DE102008029628B4

DE102008029628B4 - Brennstoffzellenstapel mit Bipolarplatten-Diffusionsmedienanordnung mit niedrigem elektrischen Widerstand und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102008029628B4
Application number: DE102008029628A
Authority: DE
Inventors: Michael K. Budinski
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-06-26
Filing date: 2008-06-23
Publication date: 2013-04-11
Anticipated expiration: 2028-06-24
Also published as: CN101335357A; US20090004542A1; DE102008029628A1; US8431284B2

Abstract

Brennstoffzellenstapel umfassend: mehrere Membranelektrodenanordnungen (55, 56'), wobei jede eine zwischen mehreren Katalysatorschichten (80, 80') angeordnete Membran (78, 78') umfasst; mehrere Diffusionsmedien (55, 55'), wobei eines der mehreren Diffusionsmedien (55, 55') benachbart zu jeder Seite der Membranelektrodenanordnungen (56, 56') liegt; mehrere Bipolarplatten (52, 52', 54, 54), wobei jede der Bipolarplatten (52, 52', 54, 54') einen Umfangsabschnitt (84) aufweist, wobei jede der Bipolarplatten (52, 52', 54, 54') zwischen zwei der Membranelektrodenanordnungen (56, 56') angeordnet ist, und wobei die Umfangsabschnitte (84) der Bipolarplatten (52, 52', 54, 54') Umfangsabschnitte der Membranelektrodenanordnungen (56, 56') überragen; ein Dichtmittel (82), das in einem von den Umfangsabschnitten (84) der Bipolarplatten (52, 52', 54, 54') gebildeten Hohlraum angeordnet ist, wobei das Dichtmittel (82) eine Abdichtung zwischen der ersten Bipolarplatte (52, 52'), der zweiten Bipolarplatte (54, 54') und der Membranelektrodenanordnung (56, 56') bildet; und eine elektrisch leitende Klebeschicht (58, 58'), die an mindestens einem Teil...

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel und ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzellenanordnung.
Brennstoffzellen und Verfahren zu deren Herstellung sind in US 6 942 941 B2 , WO 2006/022758 A1 , JP 2005 216 598 A , DE 10 2006 048 612 A1 und in der Dissertation ETH Nr. 14901 von M. D. Ruge, ETH Zürich 2003 beschrieben.
Hintergrund der Erfindung
Brennstoffzellenstapelsysteme (nachstehend Brennstoffzellen) werden vermehrt als Antriebsquelle für Elektrofahrzeuge und anderen Anwendungen verwendet. Es können verschiedene Brennstoffzellenarten vorgesehen werden, beispielsweise vom Phosphorsäure-, Alkali-, Schmelzcarbonat-, Festoxid- und Protonenaustauschmembran-(PEM)-Typ.
Bei Protonenaustauschmembran-(PEM)-Brennstoffzellen wird ein Wasserstoffgasreaktand einer Anodenseite der Brennstoffzelle als Brennstoff zugeführt und ein Sauerstoffgasreaktand einer Kathodenseite der Brennstoffzelle als Oxidationsmittel zugeführt. Die Reaktion, die zwischen den Reaktandengasen in der Brennstoffzelle stattfindet, verbraucht den Wasserstoff an der Anodenseite und erzeugt Produktwasser an der Kathodenseite.
Die Grundbestandteile einer PEM-Brennstoffzelle sind zwei Elektroden, die durch einen Polymermembranelektrolyten getrennt sind. Jede Elektrode ist an einer Seite mit einer dünnen Katalysatorschicht beschichtet. Die Elektroden, der Katalysator und die Membran bilden zusammen eine Membranelektrodenanordnung (MEA, kurz vom engl. Membrane Electrode Assembly). Die MEA ist typischerweise zwischen „Anoden”- und „Kathoden”-Diffusionsmedien oder -Diffusionsschichten schichtartig eingeschlossen, die aus einem elastischen, leitenden und gaspermeablen Material wie Kohlenstoffgewebe oder Papier gebildet sind. Die Diffusionsmedien dienen als primäre Stromkollektoren für die Anode und Kathode, wobei sie auch der MEA mechanische Abstützung bieten.
Die Diffusionsmedien und die MEA werden zwischen einem Paar elektronisch leitender Platten gepresst, die als sekundäre Stromkollektoren zum Abnehmen des Stroms von den primären Stromkollektoren dienen. Die Platten leiten bei Bipolarplatten Strom zwischen benachbarten Zellen in dem Brennstoffzellenstapel und leiten bei Unipolarplatten Strom außerhalb des Stapels am Ende des Stapels.
Die Bipolarplatten umfassen typischerweise zwei dünne, zugewandte Metallbleche. Eines der Bleche bildet einen Strömpfad an einer Außenfläche desselben zur Zufuhr des Brennstoffs zur Anode der MEA aus. Eine Außenfläche des anderen Blechs bildet einen Strömpfad für das Oxidationsmittel zur Zufuhr zur Kathodenseite der MEA aus. Wenn die Bleche verbunden sind, wird ein Strömpfad für ein dielektrisches Kühlfluid festgelegt. Die Platten sind typischerweise aus einem formbaren Metall hergestellt, das geeignete Festigkeit, elektrische Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit vorsieht, wie Edelstahl mit 316-Legierung.
Der Brennstoffzellenstapel, der mehr als einhundert Platten enthalten kann, wird zusammengepresst und die Elemente werden durch Schrauben durch Ecken des Stapels zusammengehalten und an Rahmen an den Enden des Stapels verankert. Um einem unerwünschten Austreten von Fluiden zwischen den Paaren von Platten heraus entgegenzuwirken, wird häufig eine Dichtung oder Abdichtung verwendet. Die Dichtung ist typischerweise entlang einem umlaufenden Rand der Plattenpaare angeordnet. Dichtungen des Stands der Technik umfassen die Verwendung eines elastomeren Materials. Zusätzliche Dichtungen des Stands der Technik umfassen die Verwendung einer Metalldichtung, wie sie in der veröffentlichen internationalen PCT-Patentanmeldung Nr. PCT/EP2003/011347 offenbart wird, die hiermit durch Erwähnung in ihrer Gesamtheit aufgenommen wird.
