PL189780B1

PL189780B1 - Płyta separatora dwubiegunowa do stosu ogniw paliwowych, sposób wytwarzania płyty separatora dwubiegunowej do stosu ogniw paliwowych i stos ogniw paliwowych

Info

Publication number: PL189780B1
Application number: PL98336926A
Authority: PL
Inventors: Gerald J. Koncar; Leonard G. Marianowski
Original assignee: Inst Gas Technology
Priority date: 1997-05-20
Filing date: 1998-03-31
Publication date: 2005-09-30
Also published as: ZA983966B; US5942347A; JP3565867B2; CN1264499A; DE69824177D1; WO1998053514A1; TW399348B; NO995686L; DE69824177T2; CN1163996C; NZ501432A; ID23160A; NO995686D0; RU2182387C2; EP0992074B1; JP2001509950A; AU6789898A; ATE268059T1; AU728255B2; KR20010012728A

Abstract

1. Plyta separatora dwubiegunowa do stosu ogniw paliwowych z membrana wymieniajaca protony, zawierajaca co najmniej jeden material przewodzacy elektronicznie, co najmniej jedna zywice i co najmniej jeden czynnik hydrofilowy przyciagajacy wode do plyty separatora stosu ogniw paliwowych z membrana wymieniajaca protony, znamienna tym, ze co najmniej jed- nym przewodzacym elektronicznie materialem jest material zawierajacy wegiel i material ten jest zawarty w ilosci od 50% do okolo 95% wagowych plyty separatora, co najmniej jedna zywica jest zywica fenolowa w ilosci przynajm- niej 5% wagowych plyty separatora, a czynnik hydrofilowy stanowi krzemionka zawarta w ilo- sci od 0,01% do 5% wagowych plyty separato- ra, i plyta separatora zawiera wlókna weglowe w maksymalnej ilosci wynoszacej do 45% wa- gowych plyty separatora, przy czym co najmniej jeden przewodzacy elektronicznie material, co najmniej jedna zywica, co najmniej jeden czyn- nik hydrofilowy i wlókna weglowe sa rozmiesz- czone w zasadzie równomiernie. F IG . 1 b PL PL PL PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest płyta separatora dwubiegunowa do stosu ogniw paliwowych, sposób wytwarzania płyty separatora dwubiegunowej do stosu ogniw paliwowych i stos ogniw paliwowych.

Niniejszy wynalazek odnosi się do dwubiegunowej płyty separatora, stosowanej w stosie ogniw paliwowych z membranami wymieniającymi protony.

Znane są ogniwa paliwowe, w których płyta separatora jest hydrofilowa i posiada kontrolowaną porowatość, która ułatwia wewnętrzne zwilżanie ogniwa paliwowego, jak również usuwanie wody powstającej w ogniwie paliwowym, a jednocześnie umożliwia kontrolowanie temperatury stosu ogniw paliwowych.

Znane elektryczne układy ogniw paliwowych składają się z zestawionych w stos licznych indywidualnych ogniw, rozdzielonych dwubiegunowymi, przewodzącymi elektronicznie, płytami separatorów. Poszczególne ogniwa są ułożone jedno na drugim i są złączone w jednoczęściowym układzie w celu uzyskania żądanej energii wyjściowej układu ogniw paliwowych. Każde indywidualne ogniwo ogólnie zawiera elektrody anodę i katodę, elektrolit oraz paliwo i źródło gazu utleniającego. Zarówno paliwo jak gazy utleniające są wprowadzane przez układ przewodów dystrybucyjnych usytuowany albo wewnątrz, albo na zewnątrz stosu ogniw paliwowych, do odpowiednich komór reakcyjnych między płytą separatora a elektrolitem.

Znane są ogniwa paliwowe, które są przystosowane do użytku w różnych zastosowaniach, włącznie z wytwarzaniem energii, napędzaniem samochodów i innych, gdzie należy unikać zanieczyszczenia środowiska naturalnego. Obejmują one ogniwa paliwowe z płynnym węglanem, stałym tlenkiem, kwasem fosforowym i z membraną wymieniającą protony. Jednym z problemów związanych z pomyślnym działaniem każdego typu ogniwa paliwowego jest kontrolowanie temperatury ogniwa paliwowego i usuwanie produktów wytwarzanych przez reakcje elektrochemiczne z wnętrza ogniwa paliwowego.

Możliwe do zastosowania komercyjnego stosy ogniw paliwowych mogą zawierać do około 600 indywidualnych ogniw paliwowych, z których każde ma pole powierzchni do 1,08 m². Przy zestawianiu w stos takich indywidualnych ogniw, płyty separatorów oddzielają indywidualne ogniwa, zaś paliwo i utleniacz są wprowadzane miedzy zestaw płyt separatorów; przy czym paliwo jest wprowadzane między jedną powierzchnią płyty separatora a stroną anodową elektrolitu, zaś utleniacz jest wprowadzany między drugą powierzchnią płyty separatora a stroną katodową drugiego elektrolitu. Stosy ogniw, zawierające 600 ogniw mogą mieć wysokość nawet 6 m, stwarzając poważne problemy w związku z utrzymaniem integralności ogniw podczas wygrzewania i działania stosu ogniw paliwowych w wyniku powstawania gradientów temperatury w zespole ogniw oraz z warunkami pracy ogniw, różnicową rozszerzalnością cieplną i konieczną wytrzymałością materiałów·; wymaganą dla różnych składników, małymi tolerancjami i bardzo trudnymi problemami inżynierskimi. W związku z tym, kontrola

189 780 temperatury ogniw jest bardzo istotna i, jeśli nie jest realizowana z minimalnym gradientem temperatury, nie będzie utrzymana jednorodna gęstość prądu i wystąpi degradacja ogniwa.

W ogniwie paliwowym z membraną wymieniającą protony (PEM), elektrolitem jest polimer organiczny w postaci membrany przepuszczającej protony, takiej jak polimer kwasu perfluorosulfonowego. Ten typ ogniwa paliwowego działa najlepiej, kiedy membrana elektrolitowa jest zwilżana wodą, ponieważ sucha membrana nie działa wydajnie. Podczas działania ogniwa, woda jest przeciągana przez membranę od strony anodowej do strony katodowej wraz z protonami przechodzącymi przez membranę. Powoduje to wysuszanie strony anodowej membrany, a także powoduje tworzenie warstewki wody na stronie katodowej membrany. Powierzchnia katodowa jest dalej zwilżana przez wodę, powstającą w wyniku reakcji elektrochemicznej. Zatem, krytyczne dla działania ogniwa paliwowego PEM jest, aby woda z reakcji była ciągle usuwana ze strony katodowej membrany, przy jednoczesnym utrzymywaniu strony anodowej membrany zwilżonej, aby ułatwić rekcję elektrochemiczną i utrzymać przewodność membrany.

Gospodarka wodą w ogniwie paliwowym z membraną wymieniającą protony jest przedmiotem kilku patentów w Stanach Zjednoczonych. Opis patentowy Stanów Zjednoczonych nr 4,769,297 mówi o wykorzystaniu ogniwa paliwowego ze stałym polimerem, w którym woda jest dostarczana z gazem anodowym na stronę anodową membrany. Pewna część wody migruje przez stos od ogniwa do ogniwa, przy czym migracja wody jest wynikiem przeciągania wody od anody przez membranę do katody i przez użycie hydrofilowej, porowatej płyty separatora umieszczonej między sąsiednimi ogniwami. Wymuszany jest przepływ wody przez porowatą płytę separatora przez różnicę ciśnień składników reakcji, utrzymywaną między katodą a anodą. Płyty podtrzymujące anodę mają duże pole powierzchni, z którego woda odparowuje, spełniając funkcję chłodzenia. Sugeruje się, aby płyta separatora była wykonywana z grafitu. /

Opis patentowy Stanów Zjednoczonych nr 4,826,741 opisuje układ ogniw paliwowych wykorzystujący porowatą, grafitową płytę anodową. Woda jest dostarczana do porowatej płyty i anodowy gaz reakcyjny jest zwilżany w wyniku parowania z powierzchni płyty. Membrana wymieniająca protony jest zwilżana w wyniku styku z wilgotną, porowatą płytą anody. Nieporowata i nieprzepuszczająca gazu płyta separatora w sąsiedztwie płyty katodowej jest używana do zapobiegania przenikania gazu od anody do katody. Patrz również opisy patentowe Stanów Zjednoczonych nr 4,826,741, nr 4,826,742, nr 5,503,944 i zgłoszenie patentowe PCT nr WO 94/15377.

