DE19823880A1

DE19823880A1 - Bipolar plate for fuel cell arrangement

Info

Publication number: DE19823880A1
Application number: DE19823880A
Authority: DE
Inventors: James Lynn Davis
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1997-06-03
Filing date: 1998-05-28
Publication date: 1998-12-10
Also published as: SE9801942D0; GB9811462D0; FR2764122A1; GB2326017A; SE9801942L

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Brennstoff zellen, und insbesondere eine Bipolarplatte für Brennstoff zellen.The present invention relates generally to fuel cells, and in particular a bipolar plate for fuel cells.

Brennstoffzellen sind elektrochemische Zellen, bei denen eine Änderung der freien Energie, welche von einer Brennstoffoxi dationsreaktion herrührt, in elektrische Energie umgewandelt wird. Wie in Fig. 1 gezeigt, besteht eine typische Brenn stoffzelle 10 aus einer Brennstoffelektrode (Anode) 12 und einer Oxidationselektrode (Kathode) 14, welche durch ein io nenleitendes Elektrolyt 16 getrennt sind. Die Elektroden sind elektrisch über eine Last (wie z. B. eine elektronische Schal tung) 19 durch einen externen Schaltungsleiter verbunden. In dem Schaltungsleiter wird der elektrische Strom durch den Fluß von Elektronen getragen, wohingegen er im Elektrolyt durch den Fluß von Ionen getragen wird, wie z. B. dem Wasser stoffion (H⁺) in Säureelektrolyten oder dem Hydroxylion (OH⁻) in Alkalielektrolyten. In der Theorie kann eine beliebige Substanz, welche eine chemische Oxidation eingehen kann, wel che kontinuierlich zuführbar ist (wie z. B. ein Gas oder ein Fluid) galvanisch als der Brennstoff 11 an der Anode 12 einer Brennstoffzelle oxidiert werden. In ähnlicher Weise kann das Oxidationsmittel 13 ein beliebiges Material sein, welches mit einer hinreichenden Rate reduziert werden kann. Für speziali sierte Systeme können beide Reaktanden Flüssigkeiten sein, wie z. B. Hydrazin als Brennstoff und Wasserstoffperoxid oder Salpetersäure als Oxidationsmittel. Gasförmiger Wasserstoff ist bei den meisten Anwendungen der Brennstoff der Wahl, und zwar wegen seiner hohen Reaktivität in Gegenwart geeigneter Katalysatoren und wegen seiner hohen Energiedichte bei Spei cherung als kryogene Flüssigkeit, wie z. B. zur Verwendung im Raum. In ähnlicher Weise ist an der Brennstoffzellenkathode 14 das üblichste Oxidationsmittel gasförmiger Sauerstoff, welcher leicht und ökonomisch aus der Luft für Brennstoffzel len erhältlich ist, welche in terrestrischen Anwendungen be nutzt werden. Wenn gasförmiger Wasserstoff und Sauerstoff als Brennstoff und Oxidationsmittel verwendet werden, sind die Elektroden porös, um zu ermöglichen, daß die Gas-Elektrolyt-Verbindung so groß wie möglich ist. Die Elektroden müssen elektronische Leiter sein und die geeignete Reaktivität zur Erzielung signifikanter Reaktionsraten aufweisen. Die üblich sten Brennstoffzellen sind diejenigen der Wasserstoff- Sauerstoff-Vielfalt, welche ein Säureelektrolyt verwenden. An der Anode 12 ionisiert eintretendes Wasserstoffgas 11 zur Er zeugung von Wasserstoffionen und Elektronen. Da das Elektro lyt ein nicht-elektronischer Leiter ist, fließen die Elektro nen weg von der Anode über die metallische externe Schaltung. An der Kathode 14 reagiert Sauerstoffgas 13 mit den Wasser stoffionen, welche durch das Elektrolyt 16 laufen, und den eintretenden Elektronen von der externen Schaltung zur Erzeu gung von Wasser als Nebenprodukt. Abhängig von der Betriebs temperatur der Zelle kann das produzierte Wasser in das Elek trolyt gehen, es dadurch verdünnen und sein Volumen erhöhen oder über die Kathode als Dampf extrahiert werden. Die Gesam treaktion, welche in der Brennstoffzelle stattfindet, ist die Summe der Anoden- und Kathodenreaktionen; im vorliegenden Fall die Kombination von Wasserstoff mit Sauerstoff zur Er zeugung von Wasser, wobei ein Teil der freien Energie der Re aktion direkt als elektrische Energie freigesetzt wird. Die Differenz zwischen dieser verfügbaren freien Energie und der Reaktionswärme wird als Wärme auf der Temperatur der Brenn stoffzelle produziert. In jedem Fall ist ersichtlich, daß, solange Wasserstoff und Sauerstoff in die Brennstoffzelle eingeleitet werden, der Fluß des elektrischen Stroms durch den elektronischen Fluß in der externen Schaltung und den io nischen Fluß im Elektrolyt aufrechterhalten wird.Fuel cells are electrochemical cells in which a change in the free energy resulting from a fuel oxidation reaction is converted into electrical energy. As shown in FIG. 1, a typical fuel cell 10 consists of a fuel electrode (anode) 12 and an oxidation electrode (cathode) 14 , which are separated by an ion-conducting electrolyte 16 . The electrodes are electrically connected via a load (such as an electronic circuit) 19 through an external circuit conductor. In the circuit conductor, the electric current is carried by the flow of electrons, whereas in the electrolyte it is carried by the flow of ions, e.g. B. the water ion (H⁺) in acid electrolytes or the hydroxyl ion (OH⁻) in alkali electrolytes. In theory, any substance that can undergo chemical oxidation that is continuously deliverable (such as a gas or a fluid) can be galvanically oxidized as the fuel 11 at the anode 12 of a fuel cell. Similarly, the oxidant 13 can be any material that can be reduced at a sufficient rate. For specialized systems, both reactants can be liquids, such as. B. hydrazine as a fuel and hydrogen peroxide or nitric acid as an oxidizing agent. Gaseous hydrogen is the fuel of choice in most applications, because of its high reactivity in the presence of suitable catalysts and because of its high energy density when stored as a cryogenic liquid, such as, for. B. for use in the room. Similarly, on the fuel cell cathode 14, the most common oxidant is gaseous oxygen, which is easily and economically available from the air for fuel cells that are used in terrestrial applications. When gaseous hydrogen and oxygen are used as fuel and oxidant, the electrodes are porous to allow the gas-electrolyte connection to be as large as possible. The electrodes must be electronic conductors and have the appropriate reactivity to achieve significant reaction rates. The most common fuel cells are those of the hydrogen-oxygen variety that use an acid electrolyte. At the anode 12 entering hydrogen gas 11 ionized to generate hydrogen ions and electrons. Since the electrolyte is a non-electronic conductor, the electrons flow away from the anode via the metallic external circuit. At the cathode 14 , oxygen gas 13 reacts with the hydrogen ions that pass through the electrolyte 16 and the incoming electrons from the external circuit for generating water as a by-product. Depending on the operating temperature of the cell, the water produced can go into the electrolyte, thereby diluting it and increasing its volume, or it can be extracted as steam via the cathode. The total reaction that takes place in the fuel cell is the sum of the anode and cathode reactions; in the present case, the combination of hydrogen with oxygen to generate water, some of the free energy of the reaction being released directly as electrical energy. The difference between this available free energy and the heat of reaction is produced as heat at the temperature of the fuel cell. In any case, it can be seen that as long as hydrogen and oxygen are introduced into the fuel cell, the flow of the electric current is maintained by the electronic flow in the external circuit and the ionic flow in the electrolyte.

