DE60212001T2

DE60212001T2 - Flüssigkeitsverteilungsplatte-geometrien

Info

Publication number: DE60212001T2
Application number: DE60212001T
Authority: DE
Inventors: Charles James BOFF; Christopher Mark Madeira Walk Windsor TURPIN
Original assignee: Morgan Crucible Co PLC
Current assignee: Morgan Crucible Co PLC
Priority date: 2001-02-12
Filing date: 2002-02-05
Publication date: 2006-12-07
Anticipated expiration: 2022-02-06
Also published as: US7067213B2; WO2002065566A1; EP1264360B1; CN1502140A; CA2437892A1; CN100459254C; DE60212001D1; EP1264360A1; JP2004520692A; US20040023100A1; KR100840585B1; CA2437892C; ATE329375T1; KR20030088893A; JP4291575B2; MXPA03007132A

Description

Diese Erfindung betrifft Brennstoffzellen und Elektrolyseure und ist insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, auf Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen und Elektrolyseure anwendbar.
Brennstoffzellen sind Geräte, in denen sich ein Brennstoff und ein Oxidationsmittel in kontrollierter Weise verbinden, um auf direktem Weg Elektrizität herzustellen. Bei direkter Herstellung von Elektrizität ohne zwischenzeitliche Verbrennungs- und Erzeugungsschritte ist die elektrische Effizienz einer Brennstoffzelle höher als beim Verwenden des Brennstoffs in einem herkömmlichen Generator. Dies ist weithin bekannt. Eine Brennstoffzelle klingt einfach und erstrebenswert aber viele Mannjahre Arbeit sind in den vergangenen Jahren aufgewendet worden bei dem Versuch praktische Brennstoffzellsysteme herzustellen. Ein Elektrolyseur ist eigentlich eine umgekehrte Brennstoffzelle, in welcher Elektrizität verwendet wird, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten.
Sowohl Brennstoffzellen als auch Elektrolyseure werden wahrscheinlich wichtige Teile der sogenannten "Wasserstoffwirtschaft". Im Folgenden wird Bezug genommen auf Brennstoffzellen, aber es sollte daran gedacht werden, dass die gleichen Prinzipien auf Elektrolyseure zutreffen. Ein Typ Brennstoffzelle in der kommerziellen Produktion ist die sogenannte Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEM) [manchmal bezeichnet als Polymerelektrolyt- oder Festkunststoffbrennzelle (PEFCs)]. Diese Zellen verwenden Wasserstoff als Brennstoff und umfassen eine elektrisch isolierende (aber ionisch leitende) Polymermembran mit auf beiden Oberflächen verteilten, porösen Elektroden. Die Membran ist typischerweise ein Fluorosulfonatpolymer und die Elektroden umfassen typischerwei se einen auf einem kohlenstoffhaltigen Pulversubstrat verteilten Edelmetallkatalysator. Diese Anordnung von Elektroden und Membran wird oft als Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) bezeichnet.
Wasserstoffbrennstoff wird an eine Elektrode (die Anode) geliefert, wo er oxidiert, um Elektronen an die Anode und Wasserstoffionen an den Elektrolyten abzugeben. Ein Oxidationsmittel (typischerweise Luft oder Sauerstoff) wird an die andere Elektrode (die Kathode) geleitet, wo sich die Elektronen von der Kathode mit dem Sauerstoff und den Wasserstoffionen verbinden, um Wasser zu erzeugen. Eine Unterklasse von Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen ist die direkte Methanolbrennstoffzelle, in der Methanol als Brennstoff zur Verfügung gestellt wird. Diese Erfindung beabsichtigt, solche Brennstoffzellen abzudecken und tatsächlich jede andere Brennstoffzelle, die eine Protonenaustauschmembran verwendet.
