DE60019139T2 - Vereinheitlichte flüssigkeitsverteilungsplatte und barriere für elektrochemische reaktoren - Google Patents

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Trennvorrichtungen zwischen benachbarten elektrochemischen Zellen. Genauer gesagt betrifft die Erfindung leichte dipolare Platten und Verfahren zu deren Konstruktion.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Die meisten Komponenten, die gegenwärtig in Protonenaustauschmembran (Proton Exchange Membrane (PEM))-Brennstoffzellen verwendet werden, sind von Ausführungen abgeleitet, die ursprünglich zur Verwendung in Phosphorsäure-Brennstoffzellen (Phosphoric Acid Fuel Cells (PAFC)) entwickelt worden sind, und sind für die höhere Leistung von PEM-Brennstoffzellen nicht optimal.
  • Mitte der 70er-Jahre wurden Komponenten, die vollständig aus Kohlenstoff bestehen, zur Verwendung in PAFCs hergestellt, die bei Temperaturen im Bereich von 165–185°C arbeiten. Im Falle eines Herstellers (Energy Research Corporation, Danbury, Connecticut) wurden bipolare Platten aus einer Mischung aus Graphitpulver (näherungsweise 67 Gew.-%) und Phenolharz (näherungsweise 33 Gew.-%) geformt und behutsam mit Wärme behandelt, um das Harz zu karbonisieren, ohne übermäßige Porosität durch schnelles Entgasen einzuführen. Typischerweise war eine Wärmebehandlung auf 900°C ausreichend, um die gewünschten chemischen, physikalischen und mechanischen Eigenschaften zu liefern. Zu Beginn wurden bipolare Platten flach geformt und maschinell bearbeitet, um die erforderlichen Reaktionsgasverteilungsrillen (oder Kühlrillen für die bipolare Platte) herzustellen. Später wurden gerillte Platten in einer Form (die etwas überdimensioniert war, um Schrumpfen während des Backens zu kompensieren) zur Herstellung der glasartigen graphithaltigen Kohlenstoffverbundplatte geformt. In einer bei Westinghouse in den späten 70ern/frühen 80ern durchgeführten Arbeit wurden die "gerade durchlaufenden" Gasverteilungsrillen auf der bipolaren Platten neu gestaltet, um eine Anordnung zu liefern, die als die Z-Platte bekannt geworden ist.
  • Die bipolare/Trennplatte im 1 MW-Demonstrationsstapel von United Technologies Corporation (UTC's) (ca. 1975) wurde aus Graphitpulver und Polyphenylensulfidharz geformt. Es wurde gezeigt, daß die Korrosionsbeständigkeit in dem fertigen Demonstrator nur unwesentlich akzeptabel war. Wie in 1A gezeigt ist, wurden somit die Platten im 4,5 MW-New York-Demonstrator 10 (ca. 1978) und nachfolgenden UTC-Stapeln durch Formen aus Graphitpulver und günstigen Harzen, gefolgt durch Backen und Graphitisieren bei ungefähr 2700°C hergestellt. Die Oberflächen der geformten Rippen wurden danach durch Sanden fertig bearbeitet. In dem 4,5 MW-Demonstrator 10 wurden Trennplatten 12, die zwischen den Anoden 14 und Kathoden 16 von benachbarten Zellen liegen, auf beiden Seiten mit Rippen versehen, um für Gaskanäle zu sorgen, die senkrecht zueinander angeordnet sind.
  • Wie in 1B gezeigt ist, verwendeten die späteren 40 kW-Einheiten vor Ort, die von UTC hergestellt waren (ca. 1983) einen neuen gerippten Substratstapel 20. Dieses System plazierte die Gasverteilungskanäle 22 im porösen Elektrodensubstrat 24 selbst statt in der flachen bipolaren Platte 26, die ungefähr 1 mm dick war. Die gerippten Seiten des Substrats 24 kontaktierten die Oberfläche dieser flachen bipolaren Platte. Das katalytische Elektrodengemisch 28 wurde auf die gegenüberliegenden Seiten aufgebracht. Der anfänglich wahrgenommene Vorteil dieser Erfindung bestand in reduzierten Kosten, da sie die Möglichkeit von geformten bipolaren Platten, die eine minimale Oberflächenfertigbearbeitung erfordern, gemeinsam mit gerippten Substraten mit relativ geringer Porosität, die leicht maschinell herstellbar wären, bot. Unter Druck stehende PAFCs verlangen die Verwendung von vollständig oder zumindest teilweise graphitisierten bipolaren Platten und Elektrokatalysatorsubstraten mit Wärmebehandlungstemperaturen von mindestens 1800°C und vorzugsweise 2700°C oder alternativ glasartigen Kohlenstoffen, die bei hoher Temperatur erzeugt werden.
  • Die Technologie zur Herstellung von bipolaren Platten aus Kohlenstoff/Graphit für PAFCs ist in PEM-Brennstoffzellen von allen großen PEM-Brennstoffzellenentwicklern (International Fuel Cells, Inc., Ballard Power Systems, H-Power Corp., Energy Partners, Fuji und Siemens) verwendet worden. Während dies effizient ist, ist es teuer und ist es schwierig, dünne bipolare Platten auf Kohlenstoffbasis herzustellen, und neigen demzufolge Stapel, die mit diesen Platten gebaut sind, dazu, schwer und voluminös zu sein.
  • Ein offensichtlicher Ansatz zur Überwindung dieser Beschränkungen besteht darin, einen formbaren Verbund auf Graphitbasis zu verwenden, der nicht karbonisiert werden muß. Bei diesem Materialtyp wird Graphitpulver, das als der Leiter dient, mit einer Polymermatrix zu einem starren Stück verbunden. Der Graphit behält seine Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit und der Polymerbinder, der unter PEM-Betriebsbedingungen auch stabil sein muß, ermöglicht, daß es durch herkömmliche Polymerausbildeprozesse ausgebildet wird. Dieser Ansatz wurde von General Electric in den frühen 80er Jahren untersucht und ist von Energy Partners für den 7 kW-Stapel erfolgreich verwendet worden, den sie für die Ford Motor Company als einen Fahrzeugprototyp bauten.
  • Dieser Ansatz weist deutliche Beschränkungen auf. Wenn der Graphit mit dem Polymer verdünnt wird, wird seine Leitfähigkeit, die bereits niedriger als diejenige irgendeines in dieser Anwendung nützlichen Metalls ist, noch weiter reduziert. Ein Sieben-Kilowatt-Stapel mit bipolaren Platten aus reinem Graphit würde erwartungsgemäß einen inneren Widerstandsverlust von 16 Watt aufweisen. Wenn der Graphit in einer Polymermatrix dispergiert wird, wird dieser Verlust größer werden. Dies wird durch die Daten in Tabelle I deutlich gezeigt, die die Eigenschaften einer Zahl von Materialien enthält, die für die Herstellung von bipolaren Platten für PEM-Brennstoffzellenstapel potentiell nützlich sind. Diese Tabelle liefert den spezifischen elektrischen Widerstand und die Dichte jedes Elements. In der Tabelle sind auch die Masse und der Durchgangsplattenwiderstand für das Strömungsgebiet einer aus jedem Material hergestellten bipolaren Platte enthalten. Diese hypothetische Platte wurde so moduliert, als wäre sie 3,75 mm dick, wobei sie eine aktive Fläche von 125 cm2 und ein gewundenes Strömungsfeld mit Kanälen aufweist, die 1,5 mm tief sind und 50 % der aktiven Fläche einnehmen.
  • Tabelle I. Eigenschaften von Materialien, die für bipolare Platten nützlich sind
    Figure 00040001
    • a Graphit
  • Die Gewichtsvergleiche in Tabelle I basieren auf Platten, die identische Abmessungen und unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen. In allen Fällen beträgt die Dicke der Gasbarriere 0,75 mm am dünnsten Punkt. Für eine Graphitplatte ist dies sehr dünn. Angesichts der Porosität der meisten graphithaltigen Materialien würde die Verwendung einer so dünnen Barriere das Füllen der Poren mit einem Dichtungsstoff zum Erzeugen einer zuverlässigen gasdichten Barriere erfordern. Mit jedem der gezeigten Metalle könnte diese Barriere noch dünner mit weiteren Größen- und Gewichtsgewinnen hergestellt werden.
  • Ersetzen von Graphit durch irgendeins der Metalle würde sowohl die elektrische als auch die Wärmeleitfähigkeit wesentlich erhöhen. Cu weist die größte Leitfähigkeit der in Tabelle I aufgelisteten Metalle auf, aber weist auch eine hohe Dichte auf. Ein massiver Metallstapel wäre recht schwer. Es sind andere Strategien für die Konstruktion von bipolaren Platten entwickelt worden, um einige der obengenannten Beschränkungen zu überwinden. Als ein Beispiel sind neueste Bemühungen bei Los Alamos National Laboratory auf die Anwendung von zahlreichen Streckmetallsieben als Strömungsfelder fokussiert worden. Die Siebe sind durch eine dünne Metallplatte aus demselben Material kaschiert, um eine Konfiguration einer bipolaren Platte zur Verwendung in einem Stapel zu schaffen. Ein Vorteil dieses Systems besteht in den niedrigen Material- und Herstellkosten. Ein großer Nachteil besteht jedoch in der schlechten Leitfähigkeit, die sich anhand von zahlreichen Grenzflächen und den Sieb/Platte-Punktkontakten ergibt.
