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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellenstapel und im Spezielleren eine Bipolarplattenanordnung und Verfahren zur Herstellung von Bipolarplatten für Brennstoffzellenstapel.
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Hintergrund der Erfindung
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Brennstoffzellen können in vielen Anwendungen als eine Leistungsquelle verwendet werden. Zum Beispiel wurden Brennstoffzellen zur Verwendung in Kraftfahrzeugen als ein Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen. In Protonenaustauschmembran(PEM)-Brennstoffzellen wird ein Reaktand wie z. B. Wasserstoff als ein Brennstoff einer Anode der Brennstoffzelle zugeführt und ein Reaktand wie z. B. Sauerstoff oder Luft als ein Oxidationsmittel der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt. Die PEM-Brennstoffzelle umfasst eine Membranelektrodenanordnung (MEA) mit einer protonendurchlässigen, elektrisch nicht leitfähigen Protonenaustauschmembran. Die Protonenaustauschmembran weist einen Anodenkatalysator auf einer Seite und einen Kathodenkatalysator auf der entgegengesetzten Seite auf. Die MEA ist oft zwischen „Anoden”- und „Kathoden”-Diffusionsmedien oder -Diffusionsschichten angeordnet, die aus einem elastischen, leitfähigen und gasdurchlässigen Material wie z. B. Kohlefaser oder -Papier bestehen. Die Diffusionsmedien dienen als die Primärstromkollektoren für die Anode und die Kathode wie auch zur Bereitstellung einer mechanischen Unterstützung für die MEA und zur Erleichterung einer Versorgung mit den Reaktanden.
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In einem Brennstoffzellenstapel ist eine Vielzahl von Brennstoffzellen in elektrischer Reihe ausgerichtet, während sie durch gasundurchlässige, elektrisch leitfähige Bipolarplatten getrennt sind. Jede MEA ist typischerweise zwischen einem Paar der elektrisch leitfähigen Platten angeordnet, die als Sekundärstromkollektoren zum Abnehmen des Stroms von den Primärstromkollektoren dienen. Die Platten leiten Strom zwischen benachbarten Zellen innerhalb des Brennstoffzellenstapels im Fall von Bipolarplatten und leiten Strom außerhalb des Stapels im Fall von Unipolarplatten an den Enden des Stapels.
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Die Bipolarplatten umfassen typischerweise zwei dünne, einander zugewandte leitfähige Tafeln. Eine der Tafeln definiert einen Strömungspfad auf einer äußeren Fläche davon zur Lieferung des Brennstoffs an die Anode der MEA. Eine äußere Fläche der anderen Tafel definiert einen Strömungspfad für das Oxidationsmittel zur Lieferung an die Kathodenseite der MEA. Wenn die Tafeln gefügt sind, ist ein Strömungspfad für ein dielektrisches Kühlfluid definiert. Die Platten sind typischerweise aus einem formbaren Metall hergestellt, das eine geeignete Festigkeit, elektrische Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit aufweist, wie z. B. die rostfreie Stahllegierung 316.
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Die Bipolarplatten weisen eine komplexe Matrix von Rillen oder Kanälen auf, die Strömungsfelder zum Verteilen der Reaktanden über die Oberflächen der jeweiligen Anoden und Kathoden bilden. Es sind auch Tunnel innerhalb der Bipolarplatte gebildet, die ein geeignetes Kühlmittel über den gesamten Brennstoffzellenstapel verteilen, um eine gewünschte Temperatur aufrechtzuerhalten.
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Die typische Bipolarplatte ist eine gefügte Anordnung, die aus zwei separaten Unipolarplatten gebaut ist. Jede Unipolarplatte weist eine Außenfläche mit Strömungskanälen für die gasförmigen Reaktanden und eine Innenfläche mit den Kühlmittelkanälen auf. Es ist bekannt, dass Platten aus einer Vielfalt von Materialien gebildet sein können, welche z. B. ein Metall, eine Metalllegierung oder ein Verbundmaterial umfassen. Die Metalle, Metalllegierungen und Verbundmaterialien müssen eine ausreichende Haltbarkeit und Steifigkeit aufweisen, um als Tafeln in der Bipolarplattenanordnung zu fungieren, wie auch um den Klemmkräften standzuhalten, wenn sie in einen Brennstoffzellenstapel montiert werden, ohne zusammenzuklappen. Es ist bekannt, die Platten beispielsweise unter Verwendung verschiedener Prozesse wie z. B. maschinelle Bearbeitung, Pressen, Schneiden, Fräsen, Stanzen oder Formätzen zu bilden. In jedem bekannten Verfahren zum Bilden der Platten wird ein Substratmaterial, typischerweise eine Metall- oder eine Verbundtafel, benötigt. Es ist möglich, eine gewünschte minimale Dicke des Substrats zu erreichen, allerdings nur im Kompromiss mit Kosten und unerwünschten Materialeigenschaften. Wenn z. B. eine Verbundtafel zu einem dünneren Maß gepresst wird, wird es spröder und schwerer zu bearbeiten. Darüber hinaus ist eine dünnere Verbundtafel oft weniger wünschenswert, da ein hoher Kohlenstoffgehalt bewirken kann, dass eine dünnere Tafel porös wird. Ebenso wird ein Metallblech, wenn es in mehreren Schritten durch Ziehen oder Walzen der Tafel dünner gemacht wird, nach jedem Schritt ebenfalls spröder oder kalt gehärtet und erfordert ein Glühen vor einer weiteren Bearbeitung. Somit sind mit einem dünneren Substratmaterial höhere Herstellungskosten verbunden. Es ist auch mehr Sorgfalt erforderlich, um die komplexen Oberflächenmerkmale der Platten wie z. B. das Strömungsfeldmuster aus einem dünneren Metallsubstratmaterial zu bilden, um lokale Bereiche hoher Spannung und die daraus folgenden Sprünge oder Risse in den Platten auf Grund des dünneren Materials zu vermeiden. Ein dünneres Metallsubstrat begrenzt auch die Tiefe jedes Strömungskanals auf Grund der Begrenztheit der Metallstreckung. Infolgedessen werden Metallblechplatten optimal mit einer Dicke von etwa 3 bis 6 mil (0,003 bis 0,006 Zoll oder ungefähr 0,075 bis 0,15 Millimeter dick) gebildet. Es ist jedoch einzusehen, dass dickere Metallplatten dicker verwendet werden können, um die Kosten zu reduzieren und die Verarbeitbarkeit des Plattenmaterials zu verbessern.
