NO20121388A1 - Bipolar plates; preparation and use thereof in polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells or other electrochemical cells - Google Patents
Bipolar plates; preparation and use thereof in polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells or other electrochemical cells Download PDFInfo
- Publication number
- NO20121388A1 NO20121388A1 NO20121388A NO20121388A NO20121388A1 NO 20121388 A1 NO20121388 A1 NO 20121388A1 NO 20121388 A NO20121388 A NO 20121388A NO 20121388 A NO20121388 A NO 20121388A NO 20121388 A1 NO20121388 A1 NO 20121388A1
- Authority
- NO
- Norway
- Prior art keywords
- bipolar plate
- gas diffusion
- corrosive
- diffusion layer
- plate
- Prior art date
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 23
- 239000012528 membrane Substances 0.000 title claims description 4
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 title claims description 4
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 39
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 39
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims abstract description 25
- 238000005056 compaction Methods 0.000 claims abstract description 12
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims abstract description 8
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical group [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 26
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 24
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 22
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 22
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 13
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 12
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 9
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 6
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 claims description 3
- 238000003618 dip coating Methods 0.000 claims description 3
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims description 3
- 239000003292 glue Substances 0.000 claims description 2
- 239000003973 paint Substances 0.000 claims description 2
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 17
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 12
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 12
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 10
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 8
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 description 7
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 7
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 6
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 6
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 6
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 5
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 5
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 5
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 5
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 4
- 239000002952 polymeric resin Substances 0.000 description 4
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 4
- 229920003002 synthetic resin Polymers 0.000 description 4
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 3
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 3
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 3
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 229910000975 Carbon steel Inorganic materials 0.000 description 2
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XUMBMVFBXHLACL-UHFFFAOYSA-N Melanin Chemical compound O=C1C(=O)C(C2=CNC3=C(C(C(=O)C4=C32)=O)C)=C2C4=CNC2=C1C XUMBMVFBXHLACL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 2
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 2
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000001721 carbon Chemical class 0.000 description 2
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 2
- 239000010962 carbon steel Substances 0.000 description 2
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- -1 fluororesins Polymers 0.000 description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 2
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 2
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 2
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 2
- 238000005554 pickling Methods 0.000 description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 2
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 2
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 2
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920000178 Acrylic resin Polymers 0.000 description 1
- 239000004925 Acrylic resin Substances 0.000 description 1
- 229910000851 Alloy steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001200 Ferrotitanium Inorganic materials 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- SJKRCWUQJZIWQB-UHFFFAOYSA-N azane;chromium Chemical compound N.[Cr] SJKRCWUQJZIWQB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 1
- 239000008199 coating composition Substances 0.000 description 1
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000010924 continuous production Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 239000012799 electrically-conductive coating Substances 0.000 description 1
- 238000004049 embossing Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 1
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 1
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 1
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 1
- 235000012209 glucono delta-lactone Nutrition 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- LNEPOXFFQSENCJ-UHFFFAOYSA-N haloperidol Chemical compound C1CC(O)(C=2C=CC(Cl)=CC=2)CCN1CCCC(=O)C1=CC=C(F)C=C1 LNEPOXFFQSENCJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000012811 non-conductive material Substances 0.000 description 1
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920001568 phenolic resin Polymers 0.000 description 1
- 239000005011 phenolic resin Substances 0.000 description 1
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 1
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 1
- 239000010970 precious metal Substances 0.000 description 1
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 238000007761 roller coating Methods 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 229920002050 silicone resin Polymers 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000010421 standard material Substances 0.000 description 1
- 235000011149 sulphuric acid Nutrition 0.000 description 1
- 238000005979 thermal decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 229920002803 thermoplastic polyurethane Polymers 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/023—Porous and characterised by the material
- H01M8/0234—Carbonaceous material
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
- H01M8/0206—Metals or alloys
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
- H01M8/0223—Composites
- H01M8/0228—Composites in the form of layered or coated products
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Foreliggende oppfinnelse omhandler en bipolar plate (BPP) med gassdiffusjonslag (GDL) for anvendelse i PEM brenselceller eller andre elektrokjemiske celler. Et antikorrosivt lag blir påført på den bipolare platen og påfølgende blir gassdiffusjonslaget varm-presset på den belagte bipolare platen ved forhøyet temperatur og kompakteringstrykk før og i løpet av herding av det anti-korrosive laget. Den belagte bipolare platen og gassdiffusjonslaget blir limt sammen. Et annet aspekt av oppfinnelsen er en bipolar plate fremstilt ved å påføre et antikorrosivt belegg som omfatter et elektrisk ledende materiale på en metallisk plate, og underkaste den belagte platen for et forhøyet kompakteringstrykk ved forhøyet temperatur før og i løpet av herding av det anti-korrosive laget.The present invention relates to a gas diffusion bipolar plate (BPP) for use in PEM fuel cells or other electrochemical cells. An anticorrosive layer is applied to the bipolar plate and subsequently the gas diffusion layer is hot-pressed onto the coated bipolar plate at elevated temperature and compaction pressure before and during curing of the anti-corrosive layer. The coated bipolar plate and the gas diffusion layer are bonded together. Another aspect of the invention is a bipolar plate made by applying an anticorrosive coating comprising an electrically conductive material to a metallic plate, and subjecting the coated plate to an elevated compaction pressure at elevated temperature before and during curing of the anti-corrosive made.