  • Wie viele andere PEM-Brennstoffzellentechnologien sind die in den meisten PEM-Brennstoffzellen verwendeten grundlegenden Elektrodenstrukturen von der Phosphorsäure-Brennstoffzellen (PAFC)-Technologie abgeleitet. Wie in 2 gezeigt ist, weist eine herkömmliche Elektrodenstruktur 30 eine dünne Schicht aus Pt 32 auf, die auf Kohlenstoff 34 mit großer Oberfläche als dem aktiven Elektrokatalysator geträgert ist. Dieser wird auf einer viel dickeren Gasdiffusionsschicht 36 geträgert, die typischerweise aus PTFE-gebundendem Kohlenstoffpulververbund von offener Matrix imprägniert in einem leitfähigen Kohlenstoffgewebeträger, besteht. Der Kohlenstoffträger befindet sich in Kontakt mit den graphithaltigen oder metallischen Strömungsfeldern 38 auf der bipolaren Platte. Eine alternative Ausführung verwendet leitfähiges Kohlepapier, um sowohl die Gasdiffusions- als auch Trägerfunktionen zu erfüllen. Eine neuere Variation dieser Gestaltung weist eine noch dünnere Elektrode (als entweder eine dünne Schichtelektrode oder eine Tintenelektrode beschrieben) auf, die direkt auf der Membran 39 hergestellt ist. Während weniger Pt verwendet wird, verwendet diese Elektrode dennoch dieselbe Gasdiffusionsstruktur wie die herkömmliche Elektrode.
  • All diese Elektrodenstrukturen basieren auf Kohlenstofftechnologie. Dies legt deren Leistung einige ernste Beschränkungen auf. Nicht nur ist Kohlenstoff ein relativ schlechter elektrischer und Wärmeleiter, sondern muß die Kohlenstoff-PTFE-Gasdiffusionsstruktur hochkomprimiert gehalten werden, um eine ausreichende Anzahl von Teilchen-zu-Teilchen-Kontakten zwischen Kohlenstoffteilchen in der offenen Polymermatrix zu halten und seine elektrische Leitfähigkeit beizubehalten.
  • Selbst die schlechtesten metallischen Leiter weisen einen spezifischen Widerstand auf, der über eine Größenordnung geringer als derjenige von Graphit ist. Mit Ausnahme von Magnesium sind auch alle gezeigten Metalle dichter als Graphit. Während dies eine massive Metallkomponente recht schwer machen würde, stellt diese Dichte keinen Hinderungsgrund für die Einlagerung der Metalle in hochporösen Formen dar. Ni weist eine bessere Wärmeleitfähigkeit als Graphit auf, während Ti etwas schlechter ist. Diese Verringerung der Wärmeleitfähigkeit für Ti wird zumindest teilweise durch die Tatsache aufgehoben, daß Ti-Komponenten viel dünner als die korrespondierenden Graphitkomponenten hergestellt werden können, wobei ein kürzerer Weg den Gesamtwiderstand reduziert. Das Ersetzen von Materialien auf Kohlenstoff/Graphitbasis durch Metallkomponenten wird auch als eine wesentliche Verbesserung sowohl der elektrischen als auch Wärmeleitfähigkeiten erwartet.
  • Die gegenwärtige Praxis der Verwendung von dicken Gasdiffusionsschichten erzwingt einen Kompromiß zwischen Stofftransportvermögen und elektrischem Widerstand. Wenn die Gasdiffusionsschicht komprimiert wird, um die Leitfähigkeit zu hemmen, würde außerdem die Komprimierung selbst den Stofftransport weiter verbessern. Ersetzen der Struktur auf Kohlenstoffbasis durch eine Metallstruktur, die sowohl poröser als auch leitfähiger ist, wird gleichzeitig die Gasverteilung, elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit verbessern. Die Integration des Gasdiffusionselements in die Struktur mit einem leichten metallischen Strömungsfeld wird das Gewicht des Stapels weiter verringern, während sie sowohl die elektrische als auch die Wärmeleitfähigkeit verbessert, und eröffnet die Möglichkeit einer vollständig modularen Struktur mit metallurgischen Bindungen vom Anodengasdiffusionselement einer Zelle mit dem Kathodengasdiffusionselement der nächsten Zelle.
  • Die Notwendigkeit, die herkömmlichen Gasdiffusionsstrukturen auf Kohlenstoffbasis komprimiert zu halten, einschließend sowohl PTFE-gebundenes Kohlenstoffpulver als auch Gasdiffusionsstrukturen auf der Basis von leitfähigem Kohlepapier und Elektrodenanordnungen, die damit einhergehen, ist allgemein bekannt, um gute Leitfähigkeit zu erzielen. Sie ist einer der Hauptgründe, daß die meisten herkömmlichen PEM- Brennstoffzellenstapel-Ausführungsformen eine schwere Filterpressenanordnung 40, wie die in 3 gezeigte, verwenden, die schwere Abschlußplatten 42, Bolzenlöcher 44 und Zellenrahmen oder -komponenten 46 aufweist, die zwischen den Abschlußplatten angeordnet sind.
  • Während die Filterpressenanordnung vom Konzept her einfach und leicht ausgeführt ist, weist sie einige deutliche Nachteile auf. Der größte dieser Nachteile stellt der Umfang dar, in dem sie zum Gewicht und zur Größe des Stapels beiträgt. Da eine große Druckkraft erforderlich ist, muß der Stapel schwere Spannelemente (Spannstangen) zum Ausüben dieser Kraft, mit großen Abschlüssen und schwere Abschlußplatten zum gleichmäßigen Verteilen dieser Kraft über die Fläche des Stapels aufweisen. Beide dieser Merkmale tragen zum Gewicht und zur Größe des Brennstoffzellenstapels bei. Ein weiteres Problem, das aber nicht allgemein erkannt wird, stellt die schlechte Wärmeleitfähigkeit von porösen Strukturen auf der Grundlagen von polymergebundenen pulverigem Kohlenstoff und anderen porösen Kohlenstoffmaterialien dar.
  • 4 zeigt einen Apparat 50, der verwendet wurde, um den Beitrag von jedem der Materialien in einem Standard-Brennstoffzellenstapel zum gesamten Wärmeübergang zu bestimmen. Die Vorrichtung verwendete ein elektrisches Heizgerät 52 zum Erwärmen einer Kupferplatte 54, um die von einer Membran- und Elektrode-Anordnung (M&E) erzeugte Wärme während des normalen Betriebs zu simulieren. Eine typische Gasdiffusionsstruktur 56, Typ ELAT von E-Tek, Inc., Natick, MA, wurde an der Kupferplatte plaziert. Dies wurde durch ein Strömungsfeldelement kaschiert, wobei hier zwei unterschiedliche Typen dargestellt sind, eine expandierte Ti-Bahn 58, links, und eine Bahn aus Ni-Schaum 60, wie der in 5 gezeigte, rechts. Die zentrale Komponente war eine wassergekühlte Anordnung 62 mit einer bipolaren Platte.
  • Zur Bestimmung des Wärmewiderstands der Komponenten wurde eine stabile Kühlwasserströmung erzeugt und wurden die Heizelemente mit Strom versorgt. Die Temperatur der zwei Heizelemente 52 wurde angehoben, bis sich die Kupferplatte 54 auf der gewünschten M&E-Betriebstemperatur befand, und die Einheit wurde in diesem Zustand gelassen, bis ein stationärer Zustand erzielt wurde, basierend auf einer stabilen Kühlwasseraustrittstemperatur und keiner Änderung der Meßwerte der Thermoelemente 64 (als Punkte gezeigt).
  • In wiederholten Tests bei einer Vielzahl von Kupferplattentemperaturen zwischen 50 und 85°C wurde festgestellt, daß der Fläche-zu-Fläche-Gradient des ELAT-Gasdiffusionselements größer als derjenige der Strömungsfelder aus Metall war. Dies galt sogar in dem Fall des Ni-Schaumströmungsfeldes 60, mit 95% offenem Volumen und mehr als der fünffachen Dicke. Es wurde festgestellt, daß die Wärmeleitfähigkeit für den Ni-Schaum 0,05 °C/Watt im Vergleich mit 0,26 °C/Watt für den Kohlenstoffpulver-, Kohlenstoffgewebe-, PTFE-Verbund-Gasverteiler betrug. Poröse Kohlenstoffgasdiffusionsstrukturen, die auf leitfähigem Kohlenstoffgewebe oder -papier basieren, sind da ein Hindernis für bessere Wärmeverteilung und Umwandlung in einem PEM-Brennstoffzellenstapel.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird bereitgestellt ein Apparat in Form einer elektrochemischen Vorrichtung, umfassend: ein Strömungsfeld aus porösem Metall mit einer ersten Seite; und eine poröse Gasdiffusionsschicht, die mit der ersten Seite des Strömungsfeldes aus porösem Metall metallurgisch verbunden ist, wobei die Gasdiffusionsschicht eine Gasdiffusionsmatrix und einen Metallstromkollektor umfaßt, die Gasdiffusionsmatrix leitfähige Kohlefaser, leitfähiges Kohlenstoffpulver und ein hydrophobes Bindematerial umfaßt.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird bereitgestellt ein Apparat in Form einer elektrochemischen Vorrichtung, umfassend ein Strömungsfeld aus porösem Metall mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite und eine Gasdiffusionsschicht aus porösem Metall, die mit der ersten Seite des Strömungsfeldes aus porösem Metall metallurgisch verbunden ist, wobei die Gasdiffusionsschicht aus porösem Metall hydrophob gemacht ist.