Ein effizienter Betrieb von PEM-Brennstoffzellen kann von einem in dem System vorhandenen elektrischen Widerstandsbetrag und insbesondere von dem elektrischen Widerstand an einer Grenzfläche zwischen den Bipolarplatten und den Diffusionsmedien der MEA abhängen.
Es ist wünschenswert, eine Brennstoffzelle zu erzeugen, die zum Minimieren elektrischen Widerstands zwischen den Bipolarplatten und der MEA einer Brennstoffzellenanordnung ausgelegt ist, um Systemleistung zu optimieren. Bei der hierin beschriebenen Brennstoffzelle wird ein effizienter Betrieb der Brennstoffzelle durch Anhaften von zu einer Membranelektrodenanordnung benachbarten Diffusionsmedien an benachbarten Bipolarplatten mittels einer elektrisch leitenden Klebeschicht maximiert.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Brennstoffzellenstapel bzw. ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzellenanordnung mit einer zuverlässigen und einfach herzustellenden Abdichtung zwischen den Bipolarplatten und der Membranelektrodenanordnung anzugeben.
Die Lösung erfolgt durch einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruchs.
In einer Ausführungsform umfasst eine Brennstoffzellenanordnung eine Membranelektrodenanordnung mit einer zwischen mehreren Katalysatorschichten angeordneten Membran; mehrere Diffusionsmedien, jedes mit einer an einer Seite desselben angeordneten mikroporösen Schicht, wobei die Seite des Diffusionsmediums mit der mikroporösen Schicht an den Katalysatorschichten der Membranelektrodenanordnung anhaftet; eine erste Bipolarplatte; eine zweite Bipolarplatte; und eine elektrisch leitende Klebeschicht, die an mindestens einem Teil der ersten Bipolarplatte und der zweiten Bipolarplatte angeordnet ist, wobei die Klebeschicht die erste Bipolarplatte an einem der Diffusionsmedien und die zweite Bipolarplatte an einem anderen der Diffusionsmedien anhaftet, um einen elektrischen Kontaktwiderstand zwischen den Diffusionsmedien der ersten und zweiten Bipolarplatten zu minimieren.
In einer Ausführungsform umfasst ein Brennstoffzellenstapel mehrere Membranelektrodenanordnungen, die jeweils umfassen: eine zwischen mehreren Katalysatorschichten angeordnete Membran; mehrere Diffusionsmedien, wobei eines der mehreren Diffusionsmedien zu jeder Seite der Membranelektrodenanordnungen benachbart ist; mehrere Bipolarplatten, wobei jede der Bipolarplatten einen Umfangsabschnitt aufweist, wobei jede der Bipolarplatten zwischen zwei der Membranelektrodenanordnungen angeordnet ist; ein Dichtmittel, das in einem durch die Umfangsabschnitte der Bipolarplatten ausgebildeten Hohlraum angeordnet ist, wobei das Dichtmittel eine Dichtung zwischen der ersten Bipolarplatte, der zweiten Bipolarplatte und der Membranelektrodenanordnung bildet; und eine elektrisch leitende Klebeschicht, die an mindestens einem Teil einer ersten Bipolarplatte und einer zweiten Bipolarplatte angeordnet ist, wobei die Klebeschicht die erste Bipolarplatte an einem der Diffusionsmedien und die zweite Bipolarplatte an einem anderen der Diffusionsmedien anhaftet, um einen elektrischen Kontaktwiderstand zwischen den Diffusionsmedien und der ersten und zweiten Bipolarplatte zu minimieren.
In einer anderen Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzellenanordnung zur Verwendung in einer PEM-Brennstoffzelle die Schritte des Vorsehens mehrerer Bipolarplatten, wobei jede Platte eine erste Arbeitsseite und eine zweite Arbeitsseite aufweist; des Vorsehens einer elektrisch leitenden Klebeschicht an der ersten Arbeitsseite und der zweiten Arbeitsseite der Bipolarplatten; des Vorsehens einer Membranelektrodenanordnung mit einer zwischen Katalysatorschichten angeordneten Membran; des Beschichtens eines Diffusionsmediums mit einer Paste zum Bilden einer mikroporösen Schicht darauf; des Sinterns der Diffusionsmedien und der mikroporösen Schichten miteinander; des Anhaftens der mikroporösen Schichten der Diffusionsmedien an den Katalysatorschichten der Membranelektrodenanordnung; des Anhaftens der Katalysatorschichten und der Protonenaustauschmembran; des Anhaftet des Diffusionsmediums an der erste Arbeitsseite der einen der Bipolarplatten mit der Klebeschicht und des Anhaftens eines anderen Diffusionsmediums an der ersten Arbeitsseite einer anderen Bipolarplatte mit der Klebeschicht.
Beschreibung der Zeichnungen
Die vorstehenden sowie andere Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen für den Fachmann ohne Weiteres aus der folgenden näheren Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform bei Betrachtung im Hinblick auf die Begleitzeichnungen hervor. Hierbei zeigen:
1 eine perspektivische Explosionsansicht eines Brennstoffzellenstapels mit zwei Brennstoffzellenanordnungen nach einer Ausführungsform der Erfindung;
2 eine unvollständige Querschnittansicht einer in 1 gezeigten Brennstoffzellenanordnung; und
3 eine unvollständige Querschnittansicht einer Brennstoffzellenanordnung nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Die folgende eingehende Beschreibung sowie die beigefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und Zeichnungen dienen dazu, einem Fachmann das Herstellen und Nutzen der Erfindung zu ermöglichen, und sollen nicht den Schutzumfang der Erfindung in irgendeiner Weise beschränken. Bezüglich der offenbarten Verfahren sind die dargestellten Schritte beispielhafter Natur, und somit ist die Reihenfolge der Schritte nicht notwendig oder ausschlaggebend.
