DE69013626T2

DE69013626T2 - Brennstoffzelle mit einer Flüssigkeitsverteilungsplatte.

Info

Publication number: DE69013626T2
Application number: DE69013626T
Authority: DE
Inventors: Kenneth W Dircks; Danny G Epp; David S Watkins
Original assignee: Minister of National Defence of Canada
Current assignee: Minister of National Defence of Canada
Priority date: 1989-08-30
Filing date: 1990-08-29
Publication date: 1995-05-24
Anticipated expiration: 2010-08-30
Also published as: KR910005505A; JP2711018B2; KR100199866B1; AU6128690A; AU633348B2; DE69013626D1; EP0415733A2; CA1314306C; JPH03205763A; US4988583A; EP0415733A3; EP0415733B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Diese Erfindung bezieht sich auf Brennstoffzellen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf neuartige Fluidströmungsfeldplatten, verwendet in Brennstoffzellen mit Feststoffpolymerelektrolyt.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Eine Brennstoffzelle ist eine Einrichtung, die elektrische Energie durch Umsetzung von chemischer Energie erzeugt, ausgehend von einem Brennstoff, der der Zelle zugefügt wird, und zwar direkt in elektrische Energie durch Oxidation des Brennstoffs in der Zelle. Eine typische Brennstoffzelle umfaßt ein Gehäuse, das eine Anode umhüllt, eine Kathode und einen Elektrolyten. Geeignetes Brennstoffmaterial und Oxidationsmittel werden der Anode beziehungsweise der Kathode zugeführt, wobei der Brennstoff und das Oxidationsmittel chemisch reagieren zum Erzeugen eines verwertbaren elektrischen Stromes, und das Reaktionsendprodukt wird aus der Zelle abgezogen. Ein relativ einfacher Typ von Brennstoffzelle arbeitet unter Verwendung von Wasserstoff und Sauerstoff als Brennstoff beziehungsweise Oxidationsmaterial. Der Wasserstoff kombiniert sich mit dem Sauerstoff zur Bildung von Wasser, während gleichzeitig ein elektrischer Strom erzeugt wird. Genauer gesagt, wird an der Brennstoffzellenanode Wasserstoff verbraucht unter Freisetzung von Protonen und Elektronen, wie in der untenstehenden Gleichung (1) gezeigt. Die Protonen werden in den Brennstoffzellenelektrolyt injiziert. Die Elektronen wandern von der Brennstoffzellenanode zu dem Anodenanschluß durch eine elektrische Belastung zurück zu dem Kathodenanschluß und in die Kathode der Zelle. An der Kathode kombinieren sich Sauerstoff, Elektronen aus der Last und Protonen aus dem Elektrolyt zur Bildung von Wasser, wie in der unteren Gleichung (2) gezeigt.

Anodenreaktion

H&sub2; -- > 2H&spplus; + 2e (1)

Kathodenreaktion

½0&sub2; + 2e + 2H&spplus; -- > H&sub2;0 (2)
Ein großer Vorteil der Brennstoffzelle besteht darin, daß sie chemische Energie direkt in elektrische Energie umsetzt, ohne daß sie irgendwelchen Zwischenschritten unterworfen wird, beispielsweise Verbrennung eines Kohlenwasserstoffs oder kohlenstoffhaltigen Brennstoffs, wie dies in thermischen Kraftanlagen der Fall ist.
Brennstoffzellen können in unterschiedliche Typen je nach dem verwendeten Elektrolyt klassifiziert werden. Moderne Brennstoffzellen relativ hoher Güte umfassen Elektrolyte, wie wässriges Kaliumhydroxid, konzentrierte Phosphorsäure, aufgeschmolzenes Alkalicarbonat und stabilisiertes Zirkonoxid. Die Elektroden umfassen unveränderlich einen Katalyten für das Begünstigen der Reaktionen, die an den entsprechenden Elektroden in der Brennstoffzelle erfolgen. Geeignete Katalyte umfassen Nickel, Silber, Platin und, im Falle des stabilisierten Zirkonoxidelektrolyten, basische Metalloxide.
