DE112004002214B4

DE112004002214B4 - Brennstoffzelle und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE112004002214B4
Application number: DE112004002214T
Authority: DE
Inventors: Thomas A. Trabold
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2003-11-20
Filing date: 2004-10-07
Publication date: 2008-11-13
Anticipated expiration: 2024-10-08
Also published as: JP2010282975A; CN100508262C; WO2005057683A2; US7306874B2; JP2007513473A; WO2005057683A3; CN1883071A; US20050112445A1; JP5457973B2; DE112004002214T5

Abstract

Brennstoffzelle mit:
einer Membranelektrodenanordnung (50, 52, 54) mit einem ionenleitenden Element (50) und zumindest einer Elektrode (52, 54), die an dem ionenleitenden Element (50) angeordnet ist; und
einem elektrisch leitenden Element benachbart der Elektrode (52, 54), das eine Hauptfläche mit einem Strömungsfeldmuster aufweist, das darauf durch Stege (66) definiert gemustert ist, wobei die Stege (66) leitende Partikel umfassen, die in einem Binder dispergiert sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Elektrode (52, 54) eine Vielzahl von abwechselnden katalytischen Gebiet (84) und nicht katalytischen Gebieten (86) aufweist, wobei die Stege (66) des elektrisch leitenden Elements mit den nicht katalytischen Gebieten (86) der Elektrode (52, 54) zusammenfallen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Protonenaustauschmembran-(PEM)-Brennstoffzellen und insbesondere solche Zellen, bei denen ein leitendes Material, das in einem Binder verteilt ist, als eine Vielzahl von Gebieten angeordnet ist, um ein Strömungsfeld aus Fluiddurchgängen für ein elektrisch leitendes Element zu bilden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Obwohl sich die Strömungsfeldplattentechnologie auf dem Gebiet von Brennstoffzellen erheblich verbessert hat, besteht nach wie vor eine Anzahl inhärenter Nachteile in Verbindung mit der Ausbildung von Anoden- und Kathodenströmungsfeldern an einer Metall- oder Verbundplatte. Erstens verhält es sich so, dass die Kostenziele pro Platte mit einer beliebigen Kombination aus Material (rostfreiem Stahl, Aluminium, Verbundstoff, etc.) und Herstellverfahren (Ätzen, spanabhebendes Bearbeiten, Stanzen) nur schwierig zu erfüllen sind. Zweitens ist es, da die Platten und die Strömungsfeld-"Stege" starr sind, schwierig, eine gleichförmige Kompression über die Ebene des Stapels hinweg mit einem derzeit existierenden Kompressionsverfahren aufzubringen. Zuletzt wird aufgrund des Festkörperkontakts an der Schnittstelle zwischen Strömungsfeldplatte und Diffusionsmedium die Zellenleistungsfähigkeit durch den relativ großen Kontaktwiderstand an dieser Stelle beeinträchtigt. Diesen Problemen kann zumindest teilweise mit den in den Druckschriften EP 1 195 829 A2 , US 6,395,416 B1 , US 6,451,471 B1 , EP 0 933 825 A2 beschriebenen Brennstoffzellenanordnungen entgegengewirkt werden, welche gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgebildet sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Brennstoffzelle sowie ein Herstellungsverfahren für solch eine Brennstoffzelle anzugeben, welche trotz Verzichts auf eine Diffusionsmedienschicht gute Leistungseigenschaften besitzt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird durch eine Brennstoffzelle gelöst, welche die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle gelöst, welches die Merkmale des Anspruchs 14 aufweist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen erläutert, in welchen:
1 eine schematische Explosionsdarstellung eines herkömmlichen PEM-Brennstoffzellenstapels (es sind nur zwei Zellen gezeigt) ist;
2 ein Schnitt einer herkömmlichen Membranelektrodenanordnung ist;
3 eine Explosionsansicht eines beispielhaften elektrisch leitenden Fluidverteilungselements ist, das mit der vorliegenden Erfindung verwendbar ist;
4 ein Schnitt einer gemäß dem Stand der Technik ausgebildeten Brennstoffzelle ist;
5 ein Schnitt einer gemäß dem Stand der Technik ausgebildeten Brennstoffzelle ist;
6 ein Beispiel eines serpentinenartigen Strömungsfeldes ist, das in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
7 eine perspektivische Ansicht ist, die die Direktschreibtechnik beispielhaft darstellt, die in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann; und
8 eine Explosionsdarstellung einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Zur Klarstellung sei an dieser Stelle erwähnt, dass sich nur die 6 bis 8 auf die vorliegende Erfindung beziehen, wohingegen vorab unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 herkömmliche Brennstoffzellen lediglich zum besseren Verständnis der Erfindung erläutert werden.
