DE102006043365B4

DE102006043365B4 - Brennstoffzellenstapel mit haltbaren leitenden Klebstoffverbindungen für bipolare Platten sowie Verfahren zum Ausbilden der bipolaren Platten

Info

Publication number: DE102006043365B4
Application number: DE102006043365A
Authority: DE
Inventors: Mahmoud H. Abd Elhamid; John N. Owens; Daniel J. Lisi; Richard H. Blunk; Youssef M. Mikhail
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2005-09-19
Filing date: 2006-09-15
Publication date: 2012-07-26
Anticipated expiration: 2026-09-16
Also published as: CN1971988A; DE102006043365A1; JP2007087948A; US20070065703A1; JP4695576B2; CN100539272C

Abstract

Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Protonenaustauschmembran (PEM-) Brennstoffzellen und wenigstens einer bipolaren Platte (8, 56), die zwischen einer Anode und einer Kathode benachbarter Brennstoffzellen schichtartig angeordnet ist, mit: einer ersten elektrisch leitenden Tafel (58), die eine einer Anode gegenüberliegende erste Fläche (59) und eine erste Wärmeaustauschfläche (90) aufweist; einer zweiten elektrisch leitenden Tafel (60), die eine einer Kathode gegenüberliegende zweite Fläche (63) und eine zweite Wärmeaustauschfläche (92) aufweist, wobei die erste Wärmeaustauschfläche (90) der zweiten Wärmeaustauschfläche (92) gegenüberliegt; einem elektrisch leitenden Klebstoff (112), der zwischen und in Kontakt mit der ersten Wärmeaustauschfläche (90) und der zweiten Wärmeaustauschfläche (92) an einem oder mehreren Kontaktgebieten (100) angeordnet ist und eine haltbare Verbindung zwischen der ersten und zweiten Wärmeaustauschfläche (90, 92) erzeugt, wobei die Verbindung einen elektrischen Widerstand von weniger als oder gleich 4 mΩ cm2 unter einer Kompressionskraft von größer als 1400 kPa aufweist, nachdem diese Brennstoffzellenbetriebsbedingungen von...

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellenstapel und Verfahren zur Herstellung derselben.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Brennstoffzellen sind als eine Energiequelle für Elektrofahrzeuge und andere Anwendungen vorgeschlagen worden. Eine bekannte Brennstoffzelle ist die Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran (PEM), die eine so genannte Membranelektrodenanordnung (MEA) enthält, die einen dünnen Festpolymermembranelektrolyt umfasst, der eine Anode auf einer Seitenfläche und eine Kathode auf der entgegengesetzten Seitenfläche der Membran besitzt.
Die MEA ist schichtartig zwischen einem Paar elektrisch leitender Kontaktelemente angeordnet, die als Stromkollektoren für die Anode und Kathode dienen. Die Stromkollektoren können geeignete Kanäle und Öffnungen darin zur Verteilung der gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle (d. h. H₂ & O₂/Luft) über die Oberflächen der jeweiligen Anode und Kathode enthalten.
Wenn eine Vielzahl von MEAs in elektrischer Reihe aneinander gestapelt ist, sind diese voneinander durch ein undurchlässiges elektrisch leitendes Kontaktelement getrennt, das als eine bipolare Platte, Bipolar- oder Separatorplatte bekannt ist. Die Separator- oder Bipolarplatte besitzt zwei Arbeitsseitenflächen, von denen eine der Anode einer Zelle gegenüberliegt und die andere der Kathode an der nächsten benachbarten Zelle in dem Stapel gegenüberliegt. Jede Bipolarplatte leitet elektrisch Strom zwischen den benachbarten Zellen. Kontaktelemente an den Enden des Stapels werden als End-, Anschluss- oder Kollektorplatten bezeichnet. Die leitenden Separatorelemente besitzen oftmals Innendurchgänge, durch die Kühlmittel strömt, um Wärme von dem Stapel zu entfernen.
In der US 6,942,941 B2 werden Brennstoffzellenstapel mit aus je zwei Tafeln zusammengesetzten Bipolarplatten offenbart, wobei die beiden Tafeln jeder Bipolarplatte an ihren Verbindungsflächen mit einem Haftvermittler beschichtet sind und über einen zwischen den Beschichtungen angebrachten Klebstoff miteinander verbunden sind.
Aus der US 2005/0100771 A1 sind aus je zwei Tafeln zusammengesetzte Bipolarplatten bekannt, wobei die beiden Tafeln jeder Bipolarplatte an ihren Verbindungsflächen mit einer Metallbeschichtung versehen sind und über einen zwischen den Beschichtungen angebrachten Klebstoff miteinander verbunden sind.
In der DE 195 07 658 A1 und in der DE 10 2004 033 606 A1 werden mit leitenden Epoxidklebstoffen verbundene elektrische Bauteile beschrieben.
Bipolarplatten werden allgemein aus zwei separaten leitenden Tafeln hergestellt, die an einer oder mehreren Verbindungsstellen miteinander verbunden werden müssen. Die Verbindungsstellen müssen die rauen Bedingungen der Brennstoffzelle aushalten. Die Bipolarplatten müssen eine hohe elektrische Leitfähigkeit vorsehen, um Spannungsverluste zu reduzieren, ein geringes Gewicht aufweisen, um einen gravimetrischen Wirkungsgrad zu verbessern, und eine Haltbarkeit für eine Effizienz im Langzeitbetrieb aufweisen. Es besteht die Herausforderung, das Verbinden der einzelnen Komponenten der elektrisch leitenden Separatorelemente in einer Brennstoffzelle zu optimieren, um die Effizienz so kosteneffektiv wie möglich zu unterstützen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Protonenaustauschmembran (PEM-) Brennstoffzellen und wenigstens einer bipolaren Platte, die zwischen einer Anode und einer Kathode benachbarter Brennstoffzellen schichtartig angeordnet ist, mit:

– einer ersten elektrisch leitenden Tafel, die eine einer Anode gegenüberliegende erste Fläche und eine erste Wärmeaustauschfläche aufweist;
– einer zweiten elektrisch leitenden Tafel, die eine einer Kathode gegenüberliegende zweite Fläche und eine zweite Wärmeaustauschfläche aufweist, wobei die erste Wärmeaustauschfläche der zweiten Wärmeaustauschfläche gegenüberliegt; und
– einem elektrisch leitenden Klebstoff, der zwischen und in Kontakt mit der ersten Wärmeaustauschfläche und der zweiten Wärmeaustauschfläche an einem oder mehreren Kontaktgebieten angeordnet ist und eine haltbare Verbindung zwischen der ersten und zweiten Wärmeaustauschfläche erzeugt, wobei die Verbindung einen elektrischen Widerstand von weniger als oder gleich 4 mΩ·cm² unter einer Kompressionskraft von größer als 1400 kPa aufweist, nachdem diese Brennstoffzellenbetriebsbedingungen von über 500 Stunden ausgesetzt wurde, wobei der leitende Klebstoff aus einem Epoxid gebildet ist und eine Vielzahl leitender Partikel umfasst, die Graphit und Ruß umfassen, wobei das Gewichtsverhältnis des Graphits zu dem Ruß zwischen 1:6 und 35:1 beträgt.

Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ausbilden einer bipolaren Platte in einem vorgenannten Brennstoffzellenstapel, wobei das Verfahren umfasst, dass:

– ein Zweikomponenten-Epoxidklebstoffsystem mit einer Vielzahl leitender Partikel gemischt wird, die Graphit und Ruß in einem Gewichtsverhältnis von Graphit zu Ruß zwischen 1:6 und 35:1 umfassen;
– das Zweikomponenten-Epoxidklebstoffsystem auf zumindest eines der folgenden aufgetragen wird: die erste leitende Tafel mit der ersten Wärmeaustauschfläche und die zweite leitende Tafel mit der zweiten Wärmeaustauschfläche;
– die erste Wärmeaustauschfläche mit der zweiten Wärmeaustauschfläche in Kontakt gebracht wird, wobei das Klebstoffsystem zwischen und in Kontakt mit der ersten Wärmeaustauschfläche und der zweiten Wärmeaustauschfläche an einem oder mehreren Kontaktgebieten angeordnet wird; und
– das Klebstoffpolymersystem gehärtet wird, um eine elektrisch leitende haltbare Verbindung an dem einen oder den mehreren Kontaktgebieten zwischen der ersten und zweiten Wärmeaustauschfläche zu erzeugen.

Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
1 eine schematische Darstellung von zwei Zellen in einem flüssigkeitsgekühlten PEM-Brennstoffzellenstapel ist;
2 ein beispielhaftes elektrisch leitendes Separatorelement ist, das eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3 von 2 ist, die ein leitendes Element einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 eine vergrößerte Ansicht eines Kontaktgebiets ist, das in 3 gezeigt ist;
5 eine vergrößerte Ansicht einer alternativen Ausführungsform eines Kontaktgebiets der vorliegenden Erfindung ist, bei der eine Zwischenseparatorplatte zwischen einer ersten und einer zweiten Tafel des leitenden Elements angeordnet ist; und
6 eine beispielhafte Prüfvorrichtung ist, die dazu verwendet wird, den Kontaktwiderstand einer Probe zu messen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en) ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken. Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel mit wenigstens einer Bipolarplatte, die eine verbesserte Klebstoffverbindung besitzt. Die Bipolarplatte umfasst allgemein eine erste und eine zweite leitende Tafel; jede besitzt eine Fläche, die der anderen gegenüberliegt. Die Flächen, die einander gegenüberliegen, sind an einem oder mehreren Kontaktgebieten durch einen leitenden Klebstoff aneinander geklebt, der eine starke haltbare Verbindung mit einem niedrigen Kontaktwiderstand, der zur Verwendung in einer Brennstoffzelle erwünscht ist, vorsieht. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung Verfahren, um eine derartige verbesserte Verbindung in einer elektrisch leitenden Bipolarplatte auszubilden.
Zunächst wird zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung eine Beschreibung einer beispielhaften Brennstoffzelle und eines beispielhaften Brennstoffzellenstapels vorgesehen. 1 zeigt zwei einzelne Protonenaustauschmembran-(PEM)-Brennstoffzellen, die verbunden sind, um einen Stapel zu bilden, der ein Paar Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 4, 6 aufweist, die voneinander durch eine bipolare Platte bzw. Bipolarplatte 8 einer elektrisch leitenden flüssigkeitsgekühlten Bipolarseparatorplatte getrennt sind. Eine einzelne Brennstoffzelle, die nicht in Reihe in einem Stapel verschaltet ist, besitzt eine Bipolarplatte 8 mit einer einzelnen elektrisch aktiven Seite. In einem Stapel besitzt eine bevorzugte Bipolarplatte 8 typischerweise zwei elektrisch aktive Seiten 20, 21, wobei in dem Stapel jede aktive Seite 20, 21 zu einer separaten MEA 4, 6 mit entgegengesetzten Ladungen weist, die getrennt sind, daher die so genannte ”Bipolar”-Platte.
Die MEAs 4, 6 und die Bipolarplatte 8 sind zwischen aus rostfreiem Stahl bestehenden Klemmanschlussplatten 10, 12 und Endkontaktfluidverteilungselementen 14, 16 aneinander gestapelt. Die Endfluidverteilungselemente 14, 16 wie auch beide Arbeitsseitenflächen oder -seiten 20, 21 der Bipolarplatte 8 enthalten eine Vielzahl von Stegen benachbart zu Nuten oder Kanälen an den aktiven Seitenflächen 18, 19, 20, 21, 22 und 23 zur Verteilung von Brennstoff- und Oxidationsmittelgasen (d. h. H₂ und O₂) an die MEAs 4, 6. Nichtleitende Dichtungselemente oder Abdichtungen 26, 28, 30, 32, 33 und 35 sehen Abdichtungen wie auch eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellenstapels vor. Gasdurchlässige leitende Diffusionsmedien 34, 36, 38 und 40 werden an die Elektrodenseitenflächen der MEAs 4, 6 gepresst. Zusätzliche Schichten aus leitendem Medium 43, 45 sind zwischen den Endkontaktfluidverteilungselementen 14, 16 und den Anschlusskollektorplatten 10, 12 angeordnet, um einen leitenden Pfad dazwischen vorzusehen, wenn der Stapel bei normalen Betriebsbedingungen komprimiert ist. Die Endkontaktfluidverteilungselemente 14, 16 werden an die Diffusionsmedien 34, 43 bzw. 40, 45 gepresst.
Sauerstoff wird an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels von einem Speichertank 46 über eine geeignete Versorgungsverrohrung 42 geliefert, während Wasserstoff an die Anodenseite der Brennstoffzelle von einem Speichertank 48 über eine geeignete Versorgungsverrohrung 44 geliefert wird. Alternativ dazu kann Luft an die Kathodenseite von der Umgebung geliefert werden und Wasserstoff an die Anode von einem Methanol- oder Benzinreformer oder dergleichen geliefert werden. Es ist auch eine Austragsverrohrung 41 für sowohl die H₂- als auch O₂/Luft-Seiten der MEAs vorgesehen. Eine zusätzliche Verrohrung 50 ist zum Umwälzen von Kühlmittel von einem Speicherbereich 52 durch die Bipolarplatte 8 und die Endplatten 14, 16 und aus der Austrittsverrohrung 54 heraus vorgesehen.
Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellenstapel mit wenigstens einer Bipolarplatte, wie die flüssigkeitsgekühlte Bipolarplatte 56, die in 2 gezeigt ist und die benachbarte Zellen eines PEM-Brennstoffzellenstapels trennt, elektrischen Strom zwischen benachbarten Zellen des Stapels leitet und den Stapel kühlt. Die Bipolarplatte 56 umfasst eine erste Tafel bzw. Außentafel 58 und eine zweite Tafel bzw. Außentafel 60. Die Tafeln 58, 60 können aus einem Metall, einer Metalllegierung oder einem Kompositmaterial bestehen und sind elektrisch leitend. Geeignete Metalle, Metalllegierungen und Kompositmaterialien besitzen eine ausreichende Haltbarkeit und Starrheit, um als Tafeln in einem leitenden Element in einer Brennstoffzelle zu dienen. Zusätzliche in Betracht zu ziehende Konstruktionseigenschaften bei der Auswahl eines Materials für den Plattenkörper umfassen eine Gaspermeabilität, Leitfähigkeit, Dichte, Wärmeleitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Musterdefinition, thermische und Musterstabilität, Bearbeitbarkeit, Kosten und Verfügbarkeit. Verfügbare Metalle und Legierungen umfassen Titan, Platin, rostfreien Stahl, nickelbasierte Legierungen und Kombinationen daraus. Kompositmaterialien können Graphit, Graphitfolie, leitende Partikel (beispielsweise Graphitpulver) in einer Polymermatrix, Kohlefaserpapier- und Polymerlaminate, Polymerplatten mit Metallkernen, leitende beschichtete Polymerplatten und Kombinationen daraus umfassen.
