WO2006007953A1 - Fluiddurchströmbare vorrichtung und betriebsverfahren - Google Patents

Fluiddurchströmbare vorrichtung und betriebsverfahren Download PDF

Info

Publication number
WO2006007953A1
WO2006007953A1 PCT/EP2005/007107 EP2005007107W WO2006007953A1 WO 2006007953 A1 WO2006007953 A1 WO 2006007953A1 EP 2005007107 W EP2005007107 W EP 2005007107W WO 2006007953 A1 WO2006007953 A1 WO 2006007953A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
wall
indicates
surface layer
fluid
nitride
Prior art date
Application number
PCT/EP2005/007107
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfram Kaiser
Original Assignee
Behr Gmbh & Co. Kg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Behr Gmbh & Co. Kg filed Critical Behr Gmbh & Co. Kg
Priority to EP05760831A priority Critical patent/EP1771905A1/de
Publication of WO2006007953A1 publication Critical patent/WO2006007953A1/de

Links

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
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04067—Heat exchange or temperature measuring elements, thermal insulation, e.g. heat pipes, heat pumps, fins
    • 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
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/18—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying coatings, e.g. radiation-absorbing, radiation-reflecting; by surface treatment, e.g. polishing
    • 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
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0267—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors having heating or cooling means, e.g. heaters or coolant flow channels
    • 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
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a fluid-throughflowable device having at least one flow channel adjacent to a metal-containing wall, wherein the wall has a surface facing the flow channel, which is provided with a particularly electrically conductive surface layer, and a method for operating such a device.
  • Such devices are used for example as polymer electrolyte fuel cells and then each consist essentially of a functioning as an electrolyte polymer membrane, which separates the reactants, such as hydrogen and oxygen, from each other and has an H + -Prononenleitrange, and two occupied with catalyst material electrodes, which are required inter alia for tapping the electric current generated by the fuel cell.
  • Electrodes and polymer membrane, such as foil are usually assembled into a membrane electrode assembly (MEA).
  • MEA membrane electrode assembly
  • bipolar plates consist of electrically conductive material and are provided with gas distributor structures which supply and remove the reaction products or Enable reaction products.
  • a heat transfer surface such as a cooling flow field, which is used to dissipate the resulting heat of reaction or to set the desired temperature balance.
  • Thisdeflowfield is often integrated into the bipolar plates and flows through for reasons of better heat transfer from a liquid coolant.
  • Fuel cells interconnected in the form of a series electrical circuit This complex, referred to below as a stack construction, consists of one or more planar individual fuel cells stacked on top of each other and arranged in an electrical series connection.
  • Polymer electrolyte fuel cells have a high efficiency, which is usually achieved at low operating temperatures of about 8O 0 C. To dissipate the remaining waste heat, therefore, large cooling surfaces are generally required due to the small available temperature difference to the environment. This is undesirable in particular for automotive applications as an energy source for the vehicle drive or for an onboard power supply, since only limited installation space is available and - in contrast to a combustion engine - usually less than 5% of the waste heat is dissipated via the exhaust gas of the fuel cell kön- NEN.
  • Carbon composite bipolar plates usually have a high content of binders and plastics and are limited in their service life at high service temperatures.
  • Metallbipolar ⁇ plate which is made for example of stainless steel and therefore has a high temperature stability.
  • the process of electrochemical corrosion with which a metal bipolar plate is confronted is based, inter alia, on the occurrence of different noble local regions with respect to the galvanic voltage series, via an ion-conducting electrolyte (the flowing fluid) and an electron conductor (the bipolar plate). interconnected and thus act as corrosion anodes or corrosion cathodes.
  • the process is shown in simplified form in FIG. 1 using the example of a corroding metal surface 1 with the metal atoms Me in the atomic lattice 2 of the metal, metal ions Me + dissolved in an aqueous electrolyte 3 and electrons e ' in the metal lattice 2:
  • the prerequisite for a corrosion damage 4 promoted by this electrochemical process is the simultaneous presence of an anodic region 5, a cathodic region 6, as well as an electron-conducting and an ion-conducting connection between the two regions.
  • the surface layer must represent at least one diffusion barrier layer in order to protect the underlying material sufficiently from the above-indicated corrosion process.
  • the edge layer must be homogeneous and, independently of the material, have a thickness, such as layer thickness, of at least 0.03 mm (Corrosion Handbook, publisher H. Uhlig, Verlag Wesley, 1984).
  • Such edge layers are usually produced by coating a substrate, the desired homogeneity and / or the layer thickness necessitating a particularly time-consuming process.
  • the object of the invention is to provide a device of the aforementioned type, in which an edge layer can be produced with reduced expenditure, and optionally to provide a method in which corrosion processes are avoided or reduced.
  • the edge layer has at least regions with relatively small thickness and / or inhomogeneities.
  • the edge layer is formed on the whole relatively thin, so that an expense for the generation of the edge layer can be reduced.
  • Inhomogeneities such as, for example, breakthroughs are characterized in particular by the fact that regions with different electrochemical potential occur spatially next to one another on the surface of the wall facing the flow channel and are therefore fundamentally suitable for forming a cathodic and anodic region relative to each other.
  • the thickness of the surface layer is preferably ⁇ 0.03 mm, particularly preferably ⁇ 0.01 mm.
  • the time required to produce a layer with a thickness ⁇ 0.001 mm is particularly low.
  • the wall plate-plate Schei ⁇ ben- or tubular, so that the device according to the invention can be used as a heat exchanger, reactor and / or fuel cell.
  • the wall is preferably formed electrically conductive and usable as a bipolar plate.
  • the wall consists of a metal or an alloy.
  • the surface layer is produced by applying a coating.
  • the surface layer can be produced by a surface treatment of the wall or by ion implantation and / or chemical conversion of the material of the wall.
  • the surface layer contains at least one metal, a nitride, an oxide, a carbide, a carbonitride, a plastic.
  • a device through which fluid can flow is operated such that the temperature of at least one fluid is above its dew-point temperature during a majority of the operating time. Preferred is a temperature> 100 0 C and a pressure> 1 bar.
  • a fuel cell has at least two plates, in particular bipolar plates, sealing frames and an MEA arranged between them, in particular a membrane-electrode arrangement with two electrodes separated by a polymer electrolyte membrane, the plates in a particularly preferred embodiment having a electrically conductive edge layer are provided.
  • Suitable coating materials for the surface layer include electrically conductive metals, nitrides, carbides, oxides, carbonitrides or plastics. Under certain circumstances, this electrically conductive surface layer alone is not completely corrosion-resistant to the corrosion conditions in the ambience of the fuel cell. A desired corrosion resistance is then achieved, for example, by an interaction of corrosion-inhibiting boundary layer and specially adjusted operating conditions, which in combination achieve the required corrosion resistance.
  • the fuel cell according to the invention has bipolar plates with an electrically conductive surface layer, for example of a titanium carbide coating, which is very thin ( ⁇ 10 ⁇ m) and therefore cost-effective and may have inhomogeneities such as holes.
  • the operating parameters of the fuel cell with regard to temperature, pressure and local humidity of the operating gases are adjusted so that the local dew point in the gas during the main part of the total operating time, particularly preferably during a time. space of 55-100%, at least 0.1 0 C at the protected areas of the bipolar plate to be protected from the local gas temperature. Thereby, an occurrence of liquid water during the above-mentioned main part of the operation time at these positions of the bipolar plate to be protected from electrochemical corrosion is prevented.
  • the object of the invention in a particularly preferred embodiment is to introduce a release agent such as, for example, a sufficiently chemically and temperature resistant plastic oil as a separator or a gap solved.
  • a temperature-pressure diagram the method according to the invention is carried out, for example, under operating conditions which, in FIG. 2, are above the vapor pressure curve 11 of water.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Fluiddurchströmbare Vorrichtung, mit einem Strömungskanal, einer metall­haltigen Wandung mit einer Oberfläche, die mit einer inhomogenen Randschicht versehen ist.