1 zeigt allgemein einen zwei Zellen umfassenden bipolaren Brennstoffzellenstapel 2 mit einem Paar Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 4 und 6, die voneinander durch ein elektrisch leitendes Fluidverteilungselement 8 getrennt sind, nachfolgend der bipolaren Platte 8. Die MEAs 4 und 6 und die bipolare Platte 8 sind zwischen aus rostfreiem Stahl bestehenden 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 enthalten eine Vielzahl von Nuten oder Kanälen 18, 20, 22 bzw. 24 zur Verteilung von Brennstoff- und Oxidationsmittelgasen (d. h. H₂ und O₂) an die MEAs 4 und 6. Nichtleitende Dichtungselemente 26, 28, 30 und 32 sehen Dichtungen wie auch eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellenstapels vor. Gasdurchlässige leitende Materialien sind typischerweise Kohlenstoff/Graphitdiffusionspapiere 34, 36, 38 und 40, die an die Elektrodenseiten der MEAs 4 und 6 gepresst werden. Die Endkontaktelemente 14 und 16 werden an die Kohlenstoff/Graphitpapiere 34 bzw. 40 gepresst, während die bipolare Platte 8 an das Kohlenstoff/Graphitpapier 36 auf der Anodenseite der MEA 4 und an das Kohlenstoff/Graphitpapier 38 auf der Kathodenseite der MEA 6 gepresst wird. Sauerstoff wird an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels von einem Speichertank 46 über eine geeignete Versorgungsverrohrung 42 geliefert, während Wasserstoff an die Anodenseite der Brennstoffzelle von einem Speichertank 48 über eine geeignete Versorgungsverrohrung 44 geliefert wird. Alternativ dazu kann Umgebungsluft an die Kathodenseite als eine Sauerstoffquelle und Wasserstoff an die Anode von einem Methanol- oder Benzinreformer geliefert werden. Es ist auch eine Austragsverrohrung (nicht gezeigt) für sowohl die H₂- als auch O₂-Seiten der MEAs 4 und 6 vorgesehen. Eine zusätzliche Verrohung 51, 53 und 55 ist zur Lieferung von flüssigem Kühlmittel an die bipolare Platte 8 und die Endplatten 14 und 16 vorgesehen. Es ist auch eine geeig nete Verrohrung zum Austrag von Kühlmittel von der bipolaren Platte 8 und den Endplatten 14 und 16 vorgesehen, jedoch nicht gezeigt.
Jede Membranelektrodenanordnung (MEA) 4 und 6 umfasst ein ionenleitendes Element 51, das schichtartig durch eine Anodenelektrode 52 und eine Kathodenelektrode 54 angeordnet ist (2). Das ionenleitende Element 50 ist bevorzugt ein Festpolymermembranelektrolyt und bevorzugter eine PEM. Polymere, die für derartige Membranelektrolyte geeignet sind, sind in, der an Technik gut bekannt und in US 5,272,017 A und US 3,134,697 A und an anderen Stellen in der Patent- und Nicht-Patent-Literatur beschrieben. Es sei jedoch angemerkt, dass die Zusammensetzung des ionenleitenden Elements 50 beliebige der herkömmlich in der Technik verwendeten protonenleitenden Polymere umfassen kann. Bevorzugt werden perfluorierte Sulfonsäurepolymere, wie NAFION^® verwendet. Ferner kann das Polymer der ausschließliche Bestandteil der Membran sein oder kann in den Poren eines anderen Materials getragen sein. Die Anodenelektrode 52 und die Kathodenelektrode 54 umfassen bevorzugt katalysatorbeschichtete Kohlenstoff- oder Graphitpartikel, die in einem Polymerbinder eingebettet sind, der ähnlich der Polymermembran ein protonenleitendes Material ist, wie NAFION^®. Bevorzugt ist der Katalysator aus der Gruppe ausgewählt, die Platin, Palladium, Platin-Ruthenium, Pt/Übergangsmetalllegierungen und deren Kombinationen umfasst.
3 ist eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften bipolaren Platte 56, die in Verbindung mit der vorgegebenen Erfindung verwendet werden kann. Die bipolare Platte 56 umfasst eine erste Außenmetalltafel 58, eine zweite Außenmetalltafel 60 und eine Zwischenabstandhaltermetalltafel 62 zwischen der ersten Metalltafel 58 und der zweiten Metalltafel 60. Die Außenmetalltafeln 58 und 60 sind bevorzugt flach und so dünn wie mög lich ausgebildet. Ferner können die Metalltafeln 58 und 60 durch einen beliebigen herkömmlichen Prozess zum Formen von Metalltafeln geformt werden.
