DE69826111T2

DE69826111T2 - Bipolare platten für elektrochemische zellenstapel

Info

Publication number: DE69826111T2
Application number: DE69826111T
Authority: DE
Inventors: J. Alan CISAR; J. Oliver MURPHY
Original assignee: LYNNTECH POWER SYSTEMS Ltd COLLEGE STATION; Lynntech Power Systems Ltd
Current assignee: LYNNTECH POWER SYSTEMS Ltd COLLEGE STATION; Lynntech Power Systems Ltd
Priority date: 1997-01-24
Filing date: 1998-01-23
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2018-01-24
Also published as: WO1998033221A2; US6638657B1; US6146780A; AU6648198A; EP0963614B1; WO1998033221A3; EP1484812A2; DE69826111D1; EP0963614A2; EP1484812A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung wurde mit staatlicher Unterstützung unter dem Vertrag N00014-95-C-0023, zuerkannt von der Navy/DARPA, gemacht. Die Regierung hat bestimmte Rechte an dieser Erfindung.
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Separatoren zwischen benachbarten elektrochemischen Zellen. Insbesondere betrifft die Erfindung leichtgewichtige bipolare Platten und Verfahren für deren Konstruktion.
Hintergrund der Erfindung
Elektrochemische Zellen, die eine Protonenaustauschmembran (PEM) verwenden, können in Zellstapeln mit bipolaren Separatorplatten zwischen benachbarten Zellen konfiguriert werden. Diese bipolaren Separatorplatten werden typischerweise aus einer Vielzahl von Metallen, wie Titan und rostfreiem Stahl, und nicht metallischen Leitern, wie Graphitkohlenstoff, hergestellt. Bipolare Separatorplatten können hergestellt werden durch Einarbeiten von Fluidflußfeldern in einer festen Platte des Materials. Die Flußfelder werden aus einer Reihe von Kanälen oder Rillen hergestellt, die eine Passage von Gasen und Flüssigkeiten ermöglichen.
1 ist eine Ansicht einer bipolaren Separatorplatte 10 aus dem Stand der Technik, die aus einer festen Platte eines leitenden Materials hergestellt ist. Der Mittelbereich der Platte weist ein Flußfeld 12 auf, das in ihre Oberfläche eingearbeitet worden ist. Das Flußfeld kann Fluidfluß in vielen Mustern lenken, ist jedoch hier als parallele Serpentinenkanäle veranschaulicht. Um den Umfang des Flußfeldes 12 herum stellt die Platte eine Vielzahl von Bolzenlöchern 14 zum Zusammensetzen und Befestigen eines Zellstapels, verschiedene Verteiler 16 zum Kommunizieren von Fluiden in und aus dem Stapel heraus, und eine flache Oberfläche 18 bereit, die es der Platte ermöglicht, mit benachbarten Komponenten des Zellstapels abgedichtet zu werden.
Zusätzlich zum Bereitstellen eines Fluidflußfeldes muß eine bipolare Separatorplatte zur Verwendung in elektrochemischen Zellen Elektronen sammeln, die an einer Elektrode freigesetzt werden, die Elektronen durch die Platte leiten und Elektronen zu der Fläche der anderen Elektrode auf der gegenüberliegenden Seite der Platte liefern. Die bipolare Separatorplatte aus dem Stand der Technik sammelt und liefert Elektronen von Elektroden von gegenüberliegenden Zellen durch die Furchen 20, die zwischen den Kanälen 22 in dem Flußfeld 12 verbleiben.
2 ist eine schematische Ansicht eines elektrochemischen Zellstapels 30 mit Protonenaustauschmembran (PEM), die als ein Wasserstoff-Luftbrennstoffzellstapel konfiguriert ist. Dieser Stapel umfaßt zwei identische Brennstoffzellen 32 mit einer Kathode 34, einer PEM 36 und einer Anode 38. Flußfelder 40 (wegen der Klarheit schematisch gezeigt) sind auf jeder Seite der bipolaren Separatorplatte 42 bereitgestellt, ebenso wie auf den inneren Flächen der Endplatten 44. Elektronen, die an der Anode 38 freigesetzt werden, liefern Stromfluß zu der Kathode 34 einer Zelle auf der anderen Seite der Platte 42 und schließlich durch einen äußeren Stromkreis 46. Elektronen werden dann mit Protonen und Sauerstoff an der Kathode 34 kombiniert, um Wasser zu bilden. Das elektrische Potential des Brennstoffzellenstapels 30 wird durch Zufügen mehrerer Zellen 32 zu dem Stapel gesteigert.
US 5,496,655 offenbart eine bipolare Platte, die aus einer Intermetallzusammensetzung hergestellt ist, welche eine keramische Füllstoffzusammensetzung aufweist, die innerhalb dieser verteilt ist.
EP 154 772 offenbart eine poröse Titanplatte mit einer Beschichtung eines elektrokatalytisch aktiven Materials auf einer Seite und mit einem Satz von Kanälen, die auf der anderen Seite eingearbeitet sind, wobei die letzte Seite an eine nicht poröse, feste Titanplatte anstößt.