Description

BEHR GmbH & Co. KG Mauserstraße 3, 70469 Stuttgart
Fluiddurchströmbare Vorrichtung und Betriebsverfahren
Die Erfindung betrifft eine fluiddurchströmbare Vorrichtung mit zumindest einem von einer metallhaltigen Wandung benachbarten Strömungskanal, wobei die Wandung eine zu dem Strömungskanal weisende Oberfläche auf¬ weist, die mit einer insbesondere elektrisch leitfähigen Randschicht versehen ist, sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Vorrichtung.
Derartige Vorrichtungen werden beispielsweise als Polymerelektrolyt- Brennstoffzellen eingesetzt und bestehen dann jeweils im wesentlichen aus einer als Elektrolyt fungierenden Polymermembran, welche die Reaktanden, wie beispielsweise Wasserstoff und Sauerstoff, voneinander trennt und eine H+-Protonenleitfähigkeit aufweist, sowie aus zwei mit Katalysatormaterial belegten Elektroden, die unter anderem zum Abgriff des von der Brennstoff- zelle erzeugten elektrischen Stroms erforderlich sind. Elektroden und Poly¬ mermembran, wie Folie, werden gewöhnlich zu einer Membran-Elektroden- Anordnung (MEA) zusammengesetzt. Zur technischen Realisierung zweier durch den Elektrolyten voneinander getrennter, elektrisch über einen Au¬ ßenleiter verbundener Fluidkanäle werden üblicherweise Bipolarplatten ver- wendet, die aus elektrisch leitfähigem Material bestehen und mit Gasvertei¬ lerstrukturen versehen sind, die den An- und Abtransport der Reaktionse- dukte beziehungsweise Reaktionsprodukte ermöglichen. Somit besteht eine
BESTÄTIGU^IGSKOPIE technische Einzel-Brennstoffzelle aus einer MEA, sowie zwei Bipolarplatten, die über Versorgungsanschlüsse mit den Betriebsmedien beaufschlag bar sind, über die unter Umständen auftretendes Reaktionswasser abführbar ist und die den während eines Betriebes auftretenden elektrischen Strom trans- portieren.
Zwischen zwei Einzel-Brennstoffzellen wird üblicherweise eine Wärmeüber¬ tragerfläche, wie Kühlflowfield, eingesetzt, die zur Abführung der anfallenden Reaktionswärme bzw. zur Einstellung des gewünschten Temperaturhaus- halts eingesetzt wird. Dieses Kühlflowfield wird häufig in die Bipolarplatten integriert und aus Gründen der besseren Wärmeübertragung von einem flüssigen Kühlmittel durchströmt.
Da die maximal erzielbare Zellenspannung einer Einzel-Brennstoffzelle phy- sikalisch begrenzt ist und im Anwendungsfall regelmäßig unter 1 V, typi¬ scherweise im Bereich von 0,5 bis 0,7 V liegt, werden zur Herstellung höhe¬ rer Spannungen und Leistungen mehrere Einzel-Brennstoffzellen in Form einer elektrischen Serienschaltung zusammengeschaltet. Dieser im Folgen¬ den als Stapelaufbau bezeichnete Komplex besteht aus einer oder mehreren aufeinandergestapelten und in einer elektrischen Serienschaltung angeord¬ neten, planaren Einzel-Brennstoffzellen.
Polymerelektrolytbrennstoffzellen weisen einen hohen Wirkungsgrad auf, der jedoch meist bei geringen Betriebstemperaturen von ca. 8O0C erzielt wird. Zur Abführung der verbleibenden Abwärme werden aufgrund der geringen verfügbaren Temperaturdifferenz zur Umgebung daher im allgemeinen gro¬ ße Kühlflächen benötigt. Dies ist insbesondere bei automobilen Anwendun¬ gen als Energiequelle für den Fahrzeugantrieb oder für eine Bordstromver¬ sorgung unerwünscht, da nur begrenzter Bauraum zur Verfügung steht und - im Gegensatz zu einem Verbrennungmotor - üblicherweise weniger als 5% der Abwärme über das Abgas der Brennstoffzelle abgeführt werden kön- nen. Es wird deshalb versucht, die Betriebstemperatur von Polymerelektro- lytbrennstoffzellen deutlich über 1000C zu steigern (beispielsweise 1500C bis 2000C), was neben einer Reduzierung des Kühlaufwandes unter Umständen auch den Vorteil bietet, daß übliche Polymerelektrolytbrennstoffzellen bei solchen Temperaturen einen höheren CO-Gehalt im Brenngas tolerieren.