1 zeigt einen Brennstoffzellenstapel 10 mit zwei Brennstoffzellenanordnungen nach einer Ausführungsform der Erfindung, es versteht sich aber, dass in einem typischen Brennstoffzellenstapel nach Bedarf eine beliebige Anzahl an Brennstoffzellenanordnungen und Bipolarplatten verwendet werden kann. Der Brennstoffzellenstapel 10 ist ein aus zwei Zellenbestehender PEM-Brennstoffzellenstapel 10 mit einem Paar Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 56, 57, die durch ein elektrisch leitendes Fluidverteilungselement 52, nachstehend eine Bipolarplatte 52, voneinander getrennt sind. Die MEAs 56, 57 und die Bipolarplatte 52 sind zwischen Endplatten 16, 18 und Endkontaktelementen 20, 22 zusammen aufgestapelt. Die Bipolarplatte 52 und die Endkontaktelemente 20, 22 umfassen jeweils Arbeitsseiten 26, 28, 24, 30 zum Verteilen von Brennstoff und Oxidationsmittelgasen (d. h. H₂ & O₂) zu den MEAs 56, 57. Nicht leitende Dichtungen 32 sehen Abdichtungen und eine elektrische Isolierung zwischen den mehreren Komponenten des Brennstoffzellenstapels 10 vor.
Die MEAs 56, 57 sind benachbart zu gaspermeablen leitenden Materialien, die als Gasdiffusionsmedien bekannt sind, angeordnet. Die Gasdiffusionsmedien können Kohlenstoff-/Graphitdiffusionspapier umfassen. Wie hierin beschrieben wird, haften die Gasdiffusionsmedien an den MEAs 56, 57 an. Die Endkontakteinheiten 20, 22 liegen an den Diffusionsmedien der MEAs 56, 57 an. Die Bipolarplatte 52 liegt an dem Diffusionsmedium an der Anodenseite der MEA 56 an, die zum Aufnehmen von wasserstoffhaltigem Reaktand ausgelegt ist, und liegt auch an dem Gasdiffusionsmedium an der Kathodenseite der MEA 57 an, die zum Aufnehmen von sauerstoffhaltigem Reaktand ausgelegt ist. Sauerstoff wird der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 10 von einer Speicherquelle 46 zum Beispiel mittels einer geeigneten Zufuhrleitung 42 zugeführt. Wasserstoff wird der Anodenseite der Brennstoffzelle von einer Wasserstoffquelle 48 zum Beispiel mittels einer geeigneten Zufuhrleitung 44 zugeführt. Alternativ kann der Kathodenseite Umgebungsluft als Sauerstoffquelle und der Anode Wasserstoff von einem Methanol- oder Benzinreformer oder dergleichen zugeführt werden. Ablassleitungen (nicht gezeigt) sowohl für die Anoden- als auch die Kathodenseiten der MEAs 56, 57 sind ebenfalls vorgesehen. Zusätzliche Leitungen 36, 38, 40 sind zum Zuführen flüssigen Kühlmittels zu der Bipolarplatte 52 und den Endplatten 16, 18 vorgesehen. Geeignete Leitungen zum Ablassen von Kühlmittel aus der Bipolarplatte 52 und den Endplatten 16, 18 sind ebenfalls vorgesehen (nicht dargestellt).
Unter Bezug als Nächstes auf 2 wird eine Brennstoffzellenanordnung 50 gezeigt, die eine in 1 gezeigte Bipolarplatte 52 und eine zweite Bipolarplatte 54 umfasst. Die Brennstoffzellenanordnung 50 umfasst eine Membranelektrodenanordnung (MEA) 56, die zwischen mehreren Diffusionsmedien 55 angeordnet ist, wobei eines der Diffusionsmedien 55 zwischen der MEA 56 und der ersten Bipolarplatte 52 angeordnet ist und ein anderes der Diffusionsmedien 55 zwischen der MEA 56 und der zweiten Bipolarplatte 54 angeordnet ist.
Die MEA 56 ist zwischen den Diffusionsmedien 55 angeordnet und umfasst eine Protonenaustauschmembran (PEM) 78, die zwischen zwei Katalysatorschichten 80 angeordnet ist. In der in 2 gezeigten Ausführungsform ist die PEM 78 ein dünner Festpolymermembran-Elektrolyt, kann aber nach Bedarf jede herkömmliche PEM sein. Die Katalysatorschichten 80 sind aus Platin gebildet, wobei sie in der dargestellten Ausführungsform auf Carbon-Black mit hoher Struktur gelagert sind, können aber nach Bedarf jeder herkömmliche Katalysator, beispielsweise ein Platin-Ruthenium-Katalysator, sein.
Eines der Diffusionsmedien 55 ist zwischen einer Seite der MEA 56 und der ersten Bipolarplatte 52 angeordnet, und ein anderes der Diffusionsmedien 55 ist zwischen einer anderen Seite der MEA 56 und der zweiten Bipolarplatte 54 angeordnet. Die MEA 56 umfasst eine erste Seite 72 und eine zweite Seite 74. An der zweiten Seite 74 des Diffusionsmediums 55 ist zwischen dem Diffusionsmedium 55 und der MEA 56 eine mikroporöse Schicht 76 angeordnet. In der gezeigten Ausführungsform sind die Diffusionsmedien 55 Kohlenstofffaserpapier wie das von Mitsubishi Rayon Company hergestellte Papier MRC-U-105. Es versteht sich, dass die Diffusionsmedien 55 auch ein Kohlenstofftuch oder ein anderes herkömmliches Material sein können, das dafür ausgelegt ist, elektrisch und thermisch leitend zu sein. Weiterhin können die Diffusionsmedien 55 nach Bedarf unbehandelt oder an der zweiten Seite 74 mit einem Fluorkohlenwasserstoffpolymer behandelt sein. Die mikroporösen Schichten 76 sind aus einem Kohlenstoffpulver- und Fluorkohlenwasserstoffpolymergemisch gebildet und können nach Bedarf aus jeder herkömmlichen Kohlenstofftinte oder Kohlenstoffpaste gebildet sein.
