DE10392954T5

DE10392954T5 - Pem-Brennstoffzellenstapel ohne Gasdiffusionsmedium

Info

Publication number: DE10392954T5
Application number: DE10392954T
Authority: DE
Inventors: Thomas A. Trabold; Michael R. Schoeneweiss
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2002-07-24
Filing date: 2003-07-23
Publication date: 2005-07-21
Also published as: WO2004010516A3; JP2006502533A; US20040018413A1; WO2004010516A2; US6916573B2; US20040018937A1; CN1856893A; AU2003263796A8; AU2003263796A1

Abstract

Membranelektrodenanordnung mit:
einem ionenleitenden Element mit einer ersten Oberfläche; und
einer ersten Elektrode an der ersten Oberfläche,
wobei die Elektrode eine Vielzahl aktiver Bereiche, die elektrochemisch aktives Material aufweisen, und nicht aktive Bereiche umfasst, die über die aktiven Bereiche hinweg verteilt sind.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft PEM-Brennstoffzellen und insbesondere derartige Zellen, bei denen ein elektrochemisch aktives Material in einer Vielzahl von Bereichen angeordnet ist, die entsprechend mit Fluiddurchgängen eines elektrisch leitenden Fluidverteilungselements ausgerichtet sind, um die Beseitigung von Gasdiffusionsmedien von der Brennstoffzelle zu ermöglichen.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Brennstoffzellen sind als eine Energie- bzw. Antriebsquelle für Elektrofahrzeuge und andere Anwendungen vorgeschlagen worden. Eine derartige Brennstoffzelle ist die PEM-Brennstoffzelle (d.h. Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran), die eine so genannte "Membranelektrodenanordnung" (MEA) umfasst, die einen dünnen Festpolymermembranelektrolyten mit einem Paar von Elektroden (d.h. einer Anode und einer Kathode) auf entgegengesetzten Seiten des Membranelektrolyten umfasst. Die MEA ist zwischen ein Paar elektrisch leitender Fluidverteilungselemente (d.h. bipolarer Platten) geschichtet, die als Stromkollektoren für die Elektroden dienen und ein so genanntes "Strömungsfeld" umfassen, das eine Gruppierung aus Stegen und Nuten umfasst, die in der Oberfläche der mit der MEA in Kontakt stehenden Platte ausgebildet ist. Die Stege leiten Strom von den Elektroden, während die Nuten zwischen den Stegen dazu dienen, die gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle gleichmäßig über die Seiten der Elektroden hinweg zu verteilen. Gasdiffusionsmedien, die typischerweise aus porösem Graphit/Kohle-Papier bestehen, sind zwischen jedem der elektrisch leitenden Fluidverteilungselemente und den Elektrodenseiten der MEA positioniert, um die MEA an Stellen zu stützen, an denen sie zu Nuten in dem Strömungsfeld weist und um Strom davon an die benachbarten Stege zu leiten.

Die Gasdiffusionsmedien, die bisher zwischen den Elektroden und ihren zugeordneten Elektrodenplatten angeordnet wurden, besitzen jedoch Nachteile. Die Gasdiffusionsmedien umfassen gewöhnlich eine Matte aus zufällig orientierten Fasern, die typischerweise etwa 10 Milliinch dick und ziemlich teuer sind. Die Gasdiffusionsmedien behindern auch eine Diffusion des H₂ und O₂ an ihre jeweiligen Elektroden, erfordern, dass ein erheblicher Druck auf die Enden der Zellen bzw. des Stapels aufgebracht wird, um eine gut leitende Schnittstelle mit den Elektroden vorzusehen und dadurch die Zellenimpedanz zu verringern, und behindern den Abfluss von Wasser von der MEA.

Von den oben erwähnten Nachteilen ist das Phänomen der Behinderung des Abflusses von Wasser von der MEA, das oftmals als "Fluten" bezeichnet wird, besonders problematisch. Ein Fluten kann einen Brennstoffzellenbetrieb bei niedriger Stromdichte behindern, wenn die Luftströmung durch die Kathodenströmungsfeldplatte nicht ausreichend ist, um den Wasserentfernungsprozess anzutreiben. Überschüssiges flüssiges Wasser kann auch die Poren in den Gasdiffusionsmedien verstopfen und dadurch die katalytischen Zentren bzw. katalytischen Stellen von der Reaktandensauerstoffströmung isolieren. Daher besteht ein Bedarf nach einer verbesserten Brennstoffzellenkonstruktion, um die vorher erwähnten Nachteile zu minimieren.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Angesichts der obigen Mängel sieht die vorliegende Erfindung eine Brennstoffzelle mit einem ionenleitenden Element vor, das eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche umfasst. Eine Anodenelektrode ist an der ersten Oberfläche des ionenleitenden Elements angeordnet, und eine Kathodenelektrode ist an der zweiten Oberfläche des ionenleitenden Elements angeordnet. Ein erstes elektrisch leitendes Fluidverteilungselement weist zu der Anode, und ein zweites elektrisch leitendes Fluidverteilungselement weist zu der Kathode. Das erste und zweite elektrisch leitende Fluidverteilungselement umfassen jeweils eine Vielzahl von abwechselnden Stegen und Fluiddurchgängen. Die Anode und die Kathode bestehen aus einer Vielzahl elektrochemisch aktiver Bereiche, die so angeordnet sind, dass sie im Wesentlichen mit den Fluiddurchgängen ausgerichtet sind.

Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend detaillierter beschrieben. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung wie auch spezifische Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine schematische Explosionsdarstellung eines PEM-Brennstoffzellenstapels (es sind nur zwei Zellen gezeigt) gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine vergrößerte Explosionsdarstellung einer Brennstoffzelle gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
3 eine vergrößerte Schnittansicht einer Zelle gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
4 eine vergrößerte Schnittdarstellung einer Zelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
5 eine vergrößerte Schnittansicht gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
6 eine Photographie ist, die ein Beispiel der Direktschreibtechnik zeigt, die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird; und
7 eine Gesamtansicht eines vereinfachten elektrisch leitenden Fluidverteilungselements ist, das gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
1 zeigt einen bipolaren Brennstoffzellenstapel 2 mit zwei Zellen, der ein Paar Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 4 und 6 besitzt, die voneinander durch ein elektrisch leitendes Fluidverteilungselement 8, das nachfolgend als bipolare Platte bzw. Bipolplatte 8 bezeichnet ist, getrennt sind. Die MEAs 4 und 6 wie auch die bipolare Platte 8 sind zwischen aus rostfreiem Stahl ausgebildeten Klemmplatten oder Endplatten 10 und 12 und Endkontaktelementen 14 und 16 aneinander gestapelt. Die Endkontaktelemente 14 und 16 wie auch beide Arbeitsseiten der bipolaren Platte 8 umfassen eine Vielzahl von Nuten oder Kanälen 18 (in gestrichelten Linien gezeigt) 20, 22 bzw. 24 zur Verteilung von Brennstoff- und Oxidationsmittelgasen (d.h. H₂ und O₂) an die MEAs 4 und 6. Nichtleitende Dichtungen 26, 28, 30 und 32 sehen Abdichtungen bzw. Versiegelungen wie auch eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellenstapels vor. Sauerstoff wird an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels von einem Speichertank 34 über eine geeignete Versorgungsverrohrung 36 geliefert, während Wasserstoff an die Anodenseite der Brennstoffzelle von einem Speichertank 38 über eine geeignete Versorgungsverrohrung 40 geliefert wird. Alternativ dazu kann Umgebungsluft an die Kathodenseite als eine Sauerstoffquelle und Wasserstoff an die Anode von einem Methanol- oder Benzinreformer oder dergleichen geliefert werden. Es ist typischerweise auch eine Austragsverrohrung (nicht gezeigt) für sowohl die H₂- als auch O₂-Seiten der MEAs 4 und 6 vorgesehen. Es ist eine zusätzliche Verrohrung 42, 44 und 46 zur Lieferung von flüssigem Kühlmittel an die bipolare Platte 8 wie auch die Endkontaktelemente 14 und 16 vorgesehen. Ebenfalls vorgesehen, jedoch nicht gezeigt, ist eine geeignete Verrohrung zum Austrag von Kühlmittel von der bipolaren Platte 8 und den Endkontaktelementen 14 und 16.
2 ist eine vergrößerte Explosionsdarstellung verschiedener Komponenten einer Brennstoffzelle gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 2 zu sehen ist, umfasst die Brennstoffzelle eine Membranelektrodenanordnung (MEA) 48, die ein ionenleitendes Element 50 besitzt, das durch eine Anodenelektrode 52 und eine Kathodenelektrode 54 schichtartig angeordnet ist. Die MEA 48 ist ferner durch eine anodische flächige bipolare Platte 56 und eine kathodische flächige bipolare Platte 58 schichtartig angeordnet.
Das ionenleitende Element 50 ist bevorzugt ein Festpolymermembranelektrolyt und bevorzugter eine PEM. Für derartige Membranelektroyten geeignete Polymere sind in der Technik gut bekannt und in den U.S.-Patenten Nr. 5,272,017 und 3,134,697 wie auch an anderen Stellen in der Patent- und Nichtpatentliteratur beschrieben. Es sei jedoch angemerkt, dass die Zusammensetzung des ionenleitenden Elements 50 eines oder mehrere herkömmlich in der Technik verwendete protonenleitende Polymere umfassen kann. Bevorzugt werden perfluorierte Sulfonsäurepolymere verwendet, wie beispielsweise NAFION^®. Ferner kann das Polymer der einzige Bestandteil der Membran sein oder kann in den Poren eines anderen Materials getragen sein.
Gemäß der vorliegenden Erfindung bestehen die Anodenelektrode 52 und die Kathodenelektrode 54 aus einer Vielzahl elektrochemisch aktiver Bereiche 60. Diese elektrochemisch aktiven Bereiche 60 sind beispielsweise als eine Vielzahl von streifenförmigen Bereichen (nicht gezeigt) oder eine Vielzahl von punktförmigen Bereichen (nicht gezeigt) dargestellt. Die elektrochemisch aktiven Bereiche 60 sind voneinander durch eine Vielzahl von benachbart angeordneten elektrisch leitenden Bereichen 62 getrennt.
