DE69929236T2

DE69929236T2 - Bipolare platte für brennstoffzellen

Info

Publication number: DE69929236T2
Application number: DE69929236T
Authority: DE
Inventors: Barrett May; Ronald David HODGSON
Original assignee: Ineos Chlor Enterprises Ltd
Current assignee: Inovyn Enterprises Ltd
Priority date: 1998-10-08
Filing date: 1999-09-27
Publication date: 2006-08-31
Anticipated expiration: 2019-09-28
Also published as: MY124618A; GB9821856D0; WO2000022689A1; EP1129501B1; DE69929236D1; ATE314733T1; CN1237636C; AU770345B2; KR100670995B1; DK1129501T3; ES2253915T3; NO20011685L; AU6105799A; TW513824B; ZA200103386B; AR020758A1; CA2346424A1; CN1322384A; AU770345C; ID28621A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf bipolare Platten für Brennstoffzellen, auf Brennstoffzellen, die derartige Platten aufweisen, und insbesondere auf so genannte Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen.
Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, in der Elektrizität ohne Verbrennung von fossilem Brennstoff erzeugt wird. In einer Brennstoffzelle wird ein Brennstoff, der typischerweise Wasserstoff ist, an einer Brennstoffelektrode (Anode) oxidiert, und Sauerstoff, typischerweise aus Luft, wird an einer Kathode reduziert, um einen elektrischen Strom zu erzeugen und das Nebenprodukt Wasser zu bilden. Ein Elektrolyt ist erforderlich, der in Kontakt mit beiden Elektroden ist und der alkalisch oder sauer, flüssig oder fest sein kann.
Wärme und Wasser sind die einzigen Nebenprodukte der elektrochemischen Reaktion in Sauerstoffzellen, bei denen der Brennstoff Wasserstoff ist. Demgemäß bietet die Verwendung derartiger Zellen bei der Energieerzeugung potentielle Umweltvorteile verglichen mit der Energieerzeugung durch Verbrennung von fossilen Brennstoffen oder durch Nukleartechnik.
In Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen, die aus Zweckmäßigkeitsgründen nachfolgend als "PEM"-Brennstoffzellen bezeichnet werden, ist der Elektrolyt eine feste Polymermembran, die einen Transport von Protonen von der Anode zu der Kathode ermöglicht und typischerweise auf Perfluorsulfonsäurematerialien beruht. Der Elektrolyt muss während des Betriebs in einer hydrierten Form aufrechterhalten werden, um einen Verlust von ionischer Leitung durch den Elektrolyten zu verhindern.
Eine PEM-Brennstoffzelle weist typischerweise zwei Elektroden auf, eine Anode und eine Kathode, die durch einen Protonenaustausch-Membranelektrolyten getrennt sind. An der Anode wird Wasserstoff Brennstoff katalytisch in freie Elektronen und Protonen dissoziiert. Die freien Elektronen werden in der Form von verwendbarem elektrischem Strom durch die externe Schaltung geleitet, mit der die Brennstoffzelle in elektrischem Kontakt ist. Die Protonen wandern durch den Membranelektrolyten zu der Kathode, an der sie sich mit Sauerstoff aus der Luft und Elektronen aus der externen Schaltung vereinigen, um Wasser zu bilden und Wärme zu erzeugen. Individuelle Brennstoffzellen können zu Anordnungen kombiniert werden, die häufig als Pakete bezeichnet werden, um die erforderliche Leistungsmenge zu erhalten.
Eine PEM-Brennstoffzellenanordnung weist mehrere derartiger individueller Zellen auf. In einer Brenn stoffzellenanordnung spielen bipolaren Platten, auch bekannt als Fluidströmungs-Feldplatten, eine bedeutende Rolle. Die bipolare Platte wird mit Oberflächenmerkmalen hergestellt, beispielsweise einer Reihe von Welligkeiten oder einem Serpentinenmuster, die Gasströmungskanäle bilden, die eine im Wesentlichen gleichmäßige Verteilung von zugeführten Gasen über die Elektrodenoberflächen sicherstellen. Die bipolare Platte sollte eine hohe elektrische Leitfähigkeit haben, da ein ohmscher Verlust in der Platte den Gesamtwirkungsgrad der Anordnung herabsetzt.