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Darüber hinaus haben herkömmliche Prozesse zum Bilden der Platten aus dem Blechmaterial zur Folge, dass beinahe die Hälfte des Materials als Abfall weggeworfen wird. Etwas von dem Abfall wird erzeugt, wenn Durchbrechungen in den nicht aktiven Abschnitt der Platten gestanzt werden, um Strömungsquerschnitte und Sammler zur Zufuhr und zum Austrag von Reaktanden und Kühlmittel zu erzeugen, wenn eine Vielzahl von Bipolarplatten in dem Brennstoffzellenstapel ausgerichtet ist. Ein größerer Teil des Abfalls stammt aus einem Einspannbereich, der während der Prozesse, die Platten aus dem Blechmaterial bilden, welches dann nach der Verarbeitung zugeschnitten oder weggeschnitten wird, um den Umfang des Blechmaterials herum notwendig ist.
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Schließlich werden, um elektrischen Strom zwischen den Anoden und Kathoden benachbarter Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel zu leiten, die gepaarten Unipolarplatten, die jede Bipolarplattenanordnung bilden, mechanisch und elektrisch gefügt. Auf dem technischen Gebiet ist eine Vielfalt von Bipolarplattenanordnungen und Verfahren zur Herstellung von Bipolarplattenanordnungen bekannt. Es wird z. B. von Neutzler in dem
US-Patent Nr. 5 776 624 , das hierin durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit aufgenommen ist, festgestellt, dass eine korrosionsbeständige Bleche umfassende Bipolarplatte zusammengelötet werden kann, um einen Durchgang zwischen den Tafeln vorzusehen, durch den hindurch ein dielektrisches Kühlmittel strömt. Ferner offenbart das
US-Patent Nr. 6 887 610 an Abd Elhamid et al., welches hierin durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit aufgenommen ist, eine Bipolarplattenanordnung ohne Schweißen oder Hartlöten, die eine elektrisch leitfähige Schicht umfasst, die über den Kühlmittelkanälen und Stegen aufgebracht ist, und eine Fluidabdichtung, die zwischen der nach innen weisenden Fläche um einen Umfang der Kühlmittelkanäle herum angeordnet ist. Ferner erwähnt das
US-Patent Nr. 6 942 941 an Blunk et al., welches hierin durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit aufgenommen ist, eine Bipolarplatte mit einer ersten und einer zweiten Fläche, die mit einer elektrisch leitfähigen Primerschicht beschichtet und mithilfe eines elektrisch leitfähigen Klebstoffes zusammengefügt sind. Schlag beschreibt in dem
US-Patent Nr. 7 009 136 , welches hierin durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit aufgenommen ist, ein Herstellungsverfahren, das geeignet ist, um Bipolarplatten unter Verwendung eines Teilvakuums zusammenzuschweißen, welches die gepaarten Unipolarplatten während des Schweißprozesses zusammenhält. Die gemeinsame US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungs-Nr. 2008/0 292 916, welche hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist, offenbart eine Bipolarplattenanordnung, die eine erste Unipolarplatte umfasst, die benachbart zu einer zweiten Unipolarplatte angeordnet ist, wobei die erste und die zweite Unipolarplatte durch eine Vielzahl von lokalen elektrisch leitfähigen Knoten miteinander kontaktiert sind. Die Kontaktierungen können als eine Schweißverbindung, eine Lötfügestelle, eine Hartlötfügestelle und eine Haftverbindung gebildet sein.
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Es besteht ein fortgesetzter Bedarf an einer kostengünstigen Bipolarplattenanordnung mit einer effizienten und robusten Struktur, die einen optimierten elektrischen Kontakt zwischen den Platten der Anordnung vorsieht und gleichzeitig den Materialverbrauch und Abfall minimiert und die strukturelle Unversehrtheit der Platten maximiert. Es ist auch ein Verfahren zur schnellen Herstellung der Bipolarplattenanordnung erwünscht, das auf optimierte Strömungsfeldkonstruktionen anwendbar ist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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In Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenlegung wurde überraschenderweise eine kostengünstige Bipolarplattenanordnung mit einer effizienten und robusten Struktur entdeckt, die einen optimierten elektrischen Kontakt zwischen den Platten der Anordnung vorsieht, während der Materialverbrauch und Abfall minimiert und die strukturelle Unversehrtheit der Platte maximiert sind.
