DE112005000978T5 - Hybridbipolarplattenanordnung und Vorrichtungen, die diese enthalten - Google Patents

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Abstract

Hybridbipolarplattenanordnung mit:
einer Metallanodenplatte;
einer Kompositkathodenplatte, wobei der Komposit ein Polymermaterial umfasst; und
einer ersten Schicht, die zumindest eines aus Gold, Silber und Legierungen von jedem umfasst und die zwischen der Metallanodenplatte und der Kompositkathodenplatte positioniert ist.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Brennstoffzellensysteme mit Bipolarplatten sind bekannt.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Brennstoffzellen, wie beispielsweise Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran (PEM) erzeugen elektrische Energie durch Wasserstoffoxidation und Sauerstoffreduktion. Das Nebenprodukt dieser katalytischen Reaktionen ist Wasser. Eine typische Zelle umfasst eine Polymermembran (beispielsweise eine Protonenaustauschmembran), die zwischen einem Paar von Gasdiffusionsmedien und Katalysatorschichten positioniert ist. Eine Kathodenplatte und eine Anodenplatte sind an den äußersten Seiten benachbart der Gasdiffusionsmediumschichten positioniert, und die vorhergehenden Komponenten werden eng komprimiert, um die Zelleneinheit zu bilden.
  • Die durch eine einzelne Zelleneinheit vorgesehene Spannung ist typischerweise zu klein zur Nutzanwendung. Demgemäß wird typischerweise eine Vielzahl von Zellen aufeinanderfolgend in einem "Stapel" angeordnet und verschaltet, um die elektrische Abgabe der Anordnung zur elektrochemischen Umwandlung oder der Brennstoffzelle zu erhöhen. Bei dieser Anordnung können zwei benachbarte Zelleneinheiten eine gemeinsame polare Platte teilen, die als die Anode und die Kathode für die beiden be nachbarten Zelleneinheiten dient, die diese in Reihe verschaltet. Eine derartige polare Platte wird allgemein als "Bipolarplatte" bezeichnet.
  • Bipolarplatten für Brennstoffzellen müssen elektrochemisch stabil, elektrisch leitend und kostengünstig sein, um derzeitige Herstellspezifikationen zu erfüllen. Sowohl metallische als auch polymere (Komposit-)Bipolarplatten erfüllen diese Kriterien. Jedoch sind Kompositplatten permeabel für Wasserstoff, was zu erheblichen Verlusten an Leistungsfähigkeit und Wirkungsgrad führen kann. Eine derartige Wasserstoffpermeation durch Kompositplatten kann in der Anwesenheit von Wasserstoff in den Kühlmittelkreisläufen resultieren, was deren Entlüftung erfordert. Dies ist nicht praktisch, da die Entlüftung der Kühlmittelkreisläufe zu der Verdunstung des Kühlmittels führen würde.
  • Im Gegensatz zu Kompositbipolarplatten sind Metallplatten im Wesentlichen impermeabel gegenüber molekularem Wasserstoff. Jedoch sind Metallplatten im Gegensatz dazu relativ teurer als Kompositplatten und stehen typischerweise mit Zellen mit schwacher Leistungsfähigkeit in Verbindung. Mit "Zellen mit schwacher Leistungsfähigkeit" ist eine Zelle in einem Brennstoffzellenstapel gemeint, die einen höheren Widerstand als die restlichen Zellen aufweist, wie beispielsweise zwischen etwa 200 und 250 mOhm-cm2. Obwohl es nicht beabsichtigt ist, auf eine bestimmte Theorie eingeschränkt zu werden, sei angemerkt, dass die schlechte Leistungsfähigkeit von Metallbipolarplatten mit einem Wassermanagement und insbesondere einem Wassermanagement an der Kathodenseite der Brennstoffzelle, wo Wasser erzeugt wird, in Verbindung steht. Demgemäß besteht ein anerkannter Bedarf nach Verbesserungen bei der Bipolarplattenkonstruktion für Brennstoffzellenstapel.
