DE19983846B3

DE19983846B3 - Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellenanordnung mit thermoplastischen Folien zur Bildung von Dichtungen und zur Verbindung von Zellenkomponenten

Info

Publication number: DE19983846B3
Application number: DE19983846.1T
Authority: DE
Inventors: Albert P. Grasso; Myron Krasij; Michael J. Jur. Rajpolt
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 1998-12-23
Filing date: 1999-12-17
Publication date: 2017-05-18
Anticipated expiration: 2019-12-18
Also published as: US6159628A; AU3206500A; DE19983846T1; WO2000039862A1; JP2002533904A

Abstract

Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellenanordnung (10) mit: einer Protonenaustauschmembran (48), die eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist; einer Kathoden-Katalysatorschicht (44), die auf der ersten Seite der Protonenaustauschmembran (48) angeordnet ist; einer Anoden-Katalysatorschicht (40), die auf der zweiten Seite der Protonenaustauschmembran (48) angeordnet ist; einem porösen Anodensubstrat (34), das auf einer Seite der Anoden-Katalysatorschicht (40) angeordnet ist, die nicht mit der Protonenaustauschmembran (48) in Berührung ist; einer Anoden-Wassertransportplatte (16), die auf einer Seite des porösen Anodensubstrats (34) angeordnet ist, die nicht mit der Anoden-Katalysatorschicht (40) in Berührung ist, wobei die Anoden-Wassertransportplatte (16) einen zentralen Bereich und einen peripheren Bereich aufweist; einer Kathoden-Wassertransportplatte (12'), die auf einer Seite der Anoden-Wassertransportplatte (16) angeordnet ist, die nicht mit dem Anodensubstrat (34) in Berührung ist, wobei die Kathoden-Wassertransportplatte (12') einen zentralen Bereich und einen peripheren Bereich aufweist; einer Verbindungs- und Abdichtschicht (68) aus thermoplastischem Material, die zwischen der Anoden-Wassertransportplatte (16) und der Kathoden-Wassertransportplatte (12') an den jeweiligen peripheren Bereichen derselben angeordnet ist, wobei die Schicht (68) aus thermoplastischem Material eine Verbindung und Abdichtung zwischen der Anoden-Wassertransportplatte (16) und der Kathoden-Wassertransportplatte (12') schafft; einem porösen Kathodensubstrat (32'), das auf einer Seite der Kathoden-Wassertransportplatte (12') angeordnet ist, die nicht mit der Anoden-Wassertransportplatte (16) in Berührung ist; einer Kathoden-Katalysatorschicht (44), die auf einer Seite des Kathodensubstrats (32) angeordnet ist, die nicht mit der Kathoden-Wassertransportplatte (12) in Berührung ist; und mit einer Verbindungs- und Dichtungsschicht aus Schaumstoffband (60), die zwischen dem Anodensubstrat (34) und der Anoden-Wassertransportplatte (16) an den jeweiligen peripheren Bereichen derselben angeordnet ist, ...

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellenanordnungen und Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellenkomponenten. Genauer gesagt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine verbesserte Konstruktion von Brennstoffzellen zum Vereinfachen und Reduzieren der Herstellungskosten solcher Zellen. Zusätzlich dazu befasst sich die vorliegende Erfindung mit Verfahrensweisen zum Verbinden von Brennstoffzellen-Komponenten miteinander sowie zum Abdichten des Brennstoffzellenstapels.
Einschlägiger Stand der Technik
Es sind Feststoff-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenkraftanlagen im Stand der Technik bekannt, und Prototypen derselben sind sogar aus Quellen im Handel erhältlich. Diese Systeme sind brauchbar, sind jedoch relativ komplex. Ein Beispiel einer Polymermembran-Kraftanlage ist in dem US-Patent US 5 360 679 A , erteilt am 01.11.1994, dargestellt.
Außerdem weisen bekannte Brennstoffzellenkonstruktionen üblicherweise eine Protonenaustauschmembran auf, die zwischen jeweiligen Kathoden- und Anodenplatten angeordnet ist. Die allgemeinen Konstruktions- und Betriebsgrundlagen solcher Brennstoffzellen sind so bekannt, dass sie hier nicht ausführlicher erörtert werden müssen. Im allgemeinen beinhaltet der Betrieb einer Protonenaustauschmembran-(PEM-)Brennstoffzelle die Zufuhr von gasförmigem Brennstoff sowie eines Oxidationsgases zu der Anoden-Elektrodenplatte bzw. der Kathoden-Elektrodenplatte sowie die Verteilung derselben so gleichmäßig wie möglich über die aktiven Oberflächen der jeweiligen Elektrodenplatten oder genauer gesagt den Elektrodenplattenoberflächen, die der Protonenaustauschmembran zugewandt sind, wobei dazwischen typischerweise jeweils eine Katalysatorschicht vorhanden ist. Eine elektrochemische Reaktion findet an sowie zwischen der Anodenplatte und der Kathodenplatte statt, und zwar zusammen mit der sich daraus ergebenden Bildung eines Reaktionsproduktes zwischen dem Brennstoff und dem Sauerstoff, der Freisetzung von Wärmeenergie, der Erzeugung einer elektrischen Potenzialdifferenz zwischen den Elektrodenplatten sowie der Strömung von elektrischen Ladungsträgern zwischen den Elektrodenplatten, wobei die auf diese Weise erzeugte elektrische Energie normalerweise die nutzbare Ausgangsleistung der Brennstoffzelle darstellt.