Bei bestimmten Ausführungsformen können die einzelnen Tafeln 58, 60 so dünn wie möglich (beispielsweise 0,002–0,02 Zoll bzw. 0,05–0,5 mm dick) ausgebildet sein. Die Tafeln 58, 60 können durch ein beliebiges in der Technik bekanntes Verfahren ausgebildet werden, einschließlich spanabhebender Formgebung, Formen, Schneiden, Einschneiden, Prägen, Photoätzen, wie durch eine photolithografische Maske, oder einen beliebigen anderen geeigneten Konstruktions- und Herstellprozess. Es ist auch möglich, dass die Tafeln 58, 60 einen Laminataufbau umfassen können, der eine flache Tafel und eine zusätzliche Tafel enthält, die eine Serie von Außenfluidströmungskanälen enthält.
Die Außentafel 58 besitzt eine erste Fläche 59 an ihrer Außenseite, die einer Anode einer MEA (nicht gezeigt) gegenüberliegt und so ausgebildet ist, dass sie eine Vielzahl von Stegen 64 vorsieht, die dazwischen eine Vielzahl von Nuten 66 definieren, die als ein ”Strömungsfeld” bekannt sind, durch das die Reaktandengase (d. h. H₂ oder O₂) der Brennstoffzelle in einem gewundenen Pfad von einer Seite 68 der Bipolarplatte zu ihrer anderen Seite 70 strömen. Wenn die Brennstoffzelle vollständig zusammengebaut ist, werden die Stege 64 an die Kohlenstoff/Graphit-Papiere (wie 36 oder 38 in 1) gepresst, die ihrerseits an die MEAs (wie 4 bzw. 6 in 1) gepresst werden. Der Einfachheit halber zeigt 2 nur zwei Gruppierungen aus Stegen 64 und Nuten 66. In der Realität bedecken die Stege und Nuten 64, 66 die gesamten Außenflächen der Tafeln 58, 60, die mit den Kohlenstoff/Graphit-Diffusionsmedien in Eingriff stehen. Das Reaktandengas wird an Nuten 66 von einer Sammelleitung oder Verteilernut 72 geliefert, die entlang einer Seite 68 der Brennstoffzelle liegt, und verlässt die Nuten 66 über eine andere Sammelleitung/Verteilernut 74, die benachbart der entgegengesetzten Seite 70 der Brennstoffzelle liegt.
Wie am besten in 3 zu sehen ist, enthält die Unterseite der Tafel 58 eine Vielzahl von Rippen 76, die dazwischen eine Vielzahl von Kanälen 78 definieren, durch die Kühlmittel beim Betrieb der Brennstoffzelle strömt. Wie in 3 gezeigt ist, liegt ein Kühlmittelkanal 78 unter jedem Steg 64, während eine Reaktandengasnut 66 über jeder Rippe 76 liegt. Alternativ dazu kann die Tafel 58 flach sein und das Strömungsfeld in einer separaten Materialtafel ausgebildet sein. Die Tafel 60 ist ähnlich der Tafel 58. Diesbezüglich ist eine Vielzahl von Rippen 80 gezeigt, die dazwischen eine Vielzahl von Kanälen 82 definieren, durch die Kühlmittel von einer Seite 69 der Bipolarplatte zu der anderen 71 strömt. Die (kühlmittelseitigen) Wärmeaustauschflächen 90, 92 der ersten und zweiten Tafel 58, 60 liegen einander gegenüber, um dazwischen die Kühlmittelströmungsdurchgänge 93 zu definieren, die derart ausgebildet sind, um ein flüssiges Kühlmittel aufzunehmen, und sind elektrisch miteinander an einer Vielzahl von Verbindungsstellen oder Kontaktgebieten 100 gekoppelt. Wie bei der Tafel 58 und wie am besten in 3 gezeigt ist, besitzt die Außenseite der Tafel 60 eine Fläche 63, die zu einer Kathode einer anderen MEA weist, die eine Vielzahl von Stegen 84 darauf aufweist, die eine Vielzahl von Nuten 86 definieren, durch die die Reaktandengase strömen.
Kühlmittel strömt zwischen den Kanälen 93, die durch Tafeln 58 bzw. 60 gebildet werden, wodurch laminare Grenzschichten aufgebrochen und eine Turbulenz bewirkt wird, die Wärmeaustausch mit den Wärmeaustauschflächen 90, 92 der Außentafeln 58 bzw. 60 steigert. Wie für Fachleute offensichtlich ist, können die Stromkollektoren der vorliegenden Erfindung hinsichtlich der Konstruktion von den oben beschriebenen abweichen, wie beispielsweise bei der Ausgestaltung von Strömungsfeldern, der Anordnung und Anzahl von Fluidlieferverteilern und dem Kühlmittelumwälzsystem, wobei jedoch die Funktion zum Leiten von elektrischem Strom durch die Fläche und den Körper des Stromkollektors bei allen Konstruktionen ähnlich funktioniert. Bei bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird ein elektrisch leitender Pfad mit guter Haltbarkeit über die Kontaktgebiete 100 ausgebildet. In Fällen, wenn der elektrische Widerstand über die Kontaktgebiete 100 zu hoch ist, wird an den Kontaktgebieten 100 eine erhebliche Wärmemenge erzeugt, die an das Kühlmittel übertragen wird. Es ist bevorzugt, dass der aufrechterhaltbare elektrische Widerstand über den leitenden Pfad niedrig genug ist, so dass er keine Überhitzung des Kühlmittels zur Folge hat. Überdies resultiert ein hoher elektrischer Widerstand über den leitenden Pfad in Spannungs-(Leistungs-)Verlusten in dem Stapel.
Somit wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Überhitzen des MEA-Kühlmittels verhindert oder dessen Auftreten zumindest reduziert, da die Wärmeleitfähigkeit der Verbindung hoch ist und die Tendenz besteht, dass diese mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit der Verbindung korreliert. Durch die vorliegende Erfindung wird ein Stapelleistungsverlust, der aus einem übermäßigen elektrischen Spannungsabfall über die Verbindung resultiert, verbessert. Ein Stapelspannungsverlust aufgrund eines Verbindungslinienwiderstandes ist bevorzugt kleiner als oder gleich 10% der von dem Stapel erzeugten Leistung, vorteilhafterweise 5% oder kleiner und liegt noch bevorzugter in der Größenordnung von 1% oder weniger. Das Kontaktgebiet 100 wird oftmals als die ”Verbindung” oder ”Verbindungslinie” bezeichnet. Gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird eine Degradation der Verbindungslinie verringert und/oder verhindert.
