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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Offenbarung betrifft Brennstoffzellenstapel und insbesondere
eine Bipolarplattenanordnung sowie Verfahren zum Erzeugen von Bipolarplatten
für Brennstoffzellenstapel.
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Hintergrund der Erfindung
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Eine
Brennstoffzelle wird als saubere, effiziente und umweltfreundliche
Antriebsquelle für Elektrofahrzeuge und verschiedene andere
Anwendungen vorgeschlagen. Ein Beispiel für die Brennstoffzelle
ist eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEM, kurz vom
engl. Proton Exchange Membrane). Die PEM-Brennstoffzelle umfasst
eine Membranelektrodenanordnung (MEA, kurz vom engl. Membrane Electrode Assembly),
die im Allgemeinen einen dünnen Festpolymermembran-Elektrolyt
mit einer Anode und einer Kathode, mit einem Katalysator an gegenüberliegenden
Seiten des Membran-Elektrolyten, umfasst. Die MEA ist im Allgemeinen
zwischen einem Paar poröser leitender Materialien, die
auch als Gasdiffusionsmedien bekannt sind und die gasförmige
Reaktanden, beispielsweise Wasserstoff und Sauerstoff/Luft, zu den
Anoden- und Kathodenschichten verteilen, angeordnet. Der Wasserstoffreaktand
wird an der Anode eingeleitet, wo er elektrochemisch bei Vorhandensein
des Katalysators reagiert, um Elektronen und Protonen zu erzeugen.
Die Elektronen werden von der Anode zur Kathode durch eine dazwischen
angeordnete elektrische Schaltung geleitet. Gleichzeitig treten
die Protonen durch den Elektrolyten zur Kathode, wo ein Oxidans,
beispielsweise Sauerstoff oder Luft, elektrochemisch bei Vorhandensein
des Elektrolyten und Katalysators reagiert, um Sauerstoffanionen
zu erzeugen. Die Sauerstoffanionen reagieren mit den Protonen, um
Wasser als Reaktionsprodukt zu bilden.
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Die
MEA der PEM-Brennstoffzelle ist zwischen einem Paar elektrisch leitender
Bipolarplatten, die als Stromkollektoren für die Anoden-
und Kathodenschichten dienen, lagenartig eingeschlossen. Die Bipolarplatten
umfassen mehrere Stege und Strömungskanäle zum
Verteilen der gasförmigen Reaktanden zu den Anoden und
Kathoden der Brennstoffzelle. Die Bipolarplatten dienen als elektrischer
Leiter zwischen benachbarten Brennstoffzellen und sind weiterhin
mit mehreren inneren Kühlmittelkanälen versehen,
die zum Tauschen von Wärme mit der Brennstoffzelle bei
Strömen eines Kühlmittels durch diese ausgelegt
sind. Die typische Bipolarplatte ist eine verbundene Anordnung,
die aus zwei separaten Unipolarplatten konstruiert ist. Jede Unipolarplatte
weist eine Außenfläche mit Strömungskanälen
für die gasförmigen Reaktanden und eine Innenfläche mit
den Kühlmittelkanälen auf. Zum Leiten elektrischen
Stroms zwischen den Anoden und Kathoden benachbarter Brennstoffzellen
in dem Brennstoffzellenstapel sind die gepaarten Unipolarplatten,
die jede Bipolarplattenanordnung bilden, mechanisch und elektrisch
verbunden.
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Aus
dem Stand der Technik sind verschiedene Bipolarplattenanordnungen
und Verfahren zum Erzeugen von Bipolarplattenanordnungen bekannt.
Von Neutzler wird zum Beispiel in
U.S.
Pat. Nr. 5,776,624 , das durch Erwähnung in seiner
Gesamtheit hierin aufgenommen wird, berichtet, dass eine korrosionsbeständige Metallbleche
umfassende Bipolarplatte zusammengelötet werden kann, um
einen Durchlass zwischen den Blechen vorzusehen, durch den ein dielektrisches
Kühlmittel strömt. Ferner offenbart
U.S. Pat. Nr. 6,887,610 für
Abd Elhamid et al., das in seiner Gesamtheit durch Erwähnung
hierin aufgenommen wird, eine Bipolarplattenanordnung ohne Schweißen
oder Hartlöten, die eine elektrisch leitende Schicht, die über
den Kühlmittelkanälen und Stegen aufgebracht ist,
sowie eine Fluiddichtung, die zwischen der nach innen weisenden
Fläche um einen Umfang der Kühlmittelkanäle
angeordnet ist, umfasst. Ferner erwähnt
U.S. Pat. Nr. 6,942,941 für Blunk
et al., das hierin durch Erwähnung in seiner Gesamtheit
aufgenommen wird, eine Bipolarplatte mit einer ersten und einer
zweiten Oberfläche, die mit einer elektrisch leitenden
Primerschicht beschichtet und durch einen elektrisch leitenden Klebstoff
miteinander verbunden sind. Schlag beschreibt in
U.S. Pat. Nr. 7,009,136 , das durch
Erwähnung in seiner Gesamtheit hierin aufgenommen wird,
ein Herstellungsverfahren, das zum Zusammenschweißen von
Bipolarplatten unter Verwendung eines Unterdrucks, der gepaarte
Unipolarplatten während des Schweißvorgangs zusammenhält,
ausgelegt ist.
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Es
besteht ungebrochener Bedarf nach einer Bipolarplattenanordnung
mit einer effizienten und robusten Innenarchitektur, die einen optimierten
elektrischen Kontakt zwischen den Platten der Anordnung vorsieht. Gleichfalls
ist ein Verfahren zum schnellen Erzeugen der Bipolarplattenanordnung,
das auf herkömmliche Strömungsfeldauslegungen
anwendbar ist, erwünscht.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Übereinstimmend
mit der vorliegenden Offenbarung wurde überraschenderweise
eine Bipolarplattenanordnung mit einer effizienten und robusten
Architektur, einem optimierten elektrischen Kontakt zwischen den Platten
der Anordnung und ein Verfahren zum schnellen Erzeugen der Anord nung,
das auf herkömmliche Strömungsfeldmuster anwendbar
ist, entdeckt.
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In
einer Ausführungsform wird eine Brennstoffzelle mit einer
Bipolarplattenanordnung vorgesehen. Die Bipolarplattenanordnung
umfasst eine Brennstoffzelle mit einer ersten Unipolarplatte, die
benachbart einer zweiten Unipolarplatte angeordnet ist. Die erste
und zweite Unipolarplatte sind durch mehrere punktuelle bzw. örtlich
begrenzte, elektrisch leitende Knoten verbunden.
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In
einer anderen Ausführungsform wird ein Brennstoffzellenstapel
mit der Bipolarplattenanordnung vorgesehen. Der Brennstoffzellenstapel
umfasst weiterhin mehrere Membranelektrodenanordnungen, die in einer
gestapelten Auslegung angeordnet sind, wobei jede der mehreren Membranelektrodenanordnungen eine
Kathode und eine Anode aufweist.