Aus Metallen gebildete bipolare Platten für Brennstoffzellen, hier als bipolare Polgitter bezeichnet, wurden von Douglas et al in US 3 134 696 beschrieben. Bipolare Platten für Brennstoffzellen, die aus Kohlenstoff/Polymer-Verbundkörpern gebildet sind, die dort als bipolare Stromkollektoren/-separatoren bezeichnet sind, wurden von Lawrence in US 4 214 969 beschrieben. Bipolare Platten für Brennstoffzellen, die aus Graphit gebildet sind, welche dort als Fluidströmungs-Feldplatten bezeichnet sind, wurden von Wilkinson et al in WO 95/16287 beschrieben.
Wir haben nun gefunden, dass die elektrische Leitfähigkeit von bipolaren Platten für Brennstoffzellen erhöht werden kann, indem sie mit einer Beschichtung aus einem elektrokatalytisch aktiven Material versehen werden. "Elektrokatalytisch aktives Material" bedeutet ein Material, das, wenn es als eine Elektrode oder Beschichtung für diese verwendet wird, elektrochemische Reaktionen bei hohen Stromdichten bei Potentialen nahe dem Gleichgewichtspotential katalysiert, wie im Einzelnen von R. Greef et al in "Instrumental Methods in Electrochemistry", Ellis Horwood, 1990 und D. Pletcher et al in "Industrial Electrochemistry", Chapman and Hall, 1990, beschrieben ist.
Gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine bipolare Platte für Brennstoffzellen vorgesehen zum (a) Leiten von Strom von der Anode einer Zelleneinheit zu der Kathode der benachbarten Zelleneinheit und/oder (b) Verteilen von Fluid, wobei die Platte ein Substrat mit einer Beschichtung aus einem elektrokatalytisch aktiven Material, das Rutheniumoxid enthält, aufweist.
Die bipolare Platte gemäß der vorliegenden Erfindung ist mit Oberflächenmerkmalen versehen, beispielsweise einer ungleichförmigen Struktur in der Ebene, die regelmäßig oder unregelmäßig sein kann, beispielsweise eine Reihe von Welligkeiten oder ein Serpentinenmuster, die Gasströmungskanäle vorsehen, welche eine im Wesentlichen gleichförmige Verteilung von Brennstoff, z.B. zugeführten Gasen, über die Elektrodenoberflächen sicherstellen und den Transport von Nebenprodukten, z.B. Wasser, von diesen erleichtern.
Derartige Oberflächenmerkmale können durch bekannte Techniken gebildet werden, beispielsweise Prägen oder Spritzgießen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoffzellenanordnung gemäß den hier angefügten Ansprüchen 19, 20 und 21 vorgesehen.
Die Anode und die Kathode in der Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung können Einzelkomponenten sein, sind aber vorzugsweise als integrale Teile einer einzelnen Einheit vorgesehen, wie im Einzelnen in WO 95/16287 beschrieben ist.
In der Brennstoffzellenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung können die mehreren Zelleneinheiten in bipolarer oder monopolarer Konfiguration verbunden sein, wie im Einzelnen von Kordesch und Simader in "Fuel Cells and Their Applications", VCH, 1996, Seiten 49–50 beschrieben ist.
Die Brennstoffzelle und die Brennstoffzellenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung sind über die Stromsammelmittel mit einer externen Schaltung verbunden.
Wenn die Brennstoffzelle und die Brennstoffzellenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung in der Form einer bipolaren Konstruktion sind, sind die Stromsammelmittel vorzugsweise Stromkollektoranschlüsse, vorteilhafter aufweisend bipolare Platten gemäß der vorliegenden Erfindung.
