DE102007022202B4

DE102007022202B4 - Brennstoffzellenstapel mit einer nichtpermeablen Beilage mit niedrigem Kontaktwiderstand

Info

Publication number: DE102007022202B4
Application number: DE102007022202.7A
Authority: DE
Inventors: Benno Andreas-Schott; Roger M. Brisbane; Mahmoud H. Abd Elhamid
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-05-15
Filing date: 2007-05-11
Publication date: 2018-02-22
Anticipated expiration: 2027-05-12
Also published as: US20070264556A1; CN101075689A; JP2007311343A; DE102007022202A1; US8323851B2; JP5108377B2; CN100592565C

Abstract

Brennstoffzellenstapel (10) mit: einer Unipolarplatte, die an beiden Enden des Stapels (10) positioniert ist; einer nichtpermeablen Beilagenplatte (40), die benachbart jeder Unipolarplatte (12) positioniert ist; und einer Anschlussplatte (34), die benachbart jeder Beilagenplatte (40) entgegengesetzt der Unipolarplatte (12) positioniert ist, wobei die nichtpermeable Beilagenplatte zu der Unipolarplatte (12) abgedichtet ist, so dass Kühlfluid, das durch die Unipolarplatte (12) hindurchdringen kann, zwischen der Unipolarplatte (12) und der Beilagenplatte (40) abgefangen wird; gekennzeichnet durch zumindest eine Diffusionsmediumschicht (30, 32), die zwischen der Unipolarplatte (12) und der Beilagenplatte (40) positioniert ist;.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein einen Brennstoffzellenstapel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, des Anspruchs 12, des Anspruchs 17 oder des Anspruchs 20, wie er beispielsweise aus der DE 10 2005 022 529 A1 bekannt geworden ist.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er rein ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Eine Wasserstoffbrennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen aufweist. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf, und die Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten, um freie Wasserstoffprotonen und Elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoffprotonen gelangen durch den Elektrolyt an die Kathode. Die Wasserstoffprotonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt gelangen und werden somit durch eine Last geführt, in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) stellen eine populäre Brennstoffzelle für Fahrzeuge dar. Die PEMFC weist allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran auf, wie eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und die Kathode weisen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel, gewöhnlich Platin (Pt), auf, die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung wird auf entgegengesetzten Seiten der Membran abgeschieden. Die Kombination der katalytischen Anodenmischung, der katalytischen Kathodenmischung und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). MEAs sind relativ teuer herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb.
Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Beispielsweise kann ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen aufweisen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodeneingangsgas, typischerweise eine Strömung aus Luft auf, die durch einen Kompressor über den Stapel getrieben wird. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff von dem Stapel verbraucht, und ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, das Wasser als ein Stapelnebenprodukt enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anodenwasserstoffeingangsgas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
Der Brennstoffzellenstapel weist eine Serie von Bipolarplatten auf, die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind. Die Bipolarplatten weisen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel auf. Auf der Anodenseite der Bipolarplatten sind Anodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Anodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann. Auf der Kathodenseite der Bipolarplatten sind Kathodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Kathodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann. Die Bipolarplatten bestehen aus einem leitenden Material, wie rostfreiem Stahl, so dass sie die von den Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität aus dem Stapel herausleiten.
Die Bipolarplatten weisen auch Strömungskanäle auf, durch die ein Kühlfluid strömt. Bei einer bekannten Brennstoffzellenstapelkonstruktion sind die Bipolarplatten Komposit-Bipolarplatten, wie esterbasierte kompressionsgeformte Platten, die das Kühlfluid absorbieren, wodurch bewirkt wird, dass dieses in benachbarte Strömungsfelder leckt.
