DE112005001131B4

DE112005001131B4 - Brennstoffzellenanordnung

Info

Publication number: DE112005001131B4
Application number: DE112005001131.3T
Authority: DE
Inventors: Youssef M. Mikhail; Gayatri Vyas
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2004-05-20
Filing date: 2005-04-25
Publication date: 2018-05-17
Anticipated expiration: 2025-04-26
Also published as: CN1989643A; JP5089387B2; CN100565989C; WO2005117173A3; US20050260484A1; DE112005001131T5; JP2007538370A; WO2005117173A2; US8101319B2

Abstract

Ein elektrisch leitendes Fluidverteilungselement zur Verwendung in einer Brennstoffzelle weist ein leitendes nichtmetallisches poröses Medium auf, das eine Fläche besitzt, wobei ein elektrisch leitendes Metall entlang einem oder mehrerer metallisierter Gebiete abgeschieden ist. Die metallisierten Gebiete sind so angeordnet, dass sie mit einer Membranelektrodenanordnung (MEA) in einer Brennstoffzellenanordnung in Kontakt stehen, und verbessern somit eine elektrische Leitung an Kontaktgebieten zwischen der MEA und den Fluidverteilungsmedien.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Brennstoffzellen sind als eine Energiequelle für Elektrofahrzeuge und andere Anwendungen vorgeschlagen worden. Eine bekannte Brennstoffzelle ist die PEM-(d.h. Protonenaustauschmembran-)Brennstoffzelle, die eine so genannte MEA („Membranelektrodenanordnung“) mit einem dünnen Festpolymermembranelektrolyt aufweist, der eine Anode auf einer Seitenfläche und eine Kathode auf der entgegengesetzten Seitenfläche besitzt. Die Anode und Kathode umfassen typischerweise fein geteilte Kohlenstoffpartikel, sehr fein geteilte katalytische Partikel, die an den Innen- und Außenflächen der Kohlenstoffpartikel getragen sind, und protonenleitendes Material, das mit den katalytischen Partikeln und Kohlenstoffpartikeln vermischt ist. Die MEA ist schichtartig zwischen Gasdiffusionsmediumschichten und einem Paar elektrisch leitender Kontaktelemente angeordnet, die als Stromkollektoren für die Anode und Kathode dienen, die geeignete Kanäle und Öffnungen darin zur Verteilung der gasförmigen Reaktanden (d.h. H₂ und O_2/Luft) der Brennstoffzelle über die Flächen der jeweiligen Anode und Kathode enthalten.
Bipolare PEM-Brennstoffzellenstapel umfassen eine Vielzahl der MEAs, die in elektrischer Reihe aneinander gestapelt sind, während sie voneinander durch derartige Stromkollektorkontaktelemente getrennt sind, die ferner impermeable Separatorelemente sind, die als Bipolarplatten bekannt sind. Die Bipolarplatte besitzt zwei Arbeitsflächen, wobei eine der Anode einer Zelle gegenüberliegt und die andere der Kathode an der nächsten benachbarten Zelle in dem Stapel gegenüberliegt, und leitet elektrisch Strom zwischen den benachbarten Zellen. Kontaktelemente an den Enden des Stapels stehen nur mit den Endzellen in Kontakt und werden als Endplatten bezeichnet.
Elektrische Kontaktelemente werden oftmals aus elektrisch leitenden Metallmaterialien hergestellt. In einer H₂- und O2/Luft-PEM-Brennstoffzellenumgebung stehen die Bipolarplatten und anderen Kontaktelemente (beispielsweise Endplatten) in ständigem Kontakt mit stark sauren Lösungen (pH 3-5) und arbeiten in einer stark oxidierenden Umgebung, die auf ein Maximum von etwa +1V (gegenüber der Normalwasserstoffelektrode) polarisiert ist. An der Kathodenseite sind die Kontaktelemente Druckluft ausgesetzt und an der Anodenseite überatmosphärischem Wasserstoff ausgesetzt. Unglücklicherweise sind viele Metalle anfällig gegenüber Korrosion in der rauen PEM-Brennstoffzellenumgebung, und Kontaktelemente, die daraus hergestellt sind, lösen sich entweder (beispielsweise in dem Fall von Aluminium) oder bilden passivierende Oxidfilme mit hohem elektrischem Widerstand an ihrer Fläche (beispielsweise in dem Fall von Titan oder rostfreiem Stahl), die den Innenwiderstand der Brennstoffzelle erhöhen und deren Leistungsfähigkeit reduzieren. Ferner ist die Beibehaltung der elektrischen Leitfähigkeit durch das Gasdiffusionsmedium zu den Kontaktelementen von großer Wichtigkeit bei der Beibehaltung des Flusses von elektrischem Strom von jeder Brennstoffzelle.
Aus der WO 03/105254 A1 ist eine Brennstoffzellenanordnung bekannt, bei der auf einer Membranelektrodenanordnung ein Kohlenstoff-Diffusionspapier angeordnet ist, auf dem eine Dichtung und schließlich eine Bipolarplatte angeordnet ist. Dabei kann die Bipolarplatte beispielsweise aus einem beidseitig mit Edelmetall beschichteten Titanblech bestehen, wobei auf den beiden Edelmetallschichten jeweils ein Schaum aus Metall oder aus Kohlenstoff angeordnet ist.
In der EP 1 096 587 A1 wird eine Brennstoffzellenanordnung beschrieben, welche eine Polymerelektrolytmembran, eine darauf angeordnete katalytische Reaktionsschicht und eine Gasdiffusionsschicht umfasst, wobei zwischen der katalytischen Reaktionsschicht und der Gasdiffusionsschicht in die Gasdiffusionsschicht penetrierende elektrisch leitende Partikel vorgesehen sind. Bei den elektrisch leitenden Partikeln kann es sich um Kohlenstoffpartikel, Metallpartikel oder dergleichen handeln.
Es besteht ein Bedarf, elektrisch leitende Elemente vorzusehen, die eine elektrische Leitfähigkeit beibehalten, die raue Umgebung der Brennstoffzelle aushalten und den Gesamtbetriebswirkungsgrad einer Brennstoffzelle verbessern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung mit:

- einer Membranelektrodenanordnung (MEA), die eine elektrisch leitende Elektrode umfasst,
- einem impermeablen elektrisch leitenden Separatorelement und
- einem Fluidverteilungselement, wobei das Fluidverteilungselement eine Schicht aus elektrisch leitendem porösem Medium, das Kohlenstoff umfasst, umfasst, wobei auf einer Fläche der Schicht ein oder mehrere metallisierte Gebiete vorgesehen sind, welche ein elektrisch leitendes Metall umfassen, die mit der Elektrode der MEA in Kontakt stehen, und die der mit der Elektrode der MEA in Kontakt stehenden Fläche gegenüberliegende Fläche der Schicht des Fluidverteilungselements mit dem impermeablen elektrisch leitenden Separatorelement in Kontakt steht und ein oder mehrere metallisierte Gebiete aufweist, die ein elektrisch leitendes Metall umfassen, wobei zwischen dem einen oder mehreren metallisierten Gebieten der mit der Elektrode der MEA in Kontakt stehenden Fläche und dem einen oder mehreren metallisierten Gebieten der der mit der Elektrode der MEA in Kontakt stehenden Fläche gegenüberliegende Fläche der Schicht des Fluidverteilungselements jeweils von der MEA durch das poröse Medium zu dem Separatorelement führende elektrisch leitende Pfade ausgebildet sind.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoffzellenanordnung mit:

- einer Membranelektrodenanordnung (MEA), die eine erste elektrisch leitende Elektrode und eine zweite und entgegengesetzt elektrisch leitende Elektrode umfasst,
- einem impermeablen elektrisch leitenden Separatorelement,
- einem ersten Fluidverteilungselement, wobei das erste Fluidverteilungselement eine Schicht aus elektrisch leitendem porösem Medium, das Kohlenstoff umfasst, umfasst, wobei auf einer Fläche der Schicht ein oder mehrere metallisierte Gebiete vorgesehen sind, die ein elektrisch leitendes Metall umfassen, die mit der ersten Elektrode der MEA in Kontakt stehen, und die der mit der ersten Elektrode der MEA in Kontakt stehenden Fläche gegenüberliegende Fläche der Schicht des Fluidverteilungselements mit dem impermeablen elektrisch leitenden Separatorelement in Kontakt steht und ein oder mehrere metallisierte Gebiete aufweist, die ein elektrisch leitendes Metall umfassen, wobei zwischen dem einen oder mehreren metallisierten Gebieten der mit der ersten Elektrode der MEA in Kontakt stehenden Fläche und dem einen oder mehreren metallisierten Gebieten der der mit der ersten Elektrode der MEA in Kontakt stehenden Fläche gegenüberliegenden Fläche der Schicht des Fluidverteilungselements jeweils von der MEA durch das poröse Medium zu dem Separatorelement führende elektrisch leitende Pfade ausgebildet sind, und
- einem zweiten Fluidverteilungselement, wobei das zweite Fluidverteilungselement eine Schicht aus elektrisch leitendem porösem Medium, das Kohlenstoff umfasst, umfasst, wobei auf einer Fläche der Schicht ein oder mehrere metallisierte Gebiete vorgesehen sind, die ein elektrisch leitendes Metall umfassen, die mit der zweiten Elektrode der MEA in Kontakt stehen, und die der mit der zweiten Elektrode der MEA in Kontakt stehenden Fläche gegenüberliegende Fläche der Schicht des Fluidverteilungselements mit dem impermeablen elektrisch leitenden Separatorelement in Kontakt steht und ein oder mehrere metallisierte Gebiete aufweist, die ein elektrisch leitendes Metall umfassen, wobei zwischen dem einen oder mehreren metallisierten Gebieten der mit der zweiten Elektrode der MEA in Kontakt stehenden Fläche und dem einen oder mehreren metallisierten Gebieten der der mit der zweiten Elektrode der MEA in Kontakt stehenden Fläche gegenüberliegenden Fläche der Schicht des Fluidverteilungselements jeweils von der MEA durch das poröse Medium zu dem Separatorelement führende elektrisch leitende Pfade ausgebildet sind.

Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:

1 eine schematische Explosionsdarstellung eines PEM-Brennstoffzellenstapels (es sind nur zwei Zellen gezeigt) ist;
2 eine Explosionsansicht eines beispielhaften elektrisch leitenden Fluidverteilungselements ist, das mit PEM-Brennstoffzellenstapeln verwendbar ist;
3 eine teilweise Schnittansicht in der Richtung von 3-3 von 2 ist;
4 eine nicht maßstabsgetreue Seitenschnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer Brennstoffzellenanordnung der vorliegenden Erfindung ist, bei der die metallisierten Gebiete der gesamten Fläche der Schicht des porösen Mediums, die zu einer Membranelektrodenanordnung (MEA) weist, entsprechen;
5 eine vergrößerte Ansicht eines Schnitts von 4 ist;
6 eine nicht maßstabsgetreue Seitenschnittzeichnung ist, die eine alternative Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, die metallisierte Gebiete entlang der gesamten Fläche der Schicht des porösen Mediums, die zu einer MEA weist, und metallisierte Gebiete entlang einer gesamten Fläche des porösen Mediums, die zu Separatorplatten weist, umfasst;
7 eine nicht maßstabsgetreue detaillierte teilweise Seitenschnittansicht einer einzelnen Schicht aus porösem Medium benachbart einer MEA gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, die metallisierte Gebiete entlang der gesamten Fläche der Schicht des porösen Mediums, die zu einer MEA weist, und entlang einer Fläche des porösen Mediums, die zu Separatorplatten weist, aufweist, wobei die metallisierten Gebiete einzeln sind;
8 eine Darstellung einer Physical-Vapor-Deposition-Vorrichtung ist, die dazu verwendet wird, eine Fläche eines porösen Fluidverteilungsmediums mit einem elektrisch leitenden Metall zu metallisieren;
9 ein Diagramm ist, das eine Messung des Kontaktwiderstandes und der Spannung vergleicht, die durch eine Brennstoffzellenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung, die metallisierte Gebiete auf zwei entgegengesetzten Flächen einer Schicht aus porösem Medium (wobei eine Fläche zu einer MEA weist und eine gegenüberliegende Fläche zu Separatorplatten weist) aufweist, im Vergleich zu einer nicht beschichteten Platte aus 317L rostfreiem Stahl nach dem Stand der Technik erreicht wurden, die mit einem porösen Fluidverteilungsmedium nach dem Stand der Technik in Kontakt steht; und
10 ein Diagramm der Kontaktwiderstands- und Spannungswerte ist, die durch ein elektrisch leitendes Fluidverteilungselement gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht wurden, wobei die relative Feuchte des Kathodeneinlasses variiert ist, um die Gesamtzellenleistungsfähigkeit zu demonstrieren.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung betrifft ein stromleitendes Brennstoffzellenelement und insbesondere ein verbessertes Fluidverteilungsmediumelement zur Verwendung in einer Brennstoffzelle. Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung ist hier ein kurzer Hintergrund vorgesehen. 1 zeigt einen herkömmlichen 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 Bipolarplatte 8. Die MEAs 4 und 6 und die Bipolarplatte 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 Bipolarplatte 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. Nicht leitende Dichtungselemente 26, 28, 30 und 32 sehen Dichtungen wie auch eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellenstapels vor. Gaspermeable leitende Materialien sind typischerweise Kohlenstoff/Graphitdiffusionspapiere 34, 36, 38 und 40, die gegen die Elektrodenseitenflächen der MEAs 4 und 6 gepresst werden. Die Endkontaktelemente 14 und 16 werden gegen die Kohlenstoff/Graphitpapiere 34 bzw. 40 gepresst, während die Bipolarplatte 8 gegen das Kohlenstoff/Graphitpapier 36 auf der Anodenseite der MEA 4 und gegen 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 unter Verwendung eines Kompressors oder Gebläses an die Kathodenseite als eine Sauerstoffquelle und Wasserstoff an die Anode von einem Methanol- oder Benzinreformer oder dergleichen 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 50, 52 und 54 ist zur Lieferung von flüssigem Kühlmittel an die Bipolarplatte 8 und die Endplatten 14 und 16 vorgesehen. Es ist auch eine geeignete Verrohrung zum Austrag von Kühlmittel von der Bipolarplatte 8 und den Endplatten 14 und 16 vorgesehen, jedoch nicht gezeigt.
2 ist eine Explosionsdarstellung einer beispielhaften Bipolarplatte 56, die gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Die Bipolarplatte 56 umfasst eine erste Außenmetalltafel 58, eine zweite Außenmetalltafel 60 und eine Innenabstandshaltermetalltafel 62, die zwischen der ersten Metalltafel 58 und der zweiten Metalltafel 60 angeordnet ist. Die Außenmetalltafeln 58 und 60 sind so dünn wie möglich ausgebildet und können durch Prägen oder durch einen beliebigen anderen herkömmlichen Prozess zum Formen von Blech geformt werden. Die Außentafel 58 besitzt eine erste Arbeitsseitenfläche 59 an ihrer Außenseite, die einer Membranelektrodenanordnung (nicht gezeigt) gegenüberliegt und so ausgebildet ist, dass sie ein Strömungsfeld 57 vorsieht. Das Strömungsfeld 57 ist durch eine Vielzahl von Stegen 64 definiert, die dazwischen eine Vielzahl von Nuten 66 definieren, die das „Strömungsfeld“ bilden, durch das die Reaktandengase (d.h. H₂ oder O₂) der Brennstoffzelle in einem gewundenen Pfad von einer Seite 68 der Bipolarplatte zu ihrer anderen Seite 70 strömen. Wenn die Brennstoffzelle vollständig zusammengebaut ist, werden die Stege 64 gegen die aus porösem Material bestehenden Kohlenstoff/Graphitpapiere 36 oder 38 gepresst, die ihrerseits gegen die MEAs 4 und 6 gepresst werden. Der Einfachheit halber zeigt 2 nur zwei Gruppierungen aus Stegen und Nuten. In der Realität bedecken die Stege und Nuten die gesamten Außenseitenflächen der Metalltafeln 58 und 60, die mit den Kohlenstoff/Graphitpapieren 36 und 38 in Eingriff stehen. Das Reaktandengas wird an Nuten 66 von einem Verteiler 72 geliefert, der entlang einer Seite 68 der Brennstoffzelle liegt, und verlässt die Nuten 66 über einen anderen Verteiler 74, der benachbart der gegenüberliegenden Seite 70 der Brennstoffzelle liegt.
Wie am besten in 3 gezeigt ist, umfasst die Unterseite der Tafel 58 eine Vielzahl von Rippen 76, die dazwischen eine Vielzahl von Kanälen 78 definieren, durch die ein Kühlmittel während des Betriebs der Brennstoffzelle strömt. Wie in 3 gezeigt ist, liegt der Kühlmittelkanal 78 unter jedem Steg 64, während eine Reaktandengasnut 66 unter jeder Rippe 76 liegt. Alternativ dazu kann die Tafel 58 flach sein und das Strömungsfeld in einer separaten Materialtafel ausgebildet sein. Die Metalltafel 60 ist ähnlich der Tafel 58. Die Innenfläche 61 der Tafel 60 ist in 2 gezeigt. Diesbezüglich ist eine Vielzahl von Rippen 80 gezeigt, die dazwischen eine Vielzahl von Kanälen 82 definieren, durch die Kühlmittel von einer Seite 69 der Bipolarplatte zu der anderen 71 strömt. Ähnlich der Tafel 58, und wie am besten in 3 zu sehen ist, besitzt die Außenseite der Tafel 60 eine Arbeitsseitenfläche 63. Die Tafel 60 ist so ausgebildet, dass ein zweites Strömungsfeld 65 vorgesehen wird. Das zweite Strömungsfeld 65 ist durch eine Vielzahl von Stegen 84 darauf definiert, die eine Vielzahl von Nuten 86 definieren, die das zweite Strömungsfeld 65 bilden, durch das die Reaktandengase strömen.
Eine Innenmetallabstandshaltertafel 62 ist zwischen den Außentafeln 58 und 60 positioniert und weist eine Vielzahl von Öffnungen 88 darin auf, um zuzulassen, dass Kühlmittel zwischen den Kanälen 82 in der Tafel 60 und den Kanälen 78 in der Tafel 58 strömen kann, wodurch laminare Grenzschichten aufgebrochen werden und eine Turbulenz bewirkt wird, die einen Wärmeaustausch mit den Innenseitenflächen 90 und 92 der Außentafeln 58 bzw. 60 steigert. Somit bilden die Kanäle 78 und 82 jeweilige Kühlmittelströmungsfelder an dem Innenvolumen, das durch die Tafeln 58 und 60 definiert ist. Alternative Ausführungsformen (nicht gezeigt) umfassen zwei geprägte Platten, die durch einen Fügeprozess miteinander verbunden sind, um innere Kühlmittelströmungsfelder zu bilden.
In 4 umfasst eine Brennstoffzelle 99 eine Membranelektrodenanordnung (MEA) 100 ähnlich zu 6 von 1. Die MEA 100 umfasst eine Membran 102, die schichtartig zwischen zwei Elektroden 103 angeordnet ist. Eine Elektrode 103 ist eine Anode 104, und die entgegengesetzte Elektrode ist eine Kathode 106, die jeweils durch elektrisch leitendes Material eingegrenzt sind, das als „Diffusionsmedium“ oder poröses Fluidverteilungsmedium 107 bekannt ist, dessen Funktion analog zu 38 und 40 von 1 ist. Die Membran 102 sorgt für einen Ionentransport, um eine Reaktion in der Brennstoffzelle 99 zu erleichtern, und ist in der Technik gut als ein ionenleitendes Material bekannt. Die Elektroden 103 sehen einen Protonentransfer durch engen Kontakt zwischen jeder Elektrode 104, 106 und der Ionomermembran 102 vor, um einen im Wesentlichen kontinuierlichen Polymerkontakt für einen derartigen Protonentransfer vorzusehen. Die Elektroden 103 sind bevorzugt gut an die Membran 102 angehaftet.
Bei der vorliegenden Ausführungsform, die gezeigt ist, sind zwei Fluidverteilungsmediumschichten 107 an jeder Seite der MEA 100 vorgesehen. Eine erste Fluidverteilungsmediumschicht 120 liegt der Anode 104 gegenüber, und eine zweite Fluidverteilungsmediumschicht 122 liegt der Kathode 106 gegenüber. Die erste Fluidverteilungsmediumschicht 120 umfasst eine erste Fläche 124 und eine zweite Fläche 126, die der ersten Fläche 124 gegenüberliegt. Die zweite Fluidverteilungsmediumschicht 122 umfasst ähnlicherweise eine dritte Fläche 128 und eine entgegengesetzte vierte Fläche 130. Die erste Fluidverteilungsschicht 120 befindet sich benachbart der MEA 100, wobei die erste Fläche 124 der ersten Mediumschicht 120 der Anodenelektrode 104 gegenüberliegt und mit dieser in Kontakt steht. Die zweite Verteilungsschicht 122 befindet sich auch benachbart der MEA 100 entlang der entgegengesetzten Seite der Kathode 106, wobei die dritte Fläche 128 der zweiten Mediumschicht 122 der Kathode 106 gegenüberliegt und mit dieser in Kontakt steht. Die Fluidverteilungsschichten 107 stehen mit den jeweiligen Elektroden 103 in Kontakt, um ein oder mehrere elektrische Kontaktgebiete 129 zu bilden.
