-
GEBIET DER
ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft PEM-Brennstoffzellen und insbesondere
derartige Zellen, bei denen ein elektrochemisch aktives Material
in einer Vielzahl von Bereichen angeordnet ist, die entsprechend
mit Fluiddurchgängen
eines elektrisch leitenden Fluidverteilungselements ausgerichtet
sind, um die Beseitigung von Gasdiffusionsmedien von der Brennstoffzelle
zu ermöglichen.
-
HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
-
Brennstoffzellen
sind als eine Energie- bzw. Antriebsquelle für Elektrofahrzeuge und andere
Anwendungen vorgeschlagen worden. Eine derartige Brennstoffzelle
ist die PEM-Brennstoffzelle (d.h. Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran), die
eine so genannte "Membranelektrodenanordnung" (MEA) umfasst, die
einen dünnen
Festpolymermembranelektrolyten mit einem Paar von Elektroden (d.h.
einer Anode und einer Kathode) auf entgegengesetzten Seiten des
Membranelektrolyten umfasst. Die MEA ist zwischen ein Paar elektrisch
leitender Fluidverteilungselemente (d.h. bipolarer Platten) geschichtet,
die als Stromkollektoren für
die Elektroden dienen und ein so genanntes "Strömungsfeld" umfassen, das eine
Gruppierung aus Stegen und Nuten umfasst, die in der Oberfläche der mit
der MEA in Kontakt stehenden Platte ausgebildet ist. Die Stege leiten
Strom von den Elektroden, während
die Nuten zwischen den Stegen dazu dienen, die gasförmigen Reaktanden
der Brennstoffzelle gleichmäßig über die
Seiten der Elektroden hinweg zu verteilen. Gasdiffusionsmedien,
die typischerweise aus porösem
Graphit/Kohle-Papier bestehen, sind zwischen jedem der elektrisch
leitenden Fluidverteilungselemente und den Elektrodenseiten der
MEA positioniert, um die MEA an Stellen zu stützen, an denen sie zu Nuten
in dem Strömungsfeld
weist und um Strom davon an die benachbarten Stege zu leiten.
-
Die
Gasdiffusionsmedien, die bisher zwischen den Elektroden und ihren
zugeordneten Elektrodenplatten angeordnet wurden, besitzen jedoch Nachteile.
Die Gasdiffusionsmedien umfassen gewöhnlich eine Matte aus zufällig orientierten
Fasern, die typischerweise etwa 10 Milliinch dick und ziemlich teuer
sind. Die Gasdiffusionsmedien behindern auch eine Diffusion des
H2 und O2 an ihre
jeweiligen Elektroden, erfordern, dass ein erheblicher Druck auf
die Enden der Zellen bzw. des Stapels aufgebracht wird, um eine
gut leitende Schnittstelle mit den Elektroden vorzusehen und dadurch
die Zellenimpedanz zu verringern, und behindern den Abfluss von
Wasser von der MEA.
-
Von
den oben erwähnten
Nachteilen ist das Phänomen
der Behinderung des Abflusses von Wasser von der MEA, das oftmals
als "Fluten" bezeichnet wird,
besonders problematisch. Ein Fluten kann einen Brennstoffzellenbetrieb
bei niedriger Stromdichte behindern, wenn die Luftströmung durch
die Kathodenströmungsfeldplatte
nicht ausreichend ist, um den Wasserentfernungsprozess anzutreiben. Überschüssiges flüssiges Wasser
kann auch die Poren in den Gasdiffusionsmedien verstopfen und dadurch die
katalytischen Zentren bzw. katalytischen Stellen von der Reaktandensauerstoffströmung isolieren. Daher
besteht ein Bedarf nach einer verbesserten Brennstoffzellenkonstruktion,
um die vorher erwähnten
Nachteile zu minimieren.
-
ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
-
Angesichts
der obigen Mängel
sieht die vorliegende Erfindung eine Brennstoffzelle mit einem ionenleitenden
Element vor, das eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche umfasst.
Eine Anodenelektrode ist an der ersten Oberfläche des ionenleitenden Elements
angeordnet, und eine Kathodenelektrode ist an der zweiten Oberfläche des
ionenleitenden Elements angeordnet. Ein erstes elektrisch leitendes
Fluidverteilungselement weist zu der Anode, und ein zweites elektrisch
leitendes Fluidverteilungselement weist zu der Kathode. Das erste
und zweite elektrisch leitende Fluidverteilungselement umfassen jeweils
eine Vielzahl von abwechselnden Stegen und Fluiddurchgängen. Die
Anode und die Kathode bestehen aus einer Vielzahl elektrochemisch
aktiver Bereiche, die so angeordnet sind, dass sie im Wesentlichen
mit den Fluiddurchgängen
ausgerichtet sind.