Dwubiegunowe płyty separatora, służące do wykorzystania w ogniwach z membranami wymieniającymi protony, skonstruowane z grafitu lub związanego żywicą węgla grafitowego i zawierające kanały przepływu gazu są ujawnione w opisie patentowym Stanów Zjednoczonych nr 4,175,165. Opisano również obróbkę dwubiegunowych płyt separatora przez pokrywanie powierzchni czynnikiem zwilżającym, takim jak koloidalny roztwór krzemionkowy, aby powierzchnie stały się hydrofilowe. W ten sposób, woda wytwarzana w ogniwie paliwowym jest odciągana od elektrod i pozostaje do dyspozycji. Jednakże pokrywanie powierzchni czynnikiem zwilżającym w sposób niepożądany zwiększa rezystancję elektryczną w poprzek płyty, powodując zmniejszenie przewodności. Opis patentowy Stanów Zjednoczonych nr 3,634,569 opisuje sposób wytwarzania płyt grafitowych o dużej gęstości z mieszaniny proszku grafitowego i żywicy termostatycznej w celu stosowania w kwasowych ogniwach paliwowych. Sposób wykorzystuje mieszaninę, (podaną w % wagowych) od 5% do 25% termoutwardzalnego lepiszcza z żywicy fenolowej i 75% do 95% sortowanego grafitu proszkowego. Grafitowo - żywiczne płyty dwubiegunowe są również przedstawione w opisie patentowym Stanów Zjednoczonych numer 4,339,322 (dwubiegunowa płyta zbudowana ze stopionego termoplastycznego fluoropolimeru, grafitu i włókien węglowych), patent Stanów Zjednoczonych numer 4,738,872 (płyta separatora zawierająca 50% wagowych grafitu i 50% wagowych termoutwardzalnej żywicy fenolowej), opis patentowy Stanów Zjednoczonych numer 5,108,849 (płyty wężowego przepływu w płycie separatora ogniwa paliwowego, zbudowane z nieporowatego grafitu lub innych proszków odpornego na korozję metalu i żywicy termoplastycznej, takiej jak polifluorek winylidenu, w proporcjach 10-30% wagowych żywicy

189 780 i 70-90% wagowych proszku grafitowego), opis patentowy Stanów Zjednoczonych nr 4,670,300 (płyta ogniwa paliwowego, zawierająca 29% do 80% grafitu z dopełnieniem włóknami celulozowymi lub włóknami celulozowymi i żywicą termoutwardzalną w równych proporcjach), opis patentowy Stanów Zjednoczonych nr 4,592,968 (płyta separatora zawierająca grafit, koks i karbonizowaną, termoutwardzalną żywicę fenolową, które są następnie grafitowane w 2650°C), opis patentowy Stanów Zjednoczonych nr 4,737,421 (płyta ogniwa paliwowego z węgla lub grafitu w zakresie od 5% do 45%, żywica termoutwardzalna w zakresie od 40% do 80%, z dopełnieniem włóknami celulozowymi), opis patentowy Stanów Zjednoczonych nr 4,627,944 (płyta ogniwa paliwowego z węgla lub grafitu, żywicy termoutwardzalnej i włókien celulozowych), opis patentowy Stanów Zjednoczonych nr 4,652,502 (płyta ogniwa paliwowego wykonana w 50% z grafitu i 50% z żywicy termoutwardzalnej), opis patentowy Stanów Zjednoczonych nr 4,301,222 (płyta separatora wykonana z mieszaniny od 40% do 65% grafitu i od 35% do 55% żywicy) i opis patentowy Stanów Zjednoczonych nr 4,360,485 (płyta separatora wykonana z mieszaniny od 45% do 65% grafitu i od 35% do 55% żywicy.

Opis patentowy Stanów Zjednoczonych nr 4,175,165 przedstawia użycie różnych czynników zwilżających, takich jak koloidalne roztwory krzemionki lub aluminium o bardzo dużym polu powierzchni lub związki aluminium i krzemionki, które są osadzane na powierzchni opisywanej płyty separatora. Jednakże aluminium i krzemionka, jak również inne czynniki zwilżające, są ogólnie izolatorami elektrycznymi. Zatem nałożenie czynnika zwilżającego na powierzchnię płyty separatora powoduje, że powierzchnia staje się hydrofilową, ale również zwiększa powierzchniową rezystancją stykową płyt, zwiększając w ten sposób wewnętrzną rezystancję ogniw, która, z kolei, zmniejsza moc ogniwa.

W opisie patentowym AT 389 020 przedstawiono ogniwo paliwowe wodorowo - tlenowe, zawierające membranę i płyty separatorów. W celu redukcji odwodnienia membrany ogniwa, sugeruje się albo wykonanie porowatych membran i płyt separatorów (mikropory 0,001 do 1 pm), albo dodanie mikroporowatego czynnika hydrofilowego, jak kaolin lub mikroazbest o rozmiarach od 0,001 do 1 pm. Pory są wypełnione wodą podczas stosowania, zaś siły włoskowatości są dostateczne, aby płyta separatora była nieprzenikliwa dla gazu.

Dwubiegunowa płyta separatora stosowana w ogniwach paliwowych z membraną wymieniającą protony ma liczne cechy, które są istotne z punktu widzenia wytwarzania, jak również obsługi i które nie są rozwiązywane przez dotychczasowe opracowania. Obejmuje to przenikalność płyty dla wody w funkcji przewodności elektronicznej płyty, wytrzymałość płyty na złamanie, funkcjonalność płyty w stosunku do utrzymania możliwości absorbowania wody oraz możliwość poddawania płyty cyklom termicznym od zamrożenia do odtajania, jakie mogą wystąpić, na przykład, przy zastosowaniu ogniwa paliwowego w samochodzie. Dodatkowo, powinna istnieć możliwość wytwarzania płyty separatora z tanich materiałów wyjściowych, które mogą być łatwo uformowane w dowolną konfiguracje płyty, korzystnie przy użyciu jednoetapowego procesu odlewania, które są odporne na korozje w niskotemperaturowych ogniwach paliwowych i które nie wymagają dalszego przetwarzania, takiego jak wysokotemperaturowa obróbka i wykorzystują sposób produkcji, w którym może być kontrolowana wodochłonność i porowatość płyty.

Według wynalazku, płyta separatora do stosu ogniw paliwowych z membraną wymieniającą protony, zawierającą co najmniej jeden materiał przewodzący elektronicznie, co najmniej jedną żywicę i co najmniej jeden czynnik hydrofilowy przyciągający wodę do płyty separatora stosu ogniw paliwowych z membraną wymieniającą protony, charakteryzuje się tym, że co najmniej jednym przewodzącym elektronicznie materiałem jest materiał zawierający węgiel i ten przewodzący elektronicznie materiał jest zawarty w ilości od około 50% do około 95% wagowych płyty separatora, co najmniej jedna żywica jest żywicą fenolową w ilości przynajmniej około 5% wagowych płyty separatora, a czynnik hydrofilowy stanowi krzemionka zawarta w ilości od 0,01% do 5% wagowych płyty separatora, i płyta separatora zawiera włókna węglowe w maksymalnej ilości wynoszącej do 45% wagowych płyty separatora, przy czym co najmniej jeden przewodzący elektronicznie materiał, co najmniej jedna żywica, co najmniej jeden czynnik hydrofilowy i włókna węglowe są rozmieszczone w zasadzie równomiernie.

189 780

Korzystnie, żywica w płycie separatora jest hydrofilowa. Czynnik hydrofilowy jest czynnikiem zwilżającym. Czynnik zwilżający zawiera mieszaninę krzemionki i tlenków metali wybranych z grupy obejmującej Ti, Al.

