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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Bipolarplatte aus einer rostfreien Stahllegierung, die einen geringen elektrischen Kontaktwiderstand in einer Brennstoffzellenumgebung aufweist, und insbesondere eine Anordnung, die aus einer derartigen Bipolarplatte mit einer Beschichtung besteht, um den Kontaktwiderstand zwischen der Platte und einer Diffusionsschicht oder zugeordneten Strom führenden Komponente, die an der Platte angeordnet ist, zu reduzieren.
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Bei vielen Brennstoffzellensystemen wird Wasserstoff oder ein wasserstoffreiches Gas durch einen Strömungspfad an die Anodenseite einer Brennstoffzelle geliefert, während Sauerstoff (wie in der Form von atmosphärischem Sauerstoff) durch einen separaten Strömungspfad an die Kathodenseite der Brennstoffzelle geliefert wird. Typischerweise ist ein geeigneter Katalysator (beispielsweise Platin) als eine Schicht angeordnet und wird dazu verwendet, eine Wasserstoffoxidation an der Anodenseite und eine Sauerstoffreduktion an der Kathodenseite zu unterstützen. Hieraus wird elektrischer Strom mit einem Hochtemperatur-Wasserdampf als einem Reaktionsnebenprodukt erzeugt. Bei einer Form der Brennstoffzelle, die als Protonenaustauschmembran- oder Polymerelektrolytmembran(in jedem Fall PEM-)Brennstoffzelle bezeichnet wird, ist ein Elektrolyt in der Form einer Ionomermembran zwischen die Anode und die Kathode eingefügt. Dieser geschichtete Aufbau wird üblicherweise als eine Membranelektrodenanordnung (MEA) bezeichnet und ist ferner zwischen Diffusionsschichten geschichtet, die sowohl einen Fluss gasförmiger Reaktanden zu als auch einen Fluss von elektrischem Strom von der MEA zulassen. Die vorher erwähnte Katalysatorschicht kann an oder als Teil der Diffusionsschicht angeordnet sein.
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Um die elektrische Abgabe zu erhöhen, werden einzelne Brennstoffzelleneinheiten mit elektrisch leitenden Bipolarplatten gestapelt, die zwischen der Diffusionsschicht und Anodenelektrode einer MEA und der Diffusionsschicht und Kathodenelektrode einer benachbarten MEA angeordnet sind. In einer derartigen Konfiguration besitzen die Bipolarplatten, die benachbart gestapelte MEAs trennen, gegenüberliegende Flächen, von denen jede Strömungskanäle aufweist, die voneinander durch erhöhte Stege getrennt sind. Die Kanäle wirken als eine Leitung, um Wasserstoff- und Sauerstoffreaktandenströme an die jeweilige Anode und Kathode der MEA zu fördern, während die Stege aufgrund ihres Kontaktes mit der elektrisch leitenden Diffusionsschicht, die ihrerseits in elektrischer Kommunikation mit an den Katalysatorstellen erzeugtem Strom steht, als ein Übertragungspfad für die in der MEA erzeugte Elektrizität wirken. Auf diese Art und Weise wird Strom durch die Stege der Bipolarplatte und die elektrisch leitende Diffusionsschicht geführt. Typischerweise bestehen die Bipolarplatten aus Graphit oder einem Metall, so dass sie eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der MEA und einer externen elektrischen Schaltung darstellen.
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Die Bipolarplatten, die aus Graphit bestehen, sind beständig gegenüber Korrosion, weisen eine gute elektrische Leitfähigkeit und eine geringe spezifische Dichte auf. Dennoch sind Graphitplatten permeabel für Wasserstoff, was zu signifikanten Verlusten an Leistungsfähigkeit und Wirkungsgrad führen kann. Überdies ist Graphit schwierig herzustellen, was in Platten resultiert, die teuer und dicker als deren metallbasierte Gegenstücke sind. Somit können in Situationen, bei denen die Kosten der Brennstoffzellenherstellung eine wichtige Betrachtung darstellen, metallbasierte Bipolarplatten gegenüber Graphit bevorzugt sein. Zusätzlich dazu, dass Metallplatten relativ kostengünstig sind, können sie in dünne Elemente mit einer Blechdicke von beispielsweise weniger als 0,25 Millimeter geformt werden.
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Da die Bipolarplatte in einer Hochtemperatur- und korrosiven Umgebung arbeitet, kann es sein, dass herkömmliche Metalle, wie gewöhnlicher Kohlenstoffstahl, nicht für bestimmte Anwendungen (wie Kraftfahrzeuganwendungen) geeignet sind, bei denen eine lange Lebensdauer (beispielsweise etwa 10 Jahre mit 6000 Betriebsstunden) erforderlich ist. Während des typischen Betriebs des PEM-Brennstoffzellenstapels befinden sich die Protonenaustauschmembranen bei einer Temperatur im Bereich zwischen etwa 75°C und etwa 175°C und bei einem Druck im Bereich zwischen etwa 100 kPa und 200 kPa absolut. Unter derartigen Bedingungen können aus Edelmetallen hergestellte Platten vorteilhaft sein, da sie erwünschte Korrosionsbeständigkeitseigenschaften besitzen. Unglücklicherweise sind diese sehr teuer, wodurch deren Eignung bei beförderungsbezogenen und zugeordneten kostensensitiven Anwendungen beschränkt ist. Ferner sind einige Metalle, wie Nickel (zumindest wenn allein verwendet), einer ernsthaften Korrosion innerhalb einer Brennstoffzellenumgebung ausgesetzt. Somit wird trotz der Tatsache, dass Nickel zur Verwendung in einem alkalischen Medium geeignet sein kann, seine Verwendung in einer PEM nicht verfolgt.