Das Gewicht ist eine Eigenschaft von elektrochemischen Zellen im allgemeinen und Brennstoffzellen im besonderen, das deren Verwendung begrenzt. Daher sind beträchtliche Anstrengungen auf die Bereitstellung leichtgewichtiger Komponenten für elektrochemische Zellen gerichtet worden. Auch so verbleibt eine Notwendigkeit für eine leichtgewichtige bipolare Separatorplatte. Es wäre wünschenswert, wenn die leichtgewichtige bipolare Separatorplatte ebenfalls dünner hergestellt werden könnte und höhere Stromdichten trägt. Es wäre ferner wünschenswert, wenn die Struktur der bipolaren Separatorplatte die Einführung anderer spezifischer Eigenschaften, wie Wasserpermeabilität und Reaktantengasimpermeabilität, ermöglichen könnte.
Gemäß dieser Erfindung wird eine bipolare Platte für elektrochemische Zellen bereitgestellt, umfassend eine Gasbarriere mit einem elektrisch leitenden Weg, der sich dadurch erstreckt, und ein poröses, elektrisch leitendes Bauteil in elektrischem Kontakt mit jeder Seite des elektrisch leitenden Weges, wobei das Bauteil hergestellt ist aus einem Material, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Metallschaum, leitendem Polymerschaum, porösem leitfähigem Kohlenstoffmaterial und Kombination derselben, und mit Strömungsfeldern, die durch Poren in dem Material gebildet sind.
In einer Ausführungsform ist der elektrisch leitende Weg durch die Gasbarriere aus einem porösen, elektrisch leitenden Bauteil gebildet, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Metallschaum, leitendem Polymerschaum, porösem leitfähigem Kohlenstoffmaterial und Kombinationen derselben.
Günstigerweise umfaßt die Gasbarriere ein gasimpermeables Polymer, das in den Poren des porösen Bauteils angeordnet ist.
Vorteilhaft ist das gasimpermeable Polymer ein Polymer, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus wasserpermeablen Polymeren, thermoplastischen Polymeren, reaktionsgehärteten Polymeren und Kombinationen derselben.
Bevorzugt ist das gasimpermeable Polymer ein thermoplastisches Polymer, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyethersulfon (PFS), Nylon und Polycarbonat, oder ist ein perforiertes Sulfonsäurepolymer.
Alternativ ist die elektrisch leitende Gasbarriere eine Metalltafel.
Vorteilhaft kann die bipolare Platte weiter einen Kühlfluidkanal innerhalb der Gasbarriere umfassen.
Günstigerweise kann die bipolare Platte zusätzlich einen polymeren Zellrahmen umfassen, welcher peripher das poröse, elektrisch leitende Bauteil einschließt.
Bevorzugt ist, daß der polymere Zellrahmen Kanäle in Fluidverbindung mit dem porösen elektrisch leitenden Bauteil einschließt.
Günstigerweise weist das poröse, elektrisch leitende Bauteil parallelgeschaltete Kanäle auf, die mit dem Rand des Bauteils in Verbindung stehen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Damit die Art und Weise, auf welche die obengenannten Merkmale, Vorteile und Aufgaben der vorliegenden Erfindung erreicht und im Detail verstanden werden können, wird eine genauere Beschreibung der Erfindung, die oben kurz zusammengefasst ist, durch Bezugnahme auf die Ausführungsformen derselben gegeben, die in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind. Es ist jedoch zu erwähnen, daß die beigefügten Zeichnungen lediglich typische Ausführungsformen dieser Erfindung veranschaulichen und daher nicht als ihren Umfang begrenzend zu betrachten sind, da die Erfindung für andere, gleich wirksame Ausführungsformen gelten kann.
1 ist eine typische Metallseparatorplatte mit einem Serpentinenströmungsfeldentwurf. Dieser Entwurf beschreibt drei parallele Kanäle entlang jedes Beins mit einem gemeinsamen Verteiler, der jeden Satz der Kanäle an den nächsten verbindet.
2 ist ein schematischer Querschnitt einer PEM-Brennstoffzelle, der die Schlüsselmerkmale veranschaulicht. Die Dicke der Membran ist aus Gründen der Klarheit stark vergrößert.
3 ist ein teilweiser Querschnitt einer leichtgewichtigen bipolaren Gesamtmetallplatte. Dieser Entwurf beschreibt eine dünne (≤ 0,152 mm (≤ 0,006")) Barriere, die aus einer festen Titantafel mit geschäumten Metallströmungsfeldern hergestellt ist, die an beiden Seiten derselben angeschweißt sind.
4 ist eine teilweise Querschnittsansicht einer Kupferschaumtafel mit einer Polymerbarriere in der Mitte der Tafel.
5 ist eine teilweise Querschnittsansicht einer ersten Kupferschaumtafel mit einer Polymerbarriere, die entlang einer Seite gebildet ist, und einer zweiten Kupferschaumtafel in elektrischem Kontakt mit der ersten Kupferschaumtafel.
6 und 7 sind Front- und Seitenansichten eines Rahmens für eine bipolare Platte.
8A und 8B sind Front- und Seitenansichten eines alternativen Rahmens für eine bipolare Platte mit parallelen Gasströmungen anstelle der Querströmungsanordnung des Rahmens in 6 und 7.
9 ist eine Seitenansicht einer bipolaren Platte mit einem Doppelrahmenbauteil.
