DE69831322T2 - Polymerelektrolyt-membran-brennstoffzelle mit fluidverteilungsschicht mit integrierter dichtung - Google Patents

Polymerelektrolyt-membran-brennstoffzelle mit fluidverteilungsschicht mit integrierter dichtung Download PDF

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T. Michael DAVIS
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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf elektrochemische Zellen und spezieller auf eine elektrochemische Brennstoffzelle mit einer Fluidverteilungsschicht mit integraler Abdichtungsfähigkeit.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Elektrochemische Brennstoffzellen wandeln Brennstoff und Oxidationsmittel in Elektrizität und Reaktionsprodukt um. Elektrochemische Feststoffpolymer-Brennstoffzellen verwenden im Allgemeinen einen Membranelektrodenaufbau ("MEA"), der einen Feststoffpolymerelektrolyten oder eine Ionenaustauschmembran beinhaltet, der bzw. die zwischen zwei Fluidverteilungsschichten (Elektrodensubstratschichten) angeordnet sind, die aus einem elektrisch leitfähigen Schichtmaterial gebildet sind. Die Fluidverteilungsschicht weist eine poröse Struktur über wenigstens einen Teil ihres Oberflächengebiets auf, die sie für fluide Reaktanden und Produkte in der Brennstoffzelle durchlässig macht. Der elektrochemisch aktive Bereich der MEA beinhaltet außerdem eine Menge an Elektrokatalysator, der typischerweise in einer Schicht an jeder Grenzfläche zwischen Membran und Fluidverteilungsschicht angeordnet ist, um die gewünschte elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle zu induzieren. Die so gebildeten Elektroden sind elektrisch gekoppelt, um einen Pfad für leitende Elektronen zwischen den Elektroden über eine externe Last bereitzustellen.
  • An der Anode wandert der fluide Brennstoffstrom durch den porösen Bereich der Anoden-Fluidverteilungsschicht und wird bei dem Anoden-Elektrokatalysator oxidiert. An der Kathode wandert der fluide Oxidationsmittelstrom durch den porösen Bereich der Kathoden-Fluidverteilungsscchicht und wird bei dem Kathoden-Elektrokatalysator reduziert.
  • In elektrochemischen Brennstoffzellen, die Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel verwenden, erzeugt die katalysierte Reaktion an der Anode Wasserstoffkationen (Protonen) aus der Brennstoffzufuhr. Die Ionenaustauschmembran erleichtert die Migration von Protonen von der Anode zu der Kathode. Zusätzlich zum Leiten von Protonen isoliert die Membran den wasserstoffhaltigen Brennstoffstrom von dem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittelstrom. An der Kathoden-Elektrokatalysatorschicht reagiert Sauerstoff mit den Protonen, welche die Membran durchquert haben, um Wasser als Reaktionsprodukt zu bilden. Die Anoden- und Kathodenreaktionen in Wasserstoff-/Sauerstoff-Brennstoffzellen sind in den folgenden Gleichungen dargestellt:
  • Anodenreaktion:
    • H2 → 2H+ + 2e–
  • Kathodenreaktion:
    • 1/2O2 + 2H+ +2e– → H2O
  • In elektrochemischen Brennstoffzellen, die Methanol als Brennstoff, welcher der Anode zugeführt wird (sogenannte "Direktmethanol"-Brennstoffzellen) und einen sauerstoffhaltigen Strom, wie Luft (oder im wesentlichen reinen Sauerstoff), als Oxidationsmittel verwenden, das der Kathode zugeführt wird, wird das Methanol an der Anode oxidiert, um Protonen und Kohlendioxid zu erzeugen. Typischerweise wird das Methanol der Anode als wässrige Lösung oder als Dampf zugeführt. Die Protonen migrieren durch die Ionenaustauschmembran hindurch von der Anode zur Kathode, und bei der Kathoden-Elektrokatalysatorschicht reagiert der Sauerstoff mit den Protonen und bildet Wasser. Die Anoden- und Kathodenreaktionen in diesem Typ von Direktmethanol-Brennstoffzelle sind in den folgenden Gleichungen dargestellt:
  • Anodenreaktion:
    • CH3OH + H2O → 6H+ + CO2 + 6e–
  • Kathodenreaktion:
    • 3/2O2 + 6H+ + 6e– → 3H2O
  • In elektrochemischen Brennstoffzellen ist der MEA typischerweise zwischen zwei Separatorplatten oder Fluidströmungsfeldplatten (Anoden- und Kathodenplatten) angeordnet. Die Platten wirken als Stromkollektoren, dienen als Stütze für den MEA und verhindern ein Mischen der Brennstoff- und Oxidationsmittelströme in benachbarten Brennstoffzellen, weshalb sie typischerweise elektrisch leitfähig und im Wesentlichen fluidundurchlässig sind. Fluidströmungsfeldplatten weisen typischerweise Kanäle, Vertiefungen oder Durchgänge auf, die darin ausgebildet sind, um Zutrittsmittel für die Brennstoff- und Oxidationsmittelströme zu den Oberflächen der porösen Anoden- beziehungsweise Kathodenschichten bereitzustellen.
  • Es können zwei oder mehr Brennstoffzellen im Allgemeinen seriell, manchmal jedoch parallel miteinander verbunden sein, um die Gesamtleistungsabgabe des Aufbaus zu erhöhen. In seriellen Anordnungen dient eine Seite einer gegebenen Platte als Anodenplatte für eine Zelle, und die andere Seite der Platte kann als Kathodenplatte für die benachbarte Zelle dienen, weshalb die Platten manchmal als bipolare Platten bezeichnet werden. Eine derartige serienverschaltete Mehrfach-Brennstoffzellenanordnung wird als Brennstoffzellenstapel bezeichnet. Der Stapel beinhaltet typischerweise Verteiler und Einlassanschlüsse, um den Brennstoff und das Oxidationsmittel zu den Anoden- beziehungsweise Kathoden-Fluidverteilungsschichten zu leiten. Der Stapel beinhaltet üblicherweise außerdem einen Verteiler und einen Einlassanschluss, um das Kühlmittelfluid zu inneren Kanälen innerhalb des Stapels zu leiten. Der Stapel beinhaltet im Allgemeinen außerdem Auslassverteiler und Auslassanschlüsse, um die nicht reagierten Brennstoff- und Oxidationsmittelströme abzuführen, sowie einen Auslassverteiler und einen Auslassanschluss für das Kühlmittelfluid, das aus dem Stapel austritt.
