DE102007061127B4

DE102007061127B4 - Unipolarplatte und Verfahren zum Formen einer Komposit-Unipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE102007061127B4
Application number: DE102007061127.9A
Authority: DE
Inventors: John N. Owens; Hamid G. Kia
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-12-21
Filing date: 2007-12-19
Publication date: 2018-05-17
Anticipated expiration: 2027-12-20
Also published as: CN101465427A; DE102007061127A1; US20080152975A1; JP2008159587A; US8431283B2

Abstract

Verfahren zum Formen einer Komposit-Unipolarplatte (10) für einen Brennstoffzellenstapel, wobei das Verfahren umfasst, dass:
zumindest ein Prepeg-Einsatz (56) bereitgestellt wird;
der zumindest eine Prepeg-Einsatz (56) in einer Form (50) positioniert wird, so dass er an einem Sammelleitungsgebiet (14) der geformten Unipolarplatte (10) positioniert ist, wobei das Sammelleitungsgebiet (14) Öffnungen (16-38) aufweist, die Einlass- und Auslassverteiler definieren und der zumindest eine Prepeg-Einsatz (56) gestanzt ist und die Gestalt des Sammelleitungsgebiets (14) aufweist;
eine Ladung einer Bulk-Moulding-Compound (60) in der Form (50) angeordnet wird; und
die Bulk-Moulding-Compound-Ladung (60) gepresst wird, um die Bulk-Moulding-Compound (60) in die Gestalt der Form (50) zu formen und diese an den Prepeg-Einsatz (56) zu härten.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft eine Unipolarplatte und ein Verfahren zum Formen einer Komposit-Unipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel. Insbesondere umfasst das Verfahren, dass ein oder mehrere Stücke eines Verstärkungs- bzw. Aussteifungseinsatzes an dem Sammelleitungsgebiet der Bipolarplatten vorgesehen werden, wenn die Bipolarplatten geformt werden, um somit die Festigkeit der Außenränder der Platte zu erhöhen.
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 Wasserstoff-Brennstoffzelle 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 Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt an die Kathode. Die Protonen 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 auf, gewöhnlich Platin (Pt), 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 erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb, einschließlich einer richtigen Wasserregulierung und einer Befeuchtung.
Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Für den oben erwähnten Kraftfahrzeug-Brennstoffzellenstapel kann der Stapel etwa zweihundert oder mehr Brennstoffzellen besitzen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodenreaktandengas, typischerweise eine Luftströmung auf, die durch den Stapel über einen Kompressor 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 Anodenwasserstoffreaktandengas 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, wobei die Bipolarplatten und die MEAs zwischen zwei Endplatten positioniert sind. Die Bipolarplatten weisen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel auf. An der Anodenseite der Bipolarplatten sind Anodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Anodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann. An der Kathodenseite der Bipolarplatten sind Kathodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Kathodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann. Eine Endplatte weist Anodengasströmungskanäle auf, und die andere Endplatte weist Kathodengasströmungskanäle auf. Die Bipolarplatten und Endplatten bestehen aus einem leitenden Material, wie rostfreiem Stahl oder einem leitenden Komposit. Die Endplatten leiten die von den Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität aus dem Stapel heraus. Die Bipolarplatten weisen auch Strömungskanäle auf, durch die ein Kühlfluid strömt.
Herkömmliche Unipolarplatten und herkömmliche Verfahren zum Formen einer Komposit-Unipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel sind aus den Druckschriften JP 2002 - 358 973 A , JP 2002 - 367 623 A , JP 2003 - 197 215 A und US 2004 / 0 209 150 A1 bekannt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist ein Prozess zum Formen einer Komposit-Unipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel offenbart, der die Festigkeit eines Sammelleitungsgebiets der Platte erhöht. Da das Sammelleitungsgebiet nicht elektrisch leitend sein muss, werden hochfeste Prepeg-Einsätze in der Form positioniert, die in Bezug auf die Konfiguration des Sammelleitungsgebietes einschließlich der Öffnungen, die die verschiedenen Einlass- und Auslassverteiler definieren, geformt sind. In der Form wird eine Bulk-Molding-Compound-Ladung positioniert, die unter großer Wärme gepresst wird, so dass die Bulk-Moulding-Compound sich in der Form verteilt und die Prepeg-Einsätze bedeckt. Wenn die Unipolarplatte aus der Form entfernt wird, erhöhen die Prepeg-Einsätze die Festigkeit des Sammelleitungsgebietes, um so die Wahrscheinlichkeit eines Brechens der Platte während der anschließenden Bearbeitung zu reduzieren.
Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angefügten Ansprüchen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
Figurenliste

1 ist eine Draufsicht einer Unipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel; und
2 ist eine weggebrochene Seitenansicht einer Form zur Herstellung der in 1 gezeigten Unipolarplatte, die einen Prepeg-Einsatz zur Verfestigung eines Sammelleitungsgebietes der Unipolarplatte aufweist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf einen Prozess zum Formen einer Komposit-Unipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel gerichtet ist, ist lediglich beispielhafter Natur.
1 ist eine Draufsicht einer Komposit-Unipolarplatte 10 für einen Brennstoffzellenstapel. Die Unipolarplatte 10 kann die Anodenseite oder die Kathodenseite einer Bipolarplatte sein, wobei der Formprozess, der die Platte 10 formt, Anodenströmungskanäle (nicht gezeigt) oder Kathodenströmungskanäle (nicht gezeigt) formt. Die andere der anodenseitigen Unipolarplatte oder kathodenseitigen Unipolarplatte weist die anderen Strömungskanäle auf, und die Rückseite einer oder der anderen der anodenseitigen Unipolarplatte oder der kathodenseitigen Unipolarplatte weist Kühlfluidkanäle auf, so dass, wenn die anodenseitigen und kathodenseitigen Unipolarplatten durch Kleben oder dergleichen aneinander befestigt werden, sich die Kühlfluidströmungskanäle zwischen den Platten befinden.
Sobald die anodenseitigen und kathodenseitigen Unipolarplatten aneinander befestigt sind, wird eine Diffusionsmediumschicht gegen die Strömungskanäle auf jeder Seite der Bipolarplatte positioniert, und eine MEA wird zwischen zwei Diffusionsmediumschichten positioniert, um eine Brennstoffzelle zu definieren. Der Brennstoffzellenstapel umfasst eine Vielzahl von Brennstoffzellen, die eine MEA und zwei Diffusionsmediumschichten aufweisen, die zwischen gegenüberliegenden Bipolarplatten schichtartig angeordnet sind.
Die Unipolarplatte 10 weist ein aktives Gebiet 12 auf, an dem die elektrochemische Reaktion der Brennstoffzelle stattfindet. Ein Außenrand der Unipolarplatte 10 definiert ein Sammelleitungsgebiet 14, das die verschiedenen Verteiler aufweist, von denen die Luft, der Wasserstoffbrennstoff und das Kühlfluid in die Brennstoffzellen eingeführt werden und von denen das Anodenabgas, das Kathodenabgas und das erhitzte Kühlfluid den Brennstoffzellenstapel verlassen. Insbesondere weist die Unipolarplatte 10 Kathodeneingangsverteiler 16, 18 und 20 und Kathodenauslassverteiler 22, 24 und 26 auf. Auch weist das Sammelleitungsgebiet 14 einen Anodeneinlassverteiler 28 und einen Anodenauslassverteiler 30 auf. Ferner weist das Sammelleitungsgebiet 14 Kühlfluideinlassverteiler 32 und 34 und Kühlfluidauslassverteiler 36 und 38 auf. Ein Dichtungsgebiet sieht einen Bereich vor, an dem eine Dichtung vorgesehen werden kann, um die Strömungskanäle in dem aktiven Gebiet 12 wie auch die verschiedenen Verteiler abzudichten.