Die Zusammensetzung der elektrochemisch aktiven Bereiche 60 kann ein beliebiges elektrochemisch aktives Material umfassen, das herkömmlich in der Technik verwendet wird. Diesbezüglich umfassen die elektrochemisch aktiven Bereiche 60 bevorzugt mit Katalysator beschichtete Kohle- oder Graphitpartikel, die in einem Polymerbinder eingebettet sind, der ähnlich der Polymermembran ein protonenleitendes Material ist, wie beispielsweise NAFION^®. Der elektrochemisch aktive Bereich 60 umfasst bevorzugt Platin als Katalysator. Bezüglich der elektrisch leitenden Bereiche 62 ist es bevorzugt, Kohle- oder Graphitpartikel zu verwenden, die in einem Polymerbinder eingebettet sind, wie beispielsweise NAFION^®.
Die anodische flächige bipolare Platte 56 und die kathodische flächige bipolare Platte 58 können eine beliebige bipolare Platte sein, die in der Technik bekannt ist. Bevorzugte Materialien zur Verwendung als bipolare Platten umfassen Stahl, Aluminium, Titan, ein Verbundmaterial oder ein Polymermaterial. Das Verbundmaterial kann ferner Kohlefasern, Graphitfasern, Stahlfasern oder ein beliebiges anderes elektrisch leitendes Material umfassen, das die elektrische Leitfähigkeit verbessert. Ferner liegt es innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung, die bipolaren Platten mit einer Beschichtung zu beschichten, wie beispielsweise einem Edelmetall, Titan, Aluminium oder dergleichen, das ebenfalls eine Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit unterstützt und ferner die Korrosionsbeständigkeit unterstützen kann.
Bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die elektrochemisch aktiven Bereiche 60 der Anode 52 und Kathode 54 in einem Streifenmuster geformt, das bevorzugt den Kanälen oder Durchgängen 64 der bipolaren Platten 56 oder 58 entspricht oder mit diesen ausgerichtet ist, wie in 3 deutlicher zu sehen ist. Bei einer Ausführungsform sind die elektrochemisch aktiven Bereiche 60 bevorzugt mit Breiten ausgebildet, die kleiner als die Breiten der Kanäle 64 der bipolaren Platte 56 und 58 sind, und bevorzugt mit Breiten ausgebildet, die kleiner als die Hälfte der Breiten der Kanäle 64 sind, so dass die Kanäle 64 die elektrochemisch aktiven Bereiche 60 umschließen oder umgeben. Dies erleichtert einen vereinfachten Herstellprozess, da keine genaue Ausrichtung der elektrochemisch aktiven Bereiche 60 mit den Kanälen 64 der bipolaren Platten 56 und 58 mehr erforderlich ist. Ferner verringert die Abscheidung der elektrochemisch aktiven Bereiche 60 in einem Streifenmuster die Gesamtkosten der MEA 48 und der Brennstoffzelle im Vergleich zu einer kontinuierlichen Elektrode dahingehend, dass eine kleinere Menge des teuren Platinkatalysators verwendet wird.
In 3 ist zu sehen, dass die Stege 66 der bipolaren Platten 56 und 58 direkt mit den elektrisch leitenden Bereichen 62 der Anode 52 und Kathode 54 in Kontakt stehen. Wenn ein Brennstoffstrom aus reinem H₂ oder Wasserstoffreformat über die elektrochemisch aktiven Bereiche 60 der Anode 52 verteilt wird, werden Elektronen, die durch die Wasserstoffoxidationsreaktion erzeugt werden, seitlich eine kurze Distanz durch die elektrochemisch aktiven Bereiche 60 an die benachbart angeordneten elektrisch leitenden Bereiche 62 geleitet. Da die Stege 66 der bipolaren Platte 56 direkt mit den elektrisch leitenden Bereichen 62 der Anode 52 in Kontakt stehen, ist die elektrische Leitfähigkeit verbessert und dadurch gesteigert. Protonen (H⁺), die aus der anodischen Reaktion erzeugt werden, gelangen kombiniert mit Wasser von dem feuchten Brennstoffstrom durch die elektrochemisch aktiven Bereiche 60 an die PEM 50 und durch die Kathode 54.
Ein Strom aus O₂ oder Umgebungsluft, der Sauerstoff enthält, wird über die elektrochemisch aktiven Bereiche 60 der Kathode 54 verteilt. Der Sauerstoff wird einer Reduktionsreaktion unterzogen, und die Elektronen, die erzeugt werden, werden ebenfalls seitlich eine kurze Distanz durch die elektrochemisch aktiven Bereiche 60 an die benachbarten elektrisch leitenden Bereiche 62 geleitet. Der reduzierte Sauerstoff reagiert dann mit den Protonen von der Anode 52, und es wird flüssiges Wasser erzeugt.
