DE102013217759B4

DE102013217759B4 - Brennstoffzellenmembran-unterdichtungsanordnung mit beschichteten unterdichtungen sowie brennstoffzellenanordnung mit solch einer brennstoffzellenmembran-unterdichtungsanordnung

Info

Publication number: DE102013217759B4
Application number: DE102013217759.3A
Authority: DE
Inventors: Gerald W. Fly; Sumeet Bhargava; James Leistra; Gayatri Vyas Dadheech
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2012-09-12
Filing date: 2013-09-05
Publication date: 2021-06-24
Anticipated expiration: 2033-09-06
Also published as: US9076998B2; DE102013217759A1; CN103682393B; CN103682393A; US20140072899A1

Abstract

Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung (1), umfassend:
eine Elektrolytmembran (35); und
eine beschichtete Unterdichtung (10), die einen Umfang (31) der Elektrolytmembran (35) überlagert, wobei die beschichtete Unterdichtung (10) einen aktiven Bereich (30) der Elektrolytmembran (35) im Inneren des Umfangs (31) der Elektrolytmembran (35) definiert,
wobei:
die beschichtete Unterdichtung (10) einen Unterdichtungskörper (20) umfasst, der aus einem Unterdichtungsmaterial gebildet ist;
der Unterdichtungskörper (20) eine erste Unterdichtungsseite (12), die der Elektrolytmembran (35) zugewandt ist, und eine zweite Unterdichtungsseite (14) umfasst, die der ersten Unterdichtungsseite (12) entgegengesetzt ist; und
zumindest eine von der ersten Unterdichtungsseite (12) des Unterdichtungskörpers (20) und der zweiten Unterdichtungsseite (14) des Unterdichtungskörpers (20) eine Unterdichtungsdeckschicht (25) über dem Unterdichtungsmaterial umfasst; dadurch gekennzeichnet , dass
die Unterdichtungsdeckschicht (25) ein Unterdichtungs-Beschichtungsmaterial umfasst, das Titannitrid umfasst.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Patentbeschreibung betrifft Brennstoffzellensysteme und insbesondere eine Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie beispielsweise aus der US 2011 / 0 151 350 A1 bekannt, sowie Brennstoffzellenanordnung, welche solch eine Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung umfasst.
Bezüglich des weitergehenden Standes der Technik sei an dieser Stelle auf die Druckschriften JP 2006 - 049 195 A und US 2007 / 0 134 538 A1 verwiesen.
HINTERGRUND
Brennstoffzellen sind als eine saubere, effiziente und umweltfreundliche Energiequelle für Elektrofahrzeuge und verschiedene andere Anwendungen vorgeschlagen worden. Insbesondere sind Brennstoffzellen als eine potentielle Alternative für die herkömmliche Brennkraftmaschine, die in modernen Kraftfahrzeugen verwendet wird, erkannt worden.
Ein Typ von Brennstoffzelle ist als eine Polymerelektrolytmembran (PEM)-Brennstoffzelle bekannt. Die PEM-Brennstoffzelle umfasst drei Grundkomponenten: eine Elektrolytmembran; und ein Paar Elektroden, das eine Kathode und eine Anode umfasst. Die Elektrolytmembran ist zwischen den Elektroden eingebaut, um eine Membranelektrodenanordnung (MEA) zu bilden. Die MEA ist typischerweise zwischen porösen Diffusionsmedien (DM) wie z. B. Kohlefaserpapier positioniert, welche die Lieferung von Reaktanden wie z. B Wasserstoff an die Anode und Sauerstoff, typischerweise aus der Luft, an die Kathode zu erleichtern. In der elektrochemischen Brennstoffzellenreaktion wird der Wasserstoff in der Anode katalytisch oxidiert, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen bewegen sich durch den Elektrolyt hindurch zu der Kathode. Die Elektronen von der Anode können nicht durch die Elektrolytmembran hindurch gelangen und werden stattdessen als ein elektrischer Strom durch einen Verbraucher wie z. B. einen Elektromotor zu der Kathode geleitet. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen.
Die Elektrolytmembran ist typischerweise aus einer Schicht aus einem lonomer gebildet. Ein typisches lonomer ist ein Perfluorsulfonsäure (PFSA)-Polymer wie z. B. Nafion®, das im Handel von E. I. du Pont de Nemours and Company erhältlich ist. Die Elektroden der Brennstoffzelle sind allgemein aus einem fein verteilten Katalysator gebildet. Der Katalysator kann ein beliebiger Elektrokatalysator sein, der katalytisch zumindest eine von einer Oxidation von Wasserstoff oder einer Reduktion von Sauerstoff für die elektrochemische Brennstoffzellenreaktion unterstützt. Der Katalysator kann typischerweise ein Edelmetall wie z. B. Platin oder ein anderes Metall aus der Platin-Gruppe sein. Der Katalysator ist allgemein auf einem Kohlenstoffträger wie z. B. Rußpartikeln angeordnet und ist in einem lonomer verteilt. Die Elektrolytmembran, die Elektroden und die DM sind zwischen einem Paar von Brennstoffzellenplatten positioniert und z. B. mit einer Dichtung abgedichtet, welche eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung bereitstellt.
Die Elektrolytmembran weist typischerweise eine damit gekoppelte Sperrfolie oder Unterdichtung auf, um eine innere Verstärkung vorzusehen, und um das Wasserstoffgas und die Luft, die dem Brennstoffzellenstapel zugeführt werden, zu trennen. Die Unterdichtung überlagert im Allgemeinen eine Kante der Elektrolytmembran und wird in einem Nebenschritt durch Abschneiden eines Stücks eines bahnförmigen Polymermaterials und Kleben des bahnförmigen Materials an die Elektrolytmembran mithilfe von Druck und/oder eines Klebers gebildet. Einige Beispiele von Unterdichtungen und Mitteln zum Koppeln von Unterdichtungen an die Elektrolytmembran sind in dem in gemeinschaftlichen Besitz befindlichen U.S.-Patent US 7 935 453 B2 beschrieben.
Eine Unterdichtung, die einem Umfang des aktiven Brennstoffzellenplattenbereichs folgt, liegt an der MEA an und kann diese MEA überlappen. Die Unterdichtung fungiert im Allgemeinen sowohl, um die MEA abzustützen, als auch, um das Kathodenströmungsfeld einer Brennstoffzelle von dem Anodenströmungsfeld einer benachbarten Brennstoffzelle in einer gestapelten Anordnung elektrisch zu isolieren. Die Unterdichtung isoliert auch die Gebiete außerhalb des Strömungsfeldes elektrisch. Eine innere Kante der Unterdichtung definiert das aktive Gebiet der MEA.
Harte Bedingungen wie z. B hohe Temperatur und hoher Druck, die während eines Normalbetriebes von Brennstoffzellen anzutreffen sind, erfordern einen Aufbau der verschiedenen Komponenten der Brennstoffzelle aus Materialien, die sich nicht abbauen (degradieren) oder verformen. Übliche Gründe einer Degradation oder Verformung umfassen örtlich begrenzte Bereiche hohen Druckes, wenn dicke Unterdichtungen verwendet werden, oder Bereiche einer Unterdichtungsauslenkung durch die Strömung von Reaktandengasen, wenn dünne Unterdichtungen verwendet werden. Solche Degradationen oder Verformungen der Unterdichtung können die Lebensdauer der MEA negativ beeinflussen oder können die Leistung der Brennstoffzelle insgesamt verringern.
Es besteht daher fortgesetzter Bedarf an verbesserten Unterdichtungen, die in MEAs, Brennstoffzellenanordnungen, welche MEAs umfassen, und Brennstoffzellenstapeln, die eine oder mehrere Brennstoffzellenanordnungen umfassen, eingebaut werden können und mit denen auf die Probleme der Degradation und Verformung der Unterdichtung abgezielt werden kann, ohne dass dies zu Lasten der Fertigungskosten oder des Produktionsaustoßes geht.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, diesem Bedarf gerecht zu werden.
ZUSAMMENFASSUNG
Diese Aufgabe wird mit einer Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit einer Brennstoffzellenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst.
Die Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnungen können eine Elektrolytmembran und eine beschichtete Unterdichtung umfassen, die einen Umfang der Elektrolytmembran überlagert. Die beschichtete Unterdichtung kann einen aktiven Bereich im Inneren des Umfangs der Elektrolytmembran definieren. Die beschichtete Unterdichtung kann einen Unterdichtungskörper umfassen, der aus einem Unterdichtungsmaterial gebildet ist. Der Unterdichtungskörper kann eine erste Unterdichtungsseite, die der Elektrolytmembran zugewandt ist, und eine zweite Unterdichtungsseite umfassen, die der ersten Unterdichtungsseite entgegengesetzt ist. Zumindest eine von der ersten Unterdichtungsseite des Unterdichtungskörpers und der zweiten Unterdichtungsseite des Unterdichtungskörpers kann eine Unterdichtungsdeckschicht über dem Unterdichtungsmaterial umfassen. Die Unterdichtungsdeckschicht umfasst ein Beschichtungsmaterial in Form von Titannitrid.
Weitere hierin beschriebene Ausführungsformen sind auf Brennstoffzellenanordnungen gerichtet, welche die Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnungen gemäß einer oder mehrerer ebenfalls hierin beschriebener Ausführungsformen umfassen. Eine Brennstoffzellenanordnung kann ein erstes Gasdiffusionsmedium, ein zweites Gasdiffusionsmedium und eine Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung umfassen, die zwischen dem ersten Gasdiffusionsmedium und dem zweiten Gasdiffusionsmedium eingefügt ist. Die Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung kann eine Elektrolytmembran und eine beschichtete Unterdichtung umfassen, die einen Umfang der Elektrolytmembran überlagert. Die beschichtete Unterdichtung kann einen aktiven Bereich im Inneren des Umfangs der Elektrolytmembran definieren. Die beschichtete Unterdichtung kann einen Unterdichtungskörper umfassen, der aus einem Unterdichtungsmaterial gebildet ist. Der Unterdichtungskörper kann eine erste Unterdichtungsseite, die der Elektrolytmembran zugewandt ist, und eine zweite Unterdichtungsseite aufweisen, die der ersten Unterdichtungsseite entgegengesetzt ist. Zumindest eine von der ersten Unterdichtungsseite des Unterdichtungskörpers und der zweiten Unterdichtungsseite des Unterdichtungskörpers kann eine Unterdichtungsdeckschicht über dem Unterdichtungsmaterial umfassen. Die Unterdichtungsdeckschicht umfasst ein Beschichtungsmaterial in Form von Titannitrid. Eine erste Elektrodenschicht der Brennstoffzellenanordnung kann zwischen der Elektrolytmembran der Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung und dem ersten Gasdiffusionsmedium eingefügt sein. Eine zweite Elektrodenschicht der Brennstoffzellenanordnung kann zwischen der Elektrolytmembran der Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung und dem zweiten Gasdiffusionsmedium eingefügt sein. Die Brennstoffzellenanordnungen können auch eine Bipolarplatte mit einer Kathodenseite und einer der Kathodenseite entgegengesetzten Anodenseite umfassen. Die Bipolarplatte kann in Fluidverbindung mit der Elektrolytmembran stehen.
Noch weitere hierin beschriebene Ausführungsformen sind auf Brennstoffzellenstapel gerichtet, welche zumindest eine der oben beschriebenen Brennstoffzellenanordnungen umfassen. Die zumindest eine Brennstoffzellenanordnung kann eine Brennstoffzellen-Unterdichtungselektrodenanordnung gemäß einer oder mehrerer hierin beschriebener Ausführungsformen umfassen. Die Brennstoffzellenstapel können eine erste Klemmplatte, eine zweite Klemmplatte, eine erste unipolare Endplatte, die zwischen der ersten Klemmplatte und der zweiten Klemmplatte angeordnet ist, und eine zweite unipolare Endplatte umfassen, die zwischen der ersten unipolaren Endplatte und der zweiten Klemmplatte angeordnet ist. Die Brennstoffzellenstapel können ferner eine Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellenanordnungen zwischen der ersten unipolaren Endplatte und der zweiten unipolaren Endplatte umfassen. Zumindest eine der einzelnen Brennstoffzellenanordnungen kann ein erstes Gasdiffusionsmedium, ein zweites Gasdiffusionsmedium und eine Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung umfassen, die zwischen dem ersten Gasdiffusionsmedium und dem zweiten Gasdiffusionsmedium eingefügt ist. Die Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung in solch einer einzelnen Brennstoffzellenanordnung kann eine Elektrolytmembran und eine beschichtete Unterdichtung umfassen, die einen Umfang der Elektrolytmembran überlagert. Die beschichtete Unterdichtung kann einen aktiven Bereich im Inneren des Umfangs der Elektrolytmembran definieren. Die beschichtete Unterdichtung kann einen Unterdichtungskörper umfassen, der aus einem Unterdichtungsmaterial gebildet ist. Der Unterdichtungskörper kann eine erste Unterdichtungsseite, die der Elektrolytmembran zugewandt ist, und eine zweite Unterdichtungsseite aufweisen, die der ersten Unterdichtungsseite entgegengesetzt ist. Zumindest eine von der ersten Unterdichtungsseite des Unterdichtungskörpers und der zweiten Unterdichtungsseite des Unterdichtungskörpers kann eine Unterdichtungsdeckschicht über dem Unterdichtungsmaterial umfassen. Die Unterdichtungsdeckschicht kann beispielsweise ein oder mehrere Beschichtungsmaterialien wie z. B. Metalle, Stähle, Legierungen, Keramiken, Oxide, Nitride, Carbide, Kohlenstoff, diamantähnlichen Kohlenstoff, Acryle, Polymere, Polymer-Verbundwerkstoffe und Hartstoffbeschichtungen enthalten oder daraus gebildet sein. Eine erste Elektrodenschicht der einzelnen Brennstoffzellenanordnung kann zwischen der Elektrolytmembran der Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung und dem ersten Gasdiffusionsmedium eingefügt sein. Eine zweite Elektrodenschicht der einzelnen Brennstoffzellenanordnung kann zwischen der Elektrolytmembran der Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung und dem zweiten Gasdiffusionsmedium eingefügt sein. Die einzelne Brennstoffzellenanordnung kann ferner eine Bipolarplatte in Fluidverbindung mit der Elektrolytmembran umfassen, die eine Kathodenseite, welche einer von der ersten Klemmplatte und der zweiten Klemmplatte zugewandt ist, und eine Anodenseite aufweist, die der anderen von der ersten Klemmplatte und der zweiten Klemmplatte zugewandt ist. In den Brennstoffzellenstapeln können sich benachbarte einzelne Brennstoffzellenanordnungen der Vielzahl von gestapelten einzelnen Brennstoffzellenanordnungen eine gemeinsame Bipolarplatte zwischen einer ersten einzelnen Brennstoffzellenanordnung und einer zweiten einzelnen Brennstoffzellenanordnung teilen. Insbesondere kann die Kathodenseite der gemeinsamen Bipolarplatte der ersten einzelnen Brennstoffzellenanordnung zugewandt sein und die Anodenseite der gemeinsamen Bipolarplatte kann der zweiten einzelnen Brennstoffzellenanordnung zugewandt sein.
Es ist einzusehen, dass sowohl die vorhergehende allgemeine Beschreibung als auch die nachfolgende detaillierte Beschreibung verschiedene Ausführungsformen beschreiben und einen Überblick oder einen Rahmen zum Verständnis der Beschaffenheit und des Wesens des beanspruchten Gegenstandes bereitstellen sollen. Die begleitenden Zeichnungen sind eingeschlossen, um ein weiteres Verständnis der verschiedenen Ausführungsformen bereitzustellen, und sind in dieser Patentbeschreibung eingearbeitet oder bilden einen Teil derselben. Die Zeichnungen illustrieren die verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien und Funktionen des beanspruchten Gegenstandes zu erklären.
Figurenliste

