DE102010026318B4

DE102010026318B4 - Brennstoffzellenanordnung mit einer Isolierschicht

Info

Publication number: DE102010026318B4
Application number: DE102010026318.4A
Authority: DE
Inventors: Eric J. Connor; Daniel P. Miller; Wenbin Gu; Jeanette E. Owejan; Mark Mathias
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-07-10
Filing date: 2010-07-07
Publication date: 2015-02-12
Anticipated expiration: 2030-07-08
Also published as: US8206871B2; DE102010026318A1; CN101950809A; US20110008702A1

Abstract

Brennstoffzellenanordnung, die umfasst: mehrere Brennstoffzellen, die in einem Stapel angeordnet sind; eine erste Anschlussplatte, die an einem ersten Ende des Stapels der Brennstoffzellen angeordnet ist; eine zweite Anschlussplatte, die an einem zweiten Ende des Stapels der Brennstoffzellen angeordnet ist; eine erste Endbrennstoffzelle und eine zweite Endbrennstoffzelle, wobei die erste Endbrennstoffzelle zur ersten Anschlussplatte benachbart angeordnet ist und die zweite Endbrennstoffzelle zur zweiten Anschlussplatte benachbart angeordnet ist; und eine Isolierschicht, die zwischen der ersten Endbrennstoffzelle und der ersten Anschlussplatte angeordnet ist, um dazwischen eine Wärmebarriere zu schaffen, wobei die erste Endbrennstoffzelle, die zweite Endbrennstoffzelle und die Brennstoffzellen jeweils eine darin angeordnete Elektrolytmembran aufweisen, und wobei die in der ersten Endbrennstoffzelle und der zweiten Endbrennstoffzelle angeordneten Elektrolytmembranen jeweils eine Dicke im Bereich vom 1,2fachen bis zum 1,5fachen der mittleren Membrandicke der in den übrigen Brennstoffzellen des Stapels angeordneten Elektrolytmembranen aufweisen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzellenanordnung und insbesondere auf eine Brennstoffzellenanordnung mit einer wärmeisolierenden, elektrisch leitenden Schicht, die zwischen einer Anschlussplatte und einer Endplatte von ihr angeordnet ist, um Wärmeverluste von der Endplatte sowie die Fluidkondensation und Eisbildung in einer Endbrennstoffzelle zu mindern. Die Brennstoffzellenanordnung kann außerdem Membranen und/oder Kathoden umfassen, die eine Dicke aufweisen, die die Dicke der Membranen und/oder Kathoden, die in den meisten Brennstoffzellen der Brennstoffzellenanordnung verwendet werden, übersteigt. Diese Membranen und/oder Kathoden können in den Endbrennstoffzellen in Verbindung mit der Isolierschicht oder anstelle von dieser verwendet werden, um Wärmeverluste von der Endplatte sowie die Fluidkondensation und Eisbildung in den Endbrennstoffzellen weiter zu mindern.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Brennstoffzellenanordnungen setzen einen Brennstoff und ein Oxidationsmittel in Elektrizität um. Ein Typ eines Brennstoffzellen-Stromversorgungssystems verwendet eine Protonenaustauschmembran (im Folgenden ”PEM” (proton exchange membrane) genannt), um Elektroden zu trennen, die die katalytische Reaktion von Brennstoffen (wie etwa Wasserstoff) und Oxidationsmitteln (wie etwa Luft oder Sauerstoff) zum Erzeugen von Elektrizität erleichtern. Die PEM ist typischerweise eine Festpolymerelektrolyt-Membran, die in jeder einzelnen Brennstoffzelle, die normalerweise in einem Brennstoffzellen-Stromversorgungssystem eingesetzt wird, den Transport von Protonen von einer Anode zu einer Kathode erleichtert. Eine typische PEM für Kraftfahrzeuganwendungen ist 15–25 Mikrometer dick.
Bei einer typischen Brennstoffzellenanordnung (oder einem typischen Brennstoffzellenstapel) innerhalb eines Brennstoffzellen-Stromversorgungssystems weisen einzelne Brennstoffzellenplatten Kanäle auf, durch die verschiedene Reaktanden und Kühlfluide strömen. Brennstoffzellenplatten sind typischerweise mit geraden oder serpentinenartigen Strömungskanälen entworfen. Solche Strömungskanäle sind erwünscht, da sie Reaktanden wirksam über einen aktiven Bereich einer arbeitenden Brennstoffzelle verteilen und dadurch die Leistung und die Stabilität maximieren. Bei Temperaturen unter Null kann Wasserdampf in der Brennstoffzellenanordnung kondensieren. Ferner kann das Kondensat Eis in der Brennstoffzellenanordnung bilden. Das Vorhandensein von Kondensat und Eis kann die Leistung der Brennstoffzellenanordnung beeinträchtigen.
Unter typischen Betriebsbedingungen kann sich an den Rändern der Brennstoffzellenplatten in Nachbarschaft von Auslass- bzw. Austrittssammelkanälen) der Brennstoffzellenanordnung Kondensat ansammeln und dadurch die Fluidströmung von den Strömungskanälen zu den Auslasssammelkanälen beschranken. Während eines Anfahrbetriebs der Brennstoffzellenanordnung bei Temperaturen unter Null liegt das kondensierte Wasser in den Strömungskanälen der Brennstoffzellenplatten und an den Rändern der Auslasssammelkanäle in Form von Eis vor, das die Reaktandenströmung beschränken kann. Ähnlich kann sich während des Normalbetriebs eine schlechte Verteilung der Reaktandenströmung infolge einer Flüssigwasserstagnation ergeben.