In der Praxis wird eine Anzahl von Brennstoffzellen gestapelt oder miteinander "verschachtelt", um eine Brennstoffzellenan ordnung zu bilden. Mit Bezug auf Fig. 2 wird die Anoden/Elek trolyt/Kathoden-Untereinheit typischerweise als eine "Elektrodenanordnung" (EA) bezeichnet. Die Kathode 24 einer ersten EA 20 ist typischerweise neben der Anode 22 einer fol genden EA 20' angeordnet, aber durch eine Bipolarplatte 25 getrennt. Beim Stand der Technik ist die Bipolarplatte typi scherweise Kohlenstoff, welcher wegen seiner einzigartigen Kombination von Eigenschaften ausgewählt wird; nämlich chemi scher Inertheit, elektrischer Leitfähigkeit, Festigkeit und der Verarbeitungsfähigkeit. Ein Netzwerk von Kanälen 27 wird typischerweise in der Bipolarplatte durch mechanische Bear beitung gebildet. Diese Nuten oder Kanäle sorgen für eine Verteilung des gasförmigen oder flüssigen Brennstoffs und Oxidationsmittels zur Anode und Kathode. Die Bipolarplatte bietet eine elektrische Verbindung von einer EA zu nächsten und dient ebenfalls zur Isolierung des Anodenbrennstoffs von dem Kathodenoxidationsmittel in benachbarten EAs. Zum weite ren Halten des Brennstoffs und Trennen desselben von dem Oxi dationsmittel muß eine Dichteinrichtung 28, wie z. B. ein O-Ring oder eine andere äußere Abdichtung, vorgesehen werden. Wie man leicht erkennt, sind die Herstellungskosten der Koh lenstoff-Bipolarplatte und der darauffolgende Einbau in die Brennstoffzellenanordnung signifikant aufgrund der Materiali en und der involvierten Arbeit. Demzufolge ist dies einer der Faktoren, welche die weitläufige Akzeptanz der Brennstoffzel len-Technologie verhindern. Eine kostengünstige Bipolarplatte wäre eine signifikante Bereicherung für das Gebiet.In practice, a number of fuel cells are stacked or "interleaved" with one another to form a fuel cell arrangement. With reference to FIG. 2, the anode / electrolyte / cathode subunit is typically referred to as an "electrode assembly" (EA). The cathode 24 of a first EA 20 is typically arranged next to the anode 22 of a folowing EA 20 ', but separated by a bipolar plate 25 . In the prior art, the bipolar plate is typically carbon, which is selected for its unique combination of properties; namely chemical inertness, electrical conductivity, strength and processability. A network of channels 27 is typically formed in the bipolar plate by mechanical processing. These grooves or channels ensure distribution of the gaseous or liquid fuel and oxidizing agent to the anode and cathode. The bipolar plate provides electrical connection from one EA to the next and also serves to isolate the anode fuel from the cathode oxidant in adjacent EAs. To continue ren holding the fuel and separating it from the oxi dationsmittel a sealing device 28 , such as. B. an O-ring or other outer seal can be provided. As can easily be seen, the manufacturing costs of the carbon bipolar plate and the subsequent installation in the fuel cell arrangement are significant due to the materials and the work involved. As a result, this is one of the factors that prevent widespread acceptance of fuel cell technology. An inexpensive bipolar plate would be a significant asset to the area.