  • Die Fluidverteilungsschicht in elektrochemischen Brennstoffzellen besitzt mehrere Funktionen, die typischerweise umfassen:
    • (1) Bereitstellen eines Zutritts für die Fluidreaktanden zu dem Elektrokatalysator,
    • (2) Bereitstellen eines Pfads zur Abführung von fluidem Reaktionsprodukt (zum Beispiel Wasser in Wasserstoff-/Sauerstoff-Brennstoffzellen sowie Wasser und Kohlenmonoxid in Direktmethanol-Brennstoffzellen),
    • (3) Dienen als elektronischer Leiter zwischen der Elektrokatalysatorschicht und der benachbarten Separator- oder Strömungsfeldplatte,
    • (4) Dienen als thermischer Leiter zwischen der Elektrokatalysatorschicht und der benachbarten Separator- oder Flussfeldplatte,
    • (5) Bereitstellen eines mechanischen Trägers für die Elektrokatalysatorschicht,
    • (6) Bereitstellen eines mechanischen Trägers und von Abmessungsstabilität für die Ionenaustauschmembran.
  • Die Fluidverteilungsschicht ist über wenigstens einen Teil ihres Oberflächengebiets hinweg elektrisch leitfähig, um einen elektrisch leitfähigen Pfad zwischen den reaktiven Elektrokatalysatorstellen und den Stromkollektoren bereitzustellen. Materialien, die in Fluidverteilungsschichten in elektrochemischen Feststoffpolymer-Brennstoffzellen verwendet wurden, umfassen:
    • (a) Kohlenstofffaserpapier,
    • (b) gewirktes und nicht gewirktes Kohlenstoffgewebe – optional gefüllt mit einem elektrisch leitfähigen Füllmittel, wie Kohlenstoffpartikeln, und einem Bindemittel,
    • (c) Metallgitter oder Metallgaze – optional gefüllt mit einem elektrisch leitfähigen Füllmittel, wie Kohlenstoffpartikeln, und einem Bindemittel,
    • (d) polymeres Gitter oder polymere Gaze, wie ein Polytetrafluorethylen-Gitter, das zum Beispiel durch Füllen mit einem elektrisch leitfähigen Füllmittel, wie Kohlenstoffpartikeln, und einem Bindemittel elektrisch leitfähig gemacht wurde,
    • (e) einen mikroporösen polymeren Film, wie mikroporöses Polytetrafluorethylen, das zum Beispiel durch Füllen mit einem elektrisch leitfähigen Füllmittel, wie Kohlenstoffpartikeln, und einem Bindemittel elektrisch leitfähig gemacht wurde.
  • So umfassen Fluidverteilungsschichten typischerweise vorgeformte Schichtmaterialien, die in dem Bereich, der dem elektrochemisch aktiven Bereich der Brennstoffzelle entspricht, elektrisch leitfähig und fluiddurchlässig sind.
  • Herkömmliche Verfahren zur Abdichtung um MEAs innerhalb Brennstoffzellen herum umfassen ein Einrahmen des MEAs mit einer elastischen, fluidundurchlässigen Dichtung, ein Platzieren von vorgeformten Abdichtungseinheiten in Kanälen in der Fluidverteilungsschicht und/oder der Separatorplatte oder ein Gießen von Abdichtungseinheiten innerhalb der Fluidverteilungsschicht oder der Separatorplatte, die den elektrochemisch aktiven Bereich und jegliche Fluidverteileröffnungen umgeben. Beispiele für derartige herkömmliche Verfahren sind in den US-Patenten Nr. 5.176.966 und 5.284.718 offenbart. Nachteile dieser herkömmlichen Vorgehensweisen beinhalten die Schwierigkeit, den Abdichtungsmechanismus aufzubauen, die Schwierigkeit, schmale Abdichtungseinheiten innerhalb der Fluidverteilungsschicht zu tragen, lokalisierte und ungleichmäßige mechanische Beanspruchungen, die auf die Membran und die Abdichtungseinheiten wirken, sowie Dichtungsdeformation und Dich tungsdegradation über die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels hinweg.
  • Derartige Abdichtungen und Dichtungen, die separate Komponenten sind, die in zusätzlichen Arbeits- oder Montageschritten eingebracht werden, bringen weitere Komplexität und Kosten für die Fertigung von Brennstoffzellenstapeln.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Eine elektrochemische Brennstoffzelle beinhaltet:
    • (a) ein Paar von im Wesentlichen fluidundurchlässigen Separatorplatten,
    • (b) ein Paar von Fluidverteilungsschichten, die zwischen die Separatorplatten zwischengefügt sind, wobei jede der Fluidverteilungsschichten zwei planare Hauptoberflächen aufweist, wenigstens eine der Fluidverteilungsschichten einen Abdichtungsbereich und einen elektrisch leitfähigen, fluiddurchlässigen aktiven Bereich beinhaltet und die wenigstens eine Fluidverteilungsschicht ein vorgeformtes Schichtmaterial beinhaltet, das sich in den Abdichtungsbereich und in den aktiven Bereich hinein erstreckt,
    • (c) eine Ionenaustauschmembran, die zwischen wenigstens einen Teil der Fluidverteilungsschichten zwischengefügt ist,
    • (d) eine Menge an Elektrokatalysator, der zwischen wenigstens einen Teil jeder der Fluidverteilungsschichten und wenigstens einen Teil der Membran zwischengefügt ist, wodurch der aktive Bereich definiert wird.
  • Eine Kompression des vorgeformten Schichtmaterials durch Drücken des Paars von Platten gegeneinander bewirkt, dass die wenigstens eine Fluidverteilungsschicht in einer Richtung parallel zu den planaren Hauptoberflächen in dem Abdichtungsbereich im Wesentlichen fluidundurchlässig ist. So weist das in der wenigstens einen Fluidverteilungsschicht enthaltene vorgeformte Schichtmaterial eine intrinsische Abdichtungsfähigkeit auf.
  • In einer bevorzugten elektrochemischen Brennstoffzelle beinhalten beide Fluidverteilungsschichten einen Abdichtungsbereich und einen elektrisch leitfähigen, fluiddurchlässigen aktiven Bereich und beide beinhalten ein vorgeformtes Schichtmaterial, das sich sowohl in den Abdichtungsbereich als auch den aktiven Bereich hinein erstreckt.
  • In bevorzugten Ausführungsformen überlagert die Membran wenigstens einen Teil des Abdichtungsbereichs.