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In
einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Erzeugen
der Bipolarplattenanordnung vorgesehen. Das Verfahren umfasst die
Schritte des Vorsehens der ersten Unipolarplatte mit der ersten
Innenfläche, des Vorsehens der zweiten Unipolarplatte mit
der zweiten Innenfläche, des Positionierens der ersten
Innenfläche benachbart der zweiten Innenfläche
und des Verbindens der ersten Unipolarplatte und der zweiten Unipolarplatte
mit den mehreren punktuellen bzw. lokalen elektrisch leitenden Knoten.
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Zeichnungen
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Die
vorstehenden sowie andere Vorteile der vorliegenden Offenbarung
gehen für den Fachmann anhand der folgenden eingehenden
Beschreibung, insbesondere bei Betrachtung im Hinblick auf die nachstehend
beschriebenen Zeichnungen, problemlos hervor.
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1 zeigt
eine schematische, perspektivische Explosionsansicht eines PEM-Brennstoffzellenstapels (nur
zwei Zellen dargestellt);
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2a ist
eine perspektivische Ansicht einer verbunden Bipolarplattenanordnung
nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
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2b ist
eine perspektivische Explosionsansicht der in 2a dargestellten
elektrisch leitenden Bipolarplattenanordnung, die weiterhin eine
erste Unipolarplatte und eine zweite Unipolarplatte zeigt, die jeweils mehrere
Reaktandengaskanäle und Stege sowie mehrere Kühlmittelkanäle
und Stege aufweisen;
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3 ist
eine Draufsicht oben auf die in 2a und 2b dargestellte
verbundene Bipolarplattenanordnung, die eine Verteilung von punktuellen
elektrischen Knoten zeigt;
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4a ist
eine unvollständige Seitenansicht im Querschnittzeigt entlang
der Linie 4-4 von 2a, die eine nicht verschachtelte
Auslegung der punktuellen elektrischen Knoten in der Bipolarplattenanordnung
zeigt; und
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4b ist
eine unvollständige Seitenansicht im Querschnitt entlang
der Linie 4-4 von 2a, die eine verschachtelte
Auslegung der punktuellen elektrischen Verbindungen in der Bipolarplattenanordnung
zeigt.
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Eingehende Beschreibung der
Erfindung
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Die
folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und soll
nicht die vorliegende Offenbarung, ihren Anwendung oder Gebrauchsmöglichkeiten
beschränken. Es versteht sich auch, dass in den gesamten Zeichnungen
entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und
Merkmale anzeigen. Bezüglich der offenbarten Verfahren
sind die dargelegten Schritte beispielhafter Natur und sind somit
nicht erforderlich oder ausschlaggebend.
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Der
Einfachheit halber wird hierin nur ein Zweizellenstapel (d. h. eine
Bipolarplatte) dargestellt und beschrieben, wobei sich versteht,
dass ein typischer Stapel viele weitere dieser Zellen und Bipolarplatten
aufweist.
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1 zeigt
einen aus zwei Zellen bestehenden PEM-Brennstoffzellenstapel 2 mit
einem Paar Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 4, 6,
die durch ein elektrisch leitendes Fluidverteilungselement 8,
nachstehend Bipolarplattenanordnung 8, voneinander getrennt
sind. Die MEAs 4, 6 und die Bipolarplatte 8 sind
zwischen Endplatten 10, 12 und Endkontaktelementen 14, 16 aneinander
gestapelt. Die Endkontaktelemente 14, 16 und die
Bipolarplattenanordnung 8 umfassen Arbeitsseiten 18, 20, 22, 24 jeweils
zum Verteilen von Brennstoff und Oxidansgasen (d. h. H2 & O2)
zu den MEAs 4, 6. Nicht leitende Dichtungen 26, 28, 30, 32 sehen
Abdichtungen und eine elektrische Isolierung zwischen den mehreren
Komponenten des Brennstoffzellenstapels 2 vor.
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Die
MEAs 4, 6 sind benachbart zu gasdurchlässigen
leitenden Materialien, die als Diffusionsmedien 34, 36, 38, 40 bekannt
sind, angeordnet. Die Gasdiffusionsmedien 34, 36, 38, 40 können
Kohlenstoff oder Graphitdif fusionspapier umfassen. Die Gasdiffusionsmedien 34, 36, 38, 40 kontaktieren
die MEAs 4, 6. Die Endkontakteinheiten 14, 16 kontaktieren
jeweils die Gasdiffusionsmedien 34, 40. Die Bipolarplattenanordnung 8 kontaktiert
die Gasdiffusionsmedien 36 an der Anodenseite der MEA 4,
die zum Aufnehmen von wasserstoffführenden Reaktand ausgelegt
ist, und kontaktiert auch das Gasdiffusionsmedium 38 an
der Kathodenseite der MEA 6, das zum Aufnehmen von sauerstoffführenden
Reaktand ausgelegt ist. Sauerstoff wird der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 2 aus
einem Speichertank 46, zum Beispiel mittels einer geeigneten
Zufuhrleitung 42, zugeführt. Wasserstoff wird
der Anodenseite der Brennstoffzelle aus einem Speichertank 48, zum
Beispiel mittels einer geeigneten Zufuhrleitung 44, zugeführt.
Alternativ kann der Kathodenseite Umgebungsluft als Sauerstoffquelle
und der Anode Wasserstoff von einem Methanol- oder Benzinreformer
oder dergleichen zugeführt werden. Abgasleitungen (nicht
gezeigt) für sowohl die Anoden- als auch die Kathodenseite der
MEAs 4, 6 werden ebenfalls vorgesehen. Zusätzliche
Leitungen 50, 52, 54 sind zum Zuführen
von flüssigem Kühlmittel zur Bipolarplattenanordnung 8 und
den Endplatten 14, 16 vorgesehen. Geeignete Leitungen zum
Ablassen von Kühlmittel aus der Bipolarplattenanordnung 8 und
den Endplatten 14, 16 sind ebenfalls vorgesehen
(nicht gezeigt).
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Unter
Bezug als Nächstes auf 2a und 2b wird
die Bipolarplattenanordnung 8 näher gezeigt. Die
Bipolarplattenanordnung 8 umfasst eine erste Unipolarplatte 200 und
eine zweite Unipolarplatte 202. Die erste Unipolarplatte 200 weist
eine erste aktive Oberfläche 204 mit mehreren
darin ausgebildeten ersten Strömungskanälen 206 auf.
Die mehreren ersten Strömungskanäle 206 sind
dafür ausgelegt, den Brennstoff und die Oxidansgase über
die erste aktive Oberfläche 204 zu verteilen.
Die mehreren ersten Strömungskanäle 206 legen
mehrere dazwischen angeordnete Stege 208 fest. An einer
zweiten aktiven Oberfläche 210 der zweiten Unipo larplatte 202 sind
mehrere ähnliche zweite Strömungskanäle
(gezeigt in 4a und 4b) und
zweite Stege (gezeigt in 4a und 4b)
ausgebildet.