Die erste Bipolarplatte 52 und die zweite Bipolarplatte 54 sind aus einer ersten Unipolarplatte 60 und einer zweiten Unipolarplatte 62 gebildet, und jede Platte 52, 54 umfasst die erste Arbeitsseite 26 und die zweite Arbeitsseite 28. Jede der Arbeitsseiten 26, 28 umfasst mehrere Strömungskanäle 64, die zum Verteilen der Brennstoff- und Oxidationsmittelgase über den Arbeitsseiten 26, 28 der Bipolarplatten 52, 54 ausgelegt sind. Die mehreren Strömungskanäle 64 bilden mehrere Stege 66 aus, die dazwischen angeordnet sind.
Weiterhin wirken die Unipolarplatten 60, 62 zusammen, um einen Strömpfad 68 zwischen den Stegen 66 der Unipolarplatten 60, 62 zu bilden. Der Strömpfad 68 ist dafür ausgelegt, eine Verteilung eines dielektrischen Kühlfluids durch die Bipolarplatten 52, 54 zu erleichtern. Durch die Unipolarplatten 60, 62 können nach Bedarf eine Reihe von Strömpfaden 68 gebildet werden. In der gezeigten Ausführungsform sind die Unipolarplatten 60, 62 der Bipolarplatten 52, 54 mit geschmolzenem Zinn 70 miteinander verbunden. Die Unipolarplatten 60, 62 können aber durch jedes herkömmliche Mittel, beispielsweise einen Kleber der B-Stufe (englisch: B-stage adhesive), oder durch Verschweißen verbunden werden, oder die Bipolarplatten 52, 54 können nach Bedarf aus einem einzigen Stück Material gebildet werden. In der gezeigten Ausführungsform sind die Bipolarplatten 52, 54 aus 316-Edelstahl gebildet, können aber zum Beispiel aus einem beliebigen herkömmlichen Material wie Graphit gebildet werden. Es versteht sich, dass die Strömungskanäle 64 nach Bedarf geradlinig, im Wesentlichen wellenförmig, gewunden sein können oder jede andere Auslegung haben können.
An den Strömungskanälen 64 und Stegen 66 jeder der Bipolarplatten 52, 54 ist eine Klebeschicht 58 angeordnet. In der gezeigten Ausführungsform sind die Klebeschichten 58 benachbart zu den zweiten Seiten 74 der Diffusionsmedien 55 und sind aus einem elektrisch leitenden Kleber der B-Stufe gebildet. Die Klebeschichten 58 verbinden die Stege 66 der Bipolarplatten 52, 54 mit den ersten Seiten 72 der Diffusionsmedien 55. Die Klebeschichten 58 können nach Bedarf aus jedem elektrisch leitenden Material gebildet werden. Die Klebeschichten 58 können auch leitender thermoplastischer Klebstoff oder eine Kombination aus leitendem Primer und leitendem Klebstoff sein.
Zum Zusammenbau der in 2 gezeigten Brennstoffzellenanordnung 50 wird die erste Unipolarplatte 60 an der zweiten Unipolarplatte 62 zum Anhaften gebracht, um die Bipolarplatten 52, 54 zu bilden. Die erste Unipolarplatte 60 kann nach Bedarf durch ein beliebiges herkömmliches Anhaftmittel, beispielsweise Punktschweißen, Laserschweißen, Klebstoff oder Löten, an der zweiten Unipolarplatte 62 zum Anhaften gebracht werden. Die erste Unipolarplatte 60 wird an der zweiten Unipolarplatte 62 zum Anhaften gebracht, um einen elektrischen Widerstand zwischen Flächen durch die Bipolarplatten 52, 54 zu minimieren. Es versteht sich, dass die Bipolarplatten 52, 54 nach Bedarf aus einer einzigen integral ausgebildeten Platte gebildet werden können. Die Arbeitsseiten 26, 28 der Bipolarplatten 52, 54 werden mit einem Primer behandelt, um ein verbessertes Anhaften der Klebeschicht 58 und der Unipolarplatten 60, 62 zu erleichtern. Der Primer kann nach Bedarf ein Säureprimer, ein alkalischer Primer oder eine selbstätzende Klebeschicht sein. Die Klebeschicht 58 ist an den Strömungskanälen 64 und den Stegen 66 der Arbeitsseiten 26, 28 der Bipolarplatten 52, 54 angeordnet. Die Klebeschicht 58 kann durch ein beliebiges herkömmliches Verfahren an den Bipolarplatten 52, 54 angeordnet werden, beispielsweise kann sie nach Bedarf aufgepresst oder aufgesprüht werden. Wenn ferner die Unipolarplatten 60, 62 aus einem Metall gebildet werden, kann die Klebeschicht 58 während eines Spulenbeschichtungsprozesses (englisch: coil coating process) und vor einem Stanzprozess, der die Unipolarplatten 60, 62 bildet, auf das Metall aufgebracht werden. Es versteht sich, dass bei Bilden der Bipolarplatten 52, 54 aus einem Polymermaterial die Klebeschicht 58 ohne Auftragen eines Primers direkt auf die Bipolarplatten 52, 54 aufgebracht werden kann oder die Polymerbipolarplatten 52, 54 eine Koronaentladungsbehandlung oder eine Hochfrequenz-Glimmentladungsbehandlung erfahren können, um ein verbessertes Anhaften der Klebeschicht 58 an den Bipolarplatten 52, 54 zu erleichtern.