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Die Bipolarplattenanordnung umfasst eine erste elektrogeformte Unipolarplatte, die benachbart zu einer zweiten elektrogeformten Unipolarplatte angeordnet ist. Die erste Unipolarplatte und die zweite Unipolarplatte sind durch eine Vielzahl von lokalen elektrisch leitfähigen Stopfen durch galvanisch aufgebrachtes Material kontaktiert, das innerhalb von Durchbrechungen abgeschieden ist, die in dem Substrat gebildet sind, auf dem die Unipolarplatten gebildet werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist ein Verfahren zur Herstellung der Bipolarplattenanordnung vorgesehen. Das Verfahren umfasst, dass ein Substrat mit einem vorbestimmten äußeren Oberflächenmuster und zumindest einer dadurch gebildeten Durchbrechung vorgesehen wird; das Substrat zu einer vorbestimmten Dicke auf dem Oberflächenmuster plattiert wird, um eine Brennstoffzellen-Bipolarplatte zu bilden, wobei die zumindest eine Durchbrechung durch den Metallplattierungsprozess gefüllt wird, um eine thermische und elektrische Leitfähigkeit zwischen jeder Platte der Bipolarplattenanordnung vorzusehen. Das Substrat kann nach dem Schritt der Metallplattierung entfernt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Herstellung der Bipolarplattenanordnung für einen Brennstoffzellenstapel die Schritte, dass: ein erstes und ein zweites Polymersubstrat vorgesehen werden, wobei jedes vorbestimmte Oberflächenmuster aufweist und zumindest eines von dem ersten und dem zweiten Polymersubstrat zumindest eine dadurch gebildete Durchbrechung umfasst; die erste plattierte Polymertafel benachbart zu der zweiten plattierten Polymertafel angeordnet wird; und eine vorbestimmt Dicke eines Plattiermaterials auf der ersten und der zweiten plattierten Polymertafel aufgebracht wird, wobei die zumindest eine Durchbrechung durch den Metallplattierungsprozess gefüllt wird, um die erste und die zweite plattierte Polymertafel selektiv miteinander zu kontaktieren, um eine thermische und elektrische Leitfähigkeit zwischen jeder Platte der Bipolarplattenanordnung bereitzustellen.
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Zeichnungen
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Die oben stehenden sowie weitere Vorteile der vorliegenden Offenlegung sind für Fachleute aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, insbesondere bei Betrachtung im Licht der hierin beschriebenen Zeichnungen, ohne weiteres verständlich.
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1 ist eine schematische perspektivische Explosionsdarstellung eines PEM-Brennstoffzellenstapels wie auf dem technischen Gebiet bekannt;
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2 ist eine perspektivische Darstellung einer gefügten Bipolarplattenanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung;
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3A ist eine fragmentarische Querschnitts-Aufriss-Ansicht eines Substrats, das verwendet wird, um eine Bipolarplattenanordnung gemäß der in 2 gezeigten Ausführungsform der Erfindung zu bilden.
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3B ist eine fragmentarische perspektivische Darstellung eines durch den Kreis 3B von 2 gezeigten Abschnittes der gefügten Bipolarplattenanordnung, die einen Stopfen zeigt, welcher die Plattenanordnung verbindet;
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4A ist eine Explosions-Querschnittsansicht von Substraten, die verwendet werden, um eine Bipolarplattenanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung zu bilden;
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4B ist eine Aufriss-Querschnittsansicht einer gefügten Bipolarplattenanordnung gemäß der Ausführungsform von 4A; und
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5 ist eine Flussdiagramm-Zusammenfassung der Schritte zur Herstellung einer Bipolarplattenanordnung gemäß der vorliegenden Offenlegung.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Die nachfolgende detaillierte Beschreibung und die beiliegenden Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen dazu, es einem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung herzustellen und zu verwenden, und sollen den Schutzumfang der Erfindung in keiner Weise einschränken. In Bezug auf die offenbarten Verfahren sind die dargestellten Schritte beispielhaft und daher ist die Reihenfolge der Schritte nicht notwendig oder kritisch.
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1 veranschaulicht einen PEM-Brennstoffzellenstapel 10 gemäß dem Stand der Technik. Der Einfachheit halber ist in 1 nur ein Zweizellenstapel (d. h. eine Bipolarplatte) veranschaulicht und beschrieben, wobei einzusehen ist, dass ein typischer Brennstoffzellenstapel viel mehr solche Zellen und Bipolarplatten aufweisen wird. Der Brennstoffzellenstapel 10 umfasst ein Paar Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 12, 14, die durch eine elektrisch leitfähige Bipolarplatte 16 getrennt sind. Die MEAs 12, 14 und die Bipolarplatte 16 sind zwischen einem Paar Klemmplatten 18, 20 und einem Paar unipolarer Endplatten 22, 24 gestapelt. Die Klemmplatten 18, 20 sind von den Endplatten 22, 24 durch eine Dichtung oder eine dielektrische Beschichtung (nicht gezeigt) elektrisch isoliert. Jeweilige Arbeitsflächen 26, 28 jeder der unipolaren Endplatten 22, 24 wie auch die Arbeitsflächen 30, 32 der Bipolarplatte 16 umfassen jeweils eine Vielzahl von Rillen oder Kanälen 34, 40, 36, 38, die geeignet sind, die Strömung eines Brennstoffes wie z. B. Wasserstoff und eines Oxidationsmittels wie z. B. Sauerstoff dadurch zu erleichtern. Nicht leitfähige Dichtungen 42, 44, 46, 48 stellen Abdichtungen und eine elektrische Isolierung zwischen den Komponenten des Brennstoffzellenstapels 10 bereit. Gasdurchlässige Diffusionsmedien 50, 52, 54, 56 wie z. B. Kohle- oder Graphit-Diffusionspapiere liegen im Wesentlichen an jeder von einer Anodenfläche und einer Kathodenfläche der MEAs 12, 14 an. Die Endplatten 22, 24 sind benachbart zu den Diffusionsmedien 50 bzw. 56 angeordnet.