Es sei zu verstehen, dass, da die elektrochemisch aktiven Bereiche 60 im Wesentlichen den Kanälen 64 entsprechen oder mit diesen ausgerichtet sind und Breiten besitzen, die kleiner als die Breiten der Kanäle 64 sind, bevorzugt kein Wasser, das aus der elektrochemischen Reaktion der Brennstoffzelle erzeugt wird, auf den Stegen 66 gebildet wird und im Wesentlichen auf die Kanäle 64 beschränkt ist. Demgemäß steht das Wasser in den Kanälen 64 in Kontakt mit dem Hochgeschwindigkeitsluftstrom, der das Wasser konvektiv von der Brennstoffzelle entfernt.
Ein einzigartiger Aspekt der vorliegenden Erfindung, der für Fachleute leicht zu erkennen ist, besteht darin, dass die elektrisch leitenden Bereiche 62, die benachbart den elektrochemisch aktiven Bereichen 60 der Anode 52 und Kathode 54 angeordnet sind, auch als ein thermisch leitendes Material wirken. Durch die Wirkungsweise als thermisch leitendes Material zusätzlich zu der des elektrisch leitenden Materials kann Wärme, die während der elektrochemischen Reaktionen der Brennstoffzelle erzeugt wird, effektiver und effizienter von den aktiven Bereichen an die Stege übertragen werden.
Bei einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie in 4 gezeigt ist, sind die elektrochemisch aktiven Bereiche 60 der Anode 52 und Kathode 54 mit Breiten ausgebildet, die größer als die Breiten der Kanäle 64 der bipolaren Platten 56 und 58 sind. Die Anordnung der elektrochemisch aktiven Bereiche 60 mit Breiten, die größer als die Breiten der Kanäle 64 sind, erleichtert auch einen vereinfachten Herstellprozess, da keine genaue Ausrichtung der elektrochemisch aktiven Bereiche 60 mit den Kanälen 64 der bipolaren Platten 56 und 58 erforderlich ist. Ferner erhöht das Anordnen der elektrochemisch aktiven Bereiche 60 mit Breiten, die größer als die Breiten der Kanäle 64 der bipolaren Platten 56 und 58 sind, die Reaktionsfläche, an der die anodischen und kathodischen Reaktionen stattfinden können, was seinerseits ermöglicht, dass eine größere Stromdichte erzeugt werden kann.
Es sei angemerkt, dass obwohl die elektrochemisch aktiven Bereiche 60 für sowohl die Anode 52 als auch Kathode 54 im Wesentlichen mit gleichen Breiten gezeigt sind, die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Um eine zufrieden stellende Stromdichte zu erreichen, ist es jedoch vorzuziehen, dass die Breiten der elektrochemisch aktiven Bereiche 60 für sowohl die Anode 52 als auch Kathode 54 im Wesentlichen gleich sind.
Unter Bezugnahme auf die erste Ausführungsform werden Elektronen, die aus den anodischen und kathodischen Reaktionen erzeugt werden, seitlich eine kurze Distanz durch die elektrochemisch aktiven Bereiche 60 an die elektrisch leitenden Bereiche 62 geleitet, die dann die Elektronen an die bipolaren Platten 56 und 58 leiten. Das seitliche Leiten der Elektronen kann auch bei der zweiten Ausführungsform erfolgen. Jedoch stehen, wie in 4 gezeigt ist, die elektrochemisch aktiven Bereiche 60 der Anode 52 und Kathode 54 direkt in Kontakt mit den bipolaren Platten 56 und 58, was das Leiten von Elektronen direkt von den elektrochemisch aktiven Bereichen 60 an die bipolaren Platten 56 und 58 erleichtert.
Da die elektrochemisch aktiven Bereiche 60 auf Breiten vergrößert sind, die größer als die Breiten der Kanäle 64 sind, um mit den Stegen 66 in Kontakt zu treten und damit die Leitfähigkeit für Elektronen zu verbessern, wird auch die Reaktionsfläche zwischen den elektrochemisch aktiven Bereichen 60 und den Zufuhrströmen der Anode 52 und Kathode 54 erhöht. Damit wird aufgrund der größeren Produktion von Elektronen in den Oxidations- und Reduktionsreaktionen eine höhere Stromdichte erzeugt, wobei jedoch auch mehr Wasser erzeugt wird, das die Brennstoffzelle fluten kann. Daher ist es erwünscht, Porenräume an den elektrisch leitenden Bereichen 62 benachbart der elektrisch aktiven Bereiche 60 auszubilden, um die Entfernung von überschüssigem Wasser zu unterstützen. Somit können einige oder alle Bereiche 62 entfernt werden, was in Poren oder offenen Gebieten 68 resultiert.
Wie in 4 gezeigt ist, sind die elektrisch leitenden Bereiche 62 der Kathode 54 entfernt worden, um offene Gebiete oder Löcher 68 freizulegen. Somit sehen diese Löcher 68 zusätzliche Pfade für Wasser zum Verlassen der Brennstoffzelle vor, insbesondere, wenn die Brennstoffzelle eine vertikale Orientierung besitzt, was bevorzugt, jedoch nicht zwingend ist. Wenn die Brennstoffzelle eine vertikale Orientierung (nicht gezeigt) besitzt, unterstützt die Schwerkraft die Entfernung von Wasser durch die Löcher 68.
