DE112008003998T5

DE112008003998T5 - Brennstoffzellenvorrichtung aufweisend eine poröse Kühlplattenanordnung mit einer Sperrschicht

Info

Publication number: DE112008003998T5
Application number: DE112008003998T
Authority: DE
Inventors: Tommy Conn. Skiba
Original assignee: UTC Power Corp
Current assignee: UTC Power Corp
Priority date: 2008-08-29
Filing date: 2008-08-29
Publication date: 2011-07-21
Also published as: US20110111325A1; WO2010024816A1

Abstract

Brennstoffzellenvorrichtung aufweisend: eine Elektrodenanordnung; eine teilweise poröse Platte, die der Elektrodenanordnung benachbart ist; eine poröse Platte, die der teilweise porösen Platte an einer der Elektrodenanordnung entgegengesetzten Seite der teilweise porösen Platte benachbart ist, wobei die poröse Platte Strömungsfeldkanäle an einer Seite hat, die so gestaltet sind, dass sie es einem Fluid in den Strömungsfeldkanälen erlauben, mit einer zweiten Elektrodenanordnung an einer entgegengesetzten Seite der porösen Platte in Kontakt zu kommen, wobei die poröse Platte Kühlmittelkanäle hat, die dazu konstruiert sind, ein flüssiges Kühlmittel an einer Seite der porösen Platte, die der teilweise porösen Platte zugewandt ist, zu transportieren; wobei die teilweise poröse Platte an einer Seite Strömungsfeldkanäle hat, die so gestaltet sind, dass sie es einem Fluid in den Strömungsfeldkanälen erlauben, die Elektrodenanordnung zu kontaktieren, wobei eine entgegengesetzte Seite der teilweise porösen Platten eine nicht-poröse Oberfläche hat, die dazu konstruiert ist, die teilweise porösen Platten gegen...

Description

HINTERGRUND
Brennstoffzellenvorrichtungen sind brauchbar zur Erzeugung von elektrischer Energie auf der Basis einer elektrochemischen Reaktion. Eine Vielzahl von Brennstoffzellenvorrichtungen ist bekannt. Jede von ihnen hat unterschiedliche Merkmale, die vorteilhaft sein oder ein Nachteil sein können.
Beispielsweise benötigen Festplatten-Brennstoffzellen nicht so viel Wasser in einer Zellenstapelanordnung wie Brennstoffzellen mit porösen Platten. Andererseits sorgen die Brennstoffzellen mit porösen Platten für eine große Haltbarkeit. Das zusätzliche Wasser in einer Brennstoffzellenanordnung mit porösen Platten kann unter manchen Umständen wie niedrigen Temperaturen ein Problem darstellen, wenn eine Inbetriebnahme erforderlich ist und etwas von dem Wasser oder das gesamte Wasser an Stellen eingefroren ist, die die erwünschte Reaktion, die zur Erzeugung von Energie erforderlich ist, stören.
Eine vorgeschlagene Lösung ist, eine Hybridzelle zu verwenden, die eine poröse Platte an einer Seite einer Elektrodenanordnung und eine feste Platte an der anderen Seite hat. Derartige Anordnungen können mit der bekannten Verdampfungskühlungs-Betriebsweise verwendet werden. Dieser Vorschlag kann das Wasservolumen verringern, ist aber noch anfällig für Probleme bei Gefrierstarts, da Wasser in den Brennstoff-Strömungsfeldkanälen und den Substraten selbst gefroren sein kann.
Es besteht ein Bedarf an einer verbesserten Anordnung, die die Vorteile einer Brennstoffzellenanordnung mit porösen Platten nutzt und die Möglichkeit für Probleme, beispielsweise während eines Gefrierstarts, verringert.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine beispielhafte Brennstoffzellenvorrichtung beinhaltet eine erste vollständig poröse Platte. Eine erste Elektrodenanordnung ist der ersten vollständig porösen Platte unmittelbar benachbart. Eine erste teilweise poröse Platte ist der ersten Elektrodenanordnung an einer der ersten vollständig porösen Platte entgegengesetzten Seite unmittelbar benachbart. Eine zweite vollständig poröse Platte ist der ersten teilweise porösen Platte an einer der ersten Elektrodenanordnung entgegengesetzten Seite unmittelbar benachbart. Eine zweite Elektrodenanordnung ist der zweiten vollständig porösen Platte an einer der ersten teilweise porösen Platte entgegengesetzten Seite unmittelbar benachbart. Eine zweite teilweise poröse Platte ist der zweiten Elektrodenanordnung an einer der zweiten vollständig porösen Platte entgegengesetzten Seite unmittelbar benachbart.