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Stahllegierungen, die in sehr dünne (beispielsweise zwischen 0,1 und 1,0 mm) Lagen geformt werden können, sind erheblich kostengünstiger, jedoch kann es sein, dass sie keine angemessene Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Rostfreier Stahl (beispielsweise in der Form von Eisen-Chrom- oder verwandten Verbindungen) mit seiner verbesserten Korrosionsbeständigkeit durch die Ausbildung von Oxiden an der Plattenoberfläche kann ebenfalls verwendet werden; jedoch erhöht die Tendenz von Bipolarplatten aus rostfreiem Stahl zur Passivierung, um diese Zunahme an Korrosionsbeständigkeit zu erreichen, auch den Kontaktwiderstand zwischen der Platte und einer benachbarten Diffusionsschicht.
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Aus der
DE 195 23 637 A1 ist bekannt, dass sich eine Beschichtung aus Nickel auf einem aus Edelstahl bestehendes Bauteil im Anodenraum einer Schmelzkarbonatbrennstoffzelle, insbesondere ein Anodenstromkollektor oder einer Bipolarplatte, mit einer Korrosionsschutzschicht aus Nickel beschichtet sein kann, um eine hohe Lebensdauer zu erzielen. Die Korrosionsschutzschicht wird durch ein Verfahren der Dünschichttechnik gebildet. Alternativ kann die Korrosionsschutzschicht auch aus TiN, CrN, TiNi oder ähnlichem gebildet werden.
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In der
DE 11 2006 001 164 T5 ist beschrieben, dass sich bei aus rostfreien Stahl/Legierungen mit einem kombinierten Gehalt von Molybdän, Chrom und Nickel von größer als zumindest 40 Gew.-% gefertigten Bipolarplatten eine gute Korrosionsbeständigkeit und ein geringer Kontaktwiderstand erzielen lässt. Durch Sandstrahlen der Bipolarplatten lässt sich der Kontaktwiderstand weiter verringern.
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Wie in der
DE 699 06 860 T2 gelehrt, wird durch die Plattierung einer Bipolarplatte aus rostfreiem Stahl mit Zinn oder Nickel der Kontaktwiderstand verringert.
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Durch die
US 2003/0190515 A1 ist beschrieben, dass eine metallische Bipolarplatte, welche 20 bis 55 Gew.-% Chrom umfasst eine Schicht aus Chromnitrid bildet, wodurch ein Korrosionsschutz hervorgerufen wird. Als besonders geeignete Materialien für die metallische Bipolarplatte sind binäre Legierungen aus Chrom und Nickel beschrieben.
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Die
DE 10 2007 010 538 A1 beschreibt ein Passivierungsverfahren, mit welchem sich das Lochfraßpotential von Edelstahl verbessern lässt. Die Passivierung beruht auf einer dichten Schicht aus Chromoxid an der Oberfläche des Edelstahls.
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In der
DE 601 07 437 T2 sind Bipolarplatten aus rostfreiem Stahl beschrieben. Durch eine anodische Behandlung weist der rostfreie Stahl eine Oberflächenzusammensetzung auf, bei welcher das Verhältnis von Eisengehalt zu Chrom innerhalb des Oberflächenbereichs des rostfreien Stahls verringert ist.
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Aus der
US 2006/0019142 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei welchem eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle aus rostfreiem Stahl niederer Qualität, wie 316L, sputterbeschichtet wird, um einen rostfreien Stahl höherer Qualität, wie 904-L oder AL6XN, oder Legierungen, wie C-276, 254SMO, Carp-20, Niob und Niob-Legierungen, Molybdän-Legierungen oder Tantal sowie Tantal-Legierungen darauf abzuscheiden.