Unipolarplatten sind an beiden Enden des Brennstoffzellenstapels vorgesehen, wobei die Unipolarplatte die Strömungskanäle an einer Kathodenseite oder Anodenseite der letzten Brennstoffzelle in dem Stapel aufweist. Eine Anschlussplatte ist auf einer dem Stapel aus Brennstoffzellen entgegengesetzten Seite der Unipolarplatte positioniert und wirkt als ein Stromkollektor für den von dem Stapel erzeugten Strom. Bei bestimmten Konstruktionen ist die Anschlussplatte eine Kupferplatte, die mit Nickel oder Zinn beschichtet ist. Eine Isolatorplatte ist an dem Ende des Stapels benachbart der Anschlussplatte positioniert. Für diejenigen Stapelplatten, die aus einem Kompositmaterial bestehen, leckt das Kühlfluid, das durch die Strömungskanäle in der Unipolarplatte strömt, durch die Unipolarplatte und sammelt sich in dem Hohlraum zwischen der Unipolarplatte und der Isolatorplatte, wo die Anschlussplatte angeordnet ist. Das Kühlfluid korrodiert die Beschichtung auf der Anschlussplatte, wodurch diese weniger leitend gemacht wird, was seinerseits zu einem signifikanten Verlust an Stapelleistung führt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen in Bezug auf die beschriebene Problematik verbesserten Brennstoffzellenstapel zu schaffen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Aufgabe wird mit einem Brennstoffzellenstapel gelöst, der die Merkmale des Anspruchs 1, des Anspruchs 12, des Anspruchs 17 oder des Anspruchs 20 aufweist.
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellenstapel offenbart, der eine nichtpermeable Beilagenplatte aufweist, die zwischen einer Komposit-Unipolarplatte und einer Anschlussplatte an beiden Enden des Stapels positioniert ist, wobei die Beilagenplatte aus einem nicht korrosiven Material besteht, wie rostfreiem Stahl. Da die Beilagenplatte nicht permeabel ist, verhindert sie, dass Kühlfluid, das durch die Unipolarplatte diffundiert, mit der Anschlussplatte in Kontakt tritt, was ansonsten die Anschlussplatte korrodieren würde. Die Anschlussplatte kann mit einem leitenden Material beschichtet sein, wie Gold, um ihren Kontaktwiderstand mit der Kompositplatte zu reduzieren.
Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angefügten Ansprüchen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines Endteils eines Brennstoffzellenstapels mit einer nichtpermeablen Beilagenplatte mit niedrigem Kontaktwiderstand gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf einen Brennstoffzellenstapel gerichtet ist, der eine nichtpermeable Beilagenplatte mit niedrigem Kontaktwiderstand aufweist, die eine Anschlussplattenkorrosion verhindert, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
1 ist eine auseinander gezogene perspektivische Ansicht eines Endteils eines Brennstoffzellenstapels 10. Wie oben beschrieben ist, weist ein Brennstoffzellenstapel eine sich wiederholende Serie von Brennstoffzellen auf, die Bipolarplatten aufweisen, die Anodenseiten und Kathodenseiten für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel 10 besitzen. Die Bipolarplatten sind in 1 nicht gezeigt. An den Enden des Stapels 10 ist eine Komposit-Unipolarplatte 12 vorgesehen, die die Strömungskanäle (nicht gezeigt) für entweder die Kathodenseite oder die Anodenseite der letzten Brennstoffzelle in dem Stapel 10 aufweist. Eine Komposit-Unipolarplatte weist typischerweise zwei geformte Hälften auf, die aneinandergeklebt sind. Die beiden Hälften definieren parallele Kühlfluidströmungskanäle, die durch das Zentrum der Platte verlaufen. In dem Stapel 10 strömt Kühlfluid von der Öffnung 14 durch die Kühlfluidkanäle in der Platte 12 und aus der Öffnung 16 heraus. Die Öffnungen 18 und 20 dienen einer Kathodenreaktandengasströmung, und die Öffnungen 22 und 24 dienen einer Anodenreaktandengasströmung.