Die Erfindung schafft eine Brennstoffzellenanordnung nach An spruch 1 bzw. 5. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The invention provides a fuel cell arrangement according to An saying 1 or 5. Preferred further developments are the subject of subclaims.

Im folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzug ter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert.In the following, the present invention is preferred based on ter embodiments with reference to the accompanying Drawings explained in more detail.

In den Figuren zeigen: The figures show:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer typischen Brennstoffzelle gemäß dem Stand der Technik; Figure 1 is a schematic representation of a typical fuel cell according to the prior art.

Fig. 2 eine schematische Querschnittsansicht einer Brenn stoffzelle gemäß dem Stand der Technik; Figure 2 is a schematic cross-sectional view of a fuel cell according to the prior art.

Fig. 3 eine schematische Querschnittsansicht einer Brenn stoffzellenanordnung in Übereinstimmung mit der Er findung; Fig. 3 is a schematic cross-sectional view of a fuel cell assembly in accordance with the invention;

Fig. 4 eine schematische Querschnittsansicht einer alter nativen Ausführungsform einer Brennstoffzellenan ordnung in Übereinstimmung mit der Erfindung; und Fig. 4 is a schematic cross-sectional view of an alternative alternative embodiment of a fuel cell arrangement in accordance with the invention; and

Fig. 5 eine schematische Querschnittsansicht einer weite ren Ausführungsform einer Brennstoffzellenanordnung in Übereinstimmung mit der Erfindung. Fig. 5 is a schematic cross-sectional view of a wide ren embodiment of a fuel cell assembly in accordance with the invention.

Die Brennstoffzellenanordnung hat thermoplastische Bipolar platten zwischen einer Anzahl von Elektrodenanordnungen zur Bildung eines Stapels eingebettet. Eine thermoplastische Bi polarplatte alterniert mit einer Elektrodenanordnung, so daß eine Seite der Platte neben der entsprechenden Oberfläche ei ner Anode der Elektrodenanordnung liegt und die andere Seite neben der entsprechenden Oberfläche einer Kathode in der be nachbarten Elektrodenanordnung liegt. Die thermoplastische Bipolarplatte ist in adhäsiver Art und Weise mit jeder der benachbarten Elektrodenanordnung verbunden, und zwar unter Abdichtung der Brennstoff- und Oxidationsmittelkanäle unter Eliminierung der Notwendigkeit von zusätzlichen Abdichtungen oder Dichtringen.The fuel cell assembly has thermoplastic bipolar plates between a number of electrode arrangements for Formation of a stack embedded. A thermoplastic bi polar plate alternates with an electrode arrangement, so that one side of the plate next to the corresponding surface ner anode of the electrode arrangement and the other side next to the corresponding surface of a cathode in the be neighboring electrode arrangement. The thermoplastic Bipolar plate is in an adhesive manner with each of the adjacent electrode arrangement connected, namely under Sealing the fuel and oxidant channels under Eliminate the need for additional seals or sealing rings.