Co najmniej jedna żywica jest wybrana z grupy obejmującej żywice termoutwardzalne, żywice termoplastyczne i ich mieszaniny.

Co najmniej jeden zawierający węgiel przewodzący elektronicznie materiał jest wybrany z grupy obejmującej grafit, sadzę, włókna węglowe i ich mieszaniny.

Korzystnie, płyta separatora jest porowata. Porowatość płyty separatora jest mniejsza niż 25% objętościowych płyty. Pory mają średnią średnicę w zakresie od 0,25 mikrona do 2,0 mikronów. Ciśnienie pęcherzykowe płyty jest większe niż 34,5 kPa.

Właściwa przewodność elektryczna płyty separatora jest równa przynajmniej 5 S/cm.

Płyta separatora korzystnie zawiera od 70% do 90% wagowych zawierającego węgiel przewodzącego elektronicznie materiału, od 8% do 15% wagowych termoutwardzalnej żywicy fenolowej, do 10% wagowych włókien węglowych i od 0,01% do 5,0% wagowych krzemionki.

Między powierzchnią płyty separatora zwróconą w stronę anody a jej powierzchnią zwróconą w stronę katody są usytuowane elementy do cyrkulacji wody

Według wynalazku sposób wytwarzania płyty separatora dwubiegunowej do stosu ogniw paliwowych, polega na tym, że miesza się, co najmniej jeden przewodzący elektronicznie materiał, co najmniej jedną żywicę, co najmniej jeden czynnik hydrofilowy, dobrany do ogniwa paliwowego z membraną wymieniającą protony, a następnie kształtuje się płyty o wymaganym kształcie.

Sposób charakteryzuje się tym, że jako co najmniej jeden przewodzący elektronicznie materiał stosuje się materiał zawierający węgiel w ilości od 50% do 95% wagowych mieszaniny, jako co najmniej jedną żywicę stosuje się żywicę fenolową w ilości przynajmniej 5% wagowych mieszaniny, jako czynnik hydrofilowy stosuje się krzemionkę w ilości od 0,01 do 5% wagowych mieszaniny i dodaje się włókna węglowe w maksymalnej ilości wynoszącej do 45% wagowych i miesza się te składniki mieszaniny do uzyskania jednorodnej mieszaniny, a następnie kształtuje się płytę separatora o wymaganym kształcie w temperaturze od 121 °C do 260°C i pod ciśnieniem w zakresie od 3447 kPa do 27579 kPa.

Jako co najmniej jedną żywicę stosuje się żywicę hydrofilową.

Jako czynnik hydrofilowy stosuje się czynnik zwilżający. Korzystnie, stosuje się czynnik hydrofilowy w postaci mieszaniny krzemionki i tlenku metalu wybranego z grupy obejmującej Ti, Al.

Stosuje się żywicę fenolową wybraną z grupy obejmującej żywice termoutwardzalne, żywice termoplastyczne i ich mieszaniny.

Stosuje się materiał zawierający węgiel wybrany z grupy obejmującej grafit, sadzę, włókna węglowe i ich mieszaniny.

Według wynalazku, stos ogniw paliwowych, zawiera liczne indywidualne ogniwa paliwowe, z których każde zawiera anodę, katodę, membranę wymieniającą jony, umieszczoną między anodą i katodą i płytę separatora, posiadającą powierzchnię zwróconą w stronę anody i powierzchnię zwróconą w stronę katody, przy czym płyta separatora jest umieszczona między anodą jednego ogniwa paliwowego a katodą sąsiedniego ogniwa paliwowego i zawiera, co najmniej jeden materiał przewodzący elektronicznie, co najmniej jedną żywicę i co najmniej jeden czynnik hydrofilowy.

Stos ogniw według wynalazku charakteryzuje się tym, że płyta separatora zawiera, rozłożone w niej równomiernie, co najmniej jeden przewodzący elektronicznie materiał zawierający węgiel w ilości w zakresie od 50% do 95% wagowych płyty separatora, co najmniej jedną żywicę fenolową w ilości przynajmniej 5% wagowych płyty separatora, czynnik hydrofilowy w postaci krzemionki w ilości od 0,01% do 5% wagowych płyty separatora, a także zawiera włókna węglowe w maksymalnej ilości do 45% wagowych płyty separatora, a każda z membran wymieniających jony i płyt separatora rozciąga się do brzegu stosu ogniw paliwowych, przy czym płyta separatora ma płaskie brzegowe struktury uszczelniające, wystające od każdej powierzchni płyty separatora do styku z membranami wymieniającymi jony wokół całego ich

189 780 brzegu i tworzące brzegowe uszczelnienie, a membrana wymieniająca jony i płyta separatora posiada liczne otwory dystrybucy’ne paliwa i utleniacza, usytuowane jeden naprzeciw drugiego, przy czym otwory dystrybucyjne płyt separatorów są otoczone płaskimi strukturami uszczelniającymi wystającymi się od powierzchni płyty separatora do styku z membraną wymieniającą jony i tworzącymi kanały dystrybucyjne paliwa gazowego i utleniacza, rozciągające się przez stos ogniw, a w płaskich strukturach uszczelniających są ukształtowane przewody przepływowe przepływu paliwa gazowego między jednym zestawem kanałów dystrybucyjnych a komorami anodowymi, utworzonymi między anodami i zwróconymi w stronę anod powierzchniami płyt separatorów, i są ukształtowane przewody przepływowe gazu utleniacza między drugim zestawem kanałów dystrybucyjnych a komorami katodowymi, utworzonymi między katodami a zwróconymi w stronę katod powierzchniami płyt separatorów.

Płyta separatora zawiera przynajmniej jedną żywicę hydrofilową.

Czynnik hydrofilowy płyty separatora jest zwilżający. Zwilżający czynnik hydrofilowy płyty separatora zawiera mieszaninę krzemionki i tlenków metali wybranych z grupy obejmującej Ti, Al.

Żywica fenolowa płyty separatora jest wybrana z żywicy termoutwardzalnej, żywicy termoplastycznej i ich mieszanin.

Przynajmniej jeden zawierający węgiel materiał przewodzący elektronicznie płyty separatora jest wybrany z grupy obejmującej grafit, sadzę, włókna węglowe i ich mieszaniny.

Płyta separatora zawiera pory. Porowatość płyty separatora jest mniejsza niż 25% objętościowych płyty. Pory płyty separatora mają średnią średnicę w zakresie od 0,25 mikrona do 2,0 mikronów. Płyta separatora ma ciśnienie pęcherzykowe większe niż 34,5 kPa.

Płyta separatora ma właściwą przewodność elektryczną równą przynajmniej 5 S/cm.

Przewody przepływowe przepływu gazu są ukształtowane w centralnym obszarze płyty separatora.

Stos ogniw paliwowych zawiera otwory dystrybucyjne wody do cyrkulacji i usuwania wody ze stosu ogniwa paliwowego.

Niniejszy wynalazek zapewnia dwubiegunową płytę separatora odpowiednią do zastosowania w ogniwie paliwowym z membraną wymieniającą protony, która jest stosunkowo tania w produkcji, a przy tym ma ulepszone właściwości usuwania wody i wewnętrznego zwilżania ogniwa paliwowego z membraną wymieniającą protony. Płyta separatora dla ogniwa paliwowego z membraną wymieniającą protony, według wynalazku ma korzystną wytrzymałość na zgniatanie większą niż około 1380 kPa.

Dwubiegunowej płyty separatora według wynalazku jest odpowiednia do stosowania w stosie ogniw paliwowych z całkowicie wewnętrznie rozprowadzanym paliwem.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1a przedstawia widok z boku stosu ogniw paliwowych PEM z .jednoczęściowymi płytami separatorów według jednego przykładu wykonania niniejszego wynalazku; fig. 1b - widok z boku stosu ogniw paliwowych PEM z dwuczęściowymi płytami separatorów według drugiego przykładu wykonania niniejszego wynalazku; fig. 2 - wykres zależności przewodności płyty separatora od udziału procentowego krzemionki jako czynnika zwilżającego w płycie separatora; fig. 3 - wykres zależności ilości wody zaabsorbowanej przez płytę separatora od udziału procentowego krzemionki w płycie separatora, zaś fig. 4 - schemat stosu ogniw paliwowych z wewnętrzną dystrybucją paliwa.