Es sei angemerkt, dass in 4 nur die elektrisch leitenden Bereiche 62 der Kathode 54 entfernt worden sind. Dies ist dadurch bedingt, dass Wasser an der kathodischen Oberfläche der MEA während der elektrochemischen Reaktion der Brennstoffzelle gebildet wird und daher einen größeren Bedarf nach Wasserentfernung erfordert. Obwohl es bevorzugt ist, lediglich die elektrisch leitenden Bereiche 62 der Kathode zu entfernen, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt, da es erwünscht sein kann, genauso gut die elektrisch leitenden Bereiche 62 der Anode 52 zu entfernen. Durch Entfernung der elektrisch leitenden Bereiche 62 von der Anode 52 wirkt der befeuchtete Brennstoffstrom als ein Befeuchter, der die PEM 50 richtig hydriert. Eine richtig hydrierte PEM 50 ist für die Übertragung von Protonen an die Kathode 54 sehr wichtig.
Bei einer dritten Ausführungsform der Erfindung, die in 5 gezeigt ist, können, um die elektrochemische Reaktion weiter zu erleichtern und die konvektive Entfernung von Wasser von der Brennstoffzelle zu verbessern, die Kanäle 64 der bipolaren Platten 56 und 58 eine abgewandelte Geometrie umfassen. Wie in 5 gezeigt ist, kann der Querschnitt der Kanäle 64 von einer rechtwinkligen Form 70 (in gestrichelten Linien gezeigt) zu einer dreieckigen Form oder V-Form 72 geändert werden. Genauer sind die Ränder oder Seitenwände 74 der Kanäle 64 zu der MEA 48 nach oben hin konisch oder rampenartig ausgebildet, so dass ein spitzer Winkel zwischen der MEA 48 und den Rändern 74 gebildet wird.
Durch Verwendung der in 5 gezeigten abgewandelten Geometrie wird die Strömungsfläche im Wesentlichen halbiert und die Gasgeschwindigkeit des Zufuhrstroms tatsächlich im Wesentlichen verdoppelt. Eine Erhöhung der Geschwindigkeit des Zufuhrstroms steigert die Menge an Reaktandengasen, die in Kontakt mit den elektrochemisch aktiven Bereichen 60 kommen und steigert unter geeigneten Bedingungen die Rate der elektrochemischen Reaktion und als eine Folge davon die Stromdichte. Ferner erfolgt, da kein Gasdiffusionsmedium verwendet werden muss, keine Gasströmung über die Stege 66 der bipolaren Platten 56 und 58 durch das Gasdiffusionsmedium. Dies steigert die Gasgeschwindigkeit im Gegensatz zu herkömmlichen Stapelkonstruktionen weiter. Es sei jedoch angemerkt, dass, obwohl die Erfindung in einer bevorzugten Ausführungsform ohne die Verwendung eines Zwischenmaterials, wie beispielsweise eines Gasdiffusionsmediums, zwischen der MEA und der bipolaren Platte beschrieben wurde, es möglich ist, ein Zwischenelement, wie beispielsweise einen Sieb, ein Gewebe oder einen Schaum, zum Zwecke der Abstützung, Leitfähigkeitsverbesserung oder Verteilung vorzusehen.
Bezüglich der Form der Kanäle 64 wird, wenn die elektrochemische Reaktionsrate zunimmt, mehr Wasser erzeugt. Somit unterstützt die erhöhte Geschwindigkeit des Zufuhrstroms durch die Kanäle 64 auch das konvektive Entfernen des Wassers von der Brennstoffzelle. Ein anderer Aspekt des abgewandelten dreieckigen Querschnitts 72 besteht darin, dass Ränder 74 der Kanäle 64 gekrümmt oder konturiert sein können, um Zonen 76 mit niedriger Geschwindigkeit zur Ansammlung von flüssigem Wasser entfernt von den elektrochemisch aktiven Bereichen 60 der Oberfläche der MEA 48 vorzusehen.
Es ist aus der Literatur bezüglich zweiphasiger Strömung bekannt, dass eine kontinuierliche Flüssigkeit dazu neigt, sich in Zonen mit geringster Geschwindigkeit anzusammeln, wie beschrieben ist in: "High Pressure Annular Two-Phase Flow in a Narrow Duct: Part I-Local Measurements in the Droplet Field", ASME, 122, Juni 2000, von Trabold et al. Somit werden die Zonen 76 mit niedriger Geschwindigkeit durch Konturieren der Ränder 74 der Kanäle 64 entwickelt. Wie in 5 zu sehen ist, sind die Zonen 76 mit niedriger Geschwindigkeit entfernt von den elektrochemisch aktiven Bereichen 60 der Kathode 54 angeordnet, so dass sich durch die elektrochemische Reaktion erzeugtes Wasser entfernt von den elektrochemisch aktiven Bereichen 60 ansammelt, wodurch ermöglicht wird, dass die Reaktandengase die katalytischen Gebiete der elektrochemisch aktiven Bereiche 60 erreichen können. Ferner besitzt die Beseitigung der scharfkantigen Schnittstelle zwischen der Strömungsfeldplatte und der MEA zusätzliche Haltbarkeitsvorteile, da kein Spannungs konzentrationspunkt, der die MEA beschädigen kann, mehr vorhanden ist.