Die Unipolarplatte 12 weist ein geformtes Dichtungselement (nicht gezeigt) auf, das an einer unteren Fläche der Platte 12 ausgebildet ist. Typischerweise sind zwei Diffusionsmediumschichten 30 und 32 benachbart der Unipolarplatte 12 entgegengesetzt den Bipolarplatten vorgesehen, um für einen Elektronentransport zu sorgen. Eine leitende Anschlussplatte 34 ist vorgesehen, um die von dem Stapel 10 erzeugte Elektrizität zu sammeln, und ist typischerweise eine Kupferplatte, die mit Nickel oder Zinn beschichtet ist. Die Anschlussplatte 34 ist in einem Hohlraum positioniert, der durch eine Isolatorplatte 36 definiert ist, die eine elektrische Isolierung an den Enden des Stapels 10 vorsieht. Eine konstruktive Grundplatte (nicht gezeigt) würde dann an der Isolatorplatte 36 durch Schrauben oder dergleichen befestigt, um den Endaufbau des Stapels 10 vorzusehen.
Wie oben beschrieben ist, dringt Kühlfluid durch das Kompositplattenmaterial. Bei den bekannten Kompositplattenkonstruktionen diffundiert das Kühlfluid durch die Diffusionsmediumschichten 30 und 32 und sammelt sich in dem Hohlraum um die Anschlussplatte 34 herum, was zur Folge hat, dass diese korrodiert. Gemäß der Erfindung ist eine nichtpermeable Beilagenplatte 40 mit niedrigem Kontaktwiderstand zwischen der Diffusionsmediumschicht 32 und der Anschlussplatte 34 vorgesehen. Die Beilagenplatte 40 besitzt dieselbe Ausgestaltung wie die Unipolarplatte 12 und ist gegen das geformte Dichtungselement an der unteren Fläche der Platte 12 abgedichtet. Ein Träger 42 für das geformte Dichtungselement, der ein Dichtungselement aufweist und der ebenfalls dieselbe Außengestaltung wie die Beilagenplatte 40 aufweist, ist zwischen der Beilagenplatte 40 und der Isolatorplatte 36 vorgesehen. Wenn der Brennstoffzellenstapel 10 zusammengebaut wird, wird daher die Beilagenplatte 40 zu der Unterseite der Unipolarplatte 12 abgedichtet, und jegliches Kühlfluid, das durch die Unipolarplatte 12 in Richtung der Anschlussplatte 34 hindurchdringt, wird in dem Hohlraum zwischen der Platte 12 und der Beilagenplatte 40 gesammelt und durch die Diffusionsmediumschichten 30 und 32 absorbiert. Ferner ist die Beilagenplatte 40 zu der Isolatorplatte 36 durch den Dichtungselementträger 42 abgedichtet, und somit wird verhindert, dass das Kühlfluid mit der Anschlussplatte 34 in Kontakt tritt.
Die Beilagenplatte 40 kann aus einem beliebigen geeigneten Material bestehen, das nicht korrodiert. Bei einer Ausführungsform ist die Beilagenplatte 40 rostfreier Stahl oder eine Legierung aus rostfreiem Stahl, durch die keine Gase oder Flüssigkeiten hindurchdringen können. Geeignete Legierungen umfassen C-276, CARP20, C-625, Alloy 22, G-35, G-30, 904 L rostfreien Stahl, Titan und deren Legierungen. Diese korrosionsbeständigen Materialien besitzen einen passiven Oxidfilm auf ihrer Oberfläche, der einen hohen Kontaktwiderstand mit dem Gasdiffusionsmedium und dem Kompositplattenmaterial erzeugt. Daher kann die Beilagenplatte 40 mit einer dünnen Schicht eines elektrisch leitenden Materials, wie Gold, Platin, Rutheniumoxid oder deren Mischungen, beschichtet sein. Es kann ein beliebiger geeigneter Abscheidungsprozess verwendet werden, wie Plasmadampfabscheidung (PVD), um die leitende Beschichtung auf der Platte 40 bis zu einer beliebigen geeigneten Dicke, wie 10 nm, abzuscheiden. Ferner kann die Beilagenplatte 40 an der zu der Anschlussplatte 34 weisenden Oberfläche plattiert werden, was die Notwendigkeit einer Beschichtung der Anschlussplatte 34 mit Nickel oder Zinn beseitigen würde.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind die Diffusionsmediumschichten 30 und 32 ebenfalls mit einer dünnen Schicht eines leitenden Materials, wie Gold, beschichtet, um den Kontaktwiderstand der Endanordnung des Stapels 10 weiter zu reduzieren. Es kann jeglicher geeignete Prozess dazu verwendet werden, die leitende Schicht auf den Diffusionsmediumschichten 30 und 32, wie durch PVD, auf eine beliebige geeignete Dicke abzuscheiden.