1 ist eine Draufsicht einer Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung in Übereinstimmung mit hierin beschriebenen Ausführungsformen, die eine beschichtete Unterdichtung umfasst;
2A ist ein Querschnitt der Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung von 1, der eine beschichtete Unterdichtung in Übereinstimmung mit einer hierin offenbarten Ausführungsform zeigt, wobei die beschichtete Unterdichtung nur auf der ersten Fläche beschichtet ist;
2B ist ein Querschnitt der Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung von 1, der eine beschichtete Unterdichtung in Übereinstimmung mit einer anderen hierin offenbarten Ausführungsform zeigt, wobei die beschichtete Unterdichtung nur auf einer der ersten Fläche entgegengesetzten zweiten Fläche beschichtet ist;
2c ist ein Querschnitt der Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung von 1, der eine Unterdichtung in Übereinstimmung mit einer anderen hierin offenbarten Ausführungsform zeigt, wobei die beschichtete Unterdichtung sowohl auf der ersten Fläche als auch der zweiten Fläche beschichtet ist;
3A ist ein Querschnitt einer Ausführungsform einer Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung mit der Unterdichtung in Übereinstimmung mit der Ausführungsform von 2A um einen Außenumfang einer Elektrolytmembran;
3B ist ein Querschnitt einer Ausführungsform einer Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung mit der Unterdichtung in Übereinstimmung mit der Ausführungsform von 2A um einen Außenumfang einer Elektrolytmembran, die mit einer Elektrodenschicht beschichtet ist, wobei die Elektrodenschicht zwischen der Elektrolytmembran und der Unterdichtung eingefügt ist;
3C ist ein Querschnitt einer Ausführungsform einer Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung mit einer beschichteten Unterdichtung um einen Außenumfang einer Elektrolytmembran, in der die beschichtete Unterdichtung und die Elektrolytmembran zwischen zwei katalysatorbeschichteten Gasdiffusionsmedien eingefügt sind;
4 ist eine Brennstoffzellenanordnung in Übereinstimmung mit hierin beschriebenen Ausführungsformen, welche eine Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung in Übereinstimmung mit den Ausführungsformen hierin umfasst; und
5 ist eine Brennstoffzellenanordnung in Übereinstimmung mit hierin beschriebenen Ausführungsformen, welche eine gestapelte Konfiguration umfasst, die zwei der Brennstoffzellenanordnungen von 4 enthält.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Nunmehr wird im Detail Bezug auf Ausführungsformen von Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnungen mit metallisierten oder hartstoffbeschichteten Unterdichtungen, auf Brennstoffzellenanordnungen, welche die Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung umfassen, und auf Brennstoffzellenstapel genommen, welche die Brennstoffzellenanordnungen umfassen, von denen Beispiele in den beigefügten Zeichnungen illustriert sind. Wann immer es möglich ist, werden in den Zeichnungen durchweg die gleichen Bezugsziffern verwendet, um auf gleiche oder ähnliche Teile zu verweisen. Eine Ausführungsform der Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung ist in 1 abgebildet, wobei die Querschnitte in den 2A und 2B die in der Brennstoffzellen-Unterdichtungselektrodenanordnung vorhandene beschichtete Unterdichtung illustrieren und ein weiterer Querschnitt in 3 die Beziehung der Unterdichtung zu anderen Schichten der Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung illustriert. Weitere Ausführungsformen der Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung sind durch die Querschnitte der 3A, 3B und 3C illustriert. Ausführungsformen von Brennstoffzellenanordnungen, welche die Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnungen umfassen, werden unten stehend mit Bezugnahme auf 4 beschrieben, und Ausführungsformen von Brennstoffzellenstapeln, welche die Brennstoffzellenanordnungen umfassen, werden unten stehend mit Bezugnahme auf 5 beschrieben.
Bezug nehmend auf die 1A und 3A kann eine Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung 1 in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen eine Elektrolytmembran 35 und eine beschichtete Unterdichtung 10 umfassen, welche die Elektrolytmembran 35 um einen Umfang 31 der Elektrolytmembran 35 herum überlagert. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Ausdruck „überlagern“ mit Bezug auf die beschichtete Unterdichtung 10 nur auf die Lage der beschichteten Unterdichtung 10 relativ zu der Elektrolytmembran 35 und schließt das Vorhandensein zusätzlicher Einrichtungen zwischen der beschichteten Unterdichtung 10 und der Elektrolytmembran 35 nicht aus. Außerdem soll der Ausdruck „überlagern“ keinerlei bevorzugte Orientierung der Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung 1 implizieren, sodass sich die beschichtete Unterdichtung im Betrieb in einigen Ausführungsformen über der Elektrolytmembran 35, in anderen Ausführungsformen unter der Elektrolytmembran 35 oder in noch anderen Ausführungsformen neben der Elektrolytmembran 35 befinden könnte. Die beschichtete Unterdichtung 10 kann einen aktiven Bereich 30 im Inneren des Umfanges 31 der Elektrolytmembran 35 definieren.
Die 3A, 3B und 3C illustrieren drei exemplarische Ausführungsformen von Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnungen 1. Es sollte einzusehen sein, dass die 3A, 3B und 3C partielle Explosionsdarstellungen sind, und dass die einzelnen Komponenten, die in den Fig. gezeigt sind, sich in einer betriebsfähigen Brennstoffzelle physisch berühren können und optional von Zwischenschichten (nicht gezeigt) wie z. B. Klebern zusammengehalten werden können. In Ausführungsformen in Übereinstimmung mit 3A kann die beschichtete Unterdichtung der Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung 1 direkt auf der Elektrolytmembran 35 liegen. In Ausführungsformen in Übereinstimmung mit 3B kann die Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung 1 ferner eine erste Elektrodenschicht 32 und eine zweite Elektrodenschicht 34 umfassen. Die erste Elektrodenschicht kann eine katalytische Beschichtung auf einer ersten Seite der Elektrolytmembran 35 sein und die zweite Elektrodenschicht 32 kann eine katalytische Beschichtung auf einer zweiten Seite der Elektrolytmembran 35 sein, die der ersten Seite entgegengesetzt ist. In einigen Ausführungsformen in Übereinstimmung mit 3B kann die erste Elektrodenschicht 32 die Anodenelektrode sein und die zweite Elektrodenschicht 34 kann die Kathodenelektrode sein. In anderen Ausführungsformen in Übereinstimmung mit 3B kann die erste Elektrodenschicht 32 die Kathodenelektrode sein und die zweite Elektrodenschicht 34 kann die Anodenelektrode sein.
In Ausführungsformen in Übereinstimmung mit 3C kann die Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung 1 ferner ein erstes Gasdiffusionsmedium 160, ein zweites Gasdiffusionsmedium 170, eine erste Elektrodenschicht 32 und eine zweite Elektrodenschicht 34 umfassen. Die erste Elektrodenschicht 32 ist eine katalytische Beschichtung auf dem ersten Gasdiffusionsmedium 160. Die zweite Elektrodenschicht 34 ist eine katalytische Beschichtung auf dem zweiten Gasdiffusionsmedium 170. Die beschichtete Unterdichtung 10 ist zwischen der ersten Elektrodenschicht 32 und der elektrolytischen Membran 35 eingefügt. In einigen Ausführungsformen in Übereinstimmung mit 3C kann die erste Elektrodenschicht 32 die Anodenelektrode sein und die zweite Elektrodenschicht 34 kann die Kathodenelektrode sein. In anderen Ausführungsformen in Übereinstimmung mit 3C kann die erste Elektrodenschicht 32 die Kathodenelektrode sein und die zweite Elektrodenschicht 34 kann die Anodenelektrode sein.
Bezug nehmend auf 1, kann in den Ausführungsformen in Übereinstimmung mit den 3A, 3B und 3C die beschichtete Unterdichtung 10 darin definiert eine Vielzahl von einzelnen Kanälen oder Sammlern zum Unterbringen der Strömung von Gasen oder Fluiden wie etwa Brennstoff, Oxidationsmittel oder Kühlmittel aufweisen. Die beschichtete Unterdichtung 10 kann darin definiert z. B. einen ersten Unterdichtungs-Brennstoffkanal 50, einen zweiten Unterdichtungs-Brennstoffkanal 55, einen ersten Unterdichtungs-Oxidationsmittelkanal 60, einen zweiten Unterdichtungs-Oxidationsmittelkanal 65, einen ersten Unterdichtungs-Kühlmittelkanal 70 und einen zweiten Unterdichtungs-Kühlmittelkanal 75 aufweisen. In einer Brennstoffzellenanordnung oder einem Brennstoffzellenstapel mit einer Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung 1 kann z. B. jeder der einzelnen Kanäle oder Sammler in Fluidverbindung mit den entsprechenden Kanälen oder Sammlern auf anderen Platten der Brennstoffzellenanordnung oder des Brennstoffzellenstapels stehen.
Bezug nehmend auf den in den 2A-2C gezeigten Querschnitt von 1 umfasst die beschichtete Unterdichtung 10 einen Unterdichtungskörper 20, der aus einem Unterdichtungsmaterial gebildet ist. Der Unterdichtungskörper 20 weist eine erste Unterdichtungsseite 12, die der Elektrolytmembran 35 zugewandt ist, und eine zweite Unterdichtungsseite 14 auf, die der ersten Unterdichtungsseite 12 entgegengesetzt ist. Zumindest eine von der ersten Unterdichtungsseite 12 des Unterdichtungskörpers 20 und der zweiten Unterdichtungsseite 14 des Unterdichtungskörpers 20 umfasst eine Unterdichtungsdeckschicht 25 über dem Unterdichtungsmaterial. Ausführungsformen der Beschichtung verschiedener Seiten des Unterdichtungskörpers 20 sind in den 2A-2C gezeigt. Wie in der Ausführungsform von 2A kann z. B. nur die zweite Unterdichtungsseite 14 des Unterdichtungskörpers 20 mit einer Unterdichtungsdeckschicht 25 beschichtet sein. Alternativ kann, wie in der Ausführungsform von 2B, z. B. nur die erste Unterdichtungsseite 12 des Unterdichtungskörpers 20 mit einer Unterdichtungsdeckschicht 25 beschichtet sein. In einer weiteren Ausführungsform, die in 2C gezeigt ist, können beide von der Unterdichtungsseite 12 des Unterdichtungskörpers 20 und der zweiten Unterdichtungsseite 14 des Unterdichtungskörpers 20 mit einer Unterdichtungsdecksicht 25 beschichtet sein.