  • Die Fluidverteilungsschicht kann in dem Abdichtungsbereich elektrisch isolierend sein.
  • In einer ersten Ausführungsform einer elektrochemischen Brennstoffzelle besteht das vorgeformte Schichtmaterial aus einem elektrisch leitfähigen Gitter, das optional ein elektrisch leitfähiges Füllmittel wenigstens in dem aktiven Bereich enthalten kann. Das Gitter kann im Wesentlichen aus einem Metall bestehen, vorzugsweise aus Nickel, Edelstahl, Niob oder Titan.
  • In einer zweiten Ausführungsform einer elektrochemischen Brennstoffzelle besteht das vorgeformte Schichtmaterial aus einem elektrisch isolierenden Gitter, das wenigstens in dem aktiven Bereich elektrisch leitfähig gemacht wird. Das Gitter enthält zum Beispiel wenigstens in dem aktiven Bereich vorzugsweise ein elektrisch leitfähiges Füllmittel. Das Gitter besteht vorzugsweise im Wesentlichen aus einem polymeren Material, wie zum Beispiel Polyethylen, Polypropylen oder Polytetrafluorethylen.
  • Der Ausdruck Gitter, wie er hierin verwendet wird, beinhaltet gewirkte Gitter und expandierte Gittermaterialien, wie jene, die von Exmet Corporation, Naugatuk, CT erhältlich sind.
  • In einer dritten Ausführungsform einer elektrochemischen Brennstoffzelle besteht das vorgeformte Schichtmaterial im Wesentlichen aus einem fluidundurchlässigen Schichtmaterial, wobei das Schichtmaterial in dem aktiven Bereich fluiddurchlässig gemacht wurde. Das im Wesentlichen fluidundurchlässige Schichtmaterial ist zum Beispiel wenigstens in dem aktiven Bereich perforiert, um es fluiddurchlässig zu machen. Die Perforationen können hinsichtlich ihrer Form, Abmessung und ihres Abstands variieren. Das im Wesentlichen fluidundurchlässige Schichtmaterial kann ein elektrisch leitfähiges Schichtmaterial sein und kann ein elektrisch leitfähiges Füllmittel innerhalb der Perforationen in dem perforierten aktiven Bereich beinhalten. Graphitfolie ist ein bevorzugtes elektrisch leitfähiges Material. Alternativ kann das im Wesentlichen fluidundurchlässige Schichtmaterial ein elektrischer Isolator sein, der in dem aktiven Bereich elektrisch leitfähig gemacht wurde. In diesem Fall beinhaltet die Fluidverteilungsschicht vorzugsweise ein elektrisch leitfähiges Füllmittel innerhalb von Perforationen in dem perforierten aktiven Bereich. Das elektrisch isolierende Schichtmaterial kann im Wesentlichen aus einem polymeren Material, wie Polytetrafluorethylen, oder einem Elastomer bestehen, wie Gummi, das unter dem Handelsnamen Santopren von Monsanto Company erhältlich ist.
  • In einem alternativen Aspekt beinhaltet eine elektrochemische Brennstoffzelle:
    • (a) ein Paar von im Wesentlichen fluidundurchlässigen Separatorplatten,
    • (b) ein Paar Fluidverteilungsschichten, die zwischen die Separatorplatten zwischengefügt sind, wobei jede der Fluidverteilungsschichten zwei planare Hauptoberflächen aufweist, wenigstens eine der Fluidverteilungsschichten einen Abdichtungsbereich und einen elektrisch leitfähigen, fluiddurchlässigen, aktiven Bereich beinhaltet und die wenigstens eine Fluidverteilungsschicht ein poröses, elektrisch isolierendes Schichtmaterial beinhaltet, das sich in den aktiven Bereich und den Abdichtungsbereich hinein erstreckt,
    • (c) eine Ionenaustauschmembran, die zwischen wenigstens einen Teil der Fluidverteilungsschichten zwischengefügt ist,
    • (d) eine Menge an Elektrokatalysator, der zwischen wenigstens einen Teil jeder der Fluidverteilungsschichten und wenigstens einen Teil der Membran zwischengefügt ist, wodurch der aktive Bereich definiert wird.
  • Das poröse polymere Schichtmaterial enthält ein elektrisch leitfähiges Füllmittel in dem aktiven Bereich und ein Abdichtungsfüllmittel in dem Abdichtungsbereich, wodurch die Fluidverteilungsschicht in dem Abdichtungsbereich im Wesentlichen fluidundurchlässig gemacht wird.
  • In einigen Ausführungsformen besteht das poröse, elektrisch isolierende Schichtmaterial im Wesentlichen aus einem polymeren Material. Das polymere Material kann mikroporös sein. Geeignete polymere Materialien umfassen Polyethylen, Polypropylen und Polytetrafluorethylen.
  • Das poröse, elektrisch isolierende Schichtmaterial kann in Form eines Gitters vorliegen. Ein weiteres geeignetes Material ist eine Glasfasermatte.
  • Das Abdichtungsfüllmittel beinhaltet vorzugsweise ein fließfähig verarbeitbares Material, vorzugsweise ein Elastomer, wie zum Beispiel Siliciumgummi.
  • In jeglicher der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen kann wenigstens eine der Fluidverteilungsschichten wenigstens einen Kanal zum Führen eines fluiden Reaktandenstroms beinhalten, der in wenigstens einer der Planaren Hauptoberflächen derselben ausgebildet ist. Der wenigstens eine Kanal quert vorzugsweise den aktiven Bereich.
  • In jeglicher der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen kann wenigstens eine der Separatorschichten wenigstens einen Kanal beinhalten, der in einer Hauptoberfläche derselben ausgebildet ist, die einer Fluidverteilungsschicht gegenüberliegt, um einen Fluidreaktandenstrom in Kontakt mit der Schicht zu führen.
  • Die Separatorplatten, das vorgeformte Schichtmaterial und die Fluidverteilungsschicht können unter Druck deformierbar oder elastisch sein oder können im Wesentlichen starr sein. In jeglicher der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen kann eine Fluidverteilungsschicht eine oder mehrere Materialschichten beinhalten.
  • Bevorzugte elektrisch leitfähige Füllmittel beinhalten ein Bindemittel und elektrisch leitfähige Partikel, wie Kohlenstoffpartikel und/oder Borkarbidpartikel. Das elektrisch leitfähige Füllmittel kann einen Katalysator und/oder ein Ionomer beinhalten.