Bei einer alternativen Ausführungsform besteht die Beilagenplatte 40 aus einem versiegelten Graphitmaterial, wie Poco Graphit, das von der Poco Corporation erhältlich ist und sowohl nichtpermeabel als auch elektrisch stark leitend ist. Bei dieser Ausführungsform muss die Beilagenplatte aus versiegeltem Graphit nicht mit einer leitenden Außenschicht beschichtet werden. Bei einer anderen Ausführungsform ist eine Grafoil^TM-Schicht zwischen der Kompositplatte und der Graphitbeilagenplatte positioniert, um so eine gute Druckverteilung auf der Kompositplatte beizubehalten und ein Brechen der Platte aus versiegeltem Graphit zu vermeiden, wenn ein Druck auf diese ausgeübt wird.

Claims

Brennstoffzellenstapel (10) mit: einer Unipolarplatte, die an beiden Enden des Stapels (10) positioniert ist; einer nichtpermeablen Beilagenplatte (40), die benachbart jeder Unipolarplatte (12) positioniert ist; und einer Anschlussplatte (34), die benachbart jeder Beilagenplatte (40) entgegengesetzt der Unipolarplatte (12) positioniert ist, wobei die nichtpermeable Beilagenplatte zu der Unipolarplatte (12) abgedichtet ist, so dass Kühlfluid, das durch die Unipolarplatte (12) hindurchdringen kann, zwischen der Unipolarplatte (12) und der Beilagenplatte (40) abgefangen wird; gekennzeichnet durch zumindest eine Diffusionsmediumschicht (30, 32), die zwischen der Unipolarplatte (12) und der Beilagenplatte (40) positioniert ist;.
Stapel nach Anspruch 1, wobei die Unipolarplatte (12) eine Kompositplatte ist.
Stapel nach Anspruch 1, wobei die Beilagenplatte (40) eine Beilagenplatte (40) aus rostfreiem Stahl oder einer rostfreien Stahllegierung ist.
Stapel nach Anspruch 1, wobei die Beilagenplatte eine Beilagenplatte (40) aus Titan oder Titanlegierung ist.
Stapel nach Anspruch 1, wobei die Beilagenplatte (40) eine Außenschicht eines elektrisch leitenden Materials aufweist.
Stapel nach Anspruch 5, wobei die leitende Außenschicht aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: eine Goldschicht, eine Rutheniumoxidschicht, eine Platinschicht und Mischungen daraus.
Stapel nach Anspruch 5, wobei die leitende Außenschicht etwa 10 nm dick ist.
Stapel nach Anspruch 1, wobei die Beilagenplatte (40) eine Beilagenplatte (40) aus versiegeltem Graphit ist.
Stapel nach Anspruch 1, wobei die Beilagenplatte (40) an der zu der Anschlussplatte (34) weisenden Seite plattiert ist.
Stapel nach Anspruch 1, wobei die zumindest eine Diffusionsmediumschicht (30, 32) eine Außenbeschichtung eines elektrisch leitenden Materials aufweist.
Stapel nach Anspruch 1, wobei der Stapel (10) Teil eines Brennstoffzellensystems an einem Fahrzeug ist.