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Die Bipolarplatte 16 ist benachbart zu dem Diffusionsmedium 52 auf der Anodenfläche der MEA 12 und benachbart zu dem Diffusionsmedium 54 auf der Kathodenfläche der MEA 14 angeordnet.
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Wie gezeigt, umfasst jede der MEAs 12, 14, der Bipolarplatte 16, der Endplatten 22, 24 und der Dichtungen 42, 44, 46, 48 eine Kathodenversorgungsdurchbrechung 58, eine Kathodenaustragdurchbrechung 60, eine Kühlmittelversorgungsdurchbrechung 62, eine Kühlmittelaustragdurchbrechung 64, eine Anodenversorgungsdurchbrechung 66 und eine Anodenaustragdurchbrechung 68. Ein Kathodenversorgungssammler ist durch das Ausrichten von benachbarten Kathodenversorgungsdurchbrechungen 58 gebildet, die in den MEAs 12, 14, der Bipolarplatte 16, den Endplatten 22, 24 und den Dichtungen 42, 44, 46, 48 gebildet sind. Ein Kathodenaustragsammler ist durch das Ausrichten von benachbarten Kathodenaustragdurchbrechungen 60, die in den MEAs 12, 14, der Bipolarplatte 16, den Endplatten 22, 24 und den Dichtungen 42, 44, 46, 48 gebildet sind, gebildet Ein Kühlmittelversorgungssammler ist durch das Ausrichten von benachbarten Kühlmittelversorgungsdurchbrechungen 62, die in den MEAs 12, 14, der Bipolarplatte 16, den Endplatten 22, 24 und den Dichtungen 42, 44, 46, 48 gebildet sind, gebildet. Ein Kühlmittelaustragsammler ist durch das Ausrichten von benachbarten Kühlmittelaustragdurchbrechungen 64 gebildet, die in den MEAs 12, 14, der Bipolarplatte 16, den Endplatten 22, 24 und den Dichtungen 42, 44, 46, 48 gebildet sind. Ein Anodenversorgungssammler ist durch das Ausrichten von benachbarten Anodenversorgungsdurchbrechungen 66 gebildet, die in den MEAs 12, 14, der Bipolarplatte 16, den Endplatten 22, 24 und den Dichtungen 42, 44, 46, 48 gebildet sind. Ein Anodenaustragsammler ist durch das Ausrichten von benachbarten Anodenaustragdurchbrechungen 68 gebildet, die in den MEAs 12, 14, der Bipolarplatte 16, den Endplatten 22, 24 und den Dichtungen 42, 44, 46, 48 gebildet sind.
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Ein Wasserstoffgas wird dem Brennstoffzellenstapel 10 durch den Anodenversorgungssammler hindurch über eine Anodeneinlassleitung 70 zugeführt. Ein Oxidationsmittelgas wird dem Brennstoffzellenstapel 10 durch den Kathodenversorgungssammler des Brennstoffzellenstapels 10 hindurch über eine Kathodeneinlassleitung 72 zugeführt. Eine Anodenauslassleitung 74 und eine Kathodenauslassleitung 76 sind für den Anodenaustragsammler bzw. den Kathodenaustragsammler vorgesehen. Eine Kühlmitteleinlassleitung 78 und eine Kühlmittelauslassleitung 80 stehen in fluidtechnischer Verbindung mit dem Kühlmittelversorgungssammler und dem Kühlmittelaustragsammler, um eine Strömung eines flüssigen Kühlmittels dadurch bereitzustellen. Es ist einzusehen, dass die Konfigurationen der verschiedenen Einlässe 70, 72, 78 und Auslässe 74, 76, 80 in 1 zur Illustration dienen und je nach Wunsch andere Konfigurationen gewählt sein können.
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2 zeigt eine Bipolarplatte 16 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Bipolarplatte 16 ist aus einer ersten Unipolarplatte 90 und einer zweiten Unipolarplatte 92 gebildet, die durch Stopfen 94 zusammengefügt sind. Eine erste aktive Oberfläche 96 der ersten Unipolarplatte 90 entspricht der Arbeitsfläche 32 (1) und dient als die Kathodenseite der Bipolarplatte 16. Eine zweite aktive Oberfläche 98 der zweiten Unipolarplatte 92 entspricht der Arbeitsfläche 30 (1) und dient als die Anodenseite der Bipolarplatte.