Na fig. 1a i 1b ukazano stos ogniw paliwowych 15, posiadający liczne ogniwa paliwowe 20, przy czym każde ogniwo paliwowe zawiera membranę wymiany protonów 25, anodę 30 po jednej stronie i katodę 35 po drugiej stronie. Między anodą 30 a membraną wymiany protonów 26 znajduje się warstwa katalizatora anodowego 31, zaś między katodą 35 a membraną wymiany protonów 25 jest warstwa odpowiedniego katalizatora katodowego 36. Anodę 30 jednego ogniwa od katody 35 sąsiedniego ogniwa oddziela dwubiegunowa płyta separatora 39.

Według pierwszego przykładu wykonania niniejszego wynalazku, jak pokazano na fig. 1a, płyta separatora 39 według niniejszego wynalazku jest jednoczęściowa i ma powierzchnię 40

189 780 zwróconą w stronę katody 35 i powierzchnię 45 zwróconą w stronę anody 30. Na powierzchni 40 zwróconej w stronę katody 35 są ukształtowane liczne kanały katodowe 41 przepływu gazu utleniającego, rozciągające się w niej tak, że umożliwiają kontakt między utleniaczem w kanałach katodowych 41 a katodą 35. Podobnie, w powierzchni 45 zwróconej w stronę anody 30 są odpowiednie kanały anodowe 46 przepływu gazu paliwowego, utworzone w niej tak, że umożliwiają kontakt między gazem paliwowym a anodą 30.

Według innego przykładu wykonania niniejszego wynalazku, jak widać na fig. 1b, płyta separatora 39 jest skonstruowana z dwóch płyt: płyty katodowej 39a od strony katody i płyty anodowej 39b, od strony anody. W celu zapewnienia wodnego chłodzenia stosu, powierzchnie płyty katodowej 39a od strony katody 35 i płyty anodowej 39b od strony anody 30 mają ukształtowane liczne kanały pośrednie 34 do przepływu wody chłodzącej.

Stos ogniw paliwowych zawiera również katodową płytę krańcową 50 separatora i anodową płytę krańcową 60 separatora. Płyty krańcowe katodowa 50 i anodowa 60 są nieprzepuszczalne dla wody łub są w inny sposób uszczelnione, aby zapobiec przeciekom. Odpowiednie mechanizmy naciągowe i uszczelnienia (nie pokazane) są zastosowane w celu połączenia elementów stosu jednego z drugim.

Z tego powodu, płyta separatora według niniejszego wynalazku musi być dostatecznie mocna, aby nie uległa zgnieceniu pod działaniem sił przykładanych do niej podczas montażu stosu ogniw paliwowych. Wytrzymałość na zgniatanie płyty separatora musi być większa niż 1380 kPa. Płyta separatora wytworzona według przykładu V ma wytrzymałość na zgniatanie większą niż 14490 kPa. Oprócz wytrzymałości na zgniatanie, płyta separatora według niniejszego wynalazku musi mieć pewien stopień elastyczności, aby mogła dopasować się do innych składników zestawu ogniw paliwowych.. Według szczególnie korzystnego przykładu wykonania niniejszego wynalazku, płyta separatora ma minimalną elastyczność równą 3,5% lub około 0,036 cm na centymetr długości bez złamania.

Zawarta w stosie ogniwa paliwowego dwubiegunowa płyta separatora 39, nieprzepuszczającą gazu do ogniwa paliwowego, według niniejszego wynalazku z dołączoną membraną wymieniającą protony 25 ma korpus zawierający przynajmniej jeden materiał przewodzący elektronicznie, przynajmniej jedną żywicę i przynajmniej jeden czynnik hydrofilowy, przy czym materiał przewodzący elektronicznie, żywica i czynnik hydrofilowy są w zasadzie równomiernie rozmieszczone w korpusie płyty separatora 39. Płyta separatora 39 według niniejszego wynalazku eliminuje potrzebę zewnętrznego zwilżania ogniw paliwowych z membraną wymieniającą protony 25 i ułatwia regulowanie ciepła i usuwanie wody powstającej w układzie ogniw paliwowych. Korzystny skład dwubiegunowej płyty separatora 39 według niniejszego wynalazku zawiera mieszaninę grafitu i żywicy, która, przy wytłaczaniu w przeciętnych warunkach ciśnienia i temperatury, daje przewodzącą, lekką płytę dwubiegunową, odpowiednią do stosowania w niskotemperaturowych układach elektrochemicznych, takich jak ogniwa paliwowe z membraną wymieniającą protony.

Płyta separatora 39 korzystnie zawiera tunele dla przepływu płynów reakcyjnych dla danego układu elektrochemicznego. Płyta separatora 39 może być wytwarzana z różną przewodnością odpowiednio do danego układu elektrochemicznego. Płyta separatora 39 może być wytwarzana z różną porowatością dla odpowiedniego gospodarowania wodą w danym układzie elektrochemicznym. Ponadto, płyta separatora 39 może być wytwarzana z różną hydrofilowością w celu odpowiedniego gospodarowania ciepłem i wodą w danym układzie elektrochemicznym.

Według wynalazku, dwubiegunowa płyta separatora 39 zawiera przynajmniej jeden przewodzący elektronicznie materiał w ilości od 50% do 95% wagowych płyty, przynajmniej jedną żywicę w ilości przynajmniej 5% wagowych płyty i przynajmniej jeden czynnik hydrofilowy. Płyta separatora 9 zawiera także włókna węglowe, które sąjednorodnie rozmieszczone w płycie w ilości do około 20% wagowych płyty, ale najbardziej korzystnie mniej niż 10% wagowych płyty separatora. Chociaż włókna węglowe są drogie, ich użycie zapewnia odpowiednią porowatość i konstrukcyjne wzmocnienie bez pogarszania przewodności w takim stopniu, jak przy użyciu odpowiedniej ilości czynnika zwilżającego.

189 780

Płytę separatora 39 według szczególnie korzystnego przykładu wykonania niniejszego wynalazku wytwarza się z mieszaniny od około 50 do 95% wagowych materiału grafitowego, zwłaszcza grafitu, od około 5 do około 30% wagowych żywicy termoutwardzalnej, od 0 do około 45% wagowych włókien węglowych, od 0 do około 25 procent wagowych krzemionki. Mieszaninę tę następnie wytłacza się w podwyższonej temperaturze w zakresie od około od około 121°C do około 260 C i pod ciśnieniem w zakresie od około 3447 kPa do około 27579 kPa. Przewodność wytłoczonej w ten sposób płyty separatora 39 jest równa przynajmniej około 5 S/cm, co reprezentuje nominalnie minimalną przewodność wymaganą przy stosowaniu w ogniwie paliwowym z membraną wymieniającą protony. Porowatość wytłoczonego materiału wynosi około 25% objętości. Ciśnienie pęcherzykowe wytłoczonego materiału, które rośnie z obniżaniem objętości pustek w płycie separatora 39, jest równe przynajmniej około 34,5 kPa.

Ogniwo paliwowe 15 z membraną wymieniającą protony 25 ze stałego elektrolitu polimerowego, działa najlepiej, kiedy taka membrana wymieniającą protony 25 jest utrzymywana w stanie zwilżonym wodą. Podczas pracy ogniwa paliwowego 15 z membraną wymieniającą protony 25, woda jest przeciągana przez membranę wymieniającą protony 25 od strony anodowej do strony katodowej z protonami przemieszczającymi się przez membranę wymieniającą protony 25. Zjawisko to powoduje wysuszenie strony anodowej membrany wymieniającej protony 25, wytwarzając jednocześnie krople wody na powierzchni membrany wymieniającej protony 25 zwróconej w stronę katody 35. Powierzchnia 36 zwrócona w stronę katody 35 jest dalej zwilżana przez wodę wytwarzaną w reakcji elektrochemicznej, która pojawia się na powierzchni 36 zwróconej w stronę katody 35. Jeśli nie jest odpowiednio zagospodarowana, woda na powierzchni 36 zwróconej w stronę katody 35, szczególnie w postaci kropel, może zatkać kanały utleniacza, w ten sposób blokując dostęp gazu utleniającego do katalizatora i redukując reakcję elektrochemiczną.