  • Vorzugsweise ist die Gasdiffusionsschicht aus porösem Metall aus gesinterten Metallpartikeln oder gesinterten Metallfasern ausgewählt.
  • Zweckmäßigerweise ist die Gasdiffusionsschicht aus porösem Metall mit einem Imprägniermittel behandelt.
  • Vorteilhafterweise umfaßt der Apparat ferner eine Gasbarriere aus Metall mit einer ersten Seite, die mit einer zweiten Seite des Strömungsfeldes aus porösem Metall metallurgisch verbunden ist.
  • Der Apparat kann zusätzlich eine erste Seite, die mit einer zweiten Seite der Gasbarriere aus Metall metallurgisch verbunden ist, und eine zweite Gasdiffusionsschicht aus porösem Metall mit einer Seite umfassen, die mit einer zweiten Seite des zweiten Strömungsfeldes aus porösem Metall metallurgisch verbunden ist.
  • Zweckmäßigerweise ist die Gasbarriere aus Metall ein Metallblech.
  • Alternativ ist die Gasbarriere aus Metall eine flüssigkeitsgekühlte Platte.
  • Vorzugsweise ist das Strömungsfeld aus porösem Metall aus Metallschaum, Streckmetallblech, gesinterten Metallpartikeln oder gesinterten Metallfasern ausgewählt.
  • Zweckmäßigerweise sind die metallurgischen Bindungen durch einen Prozeß ausgebildet, der aus Schweißen, Hartlöten, Löten, Sintern, Schmelzkleben, Vakuumkleben oder Kombinationen davon ausgewählt ist.
  • Die Erfindung betrifft auch einen Apparat zur Verwendung in elektrochemischen Vorrichtungen, umfassend: ein Strömungsfeld aus porösem Metall mit einer ersten Seite; und eine mit dem Strömungsfeld aus porösem Metall in Kontakt befindliche Gasdiffusionsschicht, wobei die Gasdiffusionsschicht eine Gasdiffusionsmatrix und einen Metallstromkollektor umfaßt, der in der Gasdiffusionsmatrix angeordnet ist, wobei die Gasdiffusionsmatrix leitfähige Kohlefaser, leitfähiges Kohlenstoffpulver und ein hydrophobes Bindematerial umfaßt.
  • Vorzugsweise ist das hydrophobe Bindematerial Polytetrafluorethylen.
  • Zweckmäßigerweise ist das Strömungsfeld aus porösem Metall aus Metallschaum, Streckmetallblech, gesinterten Metallpartikeln oder gesinterten Metallfasern ausgewählt.
  • Vorzugsweise ist der Metallstromkollektor ein Metallnetz.
  • Vorteilhafterweise umfaßt der Apparat ferner eine Gasbarriere aus Metall mit einer ersten Seite, die mit einer zweiten Seite des Strömungsfeldes aus porösem Metall metallurgisch verbunden ist.
  • Vorteilhafterweise umfaßt der Apparat zusätzlich ein zweites Strömungsfeld aus porösem Metall mit einer ersten Seite, die mit einer zweiten Seite der Gasbarriere aus Metall metallurgisch verbunden ist, und eine zweite Gasdiffusionsschicht, die eine mit einer zweiten Seite des zweiten Strömungsfeldes aus porösem Metall in Kontakt befindliche Seite aufweist.
  • Zweckmäßigerweise ist die Gasbarriere aus Metall ein Metallblech.
  • Vorzugsweise ist die Gasbarriere aus Metall eine flüssigkeitsgekühlte Platte.
  • Die vorliegende Erfindung liefert einen Apparat zur Verwendung in elektrochemischen Vorrichtungen, umfassend ein Strömungsfeld aus porösem Metall mit einer ersten Seite und eine mit der ersten Seite des Strömungsfeldes aus Streckmetall metallurgisch verbundene Gasdiffusionsschicht aus porösem Metall. Der Apparat kann ferner eine Gasbarriere aus Metall mit einer ersten Seite umfassen, die mit einer zweiten Seite des Strömungsfeldes aus porösem Metall metallurgisch verbunden ist. Vorzugsweise ist die Gasdiffusionsschicht aus porösem Metall mit einem Imprägniermittel behandelt. Auch kann der Apparat ferner ein zweites Strömungsfeld aus porösem Metall mit einer ersten Seite, die mit einer zweiten Seite der Gasbarriere aus Metall metallurgisch verbunden ist, wie zum Beispiel ein Metallblech oder eine flüssigkeitsgekühlte Platte, und eine zweite Gasdiffusionsschicht aus porösem Metall mit einer Seite umfassen, die mit einer zweiten Seite des zweiten Strömungsfeldes aus porösem Metall metallurgisch verbunden ist. In Übereinstimmung mit der Erfindung ist das Strömungsfeld aus porösem Metall aus Metallschaum, Streckmetallblech, gesinterten Metallpartikeln oder gesinterten Metallfasern ausgewählt und ist die Gasdiffusionsschicht aus porösem Metall aus gesinterten Metallpartikeln oder gesinterten Metallfasern ausgewählt. Die metallurgischen Verbindungen sind durch einen Prozeß ausgebildet, der aus Schweißen, Hartlöten, Löten, Sintern, Schmelzkleben, Vakuumkleben oder Kombinationen davon ausgewählt ist.
  • Die Erfindung liefert auch einen Apparat zur Verwendung in elektrochemischen Vorrichtungen, umfassend ein Strömungsfeld aus porösem Metall mit einer ersten Seite und eine mit dem Strömungsfeld aus porösem Metall in Kontakt befindliche Gasdiffusionsschicht, wobei die Gasdiffusionsschicht eine Gasdiffusionsmatrix und einen Metallstromkollektor umfaßt, der in der Gasdiffusionsmatrix angeordnet ist, wobei die Gasdiffusionsmatrix leitfähige Kohlefaser, leitfähiges Kohlenstoffpulver und ein hydrophobes Bindematerial, wie zum Beispiel Polytetrafluorethylen, umfaßt. Vorzugsweise ist der Metallstromkollektor ein Metallnetz.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Damit die obengenannten Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung im Detail verstanden werden können, wird eine genauere Beschreibung der Erfindung, oben kurz zusammengefaßt, unter Bezugnahme auf deren Ausführungsformen geliefert, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. Es muß jedoch erwähnt werden, daß die beigefügten Zeichnungen nur typische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellen und somit nicht als deren Schutzbereich begrenzend angesehen werden sollen, damit die Erfindung in andere gleichermaßen effiziente Ausführungsformen aufgenommen werden kann.
  • 1A und 1B zeigen Schemadiagramme eines herkömmlichen Stapels von jeweils einem 4,5 MW-Demonstratorstapel von United Technologies Corporation und einem Stapel mit geripptem Substrat.
  • 2A und 2B zeigen Querschnittsansichten von einer jeweiligen herkömmlichen Elektrodenanordnung und einer in PEM-Brennstoffzellen verwendeten Dünnschichtelektrodenstruktur.
  • 3 zeigt ein Schemadiagramm eines Brennstoffzellenstapels von der Bauart mit Standardfilterpresse, das die Anordnung der bipolaren Zellplatten und Abschlußplatten zeigt.
  • 4 zeigt ein Schemadiagramm, das die Orte der Thermoelemente in einem Wärmestromsimulator für einen PEM-Brennstoffzellenstapel darstellt.
  • 5 zeigt ein Bild von einem Stück aus geschäumten Metall, das seine offene Schaumstruktur darstellt.
  • 6 zeigt eine Querschnittsansicht einer Elektrode, die unter Verwendung von Gasdiffusionselektroden hergestellt ist, wobei ein Metallnetz das Kohlenstoffgewebe ersetzt.
  • 7 zeigt eine Graphik, die die Polarisationskurven für M&Es zeigt, die unter Verwendung von zwei unterschiedlichen Metallsubstraten für Gasdiffusionsstrukturen mit tintenartigen Elektroden hergestellt sind.
  • 8 zeigt eine Graphik, die die Polarisationskurven vergleicht, die mit M&Es erhalten sind, die mit herkömmlichen Kohlenstoffgewebesubstraten in den Gasverteilern unter Verwendung von NafionTM 105- und 112-Membranen hergestellt sind.