Bipolarplatten aus Kohlenstoffkompositwerkstoffen verfügen üblicherweise über einen hohen Anteil an Bindern und Kunststoffen und sind bei hohen Einsatztemperaturen im Hinblick auf ihre Lebensdauer beschränkt.
Eine Alternative zur Kohlenstoffkompositbipolarplatte stellt die Metallbipolar¬ platte dar, die beispielsweise aus Edelstahl gefertigt ist und deshalb eine hohe Temperaturstabilität aufweist. Zur Aufrechterhaltung einer hohen elek¬ trischen Leitfähigkeit ist es zumeist erforderlich, diese Bipolarplatten mit ei- ner gegenüber elektrochemischer Korrosion beständigen und elektrisch leit¬ fähigen Randschicht zu versehen, die auch im sauren Metier der Polymere¬ lektrolytbrennstoffzelle beständig ist.
Der Vorgang der elektrochemischen Korrosion, mit dem eine Metallbipolar- platte konfrontiert wird, basiert unter anderem auf dem Auftreten von hin¬ sichtlich der galvanischen Spannungsreihe unterschiedlich edlen lokalen Bereichen, die über einen ionenleitenden Elektrolyten (das strömende Fluid) und einen Elektronenleiter (die Bipolarplatte) miteinander verbunden sind und somit als Korrosionsanoden bzw. Korrosionskathoden wirken. Der Vor- gang ist in Fig. 1 am Beispiel einer korrodierenden Metalloberfläche 1 mit den Metallatomen Me im Atomgitter 2 des Metalls, in einem wäßrigen Elek¬ trolyten 3 gelösten Metallionen Me+ und Elektronen e' in dem Metallgitter 2 vereinfacht dargestellt:
Anodischer Bereich: 2Me (Gitter) => 2Me+(gelöstes Ion) + 2e"
Kathodischer Bereich: 2H+ (aus Elektrolyt) + 2e' => H2 Voraussetzung für einen durch diesen elektrochemischen Vorgang geför¬ derten Korrosionsschaden 4 ist das gleichzeitige Vorhandensein eines an¬ odischen Bereiches 5, eines kathodischen Bereiches 6, sowie einer elektro- nenleitenden und einer ionenleitenden Verbindung zwischen beiden Berei¬ chen.
Insbesondere bei einem Betrieb bei höheren Temperaturen ist die Korrosi- vität der in den von den Bipolarplatten begrenzten Strömungskanälen der Brennstoffzelle strömenden Fluide so hoch, daß hohe Anforderungen an die Beständigkeit eine Randschicht gestellt werden. Es wird davon ausgegan¬ gen, daß die Randschicht zumindest eine Diffusionssperrschicht darstellen muß, um das darunterliegende Material ausreichend vor dem oben aufge¬ zeigten Korrosionsvorgang zu schützen. Zu diesem Zweck muß die Rand- schicht homogen sein und unabhängig vom Material eine Dicke, wie Schichtdicke, von zumindest 0,03 mm aufweisen (Corrosion Handbook, Herausgeber H. Uhlig, Verlag Wesley, 1984). Solche Randschichten werden üblicherweise durch Beschichtung eines Substrats erzeugt, wobei die er¬ wünschte Homogenität und/oder die Schichtdicke ein insbesondere zeitlich aufwendiges Verfahren erforderlich machen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei der eine Randschicht mit verringertem Aufwand erzeug¬ bar ist, und gegebenenfalls ein Verfahren bereitzustellen, bei dem Korrosi- onsvorgänge vermieden oder reduziert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine fluiddurchströmbare Vor¬ richtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und bezüglich des Verfahrens mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 gelöst. Gemäß Anspruch 1 weist die Randschicht zumindest Bereiche mit relativ geringer Dicke und/oder Inhomogenitäten auf. Bevorzugt ist die Randschicht insgesamt relativ dünn ausgebildet, so daß ein Aufwand für die Erzeugung der Randschicht reduzierbar ist. Inhomogenitäten wie beispielsweise Durch- brüche sind insbesondere dadurch gekennzeichnet, daß Bereiche mit unter¬ schiedlichem elektrochemischem Potential räumlich nebeneinander auf der zu dem Strömungskanal weisenden Oberfläche der Wandung auftreten und somit grundsätzlich geeignet sind, relativ zueinander einen kathodischen und einen anodischen Bereich zu bilden.