4 ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts von 3 und zeigt, dass die Rippen 76 an der ersten Tafel 58 und die Rippen 80 an der zweiten Tafel 60 in dem Kontaktgebiet 100 miteinander gekoppelt sind, um die bauliche Integrität der Bipolarplatte 56 sicherzustellen. Die erste Tafel 58 ist an dem Kontaktgebiet 100 direkt (d. h. ohne eine Zwischenabstandhaltertafel) mit der zweiten Tafel 60 über eine Vielzahl leitender Verbindungsstellen in diskreten Kontaktgebieten 100 verbunden. Das Kontaktgebiet 100 sieht einen elektrisch leitenden Pfad vor, der erforderlich ist, damit das Bipolarplattenelement als ein Stromkollektor funktioniert.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die Klebstoffverbindung an dem Kontaktgebiet 100 robust und haltbar innerhalb der rauen Betriebsbedingungen einer Brennstoffzelle. Beispielsweise kann der Klebstoff der vorliegenden Erfindung einen Wärmekoeffizienten besitzen, der ähnlich dem der Materialien ist, die die Tafeln 58, 60 bilden, und der eine Verbindungsliniendegradation minimiert, wenn die Brennstoffzelle Zyklen von Temperaturschwankungen in Verbindung mit einem Normalbetrieb ausgesetzt ist. Ferner minimiert die vorliegende Erfindung die Menge an leitenden Partikeln, die erforderlich ist, um die gewünschte Leitfähigkeit über die Verbindung aufzubringen, wodurch die Haftfähigkeit der Verbindung gesteigert wird. Somit minimiert die vorliegende Erfindung eine Verbindungsliniendegradation und hält einen niedrigen Kontakt-(Verbindungslinien-)Widerstand über das Kontaktgebiet 100 bei, um zulässige Niveaus sogar nach einem Langzeitbetrieb (beispielsweise mehr als 500 Betriebsstunden) aufrechtzuerhalten.
Typische Bedingungen in einer Brennstoffzelle umfassen eine Kompressionslast von etwa 200 psi (etwa 1400 kPa) bei 80°C und 100% relativer Feuchtigkeit, so dass die Kompressionskraft ein allgemeines ”Ablösen” oder eine Klebstoffverbindungsdegradation an den Kontaktgebieten 100 kompensiert. Somit treten Defekte in der Verbindungsintegrität allgemein nach längerer Betriebsdauer auf, und die Gesamtlangzeitverbindungsstabilität verschlechtert sich, wie beispielsweise von 500 Betriebsstunden bis 6000 Stunden des Brennstoffzellenbetriebs. Somit dürften bis 500 Betriebsstunden und in einigen Fällen bis 6000 Betriebsstunden keine Probleme mit der Haltbarkeit einer Verbindung auftreten.
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sehen eine haltbare Verbindung mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit vor, die Materialanforderungen und Bearbeitungsschritte minimiert, im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren, um Platten miteinander zu verbinden (beispielsweise mit der Verwendung von Grundierungsbeschichtungen und Klebstoffen und einer hohen Beladung mit leitenden Partikeln). Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Verbindung mit niedrigem Widerstand für die Separatorplatten mit vereinfachten Materialanforderungen erreicht werden, während die Haltbarkeit und Langlebigkeit beibehalten wird.
Die vorliegende Erfindung ist auch auf elektrisch leitende Bipolarplatten anwendbar, die miteinander in der Brennstoffzelle verbunden sind. Während die erste und zweite Tafel 58, 60 direkt aneinander gemäß der vorliegenden Erfindung, wie in 4 gezeigt ist, in einer Bipolarplatte 56 geklebt sein können, können die erste und zweite Tafel 58, 60 alternativ an eine diskrete dazwischen liegende leitende Separatortafel 101 (5) geklebt werden, die den Kühlmittelströmungsdurchgang 93 unterteilen kann. Die dazwischen liegende Separatortafel 101 kann mit Löchern versehen sein, um so zuzulassen, dass sich Kühlmittel zwischen den kleineren Kühlmittelströmungsdurchgängen 93 bewegen kann. Bei einer derartigen Ausführungsform wird die Separatortafel 101 gemäß der vorliegenden Erfindung durch Ankleben der Kontaktflächen 103 der Separatortafel 101 an der jeweiligen ersten und zweiten leitenden Tafel 58, 60 behandelt. Die Separatortafel 101 kann gewellt sein, um eine Vielzahl von Kühlmittelkanälen 105 in dem Kühlmittelströmungsdurchgang 93 vorzusehen, oder kann eine flache Tafel sein, die mit einer ersten und zweiten Außentafel verbunden ist, die jeweils eine Vielzahl von Kühlmittelströmungskanälen, die darin geformt sind, aufweisen, wie beispielsweise durch Wellen der Außentafeln.
Alle miteinander in Kontakt stehenden Gebiete 100 der Außentafeln 58, 60 (und der Innenseparatortafel, wenn verwendet) werden aneinander geklebt, um sicherzustellen, dass der Kühlmitteldurchgang 93 bevorzugt in einem anhaltenden Dichtungseingriff abgedichtet ist, der gegenüber einer Kühlmittelleckage fluiddicht ist, und um eine elektrische Leitung mit niedrigem Widerstand zwischen benachbarten Zellen vorzusehen. Ein anhaltender Dichtungseingriff ist einer, der bevorzugt mehr als 500 Betriebsstunden währt und bevorzugt mehr als 6000 Betriebsstunden währt, wenn er Brennstoffzellenbetriebsbedingungen ausgesetzt ist. Eine fluiddichte Dichtung ist eine Dichtung, die an den Kontaktgebieten 100 ausgebildet ist und einen Fluid- und Gastransport hindurch verhindert oder zumindest behindert. Der elektrisch leitende Klebstoff dient auch als ein leitender Füllstoff zum Füllen von Spalten zwischen den Tafeln 58, 60, die aus Unregelmäßigkeiten in den Tafeln resultieren. Die vorliegende Erfindung ist auch auf die leitenden Anschlusselemente (beispielsweise 14, 16 von 1) an den Enden des Stapels anwendbar, die eine Kühlung wie auch Stromsammlung vorsehen.
Die vorliegende Erfindung sieht ein leitendes Element in einer Brennstoffzelle vor, wo die jeweiligen Wärmeaustauschflächen 90, 92 der ersten Tafel 58 und der zweiten Tafel 60 einander an einem oder mehreren Kontaktgebieten 100 gegenüberliegen, wie in 4 gezeigt ist. Ein elektrisch leitender Klebstoff 112 ist zwischen der ersten und zweiten Wärmeaustauschfläche 90, 92 angeordnet, so dass die Verbindung, die an dem Kontaktgebiet 100 gebildet wird, eine gesteigerte Langzeithaltbarkeit und einen aufrechterhaltbaren Kontakt-(Verbindungslinien-)Widerstand über 500 Betriebsstunden hinaus besitzt. Als Teil der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass alle Metalloxide von den Wärmeaustauschflächen 90, 92 an Stellen, wo die Tafeln 58, 60 aus Metall sind, insbesondere in den Kontaktgebieten 100 entfernt werden, um eine elektrische Verbindung mit einem so geringen Widerstand wie möglich zwischen den Tafeln 58, 60 durch den Klebstoff 112 der Verbindungslinie zu erzeugen. Nichtmetallische Tafeln (beispielsweise Polymerkomposite oder Graphit) erfordern keine Oxidentfernung, können jedoch ein Sandstrahlen oder Entfernen des isolierenden polymerreichen Films an der Tafeloberfläche erfordern, der während der Formung gebildet wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Menge an leitenden Partikeln, die in dem Klebstoff 112 notwendig ist, gegenüber vergleichbaren elektrisch leitenden Klebstoffen erheblich verringert. Bei bestimmten Ausführungsformen sind die leitenden Partikel so gewählt, dass sie eine sehr hohe elektrische (und wünschenswerte thermische) Leitfähigkeit besitzen, wobei sie folglich einen geringen spezifischen elektrischen Widerstand aufweisen. Ferner ist durch Einschluss hochleitender Partikel die Menge an Partikeln, die erforderlich ist, um die elektrische Leitfähigkeit durch die Kontaktgebiete aufrechtzuerhalten, gegenüber herkömmlichen leitenden Klebstoffen erheblich verringert. Dieser Aspekt der vorliegenden Erfindung erlaubt, dass größere Mengen des Klebstoffharzes eingeschlossen werden können, was die Klebrigkeit und die Anhafteigenschaften des Klebstoffs verbessert. Während die vorliegende Erfindung nicht auf eine Theorie eingeschränkt werden soll, erscheint es, dass wesentlich größere Mengen an Klebstoff eine haltbare und robuste Verbindung beibehalten. Dies gilt insbesondere, wenn der Klebstoff Epoxid umfasst.