In kommerziellen PEM-Brennstoffzellen sind viele solche Membranen zusammengestapelt, getrennt durch Flüssigkeitsverteilungsplatten (auch als bipolare Platten bezeichnet). Die Flüssigkeitsverteilungsplatten sind typischerweise aus Metall oder Grafit gebildet, um einen guten Transfer von Elektronen zwischen der Anode einer Membran und der Kathode einer benachbarten Membran zu erlauben. Die Flüssigkeitsverteilungsplatten haben ein Muster von Rillen auf ihrer Oberfläche, um Flüssigkeit (Brennstoff oder Oxidationsmittel) zu liefern und Wasser, das als Reaktionsprodukt der Brennstoffzelle hergestellt wurde, zu entfernen.
Zum Herstellen der Rillen sind verschiedene Methoden beschrieben worden, z. B. ist vorgeschlagen worden, solche Rillen durch Bearbeiten, Prägen oder Formen zu bilden (WO00/41260), und (wie es insbesondere für die vorliegende Erfindung nützlich ist) durch Sandstrahlen durch eine Abdeckung (WO01/04982).
Die internationale Patentanmeldung Nr. WO01/04982 offenbarte ein Verfahren zur Bearbeitung von Flüssigkeitsverteilungsplatten mittels Auflegen einer Abdeckung oder Maske auf eine Platte und anschließender Verwendung von Sandstrahlen (oder anderen angreifenden Verfahren, die das Moment sich bewegender Partikel verwenden, um die Oberfläche abzutragen, z. B. Wasserstrahlbearbeitung) um Merkmale zu bilden, die einem Muster entsprechen, das in der Maske oder der Abdeckung geformt war.
Solch ein Prozess wurde bei WO01/04982 als geeignet gezeigt, entweder Löcher durch die Flüssigkeitsverteilungsplatten oder geschlossene Bodengruben oder -kanäle in den Flüssigkeitsverteilungsplatten zu formen. Das Verfahren der WO01/04982 wird in seiner Gesamtheit hierin aufgenommen, als es ausreichend Hintergrund gibt, die Erfindung auszuführen.
In der Praxis wird der Großteil der heutzutage hergestellten Platten durch Fräsen der Kanäle geformt.
WO 00/41260 offenbarte eine Flüssigkeitsverteilungsgeometrie, in der im Wesentlichen gerade parallele Kanäle mit einer Breite von weniger als etwa 0,75 mm zur Verfügung gestellt werden.
WO 00/26981 offenbart eine ähnliche Geometrie, in der hochparallele Fließkanäle mit einer Breite von weniger als 800 μm, die durch Stege von weniger als 800 μm getrennt sind, verwendet werden. Diese Geometrie soll die Gasverteilung verbessern, da der Bedarf für seitliche Gasverteilung durch das MEA verringert wird (erwähnt in WO 00/26981 als DCC [Diffusionsstromsammler]). Die Geometrie soll auch den elektrischen Widerstand reduzieren da sie die elektrische Weglänge zu Stegbereichen reduziert. Es gibt einen Gegensatz zwischen den elektrischen und Gaseigenschaften, der in WO 00/26981 beschrieben ist, wonach verringerte Stegbereiche den elektrischen Widerstand erhöhen sollen. WO 00/26981 sagt, dass diese gegensätzlichen Anforderungen optimiert werden können. WO 00/26981 legt dar, dass das Muster der hochparallelen Mikrokanäle Zwi schenverbindungen oder Verzweigungsstellen wie etwa in Schraffierungen oder Gittermustern enthalten können. Es wird dargelegt, dass ein Vorteil der Verwendung enger Kanäle sei, dass dies Wassertropfenbildung in den Kanälen fördert, so dass eine effiziente Wasserentfernung erlaubt wird. Jedoch dürfte dieser Vorteil nicht beobachtet werden, wenn ein Gittermuster verwendet wird, da der Druck auf beiden Seiten eines Wassertropfen wahrscheinlich im Wesentlichen gleich ist.
Zitiert gegen WO 00/26981 sind:
US 3814631 , welches eine Elektrodenkonstruktion offenbart, in der mit Mikrokanälen von mehr als 0,3 mm Breite in einer Rahmenkante, die zu einer texturierten Elektrode führen, in welcher Vorsprünge auf der einen Oberfläche der Elektrode in Vertiefungen auf der gegenüberliegenden Oberfläche der Elektrode passen.