  • In jeglicher der vorstehenden Ausführungsformen kann der Abdichtungsbereich wenigstens eine darin ausgebildete Fluidverteileröffnung aufweisen.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine Explosionsschnittansicht einer herkömmlichen elektrochemischen Festkörperpolymer-Brennstoffzelle (Stand der Technik), die einen zwischen zwei Strömungsfeldplatten zwischengefügten MEA zeigt,
  • 2A ist eine Explosionsschnittansicht in der Richtung von Pfeilen A-A in 2B einer elektrochemischen Brennstoffzelle, die ein Paar von Fluidströmungsfeldplatten und ein Paar von Fluidverteilungsschichten mit integraler Abdichtungsfähigkeit beinhaltet. Die Fluidverteilungsschichten beinhalten ein Gitterschichtmaterial. 2B ist eine isometrische Explosionsansicht eines Teils der Brennstoffzelle von 2A,
  • 3A ist eine Explosionsschnittansicht in der Richtung von Pfeilen B-B in 3B einer elektrochemischen Brennstoffzelle, die ein Paar von Fluidströmungsfeldplatten und ein Paar von Fluidverteilungsschichten mit integraler Abdichtungsfähigkeit beinhaltet. Die Fluidverteilungsschichten beinhalten ein im Wesentlichen fluidundurchlässiges Schichtmaterial mit einer Mehrzahl von in dem elektrochemisch aktiven Bereich desselben ausgebildeten Perforationen. 3B ist eine isometrische Explosionsansicht eines Teils der Brennstoffzelle von 3A,
  • 4A ist eine Explosionsschnittansicht in der Richtung von Pfeilen C-C in 4B einer elektrochemischen Brennstoffzelle, die ein Paar von Separatorplatten und ein Paar von Fluidverteilungsschichten mit einer integralen Abdichtungsfähigkeit beinhaltet. Die Fluidverteilungsschichten beinhalten ein im Wesentlichen fluidundurchlässiges Schichtmaterial mit einer Mehrzahl von Perforationen in dem elektrochemisch aktiven Bereich desselben und Fluidströmungskanäle, die in einer Hauptoberfläche desselben ausgebildet sind. 4B ist eine isometrische Explosionsansicht eines Teils der Brennstoffzelle von 4A.
  • 5 ist ein schematisches Diagramm, das einen Herstellungsprozess darstellt, der zur Fertigung von Brennstoffzellen mit Fluidverteilungsschichten mit integraler Abdichtungsfähigkeit geeignet ist.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • 1 stellt eine typische Festkörperpolymer-Brennstoffzelle 10 (Stand der Technik) dar. Die Brennstoffzelle 10 beinhaltet einen MEA 12 mit einer Ionenaustauschmembran 14, die zwischen zwei Elektroden zwischengefügt ist, nämlich einer Anode 16 und einer Kathode 17. Die Anode 16 beinhaltet eine poröse, elektrisch leitfähige Fluidverteilungsschicht 18. Eine dünne Schicht eines Elektrokatalysators 20 ist an der Grenzfläche zu der Membran 14 angeordnet, wodurch ein elektrochemisch aktiver Bereich der Fluidverteilungsschicht 18 definiert wird. Die Kathode 17 beinhaltet eine poröse, elektrisch leitfähige Fluidverteilungsschicht 19. Eine dünne Schicht eines Elektrokatalysators 21 ist an der Grenzfläche zu der Membran 14 angeordnet, wodurch ein elektrochemisch aktiver Bereich der Fluidverteilungsschicht 19 definiert wird. Der MEA ist zwischen eine Anoden-Strömungsfeldplatte 22 und eine Kathoden-Strömungsfeldplatte 24 zwischengefügt. Die Anoden-Strömungsfeldplatte 22 weist wenigstens einen Brennstoffströmungskanal 23 auf, der an ihrer Oberfläche ausgebildet ist, die der Anoden-Fluidverteilungsschicht gegenüberliegt. Die Kathoden-Strömungsfeldplatte 24 weist wenigstens einen Oxidationsmittelströmungskanal 25 auf, der in ihrer Oberfläche ausgebildet ist, die der Kathoden-Fluidverteilungsschicht 19 gegenüberliegt. Bei Montage gegen die zusammenwirkenden Oberflächen der Fluidverteilungsschichten 18 und 19 bilden die Kanäle 23 und 25 Reaktandenströmungsfeldpassagen für den Brennstoff beziehungsweise das Oxidationsmittel. Der Membranelektrodenaufbau 12 beinhaltet außerdem vorgeformte Dichtungen 26, die innerhalb von Kanälen 27 platziert sind, die sich durch die Dicke der Fluidverteilungsschichten 18 und 19 erstrecken. Wenn die Brennstoffzelle 10 montiert und durch Drücken der Platten 22 und 24 gegeneinander komprimiert ist, wirken die Dichtungen 26 mit den Platten 22, 24 und der Membran 14 zusammen, um eine Abdichtung zu bilden, wel che den elektrochemisch aktiven Bereich jeder Fluidverteilungsschicht 18, 19 umgibt.
  • 2A ist eine Explosionsschnittansicht einer elektrochemischen Brennstoffzelle 210, von der ein Teil in 2B in einer isometrischen Explosionsansicht gezeigt ist. Die Brennstoffzelle 210 beinhaltet einen Membranelektrodenaufbau 212, der eine Ionenaustauschmembran 214 beinhaltet, die zwischen ein Paar von Fluidverteilungsschichten 218 und 219 zwischengefügt ist. Eine Menge an Elektrokatalysator ist in einer Schicht 220, 221 an der Grenzfläche zwischen jeder Fluidverteilungsschicht 218, 219 und der Membran 214 in dem elektrochemisch aktiven Bereich 230 der Fluidverteilungsschichten 218, 219 angeordnet. Der Katalysator kann an der Membran oder der Fluidverteilungsschicht angebracht sein. Der MEA 212 ist zwischen ein Paar von Strömungsfeldplatten 222 und 224 zwischengefügt. Jede Platte 222, 224 weist einen in ihrer Oberfläche ausgebildeten, an einer Seite offenen Kanal 223, 225 auf, welcher jeweils der entsprechenden Fluidverteilungsschicht 218, 219 zugewandt ist und einen Teil jeder Platte quert, der den elektrochemisch aktiven Bereich 230 überlagert. Bei einer Montage gegen die zusammenwirkenden Oberflächen der Fluidverteilungsschichten 218 und 219 bilden die Kanäle 223 und 225 Reaktandenströmungsfeldpassagen für den Brennstoff beziehungsweise das Oxidationsmittel.