Bei verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst der leitende Klebstoff 112 eine gehärtete Polymerharzmatrix und leitende Partikel. In dem Klebstoff 112 ist es bevorzugt, dass die leitenden Partikel weniger als oder gleich 30 Gew.-% des Klebstoffs, bevorzugter weniger als oder gleich 20 Gew.-% des Klebstoffs, noch bevorzugter weniger als oder gleich 10 Gew.-% und bei bestimmten Ausführungsformen weniger als oder gleich 5 Gew.-% des Klebstoffs abhängig von der relativen Leitfähigkeit der jeweiligen gewählten leitenden Partikel ausmachen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen die leitenden Partikel Graphit und Ruß, die mit einem Klebstoff gemischt sind, der aus einem Epoxid gebildet ist, wobei die leitenden Partikel in Mengen dargestellt sind, die einen gewünschten Gesamtkohlenstoffgehalt des Klebstoffs erzielen. Bei bevorzugten Ausführungsformen ist der Gesamtkohlenstoff kleiner oder gleich 25 Gew.-% und spezieller kleiner oder gleich 10 Gew.-% Gesamtkohlenstoff. Ein Beispiel einer Beschichtungszusammensetzung, die Graphit und Kohlenstoff verwendet, die mit einem Polymer gemischt sind, kann in der Patentanmeldung US 2004/0091768 A1 von Abd Elhamid, et al. gefunden werden, die hier durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit eingeschlossen ist.
Erfindungsgemäß umfasst der Klebstoff 112 Graphit und Ruß in einem Gewichtsverhältnis im Bereich von 1:6 bis 35:1. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform beträgt das Verhältnis von Graphit zu Ruß 2:1 auf einer Gewichtsbasis. Spezieller Bezug nehmend auf die Menge von Graphit in dem Klebstoff 112 kann bei einer Ausführungsform der Klebstoff zwischen 3,0 Gew.-% und 50 Gew.-% Graphit umfassen. Spezieller Bezug nehmend auf die Menge an Ruß in dem Klebstoff 112 kann der Klebstoff zwischen 1,5 Gew.-% und 20 Gew.-% Ruß umfassen.
Verschiedene Typen von Graphit sind besonders zur Verwendung in dem Klebstoff 112 bevorzugt. Der Graphit kann aus expandiertem Graphit, Graphitpulver, Graphitflocken und Kombinationen aus diesen gewählt sein. Der Graphit kann durch eine Partikelgröße (gemessen in der längsten Abmessung) zwischen 5 μm und 90 μm gekennzeichnet sein. Der Graphit kann eine geringe Schüttdichte besitzen, die allgemein kleiner als 1,6 g/cm³ und spezieller kleiner als 0,3 g/cm³ ist. Die Dichte kann im Bereich zwischen 1,4 g/cm³ und 2,2 g/cm³ liegen. Der Graphit kann eine relativ hohe Reinheit besitzen und im Wesentlichen frei von Schmutzstoffen sein. Expandierter Graphit, der beliebige der oben beschriebenen Merkmale zur Verwendung in einem Klebstoff 112 gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist, kann durch ein beliebiges geeignetes Verfahren hergestellt werden. Bei einer Ausführungsform ist ein geeignetes Graphitmaterial, das verwendet werden kann, von Sigri Great Lakes in Charlotte, North Carolina mit der Handelsbezeichnung SIGRIFLEX verfügbar.
Zusätzlich sind verschiedene Typen von Ruß zur Verwendung in dem Klebstoff geeignet. Beispielsweise und nicht beschränkend kann der Ruß aus Acetylenruß KETJEN^TM-Ruß, Vulcan-Ruß, REGAL^TM, Ofenruß, Black Pearl und Kombinationen daraus gewählt sein. Der Ruß kann durch eine Partikelgröße zwischen 0,05 und 0,2 μm gekennzeichnet sein. Der Ruß enthält bevorzugt wenige Unreinheiten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der leitende Klebstoff 112 5 Gew.-% bis 30 Gew.-% leitende Partikel aus Kohlenstoff und Graphit mit einer Partikelgröße, die im Bereich zwischen 10 Mikrometer bis 50 Mikrometer liegt. Es ist bevorzugt, dass der elektrische Kontaktwiderstand des Klebstoffs 112 unter 15 mΩ·cm² beibehalten wird, während die tatsächliche Menge an Partikeln minimiert ist, um die Haftfähigkeit der Zusammensetzung zu maximieren.
Zusätzlich zu den verschiedenen Mengen an Graphit und Ruß kann der Klebstoff 112 auch verschiedene Mengen an Klebstoffpolymermatrix enthalten. Die Menge an Klebstoffpolymer kann abhängig von der Menge an leitenden Partikeln variieren, die in der Klebstoffzusammensetzung 112 verwendet sind. Allgemein ist ein höherer Polymergehalt für eine verbesserte Anhaftung, verbesserte Korrosionsbeständigkeit und einen verbesserten Aufbringungsfluss erwünscht. Bei einer Ausführungsform umfasst der Klebstoff 112 zwischen 1 Gew.-% und 95 Gew.-% Polymermatrix, bevorzugter mehr als oder gleich 70 Gew.-% und noch bevorzugter 80 Gew.-%. Bei einigen Ausführungsformen ist das Klebstoffpolymer mit mehr als oder gleich 90 Gew.-% des Klebstoffs 112 vorhanden. Bei bestimmten Ausführungsformen umfasst der Klebstoff 112 90 bis 95% Klebstoffpolymer. Bei bevorzugten Ausführungsformen umfasst das Polymer des Klebstoffs 112 einen Epoxidklebstoff.
Eine Vielzahl verschiedener Klebstoffzusammensetzungen zur Verwendung als das Matrixpolymer des Klebstoffs 112 ist bei der vorliegenden Erfindung ebenfalls vorstellbar. Bei einer Ausführungsform liegt der Klebstoff 112 in der Form eines Gels vor. Genauer umfasst bei einer bevorzugten Ausführungsform die Beschichtung 6,7 Gew.-% expandiertes Graphit mit einer Partikelgröße von 5 μm bis 90 μm, 3,3 Gew.-% Acetylenruß mit einer Partikelgröße von 0,05 μm bis 0,2 μm und 90 Gew.-% Epoxidpolymer.