Während sowohl die Brennstoffzellenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung als auch die bipolare Platte gemäß der vorliegenden Erfindung typischerweise eben sind, wird nicht die Möglichkeit ausgeschlossen, dass sie zylindrisch oder rohrförmig sind.
Es wird nicht die Möglichkeit ausgeschlossen, dass die Brennstoffzelle, die Brennstoffzellenanordnung und die bipolare Platte gemäß der vorliegenden Erfindung in Brennstoffzellen mit flüssigen Elektrolyten wie Phosphorsäure und so genannten "Direkt-Methanol"-Brennstoffzellen verwendet werden können.
Die elektrokatalytisch aktive Beschichtung, die die bipolare Platte gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist, enthält typischerweise zusätzlich zu Rutheniumoxid ein Metall, Metalloxid oder Mischungen hiervon aus der Gruppe 8 der periodischen Tabelle der Elemente, nämlich Fe, Co, Ni, Ru Rh, Pd, Os, Ir und Pt.
Geeignete elektrokatalytisch akaive Beschichtungen, die Mischungen aus Rutheniumoxid, Oxide nichtedler Metalle und Edelmetalle oder Oxide von diesen aufweisen, sind beschrieben in unserem EP-A-O 479 423.
Die elektrokatalytisch aktive Beschichtung ist vorzugsweise Rutheniumoxid oder Mischungen von Rutheniumoxid mit zumindest einem von PtO, Sb₂O₃, Ta₂O₅, PdO, CeO₂ und CO₃O₄, oder vorzugsweise eine Mischung von RuO₂ mit zumindest einem von TiO₂, SnO₂, IrO₂.
Wenn die elektrokatalytisch aktive Beschichtung eine Mischung aus Rutheniumoxid und einem anderen Oxid aufweist, kann der Gehalt von Rutheniumoxid in dem Bereich bis zu 100 mole sein und beträgt typischerweise 5–90 mol%.
Die Dicke der elektrokatalytisch aktiven Beschichtung auf der bipolaren Elektroden kann in dem Bereich von 0,5–400 gm^–2 sein und beträgt typischerweise 1 -90 gm^–2
Es wird die Möglichkeit nicht ausgeschlossen, dass die elektrokatalytisch aktive Beschichtung eine Zwischenschicht zwischen dem Substrat und der äußeren Schicht aufweisen kann. Als Beispiele für derartige Zwischenschichten können unter anderen die wärmebehandelte Nioboxidschicht und die Tantalschicht, die in EP-A-052986 bzw. EP-A-O 107 934 beschrieben sind, erwähnt werden.
Wenn die Beschichtung Rutheniumoxid enthält, kann sie mehrere unterschiedliche Schichten aufweisen, bei spielsweise eine Schicht aus RuO₂/TiO₂ und eine Schicht aus RuO₂, SnO₂.
Auch ist gemäß der vorliegenden Erfindung eine PEM-, Phosphorsäure- oder Direkt-Metrianol-Brennstoffzellenanordnung gemäß dem hier angefügten Anspruch 22 vorgesehen.
Das Substrat, welches die bipolare Elektrode aufweist, ist typischerweise ein Metall, das aus Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Ag, Pt, Ta, Pb, Al oder Legierungen hiervon, vorzugsweise Titan oder rostfreier Stahl, ausgewählt ist.
Jedoch wird die Möglichkeit nicht ausgeschlossen, dass das Substrat aus einem nichtmetallischen Material gebildet ist, beispielsweise Graphit, Kohlenstofffaserpapier, Kohlenstofffasertuch, Ebonex (eingetragene Marke), oder ein organisches polymerisches Material, z.B. mit Kohlenstoff gefülltes Polypropylen.
Die elektrokatalytisch aktiven Beschichtungen können auf das Substrat aufgebracht werden durch beispielsweise Aufstreichen einer Lösung aus Zwischenstoffen, gefolgt durch thermische Versetzung, thermisches Aufsprühen, Siebdruck von Metalllegierungen, physikalische Dampfabscheidung (PVD), chemische Dampfabscheidung (CVD), Elektroplattieren, stromloses Plattieren oder Sprühpyrolyse.