Bevorzugt ist die Dicke der Randschicht < 0,03 mm, besonders bevorzugt < 0,01 mm. Besonders gering ist insbesondere der zeitliche Aufwand für die Erzeugung einer Schicht mit einer Dicke < 0,001 mm.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Wandung platten-, Schei¬ ben- oder rohrförmig ausgebildet, so daß die erfindungsgemäße Vorrichtung als Wärmeübertrager, Reaktor und/oder Brennstoffzelle einsetzbar ist. Ins¬ besondere für einen Einsatz als Brennstoffzelle ist die Wandung bevorzugt elektrisch leitfähig ausgebildet und als Bipolarplatte verwendbar. Besonders bevorzugt besteht die Wandung aus einem Metall oder einer Legierung.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführung wird die Randschicht durch Aufbrin¬ gen einer Beschichtung erzeugt. Alternativ ist die Randschicht durch eine Oberflächenbehandlung der Wandung oder durch Ionenimplantation und/oder chemische Umwandlung des Materials der Wandung erzeugbar. Unter Umständen ist eine der Varianten je nach den beteiligten Materialien gegenüber anderen Varianten vorteilhaft. Bevorzugt enthält die Randschicht zumindest ein Metall, ein Nitrid, ein Oxid, ein Carbid, ein Carbonitrid, einen Kunststoff. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird eine fluiddurchströmbare Vor¬ richtung derart betrieben, daß während eines Großteils der Betriebsdauer die Temperatur zumindest eines Fluids über dessen Taupunkttemperatur liegt. Bevorzugt ist eine Temperatur > 1000C und ein Druck > 1 bar.
Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Brennstoffzelle als Ausfüh¬ rungsbeispiel näher erläutert.
Gemäß eines Ausführungsbeispiels weist eine Brennstoffzelle mindestens zwei Platten, insbesondere Bipolarplatten, Dichtungsrahmen und eine da¬ zwischen angeordnete MEA, insbesondere eine Membran-Elektroden- Anordnung mit zwei durch eine Polymerelektrolytmembran getrennten Elek¬ troden auf, wobei die Platten in einer besonders bevorzugten Ausführung mit einer elektrisch leitfähigen Randschicht versehen sind. Als geeignete Be- Schichtungsmaterialien für die Randschicht sind elektrisch leitfähige Metalle, Nitride, Carbide, Oxide, Carbonitride oder Kunststoffe vorstellbar. Diese elektrisch leitende Randschicht ist unter Umständen alleine nicht vollständig korrosionsbeständig gegenüber den Korrosionsbedingungen im Ambiente der Brennstoffzelle. Eine erwünschte Korrosionsbeständigkeit wird dann bei- spielsweise durch ein Zusammenspiel von korrosionshemmender Rand¬ schicht und speziell eingestellten Betriebsbedingungen erreicht, die in Kom¬ bination die erforderliche Korrosionsbeständigkeit erzielen.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle besitzt in einer besonders bevorzug- ten Ausführung Bipolarplatten mit elektrisch leitender Randschicht, bei¬ spielsweise aus einer Titancarbidbeschichtung, die sehr dünn (< 10μm) und damit kostengünstig ausgeführt wird und unter Umständen Inhomogenitäten wie Löcher aufweist. Erfindungsgemäß werden die Betriebsparameter der Brennstoffzelle hinsichtlich Temperatur, Druck und lokaler Feuchte der Be- triebsgase so eingestellt, dass der lokale Taupunkt im Gas während des Hauptteils der Gesamtbetriebszeit, besonders bevorzugt während eines Zeit- raums von 55-100%, zumindest 0,10C an den vor Korrosion zu schützenden Stellen der Bipolarplatte unter der lokalen Gastemperatur liegt. Dadurch wird ein Auftreten von Flüssigwasser während des oben genannten Hauptteills der Betriebszeit an diesen Stellen der Bipolarplatte, die vor elektrochemi- scher Korrosion geschützt werden soll, verhindert.
Da für den elektrochemischen Korrosionsvorgang ein Elektrolyt erforderlich ist, der bei vollständiger Verdampfung des Produktwassers wegfällt, ist eine Korrosion an Stellen, die nicht in direktem Kontakt mit dem Poiymerelektro- lyten stehen, unterdrückt und die elektrische Leitfähigkeit und mechanische Integrität der Bipolarplatte werden verbessert, so daß die Lebensdauer der Bipolarplatte erhöht wird.