General Electric begann in den 60er Jahren mit Arbeiten an der Entwicklung einer Brennstoffzelle mit festem Polymer (SPFC). Eine solche Zelle hatte eine Anzahl von möglichen Vorteilen. Sie konnte mit einem wasserstoffhaltigen Brennstoff und einer Oxidationsmittelzufuhr wie Luft oder reinem Sauerstoff arbeiten. In einer Ausführungsform konnte die SPFC reformierte Kohlenwasserstoffe verarbeiten wie Methanol oder Erdgas als Brennstoffquelle und Luft als Oxidationsmittel.
Da der Elektrolyt in einer SPFC fest ist, können erhebliche Druckdifferenzen zwischen dem Brennstoff- und dem Sauerstoffstrom toleriert werden. Dies vereinfacht die Drucksteuerung und ermöglicht insbesondere die Existenz höherer Drücke im Oxidationsmittelstrom. Dies führt zu verbesserter Leistung, insbesondere, wenn Luft als Oxidationsmittel verwendet wird. Eine SPFC ist vorteilhaft, indem sie bei Temperaturen unter dem Siedepunkt des Wassers bei dem Betriebsdruck betrieben werden kann. Demgemäß wird Wasser als Endprodukt im flüssigen Zustand erzeugt.
Im einzelnen verwendet eine typische SPFC eine feste Polymerionenaustauschmembran als Elektrolyt zwischen der Anode und Kathode. Die feste Polymerionenaustauschmembran ermöglicht den Durchtritt von Wasserstoffionen durch die Membran, ist jedoch im wesentlichen undurchdringlich für den Durchtritt von Wasserstoff- und Sauerstoffmolekülen. Die Ionenaustauschmembran hat auf sich negativ geladene Orte, die chemisch gebunden sind an den Polymer. Die Ionenaustauschmembran ist eingebettet zwischen der Anode und Kathode. Typischerweise wird der Anode und der Kathode ein Platinkatalyt zugefügt, um die Reaktionsrate zu erhöhen.
In einer Einzelzellenanordnung sind zwei Fluidströmungsfeldplatten (Anoden- und Kathodenplatten) vorgesehen. Die Platten wirken als Stromsammler, bilden die Elektrodenabstützung, stellen Mittel bereit für den Zutritt des Brennstoffs und Oxidationsmittels zu der Anoden- beziehungsweise Kathodenoberfläche und sorgen für den Austrag von Wasser, das während des Betriebs der Zelle gebildet wird.
Die Zellenbaugruppe wird durch Spannstangen und Endplatten zusammengehalten. Zufuhrsammler sind für die Zufuhr von Brennstoff (Wasserstoff, reformiertes Methanol oder Erdgas) zur Anode und des Oxidationsmittels (Luft oder Sauerstoff) zu der Kathode über die Fluidströmungsfeldplatten vorgesehen. Abfuhrsammler sind vorgesehen für den Austrag von Uberschußbrennstoff- und Oxidationsmittelgasen und Wasser, das an der Kathode gebildet wird. Mehrzellenstrukturen umfassen zwei oder mehr solcher Sandwich-Kombinationen, die in Serie oder parallel geschaltet sind zum Erhöhen des Gesamtleistungsausgangs der Baugruppe, je nach Erfordernis. In solchen Anordnungen sind die Zellen typischerweise in Serie geschaltet, wobei eine Seite einer gegebenen Platte die Anodenplatte für eine Zelle ist und die andere Seite der Platte die Kathodenplatte für die benachbarte Zelle ist und so weiter.

BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK

Eine typische Fluidströmungsfeldplatte nach dem Stand der Technik umfaßt in einer Hauptfläche derselben eine Mehrzahl von separaten, parallelen, offenseitigen Fluidströmungskanälen, die aus der Hauptfläche ausgeschnitten sind. Die Kanäle erstrecken sich über die Hauptfläche zwischen einem Zufuhrfluideinlaß und einem Austragauslaß. Die Kanäle haben typischerweise eine rechteckige Querschnittsform, sind etwa 0,03 Zoll tief und etwa 0,03 Zoll in Querrichtung in der Öffnung. Der Einlaß ist verbunden mit einer Brennstoff- oder Oxidationsmittelzufuhr. In Mehrzellenanordnungen können beide Plattenhauptflächen Strömungskanäle umfassen. Im Betrieb liefern die Strömungskanäle Brennstoff oder Oxidationsmittel an die Elektrodenoberfläche von dem Einlaß. Ein Beispiel für diesen Stand der Technik ist gegeben durch General Electric und Hamilton Standard LANL Nr. 9-X53-D5272-1 (1984).
Es wurde festgestellt, daß bei Betrieb der Zelle auf Luftbasis über längere Zeitperioden niedrige und unstabile Spannungen resultierten. Das Problem wurde an der Kathodenseite der Zelle lokalisiert und insoesondere bei der Kathodengasströmungsverteilung und der Zellenwasserbeherrschung.
Im einzelnen gilt, daß dann, wenn die Brennstoffzelle kontinuierlich betrieben wird, das heißt, sie elektrischen Strom erzeugt und Brennstoff und Sauerstoff kontinuierlich verbraucht, flüssiges Wasser an der Kathode kontinuierlich erzeugt wird. Leider wurde bei der Platte nach dem Stand der Technik festgestellt, daß das an der Kathode gebildete Wasser sich in den Kanälen nahe der Kathode sammelt. Es wird angenommen, daß bei der Akkumulation des Wassers die Kanäle befeuchtet werden und das Wasser demgemäß die Tendenz hat, an dem Boden und den Seiten der Kanäle anzuhaften. Die Wassertröpfchen haben auch die Tendenz, sich zu vereinigen und größere Tropfen zu bilden. Eine Kraft, die mit der Größe und Anzahl der Tropfen zunimmt, ist erforderlich, um die Tropfen aus dem Kanal auszutreiben. In dem Strömungsfeld nach dem Stand der Technik wird auch die Anzahl und Größe der Wassertropfen in parallelen Kanälen wahrscheinlich unterschiedlich sein. Das Gas wird dann vorzugsweise durch die am wenigsten eingeengten Kanäle fließen. Das Wasser hat demgemäß die Tendenz, sich in den Kanälen zu sammeln, in denen wenig oder kein Gas strömt. Demgemäß besteht die Tendenz zur Bildung von toten Punkten an verschiedenen Flächen über der Platte. Es wurde deshalb geschlußfolgert, daß das ungünstige Verhalten hervorgerufen wurde durch inadäquates Abführen des Produktwassers, das zu einer schlechten Gasströmungsverteilung auf der Kathodenseite führte.
In den 70er Jahren fabrizierte und verkaufte General Electric eine 12 Watt-Leistungsgeneratoreinheit unter dem Warenzeichen "PORTA- POWER". Diese Einheit umfaßte eine kunststoffbeschichtete Aluminiumplatte (nichtelektrisch leitend), die an einer Seite (der Wasserstoffseite) eine einzige, relativ breite 0,535 cm (0,25 Zoll) durchgehende Nut aufwies. Diese Platte diente nicht als ein Stromsammler. Da außerdem die Anodenseite (Wasserstoffseite) die einzige Nut aufwies, diente sie nicht dem Zweck der Abfuhr von Wasser aus der Einheit, das heißt Produktwasser wird nur auf der Kathoden-(Sauerstoff-)Seite gebildet. Darüber hinaus war bei der GE-Einheit der Stromsammler ein Niobmetallsieb (mit elektrischem Kontakt hergestellt an dem Rand der Elektrode).
Eine andere Variation des Strömungsfeldes nach dem Stand der Technik ist in U.S.-Patent Nr. 4,769,297 vom 6. September 1988 in dem Namen von Carl A. Reiser et al beschrieben. Diese Druckschrift beschreibt ein "Waffeleisenströmungsfeld", das eine Mehrzahl von diskontinuierlichen Fluidströmungspfaden umfaßt. Das Wasser wird beherrscht durch Verwendung von porösen Strömungsfeldplatten und hydrophilen Separatorplatten. Eine Druckdifferenz zwischen dem Sauerstoff- und Wasserstoffströmungsfeld zwingt das Wasser, aus der Zelle herauszufließen.
Gemäß der Erfindung wird eine Brennstoffzelle mit festem Polymerelektrolyt geschaffen, bei der im Betrieb flüssiges Wasser erzeugt wird, umfassend eine Fluidströmungsfeldplatte aus einem geeigneten elektrisch leitenden Material mit einem seitlich offenen Fluidströmungskanal, eine Fluideinspeiseöffnung und eine Fluidaustragöffnung in einer Hauptfläche derselben;