Description
Teknisk område Technical area
Foreliggende oppfinnelse omhandler nye konsepter relatert til bipolare plater (BPP) for anvendelse i polymer elektrolytt membran (PEM) brenselceller eller andre elektrokjemiske celler. The present invention deals with new concepts related to bipolar plates (BPP) for use in polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells or other electrochemical cells.
Bakgrunn Background
Polymer elektrolytt membran brenselceller (PEMFC) har oppnådd stor in-teresse for å omforme hydrogen og oksygen til elektrisk energi, varme og vann. PEM brenselceller har lav emisjon av forurensninger og svært høy elektrisk ener-gieffektivitet. Hovedformålet ved de bipolare platene i en brenselcelle er å fordele oksidasjonsmiddel og brenselgass og elektroner til/fra gassdiffusjonslaget (GDL), og vann ut av systemet. For slike bipolare plater, har karbon- eller karbonkompo-sittmaterialer tradisjonelt blitt anvendt på grunn av deres gode kjemiske bestandighet. Karbonbaserte bipolare plater har imidlertid en lav mekanisk styrke, en ganske høy elektrisk motstand og høy maskineringskostnad. Metaller er på den andre siden ønsket på grunn av svært høy elektrisk ledningsevne, svært gode mekaniske egenskaper, men den kjemiske motstanden er ganske dårlig i det fuktige, sure og anodiske miljøet. Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) have gained great interest for converting hydrogen and oxygen into electrical energy, heat and water. PEM fuel cells have low emissions of pollutants and very high electrical energy efficiency. The main purpose of the bipolar plates in a fuel cell is to distribute oxidizer and fuel gas and electrons to/from the gas diffusion layer (GDL), and water out of the system. For such bipolar plates, carbon or carbon composite materials have traditionally been used because of their good chemical resistance. However, carbon-based bipolar plates have a low mechanical strength, a fairly high electrical resistance and high machining cost. Metals, on the other hand, are desired because of very high electrical conductivity, very good mechanical properties, but the chemical resistance is quite poor in the humid, acidic and anodic environment.
Karbonkompositter har blitt vurdert som standardmaterialet for PEM bipolare plater på grunn av deres lave grenseflatekontaktmotstand (ICR) og høye korrosjonsmotstand. Uheldigvis er karbon og karbonkompositter skjøre og permeable for gasser, og har dårlig kostnadseffektivitet for høyvolum tilvirkningsprosesser i forhold til metaller. Siden bestandighet og kostnad representerer de to hovedut-fordringene som hindrer brenselsteknologien fra å tre inn i energimarkedet, har det blitt gitt betydelig oppmerksomhet til metalliske bipolare plater for deres spesielle egnethet for transportapplikasjoner. Metaller innehar høyere mekanisk styrke, bed-re bestandighet overfor støt og vibrasjon, ingen permeabilitet og overlegen fabri-kasjonsevne og kostnadseffektivitet sammenlignet med karbon-baserte materialer. Den viktigste hemskoen til metaller er imidlertid mangelen på evne til å motstå korrosjon i det strenge sure og fuktige miljøet innen PEM brenselcellen uten oppløs-ning eller dannelse av elektrisk isolerende passive lag, som forårsaker betydelig energitap. Betydelige forsøk blir gjort på anvendelse av edle metaller, rustfritt stål og ulike belagte materialer med nitrid- og karbid-baserte legeringer for å forbedre korrosjonsmotstanden for de anvendte metallene uten å ofre grenseflatekontaktmotstand og opprettholde kostnadseffektivitet. Carbon composites have been considered as the standard material for PEM bipolar plates due to their low interfacial contact resistance (ICR) and high corrosion resistance. Unfortunately, carbon and carbon composites are fragile and permeable to gases, and have poor cost-effectiveness for high-volume manufacturing processes compared to metals. Since durability and cost represent the two main challenges preventing the fuel technology from entering the energy market, considerable attention has been given to metallic bipolar plates for their particular suitability for transport applications. Metals have higher mechanical strength, better resistance to shock and vibration, no permeability and superior manufacturing ability and cost-effectiveness compared to carbon-based materials. The most important limitation of metals, however, is the lack of ability to resist corrosion in the harsh acidic and humid environment within the PEM fuel cell without dissolution or formation of electrically insulating passive layers, which cause significant energy loss. Considerable efforts are being made on the use of precious metals, stainless steel and various coated materials with nitride and carbide based alloys to improve the corrosion resistance of the metals used without sacrificing interface contact resistance and maintaining cost effectiveness.