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Die
Bipolarplattenanordnung 8 umfasst weiterhin mehrere Gasöffnungen 212 und
mehrere Kühlmittelöffnungen 214, die
in der ersten Unipolarplatte 200 und der zweiten Unipolarplatte 202 ausgebildet
sind. Die Gasöffnungen 212 und die Kühlmittelöffnungen 214 sehen
Einlass- und Auslasskanäle für den Brennstoff,
das Oxidans und das Kühlmittel zum Strömen durch
die Bipolarplattenanordnung 8 vor. Ein Durchschnittsfachmann
sollte verstehen, dass nach Bedarf verschiedene Auslegungen der
Strömungskanäle 206, der Stege 208,
der Gasöffnungen 212 und der Kühlmittelöffnungen 214 verwendet
werden können. Es sollte auch klar sein, dass die vorliegende
Offenbarung nicht auf ein bestimmtes Strömungsfeldmuster
beschränkt ist, sondern unabhängig von dem Strömungsfeldmuster
Anwendung bei Bipolarplattenanordnungen findet.
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In
einer weiteren Ausführungsform umfasst die erste Unipolarplatte 200 einen
ersten Umfangsflansch 216 und die zweite Unipolarplatte 202 umfasst
einen zweiten Umfangsflansch 218. Bei Ausrichten und Zusammenbau
der Bipolarplattenanordnung 8 wirken der erste Umfangsflansch 216 und
der zweite Umfangsflansch 218 zusammen, um einen Umfang 220 der
Bipolarplattenanordnung 8 zu bilden.
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Wie
am Besten in 2b dargestellt ist, weist die
erste Unipolarplatte 200 eine erste Innenfläche 222 auf
und die zweite Unipolarplatte 202 weist eine zweite Innenfläche 224 auf.
Die zweite Innenfläche 224 umfasst mehrere darin
ausgebildete zweite Kühlmittelkanäle 226.
Die mehreren zweiten Kühlmittelkanäle 226 sind
dafür ausgelegt, ein Kühlmittel zur zweiten Innenfläche 224 zu
verteilen, wodurch eine Temperatur der Bipolarplattenanordnung 8 und
des Brennstoffzellenstapels 2 reguliert wird. Die mehre ren
zweiten Kühlmittelkanäle 226 legen mehrere
zweite Kühlmittelstege 228 fest, die dazwischen
angeordnet sind. Ein Durchschnittsfachmann sollte erkennen, dass
mehrere ähnliche erste Kühlmittelkanäle
(in 4a und 4b gezeigt)
und erste Kühlmittelstege (in 4a und 4b gezeigt)
an der ersten Innenfläche 222 der ersten Unipolarplatte 200 ausgebildet
sind. Die mehreren ersten Kühlmittelkanäle und
die mehreren zweiten Kühlmittelkanäle 226 sind
dafür ausgelegt, nach Zusammenbau der Bipolarplattenanordnung 8 zusammenzuwirken,
und bilden in einem Innenraum der Bipolarplattenanordnung 8 ein
Kühlmittelströmungsfeld 230. Es sollte
auch klar sein, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf ein bestimmtes
Kühlmittelströmungsfeldmuster beschränkt ist,
sonder unabhängig von dem Kühlmittelströmungsfeldmuster
Anwendung bei Bipolarplattenanordnungen findet.
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Die
erste und zweite Unipolarplatte 200, 202 sind
aus einem elektrisch leitenden Material gebildet. Geeignete Materialien
umfassen zum Beispiel ein Metall, eine Metalllegierung oder einen
Verbundwerkstoff. Die Metalle, Metalllegierungen und Verbundwerkstoffe
weisen ausreichende Haltbarkeit und Festigkeit auf, um als Lagen
in der Bipolarplattenanordnung 8 des Brennstoffzellenstapels 2 zu
dienen. Weitere Auslegungseigenschaften, die bei der Wahl eines
Materials für die Unipolarplatten 200, 202 in
Betracht gezogen werden, umfassen Gaspermeabilität, Leitfähigkeit,
Dichte, Wärmeleitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit,
Musterausbildung, thermische Stabilität und Musterstabilität,
maschinelle Bearbeitbarkeit, Verbindbarkeit und Verfügbarkeit.
Geeignete Metalle und Metalllegierungen umfassen Aluminium, Titan,
Platin, rostfreien Stahl bzw. Edelstahl, Karbonstahl, nickelbasierte
Legierungen, Tantal, Niob sowie Legierungen und Kombinationen derselben, sind
aber nicht hierauf beschränkt. Verbundwerkstoffe umfassen
zum Beispiel Graphit, Graphitfolie, leitende Partikel (z. B. Graphitpulver)
in einer Polymermatrix, Kohlenstofffaserpapier und Polymerlaminate,
Polymerplatten mit Metallkernen, leitend beschichtete Polymerplatten
und Kombinationen derselben umfassen, sind aber nicht hierauf beschränkt.
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Die
erste und die zweite Unipolarplatte 200, 202 sind
typischerweise dünn. Die erste und die zweite Unipolarplatte 200, 202 können
zum Beispiel eine Dicke von etwa 0,05 mm bis etwa 0,5 mm aufweisen.
Es versteht sich, dass andere Dicken nach Bedarf verwendet werden
können. Die erste und zweite Unipolarplatte 200, 202 werden
ferner durch ein beliebiges aus dem Stand der Technik bekanntes
Verfahren gebildet, einschließlich maschinelle Bearbeitung,
Formen, Fräsen, Schneiden, Stanzen, Photoätzen,
beispielweise durch eine photolithographische Maske, oder jeden
anderen geeigneten Konstruktions- und Herstellungsvorgang. Es wird
in Betracht gezogen, dass die Unipolarplatten 200, 202 einen
Laminataufbau mit einer flachen Lage und einer zusätzlichen
Lage, die eine Reihe von äußeren Fluidströmungskanälen
umfasst, umfassen kann.
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Bei
bestimmten Ausführungsformen weist mindestens eine von:
den aktiven Oberflächen 204, 201 und den
Innenflächen 222, 224 der Unipolarplatten 200, 202 eine
(nicht dargestellte) Beschichtung auf. Die Beschichtung kann dafür
ausgelegt sein, zum Beispiel Korrosionsbeständigkeit, Wärmeleitfähigkeit
und optimierte elektrische Leitfähigkeit sowie Übergangswiderstand
vorzusehen. Bei Ausführungsformen, bei denen die Innenflächen 222, 224 beschichtet
sind, kann die Beschichtung elektrisches Strömen, das durch
Kontakt von Metall zu Metall der jeweiligen Beschichtungen an jeder
der Innenflächen 222, 224 gebildet wird,
erleichtern.