10 liefert Polarisationskurven für einen Zweizellenstapel unter Verwendung einer bipolaren Platte mit Gold-plattierten, geschäumten Kupferströmungsfeldern, die bei 75°C und 248,2 kPa (36 psig) Druck bei drei Luftstöchiometrien läuft.
11 liefert eine Polarisationskurve für einen Zweizellenstapel, der mit einer mit Epon 862 gefüllten, bipolaren Kupferschaumplatte ausgerüstet ist, der bei Wasserstoff/Luft bei Umgebungsdruck und 55°C läuft.
12 liefert eine Polarisationskurve für einen Zweizellenstapel, der mit einer mit Epon 862 gefüllten, bipolaren Kupferplatte ausgerüstet ist, die bei Wasserstoff/Luft bei 206,8 kPa (30 psig) Druck und 65°C läuft.
13 und 14 sind Ober- und Seitenquerschnittsansichten einer bipolaren Platte mit hohlen Röhren, die darin positioniert sind, und einem Spritzguß geformten Rahmen.
15 ist eine Querschnittsansicht einer bipolaren Platte mit darin positionierten hohlen Röhren, Doppelrahmbauteilen und einem Paar an Dichtungen.
16A und 16B sind Flächen und Randansichten einer mit Polymer modifizierten bipolaren Metallschaumplatte mit parallelgeschalteten Kanälen, um die Gasverteilung an der Oberflächen der Elektroden zu verbessern und den Druckabfall zu vermindern.
17 ist ein teilweises Zusammenbaudiagramm einer Fluid gekühlten bipolaren Platte.
18 liefert eine Polarisationskurve für einen Vierzellenbrennstoffzellenstapel, der in ähnlicher Weise wie der Stapel aus 17 zusammengesetzt ist, mit zwei bipolaren Platten mit innerer Wasserkühlung und einer mit lediglich einer Gasbarriere und keiner Kühlung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung liefert verbessern, leichtgewichtige, bipolare Separatorplatten und Verfahren für deren Herstellung. Das Gewicht des Separators wird durch Vermindern der Menge an dichten Materialien (festes Metall oder Graphit) minimiert, die verwendet werden, und durch Ersetzen derselben mit leichteren Materialien. Feste Materialien werden lediglich verwendet, wo es vorgeschrieben ist, eine strukturelle Festigkeit bereitzustellen, wie beim äußeren Rahmen der bipolaren Platte, wo eine Gasdichtigkeit erreicht werden muß. Andere Teile der Platte, wie das Strömungsfeld, werden aus elektrisch leitenden Materialien mit einer geringeren Dichte, wie geschäumtem Metall, konstruiert. Während diese Materialien mit geringerer Dichte elektrisch leitfähig sind, sind sie nicht gasdicht und, wenn sie alleine verwendet werden, würden sie keine ausreichende Gasbarriere bereitstellen. Jedoch wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Gasbarriere in Verbindung mit diesen Materialien mit niedriger Dichte verwendet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine bipolare Separatorplatte mit einer dünnen, elektrisch leitfähigen Tafel bereitgestellt, die eine gasdichte Barriere bildet. Leitfähige Tafeln, wie Titan, liefern viel dünnere Gasbarrieren als sie durch Einarbeiten einer festen Metallplatte erreicht werden können, um ein Strömungsfeld und eine Barrierestruktur zurückzulassen. Tafeln von niederdichtem elektrisch leitfähigem Material werden in elektrischem Kontakt auf beiden Seiten der Barriere angeordnet, so daß das Material mit niedriger Dichte als das Strömungsfeld dient.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine bipolare Separatorplatte durch Bilden einer Polymerbarriere innerhalb einer Tafel eines Metalls mit niedriger Dichte bereitgestellt. Das Polymer wird in den Poren des Metalls mit niedriger Dichte angeordnet, um eine Gasbarriere zu bilden. Es ist bevorzugt, daß das Polymer lediglich einen Bereich der Poren füllt, belassend einen anderen Bereich, um als ein Strömungsfeld zu dienen. Polymere mit speziellen Eigenschaften, wie Wasserpermeabilität, können für die Gasbarriere verwendet werden, um die Separatorplatten mit zusätzlichen Vorteilen zu versehen.
In einer noch weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die porösen Strömungsfelder mit Rillen oder Kanälen bereitgestellt werden, um die Verteilung von Fluid zu verbessern und den Druckabfall entlang des Strömungsfeldes zu mindern. Während die Rillen eine Anzahl von Mustern annehmen können, ist das bevorzugte Rillenmuster parallelgeschaltet. Das parallelgeschaltete Muster schließt fingerartige Kanäle ein, die frei Fluid aus dem Einlaßverteiler in das Strömungsfeld kommunizieren, wobei jedoch gefordert wird, daß das Fluid durch wenigstens einen Bereich des porösen Strömungsfeldes fließt, bevor es mit benachbarten fingerartigen Kanälen kommuniziert, die mit dem Auslaßverteiler kommunizieren.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine bipolare Separatorplatte mit einem Rahmen mit Kanälen, die darin gebildet sind, zur Fluidkommunikation mit den Rändern des Strömungsfeldes bereitgestellt. Der Rahmen kann aus einem festen Material, wie Metall, einem Polymermaterial oder Kombinationen derselben, hergestellt werden. Die Richtung der Fluidströmung in den Anoden- und Kathodenströmungsfeldern kann entweder parallel oder im Querfluß sein, wie es durch die Fluidkanäle und die Verteilung in dem Rahmen bestimmt wird. Es sollte erkannt werden, daß innerhalb eines gegebenen Zellstapels die Verteilung durch diesen konsistent sein muß.