  • 9A und 9B zeigen Druck-Imprint-Folien, die in einem Maßstab von 82% jeweils für eine einzelne Zelle mit einer traditionellen Verteiler-Einlaß-Abschlußplatte mit 25cm2 und eine einzelne Zelle auf Basis eines Schaumströmungsfeldes mit 32cm2 erhalten wurde.
  • 10 zeigt eine Graphik, die die Polarisationskurve für einen Doppelzellen-PEM-Brennstoffzellenstapel mit einer aktiven Fläche von 125 cm2 zeigt, die mit dreifacher Luftstöchiometrie und zweifacher Brennstoffstöchiometrie arbeitet.
  • 11 zeigt eine Graphik, die den Strömungswiderstand, dargestellt als Druckabfall, für Luft zeigt, die durch ein Strömungsfeld aus geschäumten Metall strömt.
  • 12 eine vergrößerte Zeichnung eines gesinterten, kugelförmigen Elektrolysatorsubstrats zeigt.
  • 13 zeigt eine Querschnittsansicht eines Strömungsfeldes aus Metallschaum mit einem Gasverteiler aus gesintertem Metall als seine Seite.
  • 14 zeigt eine perspektivische Ansicht der Seite einer modularen bipolaren Platte, die einige der Hauptmerkmale darstellt.
  • 15 zeigt eine Querschnittsansicht der in 14 gezeigten modularen bipolaren Platte.
  • Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
  • Die hierin offenbarte Erfindung stellt eine verbesserte Komponente oder Baugruppe zur Verwendung in elektrochemischen Vorrichtungen, wie zum Beispiel Brennstoffzellen, dar. Die Komponente oder Baugruppe liefert eine Metallstruktur mit höherer elektrischer Leitfähigkeit als herkömmliche bipolare Platten oder Stapelstrukturen. Die einzelnen Metallelemente der Baugruppe sind durch Schweißen, Sintern, Hartlöten oder auf dem Gebiet bekannte Löttechniken metallurgisch verbunden.
  • Metalle, wie zum Beispiel Ti und Ni, weisen wesentlich höhere und elektrische Wärmeleitfähigkeiten als Graphit, die leitfähigste Form von Kohlenstoff, auf. Typische Gasdiffusionsstrukturen werden unter Verwendung von Ruß, nicht Graphit, hergestellt und sind somit noch weniger leitfähig. Somit stellt eine höhere innewohnende Leitfähigkeit den ersten Hauptvorteil einer Metallgasdiffusionsstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
  • Ein zweiter Vorteil der vorliegenden Erfindung ergibt sich aufgrund der Art, in der die einzelnen Metallpartikeln zur Gasdiffusionsstruktur ausgebildet werden. Leitfähiger Kohlenstoff verlangt die Verwendung einer separaten Bindephase, typischerweise PTFE aus einer wäßrigen Suspension. Die gesamte Leitfähigkeit beruht auf Partikel-zu-Partikel-Kontakten zwischen Kohlenstoffpartikeln, wobei die PTFE-Bindephase die Leitfähigkeit weiter hemmt. In der Metallgasdiffusionsstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Partikeln zu einem einzigen Stück metallurgisch verbunden, genauer gesagt gesintert. Auf diese Weise kann die volle Leitfähigkeit des Metalls realisiert werden, um für bessere Leistung zu sorgen.
  • Das PTFE füllt eine zweite Funktion, neben Binden, in einer herkömmlichen Gasdiffusionsstruktur. Die Funktion besteht in der Imprägnierung, um die Rate von Entfernen von flüssigem Wasser aus der Nähe der Elektrode zu verbessern. Prinzipiell würde ein Gasverteiler komplett aus Metall hydrophil sein. Diese hydrophile Beschaffenheit wird von einer Ausführungsform der Erfindung durch Verwendung eines Fluoropolymer-Imprägniermittels, wie zum Beispiel FluoradTM FC-722 von 3M in St. Paul, Minnesota, um metallische Strömungsfelder vollständig wasserabweisend oder hydrophob zu machen, beseitigt.
  • Außerdem ist es gemäß der vorliegenden Erfindung nicht notwendig, die gesamte Gasdiffusionsstruktur auf Kohlenstoffbasis durch metallische Materialien zu ersetzen. Der schwächste Punkt in einer herkömmlichen Gasdiffusionsstruktur auf Kohlenstoffbasis ist nicht die oberste Schicht aus Kohlenstoff, sondern das Kohlenstoffgewebe mit offener Gewebebindung, das sie trägt. Somit liefert eine Ausführungsform der Erfindung, die in 6 gezeigt ist, Gasdiffusionsschichten 71 mit Metallträgern 72 unter oder in Gasverteilern 74 aus Kohlenstoffverbund. 6 zeigt eine Querschnittsansicht einer M&E 70, die unter Verwendung von Metallnetzen 72 anstelle des leitfähigen Kohlenstoffgewebes in einer Gasdiffusionsschicht einer herkömmlichen PEM-Elektrode hergestellt ist.
  • 7 zeigt eine Graphik, die die Ergebnisse zeigt, die mit M&E's 70 erhalten wurden, die wie in 6 gezeigt hergestellt sind. Ergebnisse werden für Elektroden gezeigt, die mit sowohl Streckmetallgittern als auch geschäumten Metallblechen hergestellt sind, die das Kohlenstoffsubstrat in der Gasdiffusionsstruktur ersetzen. Während diese Ergebnisse gegenüber herkömmlichen bipolaren Brennstoffzellenstandards nicht beeindruckend sind, wurden diese Daten anhand einer monopolaren Brennstoffzelle erhalten, die bei Umgebungsdrücken und nahezu Umgebungstemperaturen mit Luft arbeitet, die durch Diffusion, nicht einen Kompressor, zugeführt wird. Dieser letzte Faktor begrenzt die erzielbare Stromdichte, bevor Massenübergangsgrenzen die Zelle ersticken. Zu dem Zeitpunkt, zu dem diese Daten erfaßt wurden, befanden sich die Gasdiffusionsstrukturen nicht unter Druck. Die besten Daten, die für einen herkömmlichen Elektrodenträger auf Kohlenstoffgewebebasis unter denselben Bedingungen erzielt wurden, sind in 8 dargestellt. Wenn die Daten in 7 mit 8 verglichen werden, ist die Verbesserung in der Tat wesentlich. Es ist klar, daß Gasdiffusionsstrukturen mit Metallgittern bessere Leistungen bei niedrigen Drücken als herkömmliche Strukturen, die Kohlenstoffgewebe enthalten, bieten.
  • Egal ob die Gasdiffusionsschicht (Gasverteiler) komplett aus Metall ist oder durch Metall verstärkten Kohlenstoff umfaßt, ist klar, daß ein Strömungsfeld aus Metall dahinter klare Vorteile bietet. 9A zeigt eine Druck-Imprint-Folie 80 von einer Brennstoffzelle mit einem 1/32'' tiefen mal 1/32'' breiten Strömungsfeld/Verteilern in zwei 5/8'' dicken Titanabschlußplatten, die poliert, geläppt und galvanisch vergoldet sind. Diese Folie wurde zwischen zwei 25 cm2, 0,016'' (0,406 mm) dicken Gasdiffusionselektrodenkaschierungen, Typ ELAT, von ETEK, Inc., Natick, MA, erhalten, sandwichartig angeordnet, die mit einer 0,020'' dicken ungesinterten PTFE-Folienbahn abgedichtet waren. (Die Druck-Imprint-Folie ist im wesentlichen anstelle der Protonenaustauschmembran positioniert). Ein Drehmoment von 30 Zoll-Pfund wurde an vier 5/16''-18-Edelstahlbolzen angelegt. Die vier Kreise 82, die an jeder Ecke angeordnet sind, stellen die Bolzenlagen dar und das mittige Quadrat 84 stellt die wahre Eletroden/Verteilerfläche dar. Dunklere Schattierung, wie zum Beispiel an Punkten 86, kennzeichnet niedrigen Druck. Es gibt ein deutliches Verteilermuster, das in diesem Imprint ausgedruckt ist. Helle Flächen oder Linien zeigen an, wo die massiven Kanten des Verteilers den Gasverteiler komprimierten. Dunklere Flächen oder Linien 88 zeigen die Lage der Furchen des Verteilers, wo Kontakt fehlte. Der untere Abschnitt der Elektrodenfläche weist auch einen dunkleren Farbton auf, der geringen Kontakt mit der Oberfläche wahrscheinlich aufgrund von Verformung während der maschinellen Bearbeitung darstellt. Die geschlossene Fläche 89 um die aktive Elektrodenfläche befindet sich dort, wo die Abdichtung erfolgt. Der Raum zwischen den Bolzenlöchern und den Ecken der Elektrodenoberfläche ist für den Erhalt einer guten Abdichtung entscheidend. Diese Fläche weist eine gleichmäßige Prägung, obwohl körnig, auf, die bedeutet, daß diese Anordnung nicht lecken wird.