ICR for et BPP/belegg blir normalt målt i et oppsett hvor et GDL blir plassert på toppen av BPP-en (med belegg), og kompakteringstrykket på disse blir variert mens grenseflatekontaktmotstand mellom dem blir målt. Den nominelle ICR-verdien er ofte gitt ved rundt 140 N/cm<2>. US DoE målet for PEMFC ICR er 10 m Q cm2. The ICR of a BPP/coating is normally measured in a setup where a GDL is placed on top of the BPP (with coating), and the compaction pressure on these is varied while the interface contact resistance between them is measured. The nominal ICR value is often given at around 140 N/cm<2>. The US DoE target for PEMFC ICR is 10 m Q cm2.
I Journal of Power Sources 163 (2007), p 755-767, presenterer H. Tawfik, Y. Hung og D. Mahajan en gjennomgang av forskningsarbeid utført på metall bipolare plater for å forhindre korrosjon mens en opprettholder en lav kontaktmotstand. De beskrevne beskyttende beleggene er enten metall-basert eller karbon-basert og således, elektrisk ledende. In Journal of Power Sources 163 (2007), p 755-767, H. Tawfik, Y. Hung and D. Mahajan present a review of research work carried out on metal bipolar plates to prevent corrosion while maintaining a low contact resistance. The protective coatings described are either metal-based or carbon-based and thus electrically conductive.
Patentsøknad EP2234192 A2 viser en fremgangsmåte for fremstilling av en metallisk bipolar plate for brenselceller, som inkluderer å (a) fremstille en metallplate som en matriks for den metalliske bipolare platen; (b) syrebeise en overflate av metallplaten; (c) belegge en sammensetning som omfatter en bindemiddelharpiks, karbonpartikler og et løsemiddel på den beisede overflaten av metallplaten og (d) tørke overflaten av metallplaten som sammensetningen er belagt på, ved en temperatur mindre enn en termisk dekomponeringstemperaturfor bindemiddelharpiksen og større enn eller lik et kokepunkt for løsemidlet for å danne et beleggingslag på overflaten av metallplaten, beleggingslaget har karbonpartiklene dispergert i en matriks av bindemiddelharpiksen, hvori disse prosessene blir utført som en kontinuerlig prosess. Patent application EP2234192 A2 discloses a method for producing a metallic bipolar plate for fuel cells, which includes (a) producing a metal plate as a matrix for the metallic bipolar plate; (b) acid pickling a surface of the sheet metal; (c) coating a composition comprising a binder resin, carbon particles and a solvent on the stained surface of the metal sheet and (d) drying the surface of the metal sheet on which the composition is coated, at a temperature less than a thermal decomposition temperature of the binder resin and greater than or equal to a boiling point of the solvent to form a coating layer on the surface of the metal plate, the coating layer has the carbon particles dispersed in a matrix of the binder resin, in which these processes are carried out as a continuous process.
Formålet ved foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe alternative konsepter for anvendelse av metalliske bipolare plater som vil motstå korrosjon mens de opprettholder en lav grenseflatekontaktmotstand i løpet av drift i et korrosivt miljø. The purpose of the present invention is to provide alternative concepts for the use of metallic bipolar plates that will resist corrosion while maintaining a low interface contact resistance during operation in a corrosive environment.
For mange typer elektrokjemiske celler er kontaktmotstand, elektrisk ledningsevne og korrosjonsbeskyttelse viktige komponentegenskaper, og således, kan oppfinnelsen bli anvendt for mer enn PEM brenselceller. For many types of electrochemical cells, contact resistance, electrical conductivity and corrosion protection are important component properties, and thus, the invention can be used for more than PEM fuel cells.
Oppsummering av oppfinnelsen Summary of the invention
Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en bipolar plate i kombinasjon med et gassdiffusjonslag. Den kombinerte BPP/GDL omfatter en plate belagt med hvilke som helst anti-korrosive lag og et gassdiffusjonslag. Den kombinerte BPP/GDL blir fremstilt ved å belegge BPP-en med et hvilket som helst anti-korrosivt lag og direkte presse GDL-et til den belagte BPP-en før og i løpet av herdingen av det belagte laget, og derved lime den belagte BPP-en og GDL-et sammen. The present invention provides a bipolar plate in combination with a gas diffusion layer. The combined BPP/GDL comprises a plate coated with any anti-corrosive layers and a gas diffusion layer. The combined BPP/GDL is made by coating the BPP with any anti-corrosive layer and directly pressing the GDL to the coated BPP before and during the curing of the coated layer, thereby bonding the coated The BPP and the GDL together.