Die Anwendung einer elektrokatalytisch aktiven Beschichtung mit einer äußeren Schicht aus Rutheniumoxid und einem Nichtedelmetalloxid auf ein Substrat durch PVD ist im Einzelnen in unserer WO 95/05499 beschrieben.
Die Aufbringung einer elektrokatalytisch aktiven Beschichtung mit einer äußeren Schicht aus Rutheniumoxid und einem Nichtedelmetalloxid auf ein Substrat durch thermisches Sprühen ist im Einzelnen in unserer WO 95/05498 beschrieben.
Die Aufbringung einer elektrokatalytisch aktiven Beschichtung mit einer äußeren Schicht aus Platin und/oder Platinoxid und Ruthenium und/oder Rutheniumoxid durch PVD ist im Einzelnen in unserer WO 96/24705 beschrieben.
Es wird nicht die Möglichkeit ausgeschlossen, dass unterschiedliche Beschichtungen auf verschiedene Oberflächen der bipolaren Platte gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebracht werden können.
Wasserstoffbrennstoff für die Verwendung in der Brennstoffzellenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung kann erhalten werden aus beispielsweise Erdgas oder Methanol. Sauerstoff für die Verwendung in der Brennstoffzellenanordnung gemäß dem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann aus Luft erhalten werden.
Es ist vorgesehen, dass bei der Brennstoffzellenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung deren Komponenten mit ausgerichteten Öffnungen, z.B. Schlitzen, versehen können, um einen Verteiler zu bilden, der eine Strömung von Brennstoffgas und Oxidierungsgas von den Mitteln zum Zuführen derartiger Gase zu der Zelle zu den Anoden bzw. Kathoden ermöglicht.
Die vorliegende Erfindung wird illustriert durch Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung, die nur im Wege eines Beispiels eine Brennstoffzellenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung illustriert.
In den Zeichnungen haben ionendurchlässige Membranen (1) und (2) Kathodenelektroden (3) bzw. (4) und nicht gezeigte Anodenelektroden, die mit jeder ihrer Hauptoberflächen verbunden sind. Eine bipolare Platte (5) gemäß der vorliegenden Erfindung, die Oberflächenmerkmalen (6) versehen ist, befindet sich zwischen den iondendurchlässigen Membranen (1) und (2) in Kontakt mit den Elektrodenoberflächen hiervon. Endplatten (7) und (8) , die mit Leitern (9) und (10) zum Liefern von in der Zellenanordnung erzeugtem elektrischem Strom zu einer externen Schaltung versehen sind, befinden sich benachbart in Membranen (1) bzw. (2).
In der Anordnung wird die Membran (1) fest zwischen der Endplatte (7) und der bipolaren Platte (5) gehalten, um eine Oxidationsgaskammer (11) und eine Brennstoffgaskammer (12) zu bilden. In gleicher Weise wird die Membran (1) fest zwischen der Endplatte (8) und der bipolaren Platten (5) gehalten, um eine Oxidationsgaskammer (13) und eine Brennstoffgaskammer (14) zu bilden.
Wasserstoffbrennstoff wird zu den Anoden in den Brennstoffgaskammern (12) und (14) über eine Brennstoffgas-Einlassleitung (15) geliefert, und Nebenprodukte werden über eine Leitung (16) entfernt.
Oxidationsgas wird zu den Kathoden (3) und (4) in den Oxidationsgaskammern (11) und (13) über eine Oxidationsgas-Einlassleitung (17) geliefert, und Nebenprodukte werden über eine Leitung (18) entfernt.