Ferner kann bei bestimmten Ausführungsformen der Klebstoff 112 so hergestellt sein, dass er weniger als 200 ppm Metallschmutzstoffe umfasst. Bei einer Ausführungsform weisen Platten, die mit dem Klebstoff 112 verbunden sind, einen Gesamtwiderstand von 5 bis 60 mΩ·cm² (Milliohm Quadratzentimeter) bei einem Kontaktdruck zwischen 25 und 200 psi (170 bis 1400 kPa) auf. Der Gesamtwiderstand gibt den Widerstand über die gesamte Anordnung von einer ersten Fläche 59 zu einer zweiten Fläche 63 an und enthält den Volumen- und Kontaktwiderstand des Materials jeder Tafel 58, 60 wie auch den Verbindungslinienwiderstand durch das Kontaktgebiet 100. Der Verbindungslinienwiderstand über die Klebstoffverbindung 112 an dem einen oder den mehreren Kontaktgebieten 100 beträgt erfindungsgemäß kleiner als oder gleich 4 mΩ·cm² unter einer Kompressionskraft von größer als oder gleich 1400 kPa, nachdem sie Brennstoffzellenbetriebsbedingungen von über 500 Stunden ausgesetzt wurde. Bei noch weiteren Ausführungsformen ist der Verbindungswiderstand kleiner als oder gleich 1 mΩ·cm² unter einer Kompressionskraft von größer als oder gleich 1400 kPa, nachdem sie Brennstoffzellenbetriebsbedingungen von über 500 Stunden ausgesetzt wurde.
In der vorliegenden Erfindung, bei der Graphit und Ruß als die leitenden Partikel in dem Klebstoff 112 gewählt sind, ist beobachtet worden, dass eine Synergie zwischen dem expandierten Graphit und dem Ruß besteht. Der Kontaktwiderstand der Klebstoffverbindung bleibt bevorzugt niedrig bei weniger als 5 mΩ·cm² mit niedrigem Gesamtkohlenstoffgehalt. Die ”Synergie” betrifft die Kombination von Graphit und Ruß, die einen geringeren Kontaktwiderstand erzeugt, als, wenn entweder das Graphit oder der Ruß allein bei demselben Gesamtkohlenstoffgehalt verwendet würden. Bei bestimmten Ausführungsformen ist eine derartige Synergie größer als lediglich zusätzliche Effekte des Rußes und des expandierten Graphits allein. Somit umfasst die Klebstoffmatrix 112 erfindungsgemäß sowohl Graphit als auch Ruß.
Der leitende Klebstoff 112 kann so hergestellt sein, dass er über den Kontaktgebieten 100 der Wärmeaustauschflächen 90, 92 der elektrisch leitenden Elemente 58, 60 liegt oder die Kontaktgebiete 100 der Wärmeaustauschflächen 90, 92 der elektrisch leitenden Elemente 58, 60 bedeckt, und zwar durch ein herkömmliches Mittel, das in der Technik bekannt ist. Ein Beispiel einer derartigen Herstellung umfasst das gemeinsame Mahlen der leitenden Partikel und der ungehärteten Epoxidharzpolymermatrix (beispielsweise des Klebstoffvorläufers). Das Mahlen erfolgt bevorzugt über eine Zeitdauer zwischen 1 bis 20 Stunden und bevorzugt für 2 Stunden oder weniger. Die Mahlbedingungen, wie die Zeitdauer, über die der Klebstoffvorläufer gemahlen wird, können abhängig von den Materialien, die in der Beschichtung verwendet werden, und den gewünschten Eigenschaften des Klebstoffs 112 variieren.
Nach der Herstellung wird die Mischung aus Klebstoffvorläufer/leitenden Partikeln dann auf die Kontaktgebiete 100 der Wärmeaustauschfläche 90 der ersten leitenden Tafel 58 aufgetragen, die mit der anderen Wärmeaustauschfläche 92 der entgegengesetzten leitenden Tafel 60 gekoppelt wird. Um eine gute Anhaftung des Klebstoffs 112 gemäß der vorliegenden Erfindung sicherzustellen, ist es bei bestimmten leitenden Tafelzusammensetzungen (beispielsweise Metallen) bevorzugt, dass die Wärmeaustauschfläche 90, 92 der leitenden Tafel 58, 60 gereinigt wird (beispielsweise durch Abschleifen und/oder chemisches Ätzen), um alle Oberflächenoxide und anderen Schmutzstoffe von den Gebieten zu entfernen, an denen die Klebstoffmatrix 112 verwendet werden soll. Somit kann in den Fällen einer leitenden Tafel 58, 60, die aus einem Metall hergestellt ist, die Wärmeaustauschfläche 90, 92 chemisch gereinigt werden durch: (1) Entfetten mit Methylethylketon und (2) Beizen für 2 bis 5 Minuten in einer Lösung bestehend aus (a) 40% Salpetersäure, (b) 2% bis 5% Fluorwasserstoffsäure, (c) 1,06 g/l (= 4 Gramm/Gallone) Ammoniumbifluorid und Wasser. Alternativ dazu können die Oberflächen 90, 92 der leitenden Tafeln 58, 60 physikalisch durch Abschleifen der Flächen mit einem Schleifmittel mit der Körnung 100 bis 220, gefolgt durch Reinigen und Entfetten mit Aceton oder durch kathodisches Reinigen des Substrats in der Anwesenheit eines Metall reinigenden Elektrolyten gereinigt werden.
Bei der in 4 gezeigten Ausführungsform wird ein leitender Klebstoff 112 auf sowohl die erste kühlmittelseitige Wärmeaustauschfläche 90 der ersten Tafel 58 als auch die zweite kühlmittelseitige Wärmeaustauschfläche 92 der zweiten Tafel 60 aufgebracht, womit diese beiden Wärmeaustauschflächen 90, 92 vor Aufbringung des Klebstoffs 112 gereinigt werden. Der Klebstoff 112 kann dazu verwendet werden, die gesamten Wärmeaustauschflächen 90, 92 der leitenden Tafel 58, 60 zu beschichten, um dafür einen Korrosionsschutz vorzusehen, oder kann bei alternativen Ausführungsformen auf diskrete Gebiete (d. h. Kontaktgebiete 100) aufgetragen werden, die elektrische und physikalische Kontaktpunkte darstellen.
Der Vorläufer des leitenden Klebstoffs 112 kann auf die Fläche der Tafeln 58, 60 gebürstet, getupft, laminiert (wie durch Heißwalzen), gesprüht, ausgebreitet (wie mit einer Rakel), rollen- oder walzenbeschichtet, siebgedruckt, schablonengedruckt oder gewalzt werden, jedoch ist es bevorzugt, dass der Vorläufer des Klebstoffs 112 auf begrenzte Stellen 100 aufgetragen wird, an denen der Kontakt zwischen den Tafeln erfolgen soll. Bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen wird der Vorläufer zu dem Klebstoff 112 auf sowohl die erste Wärmeaustauschfläche 90 der ersten Tafel 58 als auch die zweite Wärmeaustauschfläche 92 der zweiten Tafel 60 aufgetragen. Bei einer alternativen Ausführungsform kann der Klebstoff 112 nur auf eine Wärmeaustauschfläche 90 oder 92 von einer der Tafeln 58, 60 aufgetragen werden. Bei bevorzugten Ausführungsformen wird zunächst eine Maskierung über den Tafeln 58, 60 aufgebracht. Die Maskierung besitzt Öffnungen darin, die über den Kontaktgebieten 100 oder Stellen angeordnet sind, an denen ein Kleben oder Anhaften stattfinden soll. Der Vorläufer des Klebstoffs 112 wird dann durch die Öffnungen in der Maskierung aufgebracht. Der Vorläufer des Klebstoffs 112 wird bevorzugt bis zu einer Dicke von 0,03 bis 0,06 mm (0,001 bis 0,002 Zoll) aufgetragen. Die Tafeln 58, 60 werden in einer geeigneten Spanneinrichtung schichtartig aneinander angeordnet, die einen gleichförmigen Druck über die Tafeln 58, 60 aufbringt.