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Die erste aktive Oberfläche
96 der ersten Unipolar (Kathoden-)platte
90 umfasst eine Vielzahl von Rillen
36, die geeignet sind, die Reaktandengase über die erste aktive Oberfläche
96 der Kathodenplatte
90 hinweg zu verteilen. Die Vielzahl von Rillen
36 definiert eine Vielzahl von Stegen
100, die dazwischen angeordnet sind. Ebenso umfasst die zweite aktive Oberfläche
98 der zweiten Unipolar (Anoden-)platte
92 eine Vielzahl von Rillen
38, die durch Stege
102 getrennt sind. Die Rillen
38 dienen als Reaktandenströmungspfade entlang der unteren Fläche
98 der Anodenplatte
92. Die erste Unipolarplatte
90 und die zweite Unipolarplatte
92 wirken beim Zusammenbau zu der Bipolarplattenanordnung
16 zusammen, um Kühlmittelkanäle
104 zu bilden. Die gezeigte Bipolarplatte
16 entspricht einem Strömungsfeldmuster einer gepressten Platte, wobei die obere Wand
106 des Kühlmittelkanals
104 durch die Stege
100 der Kathodenplatte
90 gebildet ist, während die untere Wand
108 des Kühlmittelkanals
104 durch die Stege
102 der Anodenplatte
92 gebildet ist. Die Seitenwände
110,
112 des Kühlmittelkanals
104 sind je nach Wunsch durch die Seiten der Rillen
36,
38 gebildet. Die Bipolarplattenanordnung
16 umfasst ferner eine Vielzahl von Gasöffnungen (nicht gezeigt) und Kühlmittelöffnungen (nicht gezeigt), um Einlass- und Auslassdurchgänge für den Brennstoff, das Oxidationsmittel und das Kühlmittel bereitzustellen, die durch die Bipolarplattenanordnung
16 strömen. Ein geübter Fachmann sollte einsehen, dass je nach Wunsch verschiedene Konfigurationen der Rillen
36,
38, der Kühlmittelströmungskanäle
104 und der Öffnungen in der Bipolarplattenanordnung
16 verwendet werden können. Es werden jedoch üblicherweise gerade Anoden-, Kathoden- und Kühlmittelströmungskanäle wie jene verwendet, die in dem gemeinsamen
US-Patent mit der Veröffentlichungs-Nr. 2007/0 275 288 beschrieben sind, welches hiermit durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit aufgenommen ist. Es sollte jedoch einzusehen ein, dass die vorliegende Offenlegung nicht auf ein spezielles Strömungsfeldmuster beschränkt ist, sondern Anwendung auf Bipolarplattenanordnungen unabhängig von dem Strömungsfeldmuster findet.
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Die erste und die zweite Unipolarplatte 90, 92 sind aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet, das in einem Elektroformprozess abgeschieden wird. Wie in 3A gezeigt, wird eine Form oder ein Substrat 120 aus einem geeigneten Material gebildet, welche/s nach dem Elektroformprozess entfernt werden kann. Geeignete Zusammensetzungen für das Substrat 120 umfassen zumindest eines von einem Wachs, einem Polymer oder einem Metall, wenngleich auch andere Materialien verwendet werden können. Das Substrat 120 ist mit Oberflächenmerkmalen hergestellt, die den Rillen 36, 38 entsprechen, und umfasst massive Abschnitte, die den Kühlmittelströmungskanälen 104 entsprechen. Es ist einzusehen, dass das Substrat 120 auch ein beliebiges anderes wünschenswertes Strömungsfeldmuster umfassen kann, wie in der Bipolarplattenanordnung 16 erforderlich. Das Substrat 120 ist auch derart gebildet, dass es eine Vielzahl von Durchbrechungen oder Durchgangslöchern 122 umfasst. Es ist einzusehen, dass die Durchgangslöcher 122 kreisförmig sein können, wie gezeigt, oder sie können eine beliebige andere geometrische Form aufweisen wie z. B. Schlitze. Die Durchgangslöcher 122 können mit ansgefasten inneren Flächen 126 gebildet sein und weisen einen minimalen Durchmesser D1 auf.
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3B zeigt einen Abschnitt der Bipolarplattenanordnung 16 von 2, um eines der Durchgangslöcher 122 und umgebende Bereiche des Substrats 120 nach einem Elektroformarbeitsschritt zu zeigen. Um die Bipolarplattenanordnung 16 zu bilden, wird das Substrat 120 in einem Metallplattierungsbad angeordnet, wo ein gewünschtes Plattiermaterial auf die Außenfläche 124 des Substrats 120 plattiert wird. Das Plattiermaterial ist vorgewählt, um geeignete und gewünschte physikalische Eigenschaften, einschließlich Haltbarkeit, Steifigkeit, Gasdurchlässigkeit, Leitfähigkeit, Dichte, thermische Leitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Definition, thermische und Musterstabilität, Verfügbarkeit und Kosten zu umfassen. Das Substrat 120 wird in dem Metallplattierungsbad belassen, bis eine ausreichende Dicke des Plattiermaterials darauf abgeschieden ist. Es zeigten sich günstige Ergebnisse, wenn die Beschichtungsdicke t1 zwischen 10 und 50 Mikrometer liegt. Es ist jedoch einzusehen, dass wunschgemäß verschiedene Dicken t1 aufgebracht werden können.
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Während der Zeit, in der das Substrat 120 in dem Metallplattierungsbad verbleibt, scheidet sich Plattiermaterial auch entlang der inneren angefasten Fläche 126 der Durchgangslöcher 122 ab. Die Durchgangslöcher 122 sind derart dimensioniert, dass die Durchgangslöcher 122 während des Elektroformprozesses vollständig mit dem Plattiermaterial gefüllt werden, sodass die Durchgangslöcher 122 für die Reaktandenströmung durch die Stopfen 94 vollständig geschlossen werden, um dadurch eine hermetische Abdichtung zwischen den Unipolarplatten 90, 92 zu bilden. Die Stopfen 94 dienen auch dazu, die Unipolarplatten 90, 92 miteinander zu verbinden, um dadurch sowohl eine thermische als auch eine elektrische Leitfähigkeit dazwischen bereitzustellen. Es wurden günstige Ergebnisse erzielt, wenn der Durchmesser D1 der in dem Substrat 120 gebildeten Durchgangslöcher 122 ungefähr das Doppelte der gewünschten Plattierungsdicke t1 beträgt, um sicherzustellen, dass die Durchgangslöcher 120 vollständig durch das Plattiermaterial gefüllt werden. Es wurden günstige Ergebnisse festgestellt, wenn eine Dicke t2 der Stopfen 94 zwischen t1 und dem Doppelten des Wertes von t1 liegt (d. h. t1 ≤ t2 ≤ (2 × t1)).