Zur Vermeidung von Korrosionsreaktionen mit dem Polymerelektrolyten in Bereichen, die nicht durch eine dazwischenliegende Gasdiffusionselektrode entkoppelt werden, wird die Aufgabe der Erfindung in einer besonders be¬ vorzugten Ausführung durch Einbringung eines Trennmittels wie beispiels¬ weise einer ausreichend chemisch- und temperaturbeständigen Kunststoffo¬ lie als Separator oder eines Spaltes gelöst. Gemäß Fig. 2, einem Tempera- tur-Druck-Diagramm, wird das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise bei solchen Betriebsbedingungen durchgeführt, die in Fig. 2 oberhalb der Dampfdruckkurve 11 von Wasser liegen.
Die Erfindung wurde anhand des Beispiels einer Brennstoffzelle dargestellt. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung auch für andere Zwecke geeignet ist.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Fluiddurchströmbare Vorrichtung, insbesondere Wärmeübertrager und/oder Reaktor und/oder Brennstoffzelle, mit zumindest einem von ei¬ ner metallhaltigen Wandung benachbarten Strömungskanal, wobei die Wandung eine zu dem Strömungskanal weisende Oberfläche aufweist, die mit einer insbesondere elektrisch leitfähigen Randschicht versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Randschicht Bereiche mit relativ ge¬ ringer Dicke und/oder Inhomogenitäten, insbesondere Vertiefungen, Po¬ ren, Durchbrüche, Stufen, Riefen und/oder Ausdünnungen aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Rand¬ schicht zumindest einen Bereich mit einer Dicke < 0,03 mm, insbesonde¬ re < 0,01 mm, insbesondere < 0,001 mm aufweist.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, daß die Wandung platten-, Scheiben- oder rohrförmig, ins¬ besondere rundrohr-, ovalrohr-, rechteckrohr- oder flachrohrförmig aus¬ gebildet ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, daß die Wandung elektrisch leitfähig ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die Wandung aus einem Metall oder einer Legierung, insbesondere Aluminium, Eisen, Stahl oder Edelstahl besteht.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die Randschicht durch Aufbringen einer Beschichtung erzeugbar ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die Randschicht durch Oberflächenbehandlung der Wandung erzeugbar ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die Randschicht durch Ionenimplantation und/oder chemische Umwandlung des Materials der Wandung erzeugbar ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, daß die Randschicht ein Metall, ein Nitrid, ein Oxid, ein
Carbid, ein Carbonitrid, einen Kunststoff und/oder eine Verbindung hier¬ von, insbesondere Ti, Cr, Zr, Au, Ni, Nb, Titannitrid, Chromnitrid, Zirkoni¬ umnitrid, Goldnitrid, Niobnitrid enthält oder daraus besteht.
10.Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die Vorrichtung als Brennstoffzellenstapel mit zumin¬ dest zwei Platten und einer dazwischenliegenden Membran-Elektroden- Anordnung (MEA) ausgebildet ist.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß zwischen zumindest einer Platte und einer MEA ein Trennmittel, insbesondere ein Separator oder ein Spalt, angeordnet ist.
12. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach einem der vorhergehen- den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß während > 50%, insbe¬ sondere > 80%, der Betriebsdauer die Temperatur eines durch den Strömungskanal strömenden Fluids größer oder gleich der Taupunkttem¬ peratur des Fluids ist.
PCT/EP2005/007107 2004-07-16 2005-07-01 Fluiddurchströmbare vorrichtung und betriebsverfahren WO2006007953A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP05760831A EP1771905A1 (de) 2004-07-16 2005-07-01 Fluiddurchströmbare vorrichtung und betriebsverfahren