  • 9B zeigt eine weitere Druck-Imprint-Folie 90, die derjenigen von 9A ähnelt, aber für eine Schaumströmungsfeldzelle gemäß der vorliegenden Erfindung. Diese Zelle mit 32 cm2 aktiver Fläche wies Verteilerzellenrahmen aus massivem Aluminium (0,048'' (1,22 mm) dick) auf, die einen galvanisch vergoldeten 200-5-Reihen Nickelschaum (Astro Met, Inc.), 0,042'' (1,07 mm) dick, mit einer Nenndichte von 5 % von derjenigen von massivem Metall und einem Porenabstand von 80 Poren pro laufendem Zoll umgibt. Dieser Wafer mit Schaumströmungsfeld ist mit einem ELAT-Gasverteiler konfrontiert, wie oben (0,016'' (0,406 mm) dick). Sowohl das Strömungsfeld als auch der Gasverteiler wurden auf 0,048''(1,22 mm) komprimiert, um der Dicke des umgebenden Zellenrahmens zu entsprechen. Wiederum wurde dieselbe Last ausgeübt, aber auf ein Paar Titanabschlußplatten, die nicht poliert und geläppt waren. Die Löcher im Diagramm repräsentieren Eintritts- und Austrittsöffnungen für die zwei Reaktionsgase und die Kühlflüssigkeit. Die Verriegelung wurde außerhalb der Grenzen des Zellenrahmens durchgeführt.
  • Für die Abdichtung der Anordnung ist entscheidend, daß eine vollständige Komprimierung um diese Löcher und an den äußeren Grenzen des Zellenrahmens beobachtet wird. Die Folie in diesem Beispiel zeigt eine komplette Komprimierung für diese Flächen gegenüber der körnigen Schattierung für die maschinell bearbeitete Konfiguration von 9A. Die innere Elektrodenoberfläche zeigt eine gleichmäßigere Einprägung über die aktive Fläche. Die dunklen Einprägungen am inneren Abschnitt des Zellenrahmens stellen das Verteilerplenum der Anordnung dar, das nicht als eine Abdichtfläche fungiert. Diese Imprints demonstrieren, daß die Anordnungen auf Schaumströmungsfeldbasis besser abdichten und einen besseren Elektrodenflächenkontakt bei äquivalenten Druckbelastungen aufweisen.
  • In Übereinstimmung mit der Erfindung sind Strömungsfelder für PEM-Brennstoffzellenstapel unter Verwendung von Nickelschäumen mit geringer Dichte ähnlich dem oben verwendeten Strömungsfeld auch erfolgreich hergestellt worden. 10 zeigt eine Polarisationskurve für einen Doppelzellenstapel mit 125 cm2 aktiver Fläche pro Zelle mit Nickelschaumströmungsfeldern. Der verwendete galvanisch vergoldete Nickelschaum war zu Beginn 0,080'' (2,03 mm) dick und wurde auf 0,050'' (1,27 mm) komprimiert. Der Nickelschaum weist eine Nenndichte von 5 % von derjenigen von massivem Metall und einen Nennporenabstand von 80 Poren pro laufendem Zoll auf. Der Schaum wurde mit Fluorad® 722 (3M Co., St. Paul, MN), einer Fluoropolymer-Beschichtung, imprägniert und wurde zwischen bipolaren Abstandhaltern aus galvanisch vergoldeter Titanfolie und einer unkatalysierten Gasdiffusions/Stromverteilungsschicht Typ ELAT montiert, die an einer Gore-Select-Membran mit Tintenelektroden sowohl für Katoden als auch Anoden plaziert wurde.
  • Dasselbe Schaumströmungsfeld wurde auf Strömungswiderstand, d. h. beobachteter Druckabfall für konstante Strömung, bei zahlreichen Gasdurchflußraten und Gesamtdrücken, mit Luft getestet. Die Durchflußrate wurde von einem Massenstromregler gemessen und der Differenzdruck wurde von einem Festkörper-Differenzdruckwandler überwacht, der mit den Eintritts- und Austrittsgasströmen unmittelbar benachbart zur Testvorrichtung verbunden war. 11 zeigt die graphische log-log-Darstellung des Druckabfalls gegenüber Durchflußrate. Diese Funktion ist eine gerade Linie bei allen Arbeitsdrücken, was eine Potenzfunktionskorrelation anzeigt, die für turbulente Strömung normal ist. Für Vergleichszwecke würde eine PEM-Brennstoffzelle mit dieser Größe eine Strömung von 3,3 L(STP)/min verlangen, um ausreichend Luft zur Aufrechterhaltung von zweifacher Stöchiometrie bei einer Stromdichte von 1 A/cm2 zuzuführen. Der hier gesehene Strömungswiderstand ist eindeutig angemessen niedrig für Anwendungen mit PEM-Brennstoffzellenstapel.
  • Sintern von Metallkugeln, bis sie zu einer massiven, monolithischen Masse verbunden sind, stellt einen Weg dar, um eine poröse Metallkomponente zu erzeugen. Durch Steuerung der Größenverteilung der Kugeln und der Sinterbedingungen, Zeit und Temperatur, kann die Porösität des fertigen Teils genau und reproduzierbar gesteuert werden. 12 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer typischen Komponente 92 ausgesinterten Kugeln.
  • Poröse Metalle aus gesinterten Mikro-und Makropartikeln können zur Bildung der Elektrodensubstrate und Stromsammler gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Poröse Titanbahnen (0,045'' (1,14 mm) dick), die aus gesinterten Titankugeln hergestellt sind, die auf einen gleichförmigen Durchmesser gesiebt worden sind, wobei Metalloxide darauf thermisch oder elektrisch abgeschieden sind, sind als Anoden verwendet worden, die am PEM-Elektrolyt für die elektrochemische Erzeugung von Ozon mit hoher Konzentration, wie zum Beispiel für Anwendungen der Umweltsanierung und Desinfektion, positioniert sind. Eine leichte Unterschicht aus Edelmetallen auf diesen Substraten stellt eine lange Lebensdauer (über 98 Tage oder über 2.200 Stunden) und stabilen Betrieb (keine Erhöhungen des Stapelpotentials zur Beibehaltung von konstantem Strom bei konstanten Temperaturen über eine längere Zeit erforderlich) sogar in einer sehr korrosiven Umgebung sicher. Galvanisch vergoldeter Grundstoff aus diesen Materialien fungiert auch gut als Stromsammler gegenüber Elektrokatalysatortinten-Decals an der PEM für die elektrochemische Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser oder Methanol.
  • Poröse Titanbahn mit einer porösen gesinterten Titanoberfläche, die auf gestrecktem Titanmetall direkt gesintert ist, wurde von Astro Met. Inc. erhalten. Die Dicken dieser porösen Substrate wurden durch Erwägungen hinsichtlich der physikalischen Unversehrtheit des Materials bestimmt. 13 zeigt eine Struktur 100, die die neuartige Lösung mit Strömungsfeldern 102 aus Streckmetall oder porösem Schaum, wie die in 5 dargestellte, als Trägersubstrate während Sintern implementiert, um die Herstellung einer dünnen porösen Gasdiffusionsschicht 100, die durch direktes Sintern auf das Strömungsfeld 102 verbunden ist, für optimale elektrische und thermische Leitfähigkeit zu ermöglichen. Die Baugruppe, die ein Strömungsfeld 102 aus porösem Metall und mit einer darauf gesinterten Gasdiffusionsschicht 104 aus porösem Metall umfaßt, ist in 13 so dargestellt, daß sie eine Membran 106 mit tintenartigen Elektroden 108, 109 aufweist, die auf der Membran 106 ausgebildet sind. Man sollte erkennen, daß innerhalb des Schutzbereiches der vorliegenden Erfindung die Elektroden auch auf der Gasdiffusionsschicht 104 ausgebildet werden könnten.
  • Die Verwendung eines porösen Produkts aus gesinterten Kugeln stellt eine Lösung zur Erzeugung einer verbesserten Gasdiffusionsschicht gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Filze mit gesintertem Metall, erhalten von Newmet Krebsøge, Terryville, CT, liefern eine weitere Lösung. Diese Filze mit gesintertem Metall sind in Nickel, Edelstahl und anderen Metallen käuflich erhältlich und können auf einem Träger hergestellt werden. Während die gegenwärtig käuflich erhältlichen Materialien im allgemeinen zu dick für diese Anwendung sind, können dünnere Materialien hergestellt werden, falls dies erforderlich ist.
  • Egal ob die Gasdiffusionsstruktur gesintertes Metall oder verbundener Kohlenstoff ist, erleichtert jedoch die Verwendung eines Strömungsfeldes aus porösem Metall das Sintern oder Wärmeschweißen des Strömungsfeldes an eine Gasbarriere aus Metall. Dies ermöglicht die Herstellung einer vollständig modularen bipolaren Platte oder Baugruppe mit durchgehendem Metall von der Anode einer Zelle zur Katode der nächsten Zelle im Stapel für die maximale elektrische Leitfähigkeit. Die Aufnahme der flüssigkeitsgekühlten bipolaren Platten als die Gasbarriere aus Metall wird mehr Komponenten mitsichbringen, aber kann in die Baugruppen gemäß der vorliegenden Erfindung aufgenommen werden, während sie weiterhin weit weniger Grenzflächen als eine herkömmliche Anordnung einer bipolaren Zelle aufweist, wodurch für geringere Durchgangswiderstände als bei anderen Gestaltungen gesorgt wird.