US 5108849 , welches eine Platte mit gewundene Bahnen von 0,76 mm (0,03 inch [Zoll]) Breite oder mehr mit Stegbreiten von 0,254 mm (0,01 Inch [Zoll]) oder mehr offenbart.
WO 94/11912, welches eine Platte mit unterbrochenen Bahnen von 0,76 mm (0,03 inch [Zoll]) Breite und Tiefe offenbart. Diese Bahnen können ineinander greifen.
WO 98/52242, welche Mittel zur Befeuchtung der Membran offenbart.
Enge Kanäle sind von anderen Geräten her bekannt, z. B. WO 94/21372 offenbart einen chemischen Prozessapparat umfassend einen dreidimensional gewundenen Kanal, der durch Ausrichten von Teilkanälen in benachbarten Scheiben geformt wird. Solch eine Konstruktion ist noch nicht für Brennstoffzellen verwendet worden.
Keines der brennstoffzellenbezogenen Patente offenbart eine Struktur grober Gaszufuhrkanäle, die zu feinen Gasdiffusionskanälen führen.
Um sicher zu stellen, dass die Flüssigkeiten gleichmäßig an ihre jeweiligen Elektrodenoberflächen verteilt werden, wird eine sogenannte Gasdiffusionsschicht (GDL) zwischen der Elektrode und der Flüssigkeitsverteilungsplatte platziert. Die Gasdiffusionsschicht ist ein poröses Material und umfasst typischerweise ein Kohlenstoffpapier oder -gewebe mit oft einer gebundenen Schicht Kohlenstoffpulver auf einer Oberfläche und beschichtet mit einem hydrophoben Material, um die Wasserabstoßung zu fördern. Es ist vorgeschlagen worden, eine ineinandergreifende Flüssigkeitsverteilung unterhalb eines makroporösen Materials (US-A-5641586) zur Verfügung zu stellen mit einer verbundenen Porosität mit einem Porengrößenbereich 20 bis 100 μm, was eine Verringerung der Größe der Gasdiffusionsschicht erlaubt. Solch eine Anordnung gestattet den Gasfluss um verstopfte Poren herum, was nachteilhaft ist. Der Aufbau von Reaktionsprodukten (wie etwa Wasser) kann in diesen Poren auftreten, was die Gastranporteffizienz verringert. Zusätzlich erhöht eine solche Struktur die Dicke der Flüssigkeitsverteilungsplatte.
Die Erfinder haben untersucht, was in einer Brennstoffzelle passiert und sind zu dem Schluss gekommen, dass die Gasdiffusionsschicht nicht das tut, was ihr Name impliziert. Die Theorie war, dass die Gasdiffusionsschicht dazu dient eine Diffusion des Gases über die gesamte Oberfläche der Membran zu ermöglichen, so dass große Teile der Membran in der Zellreaktion aktiv sind. Die Erfinder haben festgestellt, dass in einfachen Modellen das Gas anscheinend nicht in alle der Stege zwischen den Kanälen eintritt, sondern nur den Bereich oberhalb der Kanäle und einen schmalen Rand um die Kanäle herum. Der Großteil der Elektrizitätsentwicklung findet in diesen eingeschränkten Regionen statt. Dies wird unterstützt durch die Beobachtung, dass verflochtene Kanäle eine höhere elektrische Effizienz zeigen, da das Gas in die Bereiche zwischen den Stegen gezwungen wird. Die Gasdiffusionsschicht dient jedoch tatsächlich einem nützlichen Zweck durch Transportieren von Ladung aus diesen Bereichen der Membranelektrode oberhalb der Kanäle zu den Stegen und im zur Verfügung Stellen von mechanischer Unterstützung der Membranelektrode, um zu verhindern, dass sie in die Ka näle gedrückt wird. Einige Erfinder haben vorgeschlagen, die Membranelektroden zu verstärken.