-
Weitere
Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend detaillierter
beschrieben. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung
wie auch spezifische Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung angeben, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und
nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
Die
vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme
auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
-
1 eine
schematische Explosionsdarstellung eines PEM-Brennstoffzellenstapels (es sind nur zwei
Zellen gezeigt) gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
-
2 eine
vergrößerte Explosionsdarstellung
einer Brennstoffzelle gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
-
3 eine
vergrößerte Schnittansicht
einer Zelle gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
-
4 eine
vergrößerte Schnittdarstellung
einer Zelle gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
-
5 eine
vergrößerte Schnittansicht
gemäß einer
dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
-
6 eine
Photographie ist, die ein Beispiel der Direktschreibtechnik zeigt,
die gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet wird; und
-
7 eine
Gesamtansicht eines vereinfachten elektrisch leitenden Fluidverteilungselements
ist, das gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet ist.
-
DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Die
folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ist lediglich
beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre
Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
-
1 zeigt
einen bipolaren Brennstoffzellenstapel 2 mit zwei Zellen,
der ein Paar Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 4 und 6 besitzt,
die voneinander durch ein elektrisch leitendes Fluidverteilungselement 8,
das nachfolgend als bipolare Platte bzw. Bipolplatte 8 bezeichnet
ist, getrennt sind. Die MEAs 4 und 6 wie auch
die bipolare Platte 8 sind zwischen aus rostfreiem Stahl
ausgebildeten Klemmplatten oder Endplatten 10 und 12 und
Endkontaktelementen 14 und 16 aneinander gestapelt.
Die Endkontaktelemente 14 und 16 wie auch beide
Arbeitsseiten der bipolaren Platte 8 umfassen eine Vielzahl von
Nuten oder Kanälen 18 (in
gestrichelten Linien gezeigt) 20, 22 bzw. 24 zur
Verteilung von Brennstoff- und
Oxidationsmittelgasen (d.h. H2 und O2) an die MEAs 4 und 6.
Nichtleitende Dichtungen 26, 28, 30 und 32 sehen
Abdichtungen bzw. Versiegelungen wie auch eine elektrische Isolierung
zwischen den verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellenstapels
vor. Sauerstoff wird an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels
von einem Speichertank 34 über eine geeignete Versorgungsverrohrung 36 geliefert,
während
Wasserstoff an die Anodenseite der Brennstoffzelle von einem Speichertank 38 über eine geeignete
Versorgungsverrohrung 40 geliefert wird. Alternativ dazu
kann Umgebungsluft an die Kathodenseite als eine Sauerstoffquelle
und Wasserstoff an die Anode von einem Methanol- oder Benzinreformer
oder dergleichen geliefert werden. Es ist typischerweise auch eine
Austragsverrohrung (nicht gezeigt) für sowohl die H2-
als auch O2-Seiten der MEAs 4 und 6 vorgesehen.
Es ist eine zusätzliche
Verrohrung 42, 44 und 46 zur Lieferung
von flüssigem
Kühlmittel
an die bipolare Platte 8 wie auch die Endkontaktelemente 14 und 16 vorgesehen.
Ebenfalls vorgesehen, jedoch nicht gezeigt, ist eine geeignete Verrohrung
zum Austrag von Kühlmittel
von der bipolaren Platte 8 und den Endkontaktelementen 14 und 16.
-
2 ist
eine vergrößerte Explosionsdarstellung
verschiedener Komponenten einer Brennstoffzelle gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Wie in 2 zu sehen
ist, umfasst die Brennstoffzelle eine Membranelektrodenanordnung
(MEA) 48, die ein ionenleitendes Element 50 besitzt,
das durch eine Anodenelektrode 52 und eine Kathodenelektrode 54 schichtartig
angeordnet ist. Die MEA 48 ist ferner durch eine anodische flächige bipolare
Platte 56 und eine kathodische flächige bipolare Platte 58 schichtartig
angeordnet.
-
Das
ionenleitende Element
50 ist bevorzugt ein Festpolymermembranelektrolyt
und bevorzugter eine PEM. Für
derartige Membranelektroyten geeignete Polymere sind in der Technik
gut bekannt und in den U.S.-Patenten Nr.