Wenngleich die Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung 1 in den 3A und 3B die beschichtete Unterdichtung 10 in Übereinstimmung mit der Ausführungsform von 2A umfasst, sollte einzusehen sein, dass die beschichtete Unterdichtung 10 stattdessen in Übereinstimmung mit einer der Ausführungsformen der 2B oder 2C in die Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung 1 eingebaut sein kann. Ebenso sollte einzusehen sein, dass, wenngleich die Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung 1 in 3C die beschichtete Unterdichtung 10 in Übereinstimmung mit der Ausführungsform von 2C umfasst, die beschichtete Unterdichtung 10 stattdessen in Übereinstimmung mit einer der Ausführungsformen der 2A oder 2B in die Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung 1 eingebaut sein kann. Das Unterdichtungsmaterial des Unterdichtungskörpers 20 und die Materialien und Eigenschaften der Unterdichtungsdeckschicht 25 werden unten stehend in größerem Detail erläutert.
Der Unterdichtungskörper 20 der beschichteten Unterdichtung 10 kann aus einem beliebigen geeigneten Unterdichtungsmaterial gebildet sein, das auf dem technischen Gebiet bekannt ist. In beispielhaften Ausführungsformen kann der Unterdichtungskörper 20 beispielsweise aus polymeren Materialien wie z. B. Polyolefinen (z. B. Polyethylen, Polypropylen, Mischungen daraus und Derivaten davon), Polyethylennaphthalen (PEN) oder Mylar gebildet sein. In bevorzugten Ausführungsformen kann der Unterdichtungskörper 20 aus Polyethylenterephthalat (PET) gebildet sein. Ohne die Absicht, durch eine Theorie gebunden zu sein, nimmt man an, dass PET im Allgemeinen zur Verwendung als ein Unterdichtungsmaterial in Brennstoffzellenanwendungen ungeeignet ist, da es mit der Zeit dazu neigt, sich zu zersetzen oder brüchig zu werden, insbesondere in Gegenwart des Wassers, das während des Betriebes einer Brennstoffzelle erzeugt wird. Die Erfinder haben jedoch überraschenderweise herausgefunden, dass, wenn eine oder beide Seiten eines Unterdichtungskörpers 20 mit einer Unterdichtungsdeckschicht 25 in Übereinstimmung mit hierin beschriebenen Ausführungsformen beschichtet wird/werden, nicht nur die mechanischen Eigenschaften des PET verbessert sind, sondern das PET auch vor dem Eindringen von Wasser geschützt ist und die Wahrscheinlichkeit geringer ist, dass es unter Zersetzungsproblemen leidet. Außerdem kann PET ein bevorzugtes Material für den Unterdichtungskörper 20 sein, da es vergleichsweise weniger kostspielig ist als die meisten üblicherweise verwendeten Unterdichtungsmaterialien, insbesondere PEN. In illustrativen Ausführungsformen kann der Unterdichtungskörper 20 eine Dicke von etwa 12 µm bis etwa 125 µm, bevorzugt von etwa 25 µm bis etwa 75 µm aufweisen.
Die Unterdichtungsdeckschicht 25 sollte ein beliebiges Beschichtungsmaterial sein, das chemisch verträglich mit dem Unterdichtungsmaterial und bevorzugt auch bei Betriebstemperaturen und -drücken chemisch verträglich mit Brennstoffzellenreaktanden wie z. B. Wasserstoff, mit Oxidationsmitteln wie z. B. Sauerstoff und mit Nebenprodukten oder Kühlmedien wie z. B. Wasser und Ethylenglykol ist. Bevorzugt wird das Material der Unterdichtungsdeckschicht 25, die Dicke des Unterdichtungsmaterials oder beide so gewählt, dass die physikalischen Eigenschaften des Unterdichtungskörpers 20 in einer Weise wesentlich verändert werden, die zweckdienlich ist, um die Degradation und/oder Verformung der beschichteten Unterdichtung bei einem anhaltenden Betrieb einer Brennstoffzellenanordnung oder eines Brennstoffzellenstapels zu begrenzen, welche/r die Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung 1 umfasst. Erfindungsgemäß eignet sich daher Titannitrid (TiN)als die Unterdichtungsdeckschicht 25 . Die Unterdichtungsdeckschicht 25 kann mithilfe eines beliebigen geeigneten praktischen Beschichtungsverfahrens wie etwa Vakuumbedampfen, plasmaunterstütztes Abscheiden, mikrowellenunterstütztes chemisches Beschichten aus der Dampfphase, Metallisieren, Elektroabscheiden, RF oder Magnetron-Sputtern, chemisches Beschichten aus der Dampfphase, physikalisches Beschichten aus der Dampfphase oder Verdampfen auf die erste Unterdichtungsoberfläche 12, die zweite Unterdichtungsoberfläche 14 oder beide aufgebracht werden.
Die Dicke der Unterdichtungsdeckschicht 25 kann abhängig von der Dicke des Unterdichtungskörpers 20 und der für den Unterdichtungskörper 20 und die Unterdichtungsdeckschicht 25 gewählten Materialien variieren. In illustrativen Ausführungsformen kann die Unterdichtungsdeckschicht eine Dicke von etwa 0,01 µm bis etwa 20 µm, bevorzugt von etwa 0,1 µm bis etwa 10 µm aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann das Verhältnis der Dicke der Unterdichtungsdeckschicht zu der Dicke des Unterdichtungskörpers zwischen etwa 1:2 und etwa 1:500 oder von etwa 1:10 bis etwa 1:500 oder von etwa 1:50 bis etwa 1:500 oder von etwa 1:100 bis etwa 1:500 oder bevorzugt von etwa 1:250 bis etwa 1:500 betragen. In einigen Ausführungsformen kann der Unterdichtungskörper 20 eine Dicke von etwa 0,2 µm bis etwa 1000 µm, oder von etwa 5 µm bis etwa 200 µm, oder von etwa 10 µm bis etwa 200 µm oder von etwa 10 µm bis etwa 100 µm aufweisen. In einer illustrativen Ausführungsform kann der Unterdichtungskörper 20 aus PET mit einer Dicke von etwa 10 µm bis etwa 100 µm gebildet sein, und die Unterdichtungsdeckschicht 25 kann eine Dicke von etwa 0,1 µm bis etwa 1,0 µm aufweisen und umfasst Titannitrid.
Die Unterdichtungsdeckschicht 25 weist unabhängig von der Dicke eine im Wesentlichen einheitliche Dicke auf, ist im Wesentlichen rissfrei oder beides. Wie hierin verwendet, bedeutet die Phrase „im Wesentlichen einheitliche Dicke“, dass die Unterdichtungsdeckschicht 25 um nicht mehr als etwa ±25 %, bevorzugt etwa ±10 % von ihren dicksten Punkt bis zu ihrem dünnsten Punkt variiert, wie rechtwinklig von der Oberfläche des Unterdichtungskörpers 20 gemessen. Wie hierin verwendet, bedeutet die Phrase „im Wesentlichen rissfrei“, dass die Unterdichtungsdeckschicht 25 frei von sehr kleinen Löchern mit einem Durchmesser von mehr als 50 nm ist und auch frei von Rissen mit einer Breite von mehr als 50 nm, gemessen parallel zu der Oberfläche des Unterdichtungskörpers 20, ist. Es kann besonders bevorzugt sein, dass die Unterdichtungsdeckschicht 25 frei von jeder Dickenschwankung oder Oberflächenfehlstelle ist, die es ermöglicht, dass ein elektrischer Durchgang von der exponierten Oberfläche der Unterdichtungsdeckschicht 25 zu der ersten Unterdichtungsseite 12, der zweiten Unterdichtungsseite 14 oder beiden hergestellt wird. Ohne die Absicht, durch eine Theorie gebunden zu sein, nimmt man an, dass das Vorhandensein oder die Verbreitung von Rissen oder Fehlstellen in der Unterdichtungsdeckschicht 25 einige der Vorteile wie z. B. die erhöhte Biegesteifigkeit und/oder die erhöhte Durchstoßfestigkeit in Verbindung mit dem Hinzufügen der Unterdichtungsdeckschicht 25 zu dem Unterdichtungskörper 20 herabsetzen oder zunichtemachen kann.
Ohne die Absicht, durch eine Theorie gebunden zu sein, nimmt man an, dass die Unterdichtungsdeckschicht 25 für den Unterdichtungskörper 20 dadurch vorteilhaft sein kann, dass sie sowohl die Festigkeit der beschichteten Unterdichtung 10 als auch die Durchstoßfestigkeit der beschichteten Unterdichtung 10 erhöht. In einigen Ausführungsformen kann die Unterdichtungsdeckschicht 25 die Biegesteifigkeit des Unterdichtungskörpers um mindestens 50 %, mindestens 100 %, mindestens 200 %, mindestens 300 % oder sogar mindestens 500 % erhöhen. Diese physikalischen Eigenschaften können von Bedeutung sein, wenn die beschichtete Unterdichtung 10 in eine Brennstoffzellenanordnung oder einen Brennstoffzellenstapel einschließlich der nachfolgend zu beschreibenden eingebaut wird. Man nimmt insbesondere an, dass die Wahrscheinlichkeit geringer ist, dass sich eine beschichtete Unterdichtung 10 mit erhöhter Festigkeit biegt, wenn eine Druckdifferenz auf entgegengesetzten Seiten der beschichteten Unterdichtung 10 während eines Betriebes einer Brennstoffzelle vorhanden ist. Im Allgemeinen ist es auch weniger wahrscheinlich, dass eine Unterdichtung, die weniger zu Biegeverformungen neigt, in die Brennstoff oder Oxidationsmittelleitungen der Bipolarplatte in dem Brennstoffzellenstapel eindringt. Solche Kontakte und/oder Eindringungen können die verfügbare Brennstoff und/oder Oxidationsmittelzufuhr zu dem aktiven Bereich 30 verringern. Diese nachteiligen Effekte können einen reduzierten Leistungsausgang aus dem Brennstoffzellenstapel zur Folge haben. Im Hinblick auf die Durchstoßfestigkeit nimmt man an, dass eine erhöhte Durchstoßfestigkeit der beschichteten Unterdichtung 10 wünschenswert sein kann, da Schichten wie z. B. die Bipolarplatten, die sich in der Nähe von oder benachbart zu der beschichteten Unterdichtung 10 befinden, in typischen Brennstoffzellenstapeln natürlicherweise unebene Oberflächen oder Fehlstellen aufweisen können, die durch den Unterdichtungskörper 20 hindurch stoßen können. Sobald der Unterdichtungskörper 20 auf diese Weise durchstoßen ist, kann ein Austritt von Brennstoff, Oxidationsmittel oder Wasser stattfinden, der eventuell den aktiven Bereich verkleinert oder eine spezielle Membranelektrodenanordnung in einem Brennstoffzellenstapel sogar funktionsunfähig macht.