  • Die Fluidverteilungsschichten 218, 219 weisen jeweils einen Abdichtungsbereich 240 auf. In der dargestellten Ausführungsform liegt die Ionenaustauschmembran 214 über dem Abdichtungsbereich 240. In dem elektrochemisch aktiven Bereich 230 sind die Fluidverteilungsschichten 218, 219 elektrisch leitfähig und fluiddurchlässig, um den Durchgang eines Reaktandenfluids zwischen den zwei planaren Hauptoberflächen derselben für eine Zuführung zu der Elektrokatalysatorschicht 220 beziehungsweise 221 zu ermöglichen. In der in den 2A und 2B dargestellten Ausführungsform beinhalten die Fluidverteilungsschichten ein Gitterschichtmaterial 250, das sich in den aktiven und den Abdichtungs bereich 230, 240 erstreckt. Das Gitterschichtmaterial 250 kann aus einem elektrisch leitfähigen Material, wie einem Metall, oder einem polymeren Material gebildet sein, das elektrisch isolierend ist. Wenn das Gitter elektrisch isolierend ist, wird die Fluidverteilungsschicht in dem aktiven Bereich 230 elektrisch leitfähig gemacht, zum Beispiel kann sie wenigstens in dem Bereich 230 ein elektrisch leitfähiges Füllmittel beinhalten. In bevorzugten Ausführungsformen enthält das Gitter ein elektrisch leitfähiges Füllmittel, selbst wenn das Gitter elektrisch leitfähig ist. Eine Kompression des Gitterschichtmaterials 250 in den Fluidverteilungsschichten 218, 219 zwischen der Membran 214 und den Platten 222 beziehungsweise 224 macht die Fluidverteilungsschichten in einer Richtung parallel zu ihren planaren Hauptoberflächen in dem Abdichtungsbereich 240 im Wesentlichen fluidundurchlässig. So wird eine Abdichtung um die Peripherie des aktiven Bereichs 240 herum durch Benutzen der intrinsischen Abdichtungsfähigkeit des Gitterschichtmaterials 250 erreicht, wenn es zwischen zwei im Wesentlichen fluidundurchlässige Schichten zwischengefügt und komprimiert wird. Geeignete Gittermaterialien umfassen expandierte Materialien, die von Exmet Corporation, Naugatuk, CT erhältlich sind.
  • Wie in 2B gezeigt, weisen die Membran 214, die Fluidverteilungsschichten 218 und 219, und die Reaktandenströmungsfeldplatten 222, 224 jeweils eine Mehrzahl von darin ausgebildeten Öffnungen 260 auf, die nach der Montage ausgerichtet sind, um Verteiler zum Leiten von Einlass- und Auslassfluidströmen durch die Brennstoffzelle 210 zu bilden. Zum Beispiel erstreckt sich ein Oxidationsmittelfluid-Strömungsfeldkanal 225 zwischen einer Oxidationsmittel-Einlassverteileröffnung 260a und einem Oxidationsmittel-Auslassverteiler 260b, die in der Platte 224 ausgebildet sind. Die Fluidverteileröffnungen 260 in den Fluidverteilungsschichten 218, 219 sind im Abdichtungsbereich 240 ausgebildet. Die Öffnungen 260 brauchen nicht notwendigerweise in dem Gittermaterial der Fluidverteilungsschicht aus gebildet zu sein, da das Fluid, das den Verteiler passiert, im Allgemeinen das Gittermaterial ohne Weiteres passieren kann.
  • In einer alternativen Ausführungsform können die Fluidverteilungsschichten 218, 219 ein poröses, elektrisch isolierendes Schichtmaterial beinhalten, das ein elektrisch leitfähiges Füllmittel im aktiven Bereich 230 und ein Abdichtungsfüllmittel im Abdichtungsbereich 240 beinhalten, um die Fluidverteilungsschicht in dem Abdichtungsbereich im Wesentlichen fluidundurchlässig zu machen. Geeignete poröse, elektrisch isolierende Schichtmaterialien beinhalten zum Beispiel Glasfasermatte, Kunststoffgitter und mikroporöse polymere Filme. Das Abdichtungsfüllmittel imprägniert und füllt im Wesentlichen die Poren des porösen Materials, um es im Wesentlichen fluidundurchlässig zu machen. So ist es bei dieser Vorgehensweise das Abdichtungsfüllmittel, das der Fluidverteilungsschicht in dem Abdichtungsbereich eine integrale Abdichtungsfähigkeit verleiht.
  • 3A ist eine Explosionsschnittansicht einer elektrochemischen Brennstoffzelle 310, von der ein Teil in 3B in einer isometrischen Explosionsansicht gezeigt ist. Wiederum beinhaltet die Brennstoffzelle 310 einen Membranelektrodenaufbau 312, der eine zwischen einem Paar von Fluidverteilungsschichten 318, 319 zwischengefügte Ionenaustauschmembran 314 mit einer Menge an Elektrokatalysator beinhaltet, der in einer Schicht 320, 321 an der Grenzfläche zwischen jeder Fluidverteilungsschicht 318, 319 und der Membran 314 in dem elektrochemisch aktiven Bereich 330 der Fluidverteilungsschichten 318, 319 angeordnet ist. Der MEA 312 ist zwischen ein Paar von Strömungsfeldplatten 322 und 324 zwischengefügt, wobei jede Platte einen in ihrer Oberfläche, die der entsprechenden Fluidverteilungsschicht 318 beziehungsweise 319 zugewandt ist, ausgebildeten Kanal 323, 325 mit offener Seite aufweist, wie für die 2A und 2B vorstehend beschrieben.