Et annet aspekt av oppfinnelsen er fremgangsmåten for fremstilling av en kombinert BPP/GDL, hvori en plate blir belagt med hvilke som helst anti-korrosive lag og et gassdiffusjonslag blir presset til den belagte BPP-en før og i løpet av herdingen av det belagte laget, og limer derved den belagte BPP-en og GDL-et sammen. Another aspect of the invention is the method of making a combined BPP/GDL, in which a plate is coated with any anti-corrosive layers and a gas diffusion layer is pressed to the coated BPP before and during the curing of the coated layer , thereby gluing the coated BPP and GDL together.
Videre omhandler oppfinnelsen anvendelsen av den kombinerte BPP/GDL platen for PEM brenselceller og andre elektrokjemiske celler. Furthermore, the invention deals with the use of the combined BPP/GDL plate for PEM fuel cells and other electrochemical cells.
I en videre utførelsesform av oppfinnelsen blir en bipolar plate belagt med et anti-korrosivt belegg som omfatter et elektrisk ledende materiale. Den belagte platen blir underkastet en varm-pressingsprosedyre før og i løpet av herdingen av det belagte laget. In a further embodiment of the invention, a bipolar plate is coated with an anti-corrosive coating comprising an electrically conductive material. The coated plate is subjected to a hot-pressing procedure before and during the curing of the coated layer.
Figurer Figures
Figur 1: Et tverrsnitt av en tradisjonell løsning hvor den bipolare platen er fullstendig dannet av karbon eller karbonkompositt. Figur 2: Metall-basert bipolar plate med et korrosjonsbeskyttende lag. Figur 3: Én utførelsesform av en bipolar plate med et korrosjonsbeskyttende lag i henhold til foreliggende oppfinnelse. Figure 1: A cross-section of a traditional solution where the bipolar plate is completely formed of carbon or carbon composite. Figure 2: Metal-based bipolar plate with a corrosion protection layer. Figure 3: One embodiment of a bipolar plate with a corrosion protection layer according to the present invention.
Detaljert beskrivelse Detailed description
Ved begrepene "karbon / karbonkompositt / karbonmateriale" i foreliggende søknad er det ment å inkludere alle typer karbon, f.eks. grafitt, diamant, sot (amorf), nanostrukturerte karbonmaterialer. The terms "carbon / carbon composite / carbon material" in the present application are intended to include all types of carbon, e.g. graphite, diamond, carbon black (amorphous), nanostructured carbon materials.
Ved begrepet "herding" menes den prosessen hvor flytende belegg setter seg til et fast stoff, og inkluderer tørking og størkning. By the term "curing" is meant the process by which liquid coating sets to a solid substance, and includes drying and solidification.
I Figur 1, er det vist en tradisjonell løsning hvor den bipolare platen er fullstendig dannet av karbon eller karbonkompositt. Gassdiffusjonslaget er et karbon-basert papir/ stoff arrangert på den bipolare platen når en brenselcelle blir sam-menstilt. Det er grunnleggende at den elektriske kontakten mellom BPP-en og GDL-et er god. Denne løsningen fungerer utmerket, men er dyr og på grunn av den dårlige styrken og høye gasspermeabiliteten for platen, er det krevet tykke plater. In Figure 1, a traditional solution is shown where the bipolar plate is completely formed of carbon or carbon composite. The gas diffusion layer is a carbon-based paper/fabric arranged on the bipolar plate when a fuel cell is assembled. It is essential that the electrical contact between the BPP and the GDL is good. This solution works excellently, but is expensive and due to the poor strength and high gas permeability of the plate, thick plates are required.
Figur 2 viser en løsning hvor den karbonbaserte bipolare platen er erstattet ved en metallisk bipolar plate. Metallkjernen kan være valgt fra et rustfritt stål, aluminium, magnesium, titan eller karbon-stålplater. For å opprettholde lav grenseflatekontaktmotstand og høy korrosjonsmotstand, må metallkjerneplaten ha et beskyttende lag. Mange forskjellige materialer for anvendelse som beskyttende lag har blitt beskrevet. Kromnitrid, titannitrid, karbon, elektrisk ledende polymerer er noen eksempler på slike materialer. Figure 2 shows a solution where the carbon-based bipolar plate is replaced by a metallic bipolar plate. The metal core can be selected from a stainless steel, aluminium, magnesium, titanium or carbon steel sheet. To maintain low interface contact resistance and high corrosion resistance, the metal core plate must have a protective layer. Many different materials for use as protective layers have been described. Chromium nitride, titanium nitride, carbon, electrically conductive polymers are some examples of such materials.