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Sobald eine ausreichende und gewünschte Dicke t1 des Plattiermaterials auf dem Substrat 120 abgeschieden ist, wird das Substrat 120, das nun eine Bipolarplattenanordnung 16 umfasst, aus dem Metallplattierungsbad zur weiteren Verarbeitung entfernt. In einem Verarbeitungsschritt wird das Substrat 120, soweit erforderlich, durch Schmelzen und Ablassen, durch Oxidation oder durch chemisches Auflösen von zwischen den Unipolarplatten 90, 92 entfernt. Sobald das Substrat 120 entfernt ist, bleibt nur die Bipolarplattenanordnung 16 zurück, welche die beiden durch die Stopfen 94 miteinander verbundenen Unipolarplatten 90, 92 umfasst. Die Verteilung und Anzahl der Stopfen 94 kann je nach Wunsch gewählt sein. Es wurden jedoch günstige Ergebnisse bei Verwendung einer im Wesentlichen gleichmäßigen Verteilung der Stopfen 94 erzielt Das Elektroformen der Bipolarplattenanordnung 16 auf dem Substrat 120 lässt vorteilhafterweise eine Gestaltungsflexibilität der Unipolarplatten 90, 92 zu, die durch andere Herstellungsprozesse wie z. B. Pressen oder Umformen nicht geboten werden kann. Insbesondere lässt der Elektroformprozess tiefere Rillen 36, 38 und einen geringeren Druckabfall über jede Unipolarplatte 90, 92 hinweg zu und vermeidet die mit einem Metallplattenpresseprozess einhergehenden Metallrissbildungsprobleme. Außerdem benötigt der Elektroformprozess in der Größenordnung 10% bis 50% (abhängig von der gewünschten Dicke t1) weniger Plattiermaterial, als in einem Prozess mit gepressten Platten erforderlich ist, und eliminiert Abfallmaterial in den Umfangsbereichen der Plattenanordnung 16.
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In einer Ausführungsform können die Bipolarplattenanordnungen 16 als einzelne und eigenständige Anordnungen mithilfe von separaten und einzeln gefertigten Substraten 120 gebildet sein. Als eigenständige Anordnungen kann dann zugelassen, dass sich das Plattiermaterial um den Umfang 130 (2, 3A) des Substrats 120 herum abscheidet und Umfangskanten 132 bildet, um dadurch den Umfang der Bipolarplattenanordnung 16 hermetisch abzudichten. Indem zugelassen wird, dass das Plattiermaterial die abgedichteten Umfangskanten 132 der Bipolarplattenanordnung 16 bildet, wird die Notwendigkeit einer separaten Umfangsabdichtung zwischen den Unipolarplatten 90, 92 eliminiert. Die Umfangskante 132 kann innerhalb der Kühlmittelverteiler (nicht gezeigt) abgeschnitten werden, um sowohl die Entfernung des Substrats 120 zu erleichtern, als auch, um einen Kühlmittelströmungspfad durch die Bipolarplattenanordnung 16 hindurch zuzulassen, der für einen ordnungsgemäßen Betrieb der Brennstoffzelle erforderlich ist. Das Entfernen des Substrats 120 kann jedoch je nach Wunsch an einer beliebigen Stelle erfolgen.
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Alternativ können die Bipolarplattenanordnungen auf einem Substrat 120 gebildet sein, das sich wiederholende Oberflächenmuster der Rillen 36, 38, die massiven Abschnitte, die den Kühlmittelströmungspfaden 104 entsprechen, oder beliebige andere wünschenswerte Strömungsfeldmerkmale und die Durchgangslöcher 122 umfasst. Die sich wiederholenden und benachbarten Bipolarplattenanordnungen 16 würden z. B. durch einen Schneideprozess nach dem Elektroformprozess getrennt werden. Sobald es getrennt ist, würde das Substrat 120 durch die zuvor erwähnten Verfahren entfernt werden. Allerdings können die Umfangskanten 132 der Bipolarplattenanordnungen, die durch einen kontinuierlichen Substratprozess gebildet werden, eine separate Abdichtungsaktion wie z. B. Crimpen, Schweißen, Kontaktieren oder irgend einen anderen gewünschten Prozess erforderlich machen. Auf diese Weise können viele Bipolarplattenanordnungen 16 unter Verwendung des Elektroformprozesses der vorliegenden Offenlegung effizient hergestellt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform, die in den 4A und 4B gezeigt ist, kann eine Bipolarplattenanordnung 16' aus zwei separat gebildeten unipolaren Schichtverbundanordnungen 140, 142 gebildet sein, die anschließend während des Plattierungsprozesses miteinander kontaktiert werden. Jede der unipolaren Anordnungen 140, 142 umfasst ein Substrat 144 bzw. 146, das aus einem bevorzugten Substratmaterial wie z. B zumindest einem Polymer und/oder einem Verbundstoff und/oder einem Metall gebildet ist. Es wurden günstige Ergebnisse durch Verwendung eines Polymers mit einem ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie das Plattiermaterial erzielt.