Öffnungen (19) und (20), die sich in entgegengesetz ten Ecken der Membranen (1) und (2) befinden, sind ausgerichtet mit der Wasserstoffgas-Einlass- und der Auslassleitung (15) und (16) sowie mit Öffnungen (21) und (22) in der bipolaren Platte (5), um den Durchgang von Wasserstoff-Brennstoffgas in die Brennstoffkammern (12) und (14) zu erleichtern und die Nebenprodukte aus diesen zu entfernen.
Nicht gezeigte Öffnungen und Öffnungen (23), die sich in entgegengesetzten Ecken der Membranen (1) und (2) befinden, sind ausgerichtet mit Oxidationsmittel-Einlass- und Auslassleitungen (17) und (18) und mit der Öffnung (24) und einer anderen nicht gezeigten in der bipolaren Platte (5), um den Durchgang von Oxidationsgas in die Oxidationskammern (11) und (13) zu erleichtern und Nebenprodukte aus dieser zu entfernen.
Die Endplatten (7) und (8), die Membranen (1) und (2) und die bipolare Platte (5) sind jeweils mit mehreren Öffnungen (25) versehen, durch die Anordnungsverbindungsstangen oder -bolzen (26) hindurchgehen.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung befindet sich eine Schicht aus Diffusionsmaterial, das elektrisch leitend und porös ist, beispielsweise ein kohlenstoffbeschichtetes Papier oder ein mit Graphit imprägnierter Polymerfilm, in den Oxidationsgaskammern (11) und (13) und/oder in den Brennstoffgaskammern (12) und (14). Beispielsweise kann die Schicht aus Diffusionsmaterial zwischen der polaren Platte (5) und den angrenzenden Elektrodenoberflächen der Membranen (1) und (2) und/oder zwischen den Endplatten (7) und (8) und den angrenzenden Elektrodenoberflächen der Membranen (1) und (2) angeordnet sein.
Die vorliegende Erfindung wird weiterhin illustriert durch Bezugnahme auf die folgenden Beispiele.
Beispiele 1 und 2
Diese Beispiele illustrieren bipolare Platten und Brennstoffzellen gemäß der vorliegenden Erfindung, bei denen die Beschichtung aus elektrokatalytisch aktivem Material Rutheniumoxid und Titanoxid aufweist.
Eine Beschichtung mit der Zusammensetzung 47,5 mol% Ruthenium und 52,4 mole Titan wurde hergestellt durch Hinzufügen von Tetra-n-Butyltitanat (7,47 g) zu einer Lösung von Ruthenium (2 g), als Rutheniumtrichlorid, in Pentan-1-ol (31 g).
Beim Beispiel 1 wurde ein Teil dieser Lösung mit einer Bürste auf ein Titansubstrat aufgebracht, das in 10%iger Oxalsäurelösung bei 80–85°C während 8 Stunden geätzt wurde. Das beschichtete Substrat wurde bei 180°C getrocknet und dann bei 450°C gebrannt; 12 Beschichtungen wurden auf diese Weise aufgebracht. Drei der beschichteten Platten wurden als bipolare Platten in einer PEM-Brennstoffzelle betrieben, und die hiervon ausgegebene Zellenspannung wurde bei 1 A/cm^–2 bestimmt und der prozentuale Spannungswirkungsgrad hieraus berechnet.
Im Beispiel 2 wurde das Verfahren nach Beispiel 1 wiederholt mit der Ausnahme, dass das Substrat eine rostfreie 316 L-Stahlplatte war, die durch Sandstrahlen bearbeitet worden war.
Bei einer Vergleichsprüfung wurden rostfreie Stahlplatten als bipolare Platten in einer PEM-Brennstoff zelle betrieben.
Die Ergebnisse sind in der Tabelle gezeigt, aus der ersichtlich ist, dass PEM-Brennstoffzellen gemäß der vorliegenden Erfindung einen Spannungswirkungsgrad haben, der zumindest um 13% besser als eine PEM-Brennstoffzelle mit einer bekannte Platte ist.
TABELLE
Beispiel 3 (nicht gemäß der Erfindung)
Dieses Beispiel illustriert bipolare Platten, bei denen die Beschichtung aus elektrokatalytisch aktivem Material ein Nicken/Kobalt-Spinel aufweist.