Sich nun beziehend auf 3 wird eine Querschnittsansicht einer bipolaren Platte 60, insgesamt aus Metall, gezeigt, die mit einer dünnen Metalltafel 62 mit Metallschaumströmungsfeldern 66 konstruiert ist. Diese bipolare Platte beschreibt eine dünne (≤ 0,152 mm (≤ 0,006")) Barrieretafel 62, die bevorzugt aus einer festen Titantafel hergestellt ist, mit Metallschaum (etwa 3,18 mm (1/8 inch) dick), der an beiden Seiten derselben angeschweißt ist. Die Metalltafel 62 bildet wiederum die Gasbarriere und der Metallschaum 66 bildet die Fluidströmungsfelder. Metalle, die als ein fester Schaum gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden können, schließen Kupfer, Aluminium, Nickel, Titan, Silber und rostfreien Stahl ein, wobei die bevorzugten Metalle Nickel und rostfreier Stahl sind. Die Dichte des Metallschaums, der in der Tafel 66 verwendet wird, kann bis zu etwa 50 % Metall pro Volumen sein, jedoch liegt die bevorzugte Dichte des geschäumten Metalls zwischen etwa 3 und etwa 15 Prozent Metall pro Volumen, wobei die bevorzugteste Dichte zwischen etwa 5 und etwa 10 Volumenprozent liegt. Eine Vielzahl von geschäumten Metallen sind von AstroMet, Cincinnati, Ohio, erhältlich. Verfahren zum Herstellen dieser Metallschäume sind in US 4,973,358 beschrieben.
Nun unter Bezugnahme auf 4 wird eine Querschnittsansicht einer bipolaren Platten 70 gezeigt, die aus einer Metallschaumtafel 72 mit einer Polymerbarriere 74 in der Mitte der Tafel hergestellt ist. Der erste Schritt beim Bilden der Polymerbarriere 74 schließt ein Anordnen eines entfernbaren Materials (nicht gezeigt) in den Poren entlang einer ersten Seiten 76 der Metallschaumtafel 72 ein, wo ein Strömungsfeld gewünscht wird. Mit den offenen Poren auf der zweiten Seiten 78, die nach oben gerichtet sind, wird ein viskoses Polymer oder eine Polymervorstufe über die zweite Seite 78 gegossen und kann in die Tafel 72 eindringen, bis das Polymer in Kontakt mit dem entfernbaren Material kommt. Nachdem das Polymer härten oder aushärten konnte, wird das entfernbare Material entfernt, belassend eine impermeable Gasbarriere 74 innerhalb eines Mittelbereichs der Metallschaumtafel 72. Die Bereiche mit offenen Poren auf jeder Seite 76, 78 der Gasbarriere 74 bilden die Strömungsfelder. Das entfernbare Material kann ein Feststoff, wie Zucker sein, der durch Auflösen in einem Lösungsmittel, wie Wasser, entfernbar ist. Alternativ kann das entfernbare Material ein Fluid sein, in welchem der Metallschaum teilweise eingetaucht ist, in welchem das Polymer nicht mischbar ist und auf dem Fluid aufschwimmt. Es sollte erwähnt werden, daß es notwendig sein kann, diese bipolaren Platten vor einer tatsächlichen Verwendung zu reinigen.
Nun unter Bezugnahme auf 5 wird eine Querschnittsansicht einer bipolaren Platte 80 mit einer ersten Kupferschaumtafel 82 mit einer Polymerbarriere 84, die entlang einer Fläche 88 gebildet ist, und einer zweiten Kupferschaumtafel 86 in elektrischem Kontakt mit der Fläche 88 der ersten Kupferschaumtafel 82 gezeigt. Diese Konfiguration von zwei Schaumtafeln 82, 86 eliminiert die Schwierigkeit eines Anordnens des Polymers in einem Mittelbereich des Metallschaums. Eine Fläche der ersten Metallschaumtafel 82 ist in einem Polymer eingetaucht oder wird damit beschichtet, welches härten kann. Alternativ kann ein thermoplastisches Material erwärmt und in die Metallschaumtafel 82 eingepresst werden, wo es abkühlen kann. Auf diese Weise liefert die erste Metallschaumtafel 82 eine Gasbarriere 84 entlang einer ersten Fläche 88 und ein Strömungsfeld 90 auf der gegenüberliegenden Fläche. Die zweite Schaumtafel 86, die ein zweites Strömungsfeld 92 bereitstellt, wird in Kontakt mit der ersten Fläche 88 der ersten Metallschaumtafel 82 angeordnet. Obwohl es nicht notwendig ist, ist es im allgemeinen bevorzugt, daß die zwei Metallschaumtafeln 82, 86 an verschiedenen Punkten um den Umfang herum punktverschweißt werden. So konstruiert, fungiert diese bipolare Separatorplatte 80 auf die gleiche An und Weise wie die bipolare Platte aus 4.