Die Außentafel 58 besitzt eine erste Arbeitsseite 59 an ihrer Außenseite, die der Membranelektrodenanordnung (nicht gezeigt) gegenüberliegt und abgewandelt ist, so dass sie ein Strömungsfeld 57 enthält (4). Die Metalltafel 60 ist ähnlich der Tafel 58. Obwohl es in den Figuren nicht gezeigt ist, sei angemerkt, dass eine Vielzahl von Rippen ausgebildet sein kann, die dazwischen eine Vielzahl von Kanälen definieren, durch die Kühlmittel zwischen den Tafeln 58 und 60 von einer Seite 69 der bipolaren Platte 56 zu ihrer anderen Seite 71 strömt. Ähnlich der Tafel 58 besitzt die Außenseite der Tafel 60 eine Arbeitsseite 63. Die Tafel 60 ist auch so abgewandelt, dass sie ein Strömungsfeld 57 vorsieht. Die Innenmetallabstandhaltertafel 62 ist zwischen den Außentafeln 58 und 60 positioniert und umfasst eine Vielzahl von Öffnungen 64 darin, um zu ermöglichen, dass ein Kühlmittel zwischen den Tafeln 58 und 60 strömen kann, wodurch laminare Grenzschichten aufgebrochen werden und eine Turbulenz bewirkt wird, die den Wärmeaustausch mit den Innenseiten der Außentafeln 58 bzw. 60 steigert.
Wie in 4 gezeigt ist, bildet eine Vielzahl von Stegen 66, die dazwischen eine Vielzahl von Nuten 68 definieren, das Strömungsfeld 57, durch das die Reaktandengase (d. h. H₂ oder O₂) der Brennstoffzelle in einem Pfad von einer Seite 70 der bipolaren Platte 56 zu der anderen Seite 72 derselben strömen. Die Stege 66 des Strömungsfeldes 57 werden an das poröse Material, Kohlenstoff/Graphitdiffusionsmedien 36 und 38, gepresst, die ihrerseits an die MEA 4 gepresst werden. Wie in 3 gezeigt ist, wird das Reaktandengas an die Nuten 68 von Einlassverteilern 74 geliefert, die entlang einer Seite 70 der Brennstoffzelle liegen, und verlässt die Nuten 68 über eine andere Gruppierung von Verteilern 76, die benachbart der gegenüberliegenden Seite 72 der Brennstoffzelle liegen.
Ein Material, das sich anfänglich in einem flüssigen Zustand befindet, wird durch ein geeignetes Beschichtungsverfahren aufgebracht, um das Strömungsfeld 57 zu bilden, das die Verteilung der Anoden- und Kathodenreaktanden über die Ebene der aktiven MEA-Fläche verteilt. Bevorzugt ist das Material, das die Stege 66 bildet, ein leitendes Material, das in einem Polymerharzbinder verteilt ist. Diesbezüglich besteht das leitende Material bevorzugt aus Ruß, und der Polymerbinder ist bevorzugt Polyimid. Es sei jedoch zu verstehen, dass jegliches leitendes Material gewählt werden kann, solange es sich um kein Material handelt, das die Brennstoffzelle kontaminiert oder eine nachteilige Reaktion in der Brennstoffzelle erzeugt. Überdies sei zu verstehen, dass jedes Material als Binder gewählt werden kann, solange der Binder die raue Umgebung der Brennstoffzelle aushalten kann. Dies bedeutet, der Binder sollte in der Lage sein, eine saure, feuchte wie auch hoher Temperatur unterworfene Umgebung ohne Degradation des Binders auszuhalten.
Gemäß 4 ist das Strömungsfeld 57 an den Arbeitsseiten 59 und 63 der bipolaren Platten 56 ausgebildet. Insbesondere sind die Stege 66 des Strömungsfeldes 57 an den Arbeitsseiten 59 und 63 der bipolaren Platten 56 angeordnet, um eine Vielzahl von Nuten 68 zu bilden, durch die die gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle strömen können. Es sei zu verstehen, dass die Geometrie des Strömungsfeldes 57 in einem beliebigen gewünschten Muster ausgebildet sein kann. Dies bedeutet, das Strömungsfeld 57 kann beispielsweise in einem serpentinenartigen Muster 77 ausgebildet sein, bei dem die Stege 66 und Nuten 68 des Strömungsfeldes 57 über die Oberfläche der bipolaren Platten 56 (6) mäanderförmig vor und zurück verlaufen, oder kann in einer einfacheren Weise ausgebildet sein, wobei die Nuten 68 lediglich die Oberfläche der bipolaren Platten 56 von einem Rand zu dem anderen überqueren.