I EP2234192, er det beskrevet en slik metallseparatorplate for en brenselcelle som har et beleggingslag som omfatter karbonpartikler dispergert i en bindemiddelharpiks. Belegging av metallet kan bli utført ved spraybelegging, dyppebelegging, rullbelegging eller lignende. Tørking/størkning av belegget ble utført med en passende temperatur og varighet. In EP2234192, such a metal separator plate for a fuel cell is described which has a coating layer comprising carbon particles dispersed in a binder resin. Coating of the metal can be carried out by spray coating, dip coating, roll coating or the like. Drying/solidification of the coating was carried out at a suitable temperature and duration.
Foreliggende oppfinnere har nå utviklet en fremgangsmåte for å belegge en metallisk bipolar plate med et karbon komposittbelegg ved en sprayteknikk, hvori tettheten og kvaliteten av belegget blir forbedret ved et påfølgende varm-pressingstrinn før og i løpet av herdingen av belegget. Betydelig forbedring av kontaktmotstanden ble oppnådd. Forsøk viste at en kontaktmotstand på 9,8 mQ cm<2>ble målt ved et kompakteringstrykk på 125 N/cm<2>for en belagt plate, mens det samme belegget anbrakt uten det påfølgende trinnet med varm-pressing hadde verdier på omkring 400 mQ cm<2>. The present inventors have now developed a method for coating a metallic bipolar plate with a carbon composite coating by a spray technique, in which the density and quality of the coating is improved by a subsequent hot-pressing step before and during the curing of the coating. Significant improvement in contact resistance was achieved. Experiments showed that a contact resistance of 9.8 mQ cm<2> was measured at a compaction pressure of 125 N/cm<2> for a coated plate, while the same coating applied without the subsequent hot-pressing step had values of around 400 mQ cm<2>.
Løsningen beskrevet over krever anvendelse av en elektrisk ledende be-leggingssammensetning. Sammensetningen inneholder et elektrisk ledende materiale, en polymerharpiks som virker som et bindemiddel og et løsemiddel. The solution described above requires the use of an electrically conductive coating composition. The composition contains an electrically conductive material, a polymer resin that acts as a binder and a solvent.
Polymerharpiksen kan være valgt fra akryliske harpikser, fenoliske harpikser, uretanharpikser, melaninharpikser, fluorharpikser, silikonharpikser, epoksy-harpikser eller en kombinasjon derav. The polymer resin may be selected from acrylic resins, phenolic resins, urethane resins, melanin resins, fluororesins, silicone resins, epoxy resins or a combination thereof.
Når det elektrisk ledende materialet er et karbonmateriale omfatter en typisk sammensetning, som karbonpartikler blir anvendt som ledende materiale i, 30-95 vekt-% karbonpartikler, 5-70 vekt-% polymer bindemiddelharpiks. When the electrically conductive material is a carbon material, a typical composition, in which carbon particles are used as conductive material, comprises 30-95% by weight carbon particles, 5-70% by weight polymeric binder resin.
Andre elektrisk ledende materialer er også mulig å anvende i beleggingssammen-setningene, slik som overgangsmetallkarbider, nitrider og borider. Other electrically conductive materials are also possible to use in the coating compositions, such as transition metal carbides, nitrides and borides.
Løsemidlet som skal bli anvendt som en beleggingsløsning av sammensetningen kan inkludere et hvilket som helst løsemiddel som er kompatibelt med polymerharpiksen. The solvent to be used as a coating solution of the composition may include any solvent compatible with the polymer resin.
Basismaterialet for de bipolare platene kan være valgt fra rustfritt stål, lav-legert stål, karbonstål, aluminium, magnesium eller titan. The base material for the bipolar plates can be selected from stainless steel, low-alloy steel, carbon steel, aluminium, magnesium or titanium.
De bipolare platene kan være forbehandlet og rengjort ved etsing, syre bei-sing eller sliping før beleggingsavsetning. The bipolar plates can be pre-treated and cleaned by etching, acid pickling or grinding before coating deposition.
Både forhåndsformede bipolare plater med strømningsstrukturer og uleger-te metallfolier kan bli belagt. I det førstnevnte tilfellet, kan varm-pressetrinnet inkludere en negativ støpeform av strømningsstrukturen for å sikre komprimering av belegget i fordypningen. I det sistnevnte tilfellet, kan varm-pressingen bli utøvet til hele overflaten ved en flat "støpeform" og strømningsstrukturen(e) blir "påført" til platen i et påfølgende trinn, ved f.eks. preging eller hydroforming. Both preformed bipolar plates with flow structures and unalloyed metal foils can be coated. In the former case, the hot-press step may include a negative mold of the flow structure to ensure compaction of the coating in the recess. In the latter case, the hot pressing may be applied to the entire surface by a flat "mould" and the flow structure(s) are "applied" to the plate in a subsequent step, by e.g. embossing or hydroforming.