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Übergangsmetallbeschichtungen, wie Titannitrid (TiN) sind vorgeschlagen worden, um den Aufbau eines hohen Kontaktwiderstandes an der Oberfläche von Bipolarplatten aus rostfreiem Stahl zu vermeiden. Während der anfängliche elektrische Widerstand abfallen kann, bewirken die Bedingungen, die in einer Brennstoffzelle über die Zeit (insbesondere bei erhöhten Temperaturen) auftreten, dass das TiN in Titandioxid (TiO2) umgewandelt wird, was den Kontaktwiderstand tatsächlich erhöht, wodurch ein Ergebnis erreicht wird, das dem, das beabsichtigt war, entgegengesetzt ist. Somit besteht weiterhin Bedarf, um auf rostfreier Stahllegierung basierende Bipolarplatten bereitzustellen, die eine Korrosionsbeständigkeit und einen geringen Kontaktwiderstand zur Verwendung in einer Brennstoffzelle aufweisen. Es besteht auch ein Bedarf, eine Bipolarplatte herzustellen, die ähnliche Korrosions- und Kontaktwiderstandseigenschaften wie diejenigen von edelmetallbasierten oder graphitbasierten Bipolarplatten aufweist, während deren hohe Herstellkosten vermieden werden.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Dieser Bedarf wird durch die vorliegende Erfindung erfüllt, wobei gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Bipolarplatte aus rostfreiem Stahl für eine Brennstoffzelle offenbart ist. Die Platte umfasst gegenüberliegende Flächen, von denen zumindest eine mehrere darin geformte Strömungskanäle umfasst. Zahlreiche Stege ragen von der Plattenoberfläche nach außen relativ zu den Kanälen vor und bilden einen elektrisch leitenden Kontakt mit einer in Kontakt damit angeordneten Brennstoffzellen-Diffusionsschicht. Zumindest ein Teil der Stege, welche den elektrisch leitenden Kontakt bilden umfasst eine nickelbasierte Legierung, die einen geringeren Kontaktwiderstand zwischen der Bipolarplatte und der Diffusionsschicht aufweist, als wenn keine derartige Legierung vorhanden wäre, wobei zumindest eine obere Fläche der Stege durch Entfernen von Eisen, das in dem rostfreien Stahl oder der nickelbasierten Legierung vorhanden ist, einen reduzierten Eisengehalt, relativ zu einer Menge die anfänglich in dem rostfreien Stahl oder der nickelbasierten Legierung vorhanden war, aufweist. Wenn beispielsweise die Platte vollständig aus einem rostfreien Stahl hergestellt würde, der nicht die Beschichtung oder Schicht aus nickelbasierter Legierung verwendet, würde erwartet, dass eine derartige Platte den oben diskutierten Passivierungsproblemen ausgesetzt ist.
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Erfindungsgemäß umfasst der in der Bipolarplatte verwendete rostfreie Stahl einen austenitischen rostfreien Stahl. Eine derartige Konfiguration ist nützlich, wenn die nickelbasierte Legierung in der Form einer Beschichtung vorliegt, wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist. Eine derartige Konfiguration ist auch in Situationen nützlich, wenn zumindest einiges des Eisens, das in dem austenitischen rostfreien Stahl inhärent vorhanden ist, von der Kontaktfläche der Bipolarpplatte entfernt werden kann. Erfindungsgemäß umfassen Formen der auf Nickel-Chromium (auch als Nickel-Chrom bezeichnet) basierenden Legierung eine Legierung mit zumindest 60 Gewichtsprozent Nickel. Wie oben angemerkt ist, kann die nickelbasierte Legierung als eine Beschichtung konfiguriert sein, die auf zumindest einem Abschnitt der Plattenfläche angeordnet ist, wie den zahlreichen Stegen. In einem solchen Fall kann die Beschichtung eine Nickel-Chrom-Binärlegierung mit zwischen 80 Gewichtsprozent Nickel und 20 Gewichtsprozent Chrom aufweisen. Während die Binärlegierungen und andere nickelbasierte Materialien, die hier diskutiert sind, bevorzugt sind, sei angemerkt, dass die Legierungen dieselben Gesamtzusammensetzungen besitzen sollten; wenn jedoch die Legierung als ein Bipolarplattenmaterial verwendet wird, können Legierungen mit einem Nickelgehalt herunter bis zu 30 Gewichtsprozent verwendet werden, vorausgesetzt, dass die Oberflächentexturierung an der Plattenoberfläche derart ausgebildet ist, dass der Kontaktwiderstand auf akzeptable Niveaus reduziert ist, da eine Rauheit helfen kann, einen Kontaktwiderstand zu reduzieren. Erfindungsgemäß können wir mit Legierungen beginnen, die einen geringeren Nickelgehalt besitzen, und diese dann Wärmebehandeln, um Eisen bevorzugt von der oberen Oberfläche zu lösen, wodurch eine Nickel-Chrom-Schicht zurückbleibt, die einen geringeren Kontaktwiderstand besitzt. Ferner kann eine Binärlegierung als das primäre Plattenaufbaumaterial verwendet werden. Zusätzlich zu nickelbasierten Legierungen können Eisen-Chrom-Legierungen verwendet werden (nicht beansprucht), da sie eine höhere Korrosionsbeständigkeit als Eisen-Nickel-Substratmaterialien besitzen. Nickel-Chrom-Binärlegierungen und Nickel-Eisen-Binärlegierungen können für das Plattenaufbaumaterial, eine Beschichtung oder beides geeignet sein. Wenn wir somit mit einer Legierung mit einem relativ geringen Nickelgehalt innerhalb beginnen, kann die Legierung so behandelt werden, dass sie das Eisen aus der oberen Oberfläche der Legierung entzieht, wodurch eine Schicht zurückbleibt, die reich an Nickel und Chrom ist, wodurch eine Nickel-Chrom-Legierung vorgetäuscht wird, die eine wesentlich geringere Leitfähigkeit als die ursprüngliche Legierung besitzt, jedoch gleichzeitig geringere Kosten wie die ursprüngliche Legierung aufweist.