Da die Stege 66 des Strömungsfeldes 57 aus einem leitenden Material ausgebildet sind, das in einem Polymerbinder dispergiert ist, sind die Stege 66 nicht so starr wie diejenigen einer herkömmlichen bipolaren Platte, die durch, Formen, insbesondere Prägen, ausgebildet ist. Somit können, wenn die Komponenten der Brennstoffzelle vollständig zusammengebaut sind, die Stege 66 komprimiert werden, wodurch Kompressionsdrücke verringert werden, die erforderlich sind, um eine zufrieden stellende Stromdichte beizubehalten. Dies bedeutet, um eine zufrieden stellende Stromdichte aus der Reaktion der Brennstoffzelle zu fördern, werden die Komponenten der Brennstoffzelle unter hohem Druck miteinander komprimiert, um eine elektrische Verbindung zwischen den Komponenten sicherzustellen. Dieser hohe Kompressionsdruck kann jedoch die empfindlichen Komponenten der Zelle schädigen, wie beispielsweise diejenigen, die in der Membranelektrodenanordnung 4 enthalten sind. Da die Stege 66 des Strömungsfeldes 57 nicht so starr sind, können die Kompressionsdrücke auf einem Minimum gehalten werden, und daher kann ein Schaden an den sensitiven Komponenten der Zelle vermieden werden.
Ferner kann sich, wenn hohe Kompressionsdrücke in einer herkömmlichen Zelle verwendet werden, ein Kontaktwiderstand entwickeln. Da hohe Kompressionsdrücke vermieden werden, wenn die beschriebene Stegstruktur verwendet wird, können auch niedrigere Kontaktwiderstände erreicht werden, was die Gesamtleistungsfähigkeit der Brennstoffzelle werter steigert wie auch die Stromdichte steigert. Dies wird erreicht, indem die Stege 66 50 Prozent der leitenden Partikel und 50 Prozent des Polymerbinders umfassen. Durch Verwendung von zumin dest 50 Prozent der leitenden Partikel wird ein Kontakt von Partikel zu Partikel in den Stegen 66 sichergestellt und die elektrische Leitfähigkeit kann verbessert werden. Überdies kann durch Verwenden von 50 Prozent des Polymerbinders, der thermisch leitend ist, die Wärme, die als ein Nebenprodukt der Gesamtreaktion der Brennstoffzelle erzeugt wird, entsprechend verteilt werden. Somit wird die Gesamtleistungsfähigkeit wie auch die Lebensdauer der Brennstoffzelle weiter gesteigert.
Gemäß 5 sind die Stege 66 des Strömungsfeldes 57 an Flächen 37 und 39 der Stromkollektoren oder Gasdiffusionsmedien 36 und 38 ausgebildet, die von der MEA 4 weg weisen. Die Gasdiffusionsmedien 36 und 38 können beliebige in der Technik bekannte Gasdiffusionsmedien sein. Bevorzugt sind die Gasdiffusionsmedien 36 und 38 Kohlenstoffpapiere, Kohlenstoffgewebe oder Kohlenstoffschäume mit einer Dicke im Bereich von etwa 100–300 μm.
Es sei auch hier angemerkt, dass die Geometrie des Strömungsfeldes 57 in einem beliebigen gewünschten oder beabsichtigten Muster ausgebildet sein kann. Dies bedeutet, das Strömungsfeld 57 kann beispielsweise in einem Serpentinenmuster 77 ausgebildet sein, bei dem die Stege 66 und Nuten 68 des Strömungsfeldes 57 über die Oberflächen 37 und 39 der Diffusionsmedien 36 und 38 (6) mäanderförmig vor und zurück verlaufen, oder kann auf eine einfachere Weise ausgebildet sein, bei der die Nuten lediglich die Oberflächen 37 und 39 der Diffusionsmedien 36 und 38 von einem Rand zu dem anderen überqueren. Ferner sei angemerkt, dass, obwohl das Strömungsfeld 57 an der Oberfläche der Diffusionsmedien 36 und 38 angeordnet ist, es bevorzugt ist, dennoch eine gekühlte flache Platte 56 zu verwenden. Auf diese Weise kann die Temperatur der Brennstoffzelle auf eine gewünschte und effiziente Temperatur gesteuert werden. Überdies sind, wie in dem Fall der ersten Ausführungsform, die Stege 66 nicht so starr wie diejenigen einer herkömmlichen bipolaren Platte die durch Formen, insbesondern Stanzen, ausgebildet ist, und daher können die Stege 66 komprimiert werden, was dadurch Kompressionsdrücke verringert, die erforderlich sind, um eine zufrieden stellende Stromdichte beizubehalten. Noch weiter können, da hohe Kompressionsdrücke vermieden werden, auch geringere Kontaktwiderstände erreicht werden, was die Gesamtleistungsfähigkeit der Brennstoffzelle weiter steigert wie auch die Stromdichte erhöht. Somit werden die Gesamtleistungsfähigkeit und die Lebensdauer der Brennstoffzelle weiter gesteigert.