Die vollständig porösen Platten haben an einer Seite Strömungsfeldkanäle, die so gestaltet sind, dass sie es einem Fluid in den Strömungsfeldkanälen erlauben, die unmittelbar benachbarte Elektrodenanordnung zu kontaktieren. Eine entgegengesetzte Seite der vollständig porösen Platten hat Kühlmittelkanäle, die zum Transportieren eines flüssigen Kühlmittels konstruiert sind. Die teilweise porösen Platten haben an einer Seite Strömungsfeldkanäle, die so konstruiert sind, dass sie es einem Fluid in den Strömungsfeldkanälen erlauben, die entsprechende unmittelbar benachbarte Elektrodenanordnung zu kontaktieren. Eine entgegengesetzte Seite der teilweise porösen Platten hat eine nicht-poröse Oberfläche, die so konstruiert ist, dass sie die teilweise poröse Platte gegen jegliche Flüssigkeit in den Kühlmittelkanälen einer benachbarten der vollständig porösen Platten isoliert. Jegliche Flüssigkeit in der teilweise porösen Platte ist ausschließlich aus einer Reaktion an der entsprechenden unmittelbar benachbarten Elektrodenanordnung.
Ein beispielhaftes Verfahren zum Fluidverteilungs-Management in einer Brennstoffzelle umfasst ein Einführen von Brennstoff in die Strömungsfeldkanäle der vollständig porösen Platten und die Strömungsfeldkanäle der teilweise porösen Platten dergestalt, dass an den Elektrodenanordnungen eine elektrochemische Reaktion stattfindet. Ein flüssiges Kühlmittel wird in die Kühlmittelkanäle der vollständig porösen Platten eingeführt. Die teilweise poröse Platte ist von Flüssigkeit in den Kühlmittelkanälen unter Verwendung der nicht-porösen Schicht dergestalt isoliert, dass die einzige Flüssigkeit in den teilweise porösen Platten ausschließlich aus der elektrochemischen Reaktion an der entsprechenden der Elektrodenanordnungen stammt.
Die verschiedenen Merkmale und Vorteile des offenbarten Beispiels werden für Fachleute aus der folgenden genauen Beschreibung deutlich werden. Die Zeichnung, die die genaue Beschreibung begleitet, kann kurz wie folgt beschrieben werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die Figur veranschaulicht schematisch ausgewählte Bereiche einer Brennstoffzellenvorrichtung, die gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung konstruiert ist.
GENAUE BESCHREIBUNG
Die Figur zeigt schematisch ausgewählte Bereiche einer Brennstoffzellenvorrichtung 20, die zur Erzeugung von elektrischer Energie brauchbar ist. Eine erste poröse Platte 22 ist einer Elektrodenanordnung 24 unmittelbar benachbart. Wie bekannt, weist die Elektrodenanordnung 24 eine Membran und Elektrodenschichten (d. h. eine Anodenkatalysatorschicht und eine Kathodenkatalysatorschicht an entgegengesetzten Seiten der Membran) auf. Eine teilweise poröse Platte 26 ist der Elektrodenanordnung 24 an einer Seite der Anordnung, die der porösen Platte 22 entgegengesetzt ist, unmittelbar benachbart. Die Elektrodenanordnung 24 in Kombination mit der porösen Platte 22 und der teilweise porösen Platte 26 macht eine einzelne Zelle innerhalb einer Zellenstapelanordnung aus.