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Als
nicht einschränkendes Beispiel umfasst die Beschichtung
Edelmetalle, Metalloxide und Kombinationen derselben. Geeignete
Edelmetalle für Beschichtungen umfassen zum Beispiel Gold
(Au), Silber (Ag), Iridium (Ir), Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Osmium
(Os), Palladium (Pd) und Platin (Pt). In bestimmten Ausführungsformen
ist das für die Beschichtung der aktiven Oberflächen 204, 210 verwendete
Metall Gold (Au). Geeignete Metalloxide für die Beschichtung
sind Hafniumdioxid (HfO2), Zirkoniumdioxid
(ZrO2), Aluminiumoxid (Al2O3), Zinnoxid (SnO2),
Tantalpentoxid (Ta2O5),
Niobpentoxid (Nb2O5),
Molybdändioxid (MoO2), Iridiumdioxid (IrO2), Rutheniumdioxid (RuO2)
und Mischungen derselben, sind aber nicht hierauf beschränkt.
Die Beschichtungen werden typischerweise unter Verwendung eines
branchenüblichen Prozesses aufgebracht. Als nicht einschränkende
Beispiele werden die Beschichtungen durch eines von: Galvanisieren,
stromloses Abscheiden und physikalisches Dampfabscheiden aufgebracht.
Es versteht sich, dass nach Bedarf andere geeignete Verfahren zum
Aufbringen der Beschichtungen verwendet werden können.
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In
bestimmten Ausführungsformen ist die Beschichtung hydrophil
und dafür ausgelegt, während des Betriebs des
Brennstoffzellenstapels 2 ein Entfernen von flüssigem
Wasser von den aktiven Oberflächen 204, 210 zu
erleichtern. Geeignete hydrophile Beschichtungen können
die hierin beschriebenen und aus dem Stand der Technik bekannten
Edelmetallbeschichtungen umfassen. Weitere geeignete hydrophile
Beschichtungen werden zum Beispiel in den gleichzeitig anhängigen
U.S. Pat. Anmeldungen Seriennr. 11/068,489, 11/463,386 und 11/463,384,
die hierin durch Verweis in ihrer Gesamtheit aufgenommen sind, beschrieben.
Als nicht einschränkende Beispiele kann die Beschichtung
mindestens eine Si-O-Gruppe, mindestens eine polare Gruppe und mindestens
eine Gruppe, die eine gesättigte oder ungesättigte
Kohlenstoffkette umfasst, umfassen. In weiteren Ausführungsformen
umfasst die Beschichtung mindestens eine Si-O-Gruppe und eine Si-R-Gruppe, wobei
R eine gesättigte oder ungesättigte Kohlenstoffkette
umfasst und das Molverhältnis von Si-R-Gruppen zu Si-O-Gruppen
von 1/8 bis 1/2 reicht. Die Beschichtung kann auch durch beliebige
Mittel aufgebracht werden, die zum Aufbringen von hydrophilen Beschichtungen
ausreichen. Geeignete hydrophile Beschichtungen können
auch Nanopartikel mit einer Größe, die von 1 bis
100 Nanometer reicht, umfassen, wobei die Nanopartikel eine Verbindung
umfassen, die eine Si-O-Gruppe, eine gesättigte oder ungesättigte
Kohlenstoffkette und eine polare Gruppe umfasst. Es versteht sich,
dass auch andere hydrophile Beschichtungen verwendet werden können.
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Die
hydrophilen Beschichtungen können durch jedes geeignete
Verfahren einschließlich aber nicht ausschließlich
Laminieren (beispielsweise Warmwalzen), Aufstreichen, Sprühen,
Ausbreiten, Bundbeschichten, Silk-Screen-Drucken, Pulverbeschichten
und Siebdrucken aufgebracht werden. Bei Bedarf können auch mehreren
Schichten der Beschichtung aufgebracht werden.
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In
einer bestimmten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung
ist die erste Innenfläche 222 der ersten Unipolarplatte 200 benachbart
der zweiten Innenfläche 224 der zweiten Unipolarplatte 202 angeordnet. Wie
in 3 gezeigt sind die erste und die zweite Unipolarplatte 200, 202 durch
mehrere punktuelle elektrisch leitende Knoten 300 verbunden.
Die mehreren elektrisch leitenden Knoten 300 sehen einen
elektrisch leitenden Pfad vor, der die Bipolarplattenanordnung 8 in
dem Brennstoffzellenstapel als Stromkollektor dienen lässt.
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Die
mehreren elektrisch leitenden Knoten 300 sind zum Beispiel
aus mindestens einem von: einer Schweißung, einer Lötverbindung,
einer Hartlötverbindung und einem Klebstoff gebildet. Es
versteht sich, dass die mehreren elektrisch leitenden Knoten 300 aus
einem Material mit einer ausreichenden elektrischen Leitfähigkeit
für die in dem Brennstoffzellenstapel 2 als Stromkollektor
zu verwendende Bipolarplattenanordnung 8 gebildet sind.
Ferner versteht sich, dass die Schweißung, die Lötverbindungen
und die Hartlötverbindungen verwendet werden, wenn die
Unipolarplatten 200, 202 aus Metall oder Metalllegierungen
gebildet sind, und dass die Klebstoffe bei Unipolarplatten 200, 202 aus
entweder Metall- oder Verbundwerkstoffen verwendet werden.
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In
einer Ausführungsform sind die elektrisch leitenden Knoten 300 Punktschweißverbindungen.
Die Punktschweißverbindungen werden zum Beispiel durch
Widerstandspunktschweißen, Laserschweißen oder Elektronenstrahlschweißen
vorgesehen. Wenn die Knoten 300 Punktschweißverbindungen
sind, versteht sich, dass die Knoten 300 aus im Wesentlichen
dem gleichen Material wie die ersten und zweiten Unipolarplatten 200, 202 gebildet
sind. Die Punktschweißverbindungen können auch
aus Buckeln gebildet sein, die an den Innenflächen 222, 224 der
Unipolarplatten 200, 202 angeordnet sind und anschließend
in einem als Buckelschweißen bekannten Prozess geschweißt
werden. Geeignete Buckel können in die Unipolarplatten 200, 202 gestanzt
werden. Es versteht sich aber, dass Buckelschweißen weniger
einheitliche Schweißungen als Punktschweißen zum
Beispiel durch Widerstandsschweißen, Laserschweißen
und Elektronenstrahlschweißen vorsehen kann. Die Punktschweißverbindungen
verbinden die Innenflächen 222, 224 fest
und sehen zwischen den ersten und zweiten Unipolarplatten 200, 202 einen
elektrischen Pfad vor.
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In
weiteren Ausführungsformen sind die mehreren elektrisch
leitenden Knoten 300 die Lötverbindungen oder
die Hartlötverbindungen. Geeignete Löt- und Hartlötverfahren
zum Bilden der mehreren leitenden Knoten sind aus dem Stand der
Technik bekannt. Löten und Hartlöten nutzen zum
Beispiel die Verwendung eines Füllstoffs. Löten
wird im Allgemeinen so verstanden, dass es mit Füllstoffen
mit einem Schmelzpunkt unter 450°C (800°F) verwendet
wird, und Hartlöten wird mit Füllstoffen mit einem Schmelzpunkt
von über 450°C verwendet. Als nicht einschränkendes
Beispiel können örtlich begrenzte Folien des Löt-
oder Hartlötmaterials zwischen den ersten und zweiten Innenflächen 222, 224 angeordnet
werden und dann auf die entsprechende Schmelztemperatur erwärmt
werden, um die mehreren elektrisch leitenden Knoten 300 zu
bilden. Es versteht sich, dass nach Bedarf alternative Löt-
und Hartlötverfahren verwendet werden können.