Beleggingen kan bli utført ved spraybelegging, dyppebelegging, rullbelegging eller lignende. The coating can be carried out by spray coating, dip coating, roller coating or the like.
I henhold til oppfinnelsen blir det utført en etterbehandling som inkluderer varm-pressing. I løpet av deler av eller hele herdeprosessen for beleggingsmaterialet, blir den belagte platen presset mellom to plater (typisk trykkområde 100 - 100 000 N/cm<2>). Herdeprosessen kan også bli akselerert ved å heve temperaturen (typisk temperaturområde 50-200 °C), avhengig av polymerharpiksen. According to the invention, a finishing treatment is carried out which includes hot pressing. During part or all of the curing process for the coating material, the coated plate is pressed between two plates (typical pressure range 100 - 100,000 N/cm<2>). The curing process can also be accelerated by raising the temperature (typical temperature range 50-200 °C), depending on the polymer resin.
Fordi det er grunnleggende å opprettholde god kontaktmotstand, har et belegg som omfatter et ledende materiale blitt ansett som nødvendig. De foreliggende oppfinnerne har imidlertid funnet at når et gassdiffusjonslag (GDL) blir lagt til på toppen av en belagt bipolar plate før beleggingsmaterialet har herdet, kan også ikke-ledende materialer bli anvendt som belegg. En metallisk bipolar plate blir lagt til et ikke-ledende anti-korrosivt belegg ved en sprayteknikk, og et GDL blir plassert på BPP-en og det blir utført en etterbehandling av den belagte bipolare platen og gassdiffusjonslaget ved et kompakteringstrykk og temperatur tilstrekkelig til å oppnå direkte elektrisk kontakt mellom komponentene. Trykket og temperaturen som skal bli anvendt avhenger av typen gassdiffusjonslag og det anti-korrosive beleggingsmaterialet. Hvis karbon-baserte GDLer blir anvendt skulle trykket i løpet av herding ikke overstige 200 N/cm<2>. Denne fremgangsmåten vil resultere i en kombinert BPP og GDL, hvor beleggingsmaterialet vil forhindre korrosjon i de eksponerte områdene, mens GDL-et blir limt til metallet med en direkte elektrisk kontakt til den bipolare platen. Dette er illustrert i Figur 3. Because it is essential to maintain good contact resistance, a coating comprising a conductive material has been deemed necessary. However, the present inventors have found that when a gas diffusion layer (GDL) is added on top of a coated bipolar plate before the coating material has cured, non-conductive materials can also be used as the coating. A metallic bipolar plate is added with a non-conductive anti-corrosive coating by a spray technique, and a GDL is placed on the BPP and a post-treatment of the coated bipolar plate and gas diffusion layer is performed at a compaction pressure and temperature sufficient to achieve direct electrical contact between the components. The pressure and temperature to be applied depends on the type of gas diffusion layer and the anti-corrosive coating material. If carbon-based GDLs are used, the pressure during curing should not exceed 200 N/cm<2>. This procedure will result in a combined BPP and GDL, where the coating material will prevent corrosion in the exposed areas, while the GDL is bonded to the metal with a direct electrical contact to the bipolar plate. This is illustrated in Figure 3.
Belegget kan være et hvilket som helst anti-korrosivt beleggingsmateriale så som de elektrisk ledende komposittsammensetningene beskrevet over, men også ikke-ledende maling og lim. The coating can be any anti-corrosive coating material such as the electrically conductive composite compositions described above, but also non-conductive paint and glue.
FORSØK ATTEMPT
Bipolar plate belagt med et karbon-polymer komposittbelegg Bipolar plate coated with a carbon-polymer composite coating
Et karbon-polymer komposittbelegg for SS 316L bipolare platesubstrater ble undersøkt. Belegget bestod av 45 vol-% grafitt, 5 vol-% sot og 50 vol-% epoksy-bindemiddel. Belegget ble anbrakt ved en sprayteknikk fulgt av varm-pressing ved 1210 N/cm<2>og 110 °C i tre timer mens bindemidlet herdet. En kontaktmotstand på 9,8 mQ cm<2>ble målt ved et kompakteringstrykk på 125 N/cm<2>for en belagt plate, mens det samme belegget anbrakt uten det påfølgende trinnet med varm-pressing hadde verdier på omkring 400 mQ cm<2>. A carbon-polymer composite coating for SS 316L bipolar plate substrates was investigated. The coating consisted of 45 vol-% graphite, 5 vol-% carbon black and 50 vol-% epoxy binder. The coating was applied by a spray technique followed by hot-pressing at 1210 N/cm<2> and 110 °C for three hours while the binder cured. A contact resistance of 9.8 mQ cm<2> was measured at a compaction pressure of 125 N/cm<2> for a coated plate, while the same coating applied without the subsequent step of hot-pressing had values of around 400 mQ cm< 2>.