Mit Bezug auf Fig. 3 besteht eine Brennstoffzellenanordnung aus einem Brennstoffzellenstapel mit mehr als einer Elektro denanordnung 30, 30', 30''. Wie im Kontext dieser Diskussion und anderswo in der Literatur verwendet, ist eine Elektroden anordnung (EA) oder Membranelektrodenanordnung (MEA) eine Einheitszelle, bestehend aus einer Anode 32, einer Kathode 34 und einem Elektrolyt 36. Wenn eine Vielzahl dieser Einheits zellen miteinander verbunden sind, sind sie bekanntermaßen ein Brennstoffzellenstapel oder eine Brennstoffzellenanord nung. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist das Elektrolyt eine Polymerelektrolytmembran (PEM), wie z. B. diejenigen, die üblicherweise in einer Wasserstoffbrennstoffzelle verwendet werden, eine direkte Methanol-PEM-Zelle oder eine PEM-Brennstoffzelle unter Verwendung eines organischen Brenn stoffs, wie z. B. Ethanol oder Formaldehyd. PEMs sind ionische Polymere mit einer sehr hohen Ionenleitfähigkeit. Die polyme rische Natur der PEMs macht sie viel leichter handhabbar als flüssige Elektrolyte. Der physikalische Aufbau der elektro chemischen Zelle ist stark vereinfacht, da aufwendige Dich tungen und Behältersysteme nicht benötigt sind, um die korro siven flüssigen Elektrolyte aufzubewahren. Eine PEM sollte die folgenden Eigenschaften aufweisen: (1) hohe ionische Leitfähigkeit, (2) verschwindende elektronische Leitfähig keit, (3) sehr geringe Permeabilität gegenüber Gasen, (4) chemische Stabilität bei der Betriebstemperatur, (5) mechani sche Festigkeit, (6) geringe Empfindlichkeit gegenüber Feuch tigkeit und (7) Kompatibilität mit einem Katalysator. Brenn stoffzellen, welche PEMs verwenden, sind bekannt und in der Literatur beispielsweise im US-Patent Nr. 5,403,675 beschrie ben, und da angenommen wird, daß der Durchschnittsfachmann mit PEM-Zellen vertraut ist, werden die PEMs hier nicht wei ter beschrieben. Zwischen jeder der Einheitszellen in dem Stapel ist eine elektrisch leitfähige, thermoplastische Bipo larplatte 35, welche eine elektrische Leitfähigkeit von der Kathode 34 der einen Brennstoffzelle 30 zur Anode 32 der be nachbarten Brennstoffzelle 30' herstellt. Jede Kathode in dem Stapel ist von der vorherigen Anode durch die Bipolarplatte isoliert. Ein Brennstoffzellenstapel kann durch Alternieren der Einheitszellen mit den Bipolarplatten auf eine Art und Weise geschaffen werden, gemäß der n (n ist eine natürliche Zahl größer als 2) Elektrodenanordnungen mit n-1 Bipolarplat ten kombiniert werden, um den Brennstoffzellenstapel zu schaffen. Natürlich werden die Fachleute realisieren, daß der Brennstoffzellenstapel ebenfalls Endkappen über den äußersten Elektroden enthalten sollte, welche in Fig. 2-4 aus Klar heitsgründen nicht gezeigt sind.With reference to FIG. 3, a fuel cell arrangement comprising a fuel cell stack comprising more than one electrical end assembly 30, 30 ', 30' '. As used in the context of this discussion and elsewhere in the literature, an electrode assembly (EA) or membrane electrode assembly (MEA) is a unit cell consisting of an anode 32 , a cathode 34 and an electrolyte 36 . If a plurality of these unit cells are connected to one another, they are known to be a fuel cell stack or a fuel cell arrangement. In the preferred embodiment, the electrolyte is a polymer electrolyte membrane (PEM), such as. B. those commonly used in a hydrogen fuel cell, a direct methanol PEM cell or a PEM fuel cell using an organic fuel, such as. B. ethanol or formaldehyde. PEMs are ionic polymers with a very high ionic conductivity. The polymeric nature of the PEMs makes them much easier to handle than liquid electrolytes. The physical structure of the electrochemical cell is greatly simplified, since complex seals and container systems are not required to store the corrosive liquid electrolytes. A PEM should have the following properties: ( 1 ) high ionic conductivity, ( 2 ) vanishing electronic conductivity, ( 3 ) very low permeability to gases, ( 4 ) chemical stability at operating temperature, ( 5 ) mechanical strength, ( 6 ) low sensitivity to moisture and ( 7 ) compatibility with a catalyst. Fuel cells using PEMs are known and are described in the literature, for example, in U.S. Patent No. 5,403,675, and since it is believed that those of ordinary skill in the art are familiar with PEM cells, the PEMs are not described further here. Between each of the unit cells in the stack is an electrically conductive, thermoplastic bipolar plate 35 , which produces an electrical conductivity from the cathode 34 of one fuel cell 30 to the anode 32 of the adjacent fuel cell 30 '. Each cathode in the stack is isolated from the previous anode by the bipolar plate. A fuel cell stack can be created by alternating the unit cells with the bipolar plates in a manner that n (n is a natural number greater than 2) electrode arrays are combined with n-1 bipolar plates to create the fuel cell stack. Of course, those skilled in the art will realize that the fuel cell stack should also include end caps over the outermost electrodes, which are not shown in Fig. 2-4 for clarity.