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Geeignete
Metalle für die Lötverbindungen und die Hartlötverbindungen
umfassen elektrisch leitende Materialien, die in dem Kühlmittel,
das durch den Brennstoffzellenstapel 2 gepumpt werden soll,
im Wesentlichen unlöslich sind. Wenn zum Beispiel Wasser
als Kühlmittel verwendet werden soll, umfassen zulässige
Metalle für die Löt- oder Hartlotmaterialien Chrom,
Nickel, Silber, Gold, Platin und Titan sowie Legierungen derselben.
Ein Durchschnittsfachmann wird erkennen, dass auch andere Löt-
und Hartlötmaterialien verwendet werden können.
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Die
mehreren elektrisch leitenden Knoten 300 können
weiterhin aus einem Klebstoff gebildet sein. Als nicht einschränkendes
Beispiel ist der Klebstoff ein Polymerharz, beispielsweise ein wärmehärtbares
oder thermoplastisches Harz. Geeignete Polymerharze umfassen Polyamidimide,
Polyimide, Polyvinylester, Epoxide, Phenole, Novolacke, Urethane,
Polyester, Polybismaleimide, Polyanaline, Polypryole und Kombinationen derselben,
sind aber nicht hierauf beschränkt. In bestimmten Ausführungsformen
umfasst das Polymerharz einen elektrisch leitenden Füllstoff.
Geeignete elektrisch leitende Füllstoffe umfassen Pulver
oder Partikel von Edelmetallen wie Gold, Platin, Silber und Palladium
sowie Nickel, Zinn, Graphit, Carbonschwarz und Mischungen derselben,
sind aber nicht hierauf beschränkt.
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Die
mehreren elektrisch leitenden Knoten 300 sind zwischen
der ersten Unipolarplatte 200 und der zweiten Unipolarplatte 202 angeordnet
und über einer Fläche verteilt, die zum Beispiel
durch eine Länge 302 und eine Breite 304 des
Kühlmittelströmungsfelds 230 festgelegt
ist. In bestimmten Ausführungsformen sind die mehreren
elektrisch leitenden Knoten 300 im Wesentlichen gleichmäßig über
der Fläche des Kühlmittelströmungsfelds 230 verteilt.
In weiteren Ausführungsformen können die Knoten 300 in
einer Matrix oder einer Anordnung vorgesehen sein, wobei zum Beispiel
Knoten 300 alle 20 mm (Anordnung 20 mm × 20 mm)
angeordnet sind. Ähnliche Anordnungen können mit
anderen Verteilungen vorgesehen werden, zum Beispiel 5 mm × 5
mm Anordnungen, 10 mm × 10 mm Anordnungen und 15 mm × 15
mm Anordnungen. Es versteht sich, dass bei Bedarf andere Verteilungen
der elektrisch leitenden Knoten 300 verwendet werden können.
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Bezüglich 4a ist
eine nicht verschachtelte Auslegung der ersten und zweien Unipolarplatten 200, 202 vorgesehen.
In dieser Ausführungsform sind die mehreren leitenden Knoten 300 zum
Beispiel zwischen benachbarten Strömungsfeldern 206, 400 der
ersten und zweiten Unipolarplatten 200, 202 vorgesehen.
Somit sind die mehreren elektrisch leitenden Knoten 300 zum
Verschmelzen der Kühlmittelstege 402, 228 der
ersten und zweiten Unipolarplatten 200, 202 ausgelegt,
wodurch die Bipolarplattenanordnung 8 verbunden und das Kühlmittelströmungsfeld 230 gebildet
wird.
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Unter
Bezug nun auf
4b wird eine verschachtelte
Auslegung der ersten und zweiten Bipolarplatten
200,
202 vorgesehen.
Nicht einschränkende Beispiele von verschachtelten Auslegungen
werden von Goebel in
U.S. Pat.
Nr. 6,974,648 und Goebel et al. in U.S. Patentanmeldung
Veröffentl. Nr. 2006/0127706 beschrieben, deren Offenbarung
hierin durch Verweis in ihrer Gesamtheit aufgenommen wird. In der
verschachtelten Auslegung sind die mehreren leitenden Knoten
300 zum
Beispiel zwischen den mehreren ersten Stegen
208 und den
mehreren zweiten Strömungskanälen
400 angeordnet.
In bestimmten Ausführungsformen umfasst die verschachtelte
Auslegung die erste Unipolarplatte
200 mit den mehreren
ersten Strömungskanälen
206 und den mehreren
ersten Stegen
208. Die mehreren ersten Strömungskanäle
und Stege
206,
208 können gegenüber
den mehreren zweiten Strömungskanälen
400 und
den mehreren zweiten Stegen
404 der zweiten Unipolarplatte
202 andere
Abmessungen aufweisen. D. h. die ersten und zweiten Unipolarplatten
200,
202 sind bei
Stapelung verschachtelt. Somit sind die mehreren elektrisch leitenden
Knoten
300 zum Verschmelzen der mehreren zweiten Kühlmittelstege
228,
die in der zweiten Unipolarplatte ausgebildet sind, mit den mehreren ersten
Kühlmittelkanälen
406, die in der ersten
Unipolarplatte
200 ausgebildet sind, ausgelegt.
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In
einem nicht einschränkenden Beispiel reicht die Verteilungsdichte
der mehreren elektrisch leitenden Knoten 300 von etwa 0,10
Knoten pro cm2 bis etwa 10 Knoten pro cm2. In einer bestimmten Ausführungsform liegt
die Verteilungsdichte der mehreren elektrisch leitenden Knoten bei
etwa 0,25 Knoten pro cm2 bis etwa 4 Knoten
pro cm2. In einer Ausführungsform
gemäß der vorliegenden Offenbarung liegt die Verteilungsdichte
der mehreren elektrisch leitenden Knoten bei etwa 1 Knoten pro cm2. Ein Durchschnittsfachmann sollte verstehen, dass
bei Bedarf andere Verteilungsdichten verwendet werden können
und zum Beispiel von der bestimmten gewählten Auslegung
des Kühlmittelströmungsfelds 300 abhängen
können.
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Die
mittlere Größe jedes der mehreren elektrisch leitenden
Knoten 300 wird im Allgemeinen nach Bedarf gewählt.