  • Die vorliegende Erfindung erfüllt diesen Bedarf durch Bereitstellung einer Hybridbipolarplattenanordnung zur Verwendung in einer Brennstoffzelle, wobei die Anordnung die nützlichen Eigenschaften von sowohl Metall- als auch Kompositmaterialien kombiniert. Obwohl die vorliegende Erfindung nicht auf spezifische Vorteile oder eine spezifische Funktionalität beschränkt ist, sei angemerkt, dass die Hybridbipolarplattenanordnung eine Permeation von Wasserstoff von Platte zu Platte verhindert und eine Wasserstoffpermeation durch die Platte an das Kühlmittel beseitigt. Die Hybridbipolarplattenanordnung steigert die Leistungsfähigkeit, den Wirkungsgrad wie auch die Haltbarkeit des Brennstoffzellenstapels. Überdies beseitigt die vorliegende Erfindung Wasserstofflecks an die Umgebung und erlaubt eine Kostenverringerung durch Verwendung von weniger rostfreiem Stahl, als eine typische Metallbipolarplatte.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Hybridbipolarplattenanordnung vorgesehen, die eine Metallanodenplatte, eine Polymerkompositkathodenplatte und eine erste Schicht umfasst, die zumindest eines aus Gold, Silber und Legierungen von jedem umfasst und zwischen der Metallanodenplatte und der Kompositkathodenplatte positioniert ist.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung vorgesehen, die eine Polymermembran, eine erste und zweite Katalysatorschicht, eine erste und zweite Gasdiffusionsmediumschicht und zumindest eine Hybridbipolarplattenanordnung umfasst. Die Polymermembran definiert gegenüberliegende Kathoden- und Anodenseitenflächen auf entgegengesetzten Seiten der Membran. Die erste und zweite Katalysatorschicht definieren gegenüberliegende Innen- und Außenseitenflächen auf entgegengesetzten Seiten des Katalysators. Die Innenseitenfläche der ersten Katalysatorschicht steht mit der Kathodenseitenflä che der Polymermembran in Eingriff, und die Innenseitenfläche der zweiten Katalysatorschicht steht mit der Anodenseitenfläche der Polymermembran in Eingriff. Die erste und zweite Gasdiffusionsmediumschicht definieren gegenüberliegende Innen- und Außenseitenflächen auf entgegengesetzten Seiten des Gasdiffusionsmediums. Die Innenseitenfläche der ersten Gasdiffusionsmediumschicht steht mit der Außenseitenfläche der ersten Katalysatorschicht in Eingriff, und die Innenseitenfläche der zweiten Gasdiffusionsmediumschicht steht mit der Außenseitenfläche der zweiten Katalysatorschicht in Eingriff. Die Hybridbipolarplattenanordnung steht mit zumindest einer der ersten und zweiten Gasdiffusionsmediumschicht in Eingriff. Auch umfasst die Hybridbipolarplattenanordnung eine Metallanodenplatte, eine Kompositkathodenplatte und eine Schicht, die zumindest eines aus Gold, Silber und Legierungen von jedem umfasst. Die Metallanodenplatte definiert gegenüberliegende erste und zweite Hauptseitenflächen an gegenüberliegenden Seiten der Metallanodenplatte, und die Kompositkathodenplatte umfasst ein Polymermaterial. Die Schicht, die zumindest eines aus Gold, Silber und Legierungen von jedem umfassen kann, steht mit zumindest einer der ersten und zweiten Hauptseitenflächen der Metallanodenplatte in Eingriff. Die Vorrichtung kann eine Brennstoffzelle umfassen, und die Vorrichtung kann ferner einen Aufbau umfassen, der ein von der Brennstoffzelle betriebenes Fahrzeug definiert.
  • Gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Hybridbipolarplattenanordnung vorgesehen, die eine Metallanodenplatte, eine Kompositkathodenplatte, eine Schicht, die zumindest eines aus Gold, Silber und Legierungen von jedem umfasst und zwischen der Metallanodenplatte und der Kompositkathodenplatte positioniert ist, und einen Klebstoff umfasst. Die Metallanodenplatte umfasst eine korrosionsbeständige Eisen-Chrom-Legierung, und die Kompositkathodenplatte umfasst ein Polymermaterial und zwischen etwa 10 und etwa 90 Gew.-% Graphitpulver. Das Polymermaterial kann aus wärmeaushärtbarem Harz, thermoplastischem Harz oder Kombinationen derselben gewählt sein. Das wärmeaushärtbare Harz kann zumindest eines aus den folgenden umfassen: Epoxidharze, Malamine, Phenolharze, Harnstoffe, Vinylester, Flüssigkristallpolymere und deren Kombinationen. Auch kann das thermoplastische Harz zumindest eines aus den folgenden umfassen: Styrene, Acryle, Celluloseerzeugnisse, Polyethylene, Polypropylene, Flüssigkristallpolymere, Vinyle, Nylons, Fluorkohlenstoffe, Polyphenylensulfide und deren Kombinationen. Zusätzlich ist die Bahndicke der Metallanodenplatte kleiner als die Bahndicke der Kompositkathodenplatte. Der Klebstoff ist derart ausgebildet, um die Metallanodenplatte und die Kompositkathodenplatte um den Außenumfang der Hybridbipolarplattenanordnung abzudichten, so dass verhindert wird, dass Kühlmittel zwischen der Metallanodenplatte und der Kompositkathodenplatte austreten kann. Optional dazu kann die Hybridbipolarplattenanordnung eine Dichtung umfassen, die derart ausgebildet ist, um zu verhindern, dass Kühlmittel zwischen der Metallanodenplatte und der Kompositkathodenplatte austreten kann.
  • Gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Hybridbipolarplattenanordnung vorgesehen, die eine Anodenplatte umfasst, die eine erste Schicht und eine zweite Schicht umfasst, wobei die erste Schicht ein erstes Metall umfasst, die zweite Schicht ein zweites Metall umfasst, und wobei die zweite Schicht in der Anwesenheit von Kühlmittel chemisch stabil ist. Die Anordnung kann ferner eine Kompositkathodenplatte umfassen, und die Anodenplatte kann im Wesentlichen frei von jeglichem Oxid an der ersten Schicht sein. Die Anodenplatte kann eine Kühlmittelseitenfläche umfassen, und das erste Metall kann Eisen und Cr umfassen, wobei jegliche Oxide von Cr von der Kühlmittelseitenfläche im Wesentlichen entfernt worden sind. Das zweite Metall kann zumindest eines aus Gold, Silber und Legierungen von jedem umfassen.