Es sei zu verstehen, dass die oben beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung durch die Anordnung des elektrochemisch aktiven Materials als eine Vielzahl elektrochemisch aktiver Bereiche, wie beispielsweise streifenförmiger Bereiche oder punktförmiger Bereiche, ermöglicht werden. Um das elektrochemisch aktive Material als eine Vielzahl von Bereichen 60 aufzubringen, wird bevorzugt eine Direktschreib-Technik ("Direct-Writing-Technik") verwendet, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Das Direktschreib-Verfahren ist in dem U.S.-Patent Nr. 4,485,387 von Drumheller beschrieben, und ein Beispiel eines Direktschreibvorgangs ist in 6 gezeigt. Ein Hersteller einer Vorrichtung, die die Direktschreib-Technik ausführen kann, ist MicroPen, Inc., die eine Tochtergesellschaft von Ohmcraft, Inc. in Honeoye Falls, New York ist.
Die Direktschreib-Technik verwendet eine Vorrichtung mit einer dünnen Düsenspitze, um Fluide über einen breiten Bereich von Viskositäten auf eine Vielzahl von Breiten und Dicken aufzubringen. Beispielsweise können Linien mit Breiten im Bereich von etwa 0,001'' bis 0,080'' (1 Milliinch bis 80 Milliinch oder 0,025 mm bis 2,0 mm) und Dicken im Bereich von bis zu 0,010'' (10 Milliinch oder 0,25 mm) mit einer derartigen Technik erreicht werden. Bevorzugt betragen die Breiten der elektrochemisch aktiven Bereiche 60 zumindest die Hälfte der Breite oder bis zu dem etwa 1,25-fachen der Breite der entsprechenden Kanäle 64 der bipolaren Platten 56 und 58. Die Breiten der Kanäle 64 liegen bevorzugt im Bereich von etwa 0,01'' bis 0,120'' (10 Milliinch bis 120 Milliinch oder 0,25 mm bis 3,0 mm) und bevorzugter im Bereich von etwa 0,02'' bis 0,06'' (20 Milliinch bis 60 Milliinch oder 0,50 mm bis 1,5 mm). Somit liegen die Breiten des elektrochemisch aktiven Materials 60 bevorzugt im Bereich von etwa 0,005'' bis 0,150'' (5 Milliinch bis 150 Milliinch oder 0,10 mm bis 4,0 mm) und bevorzugter im Bereich von etwa 0,01'' bis 0,075'' (10 Milliinch bis 75 Milliinch oder 0,25 mm bis 2,0 mm).
Ein bevorzugtes Verfahren zum Aufbringen der elektrochemisch aktiven Bereiche 60 an der PEM besteht darin, die Direktschreib-Technik in einem so genannten Abziehlagenverfahren (Decal-Verfahren) zu verwenden, das in der Technik gut bekannt ist. Bei dem Abziehlagenverfahren wird eine Aufschlämmung aus mit Katalysator beschichtetem Kohlenstoff oder Graphit, Polymerbinder wie auch Gusslösemittel gleichmäßig über einen Teflonabschnitt aufgebracht. Der Teflonabschnitt wird dann in einem Ofen gebacken und anschließend auf eine Membran heißgepresst, wie beispielsweise eine PEM. Der Teflonabschnitt wird dann von der Membran abgezogen, und der mit Katalysator beschichtete Kohlenstoff oder Graphit bleibt als eine kontinuierliche Elektrode an der Membran eingebettet, um eine MEA vollständig auszubilden.
Zum Zwecke des Aufbringens der elektrochemisch aktiven Bereiche der vorliegenden Erfindung wird die Direktschreib-Technik dazu verwendet, eine Aufschlämmung des elektrochemisch aktiven Materials auf die Teflonabschnitte mit den gewünschten Breiten und der gewünschten Dicke in dem gewünschten Muster für die elektrochemisch aktiven Bereiche aufzubringen. Eine beispielhafte Aufschlämmung für die Zwecke der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise etwa 4% Platin, 4% Ionomer, 4% Kohlenstoff, 19% Isopropylalkohol und 69% Wasser umfassen. Nachdem die Aufschlämmung auf die Teflonabschnitte in dem gewünschten Muster aufgebracht worden ist, werden die Abschnitte bei 80°C für 5 Minuten im Ofen getrocknet. Die Teflonabschnitte werden dann auf die gegenüberliegenden Flächen der PEM bei einer Temperatur von 146°C und einem Druck von 400 psi Überdruck heißgepresst. Anschließend werden die Teflonabschnitte entfernt, und das elektrochemisch aktive Material bleibt auf der PEM als die elektrochemisch aktiven Bereiche der Anode und Kathode in dem bevorzugten Muster von streifenförmigen Bereichen oder punktförmigen Bereichen angeordnet, um eine MEA zu formen. Es sei jedoch angemerkt, dass die elektrisch leitenden Bereiche benachbart der elektrochemisch aktiven Bereiche auch auf diese Art und Weise aufgebracht werden können.