Ein Problem, das bei Feststoff-Polymer-Brennstoffzellen auftritt, besteht in Verbindung mit dem Wasser-Management, und zwar sowohl von Kühlwasser als auch von Produktwasser, innerhalb der Zellen in der Kraftanlage bzw. dem Reaktor. Bei einem Feststoff-Polymermembran-Brennstoffzellenreaktor wird Produktwasser durch eine elektrochemische Reaktion auf der Kathodenseite der Zellen gebildet, insbesondere durch die Kombination von Wasserstoffionen, Elektronen und Sauerstoffmolekülen. Das Produktwasser muss von der Kathodenseite der Zellen weggeführt werden, und Ausgleichswasser muss zu der Anodenseite der Zellen in Mengen zugeführt werden, die ein Austrocknen der Protonenaustauschmembran auf der Kathodenseite der Elektrodenplatte unter gleichzeitiger Vermeidung einer Überflutung verhindern.
Das österreichische Patent AT 389 020 B beschreibt einen Wasserstoff-Ionenaustauschmembran-Brennstoffzellenstapel, der eine feinporige Kühlwasser-Plattenanordnung zur Schaffung einer passiven Kühlmittel- und Wassermanagement-Steuerung verwendet. Das österreichische System verwendet eine wassergesättigte feinporige Plattenanordnung zwischen der Kathodenseite von einer Zelle und der. Anodenseite einer benachbarten Zelle, sowohl um die Zellen zu kühlen als auch einen Übergang von Reaktionspartnern zwischen einander benachbarten Zellen zu verhindern. Die feinporige Plattenanordnung wird auch dazu verwendet, um Produktwasser von der Kathodenseite der Ionenaustauschmembran weg sowie in den Kühlwasserstrom zu bewegen, sowie um Kühlwasser in Richtung auf die Anodenseite der Ionenaustauschmembran zu bewegen, um ein Anodenaustrocknen zu verhindern. Die bevorzugte richtungsmäßige Bewegung des Produktwassers und des Kühlwassers wird erzielt durch Ausbilden der Wasserkühlmittel-Plattenanordnung in zwei Teilen, von denen der eine eine Porengröße aufweist, die sicherstellt, dass auf der Kathodenseite gebildetes Produktwasser dochtartig in die feinporige Platte gesaugt wird und durch Kapillarwirkung in Richtung auf das Kühlwasserpassagennetz bewegt wird, das im Inneren der Kühlplattenanordnung vorhanden ist. Die Kühlplattenanordnung weist ferner eine zweite Platte auf, die eine feinerporige Konstruktion als die erste Platte aufweist und die dazu ausgebildet ist, Wasser aus den Kühlwasserpassagen dochtartig herauszuziehen und dieses Wasser durch Kapillarwirkung in Richtung auf die Anode zu leiten. Die feinporige und die feinerporige Platte in jeder Anordnung sind zur Bildung des Kühlmittel-Passagennetzes und des Reaktionspartner-Passagennetzes mit Nuten versehen sowie zwischen einander benachbarten Zellen miteinander ausgefluchtet sowie einander frontseitig gegenüber liegend angeordnet. Die feinerporige Platte ist dünner als die feinporige Platte, so dass die Kühlwasserpassagen näher bei den Anoden als bei den Kathoden angeordnet sind. Die vorstehend beschriebene Lösung für das Wasser-Management und die Zellenkühlung in Ionenaustauschmembran-Brennstoffzellenreaktoren ist aufgrund der Erfordernisse bei der Qualitätskontrolle der feinporigen und feinerporigen Platten schwer zu erzielen und ist ferner auch teuer, da die Plattenkomponenten nicht gleichartig hergestellt werden.
Bei der Brennstoffzellentechnologie handelt es sich bei der Wassertransportplatte um ein poröses Gebilde, das mit Wasser gefüllt ist. Während des Brennstoffzellenbetriebs führt die Wassertransportplatte Wasser lokal zu, um die Befeuchtung einer Protonenaustauschmembran (PEM) aufrecht zu erhalten, wobei sie ferner an der Kathode gebildetes Produktwasser entfernt, Nebenprodukte über eine zirkulierende Kühlwasserströmung entfernt, Elektrizität von Zelle zu Zelle liefert, einen Gasabscheider zwischen einander benachbarten Zellen schafft sowie Passagen zum Leiten der Reaktionspartner durch die Zelle bildet. Die Wassertransportplatte liefert Wasser zu der Brennstoffzelle, um das Wasser zu ersetzen, das durch Verdunstung von dieser verloren gegangen ist. Das System sowie die Arbeitsweise desselben sind in dem US-Patent US 5 503 944 A von Meyer, dem US-Patent US 5 700 595 A von Reiser sowie in dem US-Patent US 4 769 297 A von Reiser beschrieben.
Damit eine Brennstoffzelle wirtschaftlich herstellbar wird, muss sie nicht nur eine bessere Ausbildung sowie die gewünschte Leistung aufweisen, sondern sie muss auch für eine Massenherstellung geeignet sein. Die Massenherstellung von Brennstoffzellenkomponenten beinhaltet mehrere Gesichtpunkte, die von großer Bedeutung sind. Die Herstellungskosten müssen ohne Einbußen hinsichtlich Qualität und Effizienz der Zelle so niedrig wie möglich gehalten werden. Da Brennstoffzellenkomponenten komplexer werden und mehr Komponenten in einer betreffenden Brennstoffzelle erforderlich sind, steigen die Kosten für diese Zelle in signifikanter Weise.
Brennstoffzellenkomponenten, wie z. B. Gasdiffusionsschichten, Katalysatorschichten, Substrate und Wassertransportplatten, werden zunehmend komplexer und bedürfen einer Dimensionierung mit großer Genauigkeit. Insbesondere verwenden Brennstoffzellenkomponenten des Standes der Technik üblicherweise Randdichtungen, die in Kombination mit den vorstehend genannten Komponenten enge Toleranzen im Herstellungsvorgang benötigen, um Ausschuss bei den Komponenten zu vermeiden sowie eine wirksame Dichtung zu schaffen. Das Erfordernis der Einhaltung von engen Toleranzen ist durch die inhärenten Stufen-Diskontinuitäten bestimmt, die in Verbindung mit der Verwendung von Randdichtungen in bekannten Brennstoffzellenanordnungen bedingt sind.