Nun wird Bezug auf 8 genommen, in der ein erfindungsgemäßer Aufbau gezeigt ist, wobei die Anoden- und Kathodenelektroden 52 und 54 aus abwechselnden Gebieten 84 und 86 aus katalytischem und nicht katalytischem Material bestehen. Wie in 8 gezeigt ist, sind die abwechselnden Gebiete 84 und 86 aus katalytischem und nicht katalytischem Material mit entsprechenden Nuten 68 des Strömungsfelds 57, das an der bipolaren Platte 56 angeordnet ist, ausgerichtet. Durch Begrenzung des katalytischen Materials auf die mit den Strömungsfeldnuten 68 ausgerichteten Gebiete 84 kann der Bedarf nach den Diffusionsmedien beseitigt werden. Eine Ausdehnung dieses Konzepts besteht darin, das Strömungsfeld direkt auf die nicht katalytischen Gebiete 86 aufzutragen, um die Strömungsnuten 68 für Anoden- und Kathodenreaktanden zu bilden. Eine derartige Konstruktion ermöglicht, die zwischen den bipolaren Platten befindlichen Komponenten "Software" der Brennstoffzelle in einem einzelnen Aufbau zu kombinieren, und anschließend würde der Stapel dadurch zusammengebaut, dass derartige Aufbauten zwischen gekühlte flache Platten angeordnet werden. Auf diese Art und Weise können Faktoren wie Stapelkompression und Kontaktwiderstand weiter gesteuert und optimiert werden.
Überdies werden, da die Stege 66 der bipolaren Platten 56 direkt mit den nicht katalytischen Gebieten 86 der Anode 52 und Kathode 54 in Kontakt stehen, die ebenfalls elektrisch leitend sind, wenn ein Brennstoffstrom aus reinem H₂ oder Wasserstoffreformat über die elektrochemisch aktiven Gebiete 84 der Anode 52 verteilt wird, Elektronen, die durch die Wasserstoffoxidationsreaktion erzeugt werden, eine kurze Distanz seitlich durch die elektrochemisch aktiven Gebiete 84 an die benachbart angeordneten elektrisch leitenden Gebiete 86 geleitet. Da die Stege 66 der bipolaren Platte 56 direkt mit den elektrisch leitenden Gebieten 86 der Anode 52 in Kontakt stehen, wird die elektrische Leitfähigkeit gefördert und gesteigert. Protonen (H⁺), die aus der Anodenreaktion erzeugt werden, kombiniert mit Wasser aus dem feuchten Brennstoffstrom gelangen durch die elektrochemisch aktiven Gebiete 84 an das ionenleitende Element 50 und durch die Kathode 54.
Ein Strom aus O₂ oder Umgebungsluft, der Sauerstoff enthält, wird über die elektrochemisch aktiven Gebiete 84 der Kathode 54 verteilt. Der Sauerstoff ist einer Reduktionsreaktion ausgesetzt, und die Elektronen, die erzeugt werden, werden auch seitlich eine kurze Distanz durch die elektrochemisch aktiven Gebiete 84 an die benachbarten elektrisch leitenden Gebiete 86 geleitet. Der reduzierte Sauerstoff reagiert dann mit den Protonen von der Anode 52, und es wird flüssiges Wasser erzeugt.