Typischerweise wird zum Abschwächen der Kondensbildung an den Auslasssammelkanälen der Brennstoffzellenanordnung die Betriebstemperatur der Brennstoffzellenanordnung erhöht. Jedoch kann das Erhöhen der Betriebstemperatur eine negative Auswirkung auf den ohmschen Widerstand infolge des erhöhten Membran-Proton-Widerstands als Folge einer verringerten Membranbefeuchtung haben. Außerdem erreicht das Verringern der relativen Eintrittsfeuchte von Anoden- und Kathoden-Gasströmen denselben Effekt wie das Erhöhen der Betriebstemperatur und führt infolge des erhöhten Membran-Protonenwiderstands zu einem negativen Einfluss auf den ohmschen Widerstand.
Während des Betriebs der Brennstoffzellenanordnung heizt Abwärme aus der Brennstoffzellenreaktion die Brennstoffzellenanordnung auf und schwächt die Wasserkondensation und die Eisbildung in der Anordnung ab. Jedoch besitzen Endplatten der Brennstoffzellenanordnung zumeist eine Temperatur, die niedriger als die Temperatur von Zwischenplatten der Brennstoffzellenanordnung ist. Die Endplatten besitzen eine niedrigere Temperatur infolge der Wärmeverluste an die Umgebung und der Wärmeverluste an Anschlussplatten der Brennstoffzellenanordnung, die zu ihnen benachbart sind. Ein Unterschied in der Temperatur der Brennstoffzellenplatten über die gesamte Brennstoffzellenanordnung hinweg kann zu einem ineffizienten Betrieb, zu einer schlechten Verteilung von Reaktanden, zur Kondensation von Wasser, die zur Eisbildung führen kann, und zu einer geringeren Nutzungsdauer der Brennstoffzellenanordnung führen.
Typischerweise ist, um eine im Wesentlichen gleichmäßige Temperaturverteilung zwischen den Platten in der Brennstoffzellenanordnung sicherzustellen, ein Heizmechanismus in Nachbarschaft der Endplatten angeordnet, um auf diese Wärmeenergie direkt zu übertragen. Ein Heizmechanismus kann auch in Nachbarschaft der Anschlussplatten angeordnet sein, um auf diese Wärmeenergie zu übertragen. Die Wärmeenergie wird dann von den Anschlussplatten auf die Endplatten übertragen. Alternativ kann ein Widerstandsheizmechanismus, der geeignet ist, die Endplatten zu beheizen, zur Brennstoffzellenanordnung parallel geschaltet sein. Wenn ein Heizmechanismus versagt und sich in einem Zustand befindet, in dem er Leistung aufnimmt, können die Endbrennstoffzellen austrocknen und dadurch zu einem elektrischen Kurzschluss in der Brennstoffzellenanordnung führen. Andere Verfahren zum Beheizen der Endplatten umfassen das katalytische Beheizen und das Vorsehen einer zwischen den Endplatten und den Anschlussplatten angeordneten Umgehungsplatte.
Es sollte eine Brennstoffzellenanordnung entwickelt werden, die eine wärmeisolierende, elektrisch leitende Schicht besitzt, die zwischen einer Anschlussplatte und einer Endplatte von ihr angeordnet ist, um Wärmeverluste von der Endplatte sowie die Fluidkondensation und Eisbildung an der Endplatte zu mindern, und die Endbrennstoffzellen mit Membranen und/oder Kathoden besitzt, die eine Dicke aufweisen, die eine mittlere Dicke der Membranen und Kathoden, die in den Brennstoffzellen der restlichen Brennstoffzellenanordnung verwendet werden, übersteigt, um Wärmeverluste von der Endplatte sowie die Fluidkondensation und Eisbildung in den Endbrennstoffzellen weiter zu mindern.
Herkömmliche Brennstoffzellenanordnungen sind aus den Druckschriften DE 10 2006 015 247 A1 , JP H09-7 628 A , US 2004/0 247 967 A1 , US 7 163 760 B2 und DE 102 39 496 A1 bekannt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In Entsprechung und Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist überraschend eine Brennstoffzellenanordnung entdeckt worden, die eine wärmeisolierende, elektrisch leitende Schicht besitzt, die zwischen einer Anschlussplatte und einer Endplatte von ihr angeordnet ist, um Wärmeverluste von der Endplatte sowie die Fluidkondensation und Eisbildung an der Endplatte zu mindern.
Eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung umfasst mehrere Brennstoffzellen, die in einem Stapel angeordnet sind, eine erste Anschlussplatte, die an einem ersten Ende des Stapels der Brennstoffzellen angeordnet ist, eine zweite Anschlussplatte, die an einem zweiten Ende des Stapels der Brennstoffzellen angeordnet ist, und eine Isolierschicht, die zwischen einer der Brennstoffzellen und der ersten Anschlussplatte angeordnet ist, um dazwischen eine Wärmebarriere zu schaffen. Ferner umfasst die Brennstoffzellenanordnung eine erste Endbrennstoffzelle und eine zweite Endbrennstoffzelle, wobei die erste Endbrennstoffzelle zur ersten Anschlussplatte benachbart angeordnet ist und die zweite Endbrennstoffzelle zur zweiten Anschlussplatte benachbart angeordnet ist. Ferner weisen die erste Endbrennstoffzelle, die zweite Endbrennstoffzelle und die Brennstoffzellen jeweils eine darin angeordnete Elektrolytmembran auf. Die in der ersten Endbrennstoffzelle und der zweiten Endbrennstoffzelle angeordneten Elektrolytmembranen weisen jeweils eine Dicke im Bereich vom 1,2fachen bis zum 1,5fachen der mittleren Membrandicke der in den übrigen Brennstoffzellen des Stapels angeordneten Elektrolytmembranen auf.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen sowie weiteren Vorteile der vorliegenden Erfindung werden Fachleuten anhand der folgenden genauen Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform sogleich deutlich, wenn diese im Lichte der begleitenden Zeichnungen betrachtet wird; in den Zeichnungen zeigen:
1 eine perspektivische Explosionsansicht eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform;
2 eine längs der Linie 2-2 aufgenommene fragmentarische, seitliche Querschnittsansicht eines Abschnitts der in 1 gezeigten Brennstoffzellenanordnung;
3 eine fragmentarische, seitliche Querschnittsansicht eines Abschnitts einer Brennstoffzellenanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
4 eine fragmentarische, seitliche Querschnittsansicht eines Abschnitts einer Brennstoffzellenanordnung gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die folgende genaue Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen beschreiben und zeigen verschiedene beispielhafte Ausführungsformen. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen dazu, einem Fachmann das Ausführen und Verwenden der Erfindung zu ermöglichen.
1 zeigt einen Brennstoffzellenanordnung 10 mit einem Stapel aus zwei Brennstoffzellen. Die Brennstoffzellenanordnung ist eine Protonenaustauschmembran-(PEM)-Brennstoffzellenanordnung. Jede der zwei Brennstoffzellen umfasst eine standardisierte bzw. modularisierte Elektrodenanordnung (unitized electrode assembly, UEA) 12. Die UEA 12 sind durch eine elektrisch leitende Bipolarplatte 14 voneinander getrennt. Die UEA 12 besitzen Anoden- und Kathoden-Diffusionsmedien (DM) 34, Anoden-70- und Kathoden-71-Elektroden und eine Elektrolytmembran 60. Der Einfachheit halber ist in 1 eine Brennstoffzellenanordnung 10 mit einem Zweizellen-Brennstoffzellenstapel (d. h. einer Bipolarplatte) gezeigt, die beschrieben wird, wobei eine typische Brennstoffzellenanordnung wohlgemerkt viel mehr solcher Brennstoffzellen und Bipolarplatten besitzt.
Die UEA 12 und die Bipolarplatte 14 sind zwischen einem Paar Anschlussplatten 16, 18 und einem Paar unipolarer Endplatten 20, 22 gestapelt. Die unipolare Endplatte 20, beide Arbeitsflächen der Bipolarplatte 14 und die unipolare Endplatte 22 weisen jeweilige aktive Bereiche 24, 26, 28, 30 auf. Die aktiven Bereiche 24, 26, 28, 30 umfassen typischerweise Strömungsfelder zum Verteilen gasförmiger Reaktanden wie etwa Wasserstoffgas und Luft über eine Anode bzw. eine Kathode der UEA 12.
Die Bipolarplatte 14 ist typischerweise durch einen herkömmlichen Prozess zum Formen von Blech wie beispielsweise Stanzen, spanendes Bearbeiten, Formen oder Photoätzen durch eine photolithographische Maske gebildet. In einer Ausführungsform ist die Bipolarplatte 14 aus Unipolarplatten, die dann durch irgendeinen herkömmlichen Prozess wie etwa Schweißen oder Kleben zusammengefügt sind, gebildet. Ferner kann die Bipolarplatte 14 wohlgemerkt auch aus einem Verbundwerkstoff gebildet sein. In einer bestimmten Ausführungsform ist die Bipolarplatte 14 aus einem Graphit oder einem graphitgefüllten Polymer gebildet. Gasdurchlässige Diffusionsmedien 34 sind zu den beiden Seiten der Bipolarplatte 14 benachbart angeordnet. Die Endplatten 20, 22 sind ebenfalls zu den Diffusionsmedien 34 benachbart angeordnet. In der in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsform ist zwischen der Endplatte 22 und der Anschlussplatte 18 eine Isolierschicht 68 angeordnet. Die Isolierschicht 68 ist eine elektrisch leitende, wärmeisolierende Schicht wie beispielsweise ein Kohleschaum, ein Kohlegewebe oder ein Kohlepapier. Gute Ergebnisse sind mit einer Isolierschicht 68 erzielt worden, die eine Dicke zwischen etwa 2 mm und etwa 6 mm aufwies, jedoch kann die Isolierschicht 68 nach Bedarf eine beliebige Dicke besitzen. Wohlgemerkt kann zwischen der Unipolarplatte 20 und der Anschlussplatte 16 nach Bedarf eine zweite Isolierschicht angeordnet sein.