Von großer Bedeutung bei Protonenaustauschmembranen ist ferner die Reaktionspartner-Verteilung sowie der Einschluss derselben innerhalb der Zelle. Dies ist besonders wichtig bei Verwendung von porösen Elementen, wie z. B. Elektrodensubstraten. Diese Porosität ist notwendig, um das jeweilige gasförmige Medium, das durch jeweilige in der Anoden-Wassertransportplatte und der Kathoden-Wassertransportplatte vorhandene Kanäle zu den Bereichen der jeweiligen Elektrodenplatte befördert wird, die katalytisch aktiv und von der Protonenaustauschmembran beabstandet sind, zu der betreffenden aktiven Fläche zu befördern und im wesentlichen gleichmäßig über diese zu verteilen. Ferner werden diese porösen Gebilde auch dazu verwendet, das Reaktionswasser von der einen der aktiven Flächen zu entfernen sowie Wasser zu den anderen aktiven Flächen zuzuführen, um ein Austrocknen der Protonenaustauschmembran zu vermeiden.
Wenn poröse Wassertransportplatten und poröse Elektrodensubstrate in einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle verwendet werden, muss sichergestellt werden, dass keinerlei Flüssigkeit, wie z. B. Produktwasser oder Kühlwasser in einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle, sowie keinerlei gasförmige Stoffe, wie z. B. der Brennstoff oder das Oxidationsmittel, in der Lage sind, in die Peripherie oder den Randbereich der jeweiligen porösen Wassertransportplatte oder des jeweiligen Elektrodensubstrats hinein oder aus diesem heraus zu strömen. Das Entweichen von Rekationsgasen durch die Peripherie oder den Randbereich der Wassertransportplatten oder der Elektrodensubstrate führt zum Verlust der betreffenden Stoffe, wodurch es zu einem Sinken der Brennstoffzelleneffizienz kommt. Ganz wichtig ist, dass das Verhindern eines Entweichens von Stoffen durch die Peripherie oder den Rand der Wassertransportplatte oder des Elektrodensubstrats von kritischer Bedeutung ist, um die Mischung von gasförmigem Brennstoff mit dem Oxidationsgas oder Umgebungsluft zu verhindern, was katastrophale Folgen haben könnte. Die Herstellungstoleranzen müssen somit auf einem Minimum gehalten werden, und Stufendiskontinuitäten müssen eliminiert werden, um eine wirksame Dichtung zu gewährleisten und auf diese Weise einen korrekten Brennstoffzellenbetrieb zu realisieren. Zum Vermeiden von Korrosion bei den Komponenten muss ferner verhindert werden, dass Sauerstoff den Kathodenkatalysator in seinem entsprechenden Dichtungsbereich sowie die zugehörigen hohen Potenziale auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle erreicht.
Im Stand der Technik sind verschiedene Versuche unternommen worden, um eine Dichtungsausbildung für eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle zu schaffen, um die Effekte schlechter Herstellungstoleranzen sowie Stufendiskontinuitäten zu eliminieren. Ein solcher Versuch ist in dem US-Patent US 5 176 966 A von Epp et al. beschrieben. Dieses Patent offenbart z. B. eine Feststoff-Polymer-Ionenaustauschmembran, die zwischen zwei Kohlefaserpapier-Trägerschichten angeordnet ist. Zwischen den Trägerschichten und der Austauschmembran sind Katalysatorschichten angeordnet. Die Trägerschichten stützen im Wesentlichen die gesamte Oberfläche der Austauschmembran ab. Diese Konstruktion ist jedoch korrosionsanfällig aufgrund der schlechten peripheren Abdichtung zum Verhindern, dass Sauerstoff den Kathodenkatalysator erreicht. Z. B. lehrt auch das US-Patent US 5 264 299 A eine solche Konstruktion.
Zusätzlich zu den vorstehend genannten Überlegungen hinsichtlich der Abdichtung innerhalb einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle sind die Verbindungen der Brennstoffzellenkomponenten sowie die dafür verwendeten Materialien von kritischer Bedeutung. Die Verbindung von Brennstoffzellenkomponenten, insbesondere von Graphit-Wassertransportplatten-Zellenkomponenten, in Form von Unteranordnungen ist äußerst wünschenswert und auch in der Industrie allgemein bekannt. Derzeitige Wassertransportplatten werden üblicherweise unter Verwendung eines Fluorelastomers miteinander verbunden, wie z. B. FLUOROLAST, wobei dieses Material aushärtet und einen kleinen, jedoch messbaren Materialaufbau auf der Auftragsfläche bildet. Dieser Aufbau ist für Brennstoffzellen mit großer aktiver Fläche tolerierbar, die sich ausreichend biegen können, um den elektrischen Kontakt in dem aktiven Bereich aufrecht zu erhalten. Brennstoffzellen mit kleinen aktiven Flächen werden jedoch einem Spannungsabfall ausgesetzt, der höher ist als wünschenswert, da sie weniger tolerant für diesen Fluorelastomeraufbau sind. Es werden ständig Bemühungen zum Lösen dieses Problems unternommen, um Brennstoffzellen für die Massenproduktion zu verbessern.
Ferner werden derzeitige Graphit-Unteranordnungen typischerweise derart zerspanend hergestellt, dass diese mit einer Stufe zum Aufnehmen einer silikonbeschichteten Glasfaserdichtung ausgebildet sind. Die Ränder einander benachbarter Substrate werden im Vakuum mit einem flüssigen Zweikomponenten-Silikongummi imprägniert, der anschließend ausgehärtet wird, um eine Randdichtung zu bilden. Dieses übliche Konstruktionsverfahren beinhaltet die Nachteile, dass es mühsam, zeitaufwendig und teuer ist. Diese Dichtungen sind relativ steif und erfordern hohe Lasten für ihren Sitz. Als Ergebnis hiervon schafft dieses bekannte Konstruktionsverfahren eine nicht akzeptable Dichtungsleistung.