Als nicht einschränkendes Bei spiel wird die mittlere Größe
der Knoten 300 so gewählt, dass die zum Verbinden
der ersten Unipolarplatte 200 und der zweiten Unipolarplatte 202 erforderliche
Materialmenge minimiert wird. In einem weiteren Beispiel wird die
mittlere Größe der Knoten 300 so gewählt,
dass sie einen zulässigen Spannungsabfall zwischen der
ersten Unipolarplatte 200 und der zweiten Unipolarplatte 202 vorsieht,
während sich der Brennstoffzellenstapel 2 in Betrieb
befindet. In veranschaulichenden Ausführungsformen der
vorliegenden Offenbarung weist mindestens einer der mehreren elektrisch
leitenden Knoten 300 einen mittleren Durchmesser von weniger
als etwa 0,5 mm auf. In weiteren Ausführungsformen weist
mindestens einer der mehreren elektrisch leitenden Knoten 300 einen
mittleren Durchmesser von weniger als etwa 0,3 mm auf. In bestimmten
Ausführungsformen weist mindestens einer der mehreren elektrisch
leitenden Knoten 300 einen mittleren Durchmesser von weniger
als etwa 0,1 mm auf. Als nicht einschränkendes Beispiel weist
jeder der mehreren elektrisch leitenden Knoten 300, die
zum Verbinden der ersten und zweiten Unipolarplatten 200, 202 verwendet
werden, einen mittleren Durchmesser von etwa 0,1 mm auf.
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In
bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung
reicht die Verteilungsdichte und die Knotengröße
der mehreren elektrisch leitenden Knoten 300 aus, um unter
Betriebsdrücken des Brennstoffzellenstapels 2 einen
Spannungsabfall von weniger als etwa 4 mV bei einer Stromdichte
von 1 A/cm2 vorzusehen. In einer besonders
veranschaulichenden Ausführungsform weisen die mehreren
elektrisch leitenden Knoten 300 die Verteilungsdichte und
Knotengröße auf, die bei Betriebsdrücken
des Brennstoffzellenstapels 2 zum Vorsehen eines Spannungsabfalls
von weniger als etwa 2 mV bei der Stromdichte von 1 A/cm2 ausreichen. Als nicht einschränkendes
Beispiel beträgt der bei den mehreren elektrisch leitenden
Knoten 300 erfahrene Spannungsabfall unter Betriebsdrücken des
Brennstoffzellenstapels 2 weniger als etwa 1 mV bei der
Stromdichte 1 A/cm2. Ein Durchschnittsfachmann
sollte verstehen, dass der Spannungsabfall nach Bedarf gewählt
werden kann, zum Beispiel beruhend auf Variablen wie der Verteilungsdichte,
der mittleren Größe der einzelnen Knoten 300 und
den für die Knoten 300 gewählten Materialien.
Ferner versteht sich, dass die Verteilungsdichte und die mittlere
Größe der einzelnen Knoten 300 nach Bedarf
gewählt werden kann, um den Spannungsabfall zu minimieren.
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Unter
erneutem Bezug auf 2a und 2b sind
der erste Umfangsflansch 216 und der zweite Umfangsflansch 218 verbunden,
um den Umfang 220 abzudichten. In bestimmten Ausführungsformen
ist der erste Umfangsflansch 216 mit dem zweiten Umfangsflansch 218 verbunden,
um dazwischen eine hermetische Abdichtung zu bilden. Die hermetische
Abdichtung ist dafür ausgelegt, an der Kontaktstelle des
ersten Umfangsflansches 216 und des zweiten Umfangsflansches 218 eine
fluiddichte Umkleidung zwischen der ersten Unipolarplatte 200 und
der zweiten Unipolarplatte 202 vorzusehen. Die fluiddichte
Umkleidung wirkt einem Transport eines Fluids durch diese entgegen.
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In
bestimmten Ausführungsformen ist die hermetische Abdichtung
aus einem von: einer Schweißverbindung, einer Lötverbindung,
einer Hartlötverbindung und einem Klebstoff zwischen der
ersten Unipolarplatte 200 und der zweiten Unipolarplatte 202 benachbart
dem Umfang 220 gebildet. Es versteht sich, dass die hermetische
Abdichtung nach Bedarf durch andere Mittel gebildet werden kann.
Als nicht einschränkendes Beispiel ist ferner eine (nicht
dargestellte) Polymerabdichtung zwischen der ersten und zweiten
Unipolarplatte 200, 202 angeordnet und umschreibt
das Kühlmittelströmungsfeld 230. Die
Abdichtung ist dafür ausgelegt, den ersten und den zweiten
Umfangsflansch 216, 218 weiter hermetisch abzudichten.
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Weiterhin
wird ein Verfahren zum Erzeugen der Bipolarplattenanordnung 8 der
vorliegenden Offenbarung vorgesehen. Das Verfahren umfasst zunächst
die Schritte des Vorsehens der ersten Unipolarplatte 200 mit
der ersten Innenfläche 22 und des Vorsehens der
zweiten Unipolarplatte 200 mit der zweiten Innenfläche 224.
Es versteht sich, dass beruhend auf dem Verfahren, das zum Vorsehen
der Unipolarplatten 200, 202 verwendet wird, ein
Abgraten von überschüssigem Material aus dem Ausbildungsprozess
erforderlich sein kann.
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Das
Verfahren umfasst weiterhin das Positionieren der ersten Innenfläche 222 benachbart
der zweiten Innenfläche 224, zum Beispiel durch
Setzen der ersten Unipolarplatte 200 und der zweiten Unipolarplatte 202 in
eine im Wesentlichen vertikale Ausrichtung. Das Positionieren der
ersten und zweiten Innenflächen 222, 224 wird
zum Beispiel durch Setzen der ersten und zweiten Unipolarplatten 200, 202 in
eine geeignete Einspannvorrichtung verwirklicht. Das Positionieren
der ersten Innenfläche 222 und der zweiten Innenfläche
kann weiterhin das Ausüben eines Drucks, zum Beispiel durch
Erzeugen eines Unterdrucks zwischen der ersten Unipolarplatte 200 und
der zweiten Unipolarplatte 202, umfassen. In weiteren Ausführungsformen
werden die erste und die zweite Unipolarplatte 200, 202 einfach
durch Ausüben einer Kraft oder eines Drucks auf die zusammengebauten
Lagen festgespannt. Es versteht sich, dass andere Mittel zum Ausüben
eines Drucks, der zum Sicherstellen von Kontakt der ersten und der
zweiten Unipolarplatten 200, 202 ausreicht, während
des Verbindens nach Bedarf verwendet werden können.
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Das
Verfahren zum Erzeugen der Bipolarplattenanordnung 8 umfasst
weiterhin einen Schritt des Verbindens der ersten Unipolarplatte 200 und
der zweiten Unipolarplatte 202 mit den mehreren punktuellen
elektrisch leitenden Knoten 300. Das Verbinden wird zum
Beispiel wie hierin beschrieben durch mindestens eines von: Schweißen,
Löten, Hartlöten und Verbinden der ersten und
zweiten Unipolarplatte 200, 202 mit einem Klebstoff
verwirklicht. Als nicht einschränkende Beispiele umfasst
das Schweißen mindestens eines von Laserschweißen,
Widerstandsschweißen und Elektronenstrahlschweißen.