Während des Betriebes einer Brennstoffzelle, welche die Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung 1 umfasst, kann beispielsweise ein Brennstoff wie z. B. Wasserstoff durch den ersten Unterdichtungs-Brennstoffkanal 50 in einer Richtung rechtwinklig zu der Ebene der beschichteten Unterdichtung 10 und durch den zweiten Unterdichtungs-Brennstoffkanal 55 in der entgegengesetzten Richtung strömen. Ein Oxidationsmittel wie z. B. Sauerstoff kann beispielsweise durch den ersten Unterdichtungs-Oxidationsmittelkanal 60 in einer Richtung rechtwinklig zu der Ebene der beschichteten Unterdichtung 10 und durch den zweiten Unterdichtungs-Oxidationsmittelkanal 65 in der entgegengesetzten Richtung strömen. Ebenso kann beispielsweise ein Kühlmittel wie z. B. Wasser durch den ersten Unterdichtungs-Kühlmittelkanal 70 in einer Richtung rechtwinklig zu der Ebene der beschichteten Unterdichtung 10 und durch den zweiten Unterdichtungs-Kühlmittelkanal 75 in der entgegengesetzten Richtung strömen. Es sollte einzusehen sein, dass, abhängig von den Betriebserfordernissen solch einer Brennstoffzelle, die Strömungsrichtungen des Brennstoffes, des Oxidationsmittels und des Kühlmittels auf einer Seite der beschichteten Unterdichtung 10 (z. B. durch den zweiten Unterdichtungs-Brennstoffkanal 55, den ersten Unterdichtungs-Oxidationsmittelkanal 60 und den ersten Unterdichtungs-Kühlmittelkanal 70) alle die gleiche sein können, oder dass irgendwelche zwei von dem Brennstoff, dem Oxidationsmittel und dem Kühlmittel eine Gegenstrombeziehung zu dem verbleibenden von dem Brennstoff, dem Oxidationsmittel und dem Kühlmittel auf den gleichen Seiten der beschichteten Unterdichtung 10 aufweisen können.
Nun werden Ausführungsformen einer Brennstoffzellenanordnung 100 mit Bezugnahme auf 4, mit gelegentlicher Bezugnahme auf die 1, 2A-2C und 3A-3C beschrieben, um Komponenten der Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung 1 zu beschreiben. Die Brennstoffzellenanordnung 100 umfasst ein erstes Gasdiffusionsmedium 160, ein zweites Gasdiffusionsmedium 170 und eine Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung 1 in Übereinstimmung mit einer der oben beschriebenen Ausführungsformen. Insbesondere (siehe die 1 und 3A) kann die Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung 1 eine Elektrolytmembran 35 und eine beschichtete Unterdichtung 10 umfassen, die einen Umfang 31 der Elektrolytmembran 35 überlagert. Die beschichtete Unterdichtung 10 definiert einen aktiven Bereich 30 im Inneren des Umfangs 31 der Elektrolytmembran 35. Die beschichtete Unterdichtung 10 umfasst einen Unterdichtungskörper 20, der aus einem Unterdichtungsmaterial gebildet ist. Der Unterdichtungskörper 20 weist eine erste Unterdichtungsseite 12 und eine zweite Unterdichtungsseite 14 auf, die der ersten Unterdichtungsseite 12 entgegengesetzt ist. Zumindest eine von der ersten Unterdichtungsseite 12 des Unterdichtungskörpers und der zweiten Unterdichtungsseite 14 des Unterdichtungskörpers 10 umfasst eine Unterdichtungsdeckschicht 25 über dem Unterdichtungsmaterial. Das Unterdichtungsmaterial und die Unterdichtungsdeckschicht 25 sind so, wie mit Bezug auf die Ausführungsformen der Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung 1 beschrieben.
In der Brennstoffzellenanordnung 100 kann die Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung 1 zwischen dem ersten Gasdiffusionsmedium 160 und dem zweiten Gasdiffusionsmedium 170 eingefügt sein. In einigen Ausführungsformen können die Gasdiffusionsmedien 160, 170 optional eine mikroporöse Schicht (nicht gezeigt) auf einer Oberfläche davon aufweisen, die der Elektrolytmembran zugewandt ist.
In einigen Ausführungsformen kann die Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung 1 der Brennstoffzellenanordnung 100 in Übereinstimmung mit einer von den Ausführungsformen der 3B oder 3C ausgestaltet sein. Die Ausgestaltung der Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung 1 bestimmt die Lage der Elektrodenschichten in der Brennstoffzellenanordnung 100. In beiden Ausgestaltungen umfasst die Brennstoffzellenanordnung 100 eine erste Elektrodenschicht 32 (in 4 nicht gezeigt), die zwischen der Elektrolytmembran 35 der Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung 1 und dem ersten Gasdiffusionsmedium 160 eingefügt ist. Die Brennstoffzellenanordnung 100 umfasst ferner eine zweite Elektrodenschicht 34 (in 4 nicht gezeigt), die zwischen der Elektrolytmembran 35 der Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung 1 und dem zweitem Gasdiffusionsmedium 170 eingefügt ist.
In einigen Ausführungsformen kann die Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung 1 der Brennstoffzellenanordnung 100 in Übereinstimmung mit 3B ausgestaltet sein. In solchen Ausführungsformen sind die erste Elektrodenschicht 32 und die zweite Elektrodenschicht 34 katalytische Beschichtungen auf der Elektrolytmembran 35 und dem ersten Gasdiffusionsmedium 160 und das zweite Gasdiffusionsmedium 170 befindet sich außerhalb der Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung 1. In anderen Ausführungsformen kann die Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung 1 der Brennstoffzellenanordnung 100 in Übereinstimmung mit 3C ausgestaltet sein. In solchen Ausführungsformen ist die erste Elektrodenschicht 32 eine katalytische Beschichtung auf dem ersten Gasdiffusionsmedium 160, und die zweite Elektrodenschicht 34 ist eine katalytische Beschichtung auf dem zweiten Gasdiffusionsmedium 170. Unabhängig davon, wo sich die Elektrodenschichten befinden, kann die Kombination aus der Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung 1, dem ersten Gasdiffusionsmedium 160 und dem zweiten Gasdiffusionsmedium 170 jedoch eine modulare Elektrodenanordnung 150 bilden. Die Komponenten der modularen Elektrodenanordnung 150 können während der Herstellung derselben montiert werden und werden mithilfe eines beliebigen herkömmlichen Verfahrens wie z. B. Heißpressen aneinander befestigt. Wenn notwendig, kann zwischen einzelnen Komponenten ein Kleber verwendet werden.
Die Brennstoffzellenanordnung 100 umfasst ferner eine Bipolarplatte 110 mit einer Kathodenseite 120 und einer Anodenseite 130, die der der Kathodenseite 120 entgegengesetzt ist. Die Bipolarplatte ist derart eingerichtet, dass das Gasdiffusionsmedium 160 zwischen der Bipolarplatte 110 und dem aktiven Bereich 30 der Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung 1 eingefügt ist. Es sollte einzusehen sein, dass die Orientierung der Kathodenseite 120 und der Anodenseite 130 der Bipolarplatte 110 mit Bezug auf die Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung 1, wie in 4 gezeigt, nur zur Illustration gewählt wurde, und dass abhängig von der tatsächlichen Orientierung der Elektroden in der Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung 1 (siehe 3) die Kathodenseite 120 und die Anodenseite 130 der Bipolarplatte 110 gegenüber ihrer Orientierung in 4 umgekehrt sein können. Dies wird aus der nachfolgenden Beschreibung von Brennstoffzellenstapeln offensichtlicher.
Die Bipolarplatte 110 wird zum Beispiel typischerweise mithilfe eines herkömmlichen Verfahrens zur Formgebung von Blech wie z. B. Pressen, maschinelles Bearbeiten, Formpressen oder Photoätzen durch eine photolithographische Maske gebildet. In einer Ausführungsform kann die Bipolarplatte 110 aus unipolaren Endplatten gebildet werden, die dann gefügt werden. Es sollte verständlich sein, dass die Bipolarplatte 110 auch aus einem Verbundmaterial gebildet sein kann. In einer speziellen Ausführungsform kann die Bipolarplatte 110 aus einem Graphit oder graphitgefüllten Polymer gebildet sein.
Wie in der Ausführungsform von 4 gezeigt, kann die Bipolarplatte 110 ferner eine Vielzahl von einzelnen Kanälen oder Sammlern umfassen, welche die Bipolarplatte 110 in Fluidverbindung mit der Elektrolytmembran (siehe 3), insbesondere dem aktiven Bereich 30 der Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung 1, anordnen. Die Fluidverbindung kann z. B. hergestellt werden, da sich die einzelnen Kanäle der Bipolarplatte 110 mit den einzelnen Kanälen der beschichteten Unterdichtung 10 ausrichten, um Fluidleitungen zu bilden. Die Bipolarplatte 110 kann z. B. einen ersten Platten-Brennstoffkanal 122, der mit dem ersten Unterdichtungs-Brennstoffkanal 50 ausgerichtet ist, einen zweiten Platten-Brennstoffkanal 132, der mit dem zweiten Unterdichtungs-Brennstoffkanal 55 ausgerichtet ist, einen ersten Platten-Oxidationsmittelkanal 124, der mit dem ersten Unterdichtungs-Oxidationsmittelkanal 60 ausgerichtet ist, einen zweiten Platten-Oxidationsmittelkanal 134, der mit dem zweiten Unterdichtungs-Oxidationsmittelkanal 65 ausgerichtet ist, einen ersten Platten-Kühlmittelkanal 126, der mit dem ersten Unterdichtungs-Kühlmittelkanal 70 ausgerichtet ist, und einen zweiten Platten-Kühlmittelkanal 136 umfassen, der mit dem zweiten Unterdichtungs-Kühlmittelkanal 75 ausgerichtet ist.
Mit nunmehriger Bezugnahme auf 5 werden Ausführungsformen eines Brennstoffzellenstapels 200 beschrieben. Der Einfachheit halber ist hierin nur ein Stapel aus zwei Zellen (d. h. ein Stapel mit nur einer Bipolarplatte (d. h. der Bipolarplatte 110)) illustriert und beschrieben, wobei verständlich ist, dass ein typischer Brennstoffzellenstapel eine viel größere Anzahl solcher Zellen und Bipolarplatten, z. B. mehrere Zehn, Hunderte oder sogar Tausende, umfassen kann.
In Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen kann der Brennstoffzellenstapel 200 eine erste Klemmplatte 210, eine zweite Klemmplatte 215, eine erste unipolare Endplatte 250, die zwischen der ersten Klemmplatte 210 und der zweiten Klemmplatte 215 angeordnet ist, und eine zweite unipolare Endplatte 255 umfassen, die zwischen der ersten unipolaren Endplatte 250 und der zweiten Klemmplatte 215 angeordnet ist. Optional können die Klemmplatten 210, 215 durch eine Dichtung (nicht gezeigt) oder eine dielektrische Beschichtung (nicht gezeigt) von den unipolaren Endplatten 250, 255 elektrisch isoliert sein.