Es sei zu verstehen, dass sich, da die elektrochemisch aktiven Gebiete 84 im Wesentlichen den Nuten 68 entsprechen oder mit diesen ausgerichtet sind und Breiten besitzen, die kleiner als die Breiten der Nuten 68 sind, Wasser, das aus der elektrochemischen Reaktion der Brennstoffzelle erzeugt wird, bevorzugt nicht an den Stegen 66 bildet und im Wesentlichen auf die Nuten 68 eingegrenzt ist. Demgemäß steht das Wasser in den Nuten 68 in Kontakt mit dem Hochgeschwindigkeitsluftstrom, der das Wasser über Konvektion von der Brennstoffzelle entfernt. Ein möglicher Weg zum Aufbringen des Materials des Strömungsverteilungsnetzwerks auf entweder die bipolare Platte 56 oder die Diffusionsmedien 36 und 38 besteht darin, eine "Direktschreib"-Technik 80 zu verwenden, die eine dünne Düsenspitze 82 verwendet, um Fluide über einen breiten Bereich von Beschichtungsbreiten und -dicken aufzubringen (7). Ein Hersteller dieses Typs von Vorrichtung ist MicroPen, Inc., der ein Tochterunternehmen von Ohmcraft, Inc. in Honeoye Falls, NY ist. Die Verwendung einer derartigen Direktschreibtechnik 80 ermöglicht, Zeilen der leitenden Pasten mit engen Toleranzen zu schreiben. Genauer erzeugt die Direktschreibtechnik 80 Linien (Stege 66), die eine Breite im Bereich von 0,635 mm bis 6,35 mm mit Räumen (Nuten 68) so dünn wie 0,0127 mm mit Toleranzen von +/– 0,00635 mm haben können. Überdies kann die Direktschreibtechnik 80 die Stege 66 von einer Dicke von 0 bis 0,254 mm pro Durchgang mit Toleranzen von +/– 0,000635 mm aufbringen und mit Geschwindigkeiten von 1,27 mm bis 12,7 cm pro Sekunden schreiben. Ferner erlaubt eine derartige Technik das Beschichten von Materialien von im Wesentlichen beliebiger Viskosität von Wasser (0,001 Ns/m²) bis Kitt (>100 Ns/m²). Mit einer derartigen weit reichenden Fähigkeit zur Beschichtung mit im Wesentlichen jeder Fluidviskosität wird ein großer Spielraum bei der Konstruktion von Materialpaketen gewährt, die dazu verwendet werden können, die vorher erwähnten Stege 66 der Strömungsfelder 57 zu bilden. Es sei auch angemerkt und zu verstehen, dass das Design des Beschichtungsmusters in den MicroPen von einer elektronischen Zeichnung eingegeben werden kann. Daher kann die Erzeugung komplizierter Muster, die Nuten 68 von Strömungsfeldplatten oder anderen Geometrien von Interesse entsprechen, beispielsweise einfach durch Laden einer zugeordneten AutoCad-Zeichnung erreicht werden.
Noch weiter kann aufgrund der Fähigkeit des MicroPens, Fluide mit einem breiten Bereich physikalischer Eigenschaften zu beschichten, das Material, das dazu verwendet wird, die Strömungsfelder 57 zu formen (4 und 5), "fein abgestimmt" werden, um spezifische funktionelle Anforderungen zu erfüllen. Beispielsweise besitzt, um die herkömmlichen Strömungsfelder 57 zu ersetzen, die in den bipolaren Platten (beispielsweise durch spanabhebendes Bearbeiten, Prägen, Ätzen) ausgebildet sind, das beschichtete Material Eigenschaften, wie eine hohe elektrische wie auch thermische Leitfähigkeit, um eine Elektronenübertragung an die gekühlte flache Platte 56 zu fördern und effektiv Wärme von der Zelle zu übertragen. Überdies kann das Material fein abgestimmt sein, um einen Elastizitätsgrad vorzusehen, der einen Kontaktwiderstand verringert, eine Kompressionslast reduziert und den Stapelzusammenbau wesentlich weniger empfindlich gegenüber Ungleichförmigkeiten in der aufgebrachten Kompressionslast bei der Verwendung von Endplatten 10 und 12 und/oder einer Randkompression macht.
Ein bevorzugtes Verfahren zum Anordnen des Strömungsfeldes 57 besteht darin, die Direktschreibtechnik 80 in Verbindung mit einem so genannten Abziehlagenverfahren zu verwenden, wie es in der Technik gut bekannt ist. Bei dem Abziehlagenverfahren wird eine Aufschlämmung der leitenden Partikel, des Polymerbinders und eines Gusslösemittels gleichmäßig über einen Teflonrohling aufgebracht. Der Teflonrohling wird dann in einem Ofen gebacken und anschließend auf ein Substrat heißgepresst. Der Teflonrohling wird dann von dem Substrat abgezogen, und die leitenden Partikel, die in dem Polymerbinder dispergiert sind, bleiben zurück.