In einem anderen Beispiel umfasst das Schweißen Buckelschweißen.
In einer besonders veranschaulichenden Ausführungsform
umfasst der Schritt des Verbindens der ersten Unipolarplatte 200 und
der zweiten Unipolarplatte 202 Widerstandspunktschweißen
(RSW, kurz vom engl. Resistance Spot Welding). Es versteht sich,
dass andere geeignete Verfahren zum Bilden der mehreren elektrisch
leitenden Knoten zwischen den Unipolarplatten 200, 202 nach
Bedarf verwendet werden können.
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In
einer anderen Ausführungsform umfasst das Verfahren zum
Erzeugen der Bipolarplattenanordnung 8 das Vorsehen örtlich
begrenzter Mengen von Klebstoff zwischen den ersten und zweiten
Unipolarplatten 200, 202. Der Klebstoff wird zum
Beispiel als punktuelle Tropfen in einer Matrix zwischen der ersten
und zweiten Unipolarplatte 200, 202 vorgesehen.
Im Fall eines thermoplastischen Klebstoffs können die Tropfen
anschließend geschmolzen und gekühlt werden, damit
sie sich verfestigen und die ersten Innenfläche 222 an
der zweiten Innenfläche 224 befestigen. Die Tropfen
können im Fall von wärmehärtbaren Polymeren
auch gehärtet werden, um die mehreren elektrisch leitenden
Knoten 300 zu bilden. In anderen Ausführungsformen
kann eine Schicht des Klebstoffs zwischen der ersten und zweiten
Unipolarplatte 200, 202 aufgebracht werden und
es kann Wärmeenergie auf örtlich begrenzte Bereiche
ausgeübt werden, wodurch der Klebstoff gehärtet
und die mehreren Knoten 300 erzeugt werden. Ein Durchschnittsfachmann
sollte verstehen, dass nach Bedarf andere Mittel zum Vorsehen örtlich
begrenzter Mengen des elektrisch leitenden Klebstoffs verwendet
werden können.
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In
einer weiteren Ausführungsform nach der vorliegenden Offenbarung
umfasst das Verfahren zum Erzeugen der Bipolarplattenanordnung 8 den
Schritt des Verbindens des ersten und zweiten Umfangsflansches 216, 218,
um eine hermetische Abdichtung zu bilden. Wie beim Bilden der mehreren
punktuellen elektrisch leitenden Knoten 300 wird das Verbinden
der Flansche 216, 218 zum Bilden der hermetischen
Abdichtung durch mindestens eines von: Schweißen, Löten,
Hartlöten und Verwenden eines Klebstoffs ausgeführt.
In einer bestimmten Ausführungsform wird die hermetische
Abdichtung durch Laserschweißen (LW) gebildet. Ein Durchschnittsfachmann
sollte verstehen, dass nach Bedarf alternative Mittel zum Bilden
der hermetischen Abdichtung verwendet werden können.
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Als
nicht einschränkendes Beispiel kann der Schritt des Verbindens
der ersten Unipolarplatte 200 und der zweiten Unipolarplatte 202 das
Auftragen eines elektrisch leitenden Klebstoffs, zum Beispiel eines
wärmehärtbaren Polymers, zwischen der ersten und
zweiten Innenfläche 222, 224 umfassen.
Das Verbinden wird dann wie hierin beschrieben durch Bilden der
mehreren elektrisch leitenden Knoten 300, zum Beispiel
durch Widerstandspunktschweißen, ausgeführt. Die
verbundene Bipolarplattenanordnung 8 wird dann auf eine
Temperatur erwärmt, bei der das wärmehärtbare
Polymer gehärtet wird, wodurch eine hermetische Abdichtung
an dem Umfang 220 der Bipolarplattenanordnung gebildet
wird.
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Das
Verbinden der ersten und der zweiten Unipolarplatte 200, 202 kann
in einer im Wesentlichen sauerstofffreien Atmosphäre durchgeführt
werden. In bestimmten Ausführungsformen wird das Verbinden
in einer feuchtigkeitsfreien Atmosphäre durchgeführt.
In einem veranschaulichenden Beispiel erfolgt das Verbinden unter
einer trockenen inerten Atmosphäre, zum Beispiel Stickstoff,
Argon und dergleichen. Es versteht sich, dass nach Bedarf andere
geeignete Atmosphären verwendet werden können.
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Überraschenderweise
wurde festgestellt, dass die mehreren elektrisch leitenden Knoten 300 einen stabilen
Pfad niedrigen elektrischen Widerstands zwischen der ersten und
zweiten Unipolarplatte 200, 202 vorsehen. Ein
Durchschnittsfachmann sollte würdigen, dass ein solcher
Pfad nun mit einer optimierten Menge an Material vorgesehen wird,
das zum Verbinden der Unipolarplatten 200, 202 verwendet
wird. Die Verfahren der Offenbarung können auch verglichen
mit herkömmlichen Prozessen zum Erzeugen von vollständig
verbundenen Bipolarplattenanordnungen schneller ausgeführt
werden.
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Ein
Durchschnittsfachmann sollte verstehen, dass die mehreren leitenden
Knoten 300 der Offenbarung unter Kompression einen größeren
Betrag mechanischer Verstärkung bieten, als bei herkömmlichen
Bipolarplattenanordnungen 8 beobachtet wird, die nur eine
elektrisch leitende Beschichtung auf den Innenflächen 222, 224 haben.
Die durch die mehreren leitenden Knoten vorgesehene mechanische
Verstärkung ist unter bestimmten Umständen erwünscht,
wenn eine spätere Kraft an dem Brennstoffzellenstapel 2 angelegt
wird, zum Beispiel während Fahrmanövern eines
durch den Brennstoffzellenstapel 2 betriebenen Fahrzeugs.
Die mechanische Verstärkung wirkt unter solchen Bedingungen
einem „Akkordeon"-Effekt in dem Brennstoffzellenstapel 2 entgegen.
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Überraschenderweise
wurde festgestellt, dass die erste und zweite Unipolarplatte 200, 202 mit
einer Beschichtung auf mindestens einer der aktiven Oberflächen 204, 210 und
den Innenflächen 222, 224 punktverschweißt
werden können und die mehreren elektrisch leitenden Knoten 300 nach
der vorliegenden Offenbarung vorsehen. Analog wird bezüglich
der Unipolarplatten 200, 202, die aus Verbundwerkstoffen
gebildet sind, unerwarteterweise entdeckt, dass die mehreren leitenden
Knoten einem Fachmann das Verzichten auf das Polieren oder Entfernen
einer Hautschicht aus Polymer erlauben (um Graphit für
elektrischen Kontakt freizulegen), die sich auf solchen Verbundwerkstoffen
bildet. Ein solcher Schritt ist typischerweise bei herkömmlichen
Bipolarplattenanordnungen 8 erforderlich, die aus Verbundwerkstoffen
gebildet sind.