Die Diffusionsmedien 55, die mikroporösen Schichten 76, die PEM 78 und die Katalysatorschichten 80 werden zusammengesetzt. Eine (nicht dargestellte) Paste, die ein Gemisch aus Kohlenstoffpulver und Fluorkohlenwasserstoffpolymeren enthält, wird gebildet, auf die zweite Seite 74 des Diffusionsmediums 55 aufgebracht und bei oder nahe 380°C gesintert, um das Diffusionsmedium 55 und die mikroporöse Schicht 76 anhaften zu lassen. Das gleichfalls gehaltene U.S.-Patent Nr. 7,063,913 B2 wird hiermit durch Erwähnung aufgenommen, um Verfahren zum Erzeugen der Paste und andere Materialien und Prozesse weiter zu beschreiben, die beim Erzeugen der Diffusionsmedien 55 verwendet werden. Die mikroporöse Schicht 76 wird an einer ersten Seite der Katalysatorschicht 80 mit einem selbst blockenden Mechanismus durch Erwärmen des Diffusionsmediums 55, der mikroporösen Schicht 76 und der Katalysatorschicht 80 bei oder nahe 130°C zum Anhaften gebracht. Eine zweite Seite der Katalysatorschicht 80 wird an einer ersten Seite der PEM 78 zum Anhaften gebracht. Eine zweite Anordnung von Diffusionsmedium 55, mikroporöser Schicht 76 und Katalysatorschicht 80 wird wie vorstehend beschrieben erzeugt und an einer zweiten Seite der PEM 78 zum Anhaften gebracht. Eines der Diffusionsmedien 55 wird gegen die Klebeschicht 58 der Bipolarplatte 52 gepresst, und das andere Diffusionsmedium 55 wird gegen die Klebeschicht 58 der zweiten Bipolarplatte 54 gepresst. Nach Zusammenbau kann die Brennstoffzellenanordnung 50 erwärmt werden, um ein verbessertes Anhaften der MEA 56 und der Bipolarplatten 52, 54 zu erleichtern.
Bei Gebrauch wird dem Endkontaktelement 22 und der Anodenseite der Bipolarplatte 52 des Brennstoffzellenstapels 10 Wasserstoff von der Wasserstoffquelle 48 zugeführt. Dem Endkontaktelement 20 und der Kathodenseite der Bipolarplatte 52 wird Sauerstoff als Oxidationsmittel von der Sauerstoffquelle 46 zugeführt. Alternativ kann der Kathodenseite Umgebungsluft als Oxidationsmittel zugeführt werden, und der Anode kann Wasserstoff von einem Methanol- oder Benzinreformer zugeführt werden. An der Anodenseite wird der Wasserstoff katalytisch in Protonen und Elektronen aufgespalten. Die gebildeten Protonen dringen durch die PEM 78 zur Kathodenseite. Die Elektronen wandern entlang einer (nicht gezeigten) externen Lastschaltung zur Kathodenseite der MEA 56, wodurch sie einen elektrischen Ausgangsstrom des Brennstoffzellenstapels 10 erzeugen. Gleichzeitig wird der Kathodenseite der MEA 56 ein Sauerstoffstrom zugeführt. An der Kathodenseite reagieren Sauerstoffmoleküle mit den durch die PEM 78 dringenden Elektronen und den durch die externe Schaltung ankommenden Elektronen, um (nicht dargestellte) Wassermoleküle zu bilden. Um ein Fluten der Elektroden der Brennstoffzellenanordnung 50 zu vermeiden und einen Grad an Hydratation der PEM 78 zu bewahren, werden überschüssiges Produktwasser und Wasserdampf veranlasst, durch den Gasstrom durch die Brennstoffzellenanordnung 50 zu den Diffusionsmedien 55 zu strömen. Die Diffusionsmedien 55 erleichtern durch Absorbieren des Wassers und dessen Abtransport von den Bipolarplatten 52, 54 das Entfernen überschüssigen Produktwassers aus dem Brennstoffzellenstapel 10 während nasser Betriebsbedingungen. Durch Abtransportieren des Wassers weg von den Bipolarplatten 52, 54 und hin zum PEM 78 halten die PEM 78 einen Grad an Hydratation aufrecht, um während trockener Betriebsbedingungen eine angemessene Leitfähigkeit des Brennstoffzellenstapels zu erleichtern. Das Wasser in den Diffusionsmedien 55 wird durch (nicht dargestellte) Verteiler durch das Strömen von Wasserstoff- und Sauerstoffgas benachbart zu und durch die Diffusionsmedien 55 aus dem Brennstoffzellenstapel 10 entfernt.
Da die Klebeschichten 58 elektrisch leitend sind, wird der Kontaktwiderstand zwischen den Diffusionsmedien 55 und den Bipolarplatten 52, 54 minimiert. Da weiterhin die Klebeschichten 58 elektrisch leitende Kontaktpunkte zwischen den Diffusionsmedien 55 und den Bipolarplatten 52, 54 vorsehen, kann der Betrag an Druckkraft, die auf den Brennstoffzellenstapel 10 zum Erhalten ausreichender Leitfähigkeit ausgeübt wird, minimiert werden. Durch Minimieren der Druckluft können eine elastische und plastische Verformung der Bipolarplatten 52, 54 und der Diffusionsmedien 55 minimiert werden, wodurch eine Lebensdauer der Bipolarplatten 52, 54 verlängert wird. Das Minimieren der Druckkraft an dem Brennstoffzellenstapel 10 wirkt auch dem Eindringen des Diffusionsmediums 55 in die Strömungskanäle 64 der Bipolarplatten 52, 54 und einem Faserkriechen in die MEA 56 entgegen.
Unter Bezug als Nächstes auf 3 wird eine Brennstoffzellenanordnung 50' nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Der aus 2 wiederholte Aufbau umfasst die gleichen Bezugszeichen und ein eingestrichenes Symbol ('). Die Brennstoffzellenanordnung 50' umfasst eine Membranelektrodenanordnung (MEA) 56', die zwischen mehreren Diffusionsmedien 55' angeordnet ist, wobei eines der Diffusionsmedien 55' zwischen der MEA 56' und einer ersten Bipolarplatte 52' angeordnet ist und ein anderes der Diffusionsmedien 55' zwischen der MEA 56' und einer zweiten Bipolarplatte 54' angeordnet ist.
Die MEA 56' ist zwischen den Diffusionsmedien 55' angeordnet und umfasst eine Protonenaustauschmembran (PEM) 78', die zwischen zwei Katalysatorschichten 80' angeordnet ist. In der in 3 gezeigten Ausführungsform ist die PEM 78' ein dünner Festpolymermembran-Elektrolyt, kann aber nach Bedarf jede herkömmliche PEM sein. Die Katalysatorschichten 80' sind typischerweise aus Platin gebildet, können aber nach Bedarf jeder herkömmliche Katalysator, beispielsweise ein Platin-Ruthenium-Katalysator, sein.