Die thermoplastische Bipolarplatte wird über irgendeines ei ner Anzahl von den Fachleuten bekannten Verfahren elektrisch leitend gemacht. Beispielsweise kann ein elektrisch leitfähi ger Füller, wie z. B. Kohlenstoffpulver, Kohlenstoffasern oder Metallpartikel, wie z. B. Pulver oder Späne (beispielsweise Titan, Aluminium, rostfreier Stahl, Silber, Gold usw.) dem Thermoplasten hinzugefügt werden. Zusätzlichermaßen kann die thermoplastische Bipolarplatte dadurch elektrisch leitfähig gemacht werden, daß ihre Oberfläche mit einem dünnen Film aus einem leitfähigen Material, wie z. B. Kohlenstoff, Gold, Nic kel, Titan, Silber, Platin, Palladium, Chrom oder Rhodium be schichtet wird, wie im Stand der Technik der Elektroplattie rung und der Dünnfilm-Vakuumabscheidung wohlbekannt ist. In diesem Fall müssen die Ränder der Bipolarplatte ebenfalls be handelt werden, um zu gewährleisten, daß die Platte in der Lage ist, die elektrische Ladung zwischen den benachbarten Kathoden und den Anoden zu leiten. Falls der Kunststoff voll ständig auf der Außenseite metallisiert ist, dann läuft der leitfähige Weg von der Anodenseite um die Platte zur Katho denseite, und nicht durch den Kunststoff. Mit anderen Worten, sind die zwei Seiten oder Oberflächen der Bipolarplatte mit einander über die Metallisierung entlang der Kanten bzw. Rän der kurzgeschlossen.The thermoplastic bipolar plate is over any egg ner number of methods known to those skilled in the art made conductive. For example, an electrically conductive ger filler such. B. carbon powder, carbon fibers or Metal particles, such as B. powder or chips (for example Titanium, aluminum, stainless steel, silver, gold, etc.) Thermoplastics can be added. In addition, the thermoplastic bipolar plate therefore electrically conductive be made that their surface with a thin film a conductive material, such as. B. Carbon, Gold, Nic kel, titanium, silver, platinum, palladium, chrome or rhodium is layered, as in the prior art of electroplating tion and thin film vacuum deposition is well known. In in this case, the edges of the bipolar plate must also be act to ensure that the plate in the Is able to charge between the neighboring ones To lead the cathodes and the anodes. If the plastic is full is constantly metallized on the outside, then it runs conductive path from the anode side around the plate to the catho side, and not through the plastic. In other words, are the two sides or surfaces of the bipolar plate with each other via the metallization along the edges or rän the shorted.

Mit Bezug auf die Materialauswahl kann die thermoplastische Bipolarplatte eine beliebige Anzahl von Kunststoffen aufwei sen, wie z. B. übliche Thermoplaste, wie z. B. Polyethylen, Po lypropylen oder Polyacrylat, oder kann ein ingenieursmäßiger Thermoplast sein, wie z. B. Polycarbonat, Acrylonitril-Bu tadien-Styren (ABS), Polyetherimid, Polyimid oder Polyamid. Im allgemeinen sind die kostengünstigeren handelsüblichen Thermoplaste bevorzugt, da sie in geringeren Kosten für die Brennstoffzellenanordnung resultieren, jedoch können andere Funktionskriterien, wie z. B. Temperaturbeständigkeit oder chemische Beständigkeit, die Notwendigkeit eines Materials mit höherer Funktionstüchtigkeit diktieren. Die Behandlung dieser Materialien, um sie elektrisch leitfähig zu machen, kann leicht durch Füllen oder Beschichten bewerkstelligt wer den, wie oben beschrieben.With regard to the choice of materials, the thermoplastic Bipolar plate any number of plastics sen, such as B. conventional thermoplastics, such as. B. polyethylene, Po lypropylene or polyacrylate, or can be an engineering Be thermoplastic, such as. B. polycarbonate, acrylonitrile-Bu tadien-styrene (ABS), polyetherimide, polyimide or polyamide. In general, the cheaper ones are commercially available Thermoplastics preferred because they are less expensive for the Fuel cell arrangements result, but others can Functional criteria, such as B. temperature resistance or chemical resistance, the need for a material dictate with greater functionality. The treatment of these materials to make them electrically conductive, can easily be accomplished by filling or coating as described above.