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Gemäß einem anderen Aspekt ist eine Vorrichtung mit einer oder mehreren PEM-Brennstoffzellen beschrieben. Jede Brennstoffzelle umfasst eine MEA, ein Diffusionsmedium und eine Bipolarplatte. Zwischen den Kanälen der Platte und dem Diffusionsmedium ist eine Fluidkommunikation hergestellt, so dass ein in die Bipolarplatte eingeführter Reaktand entlang der Plattenkanäle, durch das Diffusionsmedium und den Kontakt mit einem geeigneten aus der Anode oder Kathode der MEA gelangt. Elektrischer Strom kann zwischen der Bipolarplatte und dem Diffusionsmedium durch Kontakt zwischen diesen geführt werden, wobei eine nickelbasierte Legierung hilft, die hohe elektrische Leitfähigkeit der Schnittstelle zwischen der Bipolarplatte und dem Diffusionsmedium zu unterstützen.
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Optional dazu, und wie in Verbindung mit dem vorhergehenden Aspekt beschrieben ist, kann eine derartige Legierung als der primäre Materialbestandteil der Platte selbst verwendet werden oder kann erfindungsgemäß auf eine herkömmliche Platte aus rostfreier Stahllegierung abgeschieden werden, so dass die nickelbasierte Legierung den elektrischen Kontakt herstellt. Die nickelbasierte Legierung kann eine Binärlegierung sein, wie Nickel-Chrom-Legierungen, oder kann stärker legiert sein, wobei sie (zusätzlich zu einem Hauptanteil Nickel) andere Metalle enthält, wie diejenigen, die in rostfreien Stählen zu finden sind. Die Vorrichtung kann zusätzlich ein Brennstoffverarbeitungssystem aufweisen, um die Brennstoffzelle mit dem ersten Reaktanden (wie Wasserstoffgas) zu versorgen. Die Vorrichtung kann auch ein mit einer Brennstoffzelle gekoppeltes Fahrzeug aufweisen, so dass eine elektrochemische katalytische Reaktion, die in der Brennstoffzelle mit einem durch das Brennstoffverarbeitungssystem erzeugten Reaktanden erzeugt wird, zumindest einen Anteil des Antriebsleistungsbedarfs des Fahrzeugs bereitstellt.
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Gemäß einem noch weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen einer Polymerelektrodenmembran-Brennstoffzelle offenbart.
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Das Verfahren umfasst, dass eine MEA angeordnet wird, so dass sie eine Anode, eine Kathode und eine zwischen der Anode und Kathode angeordnete Membran aufweist. Zusätzlich ist eine Anodendiffusionsschicht in Fluidkommunikation mit der Anode der MEA angeordnet, während eine Kathodendiffusionsschicht in Fluidkommunikation mit der Kathode angeordnet ist. Ferner besitzt eine Bipolarplatte aus rostfreiem Stahl zahlreiche Strömungskanale und Stege, mit denen zumindest eine der Flächen der Platte durchsetzt ist, so dass bei Betrieb der Brennstoffzelle Reaktanden, die von einer jeweiligen Brennstoffquelle und Sauerstoffquelle eingeführt werden, an die Anode und die Kathode durch einen durch die Bipolarplatte hergestellten Strömungspfad geliefert werden können. Die Anordnung der Bipolarplatte in Kontakt mit einer jeweiligen der Anodendiffusionsschicht und der Kathodendiffusionsschicht ist derart, dass die auswärts vorragenden Stege einen elektrisch leitenden Kontakt mit der jeweiligen Diffusionsschicht, gegen die sie angeordnet sind, bilden. Um einen hohen Grad an elektrischer Leitfähigkeit zu unterstützen, ist zumindest ein Anteil des Kontakts zwischen den Diffusionsschichten und der Bipolarplatte aus einer Nickel-Chrom-basierten Legierung hergestellt, die derart konfiguriert ist, dass sie den Kontaktwiderstand relativ zu einem Kontakt reduziert, da dazwischen ausgebildet ist, ohne dass eine derartige Legierung vorhanden ist.