Die erste Klemmplatte 210 kann verschiedene Verbindungen 220, 225, 230, 235, 240, 245 umfassen, welche den Brennstoffzellenstapel 200 in Fluidverbindung mit einem oder mehreren von einer Brennstoffquelle, einer Oxidationsmittelquelle, einer Kühlmittelquelle, einem Brennstoffauslass, einem Oxidationsmittelauslass und einem Kühlmittelauslass anordnen. Die erste Klemmplatte kann z. B. eine Brennstoffzufuhrverbindung 230 zu einer Brennstoffquelle (nicht gezeigt), eine Brennstoffauslassverbindung 235 zu einem Brennstoffauslasssammler (nicht gezeigt), eine Oxidationsmittelzufuhrverbindung 220 zu einer Oxidationsmittelquelle (nicht gezeigt), eine Oxidationsmittelauslassverbindung 225 zu einem Oxidationsmittelauslasssammler (nicht gezeigt), einen Kühlmitteleingang 240 und einen Kühlmittelausgang 245 aufweisen. In einigen Ausführungsformen können der Kühlmitteleingang 240 und der Kühlmittelausgang 245 als eine Kühlmittelschleife (nicht gezeigt) verbunden sein oder können separat mit jeweiligen Kühlmittelquellen (nicht gezeigt) oder Auslässen (nicht gezeigt) verbunden sein. Jede der verschiedenen Verbindungen 220, 225, 230, 235, 240, 245 ist ausgestaltet, um mit Leitungen ausgerichtet zu sein, welche durch Kanäle in den Platten 250, 10A, 110, 10B, 255 des Brennstoffzellenstapels 200 definiert sind. Die verschiedenen Verbindungen können derart ausgestaltet sein, dass alle von dem Brennstoff, dem Oxidationsmittel und dem Kühlmittel in der gleichen Richtung durch den Brennstoffzellenstapel 200 hindurch strömen, oder derart, dass zwei von dem Brennstoff, dem Oxidationsmittel und dem Kühlmittel in einer Richtung strömen, die jener des Dritten von dem Brennstoff, dem Oxidationsmittel und dem Kühlmittel entgegengesetzt ist. Es sollte einzusehen sein, dass die Wahl der Bezeichnungen der einzelnen Verbindungen 220, 225, 230, 235, 240, 245 in 5 als solche nur zu Illustrationszwecken getroffen ist.
Der Brennstoffzellenstapel 200 kann ferner eine Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellenanordnungen 100A, 100B umfassen, von denen in 5 nur zwei gezeigt sind, wenngleich typische Brennstoffzellenstapel 10, 50 oder sogar mehrere hundert einzelne Brennstoffzellenanordnungen enthalten können. Jede einzelne Brennstoffzellenanordnung 100A, 100B ist zwischen der ersten unipolaren Endplatte 250 und der zweiten unipolaren Endplatte 255 positioniert. Die unipolaren Endplatten 250, 255 umfassen jeweilige aktive Bereiche 252, 257. Ebenso definieren auch Abschnitte der Bipolarplatte 110 benachbart des ersten Gasdiffusionsmediums 160A, 160B aktive Bereiche. Jeder der aktiven Bereiche bildet typischerweise Strömungsfelder zum Verteilen gasförmiger Reaktanden wie z. B. Wasserstoffgas und Luft über die Elektrodenschichten (siehe 3) der Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnungen 1A, 1B in den einzelnen Brennstoffzellenanordnungen 100A, 100B.
Zumindest eine der einzelnen Brennstoffzellenanordnungen 100A, 100B ist eine Brennstoffzellenanordnung 100 in Übereinstimmung mit einer der oben stehend mit Bezug auf 4 beschriebenen Ausführungsformen. In einigen Ausführungsformen sind alle der einzelnen Brennstoffzellenanordnungen 100A, 100B in dem Brennstoffzellenstapel 200 Brennstoffzellenanordnungen in Übereinstimmung mit zumindest einer der oben stehend mit Bezug auf 4 beschriebenen Ausführungsformen. Die zumindest eine der Brennstoffzellenanordnungen 100A, 100B umfasst eine Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung 1A, 1B, welche eine beschichtete Unterdichtung 10A, 10B umfasst, wobei die beschichtete Unterdichtung 10A, 10B auf zumindest einer Unterdichtungsseite 12A, 14A, 12B, 14B mit einer Unterdichtungsdeckschicht 25 beschichtet ist (siehe die 2A-2C und die weiter oben stehende Beschreibung). Jede Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung 1A, 1B ist zwischen einem jeweiligen ersten Gasdiffusionsmedium 160A, 160B und einem jeweiligen zweiten Gasdiffusionsmedium 170A, 170B eingefügt, wobei die Kombinationen aus den Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnungen 1A, 1B und den jeweiligen Gasdiffusionsmedien 160A, 160B, 170A, 170B modulare Elektrodenanordnungen 150A, 150B bilden. Die beschichteten Unterdichtungen 10A, 10B können eine dichte und elektrische Isolierung zwischen den modularen Elektrodenanordnungen 150A, 150B und einer von der Bipolarplatte 110 und den Endplatten 250, 255 bereitstellen. Die beschichteten Unterdichtungen 10A, 10B können im Wesentlichen einem Umfang der modularen Elektrodenanordnungen 150A, 150B folgen. Was die Positionierung der Elektrodenschichten (in 5 nicht gezeigt) betrifft, können die Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnungen 1A, 1B in Übereinstimmung mit einer beliebigen der oben, insbesondere der mit Bezugnahme auf die 3B und 3C beschriebenen, Ausführungsformen ausgestaltet sein.
Die zumindest eine der Brennstoffzellenanordnungen 100A, 100B umfasst ferner eine Bipolarplatte 110 mit eine Kathodenseite 120, welche einer von der ersten Klemmplatte 210 und der zweiten Klemmplatte 215 zugewandt ist, und eine Anodenseite 130, die der anderen von der ersten Klemmplatte 210 und der zweiten Klemmplatte 215 zugewandt ist. Es sollte einzusehen sein, obwohl die Bipolarplatte 110 von 5 derart orientiert ist, dass die Kathodenseite 120 der ersten Klemmplatte 210 zugewandt ist und die Anodenseite 130 der zweiten Klemmplatte 215 zugewandt ist, diese Orientierung nur Illustrationszwecken dient und die Kathodenseite 120 und die Anodenseite 130 umgekehrt sein können. Trotzdem sollte ferner einzusehen sein, dass, wenn viele Bipolarplatten in einem Brennstoffzellenstapel vorhanden sind, der mehr Brennstoffzellenanordnungen als in 5 gezeigt enthält, alle Kathodenseiten der Bipolarplatten in die gleiche Richtung (d. h. in Richtung der ersten Klemmplatte 210 oder der zweiten Klemmplatte 215) weisen werden. Die Bipolarplatte 110 jeder einzelnen Brennstoffzellenanordnung 100A, 100B steht in Fluidverbindung mit der Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung 1A, 1B ihrer jeweiligen einzelnen Brennstoffzellenanordnung 100A, 100B, wie oben stehend mit Bezugnahme auf 4 beschrieben.
In dem Brennstoffzellenstapel 200 teilen sich jede benachbarte erste einzelne Brennstoffzellenanordnung 100A und zweite Brennstoffzellenanordnung 100B eine gemeinsame Bipolarplatte 110, sodass die Kathodenseite 120 der gemeinsamen Bipolarplatte 110 der ersten einzelnen Brennstoffzellenanordnung 100A zugewandt ist und die Anodenseite 130 der gemeinsamen Bipolarplatte 110 der zweiten einzelnen Brennstoffzellenanordnung 100B zugewandt ist. Somit ist in Übereinstimmung mit der Namenskonvention in 5 mit Bezugnahme auf die einzelnen Brennstoffzellenanordnungen 100A, 100B die erste Unterdichtungsseite 12A der ersten einzelnen Brennstoffzellenanordnung 100A die Anodenseite der ersten einzelnen Brennstoffzellenanordnung 100A, und die zweite Unterdichtungsseite 12A der ersten einzelnen Brennstoffzellenanordnung 100A ist die Kathodenseite der ersten einzelnen Brennstoffzellenanordnung 100A. Die Beziehung ist für die zweite einzelne Brennstoffzellenanordnung 100B umgekehrt, wobei die erste Unterdichtungsseite 12B der zweiten einzelnen Brennstoffzellenanordnung 100B die Kathodenseite der zweiten einzelnen Brennstoffzellenanordnung 100B ist, und die zweite Unterdichtungsseite 14B der zweiten einzelnen Brennstoffzellenanordnung 100B die Anodenseite der ersten einzelnen Brennstoffzellenanordnung 100B ist. Es sollte einzusehen sein, dass die Namenskonvention rein illustrativ ist und in dem Brennstoffzellenstapel 200 insgesamt umgekehrt sein könnte, sodass alle Kathodenseiten zu Anodenseiten werden und alle Anodenseiten zu Kathodenseiten werden.
Es sollte einzusehen sein, dass der Brennstoffzellenstapel 200 von 5 bezüglich irgendwelcher zusätzlicher Komponenten oder Einrichtungen, welche enthalten sein können, als beispielhaft zu verstehen ist. Der Brennstoffzellenstapel kann auch zusätzliche Komponenten enthalten, die in 5 nicht gezeigt sind, wie etwa Isolatorplatten oder nicht leitfähige Dichtungen, welche in der gemeinsam erteilten U.S.-Patentanmeldung US 2010 / 0 159 294 A1 beschrieben sind. Der Brennstoffzellenstapel 200 kann auch als eine alleinige oder zusätzliche Leistungsquelle für ein Fahrzeug wie z. B. ein Auto verwendet werden.
Somit wurden in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnungen 1, Brennstoffzellenanordnungen 100, welche die Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung 1 enthalten, und Brennstoffzellenstapel 200, welche zumindest eine der Brennstoffzellenanordnungen 100 enthalten, beschrieben. In den Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnungen 1 und den Brennstoffzellenanordnungen 100 und in zumindest einer der innerhalb der Brennstoffzellenstapel 200 enthaltenen Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnungen 1 ist eine beschichtete Unterdichtung 10, 10A, 10B vorhanden. Es hat sich gezeigt, dass in den beschichteten Unterdichtungen 10, 10A, 10B eine Unterdichtungsdeckschicht 25 über einem Unterdichtungskörper 20 die Beständigkeit gegenüber einer Degradation und Verformung der beschichteten Unterdichtung 10, 10A, 10B erhöht, wodurch negative Auswirkungen solch einer Degradation oder Verformung auf die Funktion der elektrischen Leistung von Brennstoffzellen vermieden werden, welche die beschichteten Unterdichtungen enthalten, ohne dass dies zu Lasten der Herstellungskosten und der Produktionsleistung geht.
BEISPIELE
Die folgenden Beispiele dienen lediglich Illustrationszwecken.
Beschichtete Unterdichtungen in Übereinstimmung mit oben beschriebenen Ausführungsformen wurden hergestellt und getestet, um die Eignung der beschichteten Unterdichtungen für Brennstoffzellenanwendungen festzustellen. Die beschichteten Unterdichtungen wurden durch Zubereiten eines Unterdichtungskörpers aus einem Unterdichtungsmaterial und anschließendes Beschichten einer oder beider Seiten des Unterdichtungskörpers mit einem Unterdichtungs-Beschichtungsmaterial hergestellt. Um die durch das Beschichten der Unterdichtungskörper erzielten Verbesserungen zu beurteilen, wurden physikalische Eigenschaften der beschichteten Unterdichtungen mit jenen unbeschichteter Unterdichtungen verglichen. Die beschichteten und unbeschichteten Unterdichtungen wurden insbesondere mit Bezug auf die Biegesteifigkeit und der zum Durchstoßen benötigten Kraft beurteilt. Als Bewertungsfaktoren für Unterdichtungskörper mit einer gegebenen Dicke wurden die Zunahmen der Biegesteifigkeit und/oder der zum Durchstoßen benötigten Kraft als für eine wünschenswerte Verbesserung bezeichnend erachtet.