Eine Vielzahl von Kanälen oder Nuten 37 wird in der Oberflä che der thermoplastischen Bipolarplatte gebildet, um für die Gasverteilung zur Anode und Kathode zu sorgen. Obwohl diese Kanäle typischerweise bei den Kohlenstoffplatten nach dem Stand der Technik durch mechanische Bearbeitung gebildet wer den, wurde herausgefunden, daß sie bei der Verwendung von Thermoplasten durch verschiedene Verfahren in der Oberfläche gebildet werden können, welche effizienter und weniger kost spielig sind, wie z. B. Einprägen, Formen, Thermoformen, Pho tolithographie unter Verwendung einer Photoaktivschicht, Mi krobearbeitung oder Eingliederung eines Schirms aus rostfrei em Stahl in die Oberfläche. Shimshon Gottesfeld et al. von den Los Alamos National Laboratories haben ein nützliches Verfahren zum Einbetten einer Maschenmatrix in ein Material zur Bildung von Kanälen oder Taschen demonstriert.A plurality of channels or grooves 37 are formed in the surface of the thermoplastic bipolar plate to provide gas distribution to the anode and cathode. Although these channels are typically machined on the prior art carbon plates, it has been found that when using thermoplastics, they can be formed in the surface by various methods which are more efficient and less costly, such as e.g. B. embossing, molding, thermoforming, pho tolithography using a photoactive layer, micro processing or incorporation of a stainless steel screen into the surface. Shimshon Gottesfeld et al. from Los Alamos National Laboratories have demonstrated a useful method of embedding a mesh matrix in a channel or pocket forming material.

Wenn ein thermoplastisches Material mit einem relativ gerin gen Schmelzflußindex, wie z. B. Polyethylen oder Polypropylen, als Bipolarplatte verwendet wird, kann die Platte leicht di rekt auf die MEA laminiert werden, indem Wärme und Druck an gewendet werden, um sie mit der Kathode 34 oder der Anode 32 zu verschmelzen. Dieses Verfahren der Verschmelzung elimi niert die Notwendigkeit externer Abdichtungen oder Dichtringe oder dient zum Abdichten der Gasverteilungskanäle 37 vonein ander, um somit eine mechanische Festigkeit und Unversehrt heit für den Brennstoffzellenstapel zu schaffen und ihn in einem einzelnen Schritt abzudichten. Dies reduziert die Ko sten und die Größe des Brennstoffzellenstapels durch Elimi nierung der Abdichtungen, ihrer begleitenden Kosten und Grö ße, und eliminiert die Notwendigkeit teurer bearbeiteter Koh lenstoffblöcke.If a thermoplastic material with a relatively low melt flow index such. B. polyethylene or polypropylene, is used as a bipolar plate, the plate can be easily laminated di rectly to the MEA by applying heat and pressure to fuse them with the cathode 34 or the anode 32 . This method of fusion eliminates the need for external seals or sealing rings or serves to seal the gas distribution channels 37 from one another, thus creating mechanical strength and integrity for the fuel cell stack and sealing it in a single step. This reduces the cost and size of the fuel cell stack by eliminating the seals, their attendant costs and size, and eliminating the need for expensive machined carbon blocks.