Odpowiednio, istotne jest, aby woda była dostarczana na stronę anodową membrany wymieniającej protony 25 w ogniwie paliwowym 15, w celu niedopuszczenia do wysuszenia jej oraz, aby woda była ciągle usuwana ze strony katodowej, aby nie dopuścić do formowania się kropel wody na powierzchni membrany. Płyta separatora 15 według niniejszego wynalazku ma dostateczną wodochłonność nie tylko zapobiegając gromadzeniu się wody na stronie katodowej, ale również wspierając dystrybucję wody przez nią. W wyniku obecności wody w płycie separatora 39, możliwość mieszania się gazów reakcyjnych w płycie separatora 39 jest znacznie zredukowana. Odpowiednio, dwubiegunowa płyta separatora 39 według niniejszego wynalazku zawiera przynajmniej jeden czynnik hydrofilowy, w zasadzie jednorodnie rozmieszczony w płycie, odpowiedni do stosowania w ogniwie paliwowym z membraną wymieniającą protony, w celu przyciągania wody do płyty separatora 39.

Według jednego korzystnego przykładu wykonania niniejszego wynalazku, przynajmniej jedna żywica w płycie separatora jest hydrofitową. Według szczególnie korzystnego przykładu wykonania niniejszego wynalazku, żywicą hydrofitową jest termoutwardzalna żywica fenolowo - formaldehydowa.

Według innego przykładu wykonania niniejszego wynalazku, przynajmniej jeden czynnik hydrofilowy jest czynnikiem zwilżającym, korzystnie wybranym z grupy złożonej z tlenków Ti, Al, Si i ich mieszanin. W wyniku rozprowadzenia czynnika hydrofitowego w płycie separatora, płyta separatora według niniejszego wynalazku ma dostateczną przepuszczalność dla wody, aby usuwać przynajmniej 5,5 cm³ wody na minutę przy gęstości prądu 1,1 A/cm²przy różnicy ciśnień mniejszej niż około 69 kPa.

Jednym z zastosowań ogniwa paliwowego z membraną wymieniającą protony jest wytwarzanie energii w samochodach. W tym zastosowaniu ogniwo paliwowe jest narażone na duże wahania temperatury i może podlegać licznym cyklom zamrażania/odtajania podczas eksploatacji. Można oczekiwać, że utrzymywanie wody wewnątrz płyty separatora w wyniku absorpcji wody przez płytę w wyniku rozmieszczenia czynnika hydrofitowego w płycie spowoduje pękanie płyty po zmianie temperatury od zamrożenia do odtajania.

189 780

Nieoczekiwanie, dwubiegunowa płyta separatora według niniejszego wynalazku, przy absorpcji wody równej 18% wagowych, nie wykazywała pękania po przejściu 12 cykli mrożenia/odtajania.

Płyta separatora 39 według niniejszego wynalazku wykorzystuje czynnik zwilżający, który jest jednorodnie rozmieszczony w płycie separatora, a przy tym może utrzymywać dostateczną przewodność elektroniczną. Według korzystnego przykładu wykonania, czynnik zwilżający jest dodawany jako drobny proszek do mieszaniny materiału przewodzącego elektronicznie i żywicy i jest dokładnie wymieszany z nimi, uzyskując jednorodne rozmieszczenie czynnika zwilżającego. Jednakże, może być również dodany jako rozmieszany roztwór, który, po dokładnym wymieszaniu z materiałem przewodzącym elektronicznie i żywicą, daje równie jednorodnie wymieszany materiał do wytłaczania. Czynnik zwilżający wspiera formowanie porów w wytłoczonym materiale, przez co nie pozwala, aby żywica i inne składniki tworzyły fazę ciągłą. Powinowactwo tych czynników zwilżających z wodą redukuje napięcie powierzchniowe między wodą a wytłoczonym produktem. W efekcie, woda w kontakcie z wytłoczoną płytą tworzy rączej błonkę na powierzchni wytłoczonej płyty niż krople. Ponieważ wytłoczona płyta może zawierać pory, zostaną one łatwiej wypełnione wodą w wyniku hydrofilowej natury płyty. Jeśli zostanie przyłożone dostateczne ciśnienie różnicowe w poprzek płyty, woda może być przenoszona z jednej powierzchni płyty do drugiej powierzchni płyty. Innym wynikiem, uzyskanym przez płytę separatora według niniejszego wynalazku jest stabilność płyty. Stwierdziliśmy, że płyta według niniejszego wynalazku utrzymuje 99% swojego pierwotnego ciężaru po ponad 1200 godzinach w wodzie o temperaturze 90°C. W tym czasie absorpcja wody w płycie również pozostawała stała, równa 18 procent wagowych.

Przewodność płyty separatora według niniejszego wynalazku jako funkcja zawartości krzemionki, jest pokazana na fig. 2, przy czym wykonano kilka płyt z różną zawartością krzemionki, równo rozmieszczonej w płytach. Płyty separatorów, z których uzyskano te dane, zawierają termoutwardzalną żywicę w ilości około 12,5% wagowych płyty separatora, krzemionkę w ilości między 0% a 10% wagowych płyty separatora i grafit w ilości od 77,5% do 87,5% wagowych płyty separatora.

Płyty separatora 39 odpowiednie do używania w ogniwach paliwowych z membraną wymieniającą protony powinny mieć przewodność elektryczną nie mniejsza niż około 5 S/cm, a korzystnie nie mniejszą niż około 75 S/cm. Płyty separatorów 39 według niniejszego wynalazku mogą być porowate lub nieporowate, ale w każdym przypadku muszą być nieprzenikliwe dla gazu. Według szczególnie korzystnego przykładu wykonania niniejszego wynalazku, płyty są porowate, posiadają porowatość mniejszą niż około 25% objętości. Średnice porów płyty separatora 39 według niniejszego wynalazku są korzystnie w zakresie od około 0,25 mikronów do około 2 mikronów; przy czym przeciętna średnica porów korzystnie jest w zakresie od około 0,5 mikrona do około 1,5 mikrona.

Oprócz czynnika hydrofilowego, płyta separatora według niniejszego wynalazku zawiera przynajmniej jeden materiał przewodzący elektronicznie i przynajmniej jedną żywicę, przy czym materiał przewodzący elektronicznie jest obecny w ilościach od około 50% do około 95% wagowych płyty separatora 39, zaś przynajmniej jedna żywica jest obecna w ilościach przynajmniej 5% wagowych płyty separatora. Odpowiednie przewodzące elektronicznie materiały do stosowania w płycie separatora według niniejszego wynalazku są wybrane z grupy, obejmującej materiały zawierające węgiel, metale, stopy metali, węgliki metali, azotki metali i ich mieszaniny. Odpowiednimi metalami są tytan, niob, tantal i takie stopy, jak stopy z grupy Ni-Mo-Fe.

Według szczególnie korzystnego przykładu wykonania niniejszego wynalazku, materiałem przewodzącym elektronicznie jest materiał zawierający węgiel, wybrany z grupy obejmującej grafit, sadzę, włókna węglowe i ich mieszaniny. Grafit lub różne dostępne, przewodzące elektrycznie związki węgla, takie jak przewodzące elektryczność sadze, są szczególnie korzystne. Zastosowanie materiałów opartych na węglu redukuje koszty związane z wytwarzaniem, jak również upraszcza wytwarzanie środków kontroli przepływu gazu, takich jak kanały w płytach i wytłaczanie płyt.

189 780

Według korzystnego przykładu wykonania niniejszego wynalazku, płyta separatora 39 zawiera do około 10% wagowych włókien węglowych. Dodanie włókien węglowych nie tylko wzmacnia płytę, ale również wspiera absorpcję wody i przewodność płyty.