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102004034620A DE102004034620A1 (de) 2004-07-16 2004-07-16 Fluiddurchströmbare Vorrichtung und Betriebsverfahren
DE102004034620.8 2004-07-16

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2006007953A1 true WO2006007953A1 (de) 2006-01-26

Family

ID=35079362

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2005/007107 WO2006007953A1 (de) 2004-07-16 2005-07-01 Fluiddurchströmbare vorrichtung und betriebsverfahren

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP1771905A1 (de)
DE (1) DE102004034620A1 (de)
WO (1) WO2006007953A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100382367C (zh) * 2006-05-26 2008-04-16 大连海事大学 一种含氮碳表面的燃料电池金属双极板及其制造方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3644126A1 (de) * 1986-12-23 1988-07-07 Erhard Bieler Verfahren zur abluftreinigung und rueckgewinnung von loesemitteln aus in der abluft enthaltenden loesemitteldaempfen und von der abluft durchstroemter, ein adsorbens enthaltender behaelter
US5624769A (en) * 1995-12-22 1997-04-29 General Motors Corporation Corrosion resistant PEM fuel cell
EP1235288A1 (de) * 1999-09-17 2002-08-28 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Polymerelektrolyt-brennstoffzelle
US20030099873A1 (en) * 1999-12-03 2003-05-29 Massimo Brambilla Polymeric membrane fuel cell stack
DE10340215A1 (de) * 2002-11-14 2004-06-03 Hitachi, Ltd. Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle und bipolare Platte

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE29807832U1 (de) * 1998-04-30 1998-07-02 Siemens AG, 80333 München Hochtemperatur-Brennstoffzelle und Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapel
DE19852146C2 (de) * 1998-11-12 2001-10-11 Mtu Friedrichshafen Gmbh Brennstoffzellenanordnung mit korrosionsgeschützten Reformiereinheiten
DE19961496B4 (de) * 1998-12-21 2008-01-24 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha, Toyota Separator für eine Brennstoffzelle und Verfahren zur Herstellung des Separators
DE19937255B4 (de) * 1999-08-06 2004-05-06 Ballard Power Systems Inc., Burnaby Korrosionsbeständige Bipolarplatte für PEM-Brennstoffzellen und Verwendung
DE19947858C2 (de) * 1999-10-05 2003-04-10 Daimler Chrysler Ag Korrosionsbeständige Brennstoffzelle
US6864007B1 (en) * 1999-10-08 2005-03-08 Hybrid Power Generation Systems, Llc Corrosion resistant coated fuel cell plate with graphite protective barrier and method of making the same
WO2002038828A1 (fr) * 2000-11-10 2002-05-16 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Procédé de traitement de surface de produit d'acier inoxydable pour pile à combustible
AU2002362328A1 (en) * 2001-09-18 2003-04-01 Manhattan Scientifics, Inc. Coated metal object in the form of a plate and used as component of a fuel cell stack

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3644126A1 (de) * 1986-12-23 1988-07-07 Erhard Bieler Verfahren zur abluftreinigung und rueckgewinnung von loesemitteln aus in der abluft enthaltenden loesemitteldaempfen und von der abluft durchstroemter, ein adsorbens enthaltender behaelter
US5624769A (en) * 1995-12-22 1997-04-29 General Motors Corporation Corrosion resistant PEM fuel cell
EP1235288A1 (de) * 1999-09-17 2002-08-28 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Polymerelektrolyt-brennstoffzelle
US20030099873A1 (en) * 1999-12-03 2003-05-29 Massimo Brambilla Polymeric membrane fuel cell stack
DE10340215A1 (de) * 2002-11-14 2004-06-03 Hitachi, Ltd. Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle und bipolare Platte

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100382367C (zh) * 2006-05-26 2008-04-16 大连海事大学 一种含氮碳表面的燃料电池金属双极板及其制造方法