Die Unipolarplatte 10 ist ein einteiliger geformter Aufbau. Da die Unipolarplatte 10 Elektrizität von der elektrochemischen Reaktion leiten muss, sind nur bestimmte Materialien für die Zusammensetzung der Platte 10 geeignet. Bei einer Ausführungsform ist das Material eine Bulk-Moulding-Compound (BMC), die Graphitpartikel, ein wärmehärtbares bzw. duroplastisches Harz, wie Vinylester, und ein Füllmaterial aufweist, das die Graphitpartikel in der Platte 10 suspendiert hält. Eine Ladung der Bulk-Moulding-Compound wird in der Form angeordnet, die auf eine bestimmte Temperatur, wie 204,4°C, erhitzt ist. Eine Gesenkpresse wird gegen die Ladung gepresst, um die Ladung so zu treiben, dass sie in alle Bereiche der Form fließt, um die Gestalt der Unipolarplatte 10 bereitzustellen.
Sobald die Unipolarplatten geformt sind, gelangen sie dann zu einem Entgratungsprozess, um überschüssiges Material von den verschiedenen Öffnungen in dem Sammelleitungsgebiet 14 wie auch um die Ränder des Sammelleitungsgebiets 14 herum zu entfernen. Anschließend gelangen die Unipolarplatten zu einem Schleifbetriebsablauf, der eine dünne harzreiche Außenschicht von beiden Seiten der Unipolarplatte entfernt. Es hat sich herausgestellt, dass infolge des Formprozesses die Graphitpartikel die Tendenz besitzen, sich von der Oberfläche der geformten Platte wegzubewegen, wodurch ihr Kontaktwiderstand erhöht wird. Daher ist es gewöhnlich notwendig, die Außenfläche der Unipolarplatten zu entfernen, um deren elektrische Leitfähigkeit zu verbessern. Nach dem Schleifbetriebsablauf werden die Unipolarplatten miteinander verklebt, um die vollständige Bipolarplatte zu bilden, die später in den Brennstoffzellenstapel eingebaut werden soll.
Die Unipolarplatten sind typischerweise sehr dünn, in der Größenordnung von 1 mm. Ferner erzeugen die verschiedenen Öffnungen, die in dem Sammelleitungsgebiet 14 für die Einlass- und Auslassverteiler geformt sind, Bereiche, an denen die Unipolarplatte 10 leicht reißt und/oder bricht. Da verschiedene Behandlungsschritte zur Bearbeitung der Unipolarplatte 10 vorgesehen sind, ist die Wahrscheinlichkeit, dass die Unipolarplatte an dem Sammelleitungsgebiet 14 beschädigt wird, signifikant. Daher wäre es erwünscht, die Festigkeit des Sammelleitungsgebiets 14 zu erhöhen, ohne die Kosten des Stapels oder des Prozesses zum Zusammenbauen desselben signifikant zu erhöhen.
Die vorliegende Erfindung erkennt, dass das Sammelleitungsgebiet 14 für den Betrieb des Brennstoffzellenstapels nicht elektrisch leitend sein muss. Daher schlägt die vorliegende Erfindung einen Zusatz eines nichtleitenden, jedoch hochfesten Materials an dem Sammelleitungsgebiet 14 der Unipolarplatte 10 vor. Das hochfeste Material ist ein Prepeg-Einsatz, der in die Gestalt des Sammelleitungsgebietes 14 gestanzt ist. Der Prepeg-Einsatz wird während des Formprozesses mit der Bulk-Moulding-Compound verbunden oder an dieser gehärtet. Bei einer Ausführungsform ist die Verstärkung des Prepeg-Einsatzes ein Glasfasergewebe. Jedoch können, wie für den Fachmann angemerkt sei, gleichermaßen andere Materialien anwendbar sein.