In dem veranschaulichten Beispiel sind die porösen Platten 22 an einer Anodenseite jeder Zelle, und die teilweise porösen Platten 26 sind an der Kathodenseite jeder Zelle.
Eine zweite poröse Platte 22' ist der ersten teilweise porösen Platte 26 unmittelbar benachbart. Eine zweite Elektrodenanordnung 24' ist der zweiten porösen Platte 22 an einer Seite, die der ersten teilweise porösen Platte 26 entgegengesetzt ist, unmittelbar benachbart. Eine zweite teilweise poröse Platte 26' ist der zweiten Elektrodenanordnung 24' unmittelbar benachbart, wie schematisch gezeigt.
Jede der porösen Platten weist an einer Seite, die der entsprechenden unmittelbar benachbarten Elektrodenanordnung 24 zugewandt ist, eine Mehrzahl von Strömungsfeldkanälen 30 auf. Die Strömungsfeldkanäle 30 sind so gestaltet, dass sie es einem Fluid erlauben, mit der Elektrodenanordnung zu dem Zweck in Kontakt zu kommen, die elektrochemische Reaktion zur Erzeugung von elektrischer Energie stattfinden zu lassen.
Eine entgegengesetzte Seite der porösen Platten 22 weist eine Mehrzahl von Kühlmittelkanälen 32 auf, die dazu gestaltet sind, ein flüssiges Kühlmittel zu transportieren, um beispielsweise für eine Kühlung während des Brennstoffzellenbetriebs zu sorgen.
In einem Beispiel sind die porösen Platten 22 vollständig porös. In einem anderen Beispiel sind die porösen Platten 22 zumindest an der Seite, die die Strömungsfeldkanäle 30 aufweist, porös, und fest bzw. massiv oder nicht-porös an der Seite, die die Kühlmittelkanäle 32 aufweist. In einem Beispiel weisen die porösen Platten 22 eine einstückige Struktur auf. In einem anderen Beispiel werden zwei getrennte Schichten vorgeformt und dann (Rückseite an Rückseite) miteinander verbunden, um die zwei Seiten der porösen Platten 22 herzustellen. In einem Beispiel sind die Kühlmittelkanäle 32 Teil eines Stücks, und die Strömungsfeldkanäle 30 sind Teil eines getrennt hergestellten Stücks.
Jede teilweise poröse Platte 26 weist eine Mehrzahl von Strömungsfeldern 40 an einer Seite auf, die einer entsprechenden unmittelbar benachbarten Elektrodenanordnung 24 zugewandt ist. Die Strömungsfeldkanäle 40 sind so gestaltet, dass sie es einem Fluid erlauben, mit der Elektrodenanordnung in Kontakt zu kommen, um die elektrochemische Reaktion zu erleichtern. Beispielsweise werden Gase wie Wasserstoff und Luft in die Strömungsfeldkanäle 30 und 40 eingeführt, und die elektrochemische Reaktion findet an der Elektrodenanordnung 24 statt.
Eine entgegengesetzte Seite der teilweise porösen Platte 26 hat eine nicht-poröse Oberfläche 42, die die teilweise poröse Platte 26 gegen jegliches flüssiges Kühlmittel in den Kühlmittelkanälen 32 isoliert. Bei einer solchen Anordnung ist jegliche Flüssigkeit in der teilweise porösen Platte 26 ausschließlich aus der Reaktion an der den entsprechenden Strömungsfeldkanälen 40 unmittelbar benachbarten Elektrodenanordnung 24. Beispielsweise kann, wenn Luft und Wasserstoff in die Strömungsfeldkanäle 30 und 40 eingeführt werden, Wasser ein Nebenprodukt der elektrochemischen Reaktion an der Elektrodenanordnung 24 sein. Derartiges flüssiges Wasser kann in den porösen Bereich der teilweise porösen Platten 26 absorbiert werden. In dem veranschaulichten Beispiel sind eine Mehrzahl von Rippen 44 und ein poröser Körperbereich 46 jeweils in der Lage, das flüssige Wasser-Nebenprodukt aus der elektrochemischen Reaktion an der Elektrodenanordnung 24 zu absorbieren. Bei einer derartigen Anordnung ist die einzige Flüssigkeit innerhalb der teilweise porösen Platten 26 aus der Reaktion an der Elektrodenanordnung 24.