Jede Schicht 120, 122 des porösen Mediums ist zwischen der MEA 100 und einem Stromkollektorseparatorplattensubstrat (132 oder 134 funktionell analog zu 8 und 16 von 1) eingegrenzt oder schichtartig angeordnet. Die Schichten 107 des porösen Mediums dienen dazu, um (1) gasförmigen Reaktand über die gesamte Seitenfläche der MEA 100 zwischen und unter den Stegen 136 des Stromkollektors 132, 134 zu verteilen, und (2) Strom von der MEA 100 zu sammeln. Eine erste Fläche oder ein erstes Substrat (beispielsweise Bipolarplatte, wie 8 in 1 und 56 in 2) 138 der Separatorplatte 132 befindet sich benachbart zu einer zweiten Fläche 126 der ersten Fluidverteilungsmediumschicht 120 und steht mit dieser in Kontakt, und eine zweite Fläche 140 der Separatorplatte 134 befindet sich benachbart zu der vierten Fläche 130 der zweiten Fluidverteilungsmediumschicht 122 und steht mit dieser in Kontakt. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass das Fluidverteilungsmedium 107 und das erste und zweite Substrat 132, 134 aus elektrisch leitenden Materialien aufgebaut sind, und ein elektrischer Kontakt dazwischen an einem oder mehreren elektrischen Kontaktgebieten 144 hergestellt wird, wobei ein elektrisch leitender Pfad zwischen einer Substrattafel (132 oder 134) und dem entsprechenden porösen Medium 107 (120 oder 122) gebildet wird. Ferner ist es vorgesehen, dass der elektrische Kontakt ähnlicherweise durch das Volumen des porösen Mediums 107 und durch die elektrischen Kontaktgebiete 129 zu den Elektroden 103 hergestellt wird.
Bei elektrochemischen Brennstoffzellen 99 gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die elektrochemische Gesamtreaktion die Oxidation von Wasserstoff, um Wasser zu bilden. Die jeweiligen Reaktionen an der Anode (Reaktion 1) und Kathode (Reaktion 2) laufen wie folgt ab: H₂ ➙ 2 H⁺ + 2 e- (Reaktion 1) ½ O₂ + 2 H⁺ + 2 e^- ➙ H₂O (Reaktion 2) wobei der Reaktandenbrennstoff Wasserstoff ist und das Oxidationsmittel Sauerstoff umfasst (wie beispielsweise Luft). Die von der Reaktion an der Anode 104 freigesetzten Protonen wandern durch die MEA 100 an die Kathode 106 durch die Protonenaustauschmembran 102. In einer vereinfachten einzelnen Brennstoffzelle werden die an der Anode 104 freigesetzten Elektroden bevorzugt durch eine externe Schaltung (nicht gezeigt) geleitet, die mit der Kathode 106 verbunden ist und einen Strom erzeugt, wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist.
Die Protonenaustauschmembran (PEM) 102 ist eine kationenpermeable protonenleitende Festpolymermembran oder -tafel aus umgegossenem Ionomer mit H⁺-Ionen als dem mobilen Ion, wie es in der Technik bekannt ist. Eine breite Klasse von protonenleitenden Kationentauscherharzen ist das so genannte Sulfonsäurekationentauscherharz. Diese Ionentauschermembrane oder -tafeln sind in der Technik gut bekannt. Die bevorzugten Membrane 102 sind Polymerelektrolytmembrane aus perfluorierter Sulfonsäure, die kommerziell mit der Handelsbezeichnung NAFION® erhältlich sind, das von E.I. DuPont de Nemours & Co. vertrieben wird. Andere ähnliche Membrane werden von Asahi Glass and Asahi Chemical Company vertrieben.
Wie am besten in 5, einer detaillierten Ansicht eines Abschnitts von 4, zu sehen ist, ist jede der Elektroden 103 aus einer entsprechenden Gruppe fein geteilter Kohlenstoffpartikel 150 ausgebildet, die sehr fein geteilte katalytische Partikel 152 tragen, wobei ein protonenleitendes Material 154 mit den Partikeln 150 vermischt ist, die die Katalysatorpartikel 152 tragen. Es sei angemerkt, dass die Kohlenstoffpartikel 150, die die Anode 104 bilden, sich von den Kohlenstoffpartikeln 150 unterscheiden können, die die Kathode 106 bilden. Zusätzlich kann sich die Zusammensetzung und/oder Beladung des Katalysators 152 an der Anode 104 von der Beladung des Katalysators 152 an der Kathode 106 unterscheiden. Obwohl sich die Eigenschaften und die Beladung der Kohlenstoffpartikel 150 und des Katalysators 152 für die Anode 104 und die Kathode 106 unterscheiden können, ist der Grundaufbau der beiden Elektroden 103 ansonsten allgemein ähnlich. Um einen kontinuierlichen Pfad vorzusehen und damit H⁺ Ionen an den Katalysator 152 zur Reaktion zu leiten, wird das protonen-(kationen-)leitende Material 154 über jede der Elektroden 103 verteilt und ist mit den Kohlenstoff- und Katalysatorpartikeln 150, 152 vermischt und ist bevorzugt in einer Vielzahl der von den Kohlenstoffpartikeln 150 definierten Poren angeordnet. Demgemäß kann in 5 gesehen werden, dass das protonenleitende Material 154 Kohlenstoff- und Katalysatorpartikel 150, 152 einschließt. Zusätzlich sind der leitende Träger 150 und die Katalysatorpartikel 152 elektrisch leitend.
Mit allgemeinem Bezug auf die 4 und 5 arbeitet eine vereinfachte Brennstoffzelle 99 durch Übertragung von Elektronen aus der Wasserstoffaufspaltreaktion (Reaktion 1 oben) an der Anode 104 über eine externe Schaltung (nicht gezeigt) an die Kathode 106, wo die Rekombinierung von Elektronen mit H⁺ und O₂ über Reaktion 2 erfolgt, wie für Fachleute offensichtlich ist. Jedoch erfolgt in einem Stapel von Brennstoffzellen der Elektronentransfer durch jede Bipolarplatte (beispielsweise 132, 134), wo die Brennstoffzellen elektrisch miteinander gekoppelt und bevorzugt seriell verbunden sind, um eine große Potentialdifferenz über den Stapel zu erzeugen. Leitungen, die mit den Anschlussenden des Stapels der Brennstoffzellen verbunden sind, erzeugen eine externe Schaltung. Somit ist ein Faktor bei der Katalysatoraktivität der Elektrode 103 der effiziente Transfer von Elektronen an den Katalysator 152 (zusätzlich zu dem Sauerstoff- und Protonentransport). Daher sieht die vorliegende Erfindung einen reduzierten Kontaktwiderstand zwischen der Fluidverteilungsschicht 107 und den leitenden Partikeln 150 der Elektrode 103 vor, was somit in eine verbesserte Katalysatoraktivität durch einen verbesserten Elektronentransfer an die Katalysatorpartikel 152 umgesetzt wird.
Ferner betrifft ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ein Wassermanagement der Brennstoffzelle. Typischerweise wird Produktwasser in der Brennstoffzellenreaktion erzeugt und an der Kathode 106 abgewiesen, an der das Wasser typischerweise durch einfache Strömung oder durch Verdunstung entweicht. Jedoch können gegebenenfalls Mittel vorgesehen sein, um das Wasser zu sammeln, wenn es gebildet wird, um dieses von der Brennstoffzelle 99 wegzuführen. Ein gutes Wassermanagement in der Zelle erlaubt einen erfolgreichen Langzeitbetrieb der elektrochemischen Brennstoffzelle 99. Räumliche Variationen des Wassergehalts in der Membran 102 einer stromführenden Brennstoffzelle resultieren aus dem elektroosmotischen Mitreißen von Wasser mit dem Protonen-(H⁺)-Transport von der Anode 104 zu der Kathode 106, der Erzeugung von Wasser durch die Sauerstoffreduzierungsreaktion an der Kathode 104, Befeuchtungsbedingungen in dem Einlassgasstrom wie auch einer „Rückdiffusion“ von Wasser von der Kathode 106 an die Anode 104. Es sei angemerkt, dass für derzeit verwendete PEM-Membrane 102 bevorzugte Betriebsbedingungen, um einen optimalen Wirkungsgrad zu erreichen, eine relative Feuchte des Auslasses der Kathode 106 von 100 % oder größer besitzen. Bisher wurden, um diese Feuchte zu erreichen, die Reaktandenströme sowohl der Anode 104 als auch der Kathode 106 extern vor Eintritt in die Brennstoffzelle 99 befeuchtet, was eine Befeuchtungsausstattung erforderte. Wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist, ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung eine Reduzierung und/oder Beseitigung des Bedarfs nach externer Befeuchtung des Einlassstroms der Kathode 106 und/oder der Anode 104.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst das poröse Fluidverteilungsmedium 107 eine elektrisch leitende nichtmetallische Zusammensetzung. Erste Außenflächen 170 des Fluidverteilungsmediums 107 betreffen diejenigen Flächen (d.h. Flächen 126, 130) der ersten und zweiten Fluidverteilungsmediumschicht 120, 122, die mit den Substratelementtafeln 132, 134 in Kontakt stehen. Zweite Außenflächen 172 (d.h. 124, 128) des Fluidverteilungsmediums 120, 122 sind zu Hauptflächen 174 der MEA 100 ausgesetzt. Der hier verwendete Begriff „Hauptfläche“ betrifft eine Fläche eines Elements, die eine größere Abmessung oder Oberfläche besitzt, als andere Flächen des Elements, beispielsweise ein Element, das ein Aspektverhältnis einer größeren Breite zur Höhe besitzt, wobei die Oberfläche der Seite, die der Höhe (beispielsweise Dicke) des Elements entspricht, erheblich kleiner als die Oberfläche der Breite desselben Elements ist.