  • Die Fluidverteilungsschichten 318, 319 weisen jeweils einen Abdichtungsbereich 340 auf. In der dargestellten Ausführungsform überlagert die Ioneaustauschmembran 314 lediglich einen Teil des Abdichtungsbereichs 340, der den aktiven Bereich 330 umgibt. Die Membran 314 überlagert nicht den gesamten Abdichtungsbereich 340. In dem elektrochemisch aktiven Bereich 330 sind die Fluidverteilungsschichten 318, 319 elektrisch leitfähig und fluiddurchlässig. In der in den 3A und 3B dargestellten Ausführungsform beinhalten die Fluidverteilungsschichten im Wesentlichen fluidundurchlässiges Schichtmaterial 350, das sich sowohl in den aktiven als auch in den passiven Bereich 330, 340 erstreckt. Das Schichtmaterial 350 ist wenigstens in dem elektrochemisch aktiven Bereich perforiert, was es fluiddurchlässig macht, um den Durchtritt von Reaktionsmittelfluid zwischen den zwei planaren Hauptoberflächen desselben für einen Zutritt zu der jeweiligen Elektrokatalysatorschicht 320, 321 zu erlauben. In der dargestellten Ausführungsform ist das im Wesentlichen fluidundurchlässige Schichtmaterial 350 aus einem elektrisch isolierenden, polymeren Material, wie Polytetrafluorethylen, oder einem Elastomer gebildet, wie der unter dem Handelsnamen Santoprene von Monsanto Company erhältliche Gummi. Da das Schichtmaterial 350 elektrisch isolierend ist, wird die Fluidverteilungsschicht in dem aktiven Bereich 330 elektrisch leitfähig gemacht. Die Perforationen 352 können zum Beispiel ein elektrisch leitfähiges Füllmittel 354 enthalten. Eine Kompression des Schichtmaterials 350 in den Fluidverteilungsschichten 318, 319 zwischen der Membran 314 und den Platten 322 beziehungsweise 324 macht die Fluidverteilungsschichten in einer Richtung parallel zu ihren planaren Hauptoberflächen in dem Abdichtungsbereich 340 dank der Fluidundurchlässigkeit des Schichtmaterials 350, das sich in den Abdichtungsbereich 340 erstreckt, im Wesentlichen fluidundurchlässig.
  • Wie in 3B gezeigt, weist jede der Fluidverteilungsschichten 318, 319 und der Reaktionsmittelströmungsfeldplatten 322, 324 eine Mehrzahl von darin ausgebildeten Öffnungen 360 auf, die nach der Montage aus gerichtet sind, um Verteiler zum Leiten von Einlass- und Auslassfluidströmen durch die Brennstoffzelle 310 hindurch zu bilden, wie vorstehend beschrieben. Zum Beispiel erstreckt sich ein Oxidationsmittel-Fluidströmungsfeldkanal 325 zwischen einer Oxidationsmittel-Einlassverteileröffnung 360a und einem Oxidationsmittel-Auslassverteiler 360b, die in der Platte 324 ausgebildet sind. Die zwei Fluidverteilungsschichten 318, 319 und die Reaktionsmittelströmungsfeldplatten 322, 324 wirken zusammen, um eine Dichtung zu bilden, welche die Verteileröffnungen 360 umgibt. Dabei wird die Abdichtung in den Ausführungsformen der 3A und 3B um die Peripherie des aktiven Bereichs 340 herum durch Verwenden der intrinsischen Abdichtungsfähigkeit des Schichtmaterials 350 erreicht, wenn es zwischen die Platten 322, 324 und die Membran 324 zwischengefügt und komprimiert wird. Wenn die Fluidverteilungsschichten 318, 319 in dem Abdichtungsbereich 340 elektrisch leitfähig sind und die Membran 314 nicht den gesamten Abdichtungsbereich 340 überlagert, müsste ein elektrischer Isolator zwischen die Schichten 318, 319 zwischengefügt werden, um Kurzschlussbildung zu verhindern.
  • 4A ist eine Explosionsschnittansicht einer elektrochemischen Brennstoffzelle 410, von der ein Teil in 4B in einer isometrischen Explosionsansicht gezeigt ist. Die Brennstoffzelle 410 ist der Brennstoffzelle 310 der 3A und 3B sehr ähnlich und beinhaltet wiederum einen Membranelektrodenaufbau 412, der eine zwischen ein Paar von Fluidverteilungsschichten 418, 419 zwischengefügte Ionenaustauschmembran 414 mit elektrokatalysatorhaltigen Schichten 420, 421 beinhaltet, die den elektrochemisch aktiven Bereich 430 der Fluidverteilungsschichten 418, 419 definieren. Der MEA 412 ist zwischen ein Paar von Separatorplatten 422 und 424 zwischengefügt.
  • Die Fluidverteilungsschichten 418, 419 weisen jeweils einen Abdichtungsbereich 440 auf. In der dargestellten Ausführungsform überlagert die Ionenaustauschmembran 414 den Abdichtungsbereich 440. In dem elektrochemisch aktiven Bereich 430 sind die Fluidverteilungsschichten 418, 419 elektrisch leitfähig und fluiddurchlässig. In der in den 4A und 4B dargestellten Ausführungsform beinhalten die Fluidverteilungsschichten im Wesentlichen fluidundurchlässiges Schichtmaterial 450, das sich sowohl in den aktiven als auch den Abdichtungsbereich 430, 440 erstreckt. Das Schichtmaterial 450 ist wenigstens in dem elektrochemisch aktiven Bereich perforiert, was es fluiddurchlässig macht, um den Durchtritt von Reaktionsmittelfluid zwischen den zwei planaren Hauptoberflächen desselben für einen Zutritt zu den Elektrokatalysatorschichten 420 beziehungsweise 421 zu erlauben. In der dargestellten Ausführungsform ist das im Wesentlichen fluidundurchlässige Schichtmaterial 450 aus einem elektrisch leitfähigen Material, wie einer Graphitfolie, Kohlenstoffharz oder einem Metall gebildet. Die Perforationen 452 enthalten vorzugsweise ein elektrisch leitfähiges Füllmittel 454.
  • In der dargestellten Ausführungsform weist jede Fluidverteilungsschicht 418, 419 einen in ihrer Oberfläche, die der entsprechenden Separatorplatte 422 beziehungsweise 424 zugewandt ist, ausgebildeten Kanal 423, 425 mit offener Seite auf, der den elektrochemisch aktiven Bereich 430 quert. Nach einer Montage gegen die zusammenwirkenden Oberflächen der Platten 422, 424 bilden die Kanäle 423 und 425 Reaktionsmittel-Strömungsfeldpassagen für den Brennstoff beziehungsweise das Oxidationsmittel.
  • Eine Ausführungsform wie jene in den 4A und 4B dargestellte vereinigt mehrere Funktionen, die Abdichtung, Fluidverteilung einschließlich Bereitstellung eines Strömungsfeldes sowie Stromsammlung umfassen, in einer einzelnen Schicht oder Komponente.