Die Biegesteifigkeitsdaten sind in TABELLE 1 zusammengefasst. Messungen, für die der Zustand mit „trocken“ bezeichnet wird, wurden bei Raumtemperatur (25 °C ± 2 °C) vorgenommen, und Messungen, für die der Zustand mit „nass“ bezeichnet wird, wurden bei 70 °C in einem Wasserbad vorgenommen. Die Biegesteifigkeitsdaten wurden durch Ausführen eines Dreipunkt-Biegeversuchs nach ASTM 790 gewonnen, wobei die Unterdichtungsfolien in einem Biegemodus über zwei zylindrischen Einspannvorrichtungen belastet wurden und der Widerstand mithilfe einer auf eine Zugprüfvorrichtung installierten Kraftmesszelle gemessen wurde. Die so gewonnenen Kraftumlenkungsdaten wurden verwendet, um die Steifigkeit zu berechnen. TABELLE 1

Beispiel	Unterdichtungskörper		Unterdichtungsbeschichtung		Zustand	BiegeSteifigkeit (10^-4 N-m)
Beispiel	Material	Dicke (µm)	Material	Dicke (µm)	Zustand	BiegeSteifigkeit (10^-4 N-m)
1	PEN¹	50	Cr	0,5	Trocken	1,76
(Vergleich)	PEN¹	50	n.a.		Trocken	1,19
2	PET²	25	SS304³	0,5	Trocken	0,71
3	PET²	25	SS304³	0,2	Trocken	0,34
4	PET²	50	SS304³	0,2	Trocken	2,23
5	PET²	50	SS304³	0,5	Trocken	2,38
6	PET²	50	Hart⁴	5,0	Trocken	2,14
(Vergleich)	PET²	50	n.a.		Trocken	1,29
7	PET²	50	SS304³	0,2	Nass	1,92
8	PET²	50	Hart⁴	0,5	Nass	1,40
(Vergleich)	PET²	50	n.a.		Nass	0,59