Płyta separatora według niniejszego wynalazku zawiera również więcej niż około 5% żywicy. Żywica działa jako lepiszcze dla wtłoczonej płyty separatora 39 i, jak już powiedziano, może również zwiększać wodochłonność płyty. Odpowiednimi żywicami są żywice termoutwardzalne, żywice termoplastyczne i ich mieszaniny. Odpowiednimi żywicami termoplastycznymi do stosowania w płycie separatora 39 według niniejszego wynalazku są polifluorki winylidenu, poliwęglany, nylony, policzterofluoroetyleny, poliuretany, poliestry, polipropyleny i HDPE. Korzystne żywice termoutwardzalne są wybrane z grupy obejmującej żywice fenolowe, aldehydy, żywice epoksydowe i winylowe.

Poniższe przykłady pokazuj ą zależność między różnymi składami płyty separatora według niniejszego wynalazku a właściwościami uzyskanej płyty separatora. W każdym przypadku, porowate płyty separatora o wymiarach 10,2 na 10,2 cm zostały wytłoczone z różnych mieszanin żywicy fenolowej Varcum 29338, mającej rozmiary cząsteczek mniejsze niż 200 jednostek sitowych, otrzymanej z Occidental Chemical Corporation z Dallas w stanie Texas, cząsteczek krzemionki o rozmiarach 40 nanometrów, włókien węglowych, mających długość około 150 mikronów i proszku grafitowego, mającego rozmiary cząsteczek mniejsze niż 200 jednostek sitowych. Proszki zostały staranie wymieszane i wytłoczono z nich płytę przy ciśnieniu 6900 kPa w temperaturze 204°C. Przykłady od I do IV pokazują wpływ krzemionki na przewodnictwo i wodochłonność płyt separatora w temperaturze pokojowej, Przewodność i wodochłonność jako funkcja zawartości krzemionki są również pokazane na fig. 2 i 3 odpowiednio. Przykład V pokazuje właściwości płyty separatora 39 według jednego przykładu wykonania niniejszego wynalazku, zawierającej 10 procent wagowych grafitu, zastąpione przez włókna węglowe. W oparciu o wyniki przykładów od I do IV, można zauważyć, że kiedy krzemionka jest dodawana do mieszaniny, wodochłonność płyt, wskazywana przez ilość zaabsorbowanej wody, rośnie, podczas gdy przewodność elektryczna płyty maleje. Jednakże przez użycie 10 procent wagowych włókien węglowych zamiast materiału grafitowego przewodzącego elektronicznie wykorzystywanego w mieszaninie, rośnie porowatość płyty, zmniejsza się ilość czynnika zwilżającego (krzemionki) potrzebna do uzyskania znacznej absorpcji wody (18%) i przewodność płyty przy obniżonej zawartości krzemionki jest wyższa niż płyty zawierającej odpowiednią ilość krzemionki i pozbawioną włókien węglowych (przykład II).

Przykład I

Płyta została wytłoczona pod ciśnieniem 6900 kPa w temperaturze 204°C z następującym składem i właściwościami:

Skład	Typ	Procent wagowych
Żywica fenolowa	Varcum 2938	12,5
Krzemionka	*Aerosil OX-50	0,0
Grafit	**HPS-75	87,5
Właściwości
Przewodność (S/cm)	130,0
Zaabsorbowana woda (%Wt)	5,6

* Degussa Corp. Of Richfield Park, New York ** Dixon-Ticonderoga Company of Lake Hurst, New Jersey

189 780

Przykład II

Skład	^Typ	Procent wagowych
Żywica fenolowa	Varcum2938	12,5
Krzemionka	Aerosil OX-50	2,5
Grafit	HPS-75	85,0
Właściwości
Przewodność (S/cm)	90,0
Zaabsorbowana woda (%Wt)	5,9

Przykład III

Skład	Typ	Procent wagowych
Żywica fenolowa	Varcum 2938	12,5
Krzemionka	Aerosil OX-50	5,0
Grafit	HPS-75	82,5
Właściwości
Przewodność (S/cm)	74,0
Zaabsorbowana woda (%Wt)	6,7

Przykład IV

Skład	Typ	Procent wagowych
Żywica fenolowa	Varcum 2938	12,5
Krzemionka	Aerosil OX-50	10,0
Grafit	HPS-75	77,5
Właściwości
Przewodność (S/cm)	53,0
Zaabsorbowana woda (%Wt)	8,2

189 780

Przykład V

Skład	Typ	Procent wagowych
Żywica fenolowa	Varcum 2938	12,5
Krzemionka	Aerosil OX-50	2,5
Grafit	HPS-75	75,0
Włókno węglowe	*Panex 30	10,0
Właściwości
Przewodność (S/cm)	95,0
Zaabsorbowana woda (%Wt)	18,0
Średni rozmiar poru (MPS)	0,5 p

* Żółtek Corporation z St. Louis w stanie Missouri

Elastyczność jest zdolnością ciała do odtworzenia rozmiaru i kształtu po odkształceniu, wywołanemu, na przykład, przez naprężenie ściskające. Elastyczność grafitu, wykorzystywanego w płycie separatora według niniejszego wynalazku jest równa około 26%. To jest, po przyłożeniu naprężenia ściskającego, grafit rozszerza się do około 126% kształtu ściśniętego. W przeciwieństwie do tego, włókno węglowe ma znacznie większą elastyczność. Płyta separatora, posiadająca wyższą elastyczność dzięki elastyczności indywidualnych składników tworzących płytę separatora, jest niepożądana, gdyż ogranicza rozmiary porów, jakie można uzyskać. W szczególności, zastosowanie materiałów, mających większą elastyczność daje płytę o większych rozmiarach porów, zaś zastosowanie materiałów o mniejszej elastyczności daje płytę o mniejszych rozmiarach porów. Większe rozmiary porów ogólnie redukują ciśnienie wymagane, aby gazy reakcyjne przeszły z jednej strony płyty separatora do drugiej i powodują zmniejszenie przewodności płyty. Płyty, w których wykorzystuje się materiały o niskiej elastyczności są ogólnie mocniejsze i lepiej przewodzą elektryczność. Mieszanina grafitu i włókien węglowych, jaka została użyta w przykładzie V daje płytę o elastyczności odpowiadającej elastyczności samego grafitu. Jest to zaskakujące, gdyż specjalista w danej dziedzinie oczekiwałby, że dodanie włókien węglowych, które mają znacznie wyższą elastyczność niż grafit, pozwoli na uzyskanie płyty o znacznie wyższej elastyczności. Zatem, według szczególnie korzystnego przykładu wykonania niniejszego wynalazku, ilość włókien węglowych obecna w płycie separatora według niniejszego wynalazku jest mniejsza niż około 10% wagowych.

Ciśnienie pęcherzykowe płyty separatora związane jest z jej zdolnością do zapobiegania przenikaniu gazów reakcyjnych z jednej strony płyty separatora do drugiej. Ciśnienie pęcherzykowe jest dodatnim ciśnieniem wody w porach płyty separatora, które jest odwrotnie proporcjonalne do rozmiarów porów w płycie. Inaczej mówiąc, im mniejszy jest średni rozmiar porów, tym większe jest ciśnienie wywierane przez wodę zaabsorbowana w płycie. Ciśnienie pęcherzykowe jest więc ciśnieniem, powyżej którego gazy reakcyjne zostaną przepuszczone przez nasyconą wodą płytę, powodują niepożądane wymieszanie dwóch reagentów, jak również wejście gazów reakcyjnych do kanałów wody chłodzącej płyty separatora. Stwierdziliśmy, że płyty separatora według niniejszego wynalazku mają ciśnienie pęcherzykowe większe niż 34,5 kPa. Korzystne przykłady wykonania płyty separatora według niniejszego wynalazku mają ciśnienie pęcherzykowe większe niż 69 kPa, a bardziej korzystne, większe niż 138 kPa.