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Erfindungsgemäß ist die Nickel-Chrom-basierte Legierung eine Beschichtung, die auf zumindest einem Teil der Stege angeordnet ist. Bei einer Form ist die Beschichtung auf zumindest einem Abschnitt der Stege unter Verwendung einer Lichtbogen-Aufdampfabscheidungs-, E-Strahl-Verdampfungs-, Sputter-, Elektroplattier- bzw. Galvanisier- oder einer verwandten Technik abgeschieden. Erfindungsgemäß umfasst die Beschichtung zumindest 60 Gewichtsprozent Nickel. Ferner umfasst das Verfahren, dass zumindest ein Teil des Eisens, das anfänglich in der nickelbasierten Legierung vorhanden ist, entfernt wird. Hierdurch kann die obere Schicht des elektrisch leitenden Kontakts, der zwischen der Platte und der Diffusionsschicht gebildet ist, reich an Nickel-Chrom sein. Auf diese Art und Weise kann ein relativ günstiger austenitischer rostfreier Stahl (d. h. mit Einsteigergüte) dazu verwendet werden, sowohl geringe Kosten als auch einen geringen Kontaktwiderstand zu erreichen. Insbesondere kann das Eisen durch Wärmebehandlung der Legierung, die für den elektrisch leitenden Kontakt verwendet wird, entfernt werden und dann einem Schritt mit chemischem Lösen unterzogen werden, um danach Eisenoxidablagerungen zu entfernen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
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Die folgende detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann am besten in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen verständlich werden, in denen gleiche Strukturen mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, und in welchen:
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1 eine Darstellung einer teilweise explosionsartigen Schnittansicht eines Anteils einer herkömmlichen Brennstoffzelle und umgebender Bipolarplatten ist;
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2 eine perspektivische Ansicht von einer Seite einer Bipolarplatte ist, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist;
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3 eine ausgeschnittene Ansicht einer Bipolarplatte ist, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt und benachbart einer Membranelektrodenanordnung angeordnet ist;
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4 ein Schaubild ist, das die Beziehung zwischen Konzentrationen von Eisen zu Nickel in einer Binärlegierung und einen Kontaktwiderstand zeigt; und
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5 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem brennstoffverarbeitenden System und einer brennstoffzellenbasierten Antriebsleistungsversorgung gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eingangs Bezug nehmend auf 1 ist eine teilweise Schnittansicht einer herkömmlichem PEM-Brennstoffzelle 1 in Explosionsdarstellung gezeigt. Die Brennstoffzelle 1 umfasst eine im Wesentlichen planare Protonenaustauschmembran 10, eine Anodenkatalysatorschicht 20 in dichtem Kontakt mit einer Seite der Protonenaustauschmembran 10 und eine Kathodenkatalysatorschicht 30 in dichtem Kontakt mit der anderen Seite. Gemeinsam werden die Protonenaustauschmembran 10 und die Katalysatorschichten 20 und 30 als die Membranelektrodenanordnung (MEA) 40 bezeichnet. Eine Anodendiffusionsschicht 50 ist in dichtem Kontakt mit der Anodenkatalysatorschicht 20 angeordnet, während eine Kathodendiffusionsschicht 60 in dichtem Kontakt mit der Kathodenkatalysatorschicht 30 angeordnet ist. Jede der Diffusionsschichten 50 und 60 besteht aus einem allgemein porösen Aufbau, um einen Durchgang gasförmiger Reaktanden zu den Katalysatorschichten 20 und 30 zu unterstützen. Gemeinsam werden die Anodenkatalysatorschicht 20 und die Kathodenkatalysatorschicht 30 als Elektroden bezeichnet und können als separate getrennte Schichten, wie gezeigt ist, oder alternativ dazu als zumindest teilweise in Diffusionsschichten 50 bzw. 60 eingebettet wie auch teilweise in gegenüberliegende Seiten der Protonenaustauschmembran 10 eingebettet geformt sein.
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Zusätzlich zur Bereitstellung eines im Wesentlichen porösen Strömungspfades, damit Reaktandengase die geeignete Seite der Protonenaustauschmembran 10 erreichen können, stellen die Diffusionsschichten 50 und 60 einen elektrischen Kontakt zwischen den Elektrodenkatalysatorschichten 20, 30 und der Bipolarplatte 70 (durch Stege 74) bereit, die ihrerseits als ein Stromkollektor dient. Überdies bilden aufgrund ihrer allgemein porösen Natur die Diffusionsschichten 50 und 60 auch eine Leitung zur Entfernung von Produktgasen, die an den Katalysatorschichten 20, 30 erzeugt werden. Ferner erzeugt die Kathodendiffusionsschicht 60 signifikante Mengen an Wasserdampf in der Kathodendiffusionsschicht. Ein derartiges Merkmal ist wichtig, um zu helfen, die Protonenaustauschmembran 10 hydratisiert zu halten. Eine Wasserpermeation in die Diffusionsschichten kann durch die Einführung kleiner Mengen an Polytetrafluorethylen (PTFE) oder einem verwandten Material eingestellt werden.
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Vereinfacht sind gegenüberliegende Flächen 70A und 70B eines Paares von Bipolarplatten 70 vorgesehen, um jede MEA 40 und begleitende Diffusionsschichten 50, 60 von benachbarten MEAs und Schichten (keine davon ist gezeigt) in einem Stapel zu trennen. Eine Platte 70A steht mit der Anodendiffusionsschicht 50 in Eingriff, während eine zweite Platte 70B mit der Kathodendiffusionsschicht 60 in Eingriff steht. Jede Platte 70A und 70B (die bei Zusammenbau als ein einheitliches Ganzes die Bipolarplatte 70 ausbilden) definiert zahlreiche Reaktandengasströmungskanäle 72 entlang einer jeweiligen Plattenseite. Die Stege 74 trennen benachbarte Abschnitte der Reaktandengasströmungskanäle 72, indem sie in Richtung zu den jeweiligen Diffusionsschichten 50, 60 vorragen und einen direkten Kontakt mit diesen bilden. Im Betrieb wird ein erster gasförmiger Reaktand, wie Wasserstoff, an die Seite der Anode 20 der MEA 40 durch die Kanäle 72 von der Platte 70A geliefert, während ein zweiter gasförmiger Reaktand, wie Sauerstoff (typischerweise in der Form von Luft) an die Seite der Kathode 30 der MEA 40 durch die Kanäle 72 von der Platte 70B geliefert wird. Katalytische Reaktionen finden an der Anode 20 bzw. der Kathode 30 statt, wobei Protonen, die durch die Protonenaustauschmembran 10 wandern, und Elektronen erzeugt werden, die einen elektrischen Strom zur Folge haben, der durch die Diffusionsschichten 50 und 60 und die Bipolarplatte 70 aufgrund eines Kontakts zwischen den Stegen 74 und den Schichten 50 und 60 übertragen werden kann.