Mit dem Transport der Ladung durch die Gasdiffusionsschicht von jenen Bereichen, wo die Elektrizität erzeugt wird, zu den Stegen führt natürlich zu elektrischen Verlusten aufgrund des elektrischen Widerstandes der Gasdiffusionsschicht. Gegenwärtig vorliegende Gasdiffusionsschichten werden nach genauester Abwägung der Bedürfnisse bezüglich mechanischer Festigkeit, elektrischer Leitfähigkeit und Gaspermeabilität ausgewählt.
Eine kombinierte Flüssigkeitsverteilungsplatte und Gasdiffusionsschicht ist beschrieben worden in US-A-6037073 und umfasst einen selektiv imprägnierten Körper aus porösem Kohlenstoffmaterial, wobei die Imprägnierung einen Teil der Platte hermetisch abdichtet. Solch eine Anordnung hat die Nachteile, dass es kompliziert ist, sie reproduzierbar herzustellen und dass es Gasfluss um die Blockaden herum erlaubt. Ein zusammengebauter Körper von Flüssigkeitsverteilungsplatten und Membranen mit verbundenen Brennstoff- und Oxidationsmittelzulieferleitungen wird oft als Brennstoffzellenstapel bezeichnet.
Obwohl die oben beschriebene Technologie sich als nützlich erwiesen hat in Prototypen und in begrenztem Umfang in kommerziellen Anwendungen, besteht nun die Anforderung, um eine breitere kommerzielle Akzeptanz zu erreichen, die physische Größe eines Brennstoffzellenstapels zu reduzieren und seine Kosten zu reduzieren. Dementsprechend könnte eine Verringerung der Anzahl der Komponenten nützliche Auswirkungen auf Größe und Kosten haben (sowohl aufgrund von Material- und Montagekosten).
Außerdem wiesen die Flüssigkeitsverteilungsplatten des Standes der Technik Flüssigkeitsverteilungen in gewundener, linearer oder verwobener Form auf, haben aber andere physikalische Systeme zur Verbesserung der Gasflusswege nicht beachtet. Diese existierenden Flüssigkeitsverteilungsmuster neigen dazu, ein Problem mit Gas-„Kurzschlüssen" durch Übertreten von einem Kanal zu einem benachbarten Kanal mit signifikant niedrigerem Druck zu haben.
Die Erfinder haben erkannt, dass das Ziel der gleichmäßigen Verteilung des Gases über die Elektroden durch das Anfertigen ausreichend feiner Kanäle auf der Oberfläche der Flüssigkeitsverteilungsplatte ohne den Gebrauch einer separaten Gasdiffusionsschicht erreicht werden kann. Das Heruntersinken der Membran in die Kanäle kann durch den Gebrauch einer verstärkten Membran oder eines niedrigeren Spanndrucks, sofern geeignet, verhindert werden.
Die Erfinder haben weiterhin erkannt, dass durch den Vergleich mit physiologischen Systemen (die Lunge) verbesserte Flüssigkeitsverteilungsgeometrien realisiert werden können, die wahrscheinlich niedrigere parasitäre Verluste aufgrund ihrer kürzeren Gasflusswege haben. Sie haben auch erkannt, dass solche Geometrien weniger wahrscheinlich an Gaskurzschlüssen leiden.
Zusätzlich haben die Erfinder erkannt, dass der Gebrauch von engen Bahnen in einer Verringerung elektrischer Widerstandsverluste in der Gasdiffusionsschicht resultiert, da dort kürzere Wege von den elektrisch aktiven Regionen der Membranelektrode zu den Stegen zwischen den Kanälen sind. Auf der anderen Seite, da die Wege von den elektrisch aktiven Regionen der Membranelektrode zu den Stegen zwischen den Kanälen kürzer sind, kann dann ein höherer Gasdiffusionsschichtwiderstand toleriert werden, um es zu erlauben, eine größere Auswahl an Materialen für die Gasdiffusionsschicht in Erwägung zu ziehen.
Die vorliegende Erfindung stellt daher eine Flüssigkeitsverteilungsplatte für eine Brennstoffzelle oder einen Elektrolyseur zur Verfügung, die auf wenigstens einer Fläche ein Netz von zunehmend feineren Kanälen aufweist, die einen oder mehrere Gaslieferungskanäle aufweisen und eine Vielzahl von daran angeschlossenen Gasdiffusionskanälen mit einer Breite geringer als 0,2 mm.