Das Fluidverteilungsmedium 107 ist bevorzugt hochporös (d.h. etwa 60 % - 80 %) und weist eine Vielzahl von Poren 176 auf, die in einem Körper 178 des Fluidverteilungsmediums 107 ausgebildet sind. „Etwa“ gibt, wenn es auf Werte angewendet ist, an, dass die Berechnung oder die Messung eine gewisse geringfügige Ungenauigkeit des Wertes zulässt (beispielsweise mit einer gewissen Annäherung an eine Exaktheit des Wertes; ungefähr oder vernünftig nahe an dem Wert; nahezu). Wenn aus irgendeinem Grund die Ungenauigkeit, die durch „etwa“ vorgesehen wird, in der Technik mit dieser gewöhnlichen Bedeutung nicht anderweitig verständlich ist, dann gibt „etwa“, wie hier verwendet ist, eine mögliche Variation von bis zu 5 % des Wertes an. Die Vielzahl von Poren 176 umfasst eine Vielzahl von Innenporen 180 und Außenporen 182, die zueinander offen sind und kontinuierliche Strömungspfade oder -kanäle 184 durch den Körper 178 hindurch bilden, die von einer ersten Außenfläche 170 zu der zweiten Außenfläche 172 des Fluidverteilungsmediums 107 verlaufen. Innenporen 180 sind in dem Volumen oder Körper 178 des Fluidverteilungsmediums 107 angeordnet, und Außenporen 182 enden an der Fläche, beispielsweise 170 oder 172 der Verteilungsmediumschicht 107. Die hier verwendeten Begriffe „Pore“ und „Poren“ betreffen Poren mit verschiedenen Größen, die so genannte „Makroporen“ (Poren mit einem Durchmesser von größer als 50 nm), „Mesoporen“ (Poren mit einem Durchmesser zwischen 2 nm und 50 nm) und „Mikroporen“ (Poren mit einem Durchmesser von 2 nm) enthalten, sofern es nicht anders angegeben ist, und der Begriff „Porengröße“ betrifft einen durchschnittlichen oder mittleren Wert, der die Durchmessergrößen sowohl der Innen- als auch Außenporen umfasst. Es ist bevorzugt, dass die durchschnittliche Porengröße äquivalent zu einem Radius von größer als etwa 2 µm und kleiner als etwa 30 µm ist. Da diese Öffnungen innen in dem Körper 178 der Fluidverteilungsmediumschichten 107 (beispielsweise 120, 122) angeordnet sind, werden die Flächen der Öffnungen als innere Flächen 186 oder das Mediuminnere bezeichnet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das nichtmetallische leitende Fluidverteilungsmedium 107 Kohlenstoff. Ein derartiges Fluidverteilungsmedium 107 ist in der Technik gut bekannt und umfasst bevorzugt Kohlefaser oder Graphit. Das poröse Fluidverteilungsmedium 107 kann als Papier, Gewebe, Vlies, Faser oder Schaum hergestellt sein. Ein derartiges bekanntes poröses Fluidverteilungsmedium 107 umfasst ein Graphitpapier mit einer Porosität von etwa 70 Vol.-% und eine nicht komprimierte Dicke von etwa 0,17 mm, das von der Toray Company mit der Handelsbezeichnung Toray TGPH-060 kommerziell erhältlich ist. Bei bevorzugten Brennstoffzellenanordnungen wird Toray TGPH-060 auf der Anodenseite 104 verwendet. Ein anderes bevorzugtes poröses Fluidverteilungsmedium 107 besitzt eine Porosität von etwa 70 Vol.-% und ist 0,26 mm dick und kommerziell mit der Handelsbezeichnung TGPH-090 von der Toray Company erhältlich. Es ist bevorzugt, dass ein derartiges Fluidverteilungsmedium 107 dadurch vorbehandelt wird, dass die zu der MEA 100 weisende Seite auf eine Enddicke von 0,17 mm geschliffen wird, wo sie an der Kathodenseite 106 angeordnet wird. Reaktandenfluide werden an die MEA 100 über die Fluidströmungskanäle 184 in der ersten und zweiten Schicht 120, 122 des porösen Mediums geliefert, wo die elektrochemischen Reaktionen auftreten und elektrischen Strom erzeugen.
Bevorzugte Aufbaumaterialien für die Separatorplattensubstrate 132, 134 umfassen leitende Metalle, wie beispielsweise rostfreien Stahl, Aluminium und Titan. Bei bevorzugten Ausführungsformen ist das Material des Separatorelements 132, 134 elektrisch leitend und kann Metalloxide bilden, wenn es Sauerstoff ausgesetzt ist. Die bevorzugtesten Aufbaumaterialien für die Separatorplattensubstrate 132, 134 sind rostfreier Stahl mit höherer Güte, der eine hohe Beständigkeit gegenüber Korrosion in der Brennstoffzelle aufweist, wie beispielsweise 316L, 317L, 256 SMO, Carpenter 20, Inconel 601, Alloy 276 und Alloy 904L.
Ein elektrischer Kontakt durch einen elektrisch leitenden Pfad an den Kontaktgebieten 129 ist von dem relativen elektrischen Kontaktwiderstand an einer Schnittstelle der Flächen (beispielsweise 172 bis 174) der in Kontakt stehenden Elemente (107 und 103) abhängig. Obwohl ein nichtmetallisches Fluidverteilungsmedium 107 aufgrund seiner Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit, physikalischen Haltbarkeit in einer Brennstoffzellenumgebung und seines niedrigen elektrischen Volumenwiderstands bevorzugt ist, hat sich herausgestellt, dass die Schnittstelle zwischen dem nichtmetallischen Fluidverteilungsmedium 107 mit entweder den Elektroden 103 oder den Metallsubstraten 132, 134 zu einem erhöhten elektrischen Kontaktwiderstand an der Schnittstelle aufgrund der Verschiedenheit der jeweiligen Materialien beitragen kann. Beispielsweise wird angenommen, dass die molekulare Wechselwirkung zwischen einem Metall (beispielsweise Substratfläche 138, 140 oder Katalysatorpartikel 152 in der Elektrode) und Nichtmetallmaterialien an derartigen Schnittstellen den Kontaktwiderstand aufgrund von Unterschieden der jeweiligen Oberflächenenergien und anderen molekularen und physikalischen Wechselwirkungen erhöhen kann. Insbesondere sieht die vorliegende Erfindung einen reduzierten elektrischen Widerstand (d.h. eine erhöhte elektrische Leitfähigkeit und daher gesteigerten Elektronentransfer) von der Schnittstelle der Elektrodenfläche 174 zu der Fläche 172 der Fluidverteilungsmediumschicht 107 im Vergleich zu einem elektrischen Widerstand eines vergleichbaren porösen Mediums vor, das aus demselben Material aufgebaut ist, jedoch nicht metallisierte elektrische Kontaktgebiete mit einer ähnlichen MEA aufweist. Bei alternativen bevorzugten Ausführungsformen sieht die vorliegende Erfindung ferner eine Gesamtreduzierung des elektrischen Widerstands der Brennstoffzellenanordnung durch Reduzierung des elektrischen Gesamtwiderstandes der verschiedenen zusammengebauten Komponenten der Brennstoffzelle 99 über einen reduzierten Widerstand an Schnittstellen mit beiden Flächen 170, 172 der Fluidverteilungsmediumschichten 107, die der MEA 100 bzw. den Separatorelementsubstraten 132, 134 gegenüberliegen, vor.
Somit sieht die vorliegende Erfindung ein leitendes Metall vor, das an den Außenflächen 181 der Poren 176 des porösen nichtmetallischen Fluidverteilungsmediums 107 beschichtet ist, um metallisierte Gebiete 188 zu bilden. Die metallisierten Gebiete 188 werden entlang der zweiten Außenflächen 172 der Schicht 107 des porösen Mediums ausgebildet, die den Hauptflächen 174 der MEA-Elektroden 103 gegenüberliegt. Die metallisierten Gebiete 188, die in der Fluidverteilungsmediumschicht 107 an der zweiten Außenfläche 172 integriert sind, haben gezeigt, dass der Kontaktwiderstand im Vergleich zu Fluidverteilungsmediumschichten dauerhaft verringert ist, die keine Metallbeschichtung oder metallisierte Gebiete aufweisen. Es ist bevorzugt, dass der Kontaktwiderstand an der Schnittstelle der Elektroden 103 mit den metallisierten Gebieten 188 des elektrisch leitenden Fluidverteilungselements 107 der vorliegenden Erfindung kleiner als 30 mOhm-cm² und bevorzugter kleiner als 15 mOhm-cm² ist. Obwohl die Art und Weise, in der die vorliegende Erfindung arbeitet, nicht beschränkt werden soll, wird angenommen, dass die leitenden metallisierten Gebiete 188 an der Kontaktfläche 172 des Fluidverteilungsmediums 107 eine verbesserte elektrische Schnittstelle an den Kontaktgebieten 129 vorsehen, indem eine elektrisch besser leitende Schnittstelle (über die metallisierten Gebiete 188) vorgesehen wird, und dies ferner durch Kontakt ähnlicherer Materialien (d.h. Katalysatormetalle 152) mit entsprechend ähnlichen molekularen und physikalischen Eigenschaften (beispielsweise Oberflächenenergien) beeinflusst werden kann. Somit sieht die vorliegende Erfindung eine gesteigerte elektrische Leitfähigkeit vor, und kann folglich erlauben, die Beladung des Katalysators 152 in den Elektroden 103 durch eine derartige verbesserte elektrische Leitfähigkeit zu verringern und daher Herstellkosten für die Brennstoffzellenanordnung 99 zu reduzieren.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung sind die metallisierten Gebiete 188 ultradünn und entlang der zweiten Außenfläche 172 des Fluidverteilungsmediums 107 aufgebracht. „Ultradünne“ Schichten aus leitendem Metall, die in den metallisierten Gebieten 188 aufgetragen sind, betreffen allgemein Dicken von weniger als etwa 40 nm und am bevorzugtesten weniger als 15 nm. Die Dicke der metallisierten Gebiete 188 beträgt bevorzugt weniger als etwa 10 nm, bevorzugter zwischen etwa 2 bis etwa 10 nm und am bevorzugtesten zwischen etwa 5 und etwa 10 nm entlang der Fläche 172 benachbart der Elektroden 103 der MEA 100. Es ist experimentell herausgefunden worden, dass ein optimales Wassermanagement (bei dem ausreichend Wasser gehalten wird, um eine Befeuchtung der Membran 102 zuzulassen, während die Elektroden 103 nicht geflutet werden) bei bestimmten Ausführungsformen dem entspricht, bei dem die Dicke des metallisierten Gebietes 188 an Schichten 107 des porösen Mediums entlang der Kathodenseite 106 der MEA 100 zwischen etwa 5 und etwa 10 nm liegt.
Es ist bevorzugt, dass die metallisierten Gebiete 188 elektrisch leitend, oxidationsbeständig und säurebeständig sind, und bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen umfasst das elektrisch leitende Metall, das das metallisierte Gebiet bildet, eine Verbindung, die ein Edelmetall enthält, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus: Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Palladium (Pd), Silber (Ag), Iridium (Ir), Platin (Pt), Osmium (Os) und Mischungen daraus besteht. Derartige Verbindungen können elementare Formen des leitenden Metalls umfassen oder können leitende Verbindungen aus Metallnitriden, Metalloxiden und Metallcarbiden umfassen. Andere bevorzugte Metalle für die metallisierten Gebiete 188 weisen diejenigen auf, die Chrom (Cr), Titan (Ti) oder Zinn (Sn) umfassen. Elektrisch leitende Verbindungen, die derartige Metalle umfassen, enthalten beispielsweise Chromnitrid (CrN), dotiertes Zinnoxid (SnO) und dotiertes Titanoxid (TiO). Ein am stärksten bevorzugtes leitendes Metall für die metallisierten Gebiete 188 umfasst Gold (Au). Wie für Fachleute offensichtlich ist, kann die leitende Metallzusammensetzung Mischungen der oben bezeichneten Metalle umfassen.