Unter Bezugnahme der 6, 7, 8A und 8B sind Front- und Seitenansichten von zwei Arten von Rahmen 100 für eine bipolare Platte gezeigt. Der Rahmen 100 liefert Kanäle 102 für eine Fluidkommunikation zwischen den Strömungsfeldern 104 und den entsprechenden Verteilern 106. Die Rahmen 100 weisen eine Dicke auf, die im wesentlichen gleich ist der Dicke der bipolaren Platte (siehe 3-6), typischerweise zwischen etwa 1,59 mm (1/16 inch) und etwa 6,35 mm (1/4 inch). In 6 und 7 sind die Kanäle 102 auf gegenüberliegenden Seiten des Rahmens 100 senkrecht angeordnet, um einen Querfluß der Fluide zu bewirken, d. h. eine Strömung zwischen Verteilern 106 und eine Strömung zwischen Verteilern 108. 8 ist ein alternativer Rahmen 100 für eine bipolare Platte mit Kanälen 102 auf gegenüberliegenden Seiten des Rahmens 100, in einer parallelen Anordnung angeordnet, gezeigt, um eine parallele Strömung von Fluiden über die gegenüberliegenden Strömungsfelder der Platte zu bewirken.
Nun unter Bezugnahme auf 9 wird eine Seitenansicht einer bipolaren Platte 101 mit Doppelrahmenbauteilen 103 gezeigt. Jedes der Rahmenbauteile 103 weist Kanäle 102 auf deren exponierter Fläche, einen Verteiler 106, der durch diese gelangt, und eine Abdichtungsfläche 105 auf. Die Abdichtungsfläche ist im wesentlichen flach und wird gegen eine dünne starre Gasbarriere gedrückt, wie die Barriere 62, die in 3 gezeigt ist, mit passenden Verteilern, die durch diese hindurchschneiden. Bevorzugt sind die Rahmenbauteile 103 leicht elastisch, um Abdichtungen mit angrenzenden Zellkomponenten (nicht gezeigt) und der Gasbarriere 62 zu bilden. Alternativ können Dichtungen 107 mit passenden Verteilern, die durch diese hindurchschneiden, auf jeder Abdichtungsfläche 105 und zwischen benachbarten Zellkomponenten (nicht gezeigt) erforderlich sein.
Sich kurz rückbeziehend auf 2, sollte der Kontakt zwischen den Elektroden 34, 38 und den angrenzenden Strömungsfeldern 40 etwa 50 % der geometrischen Flächen der Elektroden 34, 38 einschließen. Der Kontaktgrad ermöglicht es den Elektronen, zwischen den Elektroden und den Strömungsfeldern mit minimalem Widerstand zu passieren, während eine ausreichende freie Fläche zum Kontaktieren des Fluids mit der Elektrodenkatalysatoroberfläche bewahrt wird. Daher haben gemäß der vorliegenden Erfindung die kleinen Öffnungen oder Poren in dem Strömungsfeldmaterial 40 bevorzugt wenigstens eine Dimension, die im Durchschnitt kleiner als etwa ein Millimeter ist.
Die Dicke der bipolaren Platten der vorliegenden Erfindung wird hauptsächlich durch den Betriebsdruck des Zellstapels bestimmt. Wo Gase oder Flüssigkeiten an dem Stapel unter hohen Drücken bereitgestellt werden, kann die Dicke der Strömungsfelder vermindert werden. Jedoch verbraucht in vielen Anwendungen die Verwendung von Hochdruckpumpen beträchtliche Mengen der Elektrizität, die durch die Brennstoffzelle erzeugt wird, und resultiert daher in einem ineffizienten System. Niederdruckgas und Flüssigkeitsquellen, typischerweise zwischen etwa 689,5 Pa (0,1 psig) und etwa 13.790 Pa (2 psig) können in Verbindung mit Strömungsfeldern mit einer Dicke von größer als etwa 1,59 mm (1/16 inch) verwendet werden. Im Gegensatz dazu können, wenn ein Strömungsfeld zu dick wird, Bereiche der Fluidströmung beginnen, zu kanalisieren oder die Elektrodenoberfläche zu umgehen. Daher ist es zur Verwendung in elektrochemischen Zellen mit Elektroden zwischen etwa 25,81 cm² (4 in²) und etwa 322,6 cm² (50 Quadratinch) der geometrischen Oberfläche bevorzugt, daß Strömungsfelder eine Dicke zwischen etwa 1,59 mm (1/16 inch) und etwa 3,18 mm (1/8 inch) aufweisen.
Der Begriff "Luftstöchiometrie" bezieht sich auf das Verhältnis der tatsächlichen Luft(Sauerstoff)-Strömung, die durch die Brennstoffzelle bereitgestellt wird, zur theoretischen Luft(Sauerstoff)-Strömung, die erforderlich ist, um die Brennstoffzellenreaktionen durchzuführen. Im allgemeinen nimmt die Leistung der Zellen ebenfalls zu, wenn der Überschuß an Sauerstoffreaktant zunimmt. Daher liefert eine größere Luftstöchiometrie eine gesteigerte Zellleistung. Jedoch wird, wie oben diskutiert, eine höhere Luftstöchiometrie durch Steigern der Strömungsgeschwindigkeit von Luft durch das Kathodenströmungsfeld bereitgestellt, was typischerweise einen hohen Luftzuführungsdruck erfordert.