Die Gaslieferungskanäle können einen oder mehrere Primärkanäle mit einer Breite > 1 mm aufweisen und eine Vielzahl von daran angeschlossenen Sekundärgaslieferungskanälen mit einer Breite < 1 mm.
Die Gaslieferungskanäle können eine verzweigte Struktur bilden.
Die Gasdiffusionskanäle können verschiedene Breiten haben, die eine verzweigte Struktur von einer sich immer stärker verringernden Kanalbreite bilden ähnlich zu der verzweigten Struktur von Blutgefäßen und Luftkanälen in der Lunge.
Die Erfindung wird veranschaulicht anhand eines nicht beschränkenden Beispiels in der folgenden Beschreibung mit Bezug zu der Zeichnung in der:
1 in einem Teilstück ein Teil der durch Sandstrahlen geformte Gaslieferungskanäle und Gasdiffusionskanäle Flüssigkeitsverteilungsplatte schematisch zeigt;
2 eine partielle Grundrissansicht einer Flüssigkeitsverteilungsplatte mit Gaslieferungskanäle und Gasdiffusionskanäle schematisch zeigt;
3 eine nach dem Stand der Technik entworfene Flüssigkeitsverteilungsplatte schematisch zeigt, um das Kurzschlussproblem zu illustrieren;
4 eine Anordnung von Kanälen nach dem Stand der Technik schematisch zeigt und
5 ein Teilstück eines verzweigten Flüssigkeitsverteilungsmusters in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt.
Zur Herstellung von Gaslieferungs- und Gasdiffusionskanäle kann eine Technik wie etwa Sandstrahlen verwendet werden, in der eine Schablone oder eine Abdeckung auf die Oberfläche der Platte angebracht wird, wobei die Schablone oder die Abdeckung ein zu der gewünschten Kanalgeometrie korrespondierendes Muster aufweist. So eine Technik ist beschrieben in WO 01/04982, welche in ihrer Gesamtheit hierin aufgenommen wird, um die vorliegende Erfindung zu ermöglichen. Mit dieser Technik können die Platten aus einem Grafit-/Kunstharz-Verbundstoff oder einem anderen nicht porösen elektrisch leitendem Material hergestellt werden, das nicht signifikant mit den verwendeten Reaktionspartnern reagiert.
Es wurde bei dieser Methode festgestellt, dass die Querschnitte der verschieden breiten Kanäle aufgrund des durch die Maske geworfenen Schattens variieren. 1 zeigt eine Flüssigkeitsverteilungsplatte 1 mit einem engen Kanal 2 geformt in ihrer Oberfläche. Aufgrund des Schatten werfenden Effekts der beim Formen des Kanals verwendeten Abdeckung wird der Kanal tatsächlich nur dem von direkt oberhalb kommenden Strahlsand ausgesetzt. Dies führt zu einem im Allgemeinen halbrunden Querschnitt des Kanals und zu einem flachen Schnitt des Kanals.
Für zunehmend größere Kanäle (3 und 4) wirft die Abdeckung weniger Schatten wobei das Auftreffen des Strahlsandes auf die Oberfläche in einem zunehmend größeren Winkelbereich ermöglicht wird, um so sowohl tiefere Schnitte in die Oberfläche als auch einen zunehmend flacheren Boden der Kanäle zu ermöglichen.
Dementsprechend kann ein Muster von Kanälen verschiedener Breiten und Tiefen aufgebracht werden durch Aufbringen einer Abdeckung mit verschieden breiten Kanälen auf eine Platte und Aussetzen der Platte und der Abdeckung dem Sandstrahlen mit feinem Strahlsand.
Das Auftragen solcher Muster von Kanälen von unterschiedlicher Breite und Tiefe hat Vorteile. Bei Flüssigkeitsverteilungsplatten ist die Absicht hinter den konventionell aufgebrachten Kanälen zu versuchen, eine gleichmäßige Zufuhr von Reaktandenmaterial zu den Elektroden sicher zu stellen und die sofor tige Entfernung von abreagierten Produkten sicherzustellen. Jedoch ist die Länge der Strecke, die das Material zu durchlaufen hat, hoch, da normalerweise eine gewundene Bahn verwendet wird.