  • Eine Kompression des Schichtmaterials 450 in den Fluidverteilungsschichten 418, 419 zwischen der Membran 414 und den Platten 422 beziehungsweise 424 macht die Fluidverteilungsschichten 418, 419 in einer Richtung parallel zu ihren planaren Hauptoberflächen in dem Ab dichtungsbereich 440 dank der Fluidundurchlässigkeit des Schichtmaterials 450, das sich in den Abdichtungsbereich 440 erstreckt, im Wesentlichen fluidundurchlässig.
  • Wie in 4B gezeigt, weisen die Membran 414, die Fluidverteilungsschichten 418, 419 und die Reaktionsmittel-Strömungsfeldplatten 422, 424 eine Mehrzahl von darin ausgebildeten Öffnungen 460 auf, die nach der Montage ausgerichtet sind, um Verteiler zum Leiten von Einlass- und Auslassfluidströmen durch die Brennstoffzelle 410 hindurch zu bilden, wie vorstehend beschrieben.
  • Es kann eine breite Vielfalt von Herstellungsprozessen zur Fertigung und Montage von Brennstoffzellen der vorliegenden Auslegung verwendet werden. Es wird angenommen, dass die Auslegung für Herstellungsprozesse mit hohem Durchsatz geeignet ist. 5 ist ein schematisches Diagramm, das eine mögliche Herstellungsweise für eine Brennstoffzelle darstellt, die jener in den 4A und 4B dargestellten ähnlich ist. 5 zeigt schematisch die Herstellung einer Fluidverteilungsschicht 518 und die Konsolidierung von zwei derartigen Schichten 518, 519 mit einer katalysierten Membran 514 und einer Separatorschicht 522 in einem Prozess vom Rolle-zu-Rolle-Typ. Die Fluidverteilungsschichten 518 werden zum Beispiel durch selektives Perforieren eines im Wesentlichen fluidundurchlässigen, vorgeformten Schichtmaterials 550 in dem aktiven Bereich in einem Perforationsschritt 580 gebildet. Das Schichtmaterial kann zum Beispiel eine Graphitfolie sein. In einem nachfolgenden Schritt 585 werden die Perforationen wenigstens teilweise mit einem elektrisch leitfähigen Füllmittel, wie Kohlenstoffpartikeln, und einem Bindemittel gefüllt. Eine Schicht aus einem leitfähigen Füllmittel kann außerdem auf einer oder beiden Hauptoberflächen des perforierten Schichtmaterials 550 aufgebracht werden. Reaktionsmittelströmungsfeldkanäle 523 können in einer oder beiden Hauptoberflächen der Fluidverteilungsschicht in Schritt 590 zum Beispiel durch Prägen gebildet werden. Ein Mehrschicht-Brennstoffzellenaufbau 510 kann gebildet werden, indem in ei nem Konsolidierungsschritt 595 zwei Fluidverteilungsschichten 518, 519 mit einer Ionenaustauschmembran 514 und einer im Wesentlichen fluidundurchlässigen Separatorschicht 522 zusammengebracht werden. Der Konsolidierungsschritt kann eine thermische Laminierung und/oder einen Druckbondprozess beinhalten. Die Ionenaustauschmembran 514 weist eine elektrokatalysatorhaltige Schicht auf einem Teil von beiden ihrer Hauptoberflächen auf, was den elektrochemisch aktiven Bereich definiert. Alternativ kann der Elektrokatalysator vor dem Konsolidierungsschritt 595 auf den Fluidverteilungsschichten 518, 519 aufgebracht werden. Die Aufbauten können dann optional in einzelne Zelleneinheiten geschnitten und geschichtet werden, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden, wobei Separatorschichten 522 als Bipolarplatten dienen. 5 stellt dar, wie die vorliegende Brennstoffzellenauslegung mit Fluidverteilungsschichten mit integraler Abdichtungsfähigkeit zur Herstellung über einen kontinuierlichen Herstellungsprozess mit hohem Durchsatz bei geringem Materialverbrauch und wenigen einzelnen Komponenten und Prozessschritten geeignet ist.
  • Die praktischen Vorteile der vorliegenden elektrochemischen Zelle mit einer Fluidverteilungsschicht mit integraler Abdichtungsfähigkeit bestehen in der Kombination der Abdichtungs- und Fluidverteilungsfunktionen in eine Fluidverteilungsschicht, wodurch Kosten reduziert und die Komponenten vereinfacht werden und ihre Zuverlässigkeit verbessert wird. Diese Vorgehensweise reduziert oder eliminiert die Notwendigkeit für separate Abdichtungskomponenten in einem Brennstoffzellenaufbau. Ein weiterer Vorteil mit den Ausführungsformen mit nichtporösem Schichtmaterial besteht in der Möglichkeit, die elektrochemische Reaktionsrate durch Variieren der Anzahl von gefüllten Öffnungen über den aktiven Bereich hinweg zu steuern und dadurch den Zutritt von Reaktionsmittel zu dem Elektrokatalysator zu steuern.
  • In allen vorstehenden Ausführungsformen kann die Brennstoffzelle zusätzliche Schichten aus Materialien beinhalten, die zwischen jene ge zeigten zwischengefügt sind, oder die gezeigten Komponenten können Mehrschichtstrukturen sein. Derartige zusätzliche Schichten können sowohl den elektrochemisch aktiven Bereich als auch den Abdichtungsbereich überlagern oder nicht. Die Separatorplatten können optional erhabene Abdichtungswülste aufweisen, die in dem Abdichtungsbereich aus den Hauptoberflächen derselben vorstehen. In einem Brennstoffzellenaufbau unter Kompression komprimieren die Abdichtungswülste das vorgeformte Schichtmaterial in der Verteilungsschicht.
  • Wenngleich spezielle Elemente, Ausführungsformen und Anwendungen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, versteht es sich selbstverständlich, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist, da von einem Fachmann insbesondere im Licht der vorstehenden Lehren Modifikationen durchgeführt werden können. Es ist daher durch die beigefügten Ansprüche beabsichtigt, derartige Modifikationen abzudecken, soweit sie jene Merkmale enthalten, die in den Umfang der Erfindung fallen.

