, einem Aluminiummaterial, einem Titanmaterial, einem Graphitmaterial und einem Verbundstoff- bzw. Kompositmaterial. Es kann jedes herkömmliche Verfahren zum Formen der Separatorplatte 92 verwendet werden, wie beispielsweise Stanzen bzw. Prägen, Walzformen, Druckformen sowie elektromagnetisches Formen. Als ein nicht beschränkendes Beispiel ist die Separatorplatte 92 etwa 0,02 mm bis etwa 0,1 mm dick. Es sei jedoch zu verstehen, dass die Separatorplatte 92 gegebenenfalls eine beliebige Dicke besitzen kann. Wie gezeigt ist, ist die Separatorplatte 92 im Wesentlichen planar, obwohl zu verstehen sei, dass die Separatorplatte 92 nach Bedarf Öffnungen und außerhalb der Ebene befindliche Merkmale aufweisen kann, wie beispielsweise Vertiefungen, Kanäle, Rippen und dergleichen. Die Separatorplatte 92 kann auch derart angepasst sein, dass sie zulässt, dass ein Fluid, wie beispielsweise ein Kühlmittel, hindurchströmt und eine thermische Regulierung des Brennstoffzellenstapels 2 unterstützt.
Im Betrieb kann die Bipolarplatte 8 der vorliegenden Erfindung in dem Brennstoffzellenstapel 2 verwendet werden. Derartige Brennstoffzellenstapel 2 können beispielsweise in Energiesystemen zum Betrieb eines Fahrzeugs verwendet werden. Wenn die Unipolarplatten 58, 82 als Teil des Brennstoffzellenstapels 2 in Betrieb sind, sehen sie eine im Wesentlichen gleichförmige Verteilung des Reaktandengases über die aktive Fläche der Kathode 56 der MEAs 4, 6 vor. Das Reaktandengas wirkt einer Flüssigwasserstagnation in der Kathode 56 entgegen. Insbesondere treibt der Druck des Reaktandengases Feuchtigkeit, die durch die elektrochemische Reaktion der Brennstoffzelle und aus externer Befeuchtung erzeugt wird, durch die Poren des porösen Materials der Unipolarplatten 58, 82. Stagnierendes flüssiges Wasser kann den Gesamtwirkungsgrad des Brennstoffzellenstapels 2 reduzieren und zu einem Ausfall des Brennstoffzellenstapels 2 führen. Das Hemmen einer Flüssigwasserstagnation resultiert in einem verringerten Auftreten von Korrosion eines Kohlenstoffkatalysatorträgers in den MEAs 4, 6. Eine Gefrierfähigkeit des Brennstoffzellenstapels 2 während des Betriebs unter kalten Bedingungen ist mit der vorliegenden Erfindung ebenfalls maximiert. Es sei zu verstehen, dass ein Minimieren des Kathodenmassentransportwiderstandes bei hoher Stromdichte, während ein hoher volumetrischer Wirkungsgrad beibehalten wird, die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels 2 gegenüber einem Brennstoffzellenstapel, der eine typische Strömungskanalkonfiguration besitzt, erhöht. Insbesondere entspricht eine Minimierung des Kathodenmassentransportwiderstandes einer höheren Brennstoffzellenspannung, wodurch geringere Kühlanforderungen des Brennstoffzellenstapels 2, weniger Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel 2, ein höherer Wirkungsgrad des Brennstoffzellenstapels 2 und geringere Kosten resultieren.

Claims

Bipolarplattenaufbau (8) für eine Brennstoffzelle, umfassend: eine erste Platte (58), die geeignet ist, um an ein Diffusionsmedium (38) anzugrenzen und ein Reaktandengas an eine Kathodenseite einer Membranelektrodenanordnung (6) zu verteilen, wozu die erste Platte (58) aus einem porösen Material hergestellt ist; eine zweite Platte (60), die eine Mehrzahl von Stegen (69, 73) aufweist, wobei die Stege (69, 73) geeignet sind, um an ein Diffusionsmedium (36) anzugrenzen, wobei ein Kanal (70) dazwischen gebildet wird, wobei der Kanal (70) geeignet ist, um ein Reaktandengas an eine Anodenseite einer Membranelektrodenanordnung (4) zu verteilen; und eine dritte Platte (62), die zwischen der ersten Platte (58) und der zweiten Platte (60) angeordnet ist, wobei die dritte Platte (62) an die Stege (69, 73) der zweiten Platte (60) angrenzt, wobei ein Kanal (74) dazwischen gebildet wird, wobei der Kanal (74) geeignet ist, um eine Fluidströmung hindurch zuzulassen, um eine thermische Regulierung der Brennstoffzelle zu unterstützen; wobei sowohl die zweite als auch die dritte Platte (60, 62) fluidundurchlässig sind.
Bipolarplattenaufbau nach Anspruch 1, wobei die erste Platte (58) 0,25 mm bis 1,0 mm dick ist.
Bipolarplattenaufbau nach Anspruch 1, wobei die zweite Platte (60), elektrisch leitend, thermisch leitend und/oder korrosionsbeständig ist.
Bipolarplattenaufbau nach Anspruch 1, wobei die zweite Platte (60) 0,05 bis 0,1 mm dick ist.
Bipolarplattenaufbau nach Anspruch 1, wobei die zweite Platte (60) derart angepasst ist, dass sie eine Fluidströmung hindurch zulässt, um eine thermische Regulierung der Brennstoffzelle zu unterstützen.
Bipolarplattenaufbau nach Anspruch 1, wobei die dritte Platte (62) 0,02 mm bis 0,1 mm dick ist.
Bipolarplatte nach Anspruch 1, wobei das poröse Material der ersten Platte (58) ein poröses Metallmaterial, ein poröses kohlenstoffbasiertes Material oder ein Mikrofachwerkmaterial ist.
Bipolarplatte nach Anspruch 1, wobei das poröse Material der ersten Platte (58) ein mehrschichtiges poröses Material ist.
Bipolarplatte nach Anspruch 1, wobei die zweite Platte (60) und/oder die dritte Platte (62) aus einem Metallmaterial oder einem Nicht-Metall-Material hergestellt sind.
Brennstoffzellenstapel (2), umfassend: zumindest eine Brennstoffzelle, die eine Membranelektrodenanordnung (4, 6) mit einer Anodenseite und einer Kathodenseite aufweist, wobei die Membranelektrodenanordnung (4, 6) zwischen einem Paar von Bipolarplatten (8) angeordnet ist, wobei jede Bipolarplatte (8) gemäß Anspruch 1 ausgestaltet ist.