Ein anderes System, in welchem es das Ziel ist, Reaktanden gleichmäßig zu einer Reaktandenoberfläche zu liefern und abreagierte Produkte zu entfernen, ist die Lunge. Die Lunge weist eine Anordnung von zunehmend feineren Kanälen auf, so dass Luft einen kurzen Weg zu ihrer Reaktionsstelle in der Lunge hat und Kohlendioxid wieder einen kurzen Weg heraus hat. Beim Bereitstellen eines Netzes von zunehmend feineren Kanälen in der Flüssigkeitsverteilungsplatte haben Reaktandgase einen kurzen Weg zu ihrer Reaktionsstelle.
Der Inhalt der feinsten Kanäle könnte einfach in breite Gasentfernungskanäle ausströmen oder, wie in der Lunge, ein korrespondierendes Netzwerk von zunehmend breiteren Kanälen aus der Flüssigkeitsverteilungplatte heraus könnte bereitgestellt werden. Im letzten Fall könnten die zwei Netzwerke von zunehmend feineren Kanälen und zunehmend breiteren Kanälen an den Enden verbunden sein oder als verwobenes Netzwerk angeordnet sein mit Diffusion durch eine Gasdiffusionsschicht oder durch das Elektrodenmaterial, wobei die Verbindung hergestellt wird. Die Verbindung Ende an Ende hat den Vorteil, dass ein hoher Druck in den Kanälen aufrecht erhalten wird, was die Entfernung von Verstopfungen unterstützt.
2 zeigt in einem schematischen Plan einen Teil einer Flüssigkeitsverteilungsplatte mit breiten primären Gaslieferungskanälen 4, welche in sekundäre Gaslieferungskanäle 3 auseinandergehen, welche selbst auseinander gehen in Gasdiffusionskanäle 2. Gasdiffusionskanäle 5 können auch aus den primären Gaslieferungskanälen 4 herauskommen, wenn nötig. Die primären und sekundären Gaslieferungskanäle können jeweils ein Netzwerk aus zunehmend feineren Kanälen bilden, wie die Gasdiffusionskanäle die Anordnung der Kanäle einer fraktalen Anordnung ähneln können.
Die primären Gaslieferungskanäle können eine Breite von größer als 1 mm, z. B. etwa 2 mm, haben. Die Tiefe von solch einem Kanal ist nur durch die Anforderung einer ausreichenden Festigkeit der Flüssigkeitsverteilungsplatte nach Formen des Kanals begrenzt. Ein typischer Kanal beträgt etwa 40 % der Plattendicke. Auf Ladungsplatten (6 mm dick) sind die Kanäle typischerweise 2,5 mm tief. Wenn die Platte dünner wird, dann wird die Kanaltiefe reduziert. Jedoch sind der Katalysator und GDL weiche Materialien, die sich einpassen in einen Kanal mit niedrigem Seitenverhältnis (flach und breit). Vorzugsweise ist daher das Seitenverhältnis der Kanäle typischerweise zwischen 0,5 und 2. Die sekundären Gaslieferungskanäle können eine Breite von weniger als 1 mm, z. B. 0,5 mm, haben und können flacher als die primären Gaslieferungskanäle sein. Die Gasdiffusionskanäle haben eine Breite von weniger als 0,2 mm, z. B. etwa 100 μm, und können noch flacher sein.
Durch Bereitstellen einer solchen Struktur haben die Reaktandprodukte eine kurze Distanz zu durchlaufen und können im Vergleich mit herkömmlichen Plattenausführungen effizient entfernt werden. Zusätzlich sind Gaskanäle in typischen Bipolarplatten von quadratischem oder rechteckigem Schnitt und millimetrisch in der Größe. Z. B. haben Ballard^TM-Platten einen 2,5 mm quadratischen Schnittkanal. APS^TM-Platten haben einen Kanal, der 0,9 mm breit ist bei einer Tiefe von 0,6 mm. Kleinere Kanäle sind vorteilhaft, da der Druckabfall pro Einheitlänge höher ist und der Druckabfall das ist, was die Reaktanden in die Diffusionsmedien drückt.