  • 15 zeigt eine modulare bipolare Platte oder Baugruppe 110 gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem Dreischichtensystem für jede Halbzelle: Ein Separator oder eine Gasbarriere 112 aus dünner Metallfolie, ein Strömungsfeld 102 aus porösem Metallschaum und eine mikroporöse Strom/Wärmeverteilungsschicht 104 mit einer Gasdiffusionsmatrix (ein zusätzliches Strömungsfeld 102 und eine Gasverteilungssicht 104 sind vorzugsweise auf der Rückseite des Separators 112 ausgebildet). Die Verwendung eines Strömungsfeldes 102 aus porösem Metall und keiner gerillten Bahn bewirkt, daß diese sich diese Lösung von den massiven Stücken mit ausgebildeten oder gerasterten Bahnen, die von Neutzler im US-Patent 5,776,624 offenbart sind, grundsätzlich unterscheiden.
  • Die vorliegende Erfindung sorgt für Schweißen aller Komponenten zu einer einzigen Masse aus Metall unter Verwendung eines hochproduktiven Verfahrens (Reihensintern in einem Ofen) und den Einschluß der Gasdiffusionsschicht als Teil dieser monolithischen Struktur. Dies führt zu besserer elektronischer oder elektrischer Leitfähigkeit von der Seite einer Elektrode zur Seite einer weiteren Elektrode, weniger Korrosionsmöglichkeiten und weniger Ausfallmöglichkeiten aufgrund von Komponenten, die deren relativen Positionen ändern, da mehrere Stücke durch ein einziges Stück ersetzt werden. Mit der als Teil derselben Struktur enthaltenen Gasdiffusionsschicht wird der elektrische Widerstand noch weiter gesenkt und wird der Massenübergang zur Elektrode verbessert. Das Ersetzen einer Trägerstruktur aus porösem Metall für die Kohlenstofffaserstruktur liefert eine stabilere Struktur mit verbesserter elektronischer Leitfähigkeit, einen verminderten Bedarf an Komprimierung der elektrochemischen Zellenkomponenten und läßt einen Betrieb der elektrochemischen Zelle bei niedrigeren Drücken zu.
  • Das folgende Beispiel zeigt die Funktion der vorliegenden Erfindung und etwas von ihren bevorzugten Ausführungsformen.
  • Beispiel 1
  • Diese Beispiel demonstriert eine modulare Strömungsfeld-Elektroden-Trägerstruktur.
  • Eine Gasdiffusionsstruktur wurde direkt auf einem metallischen Strömungsfeldelement hergestellt, ohne die Verwendung von leitfähigem Kohlenstoffgewebe oder -papier. Die Gasdiffusionsschicht war eine Mischung aus drei Komponenten, Ruß (Vulcan XC-72R, CABOT Technology Division, Pampa, TX 79066) mit großer Oberfläche und hoher Leitfähigkeit, leitfähige Kohlefaser (Thornel® DKD-X, von AMOCO, Alpharetta, GA 30202) und PTFE (T-30-Suspension, DuPont). Wasser wurde zur Mischung, wie zum Mischen erforderlich, hinzugefügt und ein oberflächenaktives Mittel (Triton X100, Fisher Scientific, Fair Lawn, NJ 07410) wurde zur Erhaltung der Dispersion verwendet. Das Hinzufügen von leitfähiger Kohlefaser mit dem Kohlenstoffpulver und PTFE ist wichtig, um einen Gasverteiler auf Kohlenstoffbasis auf einem Metallträger mit Erfolg herzustellen.
  • Die Komponenten wurden kombiniert und gemischt, um die Feststoffe vollständig zu dispergieren und eine gleichförmige Paste herzustellen. Diese Paste wurde auf den gereinigten metallischen Leiter (Strömungsfeld aus Streckmetall oder geschäumtem Metall) aufgebracht, um eine Gasdiffusionsmatrix zu bilden.
  • Die Gasdiffusions/Strömungsfeld-Anordnung, die aus der Gasdiffusionsmatrix und dem Strömungsfeld aus metallischen Leiter bestand, wurde bei Raumtemperatur und Vakuum getrocknet, danach weiter getrocknet bei 60 ° C in einem Vakuumofen. Die Anordnung wurde danach in einer Argonatmosphäre bei 320 ° C für 2 Stunden behandelt, um das PTFE zu sintern und das oberflächenaktive Mittel zu zerlegen. Die Belastung des Kohlenstoffpulvers, der Kohlefaser und des PTFE belief sich auf ungefähr 0,02 g/cm2. Diese Gasdiffusionsschichten wurde verwendet, um die in 7 dargestellten Zellen herzustellen, die gut funktionierten.
  • Alternativ kann die in Beispiel 1 beschriebene Paste auf einen Metallstromsammler, wie zum Beispiel ein Metallgitter, aufgebracht werden und unter denselben Bedingungen getrocknet werden. Die resultierende Gasdiffusionsschicht kann danach in Kontakt mit einem Strömungsfeld aus porösem Metall, wie zum Beispiel einem Streckmetall oder geschäumten Metall, verwendet werden.
  • Während das Vorangehende auf die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gerichtet ist, können andere und weitere Ausführungsformen der Erfindung ausgedacht werden, ohne aus dem grundlegendem Schutzbereich derselben zu belangen, und wird der Schutzbereich derselben durch die folgenden Ansprüche bestimmt.

Claims (12)

  1. Apparat in Form einer elektrochemischen Vorrichtung, umfassend: ein Strömungsfeld aus porösem Metall mit einer ersten Seite; und eine Gasdiffusionsschicht aus porösem Metall, die mit der ersten Seite des Strömungsfeldes aus porösem Metall metallurgisch verbunden ist, wobei die Gasdiffusionsschicht eine Gasdiffusionsmatrix und einen Metallstromkollektor umfaßt, die Gasdiffusionsmatrix leitfähige Kohlefaser, leitfähiges Kohlenstoffpulver und ein hydrophobes Bindematerial umfaßt.
  2. Apparat in Form einer elektrochemischen Vorrichtung, umfassend ein Strömungsfeld aus porösem Metall mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite und eine Gasdiffusionsschicht aus porösem Metall, die mit der ersten Seite des Strömungsfeldes aus porösem Metall verbunden ist, wobei die Gasdiffusionsschicht aus porösem Metall hydrophob gemacht ist.
  3. Apparat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasdiffusionsschicht aus porösem Metall aus gesinterten Metallpartikeln oder gesinterten Metallfasern ausgewählt ist.
  4. Apparat nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasdiffusionsschicht aus porösem Metall mit einem Imprägniermittel behandelt ist.
  5. Apparat nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Gasbarriere aus Metall mit einer ersten Seite, die mit einer zweiten Seite des Strömungsfeldes aus porösem Metall metallurgisch verbunden ist.
  6. Apparat nach Anspruch 5, ferner umfassend ein zweites Strömungsfeld aus porösem Metall mit einer ersten Seite, die mit einer zweiten Seite der Gasbarriere aus Metall metallurgisch verbunden ist, und eine zweite Gasdiffusionsschicht aus porösem Metall mit einer Seite, die mit einer zweiten Seite des zweiten Strömungsfeldes aus porösem Metall metallurgisch verbunden ist.
  7. Apparat nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasbarriere aus Metall ein Metallblech ist.
  8. Apparat nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasbarriere aus Metall eine flüssigkeitsgekühlte Platte ist.
  9. Apparat nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungsfeld aus porösem Metall aus Metallschaum, Streckmetallblech, gesinterten Metallpartikeln oder gesinterten Metallfasern ausgewählt ist.
  10. Apparat nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die metallurgischen Bindungen durch einen Prozeß ausgebildet sind, der aus Schweißen, Hartlöten, Löten, Sintern, Schmelzkleben, Vakuumkleben oder Kombinationen davon ausgewählt ist.
  11. Apparat zur Verwendung in elektrochemischen Vorrichtungen, umfassend: ein Strömungsfeld aus porösem Metall mit einer ersten Seite; und eine mit dem Strömungsfeld aus porösem Metall in Kontakt befindliche Gasdiffusionsschicht, wobei die Gasdiffusionsschicht eine Gasdiffusionsmatrix und einen Metallstromkollektor umfaßt, der in der Gasdiffusionsmatrix angeordnet ist, wobei die Gasdiffusionsmatrix leitfähige Kohlefaser, leitfähiges Kohlenstoffpulver und ein hydrophobes Bindematerial umfaßt.