189 780

Jak można zauważyć z przykładów, istnieje równowaga, którą trzeba uzyskać w składzie płyty separatora w celu uzyskania płyty, mającej żądaną przewodność i wodochłonność. Przykłady pokazują, że kiedy ilość czynnika zwilżającego w postaci SiO₂ jest zwiększana w celu zwiększenia wodochłonności, przewodność płyty maleje. Fig. 3 przedstawia wzrost ilości zaabsorbowanej wody w płycie ze wzrostem zawartości SiO₂, a fig. 2 pokazuje zmniejszanie się przewodności ze wzrostem zawartości SiO₂. Wykresy przecinają się dla zawartości krzemionki równej około 5% wagowych. Odpowiednio, korzystne zakresy krzemionki wykorzystywane w płycie separatora według niniejszego wynalazku są w zakresie od 1 do 10% wagowych, a najbardziej korzystnie w zakresie od 2% do 4% wagowych. Dodanie włókien węglowych, jak wcześniej powiedziano, do 20% wagowych, dostarcza dodatkowej porowatości bez utraty przewodności. Jednakże włókna węglowe są drogie i, zatem, pożądane jest minimalizowanie stosowanej ilości.

Płyta separatora 39 według niniejszego wynalazku jest odpowiednia do stosowania albo w stosie ogniw paliwowych z zewnętrznym doprowadzaniem paliwa, albo w stosie ogniw paliwowych z wewnętrznym dostarczaniem paliwa. W przypadku stosu ogniw paliwowych z zewnętrznym dostarczaniem paliwa, gazy reakcyjne są dostarczane z zewnętrznego układu przewodów^, połączonego ze skrajnymi obszarami stosu ogniw paliwowych, podczas gdy w przypadku stosu ogniw paliwowych z wewnętrznym dostarczaniem paliwa, gazy reakcyjne są dostarczane przez dystrybutor utworzony przez perforacje w składnikach ogniw do miejsc reakcji. Stos ogniw paliwowych z wewnętrzna dystrybucją paliwa wykorzystujący dwubiegunowe płyty separatorów według jednego przykładu wykonania niniejszego wynalazku jest przedstawiony na fig. 4. Jak widać na fig. 4, membrana wymieniająca jony 25 i płyta separatora 39 stosu ogniw paliwowych rozciągają się do brzegu stosu. Płyty separatorów 39 są wyposażone w płaskie brzegowe struktury uszczelniające 43, rozciągające się od każdej powierzchni do zetknięcia z membranami wymiany jonów 25 wokół całego ich brzegu, tworząc w ten sposób brzegowe uszczelnienie. Membrany wymiany jonów 25 i płyty separatorów 39 mają ukształtowane liczne otwory dystrybucyjne paliwa 54 gazowego, jeden dla dostarczania i jeden dla usuwania paliwa i liczne otwory dystrybucyjne utleniacza 55, jeden dla dostarczania i jeden dla usuwania utleniacza. Otwory dystrybucyjne 54, 55 w płycie separatora 39 są otoczone przez płaskie struktury uszczelniające 56, 57 stanowiące uszczelnianie dystrybutora, rozciągające się od każdej powierzchni płyty separatora 39 do styku z membraną wymiany jonów 25, tworząc dzięki temu uszczelnienie dystrybutora i, w ten sposób, tworząc liczne dystrybutory gazów paliwa i utleniacza, które rozciągaj ą się przez stos ogniwa. W płaskich strukturach uszczelniających 56, 57 płyty separatora 39 są ukształtowane przewody przepływowe 47, 47' paliwa gazowego otaczające otwory dystrybucyjne paliwa 54 płyty separatora 39 na powierzchni zwróconej w stronę anody 30, tak aby umożliwić przepływ gazowego paliwa miedzy jednym zestawem dystrybutorów a anodowymi obszarami reakcji gazowych, utworzonymi między anodami 30 a powierzchniami płyt separatorów 39, zwróconymi w stronę anody 30, zaś w płaskich strukturach uszczelniających 57 płyty separatora 39 są ukształtowane przewody przepływowe 48 i 48' gazu utleniacza otaczające otwory dystrybucyjne utleniacza 55 na powierzchni płyty separatora 39 zwróconej w stronę katody 35, umożliwiając przepływ gazu utleniacza między drugim zestawem kanałów dystrybucyjnych a komorami katodowymi, utworzonymi między katodami 35 i powierzchniami zwróconymi w stronę katod 35 płyt separatorów 39, zapewniając w ten sposób w pełni wewnętrzna dystrybucję paliwa gazowego i gazu utleniacza do i z każdego ogniwa paliwowego w stosie ogniw paliwowych.

Dwubiegunowe płyty separatora 39 w tym przykładzie wykonania są wytwarzane przez zmieszanie przynajmniej jednego przewodzącego elektronicznie, korzystnie zawierającego węgiel, materiału, przynajmniej jednej żywicy i przynajmniej jednego czynnika hydrofitowego, tak aby utworzyć w zasadzie jednorodną mieszaninę, zawierającą około 50% do 95% wagowych wspomnianego przewodzącego elektronicznie materiału, przynajmniej około 5% wagowych wspomnianej żywicy i wspomnianego czynnika hydrofitowego. Mieszanina jest następnie wytłaczana w żądany kształt w temperaturze w zakresie od około od około 121°C do około 260°C i pod ciśnieniem w zakresie od około 3447 kPa do około 27579 kPa.

189 780

Według jednego przykładu wykonania niniejszego wynalazku, w stosie ogniw paliwowych PEM, płyta separatora 39 według niniejszego wynalazku, zawiera elementy do dostarczania i usuwania wody w celu uzyskania cyrkulacji i usuwania wody chłodzącej z wnętrza stosu ogniw paliwowych. Jak widać na fig. lb, płyta separatora 39, zawierająca płytę 39a, zwróconą w stronę katody i płytę 39b, zwróconą w stronę anody, ma ukształtowane liczne kanały wody chłodzącej 34 między nimi. W stosie ogniw paliwowych z wewnętrzną dystrybucją paliwa, jak pokazany na fig. 4, woda jest dostarczana z otworów dystrybucyjnych wody 58, które są wyposażone w rozszerzone uszczelnienia w celu uszczelnienia przed składnikami sąsiedniego ogniwa i które tworzą przewody przepływu wody między otworami dystrybucyjnymi wody 58 a kanałami wody chłodzącej 34 mające wylot 58' wody w płycie separatora 39.

FIG. Ib

189 780

c\j o

u_ [lM0/S] OSONOOM32Hd

189 780

FIG.4

189 780

FIG. la

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz.