In Anbetracht des Vorstehenden ist eine verbesserte Brennstoffzelle wünschenswert, die kostengünstig ist und sich durch Massenherstellung herstellen lässt. Ferner ist auch ein Brennstoffzellen-Konstruktionsverfahren erwünscht, das zur Schaffung einer Anordnung mit geringeren Kosten und verbesserter Leistung bei gleichzeitiger Vereinfachung des Stapelvorgangs während der Stapelmontage führt. Zum Vermeiden von hohen Sitz-Lasten ist es auch wünschenswert, steife silikonbeschichtete Glasfaserdichtungen in der Brennstoffzellenkonstruktion zu eliminieren. Auch ist es bevorzugt, dass der Dichtungs- und Verbindungsvorgang vereinfacht wird, ohne dass Einbußen beim effizienten Betrieb der Zelle entstehen.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung erhält die Vorteile von Brennstoffzellenanordnungen des Standes der Technik aufrecht. Zusätzlich dazu schafft sie neue Vorteile, die bei derzeit verfügbaren Brennstoffzellenanordnungen nicht zu finden sind, und überwindet viele Nachteile von solchen derzeit verfügbaren Brennstoffzellenanordnungen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellenanordnung mit den Merkmalen, wie sie im Anspruch 1 angegeben sind, und eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellenkomponente mit den Merkmalen, wie sie im Anspruch 8 angegeben sind. Ausführungsformen der Erfindung weisen Merkmale auf, wie sie in den abhängigen Ansprüchen angegeben sind.
Die vorliegende Erfindung ist allgemein gerichtet auf eine neuartige Brennstoffzellenanordnung mit einer verbesserten Komponenten-Verbindungs- und Dichtungskonstruktion. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der verbesserten Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellenanordnungskonstruktion besteht in einer Protonenaustauschmembran, die auf einer ersten und einer zweiten Seite derselben einen zentralen Bereich und einen peripheren Bereich aufweist. Eine Kathoden-Katalysatorschicht ist auf der ersten Seite der Protonenaustauschmembran in einer Region über dem zentralen Bereich angeordnet. Eine Anoden-Katalysatorschicht ist auf der zweiten Seite der Protonenaustauschmembran in einer Region über dem zentralen Bereich angeordnet.
Eine Anoden-Gasdiffusionsschicht ist auf einer Seite der Anoden-Katalysatorschicht angeordnet, die nicht mit der Protonenaustauschmembran in Berührung ist. Ein poröses Anodensubstrat ist auf einer Seite der Anoden-Gasdiffusionsschicht angeordnet, die nicht mit der Anoden-Katalysatorschicht in Berührung steht.
Eine Anoden-Wassertransportplatte ist auf einer Seite des porösen Anodensubstrats angeordnet, die nicht mit der Anoden-Gasdiffusionsschicht in Berührung ist. Die Anoden-Wassertransportplatte weist einen zentralen Bereich und einen peripheren Bereich auf. Eine Kathoden-Wassertransportplatte ist auf einer Seite der Anoden-Wassertransportplatte angeordnet, die nicht mit dem Anodensubstrat in Berührung ist. Die Kathoden-Wassertransportplatte beinhaltet einen zentralen Bereich und einen peripheren Bereich.
Eine Verbindungs- und Dichtungsschicht aus thermoplastischer Folie ist zwischen der Anoden-Wassertransportplatte und der Kathoden-Wassertransportplatte an den jeweiligen peripheren Bereichen derselben angeordnet. Die Schicht aus thermoplastischer Folie schafft eine Verbindung und Abdichtung der Anoden-Wassertransportplatte relativ zueinander.
Ein Kathodensubstrat ist auf einer Seite der Kathoden-Wassertransportplatte angeordnet, die nicht mit der Anoden-Wassertransportplatte in Berührung ist. Eine Kathoden-Gasdiffusionsschicht ist auf einer Seite des Kathodensubstrats angeordnet, die nicht mit der Kathoden-Wassertransportplatte in Berührung ist.
Zusätzlich zu dem vorstehend erläuterten bevorzugten Ausführungsbeispiel sieht die vorliegende Erfindung generell die Verwendung von thermoplastischem Material für die Abdichtung und Verbindung von verschiedenen Komponenten einer Brennstoffzelle vor. Brennstoffzellen unterschiedlicher Konfigurationen können die Schicht aus thermoplastischem Material gemäß der vorliegenden Erfindung verwenden. Z. B. kann eine Brennstoffzelle mit oder ohne Gasdiffusionsschichten auf den Substraten sowie mit Substraten, die vollständig oder teilweise nassfest ausgerüstet sind, die vorliegende Erfindung verwenden. Wie nachfolgend ausführlich erläutert wird, können verschiedene Dichtungskombinationen gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht somit in der Schaffung einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellenanordnung, die gute Dichtungseigenschaften besitzt und kostengünstig herstellbar ist.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer Protonenaustauschmembranen-Brennstoffzellenanordnung, die eine Membran-Elektrodenanordnung beinhaltet, bei der sich niedrige Ausschussraten in der Produktion verwirklichen lassen.
Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle, die die Verbindung und Dichtung von Komponenten mit Hilfe von thermoplastischem Material anstatt Elastomeren schafft.