Claims (30)

  1. Elektrochemische Brennstoffzelle mit (a) einem Paar von im Wesentlichen fluidundurchlässigen Separatorplatten, (b) einem Paar von Fluidverteilungsschichten, die zwischen die Separatorplatten zwischengefügt sind, wobei jede der Fluidverteilungsschichten zwei planare Hauptoberflächen aufweist, we nigstens eine der Fluidverteilungsschichten einen Abdichtungsbereich und einen elektrisch leitfähigen, fluiddurchlässigen aktiven Bereich beinhaltet und die wenigstens eine Fluidverteilungsschicht ein vorgeformtes Schichtmaterial beinhaltet, das sich in den Abdichtungsbereich und in den aktiven Bereich hinein erstreckt, (c) einer Ionenaustauschmembran, die zwischen wenigstens einen Teil der Fluidverteilungsschichten zwischengefügt ist, (d) einer Menge an Elektrokatalysator, der zwischen wenigstens einen Teil jeder der Fluidverteilungsschichten und wenigstens einen Teil der Membran zwischengefügt ist, wodurch der aktive Bereich definiert wird, wobei eine Kompression des vorgeformten Schichtmaterials durch Gegeneinanderdrücken des Paars von Platten bewirkt, dass die wenigstens eine Fluidverteilungsschicht in einer Richtung parallel zu den planaren Hauptoberflächen in dem Abdichtungsbereich im Wesentlichen fluidundurchlässig wird.
  2. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine der Fluidverteilungsschichten beide des Paares von Fluidverteilungsschichten beinhaltet.
  3. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Membran wenigstens über einem Teil des Abdichtungsbereichs liegt.
  4. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Fluidverteilungsschicht in dem Abdichtungsbereich elektrisch isolierend ist.
  5. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das vorgeformte Schichtmaterial ein Gitter ist.
  6. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 5, wobei das Gitter elektrisch leitfähig ist.
  7. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 6, wobei das Gitter wenigstens in dem aktiven Bereich einen elektrisch leitfähigen Füllstoff enthält.
  8. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 6, wobei das Gitter im Wesentlichen aus einem Metall besteht.
  9. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 8, wobei das Metall aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Nickel, Edelstahl, Niob und Titan besteht.
  10. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 5, wobei das Gitter ein elektrischer Isolator ist und das Gitter wenigstens in dem aktiven Bereich einen elektrisch leitfähigen Füllstoff enthält.
  11. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 10, wobei das Gitter im Wesentlichen aus einem polymeren Material besteht.
  12. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 11, wobei das polymere Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Polyethylen, Polypropylen und Polytetrafluorethylen besteht.
  13. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das vorgeformte Schichtmaterial ein im Wesentlichen fluidundurchlässiges Schichtmaterial ist, wobei das Schichtmaterial in dem aktiven Bereich fluiddurchlässig gemacht wird.
  14. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 13, wobei das im Wesentlichen fluidundurchlässige Schichtmaterial wenigstens in dem aktiven Bereich perforiert ist.
  15. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 14, wobei das im Wesentlichen fluidundurchlässige Schichtmaterial elektrisch leitfähig ist.
  16. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 15, wobei das im Wesentlichen fluidundurchlässige Schichtmaterial eine Graphitfolie ist.
  17. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 15, wobei die wenigstens eine Fluidverteilungsschicht einen elektrisch leitfähigen Füllstoff innerhalb von Perforationen in dem perforierten aktiven Bereich beinhaltet.
  18. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 14, wobei das im Wesentlichen fluidundurchlässige Schichtmaterial ein elektrischer Isolator ist und die wenigstens eine Fluidverteilungsschicht einen elektrisch leitfähigen Füllstoff innerhalb von Perforationen in dem perforierten aktiven Bereich beinhaltet.
  19. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 18, wobei das im Wesentlichen fluidundurchlässige Schichtmaterial im Wesentlichen aus einem polymeren Material besteht.
  20. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Fluidverteilungsschicht des Weiteren wenigstens einen Kanal beinhaltet, der in wenigstens einer der planaren Hauptoberflächen derselben ausgebildet ist, um einen Fluidreaktandenstrom zu leiten, wobei der wenigstens eine Kanal den aktiven Bereich durchquert.
  21. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei wenigstens eine der Separatorschichten wenigstens einen Kanal beinhaltet, der in einer Hauptoberfläche derselben ausgebildet ist, die der wenigstens einen Fluidverteilungsschicht zugewandt ist, um einen Fluidreaktandenstrom in Kontakt mit der Schicht zu leiten.
  22. Elektrochemische Brennstoffzelle mit (a) einem Paar von im Wesentlichen fluidundurchlässigen Separatorplatten, (b) einem Paar von Fluidverteilungsschichten, die zwischen die Separatorplatten zwischengefügt sind, wobei jede der Fluidverteilungsschichten zwei planare Hauptoberflächen aufweist, wenigstens eine der Fluidverteilungsschichten einen Abdichtungsbereich und einen elektrisch leitfähigen, fluiddurchlässigen, aktiven Bereich beinhaltet und die wenigstens eine Fluidverteilungsschicht ein poröses, elektrisch isolierendes Schichtmaterial beinhaltet, das sich in den aktiven Bereich und den Abdichtungsbereich hinein erstreckt, (c) einer Ionenaustauschmembran, die zwischen wenigstens einen Teil der Fluidverteilungsschichten zwischengefügt ist, (d) eine Menge an Elektrokatalysator, der zwischen wenigstens einen Teil jeder der Fluidverteilungsschichten und wenigstens einen Teil der Membran zwischengefügt ist, wodurch der aktive Bereich definiert wird, wobei das poröse, elektrisch isolierende Schichtmaterial einen elektrisch leitfähigen Füllstoff in dem aktiven Bereich und einen abdichtenden Füllstoff in dem Abdichtungsbereich enthält, wodurch bewirkt wird, dass die Fluidverteilungsschicht in dem Abdichtungsbereich im wesentlichen fluidundurchlässig wird.
  23. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 22, wobei das poröse, elektrisch isolierende Schichtmaterial im Wesentlichen aus einem polymeren Material besteht.
  24. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 23, wobei das polymere Material mikroporös ist.
  25. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 23, wobei das polymere Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Polyethylen, Polypropylen und Polytetrafluorethylen besteht.
  26. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 22, wobei das poröse, elektrisch isolierende Schichtmaterial ein Gitter ist.
  27. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 22, wobei das poröse, elektrisch isolierende Schichtmaterial eine Glasfasermatte ist.
  28. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 22, wobei der abdichtende Füllstoff ein fließfähig verarbeitbares Material beinhaltet.
  29. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 28, wobei das fließfähig verarbeitbare Material ein Elastomer ist.
  30. Elektrochemische Brennstoffzelle nach Anspruch 29, wobei das elastomere, fließfähig verarbeitbare Material Silikongummi ist.
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