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Beispiel
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Wie
in Tabelle 1 ersichtlich ist, wurden Messungen des Spannungsabfalls
(Widerstand) aus Probenstücken erhalten, die die hierin
beschriebenen mehreren elektrisch leitenden Knoten umfassten. Es
versteht sich, dass die vorliegende Offenbarung nicht durch die
hierin beschriebenen Proben beschränkt ist. TABELLE 1
| Spannungsabfall
(Widerstand) des Probenstücks |
| Kompressionsdruck
(psi) | Knotendurchmesser
(mm) | Anzahl
an Knoten | Anordnung
(mm × mm) | Spannungsabfall (mv) |
| 100 | 0.07 | 400 | (5 × 5) | 1.7 |
| 100 | 0.07 | 100 | (10 × 10) | 2.6 |
| 100 | 0.07 | 25 | (20 × 20) | 5.3 |
| 100 | 0.1 | 400 | (5 × 5) | 1.1 |
| 100 | 0.1 | 100 | (10 × 10) | 2.9 |
| 100 | 0.1 | 25 | (20 × 20) | 0.9 |
| 100 | 0.2 | 400 | (5 × 5) | 2.8 |
| 100 | 0.2 | 100 | (10 × 10) | 1.3 |
| 100 | 0.2 | 25 | (20 × 20) | 0.6 |
| 200 | 0.07 | 400 | (5 × 5) | 1.1 |
| 200 | 0.07 | 100 | (10 × 10) | 1.8 |
| 200 | 0.07 | 25 | (20 × 20) | 5.0 |
| 200 | 0.1 | 400 | (5 × 5) | 0.6 |
| 200 | 0.1 | 100 | (10 × 10) | 1.7 |
| 200 | 0.1 | 25 | (20 × 20) | 1.0 |
| 200 | 0.2 | 400 | (5 × 5) | 1.8 |
| 200 | 0.2 | 100 | (10 × 10) | 1.1 |
| 200 | 0.2 | 25 | (20 × 20) | 1.0 |
| 300 | 0.07 | 400 | (5 × 5) | 0.8 |
| 300 | 0.07 | 100 | (10 × 10) | 1.6 |
| 300 | 0.07 | 25 | (20 × 20) | 4.8 |
| 300 | 0.1 | 400 | (5 × 5) | 0.6 |
| 300 | 0.1 | 100 | (10 × 10) | 1.1 |
| 300 | 0.1 | 25 | (20 × 20) | 1.2 |
| 300 | 0.2 | 400 | (5 × 5) | 1.4 |
| 300 | 0.2 | 100 | (10 × 10) | 1.1 |
| 300 | 0.2 | 25 | (20 × 20) | 1.4 |
| 400 | 0.07 | 400 | (5 × 5) | 0.4 |
| 400 | 0.07 | 100 | (10 × 10) | 1.8 |
| 400 | 0.07 | 25 | (20 × 20) | 4.9 |
| 400 | 0.1 | 400 | (5 × 5) | 0.4 |
| 400 | 0.1 | 100 | (10 × 10) | 0.7 |
| 400 | 0.1 | 25 | (20 × 20) | 1.4 |
| 400 | 0.2 | 400 | (5 × 5) | 1.1 |
| 400 | 0.2 | 100 | (10 × 10) | 0.9 |
| 400 | 0.2 | 25 | (20 × 20) | 1.7 |
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Aus
316L-Edelstahl-Probenstücken gebildete Proben wurden zur
Erzeugung gemäß der vorliegenden Offenbarung vorgesehen.
Die Maße der Pro benstücke betrugen in etwa 100
mm × 100 mm. Die Probenstücke wurden in Paare
aufgeteilt und in eine Einspannvorrichtung gegeben. Die gepaarten
Probenstücke wurden dann durch Widerstandspunktschweißen
(RSW) verbunden, um die mehreren elektrisch leitenden Edelstahlknoten
vorzusehen. Die verschiedenen Auslegungen von elektrisch leitenden
Knoten umfassten die folgenden Anordnungen: 5 mm × 5 mm
Anordnungen mit einer Gesamtanzahl von 400 Knoten; 10 mm × 10
mm Anordnungen mit einer Gesamtanzahl von 100 Schweißverbindungen;
und 20 mm × 20 mm Anordnungen mit einer Gesamtanzahl von
25 Schweißverbindungen. Es wurden auch verschiedene Knotengröße
vorgesehen und diese umfassten Knoten mit Durchmessern von etwa
0,7 mm, etwa 1,0 mm, und etwa 2,0 mm.
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Der
Spannungsabfall der Probenstücke mit den mehreren elektrisch
leitenden Knoten wurde durch aus dem Stand der Technik bekannte
Verfahren getestet. Es wurde eine Testvorrichtung, die eine Carver-Presse
mit einem Paar vergoldeter Platten umfasste, vorgesehen. Die Proben
wurden einzeln zwischen einem ersten und einem zweiten elektrisch
leitenden Karbonpapiermedium ((1 mm Toray-Karbonpapier, im Handel
von Toray Industries, Inc. erhältlich) und den vergoldeten
Platten lagenartig eingeschlossen. Ein elektrischer Strom von 1
A/cm2 wurde durch eine Gleichstromversorgung
(z. B. eine Xantrex XFR12-100 Gleichstromquelle) an dem Paar vergoldeter
Platten angelegt. Der Spannungsabfall wurde über dem Paar
verbundener Probenstücke, die die einzelnen Proben bildeten
gemessen. Der Spannungsabfall der einzelnen Proben wurde bei vier Kompressionskraftzunahmen
gemessen: 100 psi (690 kPa), 200 psi (1380 kPa), 300 psi (2070 kPa)
und 400 psi (2760 kPa).
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Wie
in Tabelle 1 gezeigt können die Proben mit den mehreren
elektrisch leitenden Knoten einen mittleren Spannungsabfall von
unter etwa 3 mV, in bestimmten Auslegungen unter etwa 2 mV und in
besonders veranschaulichenden Auslegungen unter etwa 1 mV haben.
Es versteht sich, dass die Kompressionslast an einem Brennstoffzellenstapel
unter herkömmlichen Betriebsbedingungen typischerweise
zwischen etwa 200 psi und etwa 400 psi liegt. Somit sollte ein Durchschnittsfachmann
verstehen, dass die mehreren elektrisch leitenden Knoten überraschenderweise
einen annehmbaren Kontaktwiderstand im gesamten Bereich typischerweise
angelegter Lasten vorsehen.
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Während
zum Zweck der Veranschaulichung der Erfindung bestimmte charakteristische
Ausführungsformen und Einzelheiten gezeigt wurden, versteht
sich für den Fachmann, dass verschiedene Änderungen
vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der Offenbarung
abzuweichen, der in den folgenden beigefügten Ansprüchen
weiter beschrieben wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - US 5776624 [0004]
- - US 6887610 [0004]
- - US 6942941 [0004]
- - US 7009136 [0004]
- - US 6974648 [0039]