Die Ziele werden erreicht durch die Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellenanordnung gemäß Anspruch 1 und durch die Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellenkomponente gemäß Anspruch 8.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die neuartigen Merkmale, die für die vorliegende Erfindung charakteristisch sind, sind in den beigefügten Ansprüchen angegeben. Die bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung zusammen mit weiteren Zielen und sich daraus ergebenden Vorteilen werden jedoch am besten unter Bezugnahme auf die nachfolgende ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den Begleitzeichnungen verständlich; in diesen Zeichnungen zeigen:
1 eine Perspektivansicht einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle, die erfindungsgemäßthermoplastische Dichtungs- und Verbindungsschichten verwendet;
2 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 2-2 der 1; und
3 eine Draufsicht auf ein Kathodensubstrat, bei dem erfindungsgemäß thermoplastisches Material peripher angewendet wird.
Verfahrensweisen zum Ausführen der Erfindung
Unter Bezugnahme auf die beiden 1 und 2 ist eine Protonenaustauschmembran-(PEM-)Brennstoffzellenanordnung 10 dargestellt. Es versteht sich, dass diese Zelle 10 in ihrer derzeitigen Konfiguration dargestellt ist, um die Erläuterung der vorliegenden Erfindung zu vereinfachen. Eine Anzahl von Zellenanordnungen 10 ist idealerweise zusammengestapelt, wie z. B. in einem Mehrfach-Zellenstapel, um eine vollständige Brennstoffzellen-Stapelanordnung zu bilden.
Die Anordnung 10 beinhaltet eine Kathoden-Wassertransportplatte 12 und eine Anoden-Wassertransportplatte 16, die gemäß verschiedenen, im Stand der Technik bekannten Herstellungsverfahren hergestellt werden können. Die Kathoden-Wassertransportplatte 12 beinhaltet Kathoden-Luftströmungskanäle 14, während die Anoden-Wassertransportplatte 16 Anoden-Brennstoffströmungskanäle 18 aufweist. Die Kathoden-Wassertransportplatte 12 beinhaltet einen Kühlmittel-Strömungskanal 26. Die Wassertransportplatten 12 und 16 sind vorzugsweise aus Graphitpulver, Zellulosefasern sowie Verstärkungsfasern gebildet, die alle unter Verwendung eines unter Wärme aushärtenden Harzes miteinander verbunden sind und wärmebehandelt sind, um die organischen Materialien in Kohlenstoff umzuwandeln.
Zwischen der Kathoden-Wassertransportplatte 12 und der Anoden-Wassertransportplatte 16 ist eine Membran-Elektrodenanordnung (MEA) angeordnet, die allgemein mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet ist. Innerhalb der Membran-Elektrodenanordnung 20 ist ein Kathodensubstrat 32 mit einer darauf befindlichen Kathoden-Gasdiffusionsschicht 50 sowie mit einer imprägnierten Substratranddichtung 52 vorgesehen. Die Dichtung 52 ist vorzugsweise durch Extrudieren eines thermoplastischen Polymers, wie z. B. KYNAR, erhältlich von Westlake Plastics, in den Umfangsbereich des Substrats gebildet. Die Kathoden-Gasdiffusionsschicht 50 ist im Wesentlichen erstreckungsgleich mit einem zentralen Bereich des Kathodensubstrats 32, der die Dichtung 52 nicht beinhaltet.
Ferner ist ein Anodensubstrat 34 mit einer darauf befindlichen Anoden-Gasdiffusionsschicht 38 sowie mit einer thermoplastischen imprägnierten Substratdichtung 36 vorgesehen, die in ähnlicher Weise wie die thermoplastische Dichtung 52 gebildet sein kann und ähnliche Materialien verwenden kann. Die Anoden-Gasdiffusionsschicht 38 ist im Wesentlichen erstreckungsgleich mit einem zentralen Bereich des Anodensubstrats 34, in den die Dichtung 36 nicht eingebettet ist. Alternativ hierzu können die Gasdiffusionsschichten 38 und 50 an einem oder beiden Substraten 32 bzw. 34 weggelassen werden.
Zwischen einem Anodenkatalysator 40 und einem Kathodenkatalysator 44 ist die Protonenaustauschmembran 48 sandwichartig angeordnet. Die Katalysatorschichten 40 und 44 sind vorzugsweise erstreckungsgleich mit einem zentralen Bereich der Protonenaustauschmembran 48. Bei den Katalysatorschichten 40 und 44 kann es sich um Platin oder um ein anderes geeignetes Katalysatormaterial handeln. Vorzugsweise sollen die Katalysatorschichten 40 und 44 in ihrer Flächenform kleiner sein als die Membran 48. Zwischen den verschiedenen Komponenten der Brennstoffzellenanordnung 10 der vorliegenden Erfindung ist thermoplastisches Material vorgesehen, um die Komponenten der Anordnung 10 relativ zueinander in wirksamer Weise zu verbinden und abzudichten sowie den Stapelvorgang zu vereinfachen. Insbesondere ist thermoplastisches Material 46, vorzugsweise THERMOBOND-Folie erhältlich von der 3M Corporation, zwischen der Kathoden-Substratdichtung 52 und der Protonenaustauschmembran 48 vorgesehen. Es können auch andere geeignete thermoplastische Materialien verwendet werden, wie z. B. TEDLAR erhältlich von duPont. Im allgemeinen ist jedes beliebige thermoplastische Material, das hitze- und korrosionsbeständig ist und einen Schmelzpunkt zwischen 93°C und 232°C (200°F bis 450°F) besitzt und das mit der Umgebung einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle kompatibel ist, geeignet, um als thermoplastisches Material verwendet zu werden. Dieses thermoplastische Material kann als Film bzw. Folie beschafft werden und in die gewünschte Größe und Konfiguration geschnitten werden. Außerdem ist ein Schaumstoffband 62 zwischen dem Kathodensubstrat 32 und einer flachen Vertiefung 70 in der Kathoden-Wassertransportplatte 12 an den jeweiligen Umfangsbereichen derselben, insbesondere an der Dichtung 52, vorgesehen. Schaumstoffband 60 ist auch zwischen dem Anodensubstrat 34 und einer flachen Vertiefung 69 in der Anoden-Wassertransportplatte 16 an den jeweiligen Umfangsbereichen derselben, insbesondere an der Dichtung 36, vorgesehen. Ein geeignetes Schaumstoffband ist Neoprenband vom Typ 4962 hergestellt von 3M das doppelseitig Klebstoff aufweist. Die bevorzugte Dicke des Schaumstoffbands beträgt 0,254 mm bis 0,762 mm (0,010 inch bis 0,030 inch). Es kann jedes beliebige Gummi-Schaumstoffmaterial verwendet werden, das mit der Brennstoffzellenumgebung kompatibel ist.