Die Bipolarplatte 14, die unipolaren Endplatten 20, 22 und die UEA 12 weisen jeweils eine Kathoden-Zuführöffnung 36 und eine Kathoden-Abführöffnung 38, eine Kühlmittel-Zuführöffnung 40 und eine Kühlmittel-Abführöffnung 42 sowie eine Anoden-Zuführöffnung 44 und eine Anoden-Abführöffnung 46 auf. Durch Ausrichtung der jeweiligen Öffnungen 36, 38, 40, 42, 44, 46 in der Bipolarplatte 14, den unipolaren Endplatten 20, 22 und den UEA 12 sind Zuführsammelkanäle und Abführsammelkanäle der Brennstoffzellenanordnung 10 gebildet. Das Wasserstoffgas wird einem Anoden-Zuführsammelkanal über eine Anoden-Einlassleitung 48 zugeführt. Die Luft wird einem Kathoden-Zuführsammelkanal der Brennstoffzellenanordnung 10 über eine Kathoden-Einlassleitung 50 zugeführt. Für einen Anoden-Abführsammelkanal und einen Kathoden-Abführsammelkanal sind auch eine Anoden-Auslassleitung 52 bzw. eine Katoden-Auslassleitung 54 vorgesehen. Zum Zuführen von flüssigem Kühlmittel zu einem Kühlmittel-Zuführsammelkanal ist eine Kühlmittel-Einlassleitung 56 vorgesehen. Zum Wegschaffen von Kühlmittel von einem Kühlmittel-Abführsammelkanal ist eine Kühlmittel-Auslassleitung 58 vorgesehen. Die Konfigurationen der verschiedenen Einlässe 48, 50, 56 und Auslässe 52, 54, 58 in 1 dienen wohlgemerkt zur Veranschaulichung; nach Bedarf können andere Konfigurationen gewählt werden.
UEA 12 zur Verwendung in der Brennstoffzellenanordnung können mehrere Komponenten umfassen. Wie in 2 gezeigt ist, umfasst die UEA 12 eine Elektrolytmembran 60, eine Anode 70, eine Kathode 71 und die Diffusionsmedien 34. Die Komponenten der UEA 12 werden während der Fertigung der UEA 12 durch irgendeinen herkömmlichen Prozess wie beispielsweise Warmpressen zusammengesetzt und zusammengefügt. Zwischen einzelnen Komponenten kann nach Bedarf ein Klebstoff verwendet werden. Zur Klarheit, die Diffusionsmedien 34 und die Elektrolytmembran 60 in 1 sind linear versetzt, um die Elektrolytmembran 60 zu zeigen.
Die Anode 70 und die Kathode 71 der Brennstoffzellenanordnung 10 können an der Elektrolytmembran 60 und/oder den Diffusionsmedien 34 angeordnet sein. Die Elektrode kann durch eine Katalysatortinte gebildet sein, die durch irgendeinen herkömmlichen Prozess wie beispielsweise Sprühen, Tauchen, Aufbürsten, Übertragen durch Walze, Schlitzdüsenbeschichten, Gravurbeschichten, Meyer-Rod-Beschichten, Übertragen durch Abziehbild und Bedrucken auf die Komponenten aufgebracht worden ist. Entweder die Anode oder die Kathode kann als Elektrode bezeichnet sein.
Die Elektrolytmembran 60 kann eine aus einem Ionomer gebildete Membranschicht sein. Das Ionomer Perfluorsulfonsäure (PFOS), das beispielsweise unter dem Warenzeichen Nafion^® NRE211 vertrieben wird, ist ein typisches, auf dem Fachgebiet wohlbekanntes Ionomer zur Verwendung als Elektrolytmembran 60 einer Brennstoffzelle. Die Elektrolytmembran 60 ist zwischen der Anode 70 und der Kathode 71 angeordnet.
Im Allgemeinen wird während des Betriebs eines Brennstoffzellen-Stromversorgungssystems ein Strom von Wasserstoff in die Anodenseite der Brennstoffzellenanordnung 10 eingespeist. Gleichzeitig wird ein Strom von Sauerstoff in die Kathodenseite der Brennstoffzellenanordnung 10 eingespeist. Auf der Anodenseite wird der Wasserstoff im Wasserstoffstrom katalytisch in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die Oxidations-Halbzellenreaktion lässt sich darstellen durch: H₂ ↔ 2H⁺ + 2e^–. In einer PEM-Brennstoffzelle dringen die Protonen durch die Membran zur Kathodenseite. Die Elektronen wandern einem äußeren Belastungskreis entlang zur Kathodenseite und erzeugen dadurch den elektrischen Strom der Brennstoffzellenanordnung 10. Auf der Kathodenseite vereinigt sich der Sauerstoff im Oxidationsmittelstrom mit den Protonen, die durch die Membran dringen, und den Elektronen von dem äußeren Kreis, um Wassermoleküle zu bilden. Diese Reduktions-Halbzellenreaktion lässt sich darstellen durch: 4H⁺ + 4e^– + O₂ ↔ 2H₂O. Anodenabgas von der Anodenseite wird typischerweise durch das System zurückgeführt, um eine hohe Anodenumsetzung in Elektrizität und niedrige Wasserstoffemissionen aufrechtzuerhalten.