Bei verschiedenen Ausführungsformen kann der Vorläufer des Klebstoffs 112, der bevorzugt ein Epoxidklebstoffharz umfasst, nach einem Aufbringen gehärtet werden, um das Polymer des Klebstoffs 112 zu bilden. Gemäß der bestimmten bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird das Vorläuferharz der Klebstoffmatrix gehärtet, um dem Klebstoff 112 selbst einen strukturellen Zusammenhalt zu verleihen. Das Härten verhindert, dass der Klebstoff 112 durch das in den Kühlmittelströmungskanälen 93 zirkulierende Kühlmittel erodiert oder weggewaschen wird. Somit erfolgt bei bestimmten Ausführungsformen das Härten durch Erhitzen der schichtartig angeordneten Tafeln 58, 60 in einer Heißpresse mit einer Druckaufbringung, um das Polymerklebstoffmatrixmaterial zu härten und die Anordnung zu bilden.
Der Klebstoff 112 muss so gewählt sein, dass er in der Lage ist, die hohen elektrischen Potentiale auszuhalten und auch auszuhalten, dass er Kühlmittel ausgesetzt ist, das in den Kühlmittelströmungskanälen, die durch Koppeln der ersten Tafel 58 mit der zweiten Tafel 60 gebildet werden, strömt. Ferner besitzt ein bevorzugtes Klebstoffpolymer für die Matrix des Klebstoffs 112 gemäß der vorliegenden Erfindung die erforderliche Klebrigkeit, um die erste und zweite leitende Tafel 58, 60 für lange Zeitdauer aneinander anzuhaften und zu koppeln, wobei es die Brennstoffzellenbetriebsbedingungen aushält. Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst der Klebstoff 112, der auf der Wärmeaustauschfläche 90, 92 der leitenden Tafel 58, 60 liegt, einen Epoxidklebstoff, bei dem sich herausgestellt hat, dass er besonders haltbar, robust und gut geeignet für die raue Brennstoffzellenumgebung ist.
Bevorzugt wird ein derartiger Epoxidklebstoff durch Vorläufermaterialien gebildet, die ein Zweikomponentensystem sind, das gehärtet werden kann, um eine Quervernetzung des Polymerharzes in der Matrix zu erreichen. Allgemein ist ein erster Teil des Zweikomponentensystems ein Epoxidharz und ein zweiter Teil ist ein Epoxidhärtemittel. Epoxidharze sind gut bekannt und umfassen beispielsweise Diglycidylether des Bisphenol A (auch bekannt als DGEBA) und Harze, die durch Kondensation von DGEBA mit Bisphenol A gebildet werden. Andere Epoxidharze umfassen den Diglycidylether des Bisphenol F (auch bekannt als DGEBF) und seine Oligomere, die durch Kondensation mit Bisphenol F gebildet werden. Die Härtemittel können eine beliebige Anzahl von Epoxidhärtemittel, die in der Technik bekannt sind, umfassen und sind bevorzugt aus linearen aliphatischen Aminen und cycloaliphatischen Aminen gewählt. Beispiele geeigneter linearer aliphatischer Amine umfassen Diethylentriamin (DETA), Triethylentetraamin (TETA) und Tetraethylenpentamin (TEPA). Ähnlicherweise umfassen Beispiele cycloaliphatischer Amine Isophorondiamin (IPDA), N-Aminoethylpiperazin (AEP), p-Aminocyclohexylmethan (PACM-20) und 1,2-Diaminocyclohexan.
Bei bestimmten Ausführungsformen erfordert das Vernetzen ein Härten nach Aufbringen des Klebstoffs und Kontakt und Montage der Tafeln 58, 60 aneinander. Bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen wird das Härten bei Temperaturen von Umgebungstemperatur bis etwa 100°C, bevorzugter zwischen Umgebungstemperatur und 90°C und bei bestimmten Ausführungsformen bevorzugt weniger als 70°C durchgeführt. Bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen kann eine geringe Wärmeaufbringung (d. h. 60–90°C) dazu verwendet werden, das Härten der Matrix des Klebstoffs 112 zu erleichtern. Nach dem Kontakt des Vorläufers des Klebstoffs 112 in den geeigneten vorgewählten Kontaktgebieten 100 wird Wärme und optional Druck aufgebracht, um das Polymermatrixharz in dem Klebstoff 112 auf ein vollständig gehärtetes Niveau zu härten. Die Platten 58, 60, die den dazwischen angeordneten Vorläufer des Klebstoffs 112 aufweisen, werden für etwa 3 Minuten bis etwa 30 Minuten und bevorzugter für etwa 5 Minuten gehärtet.
Der Klebstoff 112 ist ähnlich den Tafeln selbst in dem zwischen den Tafeln 58 und 60 strömenden Kühlmittel dahingehend im Wesentlichen unlöslich, dass die leitenden Partikel darin sich nicht lösen und keine Metallionen zu dem Kühlmittel beitragen, was zur Folge hätte, dass das ansonsten im Wesentlichen dielektrische (d. h. spezifischer Widerstand von größer als etwa 200.000 Ohm-cm) Kühlmittel übermäßig leitend würde. Wenn das Kühlmittel leitend wird, fließen Streuströme durch den Stapel über das Kühlmittel, und es kann ein Kurzschluss, eine galvanische Korrosion wie auch eine Kühlmittelelektrolyse auftreten. Leitende Partikel werden als im Wesentlichen unlöslich betrachtet, wenn ihre Löslichkeit in dem Kühlmittel über die Zeit nicht bewirkt, dass der spezifische Widerstand des Kühlmittels unter etwa 200.000 Ohm-cm abfällt. Wenn daher Wasser als das Kühlmittel verwendet wird, müssen Metalle wie Kupfer, Aluminium, Zinn, Zink und Blei vermieden werden oder vollständig in der Klebstoffmatrix 112 eingekapselt werden. Bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen ist die Klebstoffmatrix 112 hochbeständig gegenüber Wasserstoff und leichten Säuren (HF bei pH zwischen 3 bis 4) und inert (d. h. setzen keine Ionen frei) gegenüber Lösemitteln, wie deionisiertem Wasser, Ethylenglykol und Methanol bei 100°C. Somit ist die Auswahl der leitenden Partikel und des Klebstoffpolymers 112 von der Verträglichkeit mit dem in der Brennstoffzelle verwendeten Kühlmittel abhängig.