  • Diese und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung zusammen mit den begleitenden Ansprüchen besser verständlich. Es sei angemerkt, dass der Schutzumfang der Ansprüche durch die Rezitierungen darin und nicht durch die spezifische Diskussion von Merkmalen und Vorteilen, die in der vorliegenden Beschreibung dargelegt sind, definiert ist.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die folgende detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird am besten in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen verständlich, in denen gleiche Strukturen mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, und in welchen:
  • 1 eine isometrische Explosionsdarstellung einer Hybridbipolarplattenanordnung, wobei sich die Anodenseite oben befindet, gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung ist;
  • 2 eine teilweise Schnittansicht einer Hybridbipolarplattenanordnung, die in einem Stapel angeordnet ist, gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung ist;
  • 3 eine vergrößerte Schnittansicht der in 2 gezeigten Hybridbipolarplattenanordnung ist; und
  • 4 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs, das eine Anordnung zur elektrochemischen Umwandlung enthält, gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung ist.
  • Für Fachleute ist offensichtlich, dass Elemente in den Figuren der Vereinfachung und Klarheit halber dargestellt und nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet worden sind. Beispielsweise können die Abmessungen von einigen der Elemente in den Figuren relativ zu anderen Elementen übertrieben dargestellt sein, um zu helfen, ein Verständnis von einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu verbessern.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINIGER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Hybridbipolarplattenanordnung 1 vorgesehen, wobei die Anordnung 1 in einer Anordnung zur elektrochemischen Umwandlung (beispielsweise Brennstoffzelle) verwendet werden kann. Die Anordnung 1 umfasst eine Metallanodenplatte 2, eine Kompositkathodenplatte 4 und eine erste Schicht 3, die zwischen der Metallanodenplatte 2 und der Kompositkathodenplatte 4 positioniert ist, wobei die Hybridbipolarplattenanordnung 1 in den 1, 2 und 3 gezeigt ist. Die erste Schicht 3 kann zumindest eines aus Gold, Silber und Legierungen von jedem umfassen. Durch Verwendung der nützlichen Eigenschaften von sowohl Metallen als auch Kompositen berücksichtigt die Hybridbipolarplattenanordnung 1 viele der Nachteile, die typischerweise bei herkömmlichen Bipolarplatten auftreten, die vollständig aus entweder Metall- oder Kompositmaterialien bestehen. Insbesondere nutzt die Hybridbipolarplattenanordnung 1 der vorliegenden Erfindung den Vorteil der größeren mechanischen Festigkeit und geringeren Dicke, die durch Metallplatten vorgesehen werden, und des verbesserten Wassermanagements, das durch Kompositplatten vorgesehen wird, im Vergleich zu Metallplatten. Überdies sind im Gegensatz zu Kompositbipolarplatten Metallplatten im Wesentlichen impermeabel gegenüber moleku larem Wasserstoff und erlauben daher nicht, dass Wasserstoff in die Kühlmittelkreisläufe eintreten kann, was zu erheblichen Verlusten an Brennstoffzellenleistungsfähigkeit und -wirkungsgrad führen kann.
  • Die Metallanodenplatte 2 kann ein korrosionsbeständiges Eisen-Chrom-Legierungsmaterial (beispielsweise rostfreien Stahl) umfassen, und die Kompositkathodenplatte 4 kann ein Polymermaterial umfassen, wie ein wärmeaushärtbares Harz, ein thermoplastisches Harz oder Kombinationen derselben. Das wärmeaushärtbare Harz kann aus den folgenden gewählt sein: Epoxidharze, Malamine, Phenolharze, Harnstoffe, Vinylester, Polyester und deren Kombinationen, und das thermoplastische Harz kann aus den folgenden gewählt sein: Styrene, Acryle, Celluloseerzeugnisse, Polyethylene, Polypropylene, Flüssigkristallpolymere (Polyester), Vinyle, Nylons, Fluorkohlenstoffe, Polyphenylensulfide und deren Kombinationen. Typischerweise umfasst die Kompositkathodenplatte 4 zwischen etwa 10 und etwa 90 Gew.-% Graphitpulver, wobei das Graphitpulver aus synthetischem Graphit, natürlichem Graphit oder deren Kombinationen gewählt sein kann. Das Graphit steigert die elektrische Leitfähigkeit der Kompositkathodenplatte 4.
  • 1 ist eine Explosionsdarstellung der Hybridbipolarplattenanordnung 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Anordnung 1 sieht ein Reaktandengasströmungsfeld vor, das durch eine Vielzahl serpentinenartiger Gasströmungskanäle 20 gekennzeichnet ist, durch die die Reaktandengase (d.h. H2 und O2) der Anordnung zur elektrochemischen Umwandlung in einem gewundenen Pfad von nahe einem Rand 22 der Bipolarplattenanordnung 1 zu nahe ihrem entgegengesetzten Rand 24 strömen. Das Reaktandengas wird an Kanäle 20 von einer Sammelleitung oder Versorgungsverteilernut 21 geliefert, die benachbart des Randes 22 der Plattenanordnung 1 an einem Ende des Strömungsfeldes liegt, und verlässt die Kanäle 20 über eine Austragsverteilernut 23, die benachbart des entgegengesetzten Randes 24 der Anordnung 1 an dem anderen Ende des Strömungsfeldes liegt. Alternativ dazu können die Versorgungs- und Austragsverteiler 21, 23 benachbart desselben Randes (d.h. 22 oder 24) der Plattenanordnung 1 liegen.