  12. Apparat nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das hydrophobe Bindematerial Polytetrafluorethylen ist.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006040030A1 (de) * 2006-08-23 2008-03-20 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Wiederholeinheit für einen Stapel elektrochemischer Zellen, Stapelanordnung und Verfahren zum Herstellen einer Wiederholeinheit

Families Citing this family (78)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6232010B1 (en) * 1999-05-08 2001-05-15 Lynn Tech Power Systems, Ltd. Unitized barrier and flow control device for electrochemical reactors
US6638659B1 (en) * 1999-04-30 2003-10-28 University Of Connecticut Membrane electrode assemblies using ionic composite membranes
US6828054B2 (en) 2000-02-11 2004-12-07 The Texas A&M University System Electronically conducting fuel cell component with directly bonded layers and method for making the same
WO2001059862A2 (en) * 2000-02-11 2001-08-16 The Texas A & M University System Electroconductive fuel cell component with directly bonded layers and method for making same
US6770394B2 (en) 2000-02-11 2004-08-03 The Texas A&M University System Fuel cell with monolithic flow field-bipolar plate assembly and method for making and cooling a fuel cell stack
JP3594533B2 (ja) * 2000-05-30 2004-12-02 三洋電機株式会社 燃料電池
SE522666C2 (sv) * 2000-07-07 2004-02-24 Volvo Ab Gasfördelningselement för bränsleceller, bränslecell samt metod för att tillverka ett gasfördelningselement
US7592089B2 (en) * 2000-08-31 2009-09-22 Gm Global Technology Operations, Inc. Fuel cell with variable porosity gas distribution layers
US6566004B1 (en) 2000-08-31 2003-05-20 General Motors Corporation Fuel cell with variable porosity gas distribution layers
US6663994B1 (en) 2000-10-23 2003-12-16 General Motors Corporation Fuel cell with convoluted MEA
US6531238B1 (en) 2000-09-26 2003-03-11 Reliant Energy Power Systems, Inc. Mass transport for ternary reaction optimization in a proton exchange membrane fuel cell assembly and stack assembly
WO2002043176A1 (en) * 2000-11-22 2002-05-30 Powercell Corporation Bipolar plate and method of manufacturing same
US6589679B1 (en) 2000-11-22 2003-07-08 Mti Microfuel Cells Inc. Apparatus and methods for sensor-less optimization of methanol concentration in a direct methanol fuel cell system
US6824899B2 (en) * 2000-11-22 2004-11-30 Mti Microfuel Cells, Inc. Apparatus and methods for sensor-less optimization of methanol concentration in a direct methanol fuel cell system
FR2820244B1 (fr) * 2001-01-26 2003-12-12 Technicatome Plaque bipolaire legere pour pile a combustible et son procede de fabrication
CA2608033A1 (en) * 2001-02-16 2002-08-22 Sumitomo Titanium Corporation Titanium powder sintered compact
SE0100659L (sv) * 2001-02-27 2002-02-26 Cellkraft Ab Bipolär platta för bränslecell eller elektrokemisk reaktor samt användning av plattan i en bränslecellstack eller elektrokemisk reaktor
US7189468B2 (en) 2001-03-16 2007-03-13 Creare Inc. Lightweight direct methanol fuel cell
US6632553B2 (en) * 2001-03-27 2003-10-14 Mti Microfuel Cells, Inc. Methods and apparatuses for managing effluent products in a fuel cell system
JP2002343379A (ja) * 2001-05-21 2002-11-29 Aisin Seiki Co Ltd 燃料電池、燃料電池用電極、燃料電池用電極の処理方法
US20020192537A1 (en) * 2001-06-15 2002-12-19 Xiaoming Ren Metallic layer component for use in a direct oxidation fuel cell
US6913844B2 (en) * 2001-06-29 2005-07-05 Porvair Corporation Method for humidifying reactant gases for use in a fuel cell
US6811918B2 (en) * 2001-11-20 2004-11-02 General Motors Corporation Low contact resistance PEM fuel cell
US20030118888A1 (en) * 2001-12-05 2003-06-26 Gencell Corporation Polymer coated metallic bipolar separator plate and method of assembly
US20030134178A1 (en) * 2001-12-21 2003-07-17 3M Innovative Properties Company Precompressed gas diffusion layers for electrochemical cells
EP1327492A1 (de) * 2002-01-15 2003-07-16 N.V. Bekaert S.A. Poröser Metallstapel für Brennstoffzellen oder Elektrolyseure
EP1328030A1 (de) * 2002-01-15 2003-07-16 N.V. Bekaert S.A. Metallstapel für Brennstoffzellen oder Elektrolyseure
US6981877B2 (en) * 2002-02-19 2006-01-03 Mti Microfuel Cells Inc. Simplified direct oxidation fuel cell system
US6858341B2 (en) * 2002-05-21 2005-02-22 Idatech, Llc Bipolar plate assembly, fuel cell stacks and fuel cell systems incorporating the same
US20040031143A1 (en) * 2002-05-31 2004-02-19 William Morris Method of manufacturing metal air cell system
JP3760895B2 (ja) * 2002-07-03 2006-03-29 日本電気株式会社 液体燃料供給型燃料電池、燃料電池用電極、およびそれらの製造方法
CA2435988A1 (en) * 2002-07-25 2004-01-25 Global Thermoelectric Inc. Metal foam interconnect
US6838202B2 (en) * 2002-08-19 2005-01-04 General Motors Corporation Fuel cell bipolar plate having a conductive foam as a coolant layer
US20040062980A1 (en) * 2002-09-30 2004-04-01 Xiaoming Ren Fluid management component for use in a fuel cell
US7297430B2 (en) * 2002-10-01 2007-11-20 Mti Microfuel Cells, Inc. Anode diffusion layer for a direct oxidation fuel cell
US7001687B1 (en) 2002-10-04 2006-02-21 The Texas A&M University System Unitized MEA assemblies and methods for making same
US7005209B1 (en) 2002-10-04 2006-02-28 The Texas A&M University System Fuel cell stack assembly
EP1568095A2 (de) * 2002-12-04 2005-08-31 Lynntech Power Systems Limited Mit kleber verbundene elektrochemische zellenstapel
JP2004273359A (ja) * 2003-03-11 2004-09-30 Sumitomo Electric Ind Ltd 多孔質部材とその製造方法及びそれを用いた電気化学装置
US7407721B2 (en) * 2003-04-15 2008-08-05 Mti Microfuel Cells, Inc. Direct oxidation fuel cell operating with direct feed of concentrated fuel under passive water management
US20050170224A1 (en) * 2003-04-15 2005-08-04 Xiaoming Ren Controlled direct liquid injection vapor feed for a DMFC
US7282293B2 (en) * 2003-04-15 2007-10-16 Mti Microfuel Cells Inc. Passive water management techniques in direct methanol fuel cells
DE10323880A1 (de) * 2003-05-26 2004-12-23 Siemens Ag Bipolarplatte und Brennstoffzelle mit einer derartigen Bipolarplatte
US20040247927A1 (en) * 2003-06-06 2004-12-09 Kurz Douglas L. Method of producing seamless, multi-layer, bonded, metallic, laminate strips or coils of arbitrarily long length
US7093623B2 (en) * 2003-06-27 2006-08-22 The Gillette Company Methods of providing refueling for fuel cell-powered devices
US20050017055A1 (en) * 2003-07-24 2005-01-27 Kurz Douglas L. Electrochemical fuel cell component materials and methods of bonding electrochemical fuel cell components
US7923137B2 (en) 2003-10-09 2011-04-12 Eveready Battery Company, Inc. Nonaqueous cell with improved thermoplastic sealing member
DE10347793A1 (de) * 2003-10-14 2005-05-19 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellenanlage sowie Verfahren zum Betreiben der Brennstoffzellenanlage
US20050142398A1 (en) * 2003-12-24 2005-06-30 General Electric Company Prevention of chromia-induced cathode poisoning in solid oxide fuel cells (SOFC)
US7029587B2 (en) * 2004-04-02 2006-04-18 Lynntech, Inc. Water purification
US7687175B2 (en) * 2004-05-03 2010-03-30 Gm Global Technology Operations, Inc. Hybrid bipolar plate assembly and devices incorporating same
DE102004023712B4 (de) * 2004-05-11 2007-02-01 Schunk Kohlenstofftechnik Gmbh Bipolarplatte sowie Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle
KR101082810B1 (ko) * 2005-11-01 2011-11-11 가부시키가이샤 도모에가와 세이시쇼 가스 확산 전극, 막-전극 접합체, 고체 고분자형 연료 전지및 이들의 제조 방법
US7785748B2 (en) * 2006-04-03 2010-08-31 University Of Delaware Nano-based gas diffusion media
JP4678359B2 (ja) * 2006-10-25 2011-04-27 トヨタ車体株式会社 燃料電池
JP5046612B2 (ja) * 2006-10-27 2012-10-10 本田技研工業株式会社 燃料電池
US8455155B2 (en) * 2006-11-22 2013-06-04 GM Global Technology Operations LLC Inexpensive approach for coating bipolar plates for PEM fuel cells