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Nun als Nächstes Bezug nehmend auf 2 ist eine Bipolarplatte 170 gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung gezeigt. Bei der gezeigten Ansicht kann nur die obere Seite der Platte 170 gesehen werden; die gegenüberliegende Seite, die nicht gezeigt ist, kann ähnlich konfiguriert sein. Sammelleitungen 176 sind an gegenüberliegenden Rändern der Platte 170 angeordnet und definieren Verteiler, an denen Reaktand, Kühlmittel und andere Fluide, die von einer Brennstoffzelle verwendet werden, strömen können. Verteilernuten 178 können dazu verwendet werden, die Fluidströmung in einem der Verteiler in die verschiedenen Kanäle 172 zu segmentieren. Wie zu sehen ist, definieren die Kanäle 172 einen allgemein gewundenen Pfad (wie den gezeigten serpentinenförmigen Pfad) über die Oberfläche der Platte 170, um den Kontakt des Fluides mit einer geeigneten Diffusionsschicht (nicht gezeigt) zu maximieren. Die Stege 174 definieren die Kanäle 172 zwischen diesen, und da die Stege 174 aus der Ebene der Platte 170 stärker als die anderen daran angeordneten Strukturen hervorragen, können sie beim Zusammenpressen einen Kontakt mit der Diffusionsschicht herstellen.
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Die Bipolarplatte
170 ist erfindungsgemäß aus einer rostfreien Stahllegierung hergestellt. In dem vorliegenden Kontext umfasst eine rostfreie Stahllegierung zusätzlich zu Eisen korrosionshemmende Materialien, wie Chrom, Nickel, Molybdän, Kupfer oder dergleichen. Bei einer bestimmten Form kann der rostfreie Stahl ein austenitischer rostfreier Stahl sein, der zwischen etwa 16 und 26 Gewichtsprozent Chrom und etwa 8 bis 22 Gewichtsprozent Nickel enthalten kann. Ein paar gut bekannter Beispiele vom austenitischem rostfreiem Stahl sind die Sorten vom Typ 304 und Typ 316 des American Iron and Steel Institute (AISI), die auch kleine Mengen an Mangan, Molybdän oder dergleichen enthalten können. Bei einer anderen bestimmten Form können die rostfreien Stähle, die für die hier diskutierten Bipolarplatten verwendet sind, aus binären Legierungen geformt sein, wobei Eisen-Chrom und Nickel-Chrom die Basis für derartige Legierungen bilden. Diese Klasse von binären Legierungen ist besonders nützlich, da sie einen guten Kontaktwiderstand erzielt, ohne auf eine Oberflächentexturierung zurückgreifen zu müssen (obwohl derartige Techniken nach Bedarf immer noch verwendet werden können). Andere Legierungen, wie Eisen-Nickel-Legierungen, werden aufgrund ihres Mangels an Korrosionsbeständigkeit weniger wahrscheinlich für das Basismaterial verwendet. Derartige binäre Legierungen können entweder als eine an der Oberfläche einer herkömmlichen rostfreien Stahllegierung abgeschiedenen Beschichtung verwendet werden oder können die primären Bestandteile sein, die dazu verwendet werden, die Bipolarplatte
170 selbst auszubilden. In dem ersteren kann die Beschichtung an den Stegen
174 angeordnet sein, um einen Kontakt mit hoher elektrischer Leitfähigkeit mit der Diffusionsschicht sicherzustellen. Tabelle 1 zeigt verschiedene binäre Legierungen und deren Nenn-Zusammensetzungen, wie auch gemessene Werte des Kontaktwiderstandes (CR) für eine einzelne Kompressionseinstellung von 1379 kPa (200 Pfund pro Quadratzoll) was einen Wert darstellt, der typischerweise dazu verwendet wird, eine Bipolarplatte mit einer Diffusionsschicht zu verbinden.