¹ Polyethylennaphthalat
² Polyethylenterephthalat
³ Edelstahl 304, eine austenitische Chrom-Nickel-Eisen-Legierung, die zumindest 18 Gewichts-% Chrom, 8 Gewichts-% Nickel und maximal 0,8 Gewichts-% Kohlenstoff enthält
⁴ Ein Acrylpolymer wie z. B Oxid-Füllstoffe

Wie aus TABELLE 1 ersichtlich, stellen Polyesterfolien mit Beschichtungen wie z. B. Chrom oder SS304) sowohl unter trockenen als auch nassen Bedingungen eine viel höhere Biegesteifigkeit bereit als die unbeschichtete Folie mit der gleichen Dicke.

Das Durchstoßfestigkeits-Prüfverfahren nach ASTM F1306 gestattet die Charakterisierung von Unterdichtungsfilmen im Hinblick auf den Widerstand gegenüber einer langsamen Durchdringung durch eine angetriebene Sonde. Der Probekörper wird mithilfe eines Satzes von Klemmringen gehalten und doppelachsigen Belastungen ausgesetzt, die für Spannungen repräsentativ sind, welche in dem Brennstoffzellenstapel erfahren werden. Die aus diesem Prüfverfahren erzeugten Daten für verschiedene beschichtete Folien sind in TABELLE 2 zusammengefasst. TABELLE 2