5,272,017 und
3,134,697 wie auch an anderen Stellen
in der Patent- und Nichtpatentliteratur beschrieben. Es sei jedoch
angemerkt, dass die Zusammensetzung des ionenleitenden Elements
50 eines
oder mehrere herkömmlich
in der Technik verwendete protonenleitende Polymere umfassen kann.
Bevorzugt werden perfluorierte Sulfonsäurepolymere verwendet, wie
beispielsweise NAFION
®. Ferner kann das Polymer
der einzige Bestandteil der Membran sein oder kann in den Poren
eines anderen Materials getragen sein.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung bestehen die Anodenelektrode 52 und die Kathodenelektrode 54 aus
einer Vielzahl elektrochemisch aktiver Bereiche 60. Diese
elektrochemisch aktiven Bereiche 60 sind beispielsweise
als eine Vielzahl von streifenförmigen
Bereichen (nicht gezeigt) oder eine Vielzahl von punktförmigen Bereichen
(nicht gezeigt) dargestellt. Die elektrochemisch aktiven Bereiche 60 sind
voneinander durch eine Vielzahl von benachbart angeordneten elektrisch
leitenden Bereichen 62 getrennt.
-
Die
Zusammensetzung der elektrochemisch aktiven Bereiche 60 kann
ein beliebiges elektrochemisch aktives Material umfassen, das herkömmlich in der
Technik verwendet wird. Diesbezüglich
umfassen die elektrochemisch aktiven Bereiche 60 bevorzugt mit
Katalysator beschichtete Kohle- oder Graphitpartikel, die in einem
Polymerbinder eingebettet sind, der ähnlich der Polymermembran ein
protonenleitendes Material ist, wie beispielsweise NAFION®.
Der elektrochemisch aktive Bereich 60 umfasst bevorzugt
Platin als Katalysator. Bezüglich
der elektrisch leitenden Bereiche 62 ist es bevorzugt,
Kohle- oder Graphitpartikel zu verwenden, die in einem Polymerbinder
eingebettet sind, wie beispielsweise NAFION®.
-
Die
anodische flächige
bipolare Platte 56 und die kathodische flächige bipolare
Platte 58 können eine
beliebige bipolare Platte sein, die in der Technik bekannt ist.
Bevorzugte Materialien zur Verwendung als bipolare Platten umfassen
Stahl, Aluminium, Titan, ein Verbundmaterial oder ein Polymermaterial. Das
Verbundmaterial kann ferner Kohlefasern, Graphitfasern, Stahlfasern
oder ein beliebiges anderes elektrisch leitendes Material umfassen,
das die elektrische Leitfähigkeit
verbessert. Ferner liegt es innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden
Erfindung, die bipolaren Platten mit einer Beschichtung zu beschichten,
wie beispielsweise einem Edelmetall, Titan, Aluminium oder dergleichen,
das ebenfalls eine Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit
unterstützt
und ferner die Korrosionsbeständigkeit
unterstützen
kann.
-
Bei
der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind die elektrochemisch aktiven Bereiche 60 der
Anode 52 und Kathode 54 in einem Streifenmuster
geformt, das bevorzugt den Kanälen oder
Durchgängen 64 der
bipolaren Platten 56 oder 58 entspricht oder mit
diesen ausgerichtet ist, wie in 3 deutlicher
zu sehen ist. Bei einer Ausführungsform
sind die elektrochemisch aktiven Bereiche 60 bevorzugt
mit Breiten ausgebildet, die kleiner als die Breiten der Kanäle 64 der
bipolaren Platte 56 und 58 sind, und bevorzugt
mit Breiten ausgebildet, die kleiner als die Hälfte der Breiten der Kanäle 64 sind,
so dass die Kanäle 64 die
elektrochemisch aktiven Bereiche 60 umschließen oder
umgeben. Dies erleichtert einen vereinfachten Herstellprozess, da
keine genaue Ausrichtung der elektrochemisch aktiven Bereiche 60 mit
den Kanälen 64 der
bipolaren Platten 56 und 58 mehr erforderlich
ist. Ferner verringert die Abscheidung der elektrochemisch aktiven
Bereiche 60 in einem Streifenmuster die Gesamtkosten der MEA 48 und
der Brennstoffzelle im Vergleich zu einer kontinuierlichen Elektrode
dahingehend, dass eine kleinere Menge des teuren Platinkatalysators
verwendet wird.