Co (NO₃)₂. 6H₂O und Ni(NO₃)₂. 6H₂O wurden in Pentan-1-ol aufgelöst, um eine Gesamtlösungsproduktkonzentration von 0,4 M und ein Co:Ni-Verhältnis von 2:1 zu ergeben.
Fünf Beschichtungen dieser Lösung wurden durch eine Bürste auf geätztes Titansubstrat aufgetragen, jede Beschichtung wurde während 10 Minuten bei 180°C getrocknet. Nach der Hinzufügung der letzten Beschichtung wurde die Platte bei 350°C während 10 Stunden geglüht. Die Last der Beschichtung, ein gemischtes Kobalt/Nickel-Oxid < auf dem Substrat betrug 2,5 g/m².
Beispiele 4–6
Diese Beispiele illustrieren bipolare Platten gemäß der vorliegenden Erfindung, bei denen die Beschichtung aus elektrokatalytisch aktivem Material Rutheniumoxid und Zinnoxid (Beispiele 4 und 5) und Rutheniumoxid, Zinnoxid und Iridiumoxid (Beispiel 6) aufweist.
Bei diesen Beispielen wurde die Beschichtung auf ein Substrat aus rostfreiem Stahl (SS) durch physikalische Dampfabscheidung (PVD) aufgebracht, was im Einzelnen in unserer WO 96/24705 beschrieben ist.
Die SS-Substrate wurden durch Ultraschall in Arklone (eingetragene Marke) entfettet, anschließend : im Beispiel 4 wurde das rostfreie Stahlsubstrat keiner weiteren Vorbehandlung unterzogen; im Beispiel 5 wurde das rostfreie Stahlsubstrat durch Sandstrahlen und Ätzen in 10%iger Oxalsäurelösung, indem es bis zu 10 Minuten bei 4–5 Volt kathodisch gemacht wurde, vorbehandelt; und im Beispiel 6 wurde das rostfreie Stahlsubstrat durch Ätzen in l0%iger Oxalsäurelösung, indem es bis zu 10 Minuten bei 4–5 Volt kathodisch gemacht wurde, vorbehandelt.
Die Beschichtungen wurden unter Verwendung einer Ru/Sn-Quelle (Beispiele 4 und 5) oder einer Ru/Sn/Ir-Quelle auf die Substrate aufgebracht, wie in unserer WO 96/24705 beschrieben ist. Die Last der Beschichtung auf dem Substrat betrug 35 g/m².
Beispiel 7 (nicht gemäß der Erffindung)
Dieses Beispiel illustriert eine bipolare Platte, bei der die Beschichtung des elektrokatalytisch aktiven Materials Ceroxid aufweist.
Ein Titansubstrat wurde geätzt und die Beschichtung wurde durch Plasmaspritzen eines Cer-Nickel-Pulvers auf dieses aufgebracht, wie im Einzelnen in unserer EP 0 546 714 beschrieben ist, deren Offenbarung hier einbezogen wird. Die Last der Beschichtung auf dem Substrat betrug 380 g/m².
Beispiel 8
Dieses Beispiel illustriert bipolare Platten gemäß der vorliegenden Erfindung, bei denen die Beschichtung aus elektrokatalytisch aktivem Material Ruthenium und Zinn aufweist.
Eine geätzte Titanplatte und eine Platinelektrode wurden in eine Lösung aus Rutheniumtrichlorid (58 g) und Zinntrichlorid (205 g) in 6 M Salzsäure (1000 ml) eingetaucht. Mit der Titanplatte als Kathode wurde ein elektrischer Strom äquivalent 0,5 kA/m² während 30 Minuten zu der Lösung geführt. Die Last der Ru/Sn-Beschichtung auf dem Titansubstrat betrug 1,5 g/m².