In einer konventionellen Flüssigkeitsverteilungsplatte 6, wie in 3 gezeigt, dringt Gas (Brennstoff oder Oxidant) durch eine erste Öffnung 7 ein und tritt durch eine zweite Öffnung 8 aus. Das Gas fließt in einem gewundenen Kanal 9 von Öffnung 7 zu Öffnung 8, wobei sich der Druck verringert, wenn es dies tut. Es wird begrüßt, dass an bestimmten Teilen 10 der Bahn der Druckunterschied zwischen benachbarten Bahnen hoch ist und dies in ein Gaskurzschließen des Kanals resultieren kann, so dass andere Teile 11 an Brennstoff oder Oxidant knapp sind. Das Kurzschließen tritt auf durch das Passieren des Gases zwischen der Membranelektrode und der Fläche der Flüssigkeitsverteilungsplatte. Die meisten Stromplatten haben einen Druckunterschied (ΔP) zwischen Einlass und Auslass von < 100 mbar auf der Luftseite. Verflochtene Platten haben ein hohes ΔP, typischerweise etwa den dreifachen atmosphärischen Druck.
Im Gegensatz dazu können in der vorliegenden Erfindung benachbarte Bahnen mit weitestgehend ähnlichem Drücken entworfen werden, wobei das Risiko des Kurzschließens reduziert wird.
WO 00/41260 erörtert umfassend Flüssigkeitsverteilungsausführungen, aber hat nicht anerkannt, dass beim Bereitstellen extrem feiner Kanäle (weniger als 0,2 mm) und beim Bereitstellen solcher Kanäle als Teil eines Netzwerks von progressiv abnehmender Breite der Druckabfall zwischen benachbarten Kanälen minimiert wird, womit ein Kurzschließen der Flüssigkeitsverteilung vermieden wird.
Der primäre Kanal/Kanäle muss von einer Größe sein, die ausreicht, das Arbeitsvolumen des von der Zelle benötigten Gases zu liefern. Dies ist etwa 25 L/min pro kW Arbeitskraft.
Die Flüssigkeitsverteilungsplatten können mit einer Gasdiffusionsschicht verwendet werden oder die Gasdiffusionskanäle können in einer ausreichenden Dichte über der Fläche der Flüssigkeitsverteilungsplatte zur Verfügung gestellt werden, um eine ausreichende Gasbelieferung sicher zu stellen, so dass eine Gasdiffusionsschicht weggelassen werden kann oder in der Dicke signifikant reduziert werden kann. Solch eine Reduzierung wird für vorteilhaft gehalten, da die GDL-Komponente einen bedeutenden Beitrag zu den Widerstandsverlusten in der Zelle leistet.
Die Grenze der Kanalbreite ist abhängig von der bei dem Sandstrahlverfahren verwendeten Schablonendicke. Image Pro^TM-Materialien (Chromaline Corp. US) sind sehr dick bei 125 μm. Diese Schablonen limitieren die Bahn breite auf etwa 100 μm. Andere Schablonenmaterialien können auf das Substrat sprühbeschichtet und in situ exponiert werden. Diese Materialien sind viel elastischer und können daher viel dünner sein. Chromaline SBX^TM kann verwendet werden, um Merkmale bis unter 10 bis 20 μm Breite zu ätzen.
WO00/26981 erörtert die Verwendung von Flüssigkeitsverteilern mit parallelen Kanälen, welche Verzweigungs- oder zwischenverbindende Punkte haben können wie etwa Schraffierungen oder Gittermuster. Solch ein Muster hat signifikante Nachteile und wird in 4 schematisch gezeigt. Wie in 4 gezeigt, wird ein Gitter von Kanälen 12 bereitgestellt. Wenn ein Tropfen Wasser 13 einen der Kanäle blockiert, kann Reaktionsgas leicht um den Tropfen herumfließen, dem Pfeil 14 folgend. Dies führt dazu, dass der Druck im Gasstrom unterhalb (A) des Tropfens dem Druck oberhalb (B) sehr ähnlich ist und somit kaum Triebkraft zur Entfernung des Tropfens besteht.