| Proben-ID | Cr
(ohne) | Ni
(ohne) | Fe
(ohne) | CR
(mOhm/cm2) |
| GMR1 | | 20 | 80 | 116,0 |
| GMR2 | | 40 | 60 | 45,0 |
| GMR3 | | 60 | 40 | 26,5 |
| GMR4 | | 80 | 20 | 14,5 |
| GMR5 | 20 | | 80 | 170,0 |
| GMR6 | 40 | | 60 | 163,0 |
| GMR7 | 60 | 40 | | 12,4 |
| GMR8 | 80 | 20 | | 7,7 |
TABELLE 1
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Wie zu sehen ist, besteht bei den Legierungen mit einem Großteil an Nickel oder Chrom (wie die Proben, die mit GMR3, GMR4, GMR7 und GMR8 bezeichnet sind, wie auch Kombinationen daraus) die Tendenz, die geringsten Werte an CR zu erzeugen. Mit besonderen Bezug auf Nickel-Chrom-Binärlegierungen (bezeichnet als Proben GMR7 und GMR8 in der Tabelle) kann es sein, dass Kostenbelange eine Verwendung derartiger Legierungen als die Primärlegierung in der Bipolarplatte 170 verhindern, wobei stattdessen eine ökonomischere Verwendung als eine Beschichtung auf einem oberen Bereich einer Platte, die aus einer herkömmlicheren rostfreien Stahllegierung hergestellt ist, gefunden wird. Bezüglich der Herstellbarkeit weisen alle Legierungen, die oben dargestellt sind, eine gute Schweißbarkeit und Formbarkeit auf, wobei das erstere als eine Bezugnahme darauf zu verstehen ist, wie unwahrscheinlich ein Material eine Metallerstarrungsrißbildung während des Schweißens aufweist, während der letztere als die Fähigkeit zur Formung in profilierte Platten durch herkömmliche Formungsmethoden, wie Prägen oder dergleichen, zu verstehen ist.
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Als Nächstes Bezug nehmend auf 3 ist eine Schnittansicht einer Bipolarplatte 170, die mit einer MEA 40 auf einer Seite der Platte 170 und begleitenden Diffusionsschichten 50 und 60 geformt ist, die in einem Brennstoffzellenstapel gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung angeordnet werden können, gezeigt. Typischerweise ist die MEA 40 zwischen den Diffusionsmediumschichten 50 und 60 positioniert, die ihrerseits zwischen einem Paar von Hybrid-Bipolarplatten 170 (nur eine derselben ist derzeit gezeigt) orientiert sind. Die Strömungskanäle 172 sind für den Durchgang von Reaktandengas konfiguriert; genauer ein Wasserstoff-(H2)-haltiges Gas in die Anodendiffusionsschicht 50 und ein Sauerstoff-(O2)-haltiges Gas (wie Luft) in die Kathodendiffusionsschicht 60, wobei die letztere derselben in der Figur gezeigt ist. Bei einer nicht beschränkenden Form ist der Strömungskanal 172 in die Metallplatte 170 geprägt, wobei Anodenkanäle als 172A gezeigt sind und Kathodenkanäle als 172B gezeigt sind. Allgemein ist die Tiefe dieser Kanäle 172A, 172B im Wesentlichen ähnlich. Die Stege 174 definieren vorragende Abschnitte zwischen den Kanälen 172, so dass ein Fluid-Übertritt über die verschiedenen Kanäle 172 vermieden ist. Ein Plenum 175, das zwischen Stegen 174 geformt ist, die durch die Dicke der Platte 170 ausgerichtet sind, kann dazu verwendet werden, Kühlmittel oder ein anderes Fluid abhängig von den Anforderungen der Platte 170 zu fördern.
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Wie insbesondere in der Figur gezeigt ist, ist eine Beschichtung 180 an den Flächen der Plattentafeln 170A und 170B geformt. Bevorzugt ist die Beschichtung aus einer Nickel-Chrom-basierten Legierung hergestellt, die eine oder mehrere der vorher erwähnten Binärlegierungen enthält. Während die Beschichtung sowohl die Kanäle 172 als auch Stege 174 bedeckend gezeigt ist, ist es für den Rest der Offenbarung offensichtlich, dass die Aufbringung der Beschichtung selektiver sein kann, wobei sie beispielsweise nur die allgemein planare obere Fläche der Stege 174 bedeckt. Die relativ dünne Schicht, gekoppelt mit der vernünftigen Aufbringung der Beschichtung auf kontaktspezifische Stellen (wie die planare Fläche an dem oberen Bereich der Stege 174) erlaubt die Verwendung teurerer Materialien (beispielsweise einer Nickel-Chrom-Binärlegierung), die ansonsten nicht praktisch wären. Bei einer anderen Ausführungsform (nicht gezeigt) kann das Nickel-Chrom-basierte Material dazu verwendet werden, die im Wesentlichen gesamte Bipolarplatte 170 zu bilden (nicht beansprucht). Bei einer derartigen Konfiguration ist keine separate Beschichtung erforderlich, wodurch Herstellkosten reduziert werden. Die Auswahl zwischen der Beschichtung mit hohem Nickelgehalt, die auf einem herkömmlichen austenitischen rostfreien Stahl angeordnet ist, oder einer Platte, die vollständig aus einem Material mit hohem Nickelgehalt hergestellt ist, hängt von der Aufbringung ab. Beispielsweise können spezielle Anwendungen (wie Militär, Luftfahrt oder Marine), bei denen Kosten nicht so signifikant sind, mit einer Platte kompatibel sein, die vollständig aus einem Material mit hohem Nickelgehalt besteht.