-
In 3 ist
zu sehen, dass die Stege 66 der bipolaren Platten 56 und 58 direkt
mit den elektrisch leitenden Bereichen 62 der Anode 52 und
Kathode 54 in Kontakt stehen. Wenn ein Brennstoffstrom
aus reinem H2 oder Wasserstoffreformat über die
elektrochemisch aktiven Bereiche 60 der Anode 52 verteilt wird,
werden Elektronen, die durch die Wasserstoffoxidationsreaktion erzeugt
werden, seitlich eine kurze Distanz durch die elektrochemisch aktiven
Bereiche 60 an die benachbart angeordneten elektrisch leitenden
Bereiche 62 geleitet. Da die Stege 66 der bipolaren
Platte 56 direkt mit den elektrisch leitenden Bereichen 62 der
Anode 52 in Kontakt stehen, ist die elektrische Leitfähigkeit
verbessert und dadurch gesteigert. Protonen (H+),
die aus der anodischen Reaktion erzeugt werden, gelangen kombiniert
mit Wasser von dem feuchten Brennstoffstrom durch die elektrochemisch
aktiven Bereiche 60 an die PEM 50 und durch die
Kathode 54.
-
Ein
Strom aus O2 oder Umgebungsluft, der Sauerstoff
enthält,
wird über
die elektrochemisch aktiven Bereiche 60 der Kathode 54 verteilt.
Der Sauerstoff wird einer Reduktionsreaktion unterzogen, und die
Elektronen, die erzeugt werden, werden ebenfalls seitlich eine kurze
Distanz durch die elektrochemisch aktiven Bereiche 60 an
die benachbarten elektrisch leitenden Bereiche 62 geleitet.
Der reduzierte Sauerstoff reagiert dann mit den Protonen von der
Anode 52, und es wird flüssiges Wasser erzeugt.
-
Es
sei zu verstehen, dass, da die elektrochemisch aktiven Bereiche 60 im
Wesentlichen den Kanälen 64 entsprechen
oder mit diesen ausgerichtet sind und Breiten besitzen, die kleiner
als die Breiten der Kanäle 64 sind,
bevorzugt kein Wasser, das aus der elektrochemischen Reaktion der
Brennstoffzelle erzeugt wird, auf den Stegen 66 gebildet
wird und im Wesentlichen auf die Kanäle 64 beschränkt ist.
Demgemäß steht
das Wasser in den Kanälen 64 in
Kontakt mit dem Hochgeschwindigkeitsluftstrom, der das Wasser konvektiv
von der Brennstoffzelle entfernt.
-
Ein
einzigartiger Aspekt der vorliegenden Erfindung, der für Fachleute
leicht zu erkennen ist, besteht darin, dass die elektrisch leitenden
Bereiche 62, die benachbart den elektrochemisch aktiven
Bereichen 60 der Anode 52 und Kathode 54 angeordnet sind,
auch als ein thermisch leitendes Material wirken. Durch die Wirkungsweise
als thermisch leitendes Material zusätzlich zu der des elektrisch
leitenden Materials kann Wärme,
die während
der elektrochemischen Reaktionen der Brennstoffzelle erzeugt wird,
effektiver und effizienter von den aktiven Bereichen an die Stege übertragen
werden.
-
Bei
einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wie in 4 gezeigt
ist, sind die elektrochemisch aktiven Bereiche 60 der Anode 52 und
Kathode 54 mit Breiten ausgebildet, die größer als
die Breiten der Kanäle 64 der
bipolaren Platten 56 und 58 sind. Die Anordnung
der elektrochemisch aktiven Bereiche 60 mit Breiten, die
größer als
die Breiten der Kanäle 64 sind,
erleichtert auch einen vereinfachten Herstellprozess, da keine genaue
Ausrichtung der elektrochemisch aktiven Bereiche 60 mit den
Kanälen 64 der
bipolaren Platten 56 und 58 erforderlich ist.
Ferner erhöht
das Anordnen der elektrochemisch aktiven Bereiche 60 mit
Breiten, die größer als
die Breiten der Kanäle 64 der
bipolaren Platten 56 und 58 sind, die Reaktionsfläche, an
der die anodischen und kathodischen Reaktionen stattfinden können, was
seinerseits ermöglicht,
dass eine größere Stromdichte
erzeugt werden kann.
-
Es
sei angemerkt, dass obwohl die elektrochemisch aktiven Bereiche 60 für sowohl
die Anode 52 als auch Kathode 54 im Wesentlichen
mit gleichen Breiten gezeigt sind, die vorliegende Erfindung nicht darauf
beschränkt
ist. Um eine zufrieden stellende Stromdichte zu erreichen, ist es
jedoch vorzuziehen, dass die Breiten der elektrochemisch aktiven
Bereiche 60 für
sowohl die Anode 52 als auch Kathode 54 im Wesentlichen
gleich sind.