BEISPIEL 1
Eine bipolare Platte wurde hergestellt unter Verwendung eines 3,18 mm (1/8 inch) Aluminiumrahmens mit einer Tafel von 0,15 mm (0,006") Titan, die in den Rahmen eingebunden ist. Geschäumtes Kupfer mit einer Dicke von etwa 1,59 mm (1/16 inch) wurde in einer Position angeschweißt, die die Titanbarriere berührt, und dann goldplattiert. Die bipolare Platte wurde in einen PEM-Brennstoffzellenstapel mit lediglich zwei Zellen eingesetzt. In 10 sind Polarisationskurven für den Stapel bereitgestellt, der bei 75°C, 248,2 kPa (36 psig) Druck und drei Luftstöchiometrien (2X, 3X und 4X) betrieben wurde.
Am Schluß des Durchlaufes wurde der Stapel entmantelt und die Komponenten inspiziert. Kein sichtbarer Angriff oder ein Abbau der bipolaren Platte wurde beobachtet.
BEISPIEL 2
Eine zweite bipolare Platte wurde mit einer Polymerbarriere hergestellt. In diesem Falle wurde eine 4,76 mm (3/16 inch) Tafel aus geschäumtem Kupfer teilweise mit einer reaktiv härtbaren Zubereitung imprägniert, die ein Epoxyharz mit einem Epoxyäquivalentgewicht von etwa 173 (erhältlich unter der Marke EPON 862 von Shell Chemical, Houston, Texas) und einen Härter mit einem Äquivalentgewicht von 190 (erhältlich unter der Marke EPICURE von Shell Chemical, Houston, Texas) einschloß. Die teilweise imprägnierte Tafel wurde in einem 4,76 mm (3/16 inch) Aluminiumrahmen gegen die innere Tragerippe abgedichtet, die in die innere Tasche des Rahmens eingearbeitet war. Die bipolare Platte wurde dann durch Anfügen eines dünnen, nicht gefüllten Stücks aus geschäumtem Kupfer auf die gegenüberliegende Seite der teilweise imprägnierten Tafel vervollständigt.
Die bipolare Platte wurde dann in den Zweizellenstapel aus Beispiel 1 installiert. In 11 ist eine Polarisationskurve für den Brennstoffzellenstapel gezeigt, der mit Wasserstoff als Brennstoff und Luft als das Oxidationsmittel bei Umgebungsdruck und 55°C betrieben wurde. In 12 ist eine Polarisationskurve für den Brennstoffzellenstapel gezeigt, der mit Wasserstoff und Luft bei 206,8 kPa (30 psig) Druck und 65°C betrieben wurde. Die Ergebnisse für diese Zelle, sowohl bei Umgebungs- als auch 206,8 kPa (30 psig) Druck, zeigen keine Leistung, die zu derjenigen aus Beispiel 1 gleich ist.
Thermoplastische Gasbarrieren
Der gleiche Strukturtyp, Metallschaum mit einer Polymergasbarriere, kann unter Verwendung thermoplastischer Materialien hergestellt werden. Eine Vielzahl von Polymeren ist getestet worden. In jedem Falle wurde das Polymer auf eine Temperatur oberhalb des veröffentlichten Erweichungspunkts erwärmt. Die für die drei getesteten Polymere verwendeten Temperaturen sind in Tabelle 1 tabelliert.
Tabelle 1.
Die Drucktemperaturen, die in Tabelle 1 aufgeführt sind, sind solche, die experimentell bestimmt wurden, um die besten Ergebnisse zu ergeben. Alle hier eingeschlossenen Daten sind für Polymere, die Platten erzeugten, die wenigstens 137,9 kPa (20 psig) Differentialgasdruck standhielten. Ein wichtiges Merkmal zum Herstellen einer guten Gasbarriere ist die Fähigkeit, eine einheitliche Schicht zu bilden.
Polyethersulfon (PES) erzeugte die sauberste Markierung von allen untersuchten. Polycarbonat (PC)-Barrieren lieferten eine gute Barriereschicht, zeigten jedoch ebenfalls Anzeichen eines tieferen Eindringens in den Schaum. Die Nylon 6-Barriere war in der Erscheinung der drei getesteten Thermoplasten die gröbste.
Beim Herstellen bipolarer Platten der vorliegenden Erfindung mit einer thermoplastischen Gasbarriere gibt es keine Härtungszeit, lediglich die Kühlzeit, und die Kühlzeit kann in Sekunden erreicht werden. Daher hat das Bilden der Gasbarriere mit einem thermoplastischen Polymer durch Heißpressen das Potential für eine leichte Automatisierung und schnelle Herstellung.