  • 2 ist eine Schnittansicht eines Paares von Hybridbipolarplattenanordnungen 1, die in einem Stapel angeordnet sind, gemäß der vorliegenden Erfindung. Typischerweise ist, wie in 2 gezeigt ist, eine MEA 5, die zwischen einem Paar von Diffusionsmediumschichten 7 positioniert ist, zwischen dem Paar von Hybridbipolarplattenanordnungen 1 orientiert, wobei die Platten komprimiert sind, um eine vollständige Zelle zu bilden. Es sei angemerkt, dass die MEA 5 und die Diffusionsmediumschichten 7 eine Vielzahl herkömmlicher oder noch zu entwickelnder Formen ohne Abweichung vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung annehmen können. Obwohl die bestimmte Form der MEA 5 jenseits des Schutzumfanges der vorliegenden Erfindung liegt, kann die MEA 5 jeweilige katalytische Elektrodenschichten und eine Ionentauschermembran enthalten. Sowohl die Metallanodenplatte 2 als auch die Kompositkathodenplatte 4 umfassen eine Vielzahl von Kanälen, die gemeinsam Durchgänge oder "Kühlmittelhohlräume" 6 bilden, durch die flüssiges Kühlmittel während des Betriebs der Anordnung zur elektrochemischen Umwandlung strömt. Auch umfassen die Metallanoden- und Kompositkathodenplatten 2, 4 jeweils einen oder mehrere Anoden- bzw. Kathodenkanäle 8, 10. Der Anodenkanal 8 ist für den Durchgang H2-Gas ausgestaltet, und der Kathodenkanal 10 ist für den Durchgang von O2-Gas oder Luft ausgestaltet.
  • Obwohl es nicht beabsichtigt ist, die vorliegende Erfindung auf ein bestimmtes Herstellverfahren zu beschränken, wird der Anodenkanal 8 typischerweise in die Metallanodenplatte 2 geprägt bzw. gestanzt, und der Ka thodenkanal 10 wird typischerweise in die Kompositkathodenplatte 4 geformt. Die Tiefe dieser Kanäle 8, 10 ist im Wesentlichen ähnlich. Jedoch definieren die Metallanodenplatte 2 und die Kompositkathodenplatte 4 jeweils eine Bahndicke, die sich aufgrund der mechanischen Eigenschaften der Metallanoden- und Kompositkathodenplatten 2, 4 unterscheiden kann. Mit "Bahndicke" ist die Plattendicke zwischen dem Boden des Gaskanals (Anode 8 oder Kathode 10) und dem Oberteil des Kühlmittelkanals gemeint, der den Kühlmittelhohlraum 6 bildet (siehe 2). Das Kompositmaterial, das die Kathodenplatte 4 ausmacht, ist typischerweise vergleichsweise schwächer als das Metallmaterial der Anodenplatte 2. Dies ist zumindest teilweise auf die hohe Beladung mit Graphit zurückzuführen, der in das Kompositmaterial integriert ist, um die elektrische Leitfähigkeit der Kathodenplatte 4 zu steigern. Somit kann die Metallanodenplatte 2 eine dünnere Bahndicke als die Kompositkathodenplatte 4 besitzen. Wie insbesondere in 3 gezeigt ist, ist die Bahndicke a der Metallanodenplatte 2 kleiner als die Bahndicke b der Kompositkathodenplatte 4. Typischerweise liegt die Bahndicke a der Metallanodenplatte 2 zwischen etwa 0,1 und etwa 0,15 mm, und die Bahndicke b der Kompositkathodenplatte 4 liegt zwischen etwa 0,3 und etwa 0,8 mm.
  • Wie hier anzumerken ist, ist die Metallanodenplatte 2 so ausgebildet, dass sie gegenüber molekularem Wasserstoff im Wesentlichen impermeabel ist. Somit wird die Quelle für wasserstoffhaltigen Brennstoff in dem Anodenkanal 8 gehalten und dringt nicht in den Kühlmittelhohlraum 6 oder entweicht nicht an die Atmosphäre. Dies verbessert die Leistungsfähigkeit und den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle, da kein Wasserstoff von dem Kühlmittelhohlraum 6 entlüftet werden muss, was zu einer Verdunstung von Kühlmittel und zu einem ineffizienten Gebrauch von Wasserstoff-Brennstoff für die Erzeugung elektrischer Energie beitragen würde. Zusätzlich sieht die Verwendung von Kompositmaterial bei der Herstellung der Kathodenplatte 4 eine Hybridbipolarplattenanordnung 1 mit erheblich geringeren Materialkosten, als herkömmliche vollständig metallische Bipolarplattenanordnungen vor, die dennoch ihren Vorteil aus den Eigenschaften von Metallmaterial zieht.