Für die Zwecke des Aufbringens des Strömungsfeldes 57 der vorliegenden Erfindung auf entweder eine bipolare Platte 56 oder Diffusionsmedien 36 und 38 wird die Direktschreibtechnik 80 verwendet, um eine Aufschlämmung des leitenden Materials auf die Teflonrohlinge mit den gewünschten Breiten und Dicken in dem gewünschten Muster für die Stege 66 des Strömungsfeldes 57 aufzubringen. Eine beispielhafte Aufschlämmung für die Zwecke der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise etwa 20% Ruß, etwa 20% Polymerbinder, 30% Isopropylalkohol und 30% Wasser umfassen. Nachdem die Aufschlämmung auf die Teflonrohlinge in dem gewünschten Muster aufgebracht worden ist, werden die Rohlinge im Ofen bei 80°C für 5 Minuten getrocknet. Die Teflonrohlinge werden dann auf eine Fläche der bipolaren Platte 56 oder der Diffusionsmedien 36 und 38 bei einer Temperatur von 146°C und einem Druck von 400 psig (= 27,579 bar) heißgepresst. Anschließend werden die Teflonrohlinge entfernt, und das Strömungsfeld 57 verbleibt an der bipolaren Platte 56 oder den Diffusionsmedien 36 und 38.
Es sei zu verstehen, dass, obwohl das oben beschriebene Verfahren bevorzugt ist, die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Beispielsweise kann eine Anzahl von Direktschreibvorrichtungen gleichzeitig verwendet werden, um das Strömungsfeld 57 anzuordnen. 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, das Strömungsfeld 57 direkt auf der bipolaren Platte 56 oder dem Diffusionsmedium 36 und 38 mit der Direktschreibtechnik 80 aufzutragen.
Ferner umfassen andere Verfahren zum Anordnen des Strömungsfelds 57 auf der bipolaren Platte 56 oder dem Diffusionsmedium 36 und 38 ein Extrusionsverfahren oder ein Maskierungsverfahren. In Bezug auf das Extrusionsverfahren kann eine Aufschlämmung der leitenden Partikel und des Polymerbinders auf einen teflonierten Rohling in einem gewünschten Muster ähnlich der Direktschreibtechnik 80 extrudiert und dann auf die bipolare Platte 56 oder die Diffusionsmedien 36 und 38 heißgepresst werden oder direkt auf die bipolare Platte 56 oder die Diffusionsmedien 36 und 38 extrudiert werden. Bei einem derartigen Verfahren kann die Dicke und Breite der Nuten 68 des Strömungsfelds 57 auch unabhängig gesteuert werden.
Bei dem Maskierungsverfahren kann eine Maskierung mit dem gewünschten Strömungsfeldmuster über entweder dem teflonierten Rohling, der bipolaren Platte 56 oder den Diffusionsmedien 36 und 38 angeordnet werden und anschließend die Aufschlämmung aus leitenden Partikeln und Polymerbinder auf die Oberfläche mit einer Walze aufgewalzt werden. Ferner kann die Aufschlämmung durch ein Zugstangenverfahren oder ein anderes Verfahren zum Aufbringen der Aufschlämmung, das in der Technik bekannt ist, aufgebracht werden. Nachdem die Aufschlämmung gemäß dem gewählten Verfahren aufgebracht worden ist, wird die Maskierung entfernt und die Stege 66 des Strömungsfelds 57 bleiben zurück.
Es sei zu verstehen, dass bei jeder der oben erwähnten Anwendungen die Dicke oder Höhe der Stege 66 des Strömungsfelds 57 variieren kann. Dies bedeutet, jede der Komponenten der Brennstoffzelle wird über die Zelle hinweg variierenden Drücken unterzogen, und zwar aufgrund dessen, da jede Komponente aus variierenden Dicken und Abmessungsflächen besteht. Somit variieren auch die Kompressionsdrücke über die Zelle. Vor der Aufbringung des Strömungsfelds 57 auf entweder die bipolare Platte 56 oder die Diffusionsmedien 36 und 38 können diese Bereiche variierender Drücke mit verschiedenen Testverfahren bestimmt werden. Sobald diese Bereiche bestimmt sind, kann die Dicke der Stege 66 des Strö mungsfelds 57 entlang der Oberfläche der bipolaren Platte 56 oder der Diffusionsmedien 36 und 38 variiert werden, um die Drücke an entsprechenden Punkten mit verringertem oder erhöhtem Druck in der Zelle auszugleichen oder zu übertragen. Beispielsweise kann in Bereichen, in denen die Stapelkompression als relativ niedrig bekannt ist (was zu einem lokal hohen Kontaktwiderstand führt), die Dicke der beschichteten Stege 66 in diesem Gebiet größer gemacht werden. Umgekehrt kann in Bereichen, in denen die Stapelkompression als relativ hoch bekannt ist (was zu einem lokal niedrigen Kontaktwiderstand führ) die Dicke der beschichteten Stege 66 in diesem Gebiet dünner gemacht werden. Auf eine solche Art und Weise können der Kontaktwiderstand und die Stapelkompression über die Brennstoffzelle hinweg gleichförmig gehalten werden, um eine optimale Leistungsfähigkeit und Langlebigkeit zu fördern.