Belagte plater ble elektrokjemisk testet i en 1 mM H2SO4løsning ved 75 °C, med målinger av kontaktmotstand før og etter polariseringsforsøk. Belegget syntes å beskytte substratet mot nedbrytning ved potensialer på 0,0191 og 0,6191 V vs. SHE, men ikke ved et potensiale på 1,0 V vs. SHE. Ved 1,0 V vs. SHE var korro-sjonsstrømtettheten fra de belagte platene høyere enn for de nakne SS 316L platene (sannsynligvis på grunn av korrosjon av karbonfyllstoffer), og økningen i kontaktmotstand etter 16 timer med polarisering var like stor som for de nakne SS platene. Coated plates were electrochemically tested in a 1 mM H2SO4 solution at 75 °C, with measurements of contact resistance before and after polarization experiments. The coating appeared to protect the substrate from degradation at potentials of 0.0191 and 0.6191 V vs. SHE, but not at a potential of 1.0 V vs. SHE. At 1.0 V vs. SHE, the corrosion current density from the coated plates was higher than that of the bare SS 316L plates (probably due to corrosion of carbon fillers), and the increase in contact resistance after 16 hours of polarization was similar to that of the bare SS plates.
Kombinert BPP/GDL med belegg Combined BPP/GDL with coating
En BPP dannet av SS 316L ble spraybelagt med karboksan-epoksy og presset til et GDL ved et trykk på 125 N/cm<2>ved romtemperatur for å oppnå direkte elektrisk kontakt mellom BPP-en og GDL-et. A BPP formed from SS 316L was spray coated with carboxane epoxy and pressed to a GDL at a pressure of 125 N/cm<2>at room temperature to achieve direct electrical contact between the BPP and the GDL.
Grenseflatekontaktmotstandene for de to platene dannet ved liming av GDL-et med karboksan epoksy før en kjører en brenselcelle akselerert stresstest var 36,5 (anode) og 26,8 (katode) m Q cm<2>ved et kompakteringstrykk på 125 N/cm<2>. Etter utførelse av en brenselcelle akselerert stresstest, var grenseflatekontaktmotstandene for platene 24,4 (anode) og 26,8 (katode) m Q cm<2>ved det samme kompakteringstrykket. Verdiene er listet i tabell 1 sammen med verdier for ule-gerte ubelagte rustfri stål (316L) plater ført gjennom den samme testrutinen. The interface contact resistances for the two plates formed by bonding the GDL with carboxane epoxy before running a fuel cell accelerated stress test were 36.5 (anode) and 26.8 (cathode) m Q cm<2> at a compaction pressure of 125 N/cm <2>. After performing a fuel cell accelerated stress test, the interfacial contact resistances of the plates were 24.4 (anode) and 26.8 (cathode) m Q cm<2> at the same compaction pressure. The values are listed in Table 1 together with values for unalloyed uncoated stainless steel (316L) plates put through the same test routine.
Tabell 1 viser grenseflatekontaktmotstandene (ved kompakteringstrykk på 125 N/cm<2>) før og etter å ha utført en brenselcelle akselerert stresstest for konseptplatene med liming av BPP/GDL, og rustfri stålplater for sammenligning. Table 1 shows the interface contact resistances (at a compaction pressure of 125 N/cm<2>) before and after performing a fuel cell accelerated stress test for the concept plates with bonding of BPP/GDL, and stainless steel plates for comparison.
Konseptplatene (liming av BPP/GDL) viste ingen nedbrytning i grenseflatekontaktmotstand. Grenseflatekontaktmotstanden for anodeplaten avtok av en eller annen årsak mens katodeplaten hadde en uendret verdi. Det kan bli konkludert med at det var lite nedbrytning av BPP/GDL kontakten. Grenseflatekontaktmotstandene var ganske høye innledende for disse platene, men det skulle være mulig å oppnå en lavere verdi når en tilvirker BPP/GDL platene. De rustfrie stålplate-ne hadde en større økning i grenseflatekontaktmotstand etter brenselcelle akselerert stresstesten. The concept boards (bonding of BPP/GDL) showed no degradation in interface contact resistance. The interfacial contact resistance of the anode plate decreased for some reason while the cathode plate had an unchanged value. It can be concluded that there was little breakdown of the BPP/GDL contact. The interface contact resistances were quite high initially for these plates, but it should be possible to achieve a lower value when manufacturing the BPP/GDL plates. The stainless steel plates had a greater increase in interface contact resistance after the fuel cell accelerated stress test.