Bei der in 4 gezeigten Ausführungsform umfasst sowohl die erste als auch die zweite Fluidverteilungsschicht 120, 122, metallisierte Gebiete 188 an den zu der MEA 100 weisenden Flächen. Jedoch finden, während es nicht gezeigt ist, jedoch für Fachleute offensichtlich ist, alternative bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Anwendung auf eine Brennstoffzellenanordnung 99, die metallisierte Gebiete 188 auf nur einer der ersten oder zweiten Fluidverteilungsschichtfläche 124, 128, die zu der MEA 100 weist, besitzt, anstatt auf sowohl die erste als auch die zweite Fluidverteilungsschicht 120, 122 aufgebracht zu sein.
6 zeigt eine alternative bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Viele Aspekte der Brennstoffzellenanordnung 101 sind die gleichen, wie bei der vorhergehenden Ausführungsform, wie der, die in den 5 und 6 gezeigt ist. Die zweiten Flächen 172 der Fluidverteilungsschicht 107 aus porösem Medium umfassen bevorzugt dieselben metallisierten Gebiete 188, wie oben beschrieben ist, um den elektrischen Widerstand an den Kontaktgebieten 129 zwischen der Schicht 107 des porösen Mediums und den Elektroden 103 zu reduzieren. Jedoch ist bei der vorliegenden Ausführungsform die erste Außenfläche 170, die die Seite darstellt, die der zweiten Fläche 172 der Schicht 107 des porösen Mediums gegenüberliegt, zusätzlich mit einem leitenden Metall beschichtet, um ein oder mehrere metallisierte Gebiete 190 zu bilden. Die metallisierten Gebiete 190 der Flächen 126, 130 der jeweiligen Schichten 120, 122 aus porösem Medium stehen bevorzugt mit den Metallsubstraten 132, 134 in Kontakt, um die elektrischen Kontaktgebiete 144 zu bilden. Es wird angenommen, dass die metallisierten Gebiete 188, 190 und am bevorzugtesten 190 an dem porösen Fluidverteilungsmedium 107 eine noch gleichmäßigere Verteilung von elektrischem Strom durch den Körper 178 des Mediums 107 vorsehen, wenn sich der Strom den diskreten und nicht kontinuierlichen Kontaktgebieten 144 annähert, die mit den Stegen 136 der Strömungsfeldausgestaltung an den Separatorplattensubstraten 132, 134 in Verbindung stehen.
Bei einer alternativen bevorzugten Ausführungsform, bei der die erste Außenfläche 170 metallisierte Gebiete 190 umfasst, ist es bevorzugt, dass die Dicke der metallisierten Gebiete kleiner als 80 nm, bevorzugt kleiner als 50 nm ist und am bevorzugtesten zwischen etwa 2 bis etwa 10 nm liegt. Bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die Dicke der metallisierten Gebiete 190 kleiner als die oder gleich der Tiefe von zwei Atommonoschichten des Metalls, das für die Beschichtung 190 gewählt ist. Wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist, können sich die bevorzugten Dicken der jeweiligen metallisierten Gebiete 188, 190 abhängig von der Anwendung unterscheiden, und die gewünschten Dicken stehen sowohl mit elektrischer Leitfähigkeit als auch gewünschten Brennstoffzellenbetriebsbedingungen, einschließlich eines Wassermanagements, in Verbindung. Jedoch ist das elektrisch leitende Metall der metallisierten Gebiete 190 bevorzugt aus denselben Zusammensetzungen gewählt, die oben für die metallisierten Gebiete 188 beschrieben sind. Ähnlicherweise können die leitenden Metalle der metallisierten Gebiete 188 und 190 unabhängig voneinander gewählt sein oder können dieselbe Zusammensetzung umfassen, die das bzw. dieselben elektrisch leitende(n) Metall(e) enthält.
Es ist bevorzugt, dass die leitenden metallisierten Gebiete 188, 190 die Außenflächen 181 der Außenporen 182 und die Flächen 186 der Innenporen 180 bedecken und sich in den Körper 178 des Fluidverteilungsmediums 107 bis zu einer Tiefe von zumindest etwa 2 bis etwa 10 nm von jeweiligen Flächen 170 oder 172 erstrecken.
7 zeigt eine andere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die die MEA 100 und eine Hälfte der Brennstoffzellenanordnung 111 zeigt. Wie für Fachleute angemerkt sei, kann die vorliegende Ausführungsform auch entlang beider Seiten der MEA 100 verwendet werden, um die Brennstoffzellenanordnung 111 zu bilden. Die MEA 100 umfasst dieselben Elemente, wie bei den vorherigen Ausführungsformen beschrieben ist, die zwei Elektroden 103 und eine Membran 102 enthalten. Das Fluidverteilungsmedium 107a umfasst eine erste Fläche 170a und eine zweite Fläche 172. Die zweite Fläche 172, die zu der Hauptfläche 174 der MEA 100 weist, besitzt metallisierte Gebiete 188 bevorzugt an elektrischen Kontaktgebieten 129, die auf dieselbe Weise wie vorherige Ausführungsformen ausgebildet sind.
Die zweite Fläche 170a des Fluidverteilungsmediums 107a umfasst diskrete metallisierte Gebiete 190a des porösen Mediums 107, die elektrisch leitenden Kontaktgebieten 144 der Außenfläche 170a entsprechen, und die nicht metallisierten Gebiete 194 entsprechen den elektrisch nicht leitenden Gebieten. Die elektrisch leitenden Gebiete 190a weisen diejenigen Bereiche auf, die mit Stegen 136 in Kontakt stehen und den elektrisch leitenden Pfad an den Kontaktgebieten 144 herstellen. Bei vorher beschriebenen Ausführungsformen, wie der in 6, bedecken die metallisierten Gebiete 190 vollständig die kontinuierliche Außenfläche 170, was eine gleichmäßigere Stromverteilung in den Körper 178 des porösen Mediums 107 unterstützt. Bei der Ausführungsform von 7 mit diskreten metallisierten Gebieten 190a, die elektrisch aktiven Kontaktgebieten 144 entsprechen, sind die elektrisch nicht leitenden und nichtmetallisierten Gebiete 194 der Außenflächen 170 bedeckt oder maskiert, während das leitende Metall der metallisierten Gebiete 190a aufgebracht wird. Eine Maskierung ist ein beliebiges Material, das auf ein Substrat aufgebracht wird und während der Beschichtungsaufbringung stabil bleibt. Oftmals werden Maskierungsmaterialien gewählt, um eine Rückgewinnung oder Rückführung der Metalle, die über der Maskierung während des Abscheidungsprozesses abgeschieden werden, zu ermöglichen, und sind in der Technik gut bekannt. Bevorzugte Maskierungsmaterialien, die mit der vorliegenden Erfindung kompatibel sind, umfassen beispielsweise Metalle, wie rostfreien Stahl und Titan oder silizium- und aluminiumoxidbasierte Keramiken.
Eine Vielzahl von Abscheidungsverfahren kann verwendet werden, um die leitenden Metallzusammensetzungen aufzubringen, die die metallisierten Gebiete (beispielsweise 188, 190, 190a) des Fluidverteilungsmediums 107 bilden. Ein bevorzugtes Verfahren zum Abscheiden des leitenden Metalls der metallisierten Gebiete 188, 190 auf das poröse Fluidverteilungsmedium 107 wird nun unter Bezugnahme auf 8 beschrieben. Um das leitende Metall auf dem Substrat abzuscheiden, wird ein ionenunterstütztes Physical-Vapor-Deposition-(PVD)-Verfahren verwendet.
In 8 wird einen ionenunterstützte PVD-Vorrichtung 236 verwendet, um die leitende Metallzusammensetzung der metallisierten Gebiete 188, 190 aufzubringen. Die Vorrichtung 236 weist eine Abscheidungskammer 238 und zwei Elektronenkanonen A und B zur Abscheidung der Metallbeschichtung auf. Die Vorrichtung 236 weist auch eine Turbopumpe auf, die erlaubt, dass die Vorrichtung in einem ultrahohen Vakuum betrieben werden kann. Das mit dem leitenden Metall zu beschichtende Substrat wird zunächst in einer „Load-Lock-”Kammer 237 angeordnet, in der der Druck zwischen etwa 1,3 × 10^-3 Pa bis 1,3 × 10^-4 Pa liegt. Das Substrat wird dann an die Abscheidungskammer 138 übertragen. Sobald das Substrat in der Kammer 238 angeordnet ist, wird der Druck auf etwa 1,3 x 10^-7 Pa auf etwa abgesenkt. Ein erster Schmelztiegel 240 in der Kammer hält das abzuscheidende Metall. Wenn eine Kombination aus Metallen oder Edelmetallen abgeschieden werden soll, wird ein zweites Metall von einem zweiten Schmelztiegel 242 gehalten. Beispielsweise enthält der erste Schmelztiegel 240 ein erstes Metall (beispielsweise Titan), das als eine erste Schicht abgeschieden wird, und der Schmelztiegel 242 enthält ein zweites Metall (beispielsweise Gold), das über der ersten Schicht abgeschieden wird und eine zweite Schicht bildet. Eine andere Option, die verfügbar ist, kann darin bestehen, eine Kombination von Metallen gleichzeitig abzuscheiden. Edelmetalle werden auf dem Substrat mit einer Geschwindigkeit von 0,10 nm/s bis zu einer Dicke von weniger als 80 nm abgeschieden, was durch Dickenüberwachungseinrichtungen beobachtet wird, die in der Technik bekannt sind. Die metallisierten Gebiete 188, 190, 190a können leitendes Metall aufweisen, das auf dem Substrat bei ultraniedrigen Dicken von weniger als 80 nm, bevorzugt weniger als 40 nm und am bevorzugtesten zwischen etwa 2 bis etwa 10 nm abgeschieden ist. Wenn das metallisierte Gebiet 188, 190 eine Dicke von zumindest etwa 2 nm besitzt, ist es bevorzugt, dass die Beladung 0,02 mg/cm² beträgt. Es ist mit dem vorliegenden Prozess möglich, eine nur sehr dünne Schicht (d.h. eine ultradünne Schicht in der Größenordnung von 2-20 nm) zu beschichten, wodurch eine relativ gleichförmige und gute Oberflächenbedeckung und gute Anhaftung erreicht wird. Somit erlaubt die Verwendung der ionenunterstützten PVD-Vorrichtung 236, dass das elektrisch leitende Metall auf dem Substrat sehr glatt, gleichmäßig und in einer dünnen Schicht abgeschieden werden kann.