JP2008204710A (ja) * 2007-02-19 2008-09-04 Toyota Motor Corp 燃料電池、燃料電池用接合体及びその製造方法
DE102007016905A1 (de) * 2007-04-02 2008-10-09 Staxera Gmbh Interkonnektoranordnung und Verfahren zur Herstellung einer Kontaktanordnung für einen Brennstoffzellenstapel
JP5067577B2 (ja) * 2008-12-01 2012-11-07 トヨタ自動車株式会社 燃料電池
US8889314B2 (en) * 2009-01-13 2014-11-18 GM Global Technology Operations LLC Bipolar plate for a fuel cell stack
EP2211406B1 (de) * 2009-01-15 2012-05-30 STMicroelectronics (Tours) SAS Elektrode für Brennstoffzelle
US20110014537A1 (en) * 2009-07-16 2011-01-20 Ford Motor Company Fuel cell
US8916313B2 (en) * 2009-07-16 2014-12-23 Ford Motor Company Fuel cell
US8506787B2 (en) * 2009-07-31 2013-08-13 Infinity Fuel Cell And Hydrogen, Inc. Electrochemical cell
WO2011150458A1 (en) * 2010-06-01 2011-12-08 The University Of Queensland A fuel cell stack
GB2505693A (en) * 2012-09-07 2014-03-12 Univ Dublin City A proton exchange membrane fuel cell with open pore cellular foam
JP6439263B2 (ja) * 2014-03-20 2018-12-19 東レ株式会社 ガス拡散電極の製造装置
KR101816342B1 (ko) * 2014-12-12 2018-01-08 현대자동차주식회사 연료전지 스택
DE102015225717A1 (de) * 2015-12-17 2017-06-22 Robert Bosch Gmbh Einsatz von leitfähigen und hochporösen Vliesen als Bipolarplatte in PEM-Brennstoffzellen
DE102016213537A1 (de) * 2016-07-25 2018-01-25 Robert Bosch Gmbh Verfahren zur Herstellung eines Stromsammlers für eine Brennstoffzelle und Brennstoffzelle
GB2554387B (en) * 2016-09-23 2019-04-17 Univ Cape Town A fuel cell component
US11885026B2 (en) 2020-02-26 2024-01-30 Treadstone Technologies, Inc. Component having improved surface contact resistance and reaction activity and methods of making the same
US20230127900A1 (en) * 2021-10-22 2023-04-27 Bell Textron Inc. Fuel Cell Metallic Gas Diffusion Layer
CN114025142B (zh) * 2021-10-28 2023-06-13 四川启睿克科技有限公司 一种液冷散热冷头、液冷散热系统及激光电视
DE102022110126A1 (de) 2022-04-27 2023-11-02 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Elektrochemische Zelle und Verfahren zur Herstellung eines Bauteils einer elektrochemischen Zelle
EP4292731A1 (de) * 2022-06-17 2023-12-20 Element 22 GmbH Verfahren zur herstellung von geschichteten plattenstrukturen aus titan oder titanlegierungen zur verwendung in elektroden von pem-elektrolyseuren und/oder brennstoffzellen
EP4343898A1 (de) * 2022-09-21 2024-03-27 iGas energy GmbH Kombination von poröser transportschicht und bipolarplatte für elektrochemische zellen

Family Cites Families (36)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3677721A (en) * 1970-12-07 1972-07-18 Union Carbide Corp Porous metal bodies of uniform porosity
US4175165A (en) 1977-07-20 1979-11-20 Engelhard Minerals & Chemicals Corporation Fuel cell system utilizing ion exchange membranes and bipolar plates
US4297421A (en) 1977-11-10 1981-10-27 The International Nickel Co., Inc. Battery and electrolytic cell electrodes
US4533455A (en) 1980-10-14 1985-08-06 Oronzio De Nora Impianti Elettrochimici S.P.A. Bipolar separator plate for electrochemical cells
FR2506080B1 (fr) * 1981-05-13 1985-07-19 Inst Francais Du Petrole Support collecteur de courant pour electrode de generateurs electrochimiques
IT1192945B (it) 1982-12-31 1988-05-26 Mario Bertocci Motore a carburazione volumetrico con stantuffi intubati e valvole a scorrimento
EP0154772B1 (de) 1984-01-26 1988-08-03 BBC Brown Boveri AG Bipolarplatte für einen aus mehreren elektrochemischen Zellen mit Feststoffelektrolyt aufgebauten stapelartigen Apparat und Verfahren zu deren Herstellung
JPS61260550A (ja) * 1985-05-15 1986-11-18 Kobe Steel Ltd 燃料電池のための複合化構成要素
US4733425A (en) 1986-06-16 1988-03-29 Sanderson-Macleod, Inc. Mascara brush
US4900643A (en) 1988-04-08 1990-02-13 Globe-Union Inc. Lead acid bipolar battery plate and method of making the same
US4973358A (en) 1989-09-06 1990-11-27 Alcan International Limited Method of producing lightweight foamed metal
US5112703A (en) 1990-07-03 1992-05-12 Beta Power, Inc. Electrochemical battery cell having a monolithic bipolar flat plate beta" al
US5264305A (en) 1991-05-03 1993-11-23 Energy Research Corporation Zinc secondary battery having bipolar plate construction with horizontally disposed battery components
US5200281A (en) 1991-11-18 1993-04-06 Westinghouse Electric Corp. Sintered bipolar battery plates
KR950703496A (ko) 1992-09-21 1995-09-20 게르할트 호프만, 디터 졸텐후스 발폭성 혼합물과 에어백용 가스발생기
IT1270878B (it) 1993-04-30 1997-05-13 Permelec Spa Nora Migliorata cella elettrochimica utilizzante membrane a scambio ionico e piatti bipolari metallici
US5348817A (en) 1993-06-02 1994-09-20 Gnb Battery Technologies Inc. Bipolar lead-acid battery
JPH07220734A (ja) * 1994-01-31 1995-08-18 Mitsubishi Heavy Ind Ltd ガス拡散電極の製造方法
US5496655A (en) 1994-10-12 1996-03-05 Lockheed Idaho Technologies Company Catalytic bipolar interconnection plate for use in a fuel cell
JP3628756B2 (ja) * 1995-04-28 2005-03-16 ペルメレック電極株式会社 ガス拡散電極
DE69611778T2 (de) 1995-07-05 2001-06-13 Nisshin Spinning Separator für feststoffpolyelektrolytbrennstoffzellen und dessen herstellung
US5641586A (en) * 1995-12-06 1997-06-24 The Regents Of The University Of California Office Of Technology Transfer Fuel cell with interdigitated porous flow-field
US6054228A (en) * 1996-06-06 2000-04-25 Lynntech, Inc. Fuel cell system for low pressure operation
IT1284072B1 (it) 1996-06-26 1998-05-08 De Nora Spa Cella elettrochimica a membrana provvista di elettrodi a diffusione gassosa contattati da portacorrente metallici lisci e porosi a
US5800946A (en) 1996-12-06 1998-09-01 Grosvenor; Victor L. Bipolar lead-acid battery plates
JPH10172590A (ja) * 1996-12-12 1998-06-26 Fuji Electric Corp Res & Dev Ltd 固体電解質型燃料電池
US5776624A (en) * 1996-12-23 1998-07-07 General Motors Corporation Brazed bipolar plates for PEM fuel cells
US6146780A (en) * 1997-01-24 2000-11-14 Lynntech, Inc. Bipolar separator plates for electrochemical cell stacks
FR2764443B1 (fr) * 1997-06-10 1999-09-03 Peugeot Pile a combustible du type a distributeurs de reactifs en forme de plaques
US5981098A (en) * 1997-08-28 1999-11-09 Plug Power, L.L.C. Fluid flow plate for decreased density of fuel cell assembly
AUPO897897A0 (en) * 1997-09-05 1997-09-25 Ceramic Fuel Cells Limited An interconnect device for a fuel cell assembly
DE69835440T2 (de) * 1997-10-14 2007-02-22 Toyota Jidosha K.K., Toyota Separator für eine Brennstoffzelle vom Niedrigtemperatur-Typ und Verfahren zu dessen Herstellung
US6232010B1 (en) * 1999-05-08 2001-05-15 Lynn Tech Power Systems, Ltd. Unitized barrier and flow control device for electrochemical reactors
DE19815796C2 (de) * 1998-04-08 2000-06-08 Forschungszentrum Juelich Gmbh Brennstoffzellenstapel mit einer eine poröse Wand aufweisenden bipolaren Platte
US6020083A (en) * 1998-10-30 2000-02-01 International Fuel Cells Llc Membrane electrode assembly for PEM fuel cell
US6194098B1 (en) * 1998-12-17 2001-02-27 Moltech Corporation Protective coating for separators for electrochemical cells

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006040030A1 (de) * 2006-08-23 2008-03-20 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Wiederholeinheit für einen Stapel elektrochemischer Zellen, Stapelanordnung und Verfahren zum Herstellen einer Wiederholeinheit
DE102006040030B4 (de) * 2006-08-23 2009-09-03 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Stapeleinheit für einen Stapel elektrochemischer Zellen, Stapelanordnung und Verfahren zum Herstellen einer Stapeleinheit

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ATE292326T1 (de) 2005-04-15
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US6562507B1 (en) 2003-05-13
EP1214749A2 (de) 2002-06-19
US6232010B1 (en) 2001-05-15
WO2000069003A2 (en) 2000-11-16
US6991869B2 (en) 2006-01-31

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