  • Wie hier anzumerken ist, wird Wasser als ein Nebenprodukt der katalytischen Reaktion erzeugt, die in der Brennstoffzellenanordnung stattfindet, wobei das Wasser die Brennstoffzelle durch die Gasverteilungskanäle verlässt. Dies erzeugt ein Massentransportproblem für die reaktiven Gase (d.h. H2 und O2), die die Katalysatorschicht zur Reaktion physikalisch nicht erreichen können, da das flüssige Wasser die Gaskanäle "verstopft". Infolgedessen weisen diese Zellen, die durch Wasser in den Gasverteilungskanälen blockiert sind, eine wesentlich geringere Spannung als der Rest der Zellen in einem Brennstoffzellenstapel auf. Die Leistungsfähigkeit dieser blockierten Zellen kann mit der Zeit abnehmen, bis die gesamte Anordnung zur elektrochemischen Umwandlung ausfällt. Da die einzelnen Zellen durch Bipolarplatten in Reihe geschaltet sind, wird, wenn eine Zelle aufgrund von Wasser in den Gasverteilungskanälen ausfällt, der gesamte Brennstoffzellenstapel schließlich seinen Betrieb einstellen. Die Häufigkeit dieses Problems ist bei metallischen Bipolarplatten wesentlich höher im Vergleich zu Kompositen, und zwar aufgrund der Konstruktions- und Beschichtungsmaterialbeschränkungen in Verbindung mit korrosionsbeständigen Metalllegierungen (beispielsweise Materialien aus rostfreiem Stahl). Das Wassermanagement wird als eines der schwierigsten Probleme, die in Brennstoffzellen zu lösen sind, betrachtet.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Hybridbipolarplattenanordnung 1 ein effektives Wassermanagement an der Kathodenseite der Anordnung für elektrochemische Umwandlung, an der Wasser erzeugt wird. Dies wird dadurch erreicht, dass eine Kompositkathodenplatte 4 verwendet wird, wobei das Kompositmaterial eine größere Konstruktionsfreiheit vorsieht, um die Geometrie der Gasdiffusionskanäle und die Harzmaterialeigenschaften (hydrophil und hydrophob) zuzuschneiden und damit effektiv und effizient das Wasser aus den Gasdiffusionskanälen zu spülen, im Gegensatz zu beschichteten Platten aus rostfreiem Stahl, deren Materialeigenschaften keine derartige Flexibilität bieten. Demgemäß können die Eigenschaften der Kompositplatte 4 leicht durch Substitution verschiedener Binder geändert werden, die bei der Herstellung des Komposits verwendet werden. Im Gegensatz dazu ist die Geometrie geprägter Metallbipolarplatten begrenzt, da diese Materialien bei großen Dehnungen während des Prägens abhängig von der Kanalgeometrie reißen können.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Hybridbipolarplattenanordnung 1 ferner eine Metall- oder Metalllegierungsschicht 3 umfassen, die auf eine oder beide Seiten der Metallanodenplatte 2 aufgebracht ist. Die Metall- oder Metalllegierungsschicht 3 sollte in der Anwesenheit eines Kühlmittels, wenn sie in Kontakt damit positioniert ist, chemisch stabil sein. Geeignete Materialien für das Metall oder die Metalllegierung umfassen Gold, Goldlegierungen, Silber und Silberlegierungen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Bei der in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsform wird die Metall- oder Metalllegierungsschicht 3 auf beide Seiten der Metallanodenplatte 2 aufgebracht. Die Metall- oder Metalllegierungsschicht 3 ist typischerweise reines Gold, das auf die Metallanodenplatte 2 unter Verwendung eines Prozesses zur Physical Vapor Deposition aufgetragen kann, wie beispielsweise einem Elektronenstrahlabscheiden oder -sputtern oder einem Galvanisier- bzw. Elektroplattierprozess. Die Metall- oder Metalllegierungsschicht 3 ist typischerweise zwischen etwa 2 und etwa 50 nm dick.
  • Korrosionsbeständige Eisen-Chrom-Legierungen, wie rostfreier Stahl, können in einem unbeschichteten Zustand in einer Anordnung zur elektrochemischen Umwandlung aufgrund des passiven Oxidfilmes auf ihrer Oberfläche nicht verwendet werden, der einen hohen Kontaktwiderstand mit dem Gasdiffusionsmedium erzeugt. Die passive Schicht, die typischerweise hauptsächlich Cr2O3 ist, schützt die Metalllegierung vor der korrosiven Umgebung in der Zelle, weist jedoch einen elektrischen Widerstand auf. Daher wird gemäß der vorliegenden Erfindung die passive Schicht über eine kathodische Reinigung oder Ätzreinigung mit Fluorwasserstoffsäure reduziert oder entfernt, und die Oberfläche der Metalllegierungsplatte 2 wird typischerweise mit Gold beschichtet, um den Kontaktwiderstand an der Oberfläche zu minimieren.
  • Ferner wird gemäß der vorliegenden Erfindung typischerweise Gold an der Rück- oder Kühlmittelseite der Metallanodenplatte 2 verwendet, um den Kontaktwiderstand zwischen dieser und der Kompositkathodenplatte 4 zu minimieren. Dies minimiert Spannungsverluste zwischen den Zellen, die in einem Stapel in Reihe angeordnet sind. Ein geringerer Verbindungslinienwiderstand ist erwünscht, um Spannungsverluste durch die Verbindungslinien zu vermeiden. Der Verbindungslinienwiderstand zwischen der goldbeschichteten Metallanodenplatte 2 und der Kompositkathodenplatte 4 liegt typischerweise zwischen etwa 1,8 und etwa 2 mOhm-cm2. Demgemäß erlaubt die vorliegende Erfindung die Beseitigung herkömmlicher Verbindungsprozesse, die für sowohl Metall- als auch Kompositplatten typischerweise kostenaufwendig sind.