-
Unter
Bezugnahme auf die erste Ausführungsform
werden Elektronen, die aus den anodischen und kathodischen Reaktionen
erzeugt werden, seitlich eine kurze Distanz durch die elektrochemisch aktiven
Bereiche 60 an die elektrisch leitenden Bereiche 62 geleitet,
die dann die Elektronen an die bipolaren Platten 56 und 58 leiten.
Das seitliche Leiten der Elektronen kann auch bei der zweiten Ausführungsform
erfolgen. Jedoch stehen, wie in 4 gezeigt
ist, die elektrochemisch aktiven Bereiche 60 der Anode 52 und
Kathode 54 direkt in Kontakt mit den bipolaren Platten 56 und 58,
was das Leiten von Elektronen direkt von den elektrochemisch aktiven Bereichen 60 an
die bipolaren Platten 56 und 58 erleichtert.
-
Da
die elektrochemisch aktiven Bereiche 60 auf Breiten vergrößert sind,
die größer als
die Breiten der Kanäle 64 sind,
um mit den Stegen 66 in Kontakt zu treten und damit die
Leitfähigkeit
für Elektronen
zu verbessern, wird auch die Reaktionsfläche zwischen den elektrochemisch
aktiven Bereichen 60 und den Zufuhrströmen der Anode 52 und
Kathode 54 erhöht. Damit
wird aufgrund der größeren Produktion
von Elektronen in den Oxidations- und Reduktionsreaktionen eine
höhere Stromdichte
erzeugt, wobei jedoch auch mehr Wasser erzeugt wird, das die Brennstoffzelle
fluten kann. Daher ist es erwünscht,
Porenräume
an den elektrisch leitenden Bereichen 62 benachbart der
elektrisch aktiven Bereiche 60 auszubilden, um die Entfernung
von überschüssigem Wasser
zu unterstützen.
Somit können
einige oder alle Bereiche 62 entfernt werden, was in Poren
oder offenen Gebieten 68 resultiert.
-
Wie
in 4 gezeigt ist, sind die elektrisch leitenden Bereiche 62 der
Kathode 54 entfernt worden, um offene Gebiete oder Löcher 68 freizulegen. Somit
sehen diese Löcher 68 zusätzliche
Pfade für Wasser
zum Verlassen der Brennstoffzelle vor, insbesondere, wenn die Brennstoffzelle
eine vertikale Orientierung besitzt, was bevorzugt, jedoch nicht zwingend
ist. Wenn die Brennstoffzelle eine vertikale Orientierung (nicht
gezeigt) besitzt, unterstützt
die Schwerkraft die Entfernung von Wasser durch die Löcher 68.
-
Es
sei angemerkt, dass in 4 nur die elektrisch leitenden
Bereiche 62 der Kathode 54 entfernt worden sind.
Dies ist dadurch bedingt, dass Wasser an der kathodischen Oberfläche der
MEA während der
elektrochemischen Reaktion der Brennstoffzelle gebildet wird und
daher einen größeren Bedarf
nach Wasserentfernung erfordert. Obwohl es bevorzugt ist, lediglich
die elektrisch leitenden Bereiche 62 der Kathode zu entfernen,
ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt, da
es erwünscht
sein kann, genauso gut die elektrisch leitenden Bereiche 62 der Anode 52 zu
entfernen. Durch Entfernung der elektrisch leitenden Bereiche 62 von
der Anode 52 wirkt der befeuchtete Brennstoffstrom als
ein Befeuchter, der die PEM 50 richtig hydriert. Eine richtig
hydrierte PEM 50 ist für
die Übertragung
von Protonen an die Kathode 54 sehr wichtig.
-
Bei
einer dritten Ausführungsform
der Erfindung, die in 5 gezeigt ist, können, um
die elektrochemische Reaktion weiter zu erleichtern und die konvektive
Entfernung von Wasser von der Brennstoffzelle zu verbessern, die
Kanäle 64 der
bipolaren Platten 56 und 58 eine abgewandelte
Geometrie umfassen. Wie in 5 gezeigt
ist, kann der Querschnitt der Kanäle 64 von einer rechtwinkligen
Form 70 (in gestrichelten Linien gezeigt) zu einer dreieckigen Form
oder V-Form 72 geändert
werden. Genauer sind die Ränder
oder Seitenwände 74 der
Kanäle 64 zu
der MEA 48 nach oben hin konisch oder rampenartig ausgebildet,
so dass ein spitzer Winkel zwischen der MEA 48 und den
Rändern 74 gebildet
wird.