dadurch gekennzeichnet, daß die Platte eine Mehrzahl kontinuierlicher Fluidströmungskanäle umfaßt, wobei jeder solche Kanal eine größere zentrale Fläche der Oberfläche in einer Mehrzahl von Durchgängen durchsetzt und einen Fluideinlaß an einem Ende aufweist, der direkt verbunden ist mit der Fluideinspeiseöffnung, und einen Fluidauslaß am anderen Ende aufweist, der direkt verbunden ist mit der Fluidaustragöffnung, und wobei jeder solche Kanal eine hydrophobe Beschichtung darauf aufweist, so daß Wasser, das im Betrieb der Zelle erzeugt wird, durch die Fluidströmungskanäle in Richtung der Fluidaustragöffnung getrieben wird unter dem Druck des Fluids in den Kanälen.
Der Kanal kann einem serpentinenförmigen Pfad folgen.
Vorteilhafterweise durchsetzt der Kanal die Hauptfläche der Platte in einer Mehrzahl von alternierenden, dicht benachbarten längeren und kürzeren Strecken.
Ein Kanal kann in beiden Hauptflächen der Platte ausgebildet sein. Die Platte kann eine starre, nichtporöse Graphitplatte sein.
Vorteilhafterweise umfaßt der Kanal eine Basis und einander gegenüberliegende Seitenwandungen, die nach außen von der Basis aus in Richtung der offenen Seite divergieren. Die Basis des Kanals kann flach sein.
Der Kanal kann von gleichförmiger Tiefe über die gesamte Kanallänge sein.
Die hydrophobe Beschichtung kann ausgewählt werden aus der Gruppe, bestehend aus Polytetrafluorethylen und Silicon.
Die Fluidströmungsplatte umfaßt vorteilhafterweise mehrere separate, kontinuierliche, offenseitige Fluidströmungskanäle, wobei jeder Kanal seinen eigenen zugeordneten Fluideinlaß und -auslaß aufweist.
Vorteilhafterweise umfaßt die Fluidströmungsplatte ferner eine Fluidzufuhröffnung, definiert in der genannten Oberfläche, wobei jeder genannte Fluideinlaß und -auslaß der mehreren Kanäle direkt verbunden ist mit der Fluidzufuhröffnung beziehungsweise mit der Fluidabfuhröffnung.
Die zentrale Hauptfläche der Platte kann ausgenommen sein zur Aufnahme einer Elektrode der Brennstoffzelle. Einander gegenüberliegende Platten der Brennstoffzelle können zueinander passende Ausnehmungen umfassen.
Vorteilhafterweise sind die Hauptflächen benachbarter Kanalläufe durch Zwischenflächen getrennt. Die Zwischenflächen sind von einer Breite, die kleiner ist als die Breite der offenen Seite des Kanals.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt die Breite der offenen Seite des Kanals im Bereich von 0,076 bis 0,610 cm (0,030 bis 0,240 Zoll) und kann im Bereich von 0,102 bis 0,254 cm (0,040 bis 0,100 Zoll) liegen und wird vorteilhafterweise im Bereich von 0,114 bis 0,140 cm (0,045 bis 0,055 Zoll) sein und vorzugsweise etwa 0,127 cm (0,050 Zoll).
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Zwischenflächenbreite im Bereich von 0,025 bis 0,508 cm (0,010 bis 0,200 Zoll) und kann im Bereich von 0,051 bis 0,254 cm ( 0,020 bis 0,100 Zoll) liegen und ist vorteilhafterweise im Bereich von 0,089 bis 0,140 cm (0,035 bis 0,055 Zoll) und ist vorzugsweise etwa 0,102 cm (0,040 Zoll).
Das geeignete elektrisch leitende Material kann ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus Graphit, einem korrosionsfesten Material, vorzugsweise Niob, einem Basismetall, plattiert mit einem korrosionsfesten Metall, und einem Compositematerial, bestehend aus einem korrosionsfesten Metallpulver, einem Basismetallpulver, plattiert mit einem korrosionsfesten Metall oder anderen chemisch inerten, elektrischen leitenden Pulvern, vorzugsweise 10-30%/w von Polyvinylidenfluorid und 90-70%/w von Graphitpulver, gebunden mittels eines geeigneten Binders, vorteilhafterweise Polyvinylidenfluorid.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt die Kanaltiefe im Bereich von 0,025 bis 0,635 cm (0,010 bis 0,250 Zoll) und kann im Bereich von 0,076 bis 0,381 cm (0,030 bis 0,150 Zoll) liegen, ist vorteilhafterweise im Bereich von 0,102 bis 0,203 cm (0,040 bis 0,080 Zoll) und vorzugsweise etwa 0,127 cm (0,050 Zoll).
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ferner eine Brennstoffzelle mit festem Polymerelektrolyt der oben beschriebenen Art geschaffen, welche Fluidzelle ferner umfaßt:
eine Anode;
eine Kathode, und
einen festen Polymerelektrolyt, der zwischen der Anode und der Kathode eingebettet ist; und bei der
ein einander abgekehrtes Paar der Fluidströmungsfeldplatten in entsprechender Wirkverbindung mit der Anode und der Kathode angeordnet ist, wobei eine der Feldplatten ein erstes Fluidströmungsfeld aufweist nahe der Anode für die Zufuhr von Brennstoff zu ihr und Austrag von Reaktionsprodukten aus ihr, und die andere der Feldplatten ein zweites Fluidströmungsfeld nahe der Kathode aufweist für die Einspeisung eines Oxidationsmittels in sie und Austrag von Reaktionsprodukten aus ihr.