Eines der Diffusionsmedien 55' ist zwischen einer Seite der MEA 56' und der ersten Bipolarplatte 52' angeordnet, und ein anderes der Diffusionsmedien 55' ist zwischen einer anderen Seite der MEA 56' und der zweiten Bipolarplatte 54' angeordnet. Die MEA 56' umfasst eine erste Seite 72' und eine zweite Seite 74'. An der zweiten Seite 74' des Diffusionsmediums 55' ist zwischen dem Diffusionsmedium 55' und der MEA 56' eine mikroporöse Schicht 76' angeordnet. In der gezeigten Ausführungsform sind die Diffusionsmedien 55' Kohlenstofffaserpapier wie das von Mitsubishi Rayon Company hergestellte Papier MRC-U-105. Es versteht sich, dass die porösen Diffusionsmedien 55' auch ein Kohlenstofftuch oder ein anderes herkömmliches Material sein können, das dafür ausgelegt ist, elektrisch und thermisch leitend zu sein. Weiterhin können die Diffusionsmedien 55' nach Bedarf unbehandelt oder an der zweiten Seite 74' mit einem Fluorkohlenwasserstoffpolymer behandelt sein. Die mikroporösen Schichten 76' sind aus einem Kohlenstoffpulver- und Fluorkohlenwasserstoffpolymergemisch gebildet und können nach Bedarf aus jeder herkömmlichen Kohlenstofftinte oder Kohlenstoffpaste gebildet sein.
Die erste Bipolarplatte 52' und die zweite Bipolarplatte 54' sind aus einer ersten Unipolarplatte 60' und einer zweiten Unipolarplatte 62' gebildet. Jede von erster Bipolarplatte 52' und zweiter Bipolarplatte 54' umfasst eine erste Arbeitsseite 26' und eine zweite Arbeitsseite 28'. Die Arbeitsseiten 26', 28' umfassen mehrere darin ausgebildete Strömungskanäle 64', die zum Verteilen eines Brennstoff- und Oxidationsmittelgases über den Bipolarplatten 52', 54' ausgelegt sind. Die mehreren Strömungskanäle 64' bilden mehrere Stege 66' aus, die dazwischen angeordnet sind.
Weiterhin wirken die Unipolarplatten 60', 62' zusammen, um einen Strömpfad 68' zwischen den Stegen 66' der Unipolarplatten 60, 62' zu bilden. Der Strömpfad 68' ist dafür ausgelegt, eine Verteilung eines dielektrischen Kühlfluids durch die Bipolarplatten 52', 54' zu erleichtern. Durch die Unipolarplatten 60', 62' können nach Bedarf eine Reihe von Strompfaden 68' gebildet werden. Ferner bilden die Unipolarplatten 60', 62' jeweils einen Umfangabschnitt 84 an einer Innenfläche einem Außenumfangsrand der Unipolarplatten 60', 62'. Die Umfangsabschnitte 84 wirken zusammen, um einen zum Aufnehmen eines Dichtmittels 82 ausgelegten Hohlraum zu bilden. In der gezeigten Ausführungsform sind die Unipolarplatten 60', 62' der Bipolarplatten 52', 54' mit Lötmetall 70' miteinander verbunden. Die Unipolarplatten 60', 62' können aber durch jedes herkömmliche Mittel, beispielsweise einen Kleber der B-Stufe, oder durch Verschweißen verbunden werden, oder die Bipolarplatten 52', 54' können nach Bedarf aus einem einzigen Stück Material gebildet werden. In der gezeigten Ausführungsform sind die Bipolarplatten 52', 54' aus 316-Edelstahl gebildet, können aber zum Beispiel aus einem beliebigen herkömmlichen Material wie Graphit oder einem Polymer gebildet werden. Es versteht sich, dass die Strömungskanäle 64' nach Bedarf geradlinig, im Wesentlichen wellenförmig, gewunden sein können oder jede andere Auslegung haben können.
An den Strömungskanälen 64' und Stegen 66' jeder der Bipolarplatten 52', 54' ist eine Klebeschicht 58' angeordnet. In der gezeigten Ausführungsform sind die Klebeschichten 58' benachbart zu den zweiten Seiten 74' der Diffusionsmedien 55' und sind aus einem elektrisch leitenden Kleber der B-Stufe gebildet. Die Klebeschichten 58' verbinden die Stege 66' der Bipolarplatten 52', 54' mit den ersten Seiten 72' der Diffusionsmedien 55'. Die Klebeschichten 58' können nach Bedarf aus jedem elektrisch leitenden Material gebildet werden. Die Klebeschichten 58' können auch leitender thermoplastischer Klebstoff oder eine Kombination aus leitendem Primer und einem leitenden Klebstoff sein.
Das Dichtmittel 82 ist zwischen den durch die Umfangsabschnitte 84 jeder der Bipolarplatten 52', 54' ausgebildeten Hohlräumen, der MEA 56' und einem äußeren Abschnitt 85 eines (nicht dargestellten) Brennstoffzellenstapels angeordnet, um die vorstehend erwähnten Komponenten miteinander zu verbinden und eine Abdichtung zwischen den Komponenten zu bilden. In der gezeigten Ausführungsform sind die Dichtmittel 82 ein Schmelzdichtmittel, beispielsweise ein Epoxydharz. Die Umfangsabschnitte 84 können in dem Außenumfangsrand der Bipolarplatten 52', 54' ausgebildet sein oder die Umfangsabschnitte 84 können zwischen dem Außenumfangsrand und den Arbeitsseiten 26', 28' der Bipolarplatten 52', 54' ausgebildet sein. Der äußere Abschnitt 85 kann nach Bedarf eine Dichtung, ein Druckmittel oder eine andere Brennstoffzellenstapellcomponente sein. Es versteht sich, dass das Dichtmittel 82 jedes herkömmliche Material sein kann, das zum Bilden einer Abdichtung zwischen den Bipolarplatten 52', 54' und der MEA 56' ausgelegt ist. Es versteht sich, dass das Dichtmittel 82 mit Hilfe eines Spritzgussverfahrens separat ausgebildet und in den Umfangsabschnitten 84 angeordnet werden kann. Das Dichtmittel 82 kann auch mit Hilfe eines herkömmlichen Prozesses, beispielsweise manuelles Beschichten oder Aufspritzen des Dichtmittels 82 auf die Umfangsabschnitte 84, direkt an den Umfangsabschnitten 84 der Bipolarplatte 52' aufgebracht werden. Ferner kann das Dichtmittel 82 auf die Unipolarplatten 60', 62' während eines Spulenbeschichtungsprozesses aufgebracht werden, oder das Dichtmittel 82 kann eine Dichtung sein, die separat ausgebildet wird und nach Bedarf in den Umfangsabschnitten 84 angeordnet wird.