Bei einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Er findung, wie sie in Fig. 4 gezeigt ist, ist die Bipolarplatte ein Thermoplast mit höherem Schmelzpunkt, und eine dünne Schicht aus einem thermoplastischen Material 48, welche einen relativ geringen Schmelzflußindex aufweist, wie z. B. Poly ethylen oder Polypropylen, ist auf der Platte aufgebracht. Das Polyethylen oder Polypropylen dient dann zum Laminieren der MEA mit der Bipolarplatte durch Anwendung von Wärme und Druck zur Verschmelzung derselben mit der Kathode 34 oder der Anode 32. Es muß darauf achtgegeben werden, nicht die Gasver teilungskanäle mit der dünnen Schicht des Bondierungs-Thermo plasten zu blockieren. Zusätzlichermaßen muß die elek trische Leitfähigkeit zwischen einer Elektrode und der Bipo larplatte aufrechterhalten werden, und daher muß die dünne Schicht aus thermoplastischem Material 48 in selektiver Art und Weise an speziellen Orten angeordnet werden, so daß die elektrische Leitfähigkeit bewahrt bleibt. Weiterhin kann die dünne Schicht aus thermoplastischem Material 48 optioneller weise dadurch elektrisch leitfähig gemacht werden, daß sie mit leitfähigen Partikeln gefüllt wird, und zwar auf eine ähnliche Art und Weise, welche dazu verwendet wird, die Ba sisplatte leitfähig zu machen.In an alternative embodiment of the present invention, as shown in Fig. 4, the bipolar plate is a thermoplastic with a higher melting point, and a thin layer of a thermoplastic material 48 , which has a relatively low melt flow index, such as. B. Poly ethylene or polypropylene is applied to the plate. The polyethylene or polypropylene then serves to laminate the MEA to the bipolar plate by applying heat and pressure to fuse it to the cathode 34 or anode 32 . Care must be taken not to block the gas distribution channels with the thin layer of the bonding thermoplastic. In addition, the electrical conductivity between an electrode and the bipolar plate must be maintained, and therefore the thin layer of thermoplastic material 48 must be selectively placed in specific locations so that electrical conductivity is preserved. Furthermore, the thin layer of thermoplastic material 48 may optionally be made electrically conductive by filling it with conductive particles in a similar manner that is used to make the baseplate conductive.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann ein Haftmittel anstelle der dünnen Schicht aus thermoplastischem Material 48 verwendet werden, um für die notwendige mechani sche Bondierung der Bipolarplatte an der MEA zu sorgen. Bei spielsweise kann ein B-Stufen-Epoxy auf der Oberfläche der Bipolarplatte angeordnet werden, und die Platte kann an der MEA mittels Wärme und Druck zur Ausheilung des Epoxy ange bracht werden. Heißschmelzkleber sind ebenfalls als Haftmit tel nützlich, und sie können auf der Oberfläche auf eine An zahl von Arten verteilt werden, und dann kann ein Zusammenbau zur Bildung des Stapels stattfinden. Bezugszeichen 48 in Fig. 4 ist, obwohl es zuvor als eine dünne Schicht aus thermoplastischem Material beschrieben wurde, ebenfalls vor gesehen, um zu zeigen, wie das Epoxy oder der Heißschmelzkle ber auf den Bipolarplatten/MEA-Stapel aufgebracht wird. Op tionellerweise können, falls ein B-Stufen-Epoxy verwendet wird, die Gasverteilungskanäle in der adhäsiven Schicht durch mechanische oder photolithographische Verfahren gebildet wer den.In another embodiment of the invention, an adhesive can be used in place of the thin layer of thermoplastic material 48 to provide the necessary mechanical bonding of the bipolar plate to the MEA. For example, a B-stage epoxy can be placed on the surface of the bipolar plate, and the plate can be attached to the MEA using heat and pressure to heal the epoxy. Hot melt adhesives are also useful as adhesives and can be spread over the surface in a number of ways and then assembled to form the stack. Numeral 48 in Fig. 4, although previously described as a thin layer of thermoplastic material, is also provided to show how the epoxy or hot melt adhesive is applied to the bipolar plates / MEA stack. Optionally, if a B-stage epoxy is used, the gas distribution channels in the adhesive layer can be formed by mechanical or photolithographic methods.

Jetzt mit Bezug auf Fig. 5 kann die thermoplastische Bipolar platte ebenfalls in Formen gebildet werden, die von der planaren Form verschieden sind. Die genaue Natur des thermo plastischen Materials eignet sich zur Schaffung von Bipolar platten in einer Vielzahl von Gestalten. Beispielsweise kann die Platte 55 derart erstellt werden, daß sie einen Hohlraum oder eine Ausnehmung 52 auf einer Seite aufweist. Das Innere der Ausnehmung 52 wird beispielsweise durch Beschichten der Oberfläche an der Unterseite der Aussparung mit einem leitfä higen Metall (Elektroplattieren oder durch Vakuumabscheidung) leitfähig gemacht. Die gegenüberliegende Seite wird ebenfalls leitfähig gemacht. Zum Zusammenbau des Brennstoffzellensta pels werden die MEAs 50 in die Ausnehmungen 52 gesetzt, so daß die eine Elektrode jeder MEA die leitfähige Beschichtung in der Ausnehmung berührt. Die Elektrode wird vorzugsweise an der MEA auf eine Art und Weise bondiert, welche zuvor be schrieben wurde. Diese Unteranordnungen werden dann miteinan der gestapelt, um einen Stapel zu schaffen, wie er in Fig. 5 gezeigt ist, bei dem eine thermoplastische Bipolarplatte di rekt an einer weiteren Bipolarplatte bondiert ist, indem ein unmetallisierter Bereich 51 nahe den Rändern der Bipolarplat te verschmolzen ist. Dieses dichtet die Gase ab und hält die Anordnung zusammen ohne Notwendigkeit von Abdichtungen und externen Befestigungen. Somit wird ein Brennstoffzellenstapel durch Kombinieren einer Vielzahl von MEAs (50, 50', 50'') mit einer Vielzahl von thermoplastischen Bipolarplatten (55, 55', 55'') einer bestimmten Gestalt gebildet.Referring now to FIG. 5, the thermoplastic bipolar plate can also be formed in shapes that are different from the planar shape. The exact nature of the thermoplastic material is suitable for creating bipolar plates in a variety of shapes. For example, plate 55 can be made to have a cavity or recess 52 on one side. The interior of the recess 52 is made conductive, for example, by coating the surface on the underside of the recess with a conductive metal (electroplating or by vacuum deposition). The opposite side is also made conductive. To assemble the fuel cell stack, the MEAs 50 are placed in the recesses 52 so that one electrode of each MEA touches the conductive coating in the recess. The electrode is preferably bonded to the MEA in a manner previously described. These subassemblies are then stacked together to create a stack as shown in Fig. 5 in which a thermoplastic bipolar plate is directly bonded to another bipolar plate by fusing an unmetallized region 51 near the edges of the bipolar plate . This seals the gases and holds the assembly together without the need for seals and external fasteners. Thus, a fuel cell stack is formed by combining a plurality of MEAs ( 50 , 50 ', 50 ") with a plurality of thermoplastic bipolar plates ( 55 , 55 ', 55 ") of a particular shape.