KURZBESCHREIBUNG DER BEGLEITENDEN ZEICHNUNGEN

Figur 1 ist eine Seitenansicht im Schnitt einer Elektrodenbaugruppe der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 ist eine Draufsicht auf eine Fluidströmungsfeldplatte zur Darstellung einer Ausführungsform einer kontinuierlichen, durchgehenden Nut in der Platte;
Figur 3 ist ein Endschnittdetail der Figur 2 zur Darstellung der Nut in vergrößertem Maßstab; und
Figur 4 ist eine Draufsicht auf eine Fluidströmungsfeldplatte, verwendet in der vorliegenden Erfindung mit mehreren Strömungskanälen, die jeweils direkt verbunden sind mit Einlaß- und Auslaßenden derselben an Zufuhr- beziehungsweise Abfuhröffnungen gemäß einer anderen Ausführungsform dieser Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFUHRUNGSBEISPIELE

Gemäß der Zeichnung, wie in Figur 1 dargestellt, wird eine Elektrodenbaugruppe 10 gehalten zwischen einem Paar von starren Fluidströmungsfeldplatten 12 und 13. Die Elektrodenbaugruppe 10 befindet sich in zentralen zueinander passenden Ausnehmungen 14, die in einander gegenüberliegenden Hauptplattenoberflächen 15 ausgebildet sind, und umfaßt eine Anode 16, eine Kathode 18 und einen festen Polymerelektrolyt 20, eingebettet zwischen Anode und Kathode. Man erkennt, daß eine einzige Ausnehmung in einer der Platten vorgesehen sein könnte, um dasselbe Ergebnis zu erzielen.
Die Fluidströmungsfeldplatten bestehen aus einem geeigneten elektrisch leitenden vaterial. Eine starre, nichtporöse Graphitplatte hat dich als brauchbar für die meisten Anwendungsfälle erwiesen. Graphit wird bevorzugt, weil es chemisch inert ist in dem vorliegenden Falle und billig. Andere geeignete Materialien umfassen korrosionsfeste Metalle, wie Niob, weniger korrosionsfeste Basismetalle, wie Magnesium oder Kupfer, wenn mit Edelmetallen plattiert, wie Gold oder Platin, um sie reaktionslos zu machen, und ein Compositematerial, bestehend aus einem korrosionsfesten Metallpulver, einem Basismetallpulver, plattiert mit einem korrosionsfesten Metall, oder andere chemisch inerte, elektrisch leitende Pulver, wie Graphit, Borcarbid, usw., gebunden mittels eines geeigneten Polymerbinders zum Erzeugen einer leitenden Platte.
Geeignete Polymerbinder umfassen thermoplastische Harze, geeignet für Spritzguß, wie Kynar, ein Warenzeichen für ein Polyvinylidenfluidmaterial, hergestellt von Penwalt.
Typische Composite umfassen 90-70% hochreines Graphitpulver und 10-30% Polyvinylidenfluorid.
Wie am besten in Figur 2 erkennbar, ist in der Hauptplattenoberfläche 15 (typischerweise mittels einer numerisch gesteuerten, maschinellen Bearbeitung, Stanzen oder Guß) ein einziger kontinuierlicher Fluidströmungskanal 22 ausgebildet, welcher Kanal einen Fluideinlaß 24 an einem Ende und einen Fluidauslaß 26 am anderen Ende aufweist. Der Fluideinlaß 24 ist direkt verbunden mit einer Fluidzufuhröffnung 25 in der Platte und der Fluidauslaß 26 ist direkt verbunden mit einer Fluidabfuhröffnung 27 in der Platte.
Die offene Seite 23 des Kanals erstreckt sich längs seiner gesamten Länge. Die Fluidöffnung ist verbunden mit einer Brennstoffquelle (nicht dargestellt) für die Platte nahe der Anode oder einer Oxidationsmittelquelle (nicht dargestellt) für die Platte nahe der Kathode. Man erkennt, daß der Kanal 22 einen größeren zentralen Bereich der Platte 12 in einer Mehrzahl von Durchgängen durchsetzt entsprechend der Fläche der Anode oder Kathode, der sie nach Zusammenbau naheliegt.
In der dargestellten Ausführungsform folgt der Kanal einem Serpentinenpfad. Nichtserpentinenförmige Kanalanordnungen können verwendet werden unter der Voraussetzung, daß sie kontinuierlich sind. Zum Maximieren der Überdeckung der Elektrodenoberfläche durchsetzt der Kanal die Platte in einer Mehrzahl von alternierenden längeren und kürzeren dicht beabstandeten Durchgängen. Vorzugsweise sind die Platten derart angeordnet, daß die längeren Durchgänge der einen Platte im wesentlichen rechtwinklig stehen zu den längeren Durchgängen der gegenüberliegenden Platte. Dies dient der Eliminierung der Schwierigkeiten in der Anpassung gegenüberliegender Plattenoberflächen und zum Ermöglichen der Anwendung von unterschiedlichen Strömungsfeldstrukturen auf einander gegenüberliegenden Platten.
In Figur 3 ist der Kanal im Querschnitt dargestellt. Der Kanal 22 wird begrenzt von einer flachen Basis 29 und gegenüberliegenden Seitenwandungen 30, die von der Basis in Richtung der offenen Seite 23 nach außen divergieren. Die Form des Kanals ist generell unkritisch. Beispielsweise könnte die Basis abgerundet sein zur Bildung eines U-förmigen Kanals. Der Kanal ist wie dargestellt geformt zur Minimierung des Werkzeugverschleißes. Vorzugsweise hat der Kanal gleichförmige Tiefen über seine gesamte Länge. Eine Konstruktion, bei der die Seitenwandungen in Richtung der offenen Seite konvergieren würden, wäre weniger wünschenswert. Eine Serie von im wesentlichen parallelen Zwischenflächen 32 wird demgemäß zwischen den längeren Kanalläufen definiert. Die Konstruktion verbessert auch die genaue maschinelle Bearbeitung des Kanals.