Beispiele 9–10
Diese Beispiele illustrieren bipolare Platten gemäß der vorliegenden Erfindung, bei denen die Beschichtung aus elektrokatalytisch aktivem Material Rutheniumoxid und Platinoxid aufweist.
Im Beispiel 9 war das Substrat eine Titanplatte. Im Beispiel 10 war Substrat eine rostfreie Stahlplatte.
Fünf Beschichtungen aus einer Lösung von RuCl₃ (7,4 g) und H₂PtCl₆ (22,2 g) in einer Mischung von Essig säure (100 ml) und Salzsäure (900 ml) wurden durch eine Bürste auf die Substrate aufgebracht. Jede Beschichtung wurde während 10 Minuten bei 180°C getrocknet und dann während 20 Minuten bei 450°C gebrannt. Nachdem die letzte Beschichtung gebrannt wurde, wurde die bipolare Platte während einer Stunde bei 450°C in Luft erwärmt. Die Last des Platins auf den Substraten betrug 1,5 g/m².
Beispiele 11–12
Diese Beispiele illustrieren bipolare Platten gemäß der vorliegenden Erfindung, bei denen die Substrate nichtmetallisch sind.
In diesen Beispielen war das Substrat Ebonex (eingetragene Marke). Die Substrate wurden in IPA durch Ultraschall gereinigt, luftgetrocknet, und dann während 10 Minuten bei 180°C erwärmt.
Im Beispiel 11, das nicht gemäß der Erfindung ist, wies die elektrokatalytisch aktive Beschichtung Platinoxid und Iridiumoxid im Gewichtsverhältnis 70:30 auf und die Last der Beschichtung betrug 1,5 g/m². Die Beschichtung wurde hergestellt durch Aufbringen von sechs Beschichtungen aus einer Lösung von H₂IrCl6₃ (11,9 g) und H₂PtCl₆ (32,6 g) in Pentanol (1000 ml) mittels einer Bürste auf die Substrate. Jede Beschichtung wurde bei 180°C während 10 Minuten getrocknet und dann bei 500°C während 20 Minuten gebrannt. Nachdem die letzte Beschichtung gebrannt war, wurde die bipolare Platte in Luft bei 450°C währen 1 Stunde erwärmt.
Im Beispiel 12 wies die elektrokatalytisch aktive Beschichtung Rutheniumoxid und Titanoxid im Gewichts verhältnis 35:65 auf und die Last der Beschichtung betrug 20 g/m2. Die Beschichturg wurde hergestellt wie in den Beispielen 1–2 beschrieben mit der Ausnahme, dass 6 Beschichtungen der Lösung anstelle von 5 Beschichtungen aufgebracht wurden.

Claims

Bipolare Platte für die Verwendung in einer Brennstoffzelle für (a) eine Stromleitung von der Anode der einen Zelleinheit zu der Kathode der benachbarten Zelleinheit und/oder (b) Verteilung der Flüssigkeit, wobei die Platte ein Substrat mit einer Beschichtung eines elektrokatalytisch aktiven Materials enthaltend Rutheniumoxid aufweist.
Platte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrokatalytisch aktive Material zusätzlich zum Rutheniumoxid weiter ein Metall, Metalloxid oder Mischungen hiervon ausgewählt aus der Gruppe Fe, Co, Ni, Rh, Pd, Os, Ir und Pt enthält.
Platte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrokatalytisch aktive Material zusätzlich zum Rutheniumoxid ein Metalloxid eines unedlen Metalls enthält.
Platte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrokatalytisch aktive Material zusätzlich zum Rutheniumoxid mindestens eines von PtO, Sb₂O₃, Ta₂O₅, PdO, CeO₂ und Co₃O₉ enthält.
Platte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrokatalytisch aktive Material weiter eine Mischung von Rutheniumoxid mit mindestens einem von TiO₂, SnO₂ und IrO₂ enthält.
Platte nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte mit Oberflächenmerkmalen bereitgestellt wird, die Gasflusskanäle ausformen, welche im wesentlichen sicherstellen, dass sogar eine Verteilung der Brenngase über die Elektrodenoberflächen und ein erleichterter Transport von Nebenprodukten hiervon ermöglicht wird.