Kathodenabgas von der Kathodenseite wird an die Umgebung abgeführt. Ein Steuermodul (nicht gezeigt) regelt die Bedingungen des Wasserstoffstroms, des Sauerstoffstroms und der Abgasströme, indem es in Ansprechen auf Signale von Drucksensoren (nicht gezeigt) und Sensoren für elektrische Leistung (nicht gezeigt), die mit der Brennstoffzellenanordnung 10 verbunden sind, verschiedene Steuerventile (nicht gezeigt) und Verdichter (nicht gezeigt) betätigt. Ein beispielhaftes Abgassystem ist in der Druckschrift US 7 235 318 B1 offenbart.
Wenn die Brennstoffzellenanordnung 10 in Betrieb ist, mindert die Isolierschicht 68 einen Verlust an Wärmeenergie von der Endplatte 22 an die Umgebung und von der Endplatte 22 an die Anschlussplatte 18. Weil die Wärmeenergie der Endplatte 22 bewahrt wird, wird die Temperatur der Endplatte 22 während aller Betriebsarten, speziell während eines Anfahrbetriebs der Brennstoffzellenanordnung 10 bei kalten Temperaturen, maximiert. Durch Maximieren der Temperatur der Endplatte 22 während des typischen Betriebs wird das sich aus kondensiertem Wasserdampf bildende Flüssigwasser in den Kanälen der Endplatte 22 minimiert. Ähnlich wird aufgrund dessen, dass die Kondensation minimiert wird, auch die Bildung von Eis in den Kanälen der Endplatte 22 unter kalten Bedingungen minimiert, wodurch ein effizientes Kaltanfahren der Brennstoffzellenanordnung 10 erleichtert wird. Außerdem wird durch Maximieren der Temperatur der Endplatte 22 während des Anfahrens des Brennstoffzellensystems von kalten Temperaturen aus die Bildung von Flüssigwasser oder Eis in der Anode 70 und der Kathode 71 minimiert, wodurch ein effizientes Kaltanfahren der Brennstoffzellenanordnung erleichtert wird. Eine unerwünschte Zunahme der Wärmeenergieerzeugung infolge des elektrischen Widerstands der Isolierschicht 68 kann durch eine Menge der Kühlmittelströmung durch die Brennstoffzellenanordnung 10 kompensiert werden. Durch Bewahrung der Wärmeenergie der Endplatte 22 ist kein Heizmechanismus zum Beheizen der Endplatte 22 erforderlich, wodurch die Komplexität und die Kosten der Brennstoffzellenanordnung 10 minimiert werden.
3 zeigt einen Abschnitt einer Brennstoffzellenanordnung 10' gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, die bis auf das nachstehend Beschriebene der Brennstoffzellenanordnung 10 aus den 1 und 2 gleicht. Die Brennstoffzellenanordnung 10' umfasst mehrere Brennstoffzellen in einem Stapel. Da die gleiche Struktur aus den 1 und 2 wiederholt wird, weist 3 dieselben Bezugszeichen mit einem Strichzeichen (') auf. Der Abschnitt der Brennstoffzellenanordnung 10' umfasst eine UEA 12', die eine Membran 60' aufweist, die zwischen einer Anode 70' und einer Kathode 71' angeordnet ist, sowie mehrere Diffusionsmedien 34'. Die UEA 12' ist zwischen einer Bipolarplatte 14' und einer Endplatte 22' angeordnet. Zwischen der Endplatte 22' und einer Anschlussplatte 18' ist eine Isolierschicht 68' angeordnet.
In der in 3 gezeigten Ausführungsform ist die Membran 60' der zur Anschlussplatte 18' (der Endbrennstoffzelle) benachbarten Brennstoffzelle eine aus einem Ionomer gebildete Membranschicht. Das Ionomer Perfluorsulfonsäure (PFOS), das beispielsweise unter dem Warenzeichen Nafion^® NRE211 vertrieben wird, ist ein typisches, auf dem Fachgebiet wohlbekanntes Ionomer zur Verwendung als Elektrolytmembran 60' einer Brennstoffzelle. Die Elektrolytmembran 60' ist zwischen der Anode 70' und der Kathode 71' angeordnet. Die Endbrennstoffzellenmembran 60' besitzt eine Dicke, die das etwa 1,2fache bis etwa 1,5fache der mittleren Dicke anderer Membranen der Brennstoffzellenanordnung 10' übersteigt, jedoch kann die Endbrennstoffmembran 60' nach Bedarf eine beliebige Dicke besitzen. Die in den anderen Brennstoffzellen verwendeten Membranen 60' besitzen eine Dicke von weniger als 25 Mikrometer. Wohlgemerkt können eine oder mehrere der zu den Endbrennstoffen der Brennstoffzellenanordnung 10' benachbarten Brennstoffzellen Membranen 60' aufweisen, die eine Dicke besitzen, die das etwa 1,2fache bis etwa 1,5fache der mittleren Dicke anderer Membranen der Brennstoffzellenanordnung 10' übersteigt. Gute Ergebnisse sind mit einer Membran 60' erhalten worden, die eine Dicke von 25–35 Mikrometer aufwies.