Nach dem Zusammenbau liegen die Zwischenflächen 32 zwischen den Kanälen an der Platte nahe der Anode in Kontakt mit der Anode, und die Zwischenflächen 32 zwischen den Kanälen auf der Platte nahe der Kathode sind in Kontakt mit der Kathode. Demgemäß dienen die elektrisch leitenden Platten auch als Stromsammler.
Generell liegt die Breite der offenen Seite des Kanals im Bereich von 0,076 bis 0,610 cm (0,030 bis 0,240 Zoll). Ein bevorzugter Bereich ist 0,102 bis 0,254 cm (0,040 bis 0,100 Zoll); der bevorzugteste Bereich liegt bei 0,114 bis 0,140 cm (0,045 bis 0,055 Zoll). Für die meisten Anwendungen hat sich eine Breite der offenen Seite von etwa 0,127 cm (0,050 Zoll) als akzeptabel erwiesen.
Wir stellen auch als wünschenswert fest, daß die offene Seite des Kanals etwas breiter ist als die Zwischenflächen. Generell sind Breiten der Zwischenflächen im Bereich von 0,025 bis 0,508 cm (0,010 bis 0,200 Zoll) in Erwägung zu ziehen. Ein bevorzugter Bereich ist 0,051 bis 0,254 cm (0,020 bis 0,100 Zoll); der bevorzugteste Bereich liegt bei 0,089 bis 0,140 cm (0,035 bis 0,055 Zoll). Typischerweise verwenden wir eine Zwischenflächenbreite von etwa 0,102 cm (0,040 Zoll).
Bezüglich der Kanaltiefe ziehen wir einen Bereich von 0,025 bis 0,635 cm (0,010 bis 0,250 Zoll) in Erwägung. Ein bevorzugter Bereich ist 0,076 bis 0,381 cm (0,030 bis 0,150 Zoll); der bevorzugteste Bereich ist 0,102 bis 0,203 cm (0,040 bis 0,080 Zoll). Die typische Kanaltiefe beträgt etwa 0,127 cm (0,050 Zoll).
Man erkennt, daß die vorgenannten Abmessungen einen Kompromiß darstellen zwischen dem elektrochemischen Verhalten und der mechanischen Festigkeit, die für die Abstützung der Elektroden erforderlich ist. Demgemäß sind die Abmessungen variabel innerhalb der angegebenen Bereiche, abhängig von dem Anwendungsfall.
Die Kanäle sind mit einer hydrophoben Beschichtung darauf versehen zum Herabsetzen der Benetzungseffekte. Geeignete hydrophobe Beschichtungen umfassen Polymere, wie Polytetrafluorethylen und Silicon.
Im Betrieb liefert die Fluidströmungsfeldplatte an der Anode Brennstoff, in diesem Fall wasserstoffreiches Gas, zu der Anode und die Fluidströmungsplatte an der Kathode liefert ein Oxidationsmittel (entweder reinen Sauerstoff oder Luft) an die Kathode. Durch Verwendung eines einzigen kontinuierlichen Kanals, der die Platte durchsetzt und demgemäß die benachbarte Elektrodenoberfläche in einer Mehrzahl von alternierenden längeren und kürzeren, in dichtem Abstand verlaufenden Durchgängen, wird der Zutritt von entsprechenden Brennstoff- und Oxidationsmittelgasen zu im wesentlichen der gesamten Anoden- beziehungsweise Kathodenoberfläche sichergestellt.
Wie oben angegeben, wird, weil die Betriebstemperatur der Zelle unterhalb des Verdampfungspunktes von Wasser beim Betriebsdruck liegt und ein unbeweglicher, fester Elektrolyt verwendet wird, als Reaktionsprodukt gebildetes Wasser aus der Kathode in den Gasstrom als eine Flüssigkeit ausgetrieben. Um demgemäß eine effiziente Zellengüte zu schaffen, muß das flüssige Wasser ausgetragen werden, sobald es gebildet worden ist, um das Blockieren des Kanals zu verhindern (ein Problem des Standes der Technik), was mit dem Zutritt des Sauerstoffs zu der Kathode inzerferieren würde. Die neuartige kontinuierliche Kanalausgestaltung des Anmelders stellt sicher, daß gebildetes Wasser von dem Gasstrom durch den Kanal gefördert wird und aus der Zelle ausgetragen wird. Demgemäß können sich keine toten Flecken an irgendeinem Punkt der Betriebsoberfläche der Kathode infolge Wasseransammlung bilden.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht den einfachen Austrag des Wassers bei seiner Bildung in dem Kanal. Insbesondere begünstigt die Kanalkonstruktion die Bewegung des Wassers, bevor es sich bis zu dem Punkt ansammeln kann, daß ein großer Wassertropfen sich bildet und eine erhebliche Kraft dann erforderlich ist, um den gebildeten Tropfen auszutragen. Die Strömung des Oxidationsgases, typischerweise Sauerstoff, bewegt das Wasser längs des Kanals.
Wenn darüber hinaus mit Luft als Oxidationsmittel gearbeitet wird, wird der Sauerstoff in der Luft konsumiert und reduziert den Sauerstoffpartialdruck in der Luft. Die Zellengüte ist empfindlich gegenüber dem Sauerstoffpartialdruck. Um eine teilweise Kompensation zu erzielen, wird die Strömungsrate bei Verwendung von Luft erhöht. Um darüber hinaus eine hohe, stabile Güte während der Verwendung von Luft zu erzielen, ist es wünschenswert, einen längs der gesamten Länge des Kanals und demgemäß über der gesamten Zelle so gleichförmigen Sauerstoffpartialdruck vorzusehen wie möglich. Da das Erzielen eines gleichförmigen Sauerstoffpartialdrucks nicht praktisch ist, ist die nächstbeste Lösung ein gleichförmiger und gesteuerter Sauerstoffpartialdruckabfall über der Zelle. Dies kann bewirkt werden durch die Anwendung der Fluidströmungsfeldplatte der vorliegenden Erfindung.
Da, genauer gesagt, die Luft einen einzigen Kanal für die Strömung durch die Zelle besitzt, wird sie demgemäß gleichförmig verteilt. Da die gleichförmige Verteilung sequentiell ist, ist die Sauerstoffkonzentration am höchsten bei der Zuführung und fällt linear über der Länge des Strömungskanals ab. Dies ist höchst vorteilhaft, da die Sauerstoffkonzentration an jedem Punkt berechenbar ist oder gemessen werden kann und demgemäß genau gesteuert werden kann.