  • Um den Umfang der Metallanodenplatte 2 und Kompositkathodenplatte 4 herum kann ein Klebstoff verwendet werden, um den Stapel abzudichten und zu verhindern, dass Kühlmittel von der Hybridbipolarplattenanordnung 1 austreten kann. Der Klebstoff kann entweder leitend oder nichtlei tend sein und kann aus einem wärmeaushärtbarem Harz, einem thermoplastischen Harz oder deren Kombinationen gewählt sein, wie beispielsweise Epoxidharze, Phenolharze, Acryle, Urethane, Polyester, etc. Der Klebstoff kann unter Verwendung eines der folgenden Prozesse aufgetragen werden: Verteilen, Sieb- und Schablonendrucken, Sprüh- und Walzbeschichten, etc. Alternativ dazu kann ein Dichtungselement, das derart ausgebildet ist, um zu verhindern, dass Kühlmittel von der Hybridbipolarplattenanordnung 1 austreten kann, mit oder ohne das Klebstoffdichtmittel verwendet werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung hält der direkte Kontakt zwischen der Kompositkathodenplatte 4 und der typischerweise goldbeschichteten Metallanodenplatte 2 mit oder ohne die Verwendung des leitenden oder nichtleitenden Klebstoffes um den Außenumfang der Platten 2, 4 die Integrität des Brennstoffzellenstapels bei und ist kosteneffektiv.
  • Unter Bezugnahme auf 4 kann ein Brennstoffzellensystem, das zumindest eine Hybridbipolarplattenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält, so ausgestaltet sein, dass es als eine Energiequelle für ein Fahrzeug 100 dient. Genauer kann Brennstoff von einer Brennstoffspeichereinheit 120 an eine Brennstoffzellenanordnung 110 geführt werden, die derart ausgebildet ist, um Brennstoff, beispielsweise H2 in Elektrizität umzuwandeln. Die erzeugte Elektrizität wird als eine Antriebsenergieversorgung für das Fahrzeug 100 verwendet, in welchem die Elektrizität in Drehmoment und Fahrzeugtranslationsbewegung umgewandelt wird. Obwohl das in 4 gezeigte Fahrzeug 100 ein Personenkraftwagen ist, sei angemerkt, dass das Fahrzeug 100 ein beliebiges nun bekanntes oder später entwickeltes Fahrzeug sein kann, das in der Lage ist, durch ein Brennstoffzellensystem betrieben oder vorgetrieben zu werden, wie beispielsweise Kraftfahrzeuge (d.h. Autos, Leicht-Lastkraftwägen oder Schwer-Lastkraftwägen oder Sattelkraftfahrzeuge), landwirtschaftliche Fahrzeuge, Luftfahrzeuge, Wasserkraftfahrzeuge, Schienenfahrzeuge und -maschinen, etc.
  • Es sei angemerkt, dass Begriffe wie "bevorzugt", "üblicherweise" und "typischerweise" hier nicht verwendet sind, um den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung zu beschränken oder zu implizieren, dass bestimmte Merkmale kritisch, wesentlich oder sogar wichtig für den Aufbau oder die Funktion der beanspruchten Erfindung sind. Vielmehr sind diese Begriffe lediglich dazu bestimmt, Alternativen oder zusätzliche Merkmale hervorzuheben, die in einer bestimmten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, jedoch nicht müssen.
  • Für die Zwecke der Beschreibung und Definition der vorliegenden Erfindung sei angemerkt, dass der Begriff "Vorrichtung" hier dazu verwendet ist, eine Kombination von Komponenten und einzelne Komponenten ungeachtet davon zu repräsentieren, ob die Komponenten mit anderen Komponenten kombiniert sind. Beispielsweise kann eine "Vorrichtung" gemäß der vorliegenden Erfindung eine Hybridbipolarplattenanordnung, eine Brennstoffzelle, die eine Hybridbipolarplattenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst, ein Fahrzeug, das eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst, etc. umfassen.
  • Für die Zwecke der Beschreibung und Definition der vorliegenden Erfindung sei angemerkt, dass der Begriff "im Wesentlichen" hier dazu verwendet ist, den inhärenten Grad an Unsicherheit zu repräsentieren, der einem quantitativen Vergleich, einem quantitativen Wert, einer quantitativen Messung oder einer anderen quantitativen Darstellung zuzuschreiben ist. Der Begriff "im Wesentlichen" wird hier auch dazu verwendet, den Grad zu repräsentieren, um den eine quantitative Darstellung von einer festgeleg ten Referenz abweichen kann, ohne in einer Änderung der Grundfunktion des betreffenden Gegenstandes zu resultieren.
  • Aus der detaillierten Beschreibung der Erfindung und der Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen derselben wird offensichtlich, dass Abwandlungen und Variationen ohne Abweichung vom Schutzumfang der Erfindung, der in den angefügten Ansprüchen definiert ist, möglich sind. Genauer ist, obwohl einige Aspekte der vorliegenden Erfindung hier als bevorzugt oder besonders vorteilhaft bezeichnet sind, anzumerken, dass die vorliegende Erfindung nicht unbedingt auf diese bevorzugten Aspekte der Erfindung beschränkt ist.