-
Durch
Verwendung der in 5 gezeigten abgewandelten Geometrie
wird die Strömungsfläche im Wesentlichen
halbiert und die Gasgeschwindigkeit des Zufuhrstroms tatsächlich im
Wesentlichen verdoppelt. Eine Erhöhung der Geschwindigkeit des
Zufuhrstroms steigert die Menge an Reaktandengasen, die in Kontakt
mit den elektrochemisch aktiven Bereichen 60 kommen und
steigert unter geeigneten Bedingungen die Rate der elektrochemischen
Reaktion und als eine Folge davon die Stromdichte. Ferner erfolgt,
da kein Gasdiffusionsmedium verwendet werden muss, keine Gasströmung über die
Stege 66 der bipolaren Platten 56 und 58 durch
das Gasdiffusionsmedium. Dies steigert die Gasgeschwindigkeit im Gegensatz
zu herkömmlichen
Stapelkonstruktionen weiter. Es sei jedoch angemerkt, dass, obwohl
die Erfindung in einer bevorzugten Ausführungsform ohne die Verwendung
eines Zwischenmaterials, wie beispielsweise eines Gasdiffusionsmediums,
zwischen der MEA und der bipolaren Platte beschrieben wurde, es
möglich
ist, ein Zwischenelement, wie beispielsweise einen Sieb, ein Gewebe
oder einen Schaum, zum Zwecke der Abstützung, Leitfähigkeitsverbesserung
oder Verteilung vorzusehen.
-
Bezüglich der
Form der Kanäle 64 wird, wenn
die elektrochemische Reaktionsrate zunimmt, mehr Wasser erzeugt.
Somit unterstützt
die erhöhte Geschwindigkeit
des Zufuhrstroms durch die Kanäle 64 auch
das konvektive Entfernen des Wassers von der Brennstoffzelle. Ein
anderer Aspekt des abgewandelten dreieckigen Querschnitts 72 besteht
darin, dass Ränder 74 der
Kanäle 64 gekrümmt oder
konturiert sein können,
um Zonen 76 mit niedriger Geschwindigkeit zur Ansammlung
von flüssigem
Wasser entfernt von den elektrochemisch aktiven Bereichen 60 der
Oberfläche
der MEA 48 vorzusehen.
-
Es
ist aus der Literatur bezüglich
zweiphasiger Strömung
bekannt, dass eine kontinuierliche Flüssigkeit dazu neigt, sich in
Zonen mit geringster Geschwindigkeit anzusammeln, wie beschrieben
ist in: "High Pressure
Annular Two-Phase Flow in a Narrow Duct: Part I-Local Measurements
in the Droplet Field",
ASME, 122, Juni 2000, von Trabold et al. Somit werden die Zonen 76 mit
niedriger Geschwindigkeit durch Konturieren der Ränder 74 der
Kanäle 64 entwickelt.
Wie in 5 zu sehen ist, sind die Zonen 76 mit
niedriger Geschwindigkeit entfernt von den elektrochemisch aktiven
Bereichen 60 der Kathode 54 angeordnet, so dass
sich durch die elektrochemische Reaktion erzeugtes Wasser entfernt
von den elektrochemisch aktiven Bereichen 60 ansammelt, wodurch
ermöglicht
wird, dass die Reaktandengase die katalytischen Gebiete der elektrochemisch
aktiven Bereiche 60 erreichen können. Ferner besitzt die Beseitigung
der scharfkantigen Schnittstelle zwischen der Strömungsfeldplatte
und der MEA zusätzliche
Haltbarkeitsvorteile, da kein Spannungs konzentrationspunkt, der
die MEA beschädigen
kann, mehr vorhanden ist.
-
Es
sei zu verstehen, dass die oben beschriebenen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung durch die Anordnung des elektrochemisch
aktiven Materials als eine Vielzahl elektrochemisch aktiver Bereiche,
wie beispielsweise streifenförmiger
Bereiche oder punktförmiger
Bereiche, ermöglicht
werden. Um das elektrochemisch aktive Material als eine Vielzahl
von Bereichen
60 aufzubringen, wird bevorzugt eine Direktschreib-Technik
("Direct-Writing-Technik") verwendet, ist
jedoch nicht darauf beschränkt.
Das Direktschreib-Verfahren ist in dem U.S.-Patent Nr.
4,485,387 von Drumheller beschrieben,
und ein Beispiel eines Direktschreibvorgangs ist in
6 gezeigt.