Wenn die Brennstoffzellenanordnung 10' in Betrieb ist, mindert die Isolierschicht 68' einen Verlust an Wärmeenergie von der Endplatte 22' an die Umgebung und von der Endplatte 22' an die Anschlussplatte 18'. Weil der Verlust an Wärmeenergie von der Endplatte 22' minimiert wird, wird eine Temperatur der Endplatte 22' maximiert. Durch Maximieren der Temperatur der Endplatte 22' wird das sich aus kondensiertem Wasserdampf bildende Flüssigwasser in den Kanälen der Endplatte 22' minimiert. Ähnlich wird aufgrund dessen, dass die Kondensation minimiert wird, auch die Bildung von Eis in den Kanälen der Endplatte 22' unter kalten Bedingungen minimiert, wodurch ein effizientes Kaltanfahren der Brennstoffzellenanordnung 10 erleichtert wird. Außerdem wird durch Maximieren der Temperatur der Endplatte 22 während eines Anfahrbetriebs des Brennstoffzellenanordnung 10 bei kalten Temperaturen die Bildung von Flüssigwasser oder Eis in der Anode 70' und der Kathode 71' minimiert, wodurch ein effizientes Kaltanfahren der Brennstoffzellenanordnung 10' erleichtert wird. Weil die Membran 60' der Endbrennstoff eine Dicke besitzt, die jene einer typischen Brennstoffzellenmembran übersteigt, wird ein Ausmaß der durch die Membran 60' absorbierten Kondensation maximiert, wodurch die in der Anode 70' und der Kathode 71' sowie den Strömungskanälen der Endplatte 22' entstehende Kondensation weiter minimiert wird. Eine unerwünschte Zunahme der Wärmeenergieerzeugung infolge des protonischen Widerstands der dickeren Membran 60' und des elektrischen Widerstands der Isolierschicht 68' kann durch eine Menge der Kühlmittelströmung durch die Brennstoffzellenanordnung 10' kompensiert werden. Durch Bewahrung der Wärmeenergie der Endplatte 22' ist kein Heizmechanismus zum Beheizen der Endplatte 22' erforderlich, wodurch die Komplexität und die Kosten der Brennstoffzellenanordnung 10' minimiert werden.
4 zeigt einen Abschnitt einer Brennstoffzellenanordnung 10'' gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform, die bis auf das nachstehend Beschriebene der Brennstoffzellenanordnung 10 aus den 1 und 2 gleicht. Die Brennstoffzellenanordnung 10'' umfasst mehrere Brennstoffzellen in einem Stapel. Da die gleiche Struktur aus den 1 und 2 wiederholt wird, weist 4 dieselben Bezugszeichen mit einem Doppelstrichzeichen ('') auf. Der Abschnitt der Brennstoffzellenanordnung 10'' ist eine Brennstoffzelle, die zu einer Anschlussplatte 18', die als Endbrennstoff bekannt ist, benachbart ist. Die Endbrennstoff umfasst eine UEA 12'', die eine Membran 60'' aufweist, die zwischen einer Anode 70'' und einer eine erste Schicht 74 und eine zweite Schicht 72 aufweisenden Kathode 71'' liegend angeordnet ist. Die Kathode 71'' kann nach Bedarf aus einer einzigen Schicht gebildet sein. Unabhängig davon, ob die Kathode 71'' aus einer einzigen Schicht oder aus der ersten Schicht 74 und der zweiten Schicht 72 gebildet ist, besitzt sie eine Dicke, die das etwa 1,2fache bis 1,5fache der mittleren Dicke der anderen Kathoden der Brennstoffzellenanordnung 10'' übersteigt, jedoch kann die Kathode 72'' nach Bedarf eine beliebige Dicke besitzen. Die Membran 60'', die Anode 70'' und die Kathode 71'' sind zwischen mehreren Diffusionsmedien 34' angeordnet. Die UEA 12'' ist zwischen einer Bipolarplatte 14'' und einer Endplatte 22'' angeordnet. Zwischen der Endplatte 22'' und einer Anschlussplatte 18'' ist eine Isolierschicht 68'' angeordnet.
Die erste Schicht 74 und die zweite Schicht 72 können irgendwelche poröse und elektrisch leitende Werkstoffe sein, die an der elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzellenanordnung 10'' beteiligt sind. Die erste Schicht 74 und die zweite Schicht 72 können außerdem irgendeinen porösen und elektrisch leitenden Werkstoff umfassen, der nicht an der elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzellenanordnung 10'' beteiligt ist. Beispielsweise können die erste Schicht 74 und/oder die zweite Schicht 72 der Kathode 71'' einen kohlehaltigen Werkstoff wie etwa Ruß und/oder Graphit und/oder Aktivkohle umfassen. Ein Katalysator der ersten Schicht 74 und/oder der zweiten Schicht 72 kann aus Platin einer der Platingruppenmetalle, die Palladium, Iridium, Rhodium, Ruthenium und Legierungen davon umfassen, gebildet sein. Es können geeignete Legierungen, die auf Platin und einem anderen Metall wie beispielsweise Ruthenium basieren, verwendet werden. Der Katalysator kann weitere Legierungszusätze wie beispielsweise Kobalt, Chrom, Wolfram, Molybdän, Vanadium, Eisen, Kupfer und Nickel umfassen. Nach Bedarf können auch weitere geeignete leitende Werkstoffe verwendet werden. Der Katalysator der Schichten 72, 74 kann in einem Verhältnis, das von etwa zwanzig (20) Gewichtsprozent Pt/C bis etwa siebzig (70) Gewichtsprozent Pt/C reicht, vorgesehen sein. Nach Bedarf können andere geeignete Gewichtsprozentverhältnisse des Katalysators der Schichten 72, 74 gewählt werden.