Claims

Brennstoffzelle mit: einer Membranelektrodenanordnung (50, 52, 54) mit einem ionenleitenden Element (50) und zumindest einer Elektrode (52, 54), die an dem ionenleitenden Element (50) angeordnet ist; und einem elektrisch leitenden Element benachbart der Elektrode (52, 54), das eine Hauptfläche mit einem Strömungsfeldmuster aufweist, das darauf durch Stege (66) definiert gemustert ist, wobei die Stege (66) leitende Partikel umfassen, die in einem Binder dispergiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (52, 54) eine Vielzahl von abwechselnden katalytischen Gebiet (84) und nicht katalytischen Gebieten (86) aufweist, wobei die Stege (66) des elektrisch leitenden Elements mit den nicht katalytischen Gebieten (86) der Elektrode (52, 54) zusammenfallen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die leitenden Partikel elektrisch leitend sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die leitenden Partikel thermisch leitend sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die leitenden Partikel aus der Gruppe gewählt sind, die Ruß, Graphit, Gold und Platin umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der Binder aus der Gruppe gewählt ist, die Polyimid, Polyester und Epoxydharz umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das elektrisch leitende Elementeine Platte, insbesondre eine bipolar Platte (56) umfasst, die die Hauptfläche aufweist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 6, wobei die Platte aus einem Material gebildet ist, das aus der Gruppe gewählt ist, die Metall-, Verbund- und Polymermaterialien umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das Strömungsfeld eine Vielzahl von Stegen (66) umfasst, die eine Vielzahl von Nuten (68) dazwischen definieren, und die Stege (66) des Strömungsfeldes 50 Prozent leitende Partikel und 50 Prozent Binder umfassen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei Höhe von zumindest zweien der Stege (66) zwischen Gebieten der Hauptfläche des elektrisch leitenden Elements variiert.
Brennstoffzelle nach Anspruch 9, wobei die Höhe zwischen Gebieten der Hauptfläche gemäß einer Kompressionskraft, die an dem jeweiligen Gebiet ausgeübt wird, variiert.
Brennstoffzelle nach Anspruch 11, wobei die Höhe in einem ersten Gebiet, das unter relativ hoher Kompressionskraft steht, niedriger ist, und die Höhe in einem zweiten Gebiet, das unter relativ niedriger Kompressionskraft steht, höher ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 9, wobei eine Variation des Kontaktwiderstands zwischen den Gebieten durch die zwischen den Gebieten variierende Höhe minimiert ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das Strömungsfeldmuster durch ein auf die Etauptfläche aufgebrachtes Material ausgebildet ist.
Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle, umfassend, dass: ein elektrisch leitendes Fluidverteilungselement durch Aufbringen von elektrisch leitendem Material auf zumindest zwei voneinander beabstandeten Gebieten einer Oberfläche eines leitenden Substrats geformt wird, wodurch Stege (66) in den Gebieten ausgebildet werden; und eine Membranelektrodenanordnung (50, 52, 54) und das Fluidverteilungselement benachbart zueinander angeordnet werden, um eine Brennstoffzellenanordnung zu bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranelektrodenanordnung (50, 52, 54) eine Elektrode (52, 54) umfasst, die eine Vielzahl von abwechselnden katalytischen Gebieten (84) und nicht katalytischen Gebieten (86) aufweist, wobei die Elektrode (52, 54) und das leitenden Substrat derart relativ zueinander ausgerichtet werden, dass die Stege (66) des leitenden Substrats mit den nicht katalytischen Gebieten (86) der Elektrode (52, 54) zusammenfallen.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Formen durch ein Direktschreibverfahren, ein Extrusionsverfahren, ein Maskierungsverfahren und/oder ein Abziehlagenübertragungsverfahren ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Aufbringen durch Variieren einer Höhe von zumindest einem der Stege (66) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das elektrisch leitende Material in einem Binder dispergierte leitende Partikel umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die leitenden Partikel aus der Gruppe gewählt sind, die Ruß, Graphit, Gold und Platin umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Binder aus der Gruppe gewählt ist, die Polyimid, Polyester und Epoxydharz umfasst.