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Jedes Substrat 144, 146 ist derart hergestellt, dass es wünschenswerte Strömungsfeldkonfigurationen aufweist. Zu Veranschaulichungszwecken entspricht das Substrat 144 in den 4A und 4B der unipolaren Anordnung 140 einer Anodenplattenanordnung, während das Substrat 146 der unipolaren Anordnung 142 der Kathodenplattenanordnung entspricht. Das Strömungsfeldmuster der in den 4A und 4B gezeigten Bipolarplattenanordnung 16' ist analog einem Verbundplattenströmungsfeldmuster, wobei Kühlmittelkanäle in einem Muster gebildet sind, das unabhängig von dem Reaktandenströmungsfeldmuster ist. Insbesondere unter Bezugnahme auf die Anoden-Unipolarplatte 140 umfasst eine erste Fläche 148 des Anodensubstrats 144 Reaktandenströmungskanäle 150, die durch Stege 152 getrennt sind. Die Stege 152 sind allgemein breiter als die Reaktandenströmungskanäle 150, um dadurch die Bildung von Kühlmittelkanälen 154 auf einer zweiten Seite 156 des Anodensubstrats innerhalb der Stege 152 zuzulassen. Darüber hinaus sind die Kühlmittelkanäle 154 nur innerhalb der zweiten Anodenseite 156 vorgesehen und sind nicht in der Kathoden-Unipolarplatte 142 vorgesehen. Stattdessen umfasst eine erste Seite 158 des Kathodensubstrats 146 Kathoden-Reaktandenströmungskanäle 160, während eine zweite Seite 162 des Kathodensubstrats 142 im Wesentlichen flach ist.
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Zumindest eines der Substrate 144, 146 umfasst Fügedurchbrechungen oder Durchgangslöcher 164, um das Zusammenfügen der zwei Substrate während eines Elektroplattierungsprozesses zu erleichtern. Es wurden günstige Ergebnisse erzielt, wenn die FügeDurchgangslöcher 164 entlang der unteren Wand 166 der Anoden-Reaktandenströmungskanäle 150 angeordnet sind, wie in 4A gezeigt, sodass, wenn die Substrate 144, 146 aneinander anliegen, die Durchgangslöcher 164 benachbart zu der flachen zweiten Seite 162 des Kathodensubstrats 144 liegen. Die Durchgangslöcher 164 sind mit einem kreisförmigen Querschnitt gezeigt, können jedoch eine beliebige gewünschte Form einschließlich Schlitze aufweisen, um bei der Ausrichtung hilfreich zu sein. Ferner kann/können, in Abhängigkeit von dem Material, das verwendet wird, um die Substrate 144, 146 herzustellen, eines oder beide der Substrate zusätzliche kleiner dimensionierte Durchgangslöcher 168 umfassen, welche, sobald sie mit dem Plattiermaterial gefüllt sind, eine elektrische Leitfähigkeit und Wärmeabgabe von den Platten 140, 142 während des Betriebes der Brennstoffzelle zulassen. Insbesondere wegen der Größe der klein dimensionierten Durchgangslöcher 168 können sie wegen der verbesserten Herstellbarkeit der Bipolarplattenanordnung 16' weggelassen werden. Wie z. B. insbesondere in den 4A und 4B gezeigt, sind die kleiner dimensionierten Durchgangslöcher 168 bei den Stegen 152' auf der linken Seite weggelassen, während die Stege 152 auf der rechten Seite die kleiner dimensionierten Durchgangslöcher 168 umfassen. Ebenso ist die flache zweite Seite 162' auf der linken Seite ohne die kleiner dimensionierten Durchgangslöcher 168 gezeigt, während die flache zweite Seite 162 auf der rechten Seite die kleiner dimensionierten Durchgangslöcher 168 umfasst. Daher umfassen die Substrate 144, 146 entweder kleine Durchgangslöcher 168 oder FügeDurchgangslöcher 164, um eine elektrische Leitfähigkeit durch die Platten 140, 142 hindurch bereitzustellen. Überdies sind, wie zuvor angeführt, die FügeDurchgangslöcher 164 benachbart zu der flachen zweiten Seite 162 des benachbarten Substrats 144 angeordnet, um eine Kontaktierung damit zu bilden, um einem Kühlmittelaustritt aus den Kühlmittelkanälen 154 durch die FügeDurchgangslöcher 164 hindurch in dem Fall entgegenzuwirken, dass die FügeDurchgangslöcher 164 durch den Plattierungsprozess nicht vollständig gefüllt sind.
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In der Praxis wird eines von zwei Verfahren verwendet, um die Bipolarplattenanordnung 16' zu bauen. In einem ersten Verfahren werden die Substrate 144, 146 gebildet und werden dann in einem Elektroformprozess mit einer ersten Lage eines Plattiermaterials versehen. Die erste Lage des Plattiermaterials ist relativ dünn, mit einer Dicke in der Größenordnung 3 bis 10 Mikrometer, und bedeckt die gesamten äußeren Flächen 170, 172 der Substrate 144 bzw. 146, einschließlich der inneren Fläche 174 der FügeDurchgangslöcher 164. Falls erwünscht, kann der erste Plattierungsprozess andauern, bis die kleineren Durchgangslöcher 168 mit Plattiermaterial ausgefüllt sind. Sobald eine gewünschte Dicke von Plattiermaterial abgeschieden ist, werden die Substrate 144, 146 aneinandergelegt und zusammengehalten, und es wird ein zweiter Plattierungsarbeitsschritt ausgeführt, in dem die FügeDurchgangslöcher 164 vollständig mit Plattiermaterial ausgefüllt werden, um die Unipolarplatten 140, 142 miteinander mit Stopfen 194 zu kontaktieren. Darüber hinaus kann der Außenumfang 176 der Grenzfläche zwischen den Unipolarplatten 140, 142 ebenfalls auf Grund der Abscheidung von Plattiermaterial miteinander kontaktiert werden, um dadurch den Außenumfang 176 gegen einen Kühlmittelaustritt abzudichten. Es führte zu günstigen Ergebnissen, wenn der zweite Plattierungsarbeitsschritt zusätzlich 3 bis 10 Mikrometer Plattiermaterial abscheidet, sodass die Gesamtdicke t3 des Plattiermaterials 180, das auf jeder Unipolarplatte abgeschieden ist, zwischen einer Dicke von etwa 5 bis 20 Mikrometer liegt. Es ist jedoch einzusehen, dass eine andere Materialdicke aufgebracht werden kann.