Es sei auch angemerkt, dass, obwohl das oben beschriebene Verfahren bevorzugt ist, die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Beispielsweise kann eine Anzahl von Direktschreib-Vorrichtungen gleichzeitig verwendet werden, um sowohl die elektrochemisch aktiven Bereiche als auch die elektrisch leitenden Bereiche im Wesentlichen simultan aufzubringen. Ferner sei zu verstehen, dass abhängig von den variierenden Mengen und Bestandteilen der Aufschlämmung verschiedene Drücke und Temperaturen für die Back- und Heißpressschritte erforderlich sein können. Eine andere mögliche Variation kann darin bestehen, die elektrochemisch aktiven Bereiche und die elektrisch leitenden Bereiche direkt auf die PEM mit der Direktschreib-Technik aufzubringen.
Obwohl es bevorzugt ist, einen einzelnen elektrochemisch aktiven Bereich 60 pro Kanal 64 auszubilden, liegt es immer noch innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung, eine Vielzahl elek trochemisch aktiver Bereiche 60 pro Kanal 64 anzuordnen. Wenn eine Vielzahl elektrochemisch aktiver Bereiche 60 pro Kanal 64 angeordnet wird, sind mehr katalytische Flächen vorhanden, wodurch die Rate der elektrochemischen Reaktion gesteigert wird.
Ein noch weiterer einzigartiger Vorteil der vorliegenden Erfindung, der für Fachleute leicht zu erkennen ist, besteht in der Vereinfachung der Strömungsfelder bipolaren Platten 56 und 58. Wie in 7 zu sehen ist, sind die Stege 66 und Kanäle 64 der bipolaren Platten 56 und 58 in einer Gruppierung aus geraden Kanälen, bevorzugt vertikal, angeordnet, um eine Wasserentfernung von der Brennstoffzelle zu unterstützen. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass die elektrochemisch aktiven Bereiche 60 so angeordnet sind, dass sie im Wesentlichen mit den entsprechenden Kanälen 64 zusammenpassen oder mit diesen ausgerichtet sind, wodurch das Gasdiffusionsmedium vermieden wird. Da das Gasdiffusionsmedium weggelassen worden ist, besteht keine Notwendigkeit mehr, eine Strömung der Zufuhrströme durch eine Vielzahl von Kanälen zu drängen, die in einer serpentinenartigen oder ineinander greifenden Gestaltung mäandrieren. Ferner sollte, da der Druckabfall in einzelnen Kanälen 64 wesentlich größer als in den Sammelleitungen ist, die Strömung der Reaktandengase des Zufuhrstroms gleichmäßig über die Kanäle 64 aufgeteilt werden. Überdies kann die Strömungsgleichförmigkeit optimiert werden, indem die Kanalquerschnitte über die Gruppierung hinweg variiert werden. Somit ist der Querschnitt von denen, die den Sammelleitungsdurchlässen am nächsten sind, etwas kleiner, als von denjenigen, die von den Sammelleitungsdurchlässen am Entferntesten angeordnet sind. Es sei auch angemerkt, dass ein vereinfachtes Strömungsfeld die Herstellung der bipolaren Platten stark vereinfacht und Kosten in Verbindung mit ihrer Herstellung verringert.
Die Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und somit sind Abwandlungen, die nicht von der Grundidee der Erfindung abweichen, als innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung anzusehen. Derartige Abwandlungen sind nicht als Abweichung vom Schutzumfang der Erfindung zu betrachten.
Zusammenfassung
Eine Brennstoffzelle umfasst ein ionenleitendes Element mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche. Eine Anodenelektrode ist an der ersten Oberfläche des ionenleitenden Elements angeordnet, und eine Kathodenelektrode ist an der zweiten Oberfläche des ionenleitenden Elements angeordnet. Ein erstes elektrisch leitendes Fluidverteilungselement ist an der Anode angeordnet, und ein zweites elektrisch leitendes Fluidverteilungselement ist an der Kathode angeordnet. Das erste und zweite elektrisch leitende Fluidverteilungselement umfassen jeweils eine Vielzahl abwechselnder Stege und Fluiddurchgänge. Die Anode und Kathode bestehen aus einer Vielzahl elektrochemisch aktiver Bereiche, die so angeordnet sind, dass sie im Wesentlichen mit den Fluiddurchgängen ausgerichtet sind.

Claims

Membranelektrodenanordnung mit: einem ionenleitenden Element mit einer ersten Oberfläche; und einer ersten Elektrode an der ersten Oberfläche, wobei die Elektrode eine Vielzahl aktiver Bereiche, die elektrochemisch aktives Material aufweisen, und nicht aktive Bereiche umfasst, die über die aktiven Bereiche hinweg verteilt sind.
Membranelektrodenanordnung nach Anspruch 1, wobei das ionenleitende Element eine Protonenaustauschmembran ist.
Membranelektrodenanordnung nach Anspruch 1, ferner mit einer zweiten Elektrode, wobei die zweite Elektrode an einer zweiten Oberfläche des ionenleitenden Elements, die der ersten Oberfläche gegenüberliegt, ausgebildet ist.
Membranelektrodenanordnung nach Anspruch 3, wobei die erste Elektrode eine Anode und die zweite Elektrode eine Kathode ist.