Wasserpermeable Polymere
In einer PEM-Wasserstoff/Sauerstoff-Brennstoffzelle wird Wasser an der Kathode durch die Reduktion von Sauerstoff gebildet. Wasser wird ebenfalls zu der Kathode elektroosmotisch von der Anodenseite der Protonenaustauschmembrane überführt, da jedes Proton im Durchschnitt 2 bis 3 Wassermoleküle mit sich schleppt. Dieser elektroosmotische Zug wird eventuell die Anodenfläche der Membran austrocknen, was zu einem höheren Innenwiderstand und geringerer Effizienz führt, bis sie ersetzt wird. Eine einfache Rückdiffusion innerhalb der Membran von der Kathode zu der Anode ist im allgemeinen nicht ausreichend, um das elektroosmotisch bewegte Wasser zu ersetzen, obwohl sogar Wasser kontinuierlich an der Kathode gebildet wird. Die gewöhnliche Lösung dieses Problems liegt darin, zusätzliches Wasser zu liefern, in der Form von Wasserdampf, in den Brennstoffstrom, jedoch erfordert dies die Gegenwart einer zusätzlichen Komponente, eines Befeuchters, irgendwo in System.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Polymer mit bestimmten Eigenschaften verwendet werden, um die Gasbarriere in einem Metallschaum zu bilden, wie in 4 und 5 gezeigt ist. Die Verwendung eines wasserpermeablen Polymers ermöglicht, daß die hohe Konzentration von Wasser, die an der Kathode vorhanden ist, durch die wasserpermeable bipolare Platte von der feuchten Seite (Kathode) zu der trockenen Seite (Anode) diffundieren kann, wo es in den Brennstoffstrom verdampft und erhältlich ist, um in die Membran einzutreten. Folglich gibt es keine Notwendigkeit für irgendeine zusätzliche Befeuchtungsausrüstung. Bevorzugte wasserpermeable Polymere zum Konstruieren der Gasbarriere in einer bipolaren Platte gemäß der vorliegenden Erfindung schließen perfluorierte Sulfonsäurepolymere (wie Nafion^TM) und Celluloseacetat ein.
Nun unter Bezugnahme auf 13 wird eine Seitenquerschnittsansicht einer gerahmten bipolaren Platte 110 mit hohlen Röhren gezeigt, die eingesetzt sind, um einen Fluidweg, wie zum Kühlen, bereitzustellen. Die gerahmte bipolare Platte 110 umfaßt einen Rahmen 100 und eine bipolare Metallschaumplatte 112. Die bipolare Platte 112 wird auf eine ähnliche Weise wie die bipolare Platte 80, die in 5 gezeigt ist, konstruiert. Jedoch wird vor dem Bilden der Polymergasbarriere 84 in der ersten Metallschaumtafel 82 eine Vielzahl von Rillen 114 in die Fläche 88 geschnitten. Eine Vielzahl von hohlen Röhren 116 wird dann in den Rillen 114 angeordnet. Bei Auftragung des Polymers werden die Röhren 116 fest innerhalb der Rillen 114 gehalten und die Gasbarriere 84 wird gebildet. Jedes Polymer, das die elektrisch leitenden Oberflächen der Fläche 88 bedeckt, wird abgesäubert und in innigem Kontakt mit der zweiten Metallschaumtafel 86 positioniert. Die zwei Tafeln 82, 86 werden dann innerhalb des Rahmens 100 zur Verwendung in einer elektrochemischen Zelle punhtgeschweißt oder anderweitig positioniert. Während die hohlen Röhren lediglich zu Zwecken des Kühlens der Zelle verwendet werden können, schließt die vorliegende Erfindung spezifisch die Verwendung von wasserpermeablen Röhren in Kombination mit einer wasserpermeablen Polymergasbarriere ein.
Nun unter Bezugnahme von 14 wird eine Querschnittsansicht der gerahmten bipolaren Platte 110 entlang einer Linie 14-14 in 13 gezeigt. Die hohlen Röhren 116 erstrecken sich bevorzugt hinter die Metallschaumtafeln 82, 86 und kommunizieren mit dem Verteiler 118. Der Rahmen 100 ist bevorzugt aus einem Kunststoffmaterial gelildet, das um die bipolare Platte 112 mit hohlen Röhren 116 durch irgendein verfügbares Verfahren, wie Spritzgußformen, gebildet wird. Während des Spritzgießens des Rahmens 100 wird das Kunststoffmaterial in die Poren in den Randbereichen 119 der Metallschaumtafel 82, 86 gedrängt, um eine permanente Anfügung zu bilden.
Nun unter Bezugnahme auf 15 wird eine Querschnittsansicht einer gerahmten bipolaren Platte 120 mit einem alternativen Rahmen gezeigt, der eine bipolare Platte 112 mit Röhren 116, die sich von diesem erstrecken, befestigt. Die bipolare Platte 112 wird innerhalb zweier Doppelrahmbauteile 103 und zwei Dichtungen 122 positioniert, jede mit passenden Löchern darin, um die Verteiler 118 zu bilden. Die Röhren 116 sind zwischen den Dichtungen 122 aufgenommen und kommunizieren mit den Verteilern 118. Die Dichtungen 122 sind bevorzugt aus einem hochelastischen Material, wie nicht gesintertem Polytetrafluorethylen (PTFE), hergestellt, welches passend um die Röhren 116 und zwischen den Rahmenbauteilen 103 abdichten wird. Es ist zu beachten, daß es nicht notwendig ist, die Bauteile der gerahmten bipolaren Platte 120 zusammenzufügen, da während des Betriebs die Bauteile in innigem Kontakt durch Kompression angeordnet werden. Die Konstruktion und der Aufbau einer elektrochemischen Zelle ist durch Murphy et. at. in US 5,460,705 beschrieben.