2 ist eine weggebrochene Schnittansicht einer Form 50 zum Formen der Unipolarplatte 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Form 50 weist einen Formhohlraumbasisabschnitt 52 und einen bewegbaren Formstopfen 54 auf, der eine Bulk-Moulding-Compound 60 in die Gestalt der Form 50 presst. Vor dem Schließen der Form 50 wird ein Prepeg-Einsatz 56 in dem Formhohlraumbasisaufbau 52 an der geeigneten Position positioniert. Auch wird eine Formrippe 58 benachbart des Prepeg-Einsatzes 56 positioniert, um zu verhindern, dass die Bulk-Moulding-Compound 60 während des Formprozesses unter den Prepeg 56 fließt. Bei einer Ausführungsform wird die Formrippe 58 dort positioniert, wo sich der Dichtungskanal für die Dichtungen in dem Dichtungsbereich 40 befindet, um den Dichtungskanal während des Formprozesses festzulegen. Wenn der Formstopfen 54 auf die Bulk-Moulding-Compound-Ladung hinuntergepresst wird, breitet sich die Bulk-Moulding-Compound 60 aus, um die Formhohlräume zu füllen und über die Formrippe und den Prepeg-Einsatz 56 zu fließen. Die Wärme und der Druck aus dem Formprozess bewirken, dass die Bulk-Moulding-Compound 60 an den Prepeg-Einsatz 56 härtet, so dass, wenn diese aus der Form entfernt wird, sich der Prepeg-Einsatz 56 überall um den anderen Bereich 14 herum erstreckt.
Der Prepeg-Einsatz 56 kann durch Vorimprägnieren eines feinen Glasfasergewebes mit einem geeigneten wärmehärtbaren Harz und Erhöhen des Härtungsgrades hergestellt werden. Der Prepeg-Einsatz 56 kann durch ein Vakuum an einer Aufspanneinrichtung gehalten werden, um diesen in dem Formhohlraumbasisabschnitt 52 anzuordnen, an dem er bei Kontakt an dem heißen Stahl anklebt.
Es ist erwünscht, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient der Bulk-Moulding-Komponente 60 und des Prepeg-Einsatzes 56 nahezu identisch sind. Insbesondere ist es erwünscht zu verhindern, dass sich die Unipolarplatte 10 einrollt, wenn die Temperatur der Platte 10 zunimmt, was infolge eines unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten erfolgen könnte. Der Wärmeausdehnungskoeffizient der Bulk-Moulding-Compound 60 ist bekannt, und somit kann der Prepeg-Einsatz 56 so ausgelegt werden, damit er mit diesem Wärmeausdehnungskoeffizienten übereinstimmt. Dem Harz des Prepeg-Einsatzes 56 können verschiedene Füllstoffe hinzugefügt werden, um den Wärmeausdehnungskoeffizienten fein abzustimmen und an den der Bulk-Moulding-Compound 60 anzupassen.
Die Anzahl von Prepeg-Einsätzen, die für eine bestimmte Unipolarplattenformung erforderlich ist, hängt der Gestalt und Konfiguration der Unipolarplatte ab. Die Unipolarplatte 10 kann zwei Prepeg-Einsätze erfordern, einen für ein Ende der Platte 10, das die Öffnungen 22, 24, 26, 28, 32 und 34 aufweist, und einen für das andere Ende der Unipolarplatte 10, das die Öffnung 16, 18, 20, 30, 36 und 38 aufweist. Andere Unipolarplattenkonstruktionen können weniger oder mehr Prepeg-Einsätze erfordern. Bei einer nicht beschränkenden Ausführungsform entspricht die Dicke des Prepeg-Einsatzes 56 etwa einem Drittel der Gesamtdicke der Unipolarplatte 10. Wenn beispielsweise die Unipolarplatte 10 etwa 1 mm aufweist, dann kann die Dicke des Prepeg-Einsatzes 56 etwa 0,3 mm betragen.