Eine Anodensubstrat-Flächendichtung 42 ist auf dem Anodensubstrat 34 vorgesehen und besteht ebenfalls vorzugsweise aus thermoplastischem Material. Eine Kathodensubstrat-Flächendichtung 46 ist auf dem Kathodensubstrat 32 vorgesehen und besteht ebenfalls vorzugsweise aus thermoplastischem Material. Von kritischer Bedeutung ist, dass eine thermoplastische Schicht 68 ferner zwischen der Anoden-Wassertransportplatte 16 und der Kathoden-Wassertransportplatte 12' des nächsten sich wiederholenden Zellenstapels vorgesehen ist. Dies ermöglicht eine wirksame und zuverlässige Verbindung und Abdichtung zwischen den Wassertransportplatten, wie dies vorstehend erwähnt wurde. Beispielhafte Materialien für die Flächendichtungen 42 und 46 sowie für die thermoplastische Schicht 68 sind THERMOBOND, TEDLAR und KYNAR.
In verständlicher Weise verwenden sich wiederholende Komponenten in dem Zellenstapel dieselbe Konfiguration und Abdichtung, wie diese vorstehend beschrieben wurden. Z. B. ist die zweite Kathoden-Wassertransportplatte 12' mit dem Kathodensubstrat 32' durch Schaumstoffband 62' an den Randbereichen derselben in abdichtender Weise verbunden. Eine Kathoden-Diffusionsschicht 50' ist auf dem Kathodensubstrat 32' angeordnet. Eine thermoplastische Randdichtung 52' ist in dem Kathodensubstrat 32' ausgebildet, und eine thermoplastische Dichtung 46' ist ebenfalls vorhanden.
3 veranschaulicht eine Draufsicht auf das Kathodensubstrat 32, wobei eine geeignete Substratflächendichtung 46 mit einer Breite 64 um den gesamten Umfangsrandbereich des Kathodensubstrats 32 herum angeordnet ist. Das Anodensubstrat 34 weist ebenfalls eine geeignete Substratflächendichtung 42 auf, die um den gesamten Umfangsrandbereich des Anodensubstrats 34 der in 3 gezeigten allgemeinen Grundrissauslegung herum angeordnet ist.
Was den Herstellungsprozess anbelangt, handelt es sich bei den Kathodensubstraten 32, 32' und dem Anodensubstrat 34 um poröses Kohlepapier, wie z. B. vom Typ TGP-006, erhältlich von Toray Marketing & Sales, Inc., Encino, Kalifornien. Diese Substrate werden selektiv mit einem Fluorpolymer, wie z. B. Teflon vom Typ FEP-120, erhältlich von E. I. DuPont Co., Willmington, Delaware, auf eine Fluorpolymerkonzentration von 10 bis 20 Gewichtsprozent nassfest gemacht. Das Kathodensubstrat 32 und das Anodensubstrat 34 werden selektiv derart nassfest gemacht, dass der zentrale Bereich 66 nassfest ist und der periphere Dichtungsbereich nicht nassfest ist. Alternativ hierzu kann die gesamte Fläche des Substrats nassfest ausgerüstet werden. Die nassfeste Ausrüstung kann durch in der Technik allgemein bekannte Verfahren aufgebracht werden, wie z. B. durch Siebdruck. Die Gasdiffusionsschichten 50 und 38 werden auf die Substrate 32 bzw. 34 aufgebracht. Die sogenannten Gasdiffusionsschichten werden typischerweise aus einem Rußmaterial mit hoher Struktur, wie z. B. Vulcan XC-72, hergestellt von der Cabot Co., Billrecia, Massachusetts, sowie 35 bis 65 Gewichtsprozent Fluorpolymer, wie z. B. dem vorstehend genannten FEP-120 oder den Typ TFE-30 oder einem Äquivalent, gebildet. Die Gasdiffusionsschicht wird durch in der Technik allgemein bekannte Verfahrensweisen aufgebracht, wie dies z. B. in dem US-Patent US 4 233 181 A der Anmelderin beschrieben ist. Die Gasdiffusionsschichten sind typischerweise 0,051 mm bis 0,127 mm (0,002 Inch bis 0,005 Inch) dick.
Die Herstellung der Brennstofzellenkomponenten-Anordnung 10 der vorliegenden Erfindung, nämlich die Verwendung der thermoplastischen Schichten, wird unter Bezugnahme auf das nachfolgende, erläuternde Beispiel noch weiter dargestellt. Es wurden Tests an den Komponenten durchgeführt, um die Verbindungs- und Dichtungseigenschaften der verbesserten Zelle festzustellen. Es ist jedoch nicht beabsichtigt, den Umfang der verbesserten Zelle einzuschränken. Alternativ hierzu kann die durch die vorliegende Erfindung geschaffene Anordnung zusammen mit nicht-porösen Reaktionspartner-Strömungsfeldplatten anstelle der bevorzugten Kombination aus Protonenaustauschmembran/Reaktionspartner-Strömungsfeld verwendet werden.