  • Zusammenfassung
  • Eine Hybridbipolarplattenanordnung umfasst eine Metallanodenplatte, eine Polymerkompositkathodenplatte und eine Metallschicht, die zwischen der Metallanodenplatte und der Kompositkathodenplatte positioniert ist. Die Metallanodenplatte und die Kompositkathodenplatte können ferner ein Klebstoffdichtmittel umfassen, das um den Außenumfang aufgebracht ist, um einen Austritt von Kühlmittel zu verhindern. Die Anordnung kann in eine Vorrichtung integriert sein, die eine Brennstoffzelle umfasst. Ferner kann die Vorrichtung einen Aufbau definieren, der ein von der Brennstoffzelle betriebenes Fahrzeug definiert.

Claims (31)

  1. Hybridbipolarplattenanordnung mit: einer Metallanodenplatte; einer Kompositkathodenplatte, wobei der Komposit ein Polymermaterial umfasst; und einer ersten Schicht, die zumindest eines aus Gold, Silber und Legierungen von jedem umfasst und die zwischen der Metallanodenplatte und der Kompositkathodenplatte positioniert ist.
  2. Hybridbipolarplattenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Metallanodenplatte ein korrosionsbeständiges Eisen-Chrom-Legierungsmaterial umfasst.
  3. Hybridbipolarplattenanordnung nach Anspruch 1, wobei das Polymermaterial ein wärmeaushärtbares Harz, ein thermoplastisches Harz oder Kombinationen daraus umfasst.
  4. Hybridbipolarplattenanordnung nach Anspruch 3, wobei das wärmeaushärtbare Harz zumindest eines der folgenden umfasst: Epoxidharze, Malamine, Phenolharze, Harnstoffe, Vinylester, Polyester und deren Kombinationen.
  5. Hybridbipolarplattenanordnung nach Anspruch 3, wobei das thermoplastische Harz zumindest eines der folgenden umfasst: Styrene, Arcryle, Celluloseerzeugnisse, Polyethylene, Po lypropylene, Flüssigkristallpolymere, Vinyle, Nylons, Fluorkohlenstoffe, Polyphenylensulfide und deren Kombinationen.
  6. Hybridbipolarplattenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Kompositkathodenplatte zwischen etwa 10 und etwa 90 Gew.-% Graphitpulver umfasst.
  7. Hybridbipolarplattenanordnung nach Anspruch 6, wobei das Graphitpulver zumindest eines aus synthetischem Graphit, natürlichem Graphit und deren Kombinationen umfasst.
  8. Hybridbipolarplattenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Metallanodenplatte gegenüberliegende erste und zweite Hauptseitenflächen an gegenüberliegenden Seiten der Metallanodenplatte definiert, und wobei die erste Schicht mit zumindest einer der ersten und zweiten Hauptseitenflächen der Metallanodenplatte in Eingriff steht.
  9. Hybridbipolarplattenanordnung nach Anspruch 8, wobei die Kompositkathodenplatte mit der ersten Schicht in Eingriff steht.
  10. Hybridbipolarplattenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Metallanodenplatte einen oder mehrere Anodenkanäle umfasst, wobei die Anodenkanäle für den Durchgang von H2-Gas ausgebildet sind.
  11. Hybridbipolarplattenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Kompositkathodenplatte einen oder mehrere Kathodenkanäle umfasst, wobei die Kathodenkanäle für den Durchgang von O2-Gas oder Luft ausgebildet sind.
  12. Hybridbipolarplattenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Metallanodenplatte und die Kompositkathodenplatte jeweils einen oder mehrere Kühlmittelkanäle für den Durchgang einer Flüssigkeit umfassen.
  13. Hybridbipolarplattenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Metallanodenplatte und die Kompositkathodenplatte jeweils eine Bahndicke definieren, und wobei die Bahndicke der Metallanodenplatte kleiner als die Bahndicke der Kompositkathodenplatte ist.
  14. Hybridbipolarplattenanordnung nach Anspruch 13, wobei die Bahndicke der Metallanodenplatte zwischen etwa 0,1 und etwa 0,15 mm liegt.
  15. Hybridbipolarplattenanordnung nach Anspruch 13, wobei die Bahndicke der Kompositkathodenplatte zwischen etwa 0,3 und etwa 0,8 mm liegt.
  16. Hybridbipolarplattenanordnung nach Anspruch 1, wobei die erste Schicht zwischen etwa 2 und etwa 50 nm dick ist.
  17. Hybridbipolarplattenanordnung nach Anspruch 1, ferner mit einem Klebstoff, der derart ausgebildet ist, um die Metallanodenplatte und die Kompositkathodenplatte um einen Außenumfang der Hybridbipolarplattenanordnung abzudichten.
  18. Hybridbipolarplattenanordnung nach Anspruch 17, wobei der Klebstoff derart ausgebildet ist, um zu verhindern, dass Kühlmittel zwischen der Metallanodenplatte und der Kompositkathodenplatte austreten kann.
  19. Hybridbipolarplattenanordnung nach Anspruch 17, wobei der Klebstoff nichtleitend ist.
  20. Hybridbipolarplattenanordnung nach Anspruch 17, wobei der Klebstoff leitend ist.
  21. Hybridbipolarplattenanordnung nach Anspruch 17, wobei der Klebstoff zumindest eines aus einem wärmeaushärtbaren Harz, einem thermoplastischen Harz und deren Kombinationen umfasst.