Membranelektrodenanordnung nach Anspruch 1, wobei jeder der aktiven Bereiche in der Form eines Streifens vorgesehen ist.
Membranelektrodenanordnung nach Anspruch 1, wobei jeder der nicht aktiven Bereiche ein elektrisch leitendes Material umfasst.
Membranelektrodenanordnung nach Anspruch 6, wobei das elektrisch leitende Material wärmeleitend ist.
Membranelektrodenanordnung nach Anspruch 1, wobei die aktiven Bereiche und die nicht aktiven Bereiche abwechseln.
Brennstoffzelle mit: einem ionenleitenden Element mit einer ersten Oberfläche; einer ersten Elektrode an der ersten Oberfläche des ionenleitenden Elements, und mit einer Vielzahl aktiver Bereiche, die elektrochemisch aktives Material aufweisen; und einem elektrisch leitenden Fluidverteilungselement, das zu der Elektrode weist und eine Vielzahl von Fluiddurchgängen besitzt, die jeweils mit den aktiven Bereichen ausgerichtet sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 9, wobei die aktiven Bereiche von den Durchgängen umgeben sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 9, wobei eine Vielzahl aktiver Bereiche von einem Durchgang umgeben ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 9, wobei die aktiven Bereiche streifenförmig sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 9, ferner mit nicht aktiven Bereichen, die ein elektrisch leitendes Material benachbart der aktiven Bereiche umfassen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 13, wobei das elektrisch leitende Material wärmeleitend ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 9, wobei das elektrisch leitende Fluidverteilungselement ferner eine Vielzahl von Stegen jeweils benachbart der Durchgänge umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 15, wobei jeder Steg in elektrisch leitendem Kontakt mit einem oder mehreren der aktiven Bereiche steht.
Brennstoffzelle nach Anspruch 9, wobei zumindest einer der aktiven Bereiche eine Breite besitzt, die kleiner als eine Breite des jeweiligen Durchganges ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 9, wobei zumindest einer der aktiven Bereiche eine Breite besitzt, die größer als eine Breite des jeweiligen Durchgangs ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 9, wobei die Elektrode ferner eine Vielzahl offener Gebiete benachbart der aktiven Bereiche umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 9, wobei jeder der Fluiddurchgänge einen Kanal umfasst, der zu der Elektrode weist und Seitenwände umfasst, die einen spitzen Winkel mit der Elektrode bilden.
Brennstoffzelle nach Anspruch 20, wobei der Kanal einen dreieckigen Querschnitt umfasst, wobei ein offenes Ende des Querschnitts zu den aktiven Bereichen weist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 21, wobei die Seitenwände an dem offenen Ende des dreieckigen Querschnitts gekrümmt sind, um eine Wasseransammlungszone zu definieren.
Brennstoffzelle mit: einem ionenleitenden Element mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche; einer Anodenelektrode an der ersten Oberfläche des ionenleitenden Elements, wobei die Anode eine erste Gruppe von voneinander beabstandeten elektrochemisch aktiven Bereichen, die elektrochemisch aktives Material umfassen, und elektrisch leitenden, nicht aktive Bereiche zwischen den aktiven Bereichen umfasst; einer Kathodenelektrode an der zweiten Oberfläche des ionenleitenden Elements, wobei die Kathode eine zweite Gruppe von voneinander beabstandeten elektrochemisch aktiven Bereichen und offene Gebiete zwischen den aktiven Bereichen umfasst; und einem ersten elektrisch leitenden Fluidverteilungselement, das zu der Anode weist, und einem zweiten elektrisch leitenden Fluidverteilungselement, das zu der Kathode weist; wobei das erste und zweite elektrisch leitende Fluidverteilungselement eine Vielzahl von Fluiddurchgängen umfassen, die mit den jeweiligen aktiven Bereichen ausgerichtet sind.
Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle mit einer Membranelektrodenanordnung, die eine Membran umfasst, die zwischen eine erste und zweite Elektrode geschichtet ist, wobei elektrochemische Reaktionen stattfinden, wobei das Verfahren umfasst, dass ein erster Reaktand an die erste Elektrode in einem verteilten Muster geliefert wird, das einer Vielzahl verteilter elektrochemisch aktiver Bereiche der ersten Elektrode entspricht, und der erste Reaktand an jedem der aktiven Bereiche einer Reaktion unterzogen wird.
Verfahren zum Formen einer Anordnung mit einer Membran und einer Elektrode, wobei das Verfahren umfasst, dass ein elektrochemisch aktives Material auf zumindest zwei voneinander beabstandete Bereiche auf der Membran aufgebracht wird, um die Elektrode zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 25, ferner umfassend, dass elektrisch leitendes Material auf die Membran zwischen den beabstandeten Bereichen aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei das elektrochemisch aktive Material als längliche Streifen aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei das elektrochemisch aktive Material durch eine Öffnung eines Schreib-Instruments aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei das Aufbringen durch Abscheiden des elektrochemisch aktiven Materials auf einer Abziehlage und anschließend eine Übertragung desselben von der Abziehlage auf die Membran durchgeführt wird.