Brennstoffzellenstapel (10), mit: einer Komposit-Unipolarplatte (12), die an beiden Enden des Stapels (10) positioniert ist; einer Beilagenplatte (40) aus rostfreiem Stahl oder rostfreier Stahllegierung, die, eine leitende Außenschicht aufweist; und einer Anschlussplatte (34), die benachbart der Beilagenplatte (40) und entgegengesetzt der Unipolarplatte (12) positioniert ist, wobei die Beilagenplatte (40) zu der Unipolarplatte (12) abgedichtet ist, so dass Kühlfluid, das durch die Unipolarplatte (12) hindurchdringen kann, zwischen der Unipolarplatte (12) und der Beilagenplatte (40) abgefangen wird; gekennzeichnet durch zumindest einer Diffusionsmediumschicht (30, 32), die benachbart jeder Unipolarplatte (12) positioniert ist, wobei die Beilagenplatte (40) benachbart der zumindest einen Diffusionsmediumschicht (30, 32) und entgegengesetzt der Unipolarplatte (12) positioniert ist
Stapel nach Anspruch 12, wobei die leitende Außenschicht aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: eine Goldschicht, eine Rutheniumoxidschicht, eine Platinschicht und Mischungen daraus.
Stapel nach Anspruch 12, wobei die leitende Außenschicht eine Dicke von etwa 10 nm aufweist.
Stapel nach Anspruch 12, wobei die zumindest eine Diffusionsmediumschicht (30, 32) eine Außenbeschichtung eines elektrisch leitenden Materials aufweist.
Stapel nach Anspruch 12, wobei die Beilagenplatte (40) an der zu der Anschlussplatte (34) weisenden Seite plattiert ist.
Brennstoffzellenstapel (10), mit: einer Kompositunipolarplatte, die an beiden Enden des Stapels (10) positioniert ist; einer Beilagenplatte (40) aus versiegeltem Graphit, die entgegengesetzt der Unipolarplatte (12) positioniert ist; und einer Anschlussplatte (34), die benachbart der Beilagenplatte (40) und entgegengesetzt der Unipolarplatte (12) positioniert ist, wobei die Beilagenplatte (40) zu der Unipolarplatte (12) abgedichtet ist, so dass Kühlfluid, das durch die Unipolarplatte (12) hindurchdringen kann, zwischen der Unipolarplatte (12) und der Beilagenplatte (40) abgefangen wird; gekennzeichnet durch zumindest eine Diffusionsmediumschicht (30, 32), die benachbart der Unipolarplatte (12) positioniert ist, wobei die Beilagenplatte (40) benachbart der zumindest einen Diffusionsmediumschicht (30, 32) positioniert ist.
Stapel nach Anspruch 17, wobei die zumindest eine Diffusionsmediumschicht (30, 32) eine Außenbeschichtung eines elektrisch leitenden Materials aufweist.
Stapel nach Anspruch 17, wobei die Beilagenplatte (40) an der zu der Anschlussplatte (34) weisenden Seite plattiert ist.
Brennstoffzellenstapel, mit: einer Kompositunipolarplatte (12), die an beiden Enden des Stapels (10) positioniert ist; einer Beilagenplatte (40) aus Titan oder Titanlegierung, die entgegengesetzt der Unipolarplatte (12) positioniert ist, wobei die Beilagenplatte (40) eine leitende Außenschicht aufweist; und einer Anschlussplatte (34), die benachbart der Beilagenplatte (40) und entgegengesetzt der Unipolarplatte (12) positioniert ist, wobei die Beilagenplatte (40) zu der Unipolarplatte (12) abgedichtet ist, so dass Kühlfluid, das durch die Unipolarplatte (12) hindurchdringen kann, zwischen der Unipolarplatte (12) und der Beilagenplatte (40) abgefangen wird; gekennzeichnet durch zumindest eine Diffusionsmediumschicht (30, 32), die benachbart jeder Unipolarplatte (12) positioniert ist, wobei die Beilagenplatte (40) benachbart der zumindest einen Diffusionsmediumschicht (30, 32) positioniert ist.
Stapel nach Anspruch 20, wobei die leitende Außenschicht aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: eine Goldschicht, eine Rutheniumoxidschicht, eine Platinschicht und Mischungen daraus.
Stapel nach Anspruch 20, wobei die leitende Außenschicht eine Dicke von etwa 10 nm aufweist.
Stapel nach Anspruch 20, wobei die zumindest eine Diffusionsmediumschicht (30, 32) eine Außenbeschichtung eines elektrisch leitenden Materials aufweist.