Ein Hersteller einer Vorrichtung, die die Direktschreib-Technik
ausführen
kann, ist MicroPen, Inc., die eine Tochtergesellschaft von Ohmcraft, Inc.
in Honeoye Falls, New York ist.
-
Die
Direktschreib-Technik verwendet eine Vorrichtung mit einer dünnen Düsenspitze,
um Fluide über
einen breiten Bereich von Viskositäten auf eine Vielzahl von Breiten
und Dicken aufzubringen. Beispielsweise können Linien mit Breiten im
Bereich von etwa 0,001'' bis 0,080'' (1 Milliinch bis 80 Milliinch oder
0,025 mm bis 2,0 mm) und Dicken im Bereich von bis zu 0,010'' (10 Milliinch oder 0,25 mm) mit einer
derartigen Technik erreicht werden. Bevorzugt betragen die Breiten
der elektrochemisch aktiven Bereiche 60 zumindest die Hälfte der
Breite oder bis zu dem etwa 1,25-fachen der Breite der entsprechenden
Kanäle 64 der
bipolaren Platten 56 und 58. Die Breiten der Kanäle 64 liegen
bevorzugt im Bereich von etwa 0,01'' bis
0,120'' (10 Milliinch bis
120 Milliinch oder 0,25 mm bis 3,0 mm) und bevorzugter im Bereich
von etwa 0,02'' bis 0,06'' (20 Milliinch bis 60 Milliinch oder
0,50 mm bis 1,5 mm). Somit liegen die Breiten des elektrochemisch
aktiven Materials 60 bevorzugt im Bereich von etwa 0,005'' bis 0,150'' (5
Milliinch bis 150 Milliinch oder 0,10 mm bis 4,0 mm) und bevorzugter
im Bereich von etwa 0,01'' bis 0,075'' (10 Milliinch bis 75 Milliinch oder
0,25 mm bis 2,0 mm).
-
Ein
bevorzugtes Verfahren zum Aufbringen der elektrochemisch aktiven
Bereiche 60 an der PEM besteht darin, die Direktschreib-Technik in einem
so genannten Abziehlagenverfahren (Decal-Verfahren) zu verwenden,
das in der Technik gut bekannt ist. Bei dem Abziehlagenverfahren
wird eine Aufschlämmung
aus mit Katalysator beschichtetem Kohlenstoff oder Graphit, Polymerbinder
wie auch Gusslösemittel
gleichmäßig über einen
Teflonabschnitt aufgebracht. Der Teflonabschnitt wird dann in einem
Ofen gebacken und anschließend
auf eine Membran heißgepresst,
wie beispielsweise eine PEM. Der Teflonabschnitt wird dann von der
Membran abgezogen, und der mit Katalysator beschichtete Kohlenstoff oder
Graphit bleibt als eine kontinuierliche Elektrode an der Membran
eingebettet, um eine MEA vollständig
auszubilden.
-
Zum
Zwecke des Aufbringens der elektrochemisch aktiven Bereiche der
vorliegenden Erfindung wird die Direktschreib-Technik dazu verwendet, eine
Aufschlämmung
des elektrochemisch aktiven Materials auf die Teflonabschnitte mit
den gewünschten
Breiten und der gewünschten
Dicke in dem gewünschten
Muster für
die elektrochemisch aktiven Bereiche aufzubringen. Eine beispielhafte
Aufschlämmung
für die
Zwecke der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise etwa 4% Platin,
4% Ionomer, 4% Kohlenstoff, 19% Isopropylalkohol und 69% Wasser
umfassen. Nachdem die Aufschlämmung
auf die Teflonabschnitte in dem gewünschten Muster aufgebracht
worden ist, werden die Abschnitte bei 80°C für 5 Minuten im Ofen getrocknet.
Die Teflonabschnitte werden dann auf die gegenüberliegenden Flächen der
PEM bei einer Temperatur von 146°C
und einem Druck von 400 psi Überdruck
heißgepresst.
Anschließend
werden die Teflonabschnitte entfernt, und das elektrochemisch aktive
Material bleibt auf der PEM als die elektrochemisch aktiven Bereiche
der Anode und Kathode in dem bevorzugten Muster von streifenförmigen Bereichen
oder punktförmigen
Bereichen angeordnet, um eine MEA zu formen. Es sei jedoch angemerkt,
dass die elektrisch leitenden Bereiche benachbart der elektrochemisch
aktiven Bereiche auch auf diese Art und Weise aufgebracht werden
können.
-
Es
sei auch angemerkt, dass, obwohl das oben beschriebene Verfahren
bevorzugt ist, die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist.