Ein anderes bevorzugtes PVD-Verfahren, das ebenfalls für die vorliegende Erfindung geeignet ist, während es nicht gezeigt ist, ist das Magnetronsputtern, bei dem ein Metalltarget (das leitende Metall für die metallisierten Gebiete 188, 190, 190a) mit einer Sputterkanone in einer Argonionenatmosphäre beschossen wird, während das Substrat geladen ist. Die Sputterkanone bildet ein Plasma von Metallpartikeln und Argonionen, die durch Impuls übertragen werden, um das Substrat zu beschichten. Andere bevorzugte Verfahren zum Aufbringen einer Metallbeschichtung 188, 190, 190a gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen eine Elektronenstrahlverdampfung, bei der das Substrat in einer Vakuumkammer (zwischen etwa 1,3 × 10^-1 Pa bis 1,3 × 10^-2 Pa) enthalten ist und ein Metallverdunstungsmittel durch einen geladenen Elektronenstrahl erhitzt wird, wobei es verdunstet und dann an dem Targetsubstrat kondensiert. Das leitende Metall der metallisierten Gebiete 188, 190, 190a kann auch durch Elektroplattieren bzw. Galvanisieren (beispielsweise elektrolytische Abscheidung), elektroloses Plattieren, Chemical Vapor Deposition oder Impulslaserabscheidung aufgebracht werden.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sehen einen niedrigen Kontaktwiderstand über die Separatorplattensubstrate 132, 134 durch das poröse Medium 107, das die metallisierten Gebiete 188, 190, 190a aufweist, zu der MEA 100 vor. Es ist bevorzugt, dass der Kontaktwiderstand über eine gesamte Brennstoffzelle (von Separatorplatte zu Separatorplatte) kleiner als 100 mOhm/cm² (mΩ/cm²) und bevorzugter kleiner als 80 mΩ/cm² ist, wobei sich die Brennstoffzelle unter Kompressionskraft befindet. Ferner erfordern die elektrisch leitenden Substratelemente 132, 134 gemäß bestimmter bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung keine Entfernung einer Passivierungsschicht (d.h. Metalloxidschicht) von den metallischen Separatorplattensubstraten 132, 134 entlang von Kontaktflächen 138, 140 vor ihrem Einbau in die Brennstoffzellenanordnungen (beispielsweise 99, 101, 111) der vorliegenden Erfindung. Allgemein erzeugt ein Metallsubstrat 132, 134, das eine Oxidschicht aufweist, die mit einer nichtmetallischen Fluidverteilungsschicht (ohne metallisierte Gebiete 190) in Kontakt steht, einen unzulässig hohen elektrischen Kontaktwiderstand. Somit weisen Verfahren nach dem Stand der Technik zur Entfernung der Oxidschicht eine Vielzahl von Verfahren auf, wie eine kathodische elektrolytische Reinigung, mechanisches Schleifen, Reinigen des Substrats mit alkalischen Reinigern und Ätzen mit sauren Lösemitteln oder Beizlösungen. Die Beseitigung der Notwendigkeit zum Entfernen der Metalloxide von den Kontaktflächen 138, 140 der metallischen Separatorplatte 132, 134 ist somit gemäß der bestimmten bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung optional.
Somit enthält ein bevorzugter Aspekt der vorliegenden Erfindung die Verwendung des Separatorelementsubstrats 132, 134, das rostfreien Stahl umfasst, wobei die Substratfläche 132, 134 nicht die intensive Entfernung einer Passivierungsschicht von der Kontaktfläche 138, 140 erfordert, wie in der Schrift US 2005-0100774 A1 offenbart ist. Die verbesserte elektrische Leitfähigkeit an der Schnittstelle an den Kontaktgebieten 144, die durch die Beschichtung 190 der metallisierten Gebiete an dem porösen Medium 107 vorgesehen wird, erlaubt die Verwendung von Metallen in den Separatorelementsubstraten 132, 134, die eine natürlich auftretende Oxidschicht an der Kontaktfläche 138, 140 besitzen. Daher beseitigt die vorliegende Erfindung den teuren und zeitaufwendigen Vorbearbeitungsschritt zur Entfernung von einem Teil oder im Wesentlichen den gesamten Metalloxiden von der Kontaktfläche 138, 140 der Metallsubstrate 132, 134 oder vereinfacht diesen erheblich. Ferner besitzen rostfreie Stähle mit höheren Güten, die vorher beschrieben wurden, eine hohe Korrosionsbeständigkeit und können somit ohne jegliche weitere Schutzbehandlung aufgrund ihrer Fähigkeit, die korrosive Umgebung in der Brennstoffzelle auszuhalten, verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung ist auch zur Verwendung mit Separatorplattenelementsubstraten 132, 134 geeignet, die mit elektrisch leitenden Schutzbeschichtungen beschichtet sind, die eine Korrosionsbeständigkeit für das darunter liegende Metallsubstrat 132, 134 vorsehen. Derartige Beschichtungen können Schichten einer oxidations- und korrosionsbeständigen Metallbeschichtung 190 (beispielsweise Au, Ag, Pt, Pd, Ru, Rh, Ir, Os und Mischungen daraus) oder korrosionsbeständige elektrisch leitende Polymermatrizen umfassen, die allgemein oxidationsbeständige Polymere umfassen, die in einer Matrix elektrisch leitender korrosionsbeständiger Partikel dispergiert sind, wie in der Technik bekannt ist. Die Schutzbeschichtungen besitzen bevorzugt einen spezifischen elektrischen Widerstand von kleiner als etwa 50 Ohm-cm (Ω-cm) und umfassen eine Vielzahl oxidationsbeständiger säureunlöslicher leitender Partikel (d.h. weniger als etwa 50 Mikrometer), die über eine säurebeständige oxidationsmittelbeständige Polymermatrix verteilt sind, wobei das Polymer die Partikel aneinander bindet und diese an der Fläche 138, 140 des Metallsubstrats 132, 134 hält. Die Beschichtung enthält ausreichend leitende Füllstoffpartikel, um einen spezifischen elektrischen Widerstand von nicht größer als etwa 50 µOhm-cm zu erzeugen, und besitzt eine Dicke zwischen etwa 5 µm und etwa 75 µm abhängig von der Zusammensetzung, dem spezifischen elektrischen Widerstand und der Integrität der Beschichtung. Vernetzte Polymere sind zur Erzeugung impermeabler Beschichtungen bevorzugt, die die darunter liegende Metallsubstratfläche vor einer Permeation korrosiver Mittel schützen.
Bevorzugt sind die leitenden Füllstoffpartikel aus der Gruppe gewählt, die umfasst: Gold, Platin, Graphit, Kohlenstoff, Nickel, leitende Metallboride, -nitride und -carbide (beispielsweise Titannitrid, Titancarbid, Titandiborid), Titan in Legierung mit Chrom und/oder Nickel, Palladium, Niob, Rhodium, Seltenerdmetalle und andere Edelmetalle. Am bevorzugtesten umfassen die Partikel Kohlenstoff oder Graphit (d.h. hexagonal kristallisierten Kohlenstoff). Die Partikel umfassen variierende Gewichtsprozentsätze der Beschichtung abhängig von der Dichte und der Leitfähigkeit der Partikel (d.h. Partikel mit einer hohen Leitfähigkeit und geringer Dichte können in geringeren Gewichtsprozentsätzen verwendet werden). Kohlenstoff/graphithaltige Beschichtungen enthalten typischerweise 25 Gewichtsprozent Kohlenstoff/Graphitpartikel. Die Polymermatrix umfasst ein beliebiges wasserunlösliches Polymer, das in einen dünnen anhaftenden Film geformt werden kann und das die raue oxidative und saure Umgebung der Brennstoffzelle aushalten kann. Daher werden derartige Polymere, wie Epoxide, Polyamidimide, Polyetherimide, Polyphenole, Fluorelastomere (beispielsweise Polyvinylidenfluorid), Polyester, Phenoxyphenole, Epoxidphenole, Acryle und Urethane unter anderem als nützlich mit der vorliegenden Erfindung betrachtet. Bei einer derartigen Ausführungsform, bei der die Flächen 138, 140 mit einer Schutzbeschichtung bedeckt sind, umfassen die Metallsubstrate 132, 134 ein korrosionsanfälliges Metall, wie Aluminium, Titan oder rostfreien Stahl mit geringerer Güte, der mit einer korrosionsbeständigen Schutzbeschichtung beschichtet ist.
Bei bestimmten Ausführungsformen ist bevorzugt, dass die Kontaktflächen 138, 140 der Separatorelementmetallsubstrate 132, 134 im Wesentlichen rein sind, wobei lose anhaftende Schmutzstoffe vor Einbau in das elektrisch leitende Element entfernt werden. Eine derartige Reinigung dient typischerweise dazu, jegliche lose anhaftenden Schmutzstoffe zu entfernen, wie Öle, Fett, wachsige Feststoffe, Partikel (einschließlich Metallpartikel, Kohlenstoffpartikel, Staub und Schmutz), Siliziumdioxid, Zunder und Mischungen daraus. Viele Schmutzstoffe werden während der Herstellung des Metallmaterials hinzugefügt und können sich auch während des Transports oder der Lagerung an der Kontaktfläche 138, 140 ansammeln. Somit ist eine Reinigung der Kontaktfläche 138, 140 des Metallsubstrats 132, 134 insbesondere bei Umständen bevorzugt, wenn das Metallsubstrat 132, 134 mit Schmutzstoffen verunreinigt ist. Ein Reinigen des Metallsubstrats 132, 134 kann einen mechanischen Abrieb; Reinigen mit herkömmlichen alkalischen Reinigern, flächenaktiven Stoffen, leicht sauren Waschungen; oder Ultraschallreinigung erfordern. Die Auswahl des geeigneten Reinigungsprozesses oder der Abfolge von Reinigungsprozessen wird auf Grundlage sowohl der Beschaffenheit des Schmutzstoffs als auch des Metalls gewählt.
Nun werden experimentelle Einzelheiten bezüglich einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung detailliert beschrieben. Bei bestimmten bevorzugten Ausführungsform unterscheidet sich das Fluidverteilungsmedium für die Seiten der Anode 104 und der Kathode 106. Wie zuvor beschrieben wurde, wird Toray TGPH 060 bevorzugt für die Anodenseite 104 verwendet, das 0,17 mm dick ist, während das Verteilungsmedium der Kathodenseite 106 Toray TGPH 090 ist, das 0,26 mm dick ist. Es ist bevorzugt, dass das Toray TGPH 090 durch Beschichtung der Außenfläche mit Polytetrafluorethylen (PTFE) und dann Schleifen auf einer Seite bis zu einer Enddicke von 0,17 mm vorbehandelt wird. Gold wurde durch ionenunterstützte PVD auf beiden Typen von Toray-Fluidverteilungsmediumgraphitpapier abgeschieden. Bei dem ersten Experiment wurde Gold durch PVD auf dem Toraypapier durch ein Teer-Magnetronsputtersystem abgeschieden. Das Toraypapier wurde in die Vakuumkammer eingeführt, und als der Druck in der Vakuumkammer 6,7 mPa erreicht hat, wurde die Abscheidung von Au durchgeführt. Die Magnetrontargets waren 99,99 % reines Au. Die Au-Abscheidung wurde bei einem Vorspannpotential von -50 V unter Verwendung eines Stroms von 0,25 A für eine Minute durchgeführt, um eine Dicke einer Goldbeschichtung 130 von 10 nm zu erreichen. Au wurde mit einer Rate von 0,16 nm/s unter Verwendung eines Magnetronsputtersystems abgeschieden. Die Dicke der Proben wurde unter Verwendung einer Elektronstrahlmikroanalyse (EPMA) kalibriert. Die Abscheidungstemperatur betrug etwa 25°C bis etwa 30°C.