Platte nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Öffnungen enthalten sind, die den Fluss von Brenngas und Oxidationsmittelgas zu der Anode bzw. Kathode erlauben.
Platte nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenmerkmale eine Serie von Riefen umfassen.
Platte nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenmerkmale ein Serpentinen-Muster umfassen.
Platte nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenmerkmale durch Prägung oder Spritzgießen geformt sind.
Platte nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat metallisch ist.
Platte nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat der Platte aus einem Metall ausgewählt aus Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Ag, Pt, Ta, Pb, Al oder Legierungen hiervon besteht.
Platte nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat der Platte aus Aluminium oder einer Legierung hiervon besteht.
Platte nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat der Platte aus Titan oder einer Legierung hiervon besteht.
Platte nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat der Platae aus Eisen oder einer Legierung hiervon besteht.
Brennstoffzelle, in die mindestens eine Platte nach einem der Ansprüche 1 bis 15 integriert ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle eine PEM, Phosphorsäure- oder direkte Methanol-Brennstoffzelle ist.
Brennstoffzellenanordnung enthaltend: a) eine Vielzahl von Zelleinheiten und b) mindestens eine Platte nach einem der Ansprüche 1 bis 15.
Brennstoffzellenanordnung enthaltend: a) eine Vielzahl von Zelleinheiten, wobei jede Einheit für Gas eine im Wesentlichen impermeable Protonenaustauschermembran enthält, die die Zelle in Anolyt- und Katholyt-Kammern unterteilt und mit einer Anode und einer Kathode auf gegenüberliegenden Seiten hiervon; b) eine zwischen benachbarten Zelleinheiten angeordnete bipolare Platte; c) Mittel zum Stromsammeln; d) Mittel, um Wasserstoff-Brennstoff in die Anoden einzuspeisen und e) Mittel, um Sauerstoff enthaltendes Gas in die Kathode einzuspeisen, dadurch gekennzeichnet, dass jede bipolare Platte eine Platte nach einem der Ansprüche 1 bis 15 enthält.
Brennstoffzellenanordnung enthaltend: a) wenigstens zwei bipolare Platten; b) eine zwischen den Platten angeordnete Membran-Elektroden-Anordnurg, wobei die Membran-Elektroden-Anordnung ein Paar sich gegenüberliegender liegender Elektroden mit einer dazwischen angeordneten Protonen-Austausch-Membran enthält, mit der Vorgabe, dass da, wo die Brennstoffzelle mehr als zwei bipolare Platten enthält, eine Membran-Elektroden-Anordnung und eine bipolare Platte über die gesamte Zelle hinweg alternierend und die Membran-Elektroden-Anordnungen in der Brennstoffzelle so angeordnet sind, dass eine Anode und eine Kathode über die ganze Zelle hinweg alternieren; c) Mittel zum Sammeln des Stroms; d) Mittel, um gasförmigen Wasserstoff-Brennstoff in die Anoden einzuspeisen und e) Mittel, um sauerstoffhaltiges Gas in die Kathode einzuspeisen, dadurch gekennzeichnet, dass jede bipolare Platte eine bipolare Platte nach einem der Ansprüche 1 bis 16 enthält.
PEM, Phosphorsäure- oder direkte Methanol-Brennstoffzellenanordnung, versehen mit einer bipolaren Platte für (a) eine Stromleitung von der Anode der einen Zelleinheit zu der Kathode der benachbarten Zelleinheit und/oder (b) Verteilung der Flüssigkeit, wobei die Platte ein Substrat mit einer Beschichtung eines elektrokatalytisch aktiven Materials enthält, das a) eine Mischung von Ruthenium oder dessen Oxid und ein Metall oder Oxide eines Metalls ausgewählt aus der Gruppe von Fe, Co, Ni oder Os oder b) eine Mischung von Ruthenium und Zinn enthält.