Cena 4,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Płyta separatora dwubiegunowa do stosu ogniw paliwowych z membraną wymieniającą protony, zawierająca co najmniej jeden materiał przewodzący elektronicznie, co najmniej jedną żywicę i co najmniej jeden czynnik hydrofilowy przyciągający wodę do płyty separatora stosu ogniw paliwowych z membraną wymieniającą protony, znamienna tym, że co najmniej jednym przewodzącym elektronicznie materiałem jest materiał zawierający węgiel i materiał ten jest zawarty w ilości od 50% do około 95% wagowych płyty separatora, co najmniej jedna żywica jest żywicą fenolową w ilości przynajmniej 5% wagowych płyty separatora, a czynnik hydrofilowy stanowi krzemionka zawarta w ilości od 0,01 % do 5% wagowych płyty separatora, i płyta separatora zawiera włókna węglowe w maksymalnej ilości wynoszącej do 45% wagowych płyty separatora, przy czym co najmniej jeden przewodzący elektronicznie materiał, co najmniej jedna żywica, co najmniej jeden czynnik hydrofilowy i włókna węglowe są rozmieszczone w zasadnie równomiernie.
2. Płyta według zastrz. 1, znamienna tym, że co najmniej jedna żywica jest hydrofilowa.
3. Płyta według zastrz. 1, znamienna tym, że czynnik hydrofilowy jest czynnikiem zwilżającym.
4. Płyta według zastrz. 5, znamienna tym, że czynnik zwilżający zawiera mieszaninę krzemionki i tlenków metali wybranych z grupy obejmującej Ti, Al.
5. Płyta według zastrz. 1, znamienna tym, że co najmniej jedna żywica fenolowa jest wybrana z grupy obejmującej żywice termoutwardzalne, żywice termoplastyczne i ich mieszaniny.
6. Płyta według zastrz. 1, znamienna tym, że co najmniej jeden zawierający węgiel przewodzący elektronicznie materiał jest wybrany z grupy obejmującej grafit, sadze, włókna węglowe i ich mieszaniny.
7. Płyta według zastrz. 1, znamienna tym, że jest porowata.
8. Płyta według zastrz. 9, znamienna tym, że porowatość płyty separatora jest mniejsza niż 5% objętościowych płyty.
9. Płyta według zastrz. 7, znamienna tym, że pory mają średnią średnicę w zakresie od 0,25 mikrona do około 2,0 mikronów.
10. Płyta według zastrz. 10, znamienna tym, że ciśnienie pęcherzykowe płyty jest większe niż 34,5 kPa.
11. Płyta według zastrz. 1, znamienna tym, że właściwa przewodność elektryczna płyty separatora jest równa przynajmniej 5 S/cm.
12. Płyta według zastrz. 1, znamienna tym, że zawiera od 70% do 90% wagowych zawierającego węgiel przewodzącego elektronicznie materiału, od 8% do 15% wagowych termoutwardzalnej żywicy fenolowej, do 10% wagowych włókien węglowych i od 0,01% do 5,0%) wagowych krzemionki.
13. Płyta według zastrz. 1, znamienna tym, że między jej powierzchnią (31) zwróconą w stronę anody (30) a jej powierzchnią (36) zwróconą w stronę katody (35) są usytuowane elementy do cyrkulacji wody.
14. Sposób wytwarzania płyty separatora dwubiegunowej do stosu ogniw paliwowych, w którym miesza się, co najmniej jeden przewodzący elektronicznie materiał, co najmniej jedną żywicę, co najmniej jeden czynnik hydrofilowy, dobrany do ogniwa paliwowego z membraną wymieniającą protony, a następnie kształtuje się płyty o wymaganym kształcie, znamienny tym, że jako przewodzący elektronicznie materiał stosuje się materiał zawierający węgiel w ilości od 50% do 95% wagowych mieszaniny, jako żywicę stosuje się żywicę fenolową w ilości przynajmniej 5% wagowych mieszaniny, jako czynnik hydrofilowy stosuje się

189 780 krzemionkę w ilości od 0,01 do 5% wagowych mieszaniny i dodaje się włókna węglowe w maksymalnej ilości wynoszącej do 45% wagowych i miesza się te składniki mieszaniny do uzyskania jednorodnej mieszaniny, a następnie kształtuje się płytę separatora o wymaganym kształcie w temperaturze od 121°C do 260°C i pod ciśnieniem w zakresie od 3447 kPa do 27579 kPa.
15. Sposób według zastrz. 14, znamienny tym, że jako żywicę stosuje się żywicę hydrofitową.
16. Sposób według zastrz. 14, znamienny tym, że jako czynnik hydrofilowy stosuje się czynnik zwilżający.
17. Sposób według zastrz. 14, znamienny tym, że stosuje się czynnik hydrofilowy w postaci mieszaniny krzemionki i tlenku metalu wybranego z grupy obejmującej Ti, Al.
18. Sposób według zastrz. 14, znamienny tym, że stosuje się żywicę fenolową wybraną z grupy obejmującej żywice termoutwardzalne, żywice termoplastyczne i ich mieszaniny.
19. Sposób według zastrz. 14, znamienny tym, że stosuje się materiał zawierający węgiel wybrany z grupy obejmującej grafit, sadzę, włókna węglowe i ich mieszaniny.
20. Stos ogniw paliwowych, zawierający liczne indywidualne ogniwa paliwowe, z których każde zawiera anodę, katodę, membranę wymieniającą jony, umieszczoną między anodą i katodą i płytę separatora, posiadającą powierzchnię zwróconą w stronę anody i powierzchnię zwróconą w stronę katody, przy czym płyta separatora jest umieszczona między anodą jednego ogniwa paliwowego a katoda sąsiedniego ogniwa paliwowego i zawiera, co najmniej jeden materiał przewodzący elektronicznie, co najmniej jedną żywicę i co najmniej jeden czynnik hydrofilowy, znamienny tym, że płyta separatora (39) zawiera, rozłożone w niej równomiernie, co najmniej jeden przewodzący elektronicznie materiał zawierający węgiel w ilości w zakresie od 50% do 95% wagowych płyty separatora (39), co najmniej jedną żywicę fenolową w ilości przynajmniej 5% wagowych płyty separatora (39), czynnik hydrofilowy w postaci krzemionki w ilości od 0,01% do 5% wagowych płyty separatora, a także zawiera włókna węglowe w maksymalnej ilości do 45% wagowych płyty separatora (39), a każda z membran wymieniających jony (25) i płyt separatora (39) rozciąga się do brzegu stosu ogniw paliwowych (15), przy czym płyta separatora (39) ma płaskie brzegowe struktury uszczelniające (43), wystające od każdej powierzchni płyty separatora (39) do styku z membranami wymieniającymi jony (25) wokół całego ich brzegu i tworzące brzegowe uszczelnienie, a membrana wymieniająca jony (25) i płyta separatora (39) posiada liczne otwory dystrybucyjne paliwa (54) i utleniacza (55), usytuowane jeden naprzeciw drugiego, przy czym otwory dystrybucyjne (54, 55) płyt separatorów (39) są otoczone płaskimi strukturami uszczelniającymi (56, 57) wystającymi od powierzchni płyty separatora (39) do styku z membraną wymieniającą jony (25) i tworzącymi kanały dystrybucyjne paliwa gazowego i utleniacza, rozciągające się przez stos ogniw, a w płaskich strukturach uszczelniających (56, 57) są ukształtowane przewody przepływowe (47, 47') przepływu paliwa gazowego między jednym zestawem kanałów dystrybucyjnych a komorami anodowymi, utworzonymi między anodami (35) i zwróconymi w stronę anod powierzchniami płyt separatorów (39), i są ukształtowane przewody przepływowe (48, 48') gazu utleniacza między drugim zestawem kanałów dystrybucyjnych a komorami katodowymi, utworzonymi między katodami (35) a zwróconymi w stronę katod (35) powierzchniami płyt separatorów (39).
21. Stos według zastrz. 20, znamienny tym, że płyta separatora (39) zawiera przynajmniej jedną żywicę hydrofilową.
22. Stos według zastrz. 20, znamienny tym, że czynnik hydrofilowy płyty separatora (39) jest zwilżający.
23. Stos według zastrz. 22, znamienny tym, że zwilżający czynnik hydrofilowy płyty separatora (39) zawiera mieszaninę krzemionki i tlenków metali wybranych z grupy obejmującej Ti, Al.
24. Stos według zastrz. 24, znamienny tym, że żywica fenolowa płyty separatora (39) jest wybrana z żywicy termoutwardzalnej, żywicy termoplastycznej i ich mieszanin.
25. Stos według zastrz. 20, znamienny tym, że zawierający węgiel materiał przewodzący elektronicznie płyty separatora (39) jest wybrany z grupy obejmującej grafit, sadzę, włókna węglowe i ich mieszaniny.

189 780
26. Stos według zastrz. 20, znamienny tym, że płyta separatora (39) zawiera pory.
27. Stos według zastrz. 26, znamienny tym, że porowatość płyty separatora (39) jest mniejsza niż 25% objętościowych płyty.
28. Stos według zastrz. 27, znamienny tym, że pory płyty separatora (39) mają średnią średnicę w zakresie od 0,25 mikrona do 2,0 mikronów·'.
29. Stos według zastrz. 26, znamienny tym, że płyta separatora (39) ma ciśnienie pęcherzykowe większe niż 34,5 kPa.
30. Stos według zastrz. 20, znamienny tym, że płyta separatora (39) ma właściwą przewodność elektryczną równą przynajmniej około 5 S/cm.
31. Stos według zastrz. 20, znamienny tym, że przewody przepływowe (47, 47'; 48, 48') przepływu gazu są ukształtowane w centralnym obszarze płyty separatora (39).
32. Stos według zastrz. 20, znamienny tym, że zawiera otwory dystrybucyjne wody (58) do cyrkulacji i usuwania wody ze stosu ogniw paliwowych.