Wie in 9 gezeigt ist, wurden zwei Brennstoffzellenanordnungen für einen Leistungsvergleich hergestellt und analysiert. Probe 1 wurde gemäß der vorliegenden Erfindung durch Abscheidung metallisierter Gebiete auf zwei Seiten von zwei ähnlichen Schichten aus Toray-Diffusionsmedium hergestellt, wie bei dem oben beschriebenen Experiment. Das kathodenseitige Toray-Papier TGPH 090 wurde vor einer Metallabscheidung vorbehandelt, um diesem eine Hydrophobie zu verleihen, indem das Papier in Polytetrafluorethylen (PTFE) eingetaucht wurde und dann physikalisch eine Seite heruntergeschliffen wurde, um eine Enddicke von etwa 0,17 mm zu erreichen. Die mit PTFE beschichtete Seite steht mit dem Separatorelement (wie 134 von 6) in Kontakt, und die geschliffene Seite weist zu der MEA (wie 100 von 6). Ein ähnliches Toray-Diffusionsmedium TGPH 060 wurde mit metallisierten Gebieten auf zwei Seiten hergestellt. Die Fluiddiffusionsmedien wurden jeweils benachbart zu einer GORE MEA 5510 angeordnet und haben die GORE MEA 5510 schichtartig angeordnet, die 25 µm dick war und eine Katalysatorbeladung von 0,4 mg/cm² besaß, so dass die metallisierten Gebiete mit den MEA-Flächen in Kontakt standen. Jede Toraypapierschicht wurde durch impermeable Metallseparatorplatten (wie 132, 134 von 6) begrenzt, die aus nicht beschichtetem und nicht behandeltem 317L rostfreiem Stahl hergestellt waren. Die metallisierten Gebiete der Außenflächen jeder Toray-Diffusionsmediumschicht waren so angeordnet, dass sie mit der nicht behandelten Separatorplatte aus rostfreiem Stahl in Kontakt standen.
Die Kontrolle umfasst eine impermeable Separatorplatte nach dem Stand der Technik, die aus 317L rostfreiem Stahl ohne jegliche Beschichtungen oder Vorbehandlung aufgebaut ist. Die Brennstoffzelle wurde mit demselben Toray-Diffusionsmedium für die Anoden- und Kathodenseite, wie unmittelbar oben beschrieben wurde, zusammengebaut, jedoch besaß das Toraymedium keine metallisierten Gebiete. Jedes Toray-Diffusionsmedium war so angeordnet, dass es entgegengesetzte Seiten einer MEA schichtartig anordnete. Die Toray-Diffusionsmedien waren jeweils durch die nicht beschichteten und nicht behandelten Platten aus rostfreiem Stahl umgeben und standen mit diesen in Kontakt.
Der Kontaktwiderstand wurde in der Brennstoffzelle unter Verwendung eines Stromunterbrechungsverfahrens mit einer Scribner Associate Software gemessen. Die Kontaktwiderstandsmessungen wurden als Milliohm Quadratzentimeter (mΩ.cm²) über einen Zyklus einer angelegten Stromdichte über einen Bereich von 100, 300, 600, 800, 1000 und 1500 mA/cm² gemessen. Die Brennstoffzelle wurde mit einer Stöchiometrie von Wasserstoff zu Luft von 2/2 und einer Druckbeaufschlagung auf etwa 175 kPa betrieben und der Anodeneinlass besaß eine relative Feuchte von 100 % und der Kathodeneinlass wurde trocken betrieben (etwa 0 % relative Feuchte). Die Auslassfeuchte wurde als etwa (114 %) gemessen.
Wie aus den Daten beobachtet werden kann, ist der Gesamtzellenwiderstand von Probe 1 über den gesamten Zyklus des angelegten Stroms erheblich geringer als der der Kontrolle. Ferner war die Zellenspannung für Probe 1 über das Experiment hinweg größer und bei höherem angelegtem Strom (600-1000 mA/cm²) entsprechend typischen Brennstoffzellenbetriebsbedingungen wesentlich größer. Somit demonstrierte Probe 1 der vorliegenden Erfindung eine erhebliche Verbesserung hinsichtlich der Leistungsfähigkeit, indem sie ein höheres Spannungspotential und einen verringerten Widerstand über alle Bereiche eines angelegten Stroms aufwies, im Vergleich zu der Kontrolle nach dem Stand der Technik.
Somit sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Anordnung für eine Brennstoffzelle vor, das umfasst, dass ein elektrisch leitendes Metall auf einer Fläche eines elektrisch leitenden porösen Mediums abgeschieden wird, um ein oder mehrere metallisierte Gebiete zu bilden, die eine ultradünne Dicke besitzen. Die Fläche, die die metallisierten Gebiete aufweist, wird benachbart zu einer Elektrode der MEA positioniert. Die Elektrode steht mit der Fläche, die die metallisierten Gebiete aufweist, in Kontakt, um einen elektrisch leitenden Pfad zwischen dem Substrat und dem porösen Medium zu bilden.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung betrifft ein verbessertes Wassermanagement. Wie vorher beschrieben wurde, tritt die optimale Effizienz der Brennstoffzelle auf, wenn die Auslassfeuchte von der Kathode eine relative Feuchte von 100 % oder mehr besitzt. Die Beibehaltung eines ausreichenden Wassergehalts in der Brennstoffzelle, um ein Austrocknen der Membran zu verhindern, ist bei Betriebsabläufen typischerweise ein erhebliches Problem geworden, wodurch die Einlassströme sowohl der Anode als auch der Kathode befeuchtet werden, gewöhnlich bis zu einem Ziel von zumindest 100 %. Es wurde bei Tests entdeckt, dass, wenn die Probe mit metallisierten Gebieten entlang beider Seiten des Toray-Fluidverteilungsmediums (wie in Probe 1) hergestellt wurde und die Brennstoffzelle betrieben wurde, so dass sie eine typische Einlassfeuchte zu der Kathode von 100 % relativer Feuchte (was ein Standardziel für die Kathodeneinlassfeuchte ist) aufweist, die Brennstoffzelle mit überschüssigem Wasser überschwemmt und in einigen Fällen geflutet wurde. Somit reduziert entgegen dem bekannten Stand der Technik die vorliegende Erfindung den Bedarf nach einer externen Befeuchtung der Einlassreaktandenströme zu der MEA.
In 10 wurde Probe 1 bei verschiedenen Niveaus der relativen Feuchte des Kathodeneinlasses getestet, um die verbesserten Wassermanagementaspekte der vorliegenden Erfindung zu demonstrieren. Wie vorher beschrieben wurde, war die Brennstoffzellenanordnung, die verwendet wurde, so angeordnet, dass sie eine Gore MEA 5510 mit 0,4 mg/cm² Beladung von Pt-Katalysator aufwies, die durch Toraypapier schichtartig angeordnet wurde, das gemäß der vorliegenden Erfindung behandelt war, so dass es metallisierte Gebiete besaß, die an sowohl einer Innen- als auch einer Außenfläche angeordnet waren, die durch unbehandelte impermeable Substrate aus 317L rostfreiem Stahl begrenzt waren und sich in Kontakt mit diesen befanden. Die Brennstoffzelle wurde mit den folgenden Bedingungen betrieben: etwa 175 kPa, ein Stöchiometrieverhältnis von Wasserstoff zu Luft von 2/2. Bei allen Betriebsszenarien wurde der Anodeneinlass mit einer relativen Feuchte von 100 % betrieben. Die relative Feuchte des Kathodeneinlasses wurde in den folgenden Menge variiert: etwa 0 % (trockene Umgebungsbedingungen), 25 % und 50 %. Frühere Experimente bei einer relativen Feuchte des Kathodeneinlasses von 100 % demonstrierten unzulässige Flutungsbedingungen und wurden somit hier nicht getestet.
Ein trockener Kathodeneinlass von etwa 0 % relativer Feuchte zeigte die beste Leistungsfähigkeit mit einer Zellenspannung von 0,61 V bei einer Stromdichte von 1,5 mA/cm² im Vergleich zu lediglich 0,5 V bei einer relativen Feuchte des Kathodeneinlasses von 50 %. Somit wurde ein Abfall der Zellenleistungsfähigkeit von 200 mV durch Erhöhung der relativen Feuchte der Kathode von trocken auf 50 % beobachtet. Der Zellenwiderstand war ähnlicherweise gering und bleib unter 80 mOhm/cm² bei einer Stromdichte von 1,5 mA/cm² für alle Feuchtigkeitswerte. Über alle Werte der Feuchte des Kathodeneinlasses wurde die Kathodenaustrittsfeuchte gleichermaßen überwacht. Wie vorher erwähnt wurde, ist die Protonenleitfähigkeit durch die Membran am größten, wenn die Kathodenauslassfeuchte 100 % oder größer ist. Wie in 10 zu sehen ist, überschritt die relative Feuchte an dem Kathodenaustritt gut 100 % für alle Betriebsszenarien, und ihr geringster Wert war 114 %, wobei der Kathodeneinlass bei 0 % lag. Somit wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Membran unter günstigen Sättigungsbedingungen auf der Kathodenseite betrieben, während keine zusätzliche externe Befeuchtung notwendig ist.
Bei einigen Ausführungsformen nach dem Stand der Technik hat die Beschichtung des Metallsubstrats der Bipolarplatten, insbesondere der Substrate aus rostfreiem Stahl mit einer Schutzmetallbeschichtung eine hohe MEA-Kontamination erzeugt, was zu einer Vergiftung des Katalysators (und daher einer Katalysatorinaktivierung) oder einer Gesamtdeaktivierung des protonenleitenden Materials in der Membran und der Elektroden über die Lebensdauer der Brennstoffzelle führen kann. Jedoch trat bei Ausführungsformen, bei denen der rostfreie Stahl eine Passivierungsschicht aus Metalloxiden bildet, eine derartige Kontamination generell nicht auf. Somit ist ein zusätzlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung die optionale Verwendung einer nicht behandelten Separatorplatte aus rostfreiem Stahl, die eine MEA-Kontamination reduziert und somit das Potential einer Katalysatorvergiftung und Gesamtinaktivierung der Membran und der Elektroden reduziert.