Die erste Schicht 74 und/oder die zweite Schicht 72 können auch aus einer Kombination von Werkstoffen, die einen nicht leitenden, verstärkenden Werkstoff umfassen, gebildet sein, solange die Kathode 71'' im Wesentlichen elektrisch leitend bleibt. Die Fasern können beispielsweise im Wesentlichen gerade, verzweigt oder fibrilliert sein. Die Fasern können in Form einer hochfibrillierten polymeren Paste wie etwa Kevlar^®-Aramidpasten und Acrylpasten, die auf dem Fachgebiet bekannt sind, vorliegen. Die Faser kann eine Kohlenstoff-Nanofaser und/oder ein Kohlenstoff-Nanorohr und/oder eine Glas-Nanofaser und/oder eine Polymer-Nanofaser und/oder eine Metalloxid-Nanofaser umfassen. Wohlgemerkt sind die Kohlenstoff-Nanofasern im Allgemeinen im Durchmesser kleiner als herkömmliche Endlos- oder Kurz-Kohlenstofffasern (z. B. etwa 5 Mikrometer bis etwa 10 Mikrometer), jedoch größer im Durchmesser als Kohlenstoff-Nanorohre (z. B. etwa 1 Nanometer bis etwa 10 Nanometer). Eine typische Nanofaser kann Pyrograf^®-III-Kohlenstofffasern, die von Applied Sciences, Inc., Cedarville, Ohio hergestellt werden, und aus der Dampfphase gezüchtete Kohlenstofffasern (vapor-grown carbon fibers, VGCF), die von Showa Denko Carbon, Inc., Ridgeville, South Carolina erhältlich sind, umfassen. Der nicht leitende, verstärkende Werkstoff kann eine modifizierte Oberfläche besitzen, um seine physikalische Verflechtung und/oder seine chemische Verflechtung zu steigern. Der verstärkende Werkstoff kann mit einem Organosilan wie etwa Hexamethyldisiloxan (HMDSO) Tetraethoxysilan (TEOS), Hexamethyldisilazan (HMDSN) oder ähnlichen Organosilanbeschichtungen behandelt sein. Der nicht leitende, verstärkende Werkstoff kann ferner behandelt sein, um eine oder mehrere Funktionsgruppen auf seiner Oberfläche zu bilden, wie beispielsweise Hydroxylgruppen, Carboxylgruppen, Aldehydgruppen, Amidgruppen, Amingruppen, um die Wechselwirkung des verstärkenden Werkstoffs mit den die Kathode 71'' bildenden leitenden Werkstoffen zu steigern.
In einem nicht beschränkenden Beispiel ist die erste Schicht 74 der Kathode 71'' aus einem Ionomer, einem elektrisch leitenden Werkstoff wie etwa einer Kohlenstoff-Nanofaser und einem Platinkatalysator gebildet. Das Gewichtsverhältnis von Ionomer zu Kohlenstoff im Platin- oder Kohlenstoffkatalysator geht von etwa 0,1 bis etwa 0,6 (0,1–0,6:1 Ionomer/Kohlenstoff). Das Gewichtsverhältnis von elektrisch leitendem Werkstoff zu Kohlenstoff in der ersten Schicht 74 beträgt etwa 1 zu 1 (1:1 elektrisch leitender Werkstoff/Kohlenstoff). Die erste Schicht 74 weist etwa 0,2 mg/cm² Pt auf. In einem nicht beschränkenden Beispiel ist die zweite Schicht 72 aus einem Ionomer, einem elektrisch leitenden Werkstoff und einem Platinkatalysator gebildet. Das Gewichtsverhältnis von Ionomer zu Kohlenstoff im Platin- oder Kohlenstoffkatalysator geht von etwa 0,6 bis etwa 1,8. Die zweite Schicht 72 weist etwa 0,2 mg/cm² Pt auf. Gute Ergebnisse sind mit einer zweiten Schicht 72, die ein Ionomer-Kohlenstoff-Gewichtsverhältnis von 1,5 besaß, und einer ersten Schicht 74, die ein Ionomer-Kohlenstoff-Gewichtsverhältnis von 0,33 besaß, erzielt worden. Die Kathode 71'' besitzt aufgrund dessen, dass die erste Schicht 74 und die zweite Schicht 72 jeweils eine Dicke von etwa 12 Mikrometer besitzen, eine Dicke von etwa 24 Mikrometer. Eine typische Kathode besitzt eine Dicke von weniger als 20 Mikrometer. Das Ionomer in der ersten Schicht 74 und der zweiten Schicht 72 kann irgendein Polymer sein, das elektrisch leitend und Protonen leitend ist, wie beispielsweise Perfluorsulfonsäure (PFOS). Wohlgemerkt kann die Anode 70'' nach Bedarf ebenfalls eine erste Schicht und eine zweite Schicht, die zur ersten Schicht 74 und der zweiten Schicht 72 der Kathode 71'' ähnlich sind, aufweisen.