Nun unter Bezugnahme auf 16A und 16B sind Front- und Randansichten einer bipolaren Platte 130 mit Metallschaumströmungsfeldern 132 mit Kanälen 134 gezeigt, um die Gasverteilung an der Oberfläche der benachbarten Elektroden (nicht gezeigt) zu verbessern und den Druckabfall des Fluids, das durch die Strömungsfelder 132 gelangt, zu vermindern. Während die Kanäle 134 in praktisch jeder Konfiguration oder Muster geschnitten werden können, ist es bevorzugt, daß die Kanäle keinen Weg von einem Verteiler 118 zu dem anderen Verteiler 118 bereitstellen, wobei die bevorzugtesten Kanäle 134 parallelgeschaltet sind, wie in 16A gezeigt ist.
Nun unter Bezugnahme auf 17 wird eine mit Fluid gekühlte bipolare Platte 150 gezeigt, die aus einer Reihe von planaren Komponenten zusammengesetzt ist, die zwei Kühlfluidbarrieren 156 und einen Kühlfluidrahmen 158 einschließen, mit einem elektrisch leitenden Strömungsfeld (nicht gezeigt) darin. Optional kann die mit Fluid gekühlte bipolare Platte 150 ferner einen Anodenzellrahmen 154, einen Kathodenzellrahmen 160 und Abdichtungsplatten 152 einschließen. Diese Version der bipolaren Platte schließt ein inneres Kühlströmungsfeld zum Kühlen des Stapels ein. Das Kühlfluid strömt aus einem Kühlfluideinlaßverteiler 162 durch das Kühlströmungsfeld (nicht gezeigt) innerhalb des Kühlfluidrahmens 158 und in einen Kühlfluidauslaßverteiler, der im allgemeinen dem Einlaßverteiler 162 gegenüberliegt. Die Strömungsfelder in dem Anodenzellrahmen 154, dem Kühlfluidrahmen 158 und dem Kathodenzellrahmen 160 sind in 17 aus Vereinfachungsgründen weggelassen worden.
18 liefert eine Polarisationskurve, welche die Leistung eines Vierzellenbrennstoffzellenstapels mit zwei bipolaren Platten mit innerer Wasserkühlung, wie in 17, und einer mit lediglich einer Gasbarriere und keiner Kühlung demonstriert. Der Stapel wies Zellen mit einer aktiven Fläche von 32 cm² auf und wurde mit Wasserstoff und Luft bei einem Druck von 68,95 kPa (10 psig) und einer Temperatur von 62°C betrieben.
Während das Vorangehende auf die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gerichtet ist, können sich andere und weitere Ausführungsformen der Erfindung ausgedacht werden, ohne von dem Grundumfang derselben abzuweichen, wobei der Umfang derselben durch die folgenden Ansprüche bestimmt wird.

Claims

Bipolare Platte (60, 70, 80, 101, 110, 130, 150) für elektrochemische Zellen, umfassend eine Gasbarriere (62, 74, 84) mit einem elektrisch leitenden Weg, der sich dadurch erstreckt, und ein poröses, elektrisch leitendes Bauteil (72, 82, 86) in elektrischem Kontakt mit jeder Seite des elektrisch leitenden Weges, wobei das Bauteil hergestellt ist aus einem Material, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Metallschaum, leitendem Polymerschaum, porösem leitfähigem Kohlenstoffmaterial und Kombinationen derselben, und mit Strömungsfeldern (66, 90, 92, 132), die durch Poren in dem Material gebildet sind.
Bipolare Platte nach Anspruch 1, bei welcher der elektrisch leitende Weg durch die Gasbarriere gebildet ist aus einem porösen, elektrisch leitenden Bauteil (74), das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Metallschaum, leitendem Polymerschaum, porösem leitfähigem Kohlenstoffmaterial und Kombinationen derselben.
Bipolare Platte nach Anspruch 2, bei welcher die Gasbarriere ein gasimpermeables Polymer umfaßt, das in den Poren des porösen Bauteils (74) angeordnet ist.
Bipolare Platte nach Anspruch 2, bei welcher das gasimpermeable Polymer ein Polymer ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus wasserpermeablen Polymeren, thermoplastischen Polymeren, reaktionsgehärteten Polymeren und Kombinationen derselben.
Bipolare Platte nach Anspruch 4, bei welcher das gasimpermeable Polymer ein thermoplastisches Polymer ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyethersulfon (PFS), Nylon und Polycarbonat, oder ein perfluoriertes Sulfonsäurepolymer ist.
Bipolare Platte nach Anspruch 1, bei welcher die elektrisch leitende Gasbarriere eine Metalltafel ist.
Bipolare Platte (110, 150) nach einem der vorangehenden Ansprüche, welche weiter einen Kühlfluidkanal (114, 116) innerhalb der Gasbarriere umfaßt.
Bipolare Platte nach einem der vorangehenden Ansprüche, welche weiter einen polymeren Zellrahmen umfaßt, welcher peripher das poröse, elektrisch leitende Bauteil einschließt.
Bipolare Platte nach Anspruch 8, bei welcher der polymere Zellrahmen Kanäle (102) in Fluidverbindung mit dem porösen, elektrisch leitenden Bauteil einschließt.
Bipolare Platte nach Anspruch 9, bei welcher das poröse, elektrisch leitende Bauteil parallelgeschaltete Kanäle (134) aufweist, die mit dem Rand des Bauteils in Verbindung stehen.