Die vorliegende Beschreibung sieht ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle vor, das umfasst, dass ein elektrisch leitendes poröses Medium zwischen einer Membranelektrodenanordnung (MEA) und einem elektrisch leitenden Substrat positioniert wird. Das poröse Medium besitzt eine erste Fläche, die ultradünne metallisierte Gebiete aufweist, wobei die erste Fläche zu der MEA weist. Eine zweite Fläche weist zu dem leitenden Substrat. Die erste Fläche, die die metallisierten Gebiete aufweist, steht mit der MEA in Kontakt, und die zweite Fläche, die zu dem Substrat weist, bildet einen elektrisch leitenden Pfad von dem Substrat durch das poröse Medium zu der MEA. Der Kontakt wird allgemein dadurch erreicht, dass eine Kompressionskraft auf die Brennstoffzelle in einem zusammengebauten Brennstoffzellenstapel ausgeübt wird. In der MEA wird eine elektrochemische Reaktion ausgeführt, die Elektronen erzeugt. Somit umfasst das vorliegende Verfahren, das Elektronen zu oder von der MEA über den elektrisch leitenden Pfad geleitet werden, während die Brennstoffzelle in Betrieb ist.
Ein Reaktandenstrom wird in eine Kathodenseite der MEA eingeführt, während die Reaktion durchgeführt wird. Der Reaktandenstrom wird durch das leitende poröse Medium geliefert und erfordert bei bestimmten Ausführungsformen keine externe Befeuchtung. Bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besteht der Reaktandenstrom, der an eine Kathodenseite der MEA geliefert wird, im Wesentlichen aus Umgebungsluft, und die Umgebungsluft ist absichtlich nicht befeuchtet, oder bei der Alternative besitzt die Umgebungsluft eine relative Feuchte, die geringer ist als Umgebungsbedingungen.
Bei alternativen bevorzugten Ausführungsformen wird der Reaktandenstrom, der in die Kathodenseite der MEA für die Reaktion eingeführt wird, vor Eintritt in die MEA bei Bedingungen unterhalb der Sättigung extern befeuchtet. Bei bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besitzt der Reaktandenstrom, der an eine Kathodenseite der MEA eingeführt wird, einen Wassergehalt, der ein Niveau besitzt, das unterhalb der Sättigung liegt. Bei alternativen bevorzugten Ausführungsformen umfasst die zweite Fläche des porösen Mediums ferner ein oder mehrere metallisierte Gebiete, die ein elektrisch leitendes Metall umfassen, um den spezifischen elektrischen Widerstand zwischen dem Substrat und dem porösen Medium zu reduzieren. Wie für Fachleute angemerkt sei, kann das poröse Medium gemäß der vorliegenden Erfindung auf beiden Seiten der MEA angeordnet werden.
Leitende Elemente, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, sehen Brennstoffzellen mit einem hocheffizienten und optimierten Brennstoffzellenbetrieb vor. Die vorliegende Erfindung sieht eine verbesserte elektrische Schnittstelle zwischen dem nichtmetallischen porösen Fluidverteilungsmedium und den Elektroden der MEA vor, die den elektrischen Widerstand reduziert und die Katalysatoraktivität erhöht. Eine derartige erhöhte Katalysatoraktivität kann die Katalysatorbeladungsanforderungen in den Elektroden der MEA reduzieren und somit die Herstellkosten reduzieren. Zusätzlich verbessert das leitende poröse Fluidverteilungsmedium gemäß der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellenwassermanagement durch Beseitigung des Bedarfs nach externer Befeuchtung des Kathodeneinlassstromes, während eine angemessene Hydratation der Membran in der MEA beibehalten wird.
Ferner reduzieren alternative bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ähnlicherweise den elektrischen Widerstand zwischen dem nichtmetallischen porösen Fluidverteilungsmedium und dem Metallsubstrat des Separatorelements, um einen niedrigeren elektrischen Gesamtwiderstand über die Brennstoffzelle vorzusehen. Die metallisierten Gebiete der vorliegenden Erfindung sehen eine ultradünne leitende Metallbeschichtung vor, die die Fläche des porösen Fluidverteilungselements ausreichend bedeckt, um einen niedrigen Kontaktwiderstand für ein elektrisch leitendes Fluidverteilungselement vorzusehen, das die Gesamtleistungsfähigkeit einer Brennstoffzelle verbessert. Ferner ist die Dicke der Metallbeschichtung so, dass die Herstellkosten zum Fertigen eines elektrisch leitenden Fluidverteilungselements minimiert sind. Die Bearbeitungskosten werden weiter dadurch reduziert, dass der Schritt zum Entfernen von Metalloxiden von Metallsubstraten beseitigt wird, die eine elektrische Schnittstelle mit dem Fluidverteilungselement bilden. Die verbesserte elektrische Schnittstelle reduziert einen Kontaktwiderstand und unterstützt eine breitere und gleichmäßigere Stromverteilung, was den Betriebswirkungsgrad und die Gesamtlebensdauer der Membran und des Brennstoffzellenstapels erhöht.

Claims

Brennstoffzellenanordnung mit: - einer Membranelektrodenanordnung (MEA), die eine elektrisch leitende Elektrode umfasst, - einem impermeablen elektrisch leitenden Separatorelement und - einem Fluidverteilungselement, wobei das Fluidverteilungselement eine Schicht aus elektrisch leitendem porösem Medium, das Kohlenstoff umfasst, umfasst, wobei auf einer Fläche der Schicht ein oder mehrere metallisierte Gebiete vorgesehen sind, welche ein elektrisch leitendes Metall umfassen, die mit der Elektrode der MEA in Kontakt stehen, und die der mit der Elektrode der MEA in Kontakt stehenden Fläche gegenüberliegende Fläche der Schicht des Fluidverteilungselements mit dem impermeablen elektrisch leitenden Separatorelement in Kontakt steht und ein oder mehrere metallisierte Gebiete aufweist, die ein elektrisch leitendes Metall umfassen, wobei zwischen dem einen oder mehreren metallisierten Gebieten der mit der Elektrode der MEA in Kontakt stehenden Fläche und dem einen oder mehreren metallisierten Gebieten der der mit der Elektrode der MEA in Kontakt stehenden Fläche gegenüberliegende Fläche der Schicht des Fluidverteilungselements jeweils von der MEA durch das poröse Medium zu dem Separatorelement führende elektrisch leitende Pfade ausgebildet sind.
Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, wobei jedes der metallisierten Gebiete eine Dicke von kleiner als 10 nm aufweist.
Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, wobei jedes der metallisierten Gebiete eine Dicke von 5 nm bis 10 nm aufweist.
Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, wobei das elektrisch leitende Metall auf Flächen von Poren des porösen Mediums in den metallisierten Gebieten abgeschieden ist.
Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, wobei das poröse Medium aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus Papier, Gewebe, Vlies, Faser und Schaum besteht.
Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, wobei das elektrisch leitende Metall der metallisierten Gebiete ein Edelmetall umfasst.
Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, wobei die metallisierten Gebiete eine Verbindung des elektrisch leitenden Metalls umfassen.
Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, wobei die metallisierten Gebiete ein Metall umfassen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Ru, Rh, Pd, Ag, Ir, Pt, Os, Ti, Cr, Sn, Au und Mischungen daraus besteht.
Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, wobei das elektrisch leitende Metall Au umfasst.
Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, wobei das eine oder die mehreren metallisierten Gebiete die Fläche der Schicht bedecken.
Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, wobei die zu der Schicht weisende Fläche des Separatorelements mit einer Vielzahl von Nuten und Stegen gemustert ist, wobei die Stege in Kontakt mit dem einen oder den mehreren metallisierten Gebieten der Schicht stehen.
Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, wobei das Separatorelement Gebiete aus Metalloxiden aufweist, die entlang von Kontaktgebieten einer Separatorelementfläche ausgebildet sind, wobei die Kontaktgebiete dem einen oder den mehreren elektrisch leitenden Pfaden entsprechen.
Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, wobei jedes metallisierte Gebiet an der der mit der Elektrode der MEA in Kontakt stehenden Fläche gegenüberliegenden Fläche eine Dicke von kleiner als oder gleich 15 nm aufweist.
Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Elektrode ein protonenleitendes Material, eine Vielzahl von Katalysatorpartikeln und eine Vielzahl elektrisch leitender Partikel umfasst.
Brennstoffzellenanordnung mit: - einer Membranelektrodenanordnung (MEA), die eine erste elektrisch leitende Elektrode und eine zweite und entgegengesetzt elektrisch leitende Elektrode umfasst, - einem impermeablen elektrisch leitenden Separatorelement, - einem ersten Fluidverteilungselement, wobei das erste Fluidverteilungselement eine Schicht aus elektrisch leitendem porösem Medium, das Kohlenstoff umfasst, umfasst, wobei auf einer Fläche der Schicht ein oder mehrere metallisierte Gebiete vorgesehen sind, die ein elektrisch leitendes Metall umfassen, die mit der ersten Elektrode der MEA in Kontakt stehen, und die der mit der ersten Elektrode der MEA in Kontakt stehenden Fläche gegenüberliegende Fläche der Schicht des Fluidverteilungselements mit dem impermeablen elektrisch leitenden Separatorelement in Kontakt steht und ein oder mehrere metallisierte Gebiete aufweist, die ein elektrisch leitendes Metall umfassen, wobei zwischen dem einen oder mehreren metallisierten Gebieten der mit der ersten Elektrode der MEA in Kontakt stehenden Fläche und dem einen oder mehreren metallisierten Gebieten der der mit der ersten Elektrode der MEA in Kontakt stehenden Fläche gegenüberliegenden Fläche der Schicht des Fluidverteilungselements jeweils von der MEA durch das poröse Medium zu dem Separatorelement führende elektrisch leitende Pfade ausgebildet sind, und - einem zweiten Fluidverteilungselement, wobei das zweite Fluidverteilungselement eine Schicht aus elektrisch leitendem porösem Medium, das Kohlenstoff umfasst, umfasst, wobei auf einer Fläche der Schicht ein oder mehrere metallisierte Gebiete vorgesehen sind, die ein elektrisch leitendes Metall umfassen, die mit der zweiten Elektrode der MEA in Kontakt stehen, und die der mit der zweiten Elektrode der MEA in Kontakt stehenden Fläche gegenüberliegende Fläche der Schicht des Fluidverteilungselements mit dem impermeablen elektrisch leitenden Separatorelement in Kontakt steht und ein oder mehrere metallisierte Gebiete aufweist, die ein elektrisch leitendes Metall umfassen, wobei zwischen dem einen oder mehreren metallisierten Gebieten der mit der zweiten Elektrode der MEA in Kontakt stehenden Fläche und dem einen oder mehreren metallisierten Gebieten der der mit der zweiten Elektrode der MEA in Kontakt stehenden Fläche gegenüberliegenden Fläche der Schicht des Fluidverteilungselements jeweils von der MEA durch das poröse Medium zu dem Separatorelement führende elektrisch leitende Pfade ausgebildet sind.