BEISPIEL
Es wurden verkleinerte Komponenten-Brennstoffzellenteile von 0,76 cm × 0,76 cm (3'' × 3'') in einem Schritt unter Verwendung von Polyolefin-Folien THERMOBOND 845 und THERMOBOND 845 EG, hergestellt von der 3M Corporation, zusammenlaminiert. Eine THERMOBOND-845-Folie mit einer Stärke von 0,1 mm (4 Milli-Inch) wurde zwischen den Wassertransportplatten und den jeweiligen Substraten angeordnet. Eine 845-EG-Folie mit einer Stärke von 0,05 mm (2 Milli-Inch) wurde zwischen den Kathoden-Wassertransportplatten- und Anoden-Wassertransportplatten-Hälften angeordnet. Die thermoplastische Folie wurde in eine Rahmenform mit einer Breite von 6,35 mm (0,25'') und Außenabmessungen von 73,9 mm × 73,9 mm (2,87'' × 2,87'') geschnitten. Die Anordnung wurde in eine Culver-Presse gegeben und auf 149°C (300°F) erhitzt. Bei Erreichen der Zieltemperatur wurde eine Last von 31,7 kg/cm² (450 psi) auf den Dichtungsbereich aufgebracht und für 10 Minuten gehalten. Die Anordnung wurde dann auf 37,8°C (100°F) abgekühlt, und die Last wurde entfernt. Der Laminationsvorgang schafft ein Ausfüllen der Substratschichten unter Bildung einer gasdichten Randdichtung, während die Komponenten gleichzeitig miteinander verbunden werden.
Diese Konstruktion wurde getestet, um die Integrität der Dichtungen zu bestimmen. Die Anordnung wurde im Vakuum mit Wasser gefüllt und auf Druck getestet. Es wurden keine Leckagen bei einem Test auf bis zu 1,76 kg/cm2 (25 psig) festgestellt. Einander überlappende, auf Scherung zu testende Teststücke wurden ebenfalls durch Verbinden von zwei 25,4 mm × 152,4 mm × 2,29 mm (1'' × 6'' × 0.090'') mit Zinnoxid behandelten Wassertransportplattentafeln miteinander unter Verwendung der thermoplastischen Folie 845 EG hergestellt und unter Verwendung einer Instron-Maschine unter Spannung gesetzt. Die Resultate zeigten, dass die Verbindung stärker war als das Wassertransportplattenmaterial.
In Anbetracht der vorstehend geschilderten Merkmale schafft die verbesserte Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle 10 der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Komponentenrand-Dichtung und -Verbindung durch Verwendung von Schichten aus thermoplastischen Folien zwischen diesen. Die Verwendung solcher thermoplastischer Folien macht die Abdichtung der Bestandteile der Brennstoffzelle 10 effektiver und zuverlässiger, während sie gleichzeitig weniger Leckage als Brennstoffzellenanordnungen des Standes der Technik gestattet. Außerdem führt die Verwendung von thermoplastischen Folien für die Verbindung und die Abdichtung zur Verwendung von inerteren Materialien, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Einbringung von Verunreinigungen in die Protonenaustauschmembran reduziert wird. Da das thermoplastische Material, wie z. B. Heißschmelzkleber, nicht aushärtet, kann es bei Bedarf wieder geschmolzen werden, um die dünne Schicht zu erzielen, die für einen niedrigen Spannungsabfall in einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellenanordnung notwendig ist. Das thermoplastische Material beinhaltet weitere Vorteile dahingehend, dass es in einfacher Weise in vorgefertigten Folienkonfigurationen im Handel erhältlich ist, die in die gewünschte Dichtungsform geschnitten werden können, wodurch sich die Montage vereinfacht. Je nach Anwendung können verschiedene Kombinationen von Dichtungen mit verschiedenen Arten von thermoplastischem Material für verschiedene Komponenten der Brennstoffzellen verwendet werden. Z. B. kann thermoplastisches Material bei bestimmten Komponenten verwendet werden, während Elastomer oder andere Materialien bei anderen Komponenten verwendet werden. Im allgemeinen kann eine Schicht aus thermoplastischem Material bei Bedarf in der gesamten Brennstoffzelle verwendet werden, um auf diese Weise die erwünschten Eigenschaften bei der Verwendung einer solchen Schicht aus thermoplastischem Material in vorteilhafter Weise zu nutzen.
Für den Fachmann ist erkennbar, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen an den dargestellten Ausführungsbeispielen vorgenommen werden können, ohne dass man dabei den Gedanken der vorliegenden Erfindung verlässt. Alle solchen Modifikationen und Änderungen sollen von den beigefügten Ansprüchen mitumfasst sein.