  22. Hybridbipolarplattenanordnung nach Anspruch 1, ferner mit einer Dichtung, die derart ausgebildet ist, um zu verhindern, dass Kühlmittel zwischen der Metallanodenplatte und der Kompositkathodenplatte austreten kann.
  23. Vorrichtung mit: einer Polymermembran, die gegenüberliegende Kathoden- und Anodenseitenflächen auf gegenüberliegenden Seiten der Membran definiert; einer ersten Schicht aus Katalysator, die gegenüberliegende Innen- und Außenseitenflächen auf gegenüberliegenden Seiten des Katalysators definiert, wobei die Innenseitenfläche mit der Kathodenseitenfläche der Polymermembran in Eingriff steht; einer zweiten Schicht aus Katalysator, die gegenüberliegende Innen- und Außenseitenflächen auf gegenüberliegenden Seiten des Katalysators definiert, wobei die Innenseitenfläche mit der Anodenseitenfläche der Polymermembran in Eingriff steht; einer ersten Schicht aus Gasdiffusionsmedium, die gegenüberliegende Innen- und Außenseitenflächen auf gegenüberliegenden Seiten des Gasdiffusionsmediums definiert, wobei die Innenseitenfläche mit der Außenseitenfläche der ersten Schicht des Katalysators in Eingriff steht; einer zweiten Schicht aus Gasdiffusionsmedium, die gegenüberliegende Innen- und Außenseitenflächen auf gegenüberliegenden Seiten des Gasdiffusionsmediums definiert, wobei die Innenseitenfläche mit der Außenseitenfläche der zweiten Schicht des Katalysators in Eingriff steht; und zumindest einer Hybridbipolarplattenanordnung, die mit zumindest einer der ersten und zweiten Gasdiffusionsmediumschichten in Eingriff steht, wobei die Hybridbipolarplattenanordnung umfasst: eine Metallanodenplatte, die gegenüberliegende erste und zweite Hauptseitenflächen an gegenüberliegenden Seiten der Metallanodenplatte definiert, eine Kompositkathodenplatte, wobei der Komposit ein Polymermaterial umfasst, und eine Schicht, die zumindest eines aus Gold, Silber und Legierungen von jedem umfasst und mit zumindest einer der ersten und zweiten Hauptseitenflächen der Metallanodenplatte in Eingriff steht.
  24. Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei die Vorrichtung eine Brennstoffzelle umfasst.
  25. Vorrichtung nach Anspruch 24, ferner mit einem Aufbau, der ein von der Brennstoffzelle betriebenes Fahrzeug definiert.
  26. Hybridbipolarplattenanordnung, mit: einer Metallanodenplatte, wobei die Metallanodenplatte eine korrosionsbeständige Eisen-Chrom-Legierung umfasst; einer Kompositkathodenplatte, wobei: die Kompositkathodenplatte umfasst: zwischen etwa 10 und etwa 90 Gew.-% Graphitpulver, und ein Polymermaterial, das aus einem wärmeaushärtbaren Harz, einem thermoplastischen Harz oder deren Kombinationen gewählt ist, wobei das wärmeaushärtbare Harz zumindest eines der folgenden umfasst: Epoxidharze, Malamine, Phenolharze, Harnstoffe, Vinylester, Flüssigkristallpolymere und deren Kombinationen, und das thermoplastische Harz zumindest eines der folgenden umfasst: Styrene, Acryle, Celluloseerzeugnisse, Polyethylene, Polypropylene, Flüssigkristallpolymere, Vinyle, Nylons, Fluorkohlenstoffe, Polyphenylensulfide und deren Kombinationen umfasst, und die Bahndicke der Metallanodenplatte kleiner als die Bahndicke der Kompositkathodenplatte ist; einer Schicht, die zumindest eines aus Gold, Silber und Legierungen von jedem umfasst und die zwischen der Metallanodenplatte und der Kompositkathodenplatte positioniert ist; und einem Klebstoff, der derart ausgebildet ist, um die Metallanodenplatte und die Kompositkathodenplatte um einen Außenumfang der Hybridbipolarplattenanordnung abzudichten, wobei der Klebstoff derart ausgebildet ist, um zu verhindern, dass Kühlmittel zwischen der Metallanodenplatte und der Kompositkathodenplatte austreten kann.
  27. Hybridbipolarplattenanordnung mit: einer Anodenplatte, die eine erste Schicht und eine zweite Schicht umfasst, wobei die erste Schicht ein erstes Metall umfasst, die zweite Schicht ein zweites Metall umfasst, und wobei die zweite Schicht in der Anwesenheit eines Kühlmittels chemisch stabil ist.
  28. Hybridbipolarplattenanordnung nach Anspruch 27, ferner mit einer Kompositkathodenplatte.
  29. Hybridbipolarplattenanordnung nach Anspruch 27, wobei die Anodenplatte im Wesentlichen frei von jeglichem Oxid an der ersten Schicht ist.
  30. Hybridbipolarplattenanordnung nach Anspruch 29, wobei die Anodenplatte eine Kühlmittelseitenfläche umfasst und das erste Metall Eisen und Cr umfasst, und wobei jegliche Oxide von Cr von der Kühlmittelseitenfläche im Wesentlichen entfernt worden sind.
  31. Hybridbipolarplattenanordnung nach Anspruch 30, wobei das zweite Metall zumindest eines aus Gold, Silber und Legierungen von jedem umfasst.
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