Im Gegensatz dazu fließt mit einem verzweigten Flüssigkeitsverteiler, wie in 5 gezeigt, Gas in einem verzweigenden Muster 15 wirksam zum Ende des Flüssigkeitsverteilungsfeldes und wieder zurück – der Weg für Reaktandgas von oberhalb des Tropfens 13 nach unterhalb des Tropfens ist lang. Das heißt, dass der Druck im Gasstrom oberhalb (B) des Tropfens bedeutend höher ist als der Druck unterhalb (A) des Tropfens und somit eine Triebkraft zur Entfernung des Tropfens liefert.
Wie allseits bekannt (siehe z. B. WO00/41260), braucht das gleiche Muster von Rillen nicht auf beide Flächen der Flüssigkeitsverteilung aufgebracht werden und die vorliegende Erfindung ist nicht beschränkt in dieser Weise.
Es ist bekannt, Flüssigkeitsverteilungsplatten bereit zu stellen, die einen elektrisch leitenden Kern und einen nicht leitenden Rahmen umfassen (z. B. WO97/50139, WO01/89019 und US3278336 ). Die Flüssigkeitsverteiler der vorliegenden Erfindung können in solchen Anordnungen verwendet werden mit entwe der dem gesamten Flüssigkeitsverteiler auf dem leitenden Kern oder teilweise auf dem nicht leitenden Rahmen und teilweise auf dem leitenden Kern.

Claims

Brennstoffzellenflüssigkeitsverteilungsplatte, die auf wenigstens einer Fläche ein Netz von progressiv feineren Kanälen aufweist, die einen oder mehrere Gaslieferungskanäle aufweisen, und eine Vielzahl von daran angeschlossenen Gasdiffusionskanälen mit einer Breite geringer als 0,2 mm.
Elektrolyseurflüssigkeitsverteilungsplatte, die auf wenigstens einer Fläche ein Netz von progressiv feineren Kanälen aufweist, die einen oder mehrere Gaslieferungskanäle aufweisen, und eine Vielzahl von daran angeschlossenen Gasdiffusionskanälen mit einer Breite geringer als 0,2 mm.
Flüssigkeitsverteilungsplatte nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, in der die Gaslieferungskanäle einen oder mehrere Primärkanäle mit einer Breite grösser als 1 mm aufweisen, und eine Vielzahl von daran angeschlossenen Sekundärgaslieferungskanälen mit einer Breite geringer als 1 mm.
Flüssigkeitsverteilungsplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, in der die Gasdiffusionskanäle eine verzweigte Struktur bilden.
Flüssigkeitsverteilungsplatte nach Anspruch 4, in der die Gasdiffusionskanäle eine sich verändernde Breite haben, die eine verzweigte Struktur von einer sich proggressiv verringernden Kanalbreite bilden.
Flüssigkeitsverteilungsplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine erste Anordnung von Kanälen zur Gaslieferung aufweist und eine zweite Anordnung von Kanälen zur Entfernung von Reaktantprodukten.
Flüssigkeitsverteilungsplatte nach Anspruch 6, in der die ersten und zweiten Anordnungen von Kanälen verflochten sind.
Flüssigkeitsverteilungsplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in der die Kanäle sich in ihrer Tiefe mit sich verringernder Breite verkleinern.
Flüssigkeitsverteilungsplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in der die Gasdiffusionskanäle in einer ausreichenden Dichte über der Oberfläche der Flüssigkeitsverteilungsplatte vorgesehen sind, um eine integrale Gasdiffusionsschicht zu bilden.
Flüssigkeitsverteilungsplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die einen elektrisch leitenden Kern und eine nicht leitende Fassung aufweist.
Brennstoffzellenstapel, der eine Vielzahl von Flüssigkeitsverteilungsplatten nach Anspruch 9 aufweist.