Wenn die Brennstoffzellenanordnung 10'' in Betrieb ist, mindert die Isolierschicht 68'' einen Verlust an Wärmeenergie von der Endplatte 22'' an die Umgebung und von der Endplatte 22'' an die Anschlussplatte 18''. Weil die Wärmeenergie der Endplatte 22'' bewahrt wird, wird die Temperatur der Endplatte 22'' maximiert. Durch Maximieren der Temperatur der Endplatte 22'' wird das sich aus kondensiertem Wasserdampf bildende Flüssigwasser in den Kanälen der Endplatte 22'' minimiert. Ähnlich wird aufgrund dessen, dass die Kondensation minimiert wird, auch die Bildung von Eis in den Kanälen der Endplatte 22'' unter kalten Bedingungen minimiert, wodurch ein effizientes Kaltanfahren der Brennstoffzellenanordnung 10'' erleichtert wird. Außerdem wird durch Maximieren der Temperatur der Endplatte 22 während des Anfahrbetriebs der Brennstoffzellenanordnung 10 bei kalten Temperaturen die Bildung von Flüssigwasser oder Eis in der Anode 70'' und der Kathode 71'' minimiert, wodurch ein effizientes Kaltanfahren der Brennstoffzellenanordnung 10'' erleichtert wird. Weil die Kathode 71'' der Endbrennstoff eine Dicke besitzt, die die Kathode einer typischen Kathode und der Kathoden in den restlichen Brennstoffzellen der Brennstoffzellenanordnung 10'' übersteigt, werden die Menge und die Größe oder Poren in der Kathode 71'', die geeignet sind, kondensiertes Wasser aufzunehmen, maximiert, wodurch die Blockierung von Gasströmungen zum Katalysator in der Anode 70'' und der Kathode 71'' minimiert wird und die in den Strömungskanälen der Endplatte 22'' entstehende Kondensation minimiert wird. Durch Minimierung einer Blockierung von Gasströmungen zum Katalysator in der Anode 70'' und der Kathode 71'' und Minimieren der in den Strömungskanälen entstehenden Kondensation wird der Wirkungsgrad der Brennstoffzellenanordnung 10'' erhöht. Eine mögliche unerwünschte Zunahme der Wärmeenergieerzeugung infolge des protonischen Widerstands der dickeren Kathode und des elektrischen Widerstands der Isolierschicht 68'' kann durch eine Menge der Kühlmittelströmung durch die Brennstoffzellenanordnung 10'' kompensiert werden. Durch Bewahrung der Wärmeenergie der Endplatte 22'' ist kein Heizmechanismus zum Beheizen der Endplatte 22'' erforderlich, wodurch die Komplexität und die Kosten der Brennstoffzellenanordnung 10'' minimiert werden.

Claims

Brennstoffzellenanordnung, die umfasst: mehrere Brennstoffzellen, die in einem Stapel angeordnet sind; eine erste Anschlussplatte, die an einem ersten Ende des Stapels der Brennstoffzellen angeordnet ist; eine zweite Anschlussplatte, die an einem zweiten Ende des Stapels der Brennstoffzellen angeordnet ist; eine erste Endbrennstoffzelle und eine zweite Endbrennstoffzelle, wobei die erste Endbrennstoffzelle zur ersten Anschlussplatte benachbart angeordnet ist und die zweite Endbrennstoffzelle zur zweiten Anschlussplatte benachbart angeordnet ist; und eine Isolierschicht, die zwischen der ersten Endbrennstoffzelle und der ersten Anschlussplatte angeordnet ist, um dazwischen eine Wärmebarriere zu schaffen, wobei die erste Endbrennstoffzelle, die zweite Endbrennstoffzelle und die Brennstoffzellen jeweils eine darin angeordnete Elektrolytmembran aufweisen, und wobei die in der ersten Endbrennstoffzelle und der zweiten Endbrennstoffzelle angeordneten Elektrolytmembranen jeweils eine Dicke im Bereich vom 1,2fachen bis zum 1,5fachen der mittleren Membrandicke der in den übrigen Brennstoffzellen des Stapels angeordneten Elektrolytmembranen aufweisen.
Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Isolierschicht aus einem elektrisch leitenden, wärmeisolierenden Werkstoff gebildet ist.
Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Isolierschicht entweder aus einem Kohleschaum oder einem Kohlegewebe oder einem Kohlepapier gebildet ist.
Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Isolierschicht eine Dicke im Bereich von 2 mm bis 6 mm aufweist.
Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, die ferner eine zweite Isolierschicht umfasst, die zwischen der zweiten Endbrennstoffzelle und der zweiten Anschlussplatte angeordnet ist.
Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, wobei die in der ersten Endbrennstoffzelle und der zweiten Endbrennstoffzelle angeordneten Elektrolytmembranen jeweils eine Dicke von 25 Mikrometer bis 35 Mikrometer aufweisen.