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In einem zweiten Verfahren wird nur ein einziger Plattierungsarbeitsschritt verwendet. Das erste und das zweite Substrat 144, 146 werden wie oben hergestellt und werden sofort aneinandergelegt und zusammengehalten. Die aneinander gelegten Substrate 144, 146 werden dann einem einzigen Plattierungsarbeitsschritt unterzogen, um die gesamte Dicke des Plattiermaterials 180 auf den äußeren Flächen 170, 172 der Substrate 144, 146 abzuscheiden. Der Plattierungsarbeitsschritt dauert an, bis die FügeDurchgangslöcher 164 und die kleineren Durchgangslöcher 168 vollständig mit Plattiermaterial gefüllt sind und der Umfang 176 kontaktiert ist, um die Grenzfläche zwischen den Unipolarplatten 140, 142 abzudichten. Es führte zu günstigen Ergebnissen, wenn die größeren FügeDurchgangslöcher 164 des Anodensubstrats 144 mit einer Vielzahl der auf dem Kathodensubstrat 146 gebildeten kleineren Durchgangslöcher 168 ausgerichtet sind und diese überlappen, um sowohl eine Abdichtung von Platte zu Platte als auch eine Plattendurchgangsleitfähigkeit und eine Abdichtung durch die Stopfen 194 zu schaffen. Wie oben stehend angeführt, liegt die endgültige Dicke t3 des Plattiermaterials 180 bevorzugt bei einer Dicke zwischen etwa 5 und 20 Mikrometer.
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5 fasst die Prozessschritte zusammen, die notwendig sind, um die Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung zu bilden. In Übereinstimmung mit dem Verfahren erfordert ein erster Schritt 210 die Bildung zumindest eines Substrats, das wünschenswerte Strömungsfeldeigenschaften aufweist. Das Substrat kann aus einem entfernbaren Material gebildet sein, oder es kann aus einem Material gebildet sein, das wünschenswerte thermische Eigenschaften aufweist und innerhalb der Bipolarplattenanordnung verbleiben soll. Sobald es gebildet ist, wird das Substrat in einem zweiten Schritt 212 in ein Metallplattierungsbad getaucht, bis eine gewünschte Menge von Plattiermaterial bei 214 abgeschieden ist.
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Sobald eine gewünschte Menge von Plattiermaterials abgeschieden ist, wird die Anordnung in einem vierten Schritt 216 aus dem Bad genommen. Je nach Ausführungsform wird das Substrat in einem fünften Schritt 218 wie zuvor beschrieben entfernt, indem Durchbrechungen innerhalb der Kühlmittelöffnungen geöffnet werden oder kontinuierliche Teile getrennt werden. Zuletzt gestattet beispielsweise ein sechster Schritt 220 eine weitere Verarbeitung, falls erforderlich, wie z. B. durch Crimpen, Schweißen oder Kontaktierung der getrennten Platten zu.
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Es wurde überraschenderweise festgestellt, dass die Vielzahl von elektrisch und thermisch leitfähigen Stopfen 94, 194 eine stabile Strecke mit einem geringen elektrischen Widerstand zwischen den ersten Unipolarplatten 90, 140 und den zweiten Unipolarplatten 92, 142 bereitstellt. Ein Fachmann sollte einsehen, dass solch eine Strecke nun mit einer optimierten Menge von Material versehen ist, das verwendet wird, um die Unipolarplatten 90, 92, und 140, 142 jeweils miteinander zu kontaktieren. Die Verfahren der Offenlegung können im Vergleich mit herkömmlichen Prozessen zur Herstellung von vollständig kontaktierten Bipolarplattenanordnungen auch schneller durchgeführt werden und brauchen auch deutlich weniger Material als herkömmliche Formprozesse. Es wird auch eine große Menge an Abfallmaterial eliminiert, während die komplexen Strömungsfeldmuster auf den Unipolarplatten wiederholt hergestellt werden können. Schließlich können extrem dünne Unipolarplattenanordnungen bei reduzierten Kosten gegenüber herkömmlichen Platten gefertigt werden, welche die Gesamtgröße und die Kosten einer Brennstoffzellenanordnung minimieren.
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Während bestimmte repräsentative Ausführungsformen und Details gezeigt wurden, um die Erfindung zu veranschaulichen, wird für Fachleute offensichtlich sein, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der Offenlegung abzuweichen, der in den nachfolgenden beigefügten Ansprüchen weiter beschrieben ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5776624 [0008]
- US 6887610 [0008]
- US 6942941 [0008]
- US 7009136 [0008]
- US 2007/0275288 [0028]