Zum Zusammenbau der in 3 gezeigten Brennstoffzellenanordnung 50' wird die erste Unipolarplatte 60' an der zweiten Unipolarplatte 62' zum Anhaften gebracht, um die Bipolarplatten 52', 54' zu bilden. Die erste Unipolarplatte 60' kann nach Bedarf durch ein beliebiges herkömmliches Anhaftmittel, beispielsweise Punktschweißen, Laserschweißen, Ankleben oder Löten, an der zweiten Unipolarplatte 62' zum Anhaften gebracht werden. Die erste Unipolarplatte 60' wird an der zweiten Unipolarplatte 62' zum Anhaften gebracht, um einen elektrischen Widerstand zwischen Flächen durch die Bipolarplatten 52', 54' zu minimieren. Es versteht sich, dass die Bipolarplatten 52', 54' nach Bedarf aus einer einzigen integral ausgebildeten Platte gebildet werden können. Die Arbeitsseiten 26', 28' der Bipolarplatten 52', 54' werden mit einem Primer behandelt, um ein verbessertes Anhaften der Klebeschicht 58' und der Unipolarplatten 60', 62' zu erleichtern. Der Primer kann nach Bedarf ein Säureprimer, ein alkalischer Primer oder eine selbstätzende Klebeschicht sein. Die Klebeschicht 58' ist an den Strömungskanälen 64' und den Stegen 66' der Arbeitsseiten 26', 28' der Bipolarplatten 52', 54' angeordnet. Die Klebeschicht 58' kann durch ein beliebiges herkömmliches Verfahren an den Bipolarplatten 52', 54' angeordnet werden, beispielsweise kann sie nach Bedarf aufgepresst oder aufgesprüht werden. Wenn ferner die Unipolarplatten 60', 62' aus einem Metall gebildet werden, kann die Klebeschicht 58' während eines Spulenbeschichtungsprozesses und vor einem Stanzprozess, der die Unipolarplatten 60', 62' bildet, auf das Metall aufgebracht werden. Es versteht sich, dass bei Bilden der Bipolarplatten 52', 54' aus einem Polymermaterial die Klebeschicht 58' ohne Auftragen eines Primers direkt auf die Bipolarplatten 52', 54' aufgebracht werden kann oder die Polymerbipolarplatten 52', 54' eine Koronaentladungsbehandlung oder eine Hochfrequenz-Glimmentladungsbehandlung erfahren können, um ein verbessertes Anhaften der Klebeschicht 58' an den Bipolarplatten 52', 54' zu erleichtern.
Das Diffusionsmedium 55', die mikroporöse Schicht 76', die PEM 78' und die Katalysatorschicht 80' werden zusammengesetzt. Eine (nicht dargestellte) Paste, die ein Gemisch aus Kohlenstoffpulver und Fluorkohlenwasserstoffpolymeren enthält, wird gebildet, auf die zweite Seite 74' des Diffusionsmediums 55' aufgebracht und bei oder nahe 380°C gesintert, um das Diffusionsmedium 55' und die mikroporöse Schicht aneinander anhaften zu lassen. Die mikroporöse Schicht 76' wird an einer ersten Seite der Katalysatorschicht 80' mit einem selbst blockenden Mechanismus durch Erwärmen des Diffusionsmediums 55', der mikroporösen Schicht 76' und der Katalysatorschicht 80' bei oder nahe 130°C aufgebracht. Die zweite Seite der Katalysatorschicht 80' wird an einer ersten Seite der PEM 78' zum Anhaften gebracht. Eine zweite Anordnung von Diffusionsmedium 55', mikroporöser Schicht 76' und Katalysatorschicht 80', die wie vorstehend beschrieben erzeugt wird, wird an einer zweiten Seite der PEM 78' zum Anhaften gebracht.
Das Dichtmittel 82 wird in den Umfangabschnitten 84 der ersten Bipolarplatte 52' angeordnet. Eines der Diffusionsmedien 55' wird gegen die Klebeschicht 58' der Bipolarplatte 52' gepresst und das andere Diffusionsmedium 55' wird gegen die Klebeschicht 58' einer zweiten Bipolarplatte 54' gepresst. Nach dem Zusammenbau kann die Brennstoffzellenanordnung 50' erwärmt werden, um ein Verbinden des Dichtmittels 82 mit den Bipolarplatten 52', 54' und einem Umfang der MEA 56' zu bewirken und ein verbessertes Anhaften der MEA 56' und der Bipolarplatten 52', 54' zu erleichtern. Das Dichtmittel 82' kann nach Bedarf auch eine fluiddichte Abdichtung zwischen der MEA 56' und den Bipolarplatten 52', 54' bilden.
Da die Klebeschichten 58' elektrisch leitend sind, wird der Kontaktwiderstand zwischen den Diffusionsmedien 55' und den Bipolarplatten 52', 54' minimiert. Da weiterhin die Klebeschichten 58' elektrisch leitende Kontaktpunkte zwischen den Diffusionsmedien 55' und den Bipolarplatten 52', 54' vorsehen, kann der Betrag an Druckkraft, die auf den Brennstoffzellenstapel zum Erhalten ausreichender Leitfähigkeit ausgeübt wird, minimiert werden. Durch Minimieren der Druckkraft können eine elastische und plastische Verformung der Bipolarplatten 52', 54' und der Diffusionsmedien 55' minimiert werden, wodurch eine Lebensdauer der Bipolarplatten 52', 54' verlängert wird. Das Minimieren der Druckkraft an dem Brennstoffzellenstapel wirkt auch dem Eindringen des Diffusionsmediums 55' in die Strömungskanäle 64' der Bipolarplatten 52', 54' und einem Faserkriechen in die MEA 56' entgegen.