BEISPIELE

Beispiel 1.

Eine Brennstoffzelle, die eine Kathoden- und eine Anodenströmungsfeldplatte nach dem Stand der Technik besitzt (d.h. die vorerwähnte General Electric-Kanalanordnung mit separater paralleler Strömung), und eine Standard-Membranelektrolyt/Elektrodenbaugruppe mit einer aktiven Elektrodenfläche von 0,0046 m² (0,05 ft2) wurde mit Wasserstoff und Luft bei einer Luftströmungsrate von 0,09 m³/hr (3,18 ft³/hr) betrieben. Nach einer Betriebsstunde über einer festen, resistiven Belastung von 0,0225 ohm bei einer Temperatur von 54ºC (130ºF) wurde das nachstehende Verhalten aufgezeichnet. Stromdichte Zellenklemmenspannung (V) Flächenleistungsdichte

Beispiel 2.

Alle experimentellen Bedingungen waren dieselben wie im Beispiel 1, mit der Ausnahme, daß die Kathodenströmungsfeldplatte ersetzt wurde durch eine Strömungsfeldplatte, wie in Figur 2 dargestellt. Nach einer Betriebsstunde über derselben festen, resistiven Belastung wurde das folgende Verhalten aufgezeichnet. Stromdichte Zellenklemmenspannung (V) Flächenleistungsdichte
Es ist festzuhalten, daß die aus der Brennstoffzelle erzielbare Leistung sich um etwa 50% vergrößert hat.
Demgemäß wird bei Verwendung eines einzigen kontinuierlichen Pfades, beispielsweise des Serpentinenpfades gemäß Figur 2, Wasser effektiv aus der Zelle ausgetragen durch Aufrechterhalten von Überschußoxidationsmittel- und Wasserstoffgasströmung. Wasser kann auf der Wasserstoffseite erzeugt werden infolge Kondensation oder aufgrund anderer Faktoren, doch erfolgt die Hauptwasserbildung auf der Oxidationsmittelseite. Mit der Erzeugung des Wassers wird es längs der Länge des Pfades durch die überschußgasströmung getrieben und aus der Zelle ausgetrieben. Insbesondere mit dem einzigen serpentinenförmigen Pfad wird selbst dann, wenn flüssiges Wasser sich in dem Kanal sammelt, das Wasser ausgetragen. Die Verwendung eines einzigen Serpentinenkanalpfades stellt auch sicher, daß keine "Kanalbildung" an irgendeinem Punkt in der Arbeitsfläche der Plattenoberfläche auftreten kann und tote Stellen vermieden werden, weil Wasser kontinuierlich von der Arbeitsoberfläche der Elektrode abgeführt wird. Man erkennt demgemäß, daß zwar Wasserbildung und gleichförmiger (gesteuerter) Sauerstoffzugang Probleme sind, die hauptsächlich die Kathodenseite beeinflussen, die neuartige Plattenkonstruktion ebenfalls brauchbar ist auf der Anodenseite.
In Mehrzellenanordnungen kann auch die andere Hauptoberfläche der Platte ebenfalls einen kontinuierlich verlaufenden Kanal aufweisen. Die beiden Strömungsfelder auf gegenüberliegenden Seiten einer solchen einzigen sogenannten "bipolaren" Platte liefern das Brennstoffgas zur Anode einer Zelle und das Oxidationsmittelgas zur Kathode der benachbarten Zelle.
Für Anwendungsfälle höherer Stromdichte, insbesondere bei Betrieb mit Luft als Oxidationsmittel oder mit sehr großen Fluidströmungsfeldplatten (aktive Elektrodenflächen von etwa 0,024 m² (0,25 ft²) pro Zelle), hat der einzige kontinuierliche Kanal Beschränkungen. Die erhöhte Gasströmung, die erforderlich ist für das gute Verhalten auf der Kathodenseite, führt zu einem hohen Druckabfall vom Zufuhreinlaß zum Abfuhrauslaß des Kanals. Es ist demgemäß wünschenswert, wenn mit Luft gearbeitet wird, den Druckabfall über der Zelle zu begrenzen und demgemäß die parasitäre Leistung zu minimieren, die erforderlich ist, um die Luft unter Druck zu setzen. Demgemäß sind mehrere kontinuierliche, getrennte Strömungskanäle vorgesehen, die die Platte typischerweise in der gleichen Serpentinenart durchsetzen.
Die beigefügte Figur 4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Mehrkanalströmungsplatte gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Wie erkennbar, weist die Hauptfläche 42 darin eine Anzahl von Strömungskanälen ausgebildet auf (von denen einige mit Bezugszeichen 44 identifiziert sind), welche einem generell serpentinenförmigen Pfad folgen zwischen Fluidzufuhr- und -abfuhröffnungen 45 beziehungsweise 47. Jeder Kanal 44 umfaßt ein Einlaßende 46 und Auslaßende 48 in direkter Verbindung mit der Fluidzufuhr- beziehungsweise -abfuhröffnung 45 beziehungsweise 47. Insoweit sind die öffnungen 45 und 47 jedem der Kanäle 44 zugeordnet. Obwohl zehn (10) einzelne Kanäle 44 zufällig in Figur 4 dargestellt sind, versteht es sich, daß eine größere/kleinere Anzahl von Kanälen 44 vorgesehen sein könnte.
Wie für Fachleute erkennbar im Licht der vorstehenden Offenbarung, sind viele Abwandlungen und Modifikationen in der Praxis der Erfindung möglich, ohne von dem Geist oder Schutzumfang derselben abzuweichen. Demgemäß soll der Schutzumfang der Erfindung abgeleitet werden gemäß der Substanz, die in den nachfolgenden Ansprüchen wiedergegeben ist.

Claims

1. Eine Brennstoffzelle mit festem Polymerelektrolyt, bei der im Betrieb flüssiges Wasser erzeugt wird, umfassend eine Fluidströmungsfeldplatte aus einem geeigneten elektrisch leitenden Material mit einem seitlich offenen Fluidströmungskanal, eine Fluideinspeiseöffnung und eine Fluidaustragöffnung in einer Hauptfläche derselben;

dadurch gekennzeichnet, daß die Platte eine Mehrzahl kontinuierlicher Fluidströmungskanäle umfaßt, wobei jeder solche Kanal eine größere zentrale Fläche der Oberfläche in einer Mehrzahl von Durchgängen durchsetzt und einen Fluideinlaß an einem Ende aufweist, der direkt verbunden ist mit der Fluideinspeiseöffnung, und einen Fluidauslaß am anderen Ende aufweist, der direkt verbunden ist mit der Fluidaustragöffnung, und wobei jeder solche Kanal eine hydrophobe Beschichtung darauf aufweist, so daß Wasser, das im Betrieb der Zelle erzeugt wird, durch die Fluidströmungskanäle in Richtung der Fluidaustragöffnung getrieben wird unter dem Druck des Fluids in den Kanälen.

2. Eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1, bei der der Kanal einem serpentinenförmigen Pfad folgt.

3. Eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der der Kanal die Hauptfläche der Platte in einer Mehrzahl von alternierenden, dicht benachbarten längeren und kürzeren Strecken durchsetzt.

4. Eine Brennstoffzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der ein Kanal in beiden Hauptflächen der Platte ausgebildet ist.

5. Eine Brennstoffzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Platte eine starre, nicht poröse Graphitplatte ist.

6. Eine Brennstoffzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Kanal eine Basis und einander abgekehrte Seitenwandungen aufweist, die nach außen von der Lasis in Richtung der offenen Seite divergieren.

7. Eine Brennstoffzelle nach Anspruch 6, bei der die Basis des Kanals flach ist.

8. Eine Brennstoffzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Kanal von gleichförmiger Tiefe über die gesamte Länge des Kanals ist.

9. Eine Brennstoffzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die hydrophobe Beschichtung ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Polytetrafluorethylen und Silicon.

10. Eine Brennstoffzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend eine Mehrzahl getrennter kontinuierlicher, seitlich offener Fluidströmungskanäle, wobei jeder Kanal einen eigenen zugeordneten Fluideinlaß und -auslaß aufweist, welche direkt verbunden sind mit der Fluideinspeiseöffnung beziehungsweise der Fluidaustragöffnung.

11. Eine Brennstoffzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die zentrale Hauptfläche der Platte eingesenkt ist zur Aufnahme einer Elektrode der Brennstoffzelle.

12. Eine Brennstoffzelle nach Anspruch 11, bei der einander abgekehrte Platten in der Brennstoffzelle aneinander angepaßte Einsenkungen aufweisen.

13. Eine Brennstoffzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der benachbarte Kanal strecken der Hauptfläche von Zwischenflächen getrennt sind.

14. Eine Brennstoffzelle nach Anspruch 13, bei der die Zwischenflächen eine Breite aufweisen, die kleiner ist als die Breite der offenen Seite des Kanals.

15. Eine Brennstoffzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Breite der offenen Seite des Kanals im Bereich von 0,076 bis 0,610 cm (0,030 bis 0,240 Zoll) ist, und im Bereich von 0,102 bis 0,254 cm (0,040 bis 0,100 Zoll) sein kann, und vorteilhafterweise im Bereich von 0,114 bis 0,140 cm (0,045 bis 0,055 Zoll) ist, und vorzugsweise etwa 0,127 cm (0,050 Zoll) ist.

16. Eine Brennstoffzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Zwischenflächenbreite im Bereich von 0,025 bis 0,508 cm (0,010 bis 0,200 Zoll) ist, und im Bereich von 0,051 bis 0,254 cm (0,020 bis 0,100 Zoll) sein kann, und vorteilhafterweise im Bereich von 0,089 bis 0,140 cm (0,035 bis 0,055 Zoll) ist, und vorzugsweise etwa 0,102 cm (0,040 Zoll) ist.

17. Eine Brennstoffzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das geeignete elektrisch leitende Material ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Graphit; einem korrosionsfesten Material, vorteilhafterweise Niob; einem Basismetall, plattiert mit einem korrosionsfesten Metall; und einem Compositematerial, bestehend aus einem korrosionsfesten Metallpulver, einem Basismetallpulver, plattiert mit einem korrosionsfesten Metall- oder anderen chemisch inerten, elektrisch leitenden Pulvern, vorteilhafterweise 10 bis 30 Gew.-% von Polyvinylidenfluorid und 90 bis 70 Gew.-% Graphitpulver, gebunden mit einem geeigneten Binder, vorteilhafterweise Polyvinylidenfluorid.

18. Eine Brennstoffzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Kanaltiefe im Bereich von 0,025 bis 0,635 cm (0,010 bis 0,250 Zoll) ist, und im Bereich von 0,076 bis 0,381 cm (0,030 bis 0,150 Zoll) sein kann, und vorteilhafterweise im Bereich 0,102 bis 0,203 cm (0,040 bis 0,080 Zoll) ist, und vorzugsweise etwa 0,127 cm (0,050 Zoll) ist.

19. Eine Brennstoffzelle mit festem Polymerelektrolvt nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Brennstoffzelle ferner umfaßt:

eine Anode;

eine Kathode, und

einen festen Polymerelektrolyt, der zwischen der Anode und der Kathode eingebettet ist; und bei der

ein einander abgekehrtes Paar der Fluidströmungsfeldplatten in entsprechender Wirkverbindung mit der Anode und der Kathode angeordnet ist, wobei eine der Feldplatten ein erstes Fluidströmungsfeld aufweist nahe der Anode für die Zufuhr von Brennstoff zu ihr und Austrag von Reaktionsprodukten aus ihr, und die andere der Feldplatten ein zweites Fluidströmungsfeld nahe der Kathode aufweist für die Einspeisung eines Oxidationsmittels in sie und Austrag von Reaktionsprodukten aus ihr.