Also Published As

Publication number Publication date
EP1771905A1 (de) 2007-04-11
DE102004034620A1 (de) 2006-02-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE112005000978B4 (de) Hybridbipolarplattenanordnung und Vorrichtungen, die diese enthalten sowie deren Verwendung
DE102006054797B4 (de) Strömungsfeldplatte mit hoher elektrochemischer Stabilität und verbessertem Wassermanagement und Verfahren zu dessen Herstellung
DE112004002166B4 (de) Separatoranordnung zur Verwendung in einem Stapel elektrochemischer Zellen und Verfahren zum Herstellen
DE112006001829B4 (de) Beschichtete bipolare Stahlplatten
DE102011017417B4 (de) Verfahren zum Erzeugen einer Bipolarplattenanordnung für einen Brennstoffzellenstapel
DE10230395A1 (de) Leitfähiges Bauteil für elektrochemische Zellen sowie Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils
DE102007037246B4 (de) Verfahren zum recyceln einer beschichteten bipolaren platte aus rostfreiem stahl
DE102010020168B4 (de) Bipolarplatten aus für niedrigen Kontaktwiderstand beschichtetem rostfreiem Stahl für Brennstoffzellen
DE102008013439A1 (de) Gabelung von Strömungskanälen in Strömungsfeldern von Bipolarplatten
JP2001196080A (ja) 耐腐食性のｐｅｍ燃料電池
EP2165380A1 (de) Bipolarplatte für eine brennstoffzelle und brennstoffzellen-stack
EP2201157A1 (de) Bipolarplatte für einen pem-elektrolyseur
DE102008029628A1 (de) Bipolarplatten-Diffusionsmedienanordnung mit niedrigem elektrischen Widerstand
DE10318402B4 (de) Brennstoffzelle mit isoliertem Kühlmittelverteiler
DE102007022202B4 (de) Brennstoffzellenstapel mit einer nichtpermeablen Beilage mit niedrigem Kontaktwiderstand
WO2022105960A1 (de) Bauteil für eine elektrochemische zelle, sowie redox-flow-zelle, brennstoffzelle und elektrolyseur
DE112005002235B4 (de) Vorrichtung mit einer elektrochemischen Umwandlungsanordnung und ein Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Umwandlungsanordnung
WO2018165682A1 (de) Poröses formteil für elektrochemisches modul
DE102011017418B4 (de) Bipolarplattenanordnung für eine Brennstoffzelle und Verfahren zum Erzeugen einer Bipolarplattenanordnung
EP1771905A1 (de) Fluiddurchströmbare vorrichtung und betriebsverfahren
WO2018233921A1 (de) Brennstoffzelle
WO2022111922A1 (de) Bipolarplatte für eine elektrochemische zelle, anordnung elektrochemischer zellen und verfahren zum betrieb der anordnung elektrochemischer zellen
DE102020215014A1 (de) Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle und elektrochemische Zelle
DE112006001838B4 (de) Elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte sowie damit ausgestaltete Brennstoffzelle
DE102020130693A1 (de) Bauteil für eine elektrochemische Zelle, sowie Redox-Flow-Zelle, Brennstoffzelle und Elektrolyseur

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AE AG AL AM AT AU AZ BA BB BG BR BW BY BZ CA CH CN CO CR CU CZ DK DM DZ EC EE EG ES FI GB GD GE GH GM HR HU ID IL IN IS JP KE KG KM KP KR KZ LC LK LR LS LT LU LV MA MD MG MK MN MW MX MZ NA NG NI NO NZ OM PG PH PL PT RO RU SC SD SE SG SK SL SM SY TJ TM TN TR TT TZ UA UG US UZ VC VN YU ZA ZM ZW

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): GM KE LS MW MZ NA SD SL SZ TZ UG ZM ZW AM AZ BY KG KZ MD RU TJ TM AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IS IT LT LU LV MC NL PL PT RO SE SI SK TR BF BJ CF CG CI CM GA GN GQ GW ML MR NE SN TD TG

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2005760831

Country of ref document: EP

WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 2005760831

Country of ref document: EP

WWW Wipo information: withdrawn in national office

Ref document number: 2005760831

Country of ref document: EP