NO20121388A1 - Bipolare plater; fremstilling og anvendelse av disse i polymer elektrolytt membran (PEM) brenselsceller eller andre elektrokjemiske celler - Google Patents
Bipolare plater; fremstilling og anvendelse av disse i polymer elektrolytt membran (PEM) brenselsceller eller andre elektrokjemiske celler 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.
Description
Teknisk område
Foreliggende oppfinnelse omhandler nye konsepter relatert til bipolare plater (BPP) for anvendelse i polymer elektrolytt membran (PEM) brenselceller eller andre elektrokjemiske celler.
Bakgrunn
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.
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.
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.
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.
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.
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.
For mange typer elektrokjemiske celler er kontaktmotstand, elektrisk ledningsevne og korrosjonsbeskyttelse viktige komponentegenskaper, og således, kan oppfinnelsen bli anvendt for mer enn PEM brenselceller.
Oppsummering av oppfinnelsen
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.
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.
Videre omhandler oppfinnelsen anvendelsen av den kombinerte BPP/GDL platen for PEM brenselceller og andre elektrokjemiske celler.
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.
Figurer
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.
Detaljert beskrivelse
Ved begrepene "karbon / karbonkompositt / karbonmateriale" i foreliggende søknad er det ment å inkludere alle typer karbon, f.eks. grafitt, diamant, sot (amorf), nanostrukturerte karbonmaterialer.
Ved begrepet "herding" menes den prosessen hvor flytende belegg setter seg til et fast stoff, og inkluderer tørking og størkning.
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.
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.
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.
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>.
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.
Polymerharpiksen kan være valgt fra akryliske harpikser, fenoliske harpikser, uretanharpikser, melaninharpikser, fluorharpikser, silikonharpikser, epoksy-harpikser eller en kombinasjon derav.
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.
Andre elektrisk ledende materialer er også mulig å anvende i beleggingssammen-setningene, slik som overgangsmetallkarbider, nitrider og borider.
Løsemidlet som skal bli anvendt som en beleggingsløsning av sammensetningen kan inkludere et hvilket som helst løsemiddel som er kompatibelt med polymerharpiksen.
Basismaterialet for de bipolare platene kan være valgt fra rustfritt stål, lav-legert stål, karbonstål, aluminium, magnesium eller titan.
De bipolare platene kan være forbehandlet og rengjort ved etsing, syre bei-sing eller sliping før beleggingsavsetning.
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.
Beleggingen kan bli utført ved spraybelegging, dyppebelegging, rullbelegging eller lignende.
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.
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.
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.
FORSØK
Bipolar plate belagt med et karbon-polymer komposittbelegg
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>.
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.
Kombinert BPP/GDL med belegg
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.
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.
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.
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.
Claims (14)
1. Bipolar plate (BPP) med gassdiffusjonslag (GDL) for anvendelse i PEM brenselceller eller andre elektrokjemiske celler, fremstilt ved å påføre et anti-korrosivt lag på den bipolare platen og påfølgende presse gassdiffusjonslaget på den belagte bipolare platen ved forhøyet kompakteringstrykk før og i løpet av herding av det anti-korrosive laget, og derved lime den belagte bipolare platen og gassdiffusjonslaget sammen.
2. Bipolar plate (BPP) med gassdiffusjonslag (GDL) ifølge krav 1, hvori det anti-korrosive laget er valgt fra et hvilket som helst anti-korrosivt materiale.
3. Bipolar plate (BPP) med gassdiffusjonslag (GDL) ifølge kravene 1 eller 2, hvori det anti-korrosive laget er en elektrisk ikke-ledende maling eller lim.
4. Bipolar plate (BPP) med gassdiffusjonslag (GDL) ifølge kravene 1 eller 2, hvori det anti-korrosive laget er et elektrisk ledende komposittmateriale.
5. Bipolar plate (BPP) og gassdiffusjonslag (GDL), ifølge kravene 1 til 4, hvori den bipolare platen omfatter en metallplate rengjort før belegging med det anti-korrosive laget.
6. Bipolar plate (BPP) og gassdiffusjonslag (GDL), ifølge kravene 1 til 5, hvori gassdiffusjonslaget er karbon-basert.
7. Bipolar plate for PEM brenselceller eller andre elektrokjemiske celler, fremstilt ved å påføre et anti-korrosivt belegg som omfatter et elektrisk ledende materiale på en metallisk plate, og underkaste den belagte platen for et forhøyet kompakteringstrykk før og i løpet av herding av det anti-korrosive laget.
8. Fremgangsmåte for fremstilling av en bipolar plate kombinert med et gassdiffusjonslag hvori en bipolar metallplate blir belagt med et antikorrosivt lag og et gassdiffusjonslag blir presset på den belagte platen ved forhøyet kompakte ringstrykk før og i løpet av herding av det anti-korrosive laget, og derved lime den belagte bipolare platen og gassdiffusjonslaget sammen.
9. Fremgangsmåte ifølge krav 8, hvori belegging av metallet med anti-korrosivt lag blir utført ved spraybelegging, dyppebelegging, rullbelegging eller lignende.