Claims (14)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| NO20121388A NO20121388A1 (en) | 2012-11-21 | 2012-11-21 | Bipolar plates; preparation and use thereof in polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells or other electrochemical cells |
| PCT/NO2013/050206 WO2014081316A1 (en) | 2012-11-21 | 2013-11-21 | Bipolar plates, method and use of these plates in polymer electrolyte membrane (pem) fuel cells or other electrochemical cells |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| NO20121388A NO20121388A1 (en) | 2012-11-21 | 2012-11-21 | Bipolar plates; preparation and use thereof in polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells or other electrochemical cells |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| NO20121388A1 true NO20121388A1 (en) | 2014-05-22 |
Family
ID=50776376
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| NO20121388A NO20121388A1 (en) | 2012-11-21 | 2012-11-21 | Bipolar plates; preparation and use thereof in polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells or other electrochemical cells |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| NO (1) | NO20121388A1 (en) |
| WO (1) | WO2014081316A1 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114875464B (en) * | 2022-04-27 | 2024-03-15 | 宁波福至新材料有限公司 | Preparation method of anode bipolar plate of PEM (PEM) electrolytic tank |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070102283A1 (en) * | 2005-11-10 | 2007-05-10 | Won Tae K | PVD method to condition a substrate surface |
| JP2007280636A (en) * | 2006-04-03 | 2007-10-25 | Dainippon Printing Co Ltd | Separator for polymer electrolyte fuel cell and its manufacturing method |
| US8835079B2 (en) * | 2007-06-08 | 2014-09-16 | GM Global Technology Operations LLC | Fuel cell separator plate surface treatment by laser ablation |
| JP2009080951A (en) * | 2007-09-25 | 2009-04-16 | Toppan Printing Co Ltd | Fuel cell separator and fuel cell equipped with it |
| JP5292751B2 (en) * | 2007-09-25 | 2013-09-18 | 凸版印刷株式会社 | FUEL CELL SEPARATOR, MANUFACTURING METHOD THEREOF, AND FUEL CELL HAVING THE SAME |
| JP5345870B2 (en) * | 2009-02-18 | 2013-11-20 | 本田技研工業株式会社 | Method for producing membrane-electrode assembly |
-
2012
- 2012-11-21 NO NO20121388A patent/NO20121388A1/en not_active Application Discontinuation
-
2013
- 2013-11-21 WO PCT/NO2013/050206 patent/WO2014081316A1/en active Application Filing
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2014081316A1 (en) | 2014-05-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10418643B2 (en) | Bipolar plate for electrochemical cells and method for the production thereof | |
| US6372376B1 (en) | Corrosion resistant PEM fuel cell | |
| US6811918B2 (en) | Low contact resistance PEM fuel cell | |
| US8623573B2 (en) | Porous, electrically conductive fluid distribution plate for fuel cells | |
| CN103326045B (en) | The manufacture method of fuel cell separator plate material, fuel cell and fuel cell separator plate material | |
| CN101488570A (en) | Surface treatment process for proton exchange film fuel cell stainless steel bi-polar plate | |
| US9780389B2 (en) | Fuel cell separator and production method for fuel cell separator | |
| Choe et al. | Durability of graphite coated carbon composite bipolar plates for vanadium redox flow batteries | |
| JP6438664B2 (en) | Method for manufacturing membrane electrode assembly | |
| Taherian et al. | Performance and material selection of nanocomposite bipolar plate in proton exchange membrane fuel cells | |
| NO20121388A1 (en) | Bipolar plates; preparation and use thereof in polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells or other electrochemical cells | |
| CN111318685A (en) | Preparation method of titanium-aluminum alloy material, titanium-aluminum alloy material and application thereof | |
| Jung et al. | Metallic Bipolar Plate Fabrication Process of Fuel Cell by Rubber Pad Forming and its Performance Evaluation | |
| US20080102341A1 (en) | High intensity complex membrane and membrane-electrode assembly including the same | |
| Oladoye et al. | Evaluation of CoBlast coated titanium alloy as proton exchange membrane fuel cell bipolar plates | |
| JP4977136B2 (en) | Conductive metal fluid dispersion plate for fuel cells | |
| JP5891849B2 (en) | Fuel cell separator and method for producing the same | |
| JP7375721B2 (en) | Separator and separator manufacturing method | |
| Wang et al. | Coatings for robust metal bipolar plates | |
| CN211907583U (en) | Metal-based composite bipolar plate | |
| CN111554948B (en) | Bipolar plate, preparation method and application thereof | |
| JP6922595B2 (en) | Manufacturing method of separator for fuel cell | |
| CN101582508B (en) | Three-dimensional hydrophilic porous structure for fuel cell plate | |
| JP2010251033A (en) | Method of manufacturing membrane-catalyst assembly, membrane-catalyst assembly, and fuel cell | |
| EP3504745B1 (en) | Boron phosphate matrix layer |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FC2A | Withdrawal, rejection or dismissal of laid open patent application |