Claims

Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellenanordnung (10) mit: einer Protonenaustauschmembran (48), die eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist; einer Kathoden-Katalysatorschicht (44), die auf der ersten Seite der Protonenaustauschmembran (48) angeordnet ist; einer Anoden-Katalysatorschicht (40), die auf der zweiten Seite der Protonenaustauschmembran (48) angeordnet ist; einem porösen Anodensubstrat (34), das auf einer Seite der Anoden-Katalysatorschicht (40) angeordnet ist, die nicht mit der Protonenaustauschmembran (48) in Berührung ist; einer Anoden-Wassertransportplatte (16), die auf einer Seite des porösen Anodensubstrats (34) angeordnet ist, die nicht mit der Anoden-Katalysatorschicht (40) in Berührung ist, wobei die Anoden-Wassertransportplatte (16) einen zentralen Bereich und einen peripheren Bereich aufweist; einer Kathoden-Wassertransportplatte (12'), die auf einer Seite der Anoden-Wassertransportplatte (16) angeordnet ist, die nicht mit dem Anodensubstrat (34) in Berührung ist, wobei die Kathoden-Wassertransportplatte (12') einen zentralen Bereich und einen peripheren Bereich aufweist; einer Verbindungs- und Abdichtschicht (68) aus thermoplastischem Material, die zwischen der Anoden-Wassertransportplatte (16) und der Kathoden-Wassertransportplatte (12') an den jeweiligen peripheren Bereichen derselben angeordnet ist, wobei die Schicht (68) aus thermoplastischem Material eine Verbindung und Abdichtung zwischen der Anoden-Wassertransportplatte (16) und der Kathoden-Wassertransportplatte (12') schafft; einem porösen Kathodensubstrat (32'), das auf einer Seite der Kathoden-Wassertransportplatte (12') angeordnet ist, die nicht mit der Anoden-Wassertransportplatte (16) in Berührung ist; einer Kathoden-Katalysatorschicht (44), die auf einer Seite des Kathodensubstrats (32) angeordnet ist, die nicht mit der Kathoden-Wassertransportplatte (12) in Berührung ist; und mit einer Verbindungs- und Dichtungsschicht aus Schaumstoffband (60), die zwischen dem Anodensubstrat (34) und der Anoden-Wassertransportplatte (16) an den jeweiligen peripheren Bereichen derselben angeordnet ist, wobei die Schicht aus Schaumstoffband (60) eine Verbindung und Abdichtung zwischen dem Anodensubstrat (34) und der Anoden-Wassertransportplatte (16) schafft, und/oder mit einer Verbindungs- und Dichtungsschicht aus Schaumstoffband (62), die zwischen der Kathoden-Wassertransportplatte (12) und dem Kathodensubstrat (32) an den jeweiligen peripheren Bereichen derselben angeordnet ist, wobei die Schicht aus Schaumstoffband (62) eine Verbindung und Abdichtung zwischen der Kathoden-Wassertransportplatte (12) und dem Kathodensubstrat (32) schafft.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellenanordnung (10) nach Anspruch 1, wobei das poröse Anodensubstrat (34) an seinem peripheren Bereich mit einem thermoplastischen Polymer unter Bildung einer Substratranddichtung (36) imprägniert ist; und wobei das poröse Kathodensubstrat (32) an seinem peripheren Bereich mit einem thermoplastischen Polymer unter Bildung einer Substratranddichtung (52) imprägniert ist.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellenanordnung (10) nach Anspruch 1, weiterhin mit: einer Verbindungs- und Dichtungsschicht (42) aus thermoplastischem Material, die zwischen dem Anodensubstrat (34) und der Protonenaustauschmembran (48) an den jeweiligen peripheren Bereichen derselben angeordnet ist, wobei die Schicht (42) aus thermoplastischem Material eine Verbindung und Abdichtung zwischen dem Anodensubstrat (34) und der Protonenaustauschmembran (48) schafft.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellenanordnung (10) nach Anspruch 1, wobei die Verbindungs- und Dichtungsschicht aus Schaumstoffband (60), die zwischen dem Anodensubstrat (34) und der Anoden-Wassertransportplatte (16) an den jeweiligen peripheren Bereichen derselben angeordnet ist, eine Schicht aus Neoprenband ist.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellenanordnung (10) nach Anspruch 1, wobei die Verbindungs- und Dichtungsschicht aus Schaumstoffband (62), die zwischen der Kathoden-Wassertransportplatte (12) und dem Kathodensubstrat (32) an den jeweiligen peripheren Bereichen derselben angeordnet ist, eine Schicht aus Neoprenband ist.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellenanordnung (10) nach Anspruch 1, wobei die Protonenaustauschmembran (48), die Katalysatorschichten (40, 44), Gasdiffusionsschichten (38, 50) und die porösen Substrate (32, 34) unter Bildung einer Membran-Elektrodenanordnung (20) miteinander verbunden sind.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellenanordnung (10) nach Anspruch 1, weiterhin mit: einer Verbindungs- und Dichtungsschicht (46) aus thermoplastischem Material, die zwischen dem Kathodensubstrat (32) und der Protonenaustauschmembran (48) an den jeweiligen peripheren Bereichen derselben angeordnet ist, wobei die Schicht (46) aus thermoplastischem Material eine Verbindung und Abdichtung zwischen dem Kathodensubstrat (32) und der Protonenaustauschmembran (48) schafft.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellenkomponente mit: einer Anoden-Wassertransportplatte (16), die einen zentralen Anodenbereich und einen peripheren Anodenbereich aufweist; einer Kathoden-Wassertransportplatte (12'), die einen zentralen Kathodenbereich und einen peripheren Kathodenbereich aufweist, wobei die Kathoden-Wassertransportplatte (12') in Berührung mit der Anoden-Wassertransportplatte (16) angeordnet ist und dabei der zentrale Anodenbereich mit dem zentralen Kathodenbereich ausgefluchtet ist und der periphere Anodenbereich mit dem peripheren Kathodenbereich ausgefluchtet ist; einer Schicht (68) aus thermoplastischem Material, die zwischen der Anoden-Wassertransportplatte (16) und der Kathoden-Wassertransportplatte (12') an dem peripheren Anodenbereich und dem peripheren Kathodenbereich vorgesehen ist, wobei die Schicht (68) aus thermoplastischem Material eine Verbindung und Abdichtung zwischen der Anoden-Wassertransportplatte (16) und der Kathoden-Wassertransportplatte (12') schafft; einem Substrat (34, 32'), das eine periphere Randdichtung (36; 52') aus extrudiertem thermoplastischen Material aufweist; und mit einer Schicht aus Schaumstoffband (60; 62'), die zwischen der peripheren Randdichtung (36; 52') des Substrats (34; 32') und der Anoden- und/oder der Kathoden-Wassertransportplatte (16; 12') an dem peripheren Bereich vorgesehen ist, wobei die Schicht aus Schaumstoffband (60; 62') eine Verbindung und Abdichtung zwischen dem Substrat (34; 32') und der Wassertransportplatte (16; 12') schafft.