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Als Nächstes Bezug nehmend auf 4 ist ein Diagramm gezeigt, das den Kontaktwiderstand von vier verschiedenen Eisen-Nickel-Legierungszusammensetzungen gegenüber einer simulierten Diffusionsschicht für verschiedene Kompressionsdrücke vergleicht. Die enthaltene Einstellung umfasst, dass jede der Binärlegierungen zwischen zwei Toray-T1,0-Gasdiffusionsmedien (GDM) bei vorbestimmten Drücken unter Verwendung eines Kraft steuernden Instruments (wie einem Instron® oder einer verwandten universellen Testvorrichtung) komprimiert und einem bekannten Strom durch deren Dickenrichtung ausgesetzt wurde. Durch Messen des Spannungsabfalls über die Probe und Kenntnis der Probenfläche wurde der spezifische Flächenwiderstand unter Verwendung des ohmschen Gesetzes berechnet. Bei dieser Studie wurden immer 6,54 A oder 1 A/cm2 verwendet, und die Widerstandsabhängigkeit von dem Druck wurde bestimmt. Es wurden alle Werte zwischen goldbeschichteten Kupferblöcken gemessen, um Messschwankungen zu reduzieren.
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Wie aus der Figur zu sehen ist, weisen die eisenbasierten Materialien (mit 20 Gewichts-% bzw. 40 Gewichts-% Nickel) unter derselben Kompressionsbelastung höhere Niveaus an elektrischem Widerstand auf, als die nickelbasierten Materialien (mit 60 Gewichts-% bzw. 80 Gewichts-% Nickel). Andere Legierungen, wie Eisen-Chrom, zeigten keine merkliche Änderung des Kontaktwiderstandes mit sich änderndem Chromgehalt, zumindest bis zu 40% Chrom. Die vorliegenden Erfinder bewerteten keine höheren Chromgehalte, da stabile Legierungen oberhalb etwa 40% nicht hergestellt werden können. Ähnlicherweise zeigen existierende kommerzielle Nickel-Chrom-Legierungen, einschließlich einigen mit bis zu 34 Gewichts-% Chrom, unerwünscht höhere Widerstände. Mechanistisch gesagt, steht eine Erhöhung des Nickelgehalts auf über 60% mit der Anreicherung des passiven Films in Verbindung. Durch Setzen eines fiktiven CR-Ziels unterhalb 10 mOhm pro cm2 haben die vorliegenden Erfinder entdeckt, dass derartige Niveaus leicht unter Verwendung der 80/20-Nickel-Chrom-Legierung erreichbar sind. Diese Ergebnisse sind allgemein konsistent mit den oben in Tabelle 1 gezeigten Ergebnissen, wobei signifikante Unterschiede in der CR identifiziert wurden.
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Als Nächstes Bezug nehmend auf 5 kann die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ferner ein Fahrzeug, wie ein Auto 100 mit einem Brennstoffzellenstapel 110, aufweisen. Der Brennstoffzellenstapel 110 kann derart konfiguriert sein, dass er zumindest einen Anteil der Antriebs- oder zulässigen Vortriebsanforderungen des Autos 100 bereitstellt, das auch ein Brennstoffverarbeitungssystem 120 besitzen kann, um den Brennstoffzellenstapel 110 mit Wasserstoff oder einem verwandten Reaktandenbrennstoff zu beliefern. Es ist auch ein Brennstoffspeichertank 130 enthalten, um eine An-Bord-Quelle für Reaktandenvorläufer bereitzustellen, wie Methanol, Benzin oder ein anderer Kraftstoff, der reformierfähig ist. Bei einer Form kann das Brennstoffverarbeitungssystem 120 den von dem Speichertank 130 entnommenen Vorläufer durch geeignete Reaktionen bearbeiten. Beispielsweise kann das Brennstoffbearbeitungssystem 120 einen autothermischen Reaktor (nicht gezeigt) enthalten, um als die primäre Reformation von Methanol zu dienen, während stromabwärts ein Wasser-Gas-Shift-Reaktor (nicht gezeigt) sowie ein Endstufenoxidierer, eine Membran oder ein zugeordneter Gaswäscher bzw. Nassabscheider (nichts von diesen ist gezeigt) verwendet werden kann, um das Kohlenmonoxidniveau unter die extrem niedrigen Werte zu reduzieren, die erforderlich sind, um ein Vergiften des PEM-Katalysators zu vermeiden. Dem Fachmann sei angemerkt, dass die Anordnung des Brennstoffzellenstapels 110 rein fiktiv ist, und dass er auf eine beliebige geeignete Weise in dem Auto 100 verwendet oder angeordnet werden kann. Es sei dem Fachmann auch angemerkt, dass andere Fahrzeugformen in Verbindung mit dem Brennstoffzellenstapel 110, dem Brennstoffverarbeitungssystem 120 und dem Brennstoffspeichertank 130 verwendet werden können, wie ein Lastwagen, ein Motorrad, ein Flugzeug, ein Raumfahrzeug oder ein Wasserfahrzeug.