Beispielsweise kann eine Anzahl von Direktschreib-Vorrichtungen
gleichzeitig verwendet werden, um sowohl die elektrochemisch aktiven
Bereiche als auch die elektrisch leitenden Bereiche im Wesentlichen
simultan aufzubringen. Ferner sei zu verstehen, dass abhängig von
den variierenden Mengen und Bestandteilen der Aufschlämmung verschiedene
Drücke
und Temperaturen für
die Back- und Heißpressschritte
erforderlich sein können.
Eine andere mögliche
Variation kann darin bestehen, die elektrochemisch aktiven Bereiche
und die elektrisch leitenden Bereiche direkt auf die PEM mit der
Direktschreib-Technik aufzubringen.
-
Obwohl
es bevorzugt ist, einen einzelnen elektrochemisch aktiven Bereich 60 pro
Kanal 64 auszubilden, liegt es immer noch innerhalb des Schutzumfangs
der vorliegenden Erfindung, eine Vielzahl elek trochemisch aktiver
Bereiche 60 pro Kanal 64 anzuordnen. Wenn eine
Vielzahl elektrochemisch aktiver Bereiche 60 pro Kanal 64 angeordnet wird,
sind mehr katalytische Flächen
vorhanden, wodurch die Rate der elektrochemischen Reaktion gesteigert
wird.
-
Ein
noch weiterer einzigartiger Vorteil der vorliegenden Erfindung,
der für
Fachleute leicht zu erkennen ist, besteht in der Vereinfachung der
Strömungsfelder
bipolaren Platten 56 und 58. Wie in 7 zu
sehen ist, sind die Stege 66 und Kanäle 64 der bipolaren
Platten 56 und 58 in einer Gruppierung aus geraden
Kanälen,
bevorzugt vertikal, angeordnet, um eine Wasserentfernung von der
Brennstoffzelle zu unterstützen.
Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass
die elektrochemisch aktiven Bereiche 60 so angeordnet sind,
dass sie im Wesentlichen mit den entsprechenden Kanälen 64 zusammenpassen
oder mit diesen ausgerichtet sind, wodurch das Gasdiffusionsmedium
vermieden wird. Da das Gasdiffusionsmedium weggelassen worden ist, besteht
keine Notwendigkeit mehr, eine Strömung der Zufuhrströme durch
eine Vielzahl von Kanälen
zu drängen,
die in einer serpentinenartigen oder ineinander greifenden Gestaltung
mäandrieren.
Ferner sollte, da der Druckabfall in einzelnen Kanälen 64 wesentlich
größer als
in den Sammelleitungen ist, die Strömung der Reaktandengase des
Zufuhrstroms gleichmäßig über die
Kanäle 64 aufgeteilt
werden. Überdies
kann die Strömungsgleichförmigkeit
optimiert werden, indem die Kanalquerschnitte über die Gruppierung hinweg
variiert werden. Somit ist der Querschnitt von denen, die den Sammelleitungsdurchlässen am
nächsten
sind, etwas kleiner, als von denjenigen, die von den Sammelleitungsdurchlässen am
Entferntesten angeordnet sind. Es sei auch angemerkt, dass ein vereinfachtes
Strömungsfeld
die Herstellung der bipolaren Platten stark vereinfacht und Kosten
in Verbindung mit ihrer Herstellung verringert.
-
Die
Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und
somit sind Abwandlungen, die nicht von der Grundidee der Erfindung
abweichen, als innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung anzusehen.
Derartige Abwandlungen sind nicht als Abweichung vom Schutzumfang
der Erfindung zu betrachten.
-
Zusammenfassung
-
Eine
Brennstoffzelle umfasst ein ionenleitendes Element mit einer ersten
Oberfläche
und einer zweiten Oberfläche.
Eine Anodenelektrode ist an der ersten Oberfläche des ionenleitenden Elements
angeordnet, und eine Kathodenelektrode ist an der zweiten Oberfläche des
ionenleitenden Elements angeordnet. Ein erstes elektrisch leitendes
Fluidverteilungselement ist an der Anode angeordnet, und ein zweites
elektrisch leitendes Fluidverteilungselement ist an der Kathode
angeordnet. Das erste und zweite elektrisch leitende Fluidverteilungselement
umfassen jeweils eine Vielzahl abwechselnder Stege und Fluiddurchgänge. Die
Anode und Kathode bestehen aus einer Vielzahl elektrochemisch aktiver
Bereiche, die so angeordnet sind, dass sie im Wesentlichen mit den
Fluiddurchgängen
ausgerichtet sind.