Beispiel	Unterdichtungskörper		Unterdichtungsbeschichtung		Durchstoßkraft (N)
Beispiel	Material	Dicke (µm)	Material	Dicke (µm)	Durchstoßkraft (N)
1	PET	25	TiN	0,5	49,3
2	PET	50	TiN	0,5	115
3	PET	50	Cr	0,5	117
(Vergleich)	PET	50	Keiner		98,3
(Vergleich)	PET	25	Keiner		43,7
(Vergleich)	PEN	50	Keiner		71,6
(Vergleich)	PEN	25	Keiner		35,2

Wie aus der obigen Tabelle ersichtlich, stellen die beschichteten Folien eine viel höhere Durchstoßfestigkeit bereit als unbeschichtete Folien mit der gleichen Dicke.

Claims

Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung (1), umfassend: eine Elektrolytmembran (35); und eine beschichtete Unterdichtung (10), die einen Umfang (31) der Elektrolytmembran (35) überlagert, wobei die beschichtete Unterdichtung (10) einen aktiven Bereich (30) der Elektrolytmembran (35) im Inneren des Umfangs (31) der Elektrolytmembran (35) definiert, wobei: die beschichtete Unterdichtung (10) einen Unterdichtungskörper (20) umfasst, der aus einem Unterdichtungsmaterial gebildet ist; der Unterdichtungskörper (20) eine erste Unterdichtungsseite (12), die der Elektrolytmembran (35) zugewandt ist, und eine zweite Unterdichtungsseite (14) umfasst, die der ersten Unterdichtungsseite (12) entgegengesetzt ist; und zumindest eine von der ersten Unterdichtungsseite (12) des Unterdichtungskörpers (20) und der zweiten Unterdichtungsseite (14) des Unterdichtungskörpers (20) eine Unterdichtungsdeckschicht (25) über dem Unterdichtungsmaterial umfasst; dadurch gekennzeichnet , dass die Unterdichtungsdeckschicht (25) ein Unterdichtungs-Beschichtungsmaterial umfasst, das Titannitrid umfasst.
Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung nach Anspruch 1, wobei: die Unterdichtungsdeckschicht (25) eine Dicke zwischen 0,01 µm und 20 µm aufweist; der Unterdichtungskörper (20) eine Dicke von 5 µm bis 200 µm aufweist; und das Verhältnis der Dicke der Unterdichtungsdeckschicht (25) zu der Dicke des Unterdichtungskörpers (20) von 1:2 bis 1:500 beträgt.
Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung nach Anspruch 2, wobei das Unterdichtungsmaterial Polyethylenterephthalat ist.
Brennstoffzellenanordnung, umfassend: ein erstes Gasdiffusionsmedium (160); ein zweites Gasdiffusionsmedium (170); eine Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung (1), die zwischen dem ersten Gasdiffusionsmedium (160) und dem zweiten Gasdiffusionsmedium (170) eingefügt ist, wobei die Brennstoffzellenmembran-Unterdichtungsanordnung (1) umfasst: eine Elektrolytmembran (35); und eine beschichtete Unterdichtung (10), die einen Umfang (31) der Elektrolytmembran (35) überlagert, wobei die beschichtete Unterdichtung (10) einen aktiven Bereich (30) im Inneren des Umfangs (31) der Elektrolytmembran (35) definiert, wobei: die beschichtete Unterdichtung (10) einen Unterdichtungskörper (20) umfasst, der aus einem Unterdichtungsmaterial gebildet ist; der Unterdichtungskörper (20) eine erste Unterdichtungsseite (12), die der Elektrolytmembran (35) zugewandt ist, und eine zweite Unterdichtungsseite (14) aufweist, die der ersten Unterdichtungsseite (12) entgegengesetzt ist; zumindest eine von der ersten Unterdichtungsseite (12) des Unterdichtungskörpers (20) und der zweiten Unterdichtungsseite (14) des Unterdichtungskörpers (20) eine Unterdichtungsdeckschicht (25) über dem Unterdichtungsmaterial umfasst; und die Unterdichtungsdeckschicht (25) ein Unterdichtungs-Beschichtungsmaterial umfasst, das Titannitrid umfasst; eine erste Elektrodenschicht (32), die zwischen der Elektrolytmembran (35) und dem ersten Gasdiffusionsmedium (160) eingefügt ist; eine zweite Elektrodenschicht (34), die zwischen der Elektrolytmembran (35) und dem zweiten Gasdiffusionsmedium (170) eingefügt ist; und eine Bipolarplatte mit einer Kathodenseite und einer der Kathodenseite entgegengesetzten Anodenseite, wobei die Bipolarplatte in Fluidverbindung mit der Elektrolytmembran (35) steht.
Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 4, wobei das Unterdichtungsmaterial aus der Gruppe gewählt ist, die aus Polyethylenterephthalat, Polyethylennaphthalat, Polyolefinen und Kombinationen daraus besteht.
Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 4, wobei: die erste Elektrodenschicht (32) eine katalytische Schicht auf einer ersten Elektrodenoberfläche der Elektrolytmembran (35) ist; und die erste Elektrodenschicht (32) zwischen der beschichteten Unterdichtung (10) und der Elektrolytmembran (35) eingefügt ist.
Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 4, wobei: die erste Elektrodenschicht (32) eine katalytische Schicht auf dem ersten Gasdiffusionsmedium (160) ist; und die beschichtete Unterdichtung (10) zwischen der ersten Elektrodenschicht (32) und der Elektrolytmembran (35) eingefügt ist.