Das flüssige Kühlmittel in den Kanälen 32 ist nur mit einer Hälfte jeder Zelle verbunden, indem es auf die porösen Platten 22 begrenzt ist. Dass sich im Inneren der teilweise porösen Platten 26 ausschließlich flüssiges Wasser aus der elektrochemischen Reaktion befindet, erlaubt, dass die teilweise porösen Platten 26 während des Brennstoffzellenbetriebs wie eine feste Platte wirken, während sie das zusätzliche vorteilhafte Merkmal, ein Reservoir für flüssiges Wasser zu schaffen, bereitstellen. Das Reservoir der teilweise porösen Platte 26 schafft eine Stelle zum Speichern von überschüssigem Wasser in der Brennstoffzelle in einer Weise, dass es unter Tieftemperaturbedingungen gefrieren kann, ohne die Strömungsfeldkanäle zu blockieren und Reaktionsmittel daran zu hindern, die Elektrodenanordnungen 24 zu erreichen.
Ein Merkmal des veranschaulichten Beispiels ist, dass die poröse Platte 22 wegen der Anwesenheit des flüssigen Kühlmittels in den Kanälen 32 und des Nebenproduktwassers in den Strömungsfeldkanälen 30 vollständig mit Flüssigkeit gefüllt sein wird. Andererseits werden die teilweise porösen Platten 26 immer weniger als vollständig mit Flüssigkeit gefüllt sein. Mit anderen Worten, es gibt keinen Betriebszustand der Beispiel-Brennstoffzellenanordnung 20, in dem die teilweise porösen Platten 26 vollständig mit Wasser gefüllt sind. Die teilweise porösen Platten 26 nur teilweise gefüllt zu halten, hilft sicherzustellen, dass irgendwelches gefrierendes Wasser eine Inbetriebnahme der Brennstoffzellenvorrichtung unter Tieftemperaturbedingungen nicht stören wird.
In einem Beispiel weisen die teilweise porösen Platten 26 ein erstes Material für den porösen Bereich wie die Rippen 44 und den Körper 46 und ein anderes, unterschiedliches Material für die nicht-poröse Oberfläche 42 auf. In einem Beispiel weist das poröse Material Kohlenstoff auf.
Ein Beispiel umfasst ein Sprühbeschichten oder sonstiges Behandeln der Oberfläche 42, um sie nicht-porös zu machen. Das Auftragen eines geeigneten Materials auf die Oberfläche 42 kann die Porosität, die ansonsten an der Oberfläche vorliegen würde, füllen, um jene Seite der teilweise porösen Platte 26 in einer Weise abzudichten, die den porösen Bereich gegen jegliches Kühlmittel in den Kühlmittelkanälen 32 isolieren wird.
Ein anderes Beispiel umfasst die Verwendung desselben Materials für die gesamten teilweise porösen Platten 26. Der Formungsprozess wird beispielsweise so kontrolliert, dass eine erste Porosität an den Rippen 44 und dem Körperbereich 46 und eine zweite, niedrigere Porosität entlang der Oberfläche 42, so dass die Oberfläche 42 wirkungsmäßig nicht-porös ist, erzielt wird.
Ein anderes Beispiel umfasst die Herstellung der nicht-porösen Oberfläche 42 durch Befestigen einer festen bzw. massiven Platte an dem porösen Bereich der teilweise porösen Platte 26.
Das veranschaulichte Beispiel stellt beispielsweise ein Reservoir für Wasser bereit, das unter Gefrierstartbedingungen nützlich ist. Weil die teilweise poröse Platte 26 zumindest teilweise porös ist, wird die thermische Masse verringert. Die Verwendung der teilweise porösen Platten 26 ist auch für normale Inbetriebnahmebedingungen, bevor der Stapel eine Verdampfungskühlungs-Temperatur erreicht, nützlich. Das veranschaulichte Beispiel ist nützlich für die Brennstoffzellenkontrolle bei Verdampfungskühlungs-Vorgehensweise, und schafft eine brauchbare Technik zur Kontrolle der Wasserverteilung in einer Brennstoffzellenanordnung.