Claims

Brennstoffzellenstapel umfassend: mehrere Membranelektrodenanordnungen (55, 56'), wobei jede eine zwischen mehreren Katalysatorschichten (80, 80') angeordnete Membran (78, 78') umfasst; mehrere Diffusionsmedien (55, 55'), wobei eines der mehreren Diffusionsmedien (55, 55') benachbart zu jeder Seite der Membranelektrodenanordnungen (56, 56') liegt; mehrere Bipolarplatten (52, 52', 54, 54), wobei jede der Bipolarplatten (52, 52', 54, 54') einen Umfangsabschnitt (84) aufweist, wobei jede der Bipolarplatten (52, 52', 54, 54') zwischen zwei der Membranelektrodenanordnungen (56, 56') angeordnet ist, und wobei die Umfangsabschnitte (84) der Bipolarplatten (52, 52', 54, 54') Umfangsabschnitte der Membranelektrodenanordnungen (56, 56') überragen; ein Dichtmittel (82), das in einem von den Umfangsabschnitten (84) der Bipolarplatten (52, 52', 54, 54') gebildeten Hohlraum angeordnet ist, wobei das Dichtmittel (82) eine Abdichtung zwischen der ersten Bipolarplatte (52, 52'), der zweiten Bipolarplatte (54, 54') und der Membranelektrodenanordnung (56, 56') bildet; und eine elektrisch leitende Klebeschicht (58, 58'), die an mindestens einem Teil einer ersten Bipolarplatte (52, 52') und einer zweiten Bipolarplatte (54, 54') angeordnet ist, wobei die Klebeschicht (58, 58') die erste Bipolarplatte (52, 52') an einem der Diffusionsmedien (55, 55') und die zweite Bipolarplatte (52, 52') an einem anderen der Diffusionsmedien (55, 55') anhaftet, um einen elektrischen Kontaktwiderstand zwischen den Diffusionsmedien (55, 55') und der ersten und zweiten Bipolarplatte (52, 52', 54, 54') zu minimieren.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, wobei die mehreren Bipolarplatten (52, 52', 54, 54') mehrere Strömungskanäle (64, 64') und mehrere Stege (66, 66') umfassen, die darin ausgebildet sind.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 2, wobei die Klebeschicht (58, 58') das Diffusionsmedium (55, 55') an den Stegen (66, 66') der mehreren Bipolarplatten (52, 52', 54, 54') anhaftet.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, wobei die Klebeschicht (58, 58') ein Kleber der B-Stufe ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1 wobei die erste Bipolarplatte (52, 52') und die zweite Bipolarplatte (54, 54') jeweils eine erste Unipolarplatte (60, 60') mit einer Innenfläche und eine zweite Unipolarplatte (62, 62') mit einer Innenfläche umfassen, wobei die Innenfläche der ersten Unipolarplatte durch einen Kleber der B-Stufe, Löten oder Verschweißen mit der Innenfläche der zweiten Unipolarplatte verbunden ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, wobei die Abdichtung zwischen der ersten Bipolarplatte (52, 52'), der zweiten Bipolarplatte (54, 54') und der Membranelektrodenanordnung (56, 56') eine fluiddichte Abdichtung ist.
Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzellenanordnung zur Verwendung in einer PEM-Brennstoffzelle, welches folgende Schritte umfasst: Vorsehen mehrerer Bipolarplatten (52, 52', 54, 54'), wobei jede der Bipolarplatten (52, 52', 54, 54') eine erste Arbeitsseite und eine zweite Arbeitsseite aufweist, und wobei jede der Bipolarplatten (52, 52', 54, 54') einen Umfangsabschnitt (84) aufweist; Vorsehen einer elektrisch leitenden Klebeschicht (58, 58') an der ersten Arbeitsseite (26, 26') und der zweiten Arbeitsseite (28, 28') der Bipolarplatten (52, 52', 54, 54'); Vorsehen einer Membranelektrodenanordnung (56, 56') mit einer zwischen Katalysatorschichten (80, 80') angeordneten Membran (78), wobei die Membranelektrodenanordnung (56, 56') zwischen zwei Bipolarplatten (52, 52', 54, 54') angeordnet ist, und wobei die Umfangsabschnitte (84) der Bipolarplatten (52, 52', 54, 54') einen Umfangsabschnitt der Membranelektrodenanordnung (56, 56') überragen; Beschichten von Diffusionsmedien (55, 55') mit einer Paste zum Bilden einer mikroporösen Schicht (76, 76') darauf; Sintern der Diffusionsmedien (55, 55') und der mikroporösen Schichten (76, 76') aneinander; Anhaften der mikroporösen Schichten (76, 76') der Diffusionsmedien (55, 55') an den Katalysatorschichten (80, 80') der Membranelektrodenanordnung (56, 56'); Anhaften der Katalysatorschichten (80, 80') und der Protonenaustauschmembran (78, 78'); Anhaften von Diffusionsmedien (55, 55') an seite (26, 26') der einen der Bipolarplatten (52, 52') mit der Klebeschicht (58, 58') und Anhaften anderer Diffusionsmedien (55, 55') an der ersten Arbeitsseite (28, 28') einer anderen Bipolarplatte (54, 54') mit der Klebeschicht (58, 58'); Vorsehen eines Dichtmittels (82) in einem von den Umfangsabschnitten (84) der Bipolarplatten (52, 52', 54, 54') gebildeten Hohlraum, wobei das Dichtmittel (82) eine Abdichtung zwischen der ersten Bipolarplatte (52, 52'), der zweiten Bipolarplatte (54, 54') und der Membranelektrodenanordnung (56, 56') bildet.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Klebeschichten (82) ein Kleber der B-Stufe sind.
Verfahren nach Anspruch 7, weiterhin umfassend: den Schritt des Bildens der mehreren Bipolarplatten (52, 52', 54, 54') aus einem Material, das mit der Klebeschicht (82) während eines Coil-Coating-Prozesses beschichtet ist.