Zusammenfassend wurde eine PEM-Brennstoffzellenanordnung be schrieben, welche eine thermoplastische Bipolarplatte verwen det, um die individuellen MEAs miteinander zu verbinden. Die Bipolarplatte verwendet kostengünstige Materialien und ist in adhäsiver Art und Weise an die MEAs bondiert, was die Notwen digkeit von Abdichtungen und anderen Dichteinrichtungen eli miniert. Die Größe der Anordnung ist zusammen mit den Kosten reduziert.In summary, a PEM fuel cell arrangement was who used a thermoplastic bipolar plate det to combine the individual MEAs. The Bipolar plate uses inexpensive materials and is in adhesively bonded to the MEAs, what the need sealing and other sealing devices eli mined. The size of the arrangement is along with the cost reduced.

Obwohl die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Er findung illustriert und beschrieben worden sind, erscheint den Fachleuten klar, daß die vorliegende Erfindung nicht dar auf beschränkt ist und andere Äquivalente auf findbar sind, ohne vom Gehalt und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen, wie in den angehängten Patentansprüchen defi niert.Although the preferred embodiments of the present Er invention have been illustrated and described appears those skilled in the art will appreciate that the present invention does not represent is limited to and other equivalents can be found on, without the content and scope of the present invention to deviate as defi in the appended claims kidney.

Claims

1. Fuel cell arrangement with:
two electrode arrangements with an anode and a Ka method, which are separated by an electrolyte;
a bipolar plate with an electrically conductive thermoplastic polymer substrate having two opposing major surfaces with a plurality of channels formed on each surface; and
wherein the bipolar plate is arranged between the two electrode arrangements such that a main surface adjacent to and adhesively bonded to a main surface of the anode of the first electrode arrangement and the other major surface adjacent to and adhesively bonded to a main surface of the cathode of the second electrode arrangement.

2. Fuel cell arrangement according to claim 1, characterized net through an additional layer of thermoplastic Material between the main surface and the Katho de lies, the layer with the bipolar plate and the cathode is fused.

3. Fuel cell arrangement according to claim 1, characterized net by an adhesive layer between the Main surface and the cathode is located, the adhä active layer, connect the bipolar plate to the cathode det.

4. Fuel cell arrangement according to claim 1, characterized ge indicates that the electrolyte is a polymer electrolyte membrane is.

5. Fuel cell arrangement with:
a plurality of n membrane electrode assemblies each with an anode and a cathode, which are separated by a polymer electrolyte membrane;
a plurality of n-1 bipolar plates, each plate comprising:
a thermoplastic polymer substrate selected from the group consisting of polyethylene, polypropylene, polycarbonate, acrylonitrile-butadiene-styrene, polyetherimide, polyimide, polyamide and polyacrylate;
wherein the substrate has two opposing major surfaces with a plurality of fuel channels formed on one surface and a plurality of oxidant channels formed on the other surface; and
wherein the thermoplastic polymer substrate is made electrically conductive by filling with a metal or carbon filler;
wherein the plurality of n-1 bipolar plates and the plurality of n membrane electrode assemblies are arranged in a stack, so that a bipolar plate alternates with a membrane electrode assembly, each bipolar plate having two corresponding membrane electrode assemblies adhesively bonded, the adhesive bond also for sealing the A variety of fuel channels or the plurality of oxidant channels is used.