Claims

Verfahren zum Formen einer Komposit-Unipolarplatte (10) für einen Brennstoffzellenstapel, wobei das Verfahren umfasst, dass: zumindest ein Prepeg-Einsatz (56) bereitgestellt wird; der zumindest eine Prepeg-Einsatz (56) in einer Form (50) positioniert wird, so dass er an einem Sammelleitungsgebiet (14) der geformten Unipolarplatte (10) positioniert ist, wobei das Sammelleitungsgebiet (14) Öffnungen (16-38) aufweist, die Einlass- und Auslassverteiler definieren und der zumindest eine Prepeg-Einsatz (56) gestanzt ist und die Gestalt des Sammelleitungsgebiets (14) aufweist; eine Ladung einer Bulk-Moulding-Compound (60) in der Form (50) angeordnet wird; und die Bulk-Moulding-Compound-Ladung (60) gepresst wird, um die Bulk-Moulding-Compound (60) in die Gestalt der Form (50) zu formen und diese an den Prepeg-Einsatz (56) zu härten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bereitstellen des zumindest einen Prepeg-Einsatzes (56) umfasst, dass ein wärmehärtbares Harz vorgesehen wird, das mit einem Glasfasergewebe imprägniert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bereitstellen zumindest eines Prepeg-Einsatzes (56) umfasst, dass zumindest ein Prepeg-Einsatz (56) bereitgestellt wird, der eine Dicke von einem Drittel der Gesamtdicke der geformten Komposit-Unipolarplatte (10) besitzt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bereitstellen zumindest eines Prepeg-Einsatzes (56) umfasst, dass zumindest ein Prepeg-Einsatz (56) bereitgestellt wird, der einen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, der gleich dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Bulk-Moulding-Compound (60) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bereitstellen zumindest eines Prepeg-Einsatzes (56) umfasst, dass eine Vielzahl von Prepeg-Einsätzen (56) bereitgestellt werden, um alle der Anodeneingangsverteiler (28), der Anodenausgangsverteiler (30), der Kathodeneingangsverteiler (16, 18, 20), der Kathodenausgangsverteiler (22, 24, 26), der Kühlfluideingangsverteiler (32) und der Kühlfluidausgangsverteiler (36, 38) der Unipolarplatte (10) anzupassen.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass eine Formrippe (58) benachbart des zumindest einen Prepeg-Einsatzes (56) in der Form (50) positioniert wird, bevor die Unipolarplatte (10) geformt wird, um so zu verhindern, dass die Bulk-Moulding-Compound (60) unter den Prepeg-Einsatz (56) fließt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Formrippe (58) an einer Stelle der Form (50) positioniert ist, die einen Dichtungsbereich der Komposit-Unipolarplatte (10) definiert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bulk-Moulding-Compound (60) in einem wärmehärtbaren Harz suspendierte Graphitpartikel aufweist.
Unipolarplatte (10) für einen Brennstoffzellenstapel, mit: einem Kompositkörperabschnitt, der ein aktives Gebiet (12), ein Sammelleitungsgebiet (14) und einen Dichtungsbereich dazwischen definiert, wobei das Sammelleitungsgebiet (14) Öffnungen (16-38) aufweist, die Einlass- und Auslassverteiler definieren; und zumindest einem Prepeg-Einsatz (56), der an den Kompositkörperabschnitt in dem Sammelleitungsgebiet (14) gehärtet ist, um so das Sammelleitungsgebiet (14) zu verfestigen, wobei der zumindest eine Prepeg-Einsatz (56) gestanzt ist und die Gestalt des Sammelleitungsgebiets (14) aufweist.
Unipolarplatte (10) nach Anspruch 9, wobei der zumindest eine Prepeg-Einsatz (56) aus einem nichtleitenden Material hergestellt ist.
Unipolarplatte (10) nach Anspruch 10, wobei der zumindest eine Prepeg-Einsatz (56) ein mit einem Glasfasergewebe imprägniertes wärmehärtbares Harz ist.
Unipolarplatte (10) nach Anspruch 9, wobei der zumindest eine Prepeg-Einsatz (56) und der Kompositkörperabschnitt denselben Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen.
Unipolarplatte (10) nach Anspruch 9, wobei der Kompositkörperabschnitt in einem wärmehärtbaren Harz suspendierte Graphitpartikel umfasst.
Unipolarplatte (10) nach Anspruch 9, wobei das Sammelleitungsgebiet einen Kathodeneinlassverteiler (16, 18, 20), einen Kathodenauslassverteiler (22, 24, 26), einen Anodeneinlassverteiler (28), einen Anodenauslassverteiler (30), ein Kühlfluideinlassverteiler (32) und einen Kühlfluidauslassverteiler (36, 38) aufweist.
Unipolarplatte (10) nach Anspruch 9, wobei der zumindest eine Prepeg-Einsatz (56) eine Dicke von einem Drittel der Gesamtdicke der Unipolarplatte (10) besitzt.
Unipolarplatte (10) nach Anspruch 9, wobei der zumindest eine Prepeg-Einsatz (56) eine Vielzahl von Prepeg-Einsätzen (56) umfasst.