10. Fremgangsmåte ifølge krav 8 eller 9, hvori det anti-korrosive laget er valgt fra elektrisk ledende og ikke-ledende anti-korrosive materialer.
11. Anvendelse av den kombinerte BPP/GDL platen ifølge kravene 1 til 6 i PEM brenselceller og andre elektrokjemiske celler.
12. Anvendelse av den bipolare platen ifølge krav 7 i PEM brenselceller og andre elektrokjemiske celler.
13. Bipolar plate (BPP) med gassdiffusjonslag (GDL) for PEM brenselceller eller andre elektrokjemiske celler hvori den bipolare platen er en metallisk plate belagt med et ikke-ledende anti-korrosivt materiale i eksponerte områder.
14. Polymer elektrolytt membran brenselcelle, PEM, som omfatter metalliske bipolare plater BPP med gassdiffusjonslag GDL, ifølge kravene 1 til 6.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| NO20121388A NO20121388A1 (no) | 2012-11-21 | 2012-11-21 | Bipolare plater; fremstilling og anvendelse av disse i polymer elektrolytt membran (PEM) brenselsceller eller andre elektrokjemiske celler |
| 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 (no) | 2012-11-21 | 2012-11-21 | Bipolare plater; fremstilling og anvendelse av disse i polymer elektrolytt membran (PEM) brenselsceller eller andre elektrokjemiske celler |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| NO20121388A1 true NO20121388A1 (no) | 2014-05-22 |
Family
ID=50776376
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| NO20121388A NO20121388A1 (no) | 2012-11-21 | 2012-11-21 | Bipolare plater; fremstilling og anvendelse av disse i polymer elektrolytt membran (PEM) brenselsceller eller andre elektrokjemiske celler |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| NO (1) | NO20121388A1 (no) |
| WO (1) | WO2014081316A1 (no) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114875464B (zh) * | 2022-04-27 | 2024-03-15 | 宁波福至新材料有限公司 | 一种pem电解槽阳极双极板的制备方法 |
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 (ja) * | 2006-04-03 | 2007-10-25 | Dainippon Printing Co Ltd | 高分子電解質型燃料電池用のセパレータおよびその製造方法 |
| US8835079B2 (en) * | 2007-06-08 | 2014-09-16 | GM Global Technology Operations LLC | Fuel cell separator plate surface treatment by laser ablation |
| JP5292751B2 (ja) * | 2007-09-25 | 2013-09-18 | 凸版印刷株式会社 | 燃料電池用セパレータ、その製造方法およびそれを備えた燃料電池 |
| JP2009080951A (ja) * | 2007-09-25 | 2009-04-16 | Toppan Printing Co Ltd | 燃料電池用セパレータおよびそれを備えた燃料電池 |
| JP5345870B2 (ja) * | 2009-02-18 | 2013-11-20 | 本田技研工業株式会社 | 膜−電極接合体の製造方法 |
-
2012
- 2012-11-21 NO NO20121388A patent/NO20121388A1/no 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 | |
| JP4534353B2 (ja) | 固体高分子電解質型燃料電池 | |
| US8623573B2 (en) | Porous, electrically conductive fluid distribution plate for fuel cells | |
| CN103326045B (zh) | 燃料电池隔板材、燃料电池和燃料电池隔板材的制造方法 | |
| US9780389B2 (en) | Fuel cell separator and production method for fuel cell separator | |
| CN101488570A (zh) | 一种质子交换膜燃料电池不锈钢双极板的表面处理方法 | |
| Choe et al. | Durability of graphite coated carbon composite bipolar plates for vanadium redox flow batteries | |
| JP6438664B2 (ja) | 膜電極アセンブリの製造方法 | |
| EP2982647A1 (en) | Carbon plate, and composite carbon plate | |
| US20080152957A1 (en) | Non-functional fuel cell for fuel cell stack | |
| Lettenmeier et al. | Protective coatings for low-cost bipolar plates and current collectors of proton exchange membrane electrolyzers for large scale energy storage from renewables | |
| NO20121388A1 (no) | Bipolare plater; fremstilling og anvendelse av disse i polymer elektrolytt membran (PEM) brenselsceller eller andre elektrokjemiske celler | |
| CN111318685A (zh) | 一种钛铝合金材料的制备方法和钛铝合金材料及其应用 | |
| Jung et al. | Metallic Bipolar Plate Fabrication Process of Fuel Cell by Rubber Pad Forming and its Performance Evaluation | |
| JP4977136B2 (ja) | 燃料電池用の導電性金属流体分散板 | |
| 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 | |
| JP6922595B2 (ja) | 燃料電池用セパレータの製造方法 | |
| JP5891849B2 (ja) | 燃料電池用セパレータおよびその製造方法 | |
| JP7375721B2 (ja) | セパレータ及びセパレータの製造方法 | |
| JP2010251033A (ja) | 膜・触媒接合体の製造方法、膜・触媒接合体および燃料電池 | |
| US10164269B2 (en) | Boron phosphate matrix layer | |
| KR20230155276A (ko) | 내식성이 우수한 금속기판의 탄소 코팅층 형성방법, 이를 이용하여 제조되는 금속기판 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FC2A | Withdrawal, rejection or dismissal of laid open patent application |