Die vorangehende Beschreibung ist nicht von beschränkender, sondern von beispielhafter Art. Für Fachleute können Variationen und Modifikationen der offenbarten Beispiele offenkundig werden, die nicht notwendigerweise von dem Wesen dieser Erfindung abweichen. Der Umfang des dieser Erfindung verliehenen Rechtsschutzes kann nur durch ein Studium der folgenden Ansprüche bestimmt werden.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine beispielhafte Brennstoffzellenvorrichtung weist poröse Platten auf. Elektrodenanordnungen (24) sind den porösen Platten (22) benachbart. Teilweise poröse Platten (26) sind den Elektrodenanordnungen (24) an einer zu den porösen Platten (22) entgegengesetzten Seite benachbart. Die porösen Platten haben Kühlmittelkanäle (32), die dazu konstruiert sind, ein flüssiges Kühlmittel zu befördern. Die teilweise porösen Platten haben Strömungsfeldkanäle (40) an einer Seite, die dazu konstruiert sind, es einem Fluid in den Strömungsfeldkanälen zu erlauben, mit der entsprechenden unmittelbar benachbarten Elektrodenanordnung (24) in Kontakt zu kommen. Eine entgegengesetzte Seite der teilweise porösen Platten hat eine nicht-poröse Oberfläche (42), die dazu konstruiert ist, die teilweise poröse Platte von jeglicher Flüssigkeit in den Kühlmittelkanälen (32) einer benachbarten der porösen Platten (22) zu isolieren. Jegliche Flüssigkeit in der teilweise porösen Platte stammt ausschließlich aus einer Reaktion an der entsprechenden unmittelbar benachbarten Elektrodenanordnung.

Claims

Brennstoffzellenvorrichtung aufweisend: eine Elektrodenanordnung; eine teilweise poröse Platte, die der Elektrodenanordnung benachbart ist; eine poröse Platte, die der teilweise porösen Platte an einer der Elektrodenanordnung entgegengesetzten Seite der teilweise porösen Platte benachbart ist, wobei die poröse Platte Strömungsfeldkanäle an einer Seite hat, die so gestaltet sind, dass sie es einem Fluid in den Strömungsfeldkanälen erlauben, mit einer zweiten Elektrodenanordnung an einer entgegengesetzten Seite der porösen Platte in Kontakt zu kommen, wobei die poröse Platte Kühlmittelkanäle hat, die dazu konstruiert sind, ein flüssiges Kühlmittel an einer Seite der porösen Platte, die der teilweise porösen Platte zugewandt ist, zu transportieren; wobei die teilweise poröse Platte an einer Seite Strömungsfeldkanäle hat, die so gestaltet sind, dass sie es einem Fluid in den Strömungsfeldkanälen erlauben, die Elektrodenanordnung zu kontaktieren, wobei eine entgegengesetzte Seite der teilweise porösen Platten eine nicht-poröse Oberfläche hat, die dazu konstruiert ist, die teilweise porösen Platten gegen jegliche Flüssigkeit in den Kühlmittelkanälen der porösen Platten dergestalt zu isolieren, dass jegliche Flüssigkeit in der teilweise porösen Platte ausschließlich aus einer Reaktion an der Elektrodenanordnung stammt.
Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die teilweise poröse Platte einen porösen Körper, der ein erstes Material aufweist, und die nicht-poröse Oberfläche ein zweites, verschiedenes Material aufweist, umfasst.
Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 2, bei der das erste Material Kohlenstoff aufweist.
Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die teilweise poröse Platte ein einziges Material mit einer ersten Porosität für einen porösen Körperbereich und einer zweiten, relativ niedrigeren Porosität an der nicht-porösen Oberfläche aufweist.
Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die nicht-poröse Oberfläche eine an der entgegengesetzten Seite der teilweise porösen Platte befestigte Schicht aufweist.
Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 5, bei der die nicht-poröse Oberfläche auf die entgegengesetzte Seite aufgesprüht ist.
Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Schicht eine massive Platte aufweist.
Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die teilweise poröse Platte während des Betriebs der Brennstoffzellenvorrichtung eine Funktionsweise einer vollständig massiven Platte bereitstellt und während eines anderen Zustands der Brennstoffzellenvorrichtung ein Reservoir für die Flüssigkeit ausschließlich aus der Reaktion bereitstellt.
Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 1, bei der ein poröser Bereich der teilweise porösen Platte nur teilweise mit Flüssigkeit gefüllt ist, und die porösen Platten während mindestens eines Betriebszustands der Brennstoffzellenvorrichtung vollständig mit Flüssigkeit gefüllt sind.
Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die poröse Platte an einer Anodenseite der zweiten Elektrodenanordnung ist und die teilweise poröse Platte an einer Kathodenseite der benachbarten Elektrodenanordnung ist.
Verfahren zum Fluidverteilungs-Management in einer Brennstoffzelle aufweisend eine poröse Platte mit Strömungsfeldkanälen an einer Seite, die so gestaltet sind, dass sie es einem Fluid in den Strömungsfeldkanälen erlauben, mit einer benachbarten Elektrodenanordnung in Kontakt zu kommen, wobei eine entgegengesetzte Seite der porösen Platte Kühlmittelkanäle hat; und eine teilweise poröse Platte mit Strömungsfeldkanälen an einer Seite, die so gestaltet sind, dass sie es einem Fluid in den Strömungsfeldkanälen erlauben, mit einer benachbarten Elektrodenanordnung in Kontakt zu kommen, wobei eine entgegengesetzte Seite der teilweise porösen Platte eine nicht-poröse Oberfläche hat, die den Kühlmittelkanälen der porösen Platte benachbart ist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Einführen von Brennstoff in die Strömungsfeldkanäle der porösen Platte und die Strömungsfeldkanäle der teilweise porösen Platte dergestalt, dass an der Elektrodenanordnung eine elektrochemische Reaktion stattfindet; Einführen eines flüssigen Kühlmittels in die Kühlmittelkanäle; und Isolieren der teilweise porösen Platte von der Flüssigkeit in den Kühlmittelkanälen unter Verwendung der nicht-porösen Schicht dergestalt, dass die einzige Flüssigkeit in der teilweise porösen Platte ausschließlich aus der elektrochemischen Reaktion an der benachbarten Elektrodenanordnung stammt.
Verfahren nach Anspruch 11, aufweisend: vollständig Füllen der porösen Platte mit Flüssigkeit während mindestens eines Betriebszustands der Brennstoffzellenvorrichtung; und nur teilweise Füllen der teilweise porösen Platte mit Flüssigkeit während jedes Betriebszustands der Brennstoffzellenvorrichtung.
Verfahren nach Anspruch 11, aufweisend: Verwenden der teilweise porösen Platte als ein funktionelles Äquivalent einer massiven, nicht-porösen Platte während der elektrochemischen Reaktion; und Verwenden eines porösen Bereichs der teilweise porösen Platte als ein Reservoir für die Flüssigkeit aus der elektrochemischen Reaktion während mindestens eines Betriebszustands der Brennstoffzellenvorrichtung.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem jede teilweise poröse Platte einen porösen Körper umfasst, der ein erstes Material aufweist, und die nicht-poröse Oberfläche ein zweites, verschiedenes Material aufweist.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem das erste Material Kohlenstoff aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem jede teilweise poröse Platte ein einziges Material mit einer ersten Porosität für einen porösen Körperbereich und einer zweiten, relativ niedrigeren Porosität an der nicht-porösen Oberfläche aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem jede nicht-poröse Oberfläche eine Schicht aufweist, die an der entgegengesetzten Seite der teilweise porösen Platte befestigt ist.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die nicht-poröse Oberfläche auf die entgegengesetzte Seite aufgesprüht ist.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die Schicht eine massive Platte aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, aufweisend: Exponieren nur der Bereiche der Brennstoffzellenvorrichtung, die die porösen Platten aufweisen, der Flüssigkeit in den Kühlmittelkanälen.