Die Verbindungslinienhaltbarkeit überträgt sich in eine Verbindung an dem einen oder den mehreren Kontaktgebieten 100, die viele Stunden eines Brennstoffzellenbetriebs und Temperaturfluktuationen aushält, ohne dass sich der Kontaktwiderstand auf ein unzulässiges Niveau verschlechtert oder erhöht. Die Verwendung eines Epoxidklebstoffs 112 gemäß der vorliegenden Erfindung verlängert die Langlebigkeit des Brennstoffzellensystems und hält den Betriebswirkungsgrad aufrecht.
Die vorliegende Erfindung wird ferner anhand eines Beispiels erläutert. Es sei angemerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht durch das Beispiel beschränkt ist.
Beispiel 1
Eine Mischung aus Acetylenruß und expandiertem Graphit wird in einem Gewichtsverhältnis von 1:2 zusammen gegeben und vollständig gemischt, um eine homogene Mischung beider Materialien zu erzeugen. In einem separaten Behälter wird ein Zweikomponentenepoxidharz mit einem Härtemittel (d. h. einem Härter) gemischt, um den Epoxidklebstoff herzustellen. Die leitende Klebstoffmatrix wird durch Zusatz des Epoxids zu der Mischung aus expandiertem Graphit/Acetylenruß unter Verwendung eines Verhältnisses von 9:1 (Epoxid: Gesamtkohlenstoff auf Gewichtsbasis) hergestellt. Die leitende Klebstoffmatrix wird vollständig gemischt, um eine homogene Mischung des Kohlenstoffs in dem Epoxid zu bilden. Zwei Kompositplatten werden aus einer kommerziellen leitenden Formverbindung (kommerziell erhältlich von Bulk Molding Compound, Inc. ”BMCI” in West Chicago, Illinois) geformt, die aus Polyvinylester und Graphit ausgebildet ist. Die Platten besitzen eine Dicke von etwa 0,5 mm mit vorgeformten Strömungsfeldern aus Stegen und Nuten. Die Platten werden durch Bestreichen mit dem leitenden Epoxidklebstoff der vorliegenden Erfindung auf die Kontaktgebiete oder -stege beschichtet. Die beiden Platten werden miteinander verbunden, und der Klebstoff wird bei 90°C für 5 Minuten unter einem aufgebrachten Kompressionsdruck von 300 psi gehärtet.
Die Proben wurden in einer Vorrichtung getestet, wie in 6 gezeigt ist. Die Verbindungslinienwiderstandsmessungen der Anordnung des elektrisch leitenden Elements, die leitende Tafeln umfasst, die Klebstoff zwischen Flächen schichtartig anordnen, werden gemessen, wie in 6 gezeigt ist. Die Testvorrichtung umfasst eine Carver-Presse (carver press) 200 mit Gold beschichteten Platten 202 und einem ersten und zweiten elektrisch leitenden Aktivkohlepapiermedium 204 bzw. 206, das zwischen einer Probe 208 und der goldbeschichteten Platte 202 gepresst wird. Eine Oberfläche von 6,45 cm² wurde unter Verwendung eines Stroms von 1 A/cm² getestet, der durch eine Gleichstromversorgung aufgebracht wurde. Der Widerstand wird unter Verwendung eines Vierpunktverfahrens gemessen und aus gemessenen Spannungsabfällen und aus bekannten aufgebrachten Strömen und Abmessungen der Probe 208 berechnet. Für Metallproben mit vernachlässigbarem Volumenwiderstand wird der Spannungsabfall über die Klebstoffverbindungslinie an der Probenfläche 210, 210 gemessen (Kontaktwiderstand plus Volumenklebstoffwiderstand). Wie in 6 gezeigt ist, umfasst die Probe 208 bevorzugt das elektrisch leitende Element (beispielsweise Bipolarplatte) mit zwei Tafeln 210, die miteinander gekoppelt sind.
Die Verbindungslinienwiderstandsmessungen wurden als Kontaktwiderstand (mOhm·cm² von Papier zu Papier) mit inkrementeller Kraft gemessen, die bei den folgenden Drücken aufgebracht wurde: 25 psi (etwa 175 kPa), 50 psi (etwa 350 kPa), 75 psi (etwa 525 kPa), 100 psi (etwa 675 kPa), 150 psi (etwa 1025 kPa), 200 psi (etwa 1400 kPa) und 300 psi (etwa 2075 kPa). Wie für Fachleute offensichtlich ist, sind die hier vorgesehenen Messungen Messungen des Kontaktwiderstandes über die gesamte Anordnung der Separatorplatte und sind größer als diejenigen über die Verbindungslinie allein, und somit reflektieren die Werte einen höheren Widerstand über die gesamte Anordnung.

Es sei angemerkt, dass der Kontaktwiderstand des leitenden Kohlepapiers 204, 206 allgemein ein bekannter Wert ist, der von der Messung subtrahiert werden kann, um den Kontaktwiderstand der Metallplatte 210 allein zu bilden. Beim Testen der Proben wurde ein 1 mm dickes Toray-Kohlepapier (kommerziell erhältlich von Toray als TGP-H-0,1T) für das erste und zweite Kohlepapiermedium 204, 206 verwendet. Jedoch ist in vielen Fällen der Kontaktwiderstand des leitenden Papiers 204, 206 vernachlässigbar und trägt einen solch kleinen inkrementellen Wert zu dem Kontaktwiderstandswert bei, dass er nicht subtrahiert werden muss. Die Werte, auf die hier Bezug genommen wird, sind der Volumenkontaktwiderstand über die Probe 208. In TABELLE 1 ist Probe 1 ein elektrisch leitendes Element, das gemäß der vorliegenden Erfindung, wie in Beispiel 1 beschrieben ist, hergestellt ist. Kontrolle 1 ist eine Kompositbipolarplatte, die nicht miteinander verbunden, sondern lediglich an den Kontaktgebieten aneinandergepresst ist. Kontrolle 2 besitzt zwei Komposite, die durch herkömmliche Mittel verklebt sind, nämlich einen herkömmlichen elektrisch leitenden Klebstoff, der von BMCI erhältlich ist und etwa 40 bis etwa 75% ungesättigten Vinylester und etwa 10 bis etwa 30% Styren aufweist, mit Graphit von etwa 25 bis etwa 50%. TABELLE 1

	Gesamtwiderstand (mOhm·cm² – Papier zu Papier)
Aufgebrachter Druck	Kontrolle 1	Kontrolle 2	Probe 1
25 psi (~175 kPa)	56	39	39
50 psi (~350 kPa)	37,5	27	27
75 psi (~525 kPa)	29,8	23	21,5
100 psi (~675 kPa)	25,5	20,5	19,5
150 psi (~1025 kPa)	21,1	17,9	16,5
200 psi (~1400 kPa)	17	17,1	16,2
300 psi (~2075 kPa)	14,6	16	14,1

Wie in Tabelle 1 zu sehen ist, zeigt Probe 1, dass verbundene Platten unter Verwendung der Klebstoffmatrix der vorliegenden Erfindung einen ziemlich vergleichbaren Widerstand wie Kontrolle 1 besitzen, was zeigt, dass der Klebstoff keinen zusätzlichen Widerstand durch die Verbindungslinie einführt, wohingegen Kontrolle 2 mit dem herkömmlichen Klebstoff allgemein einen vergleichbaren oder höheren Widerstand als Probe 1 besaß. Eine Brennstoffzelle arbeitet typischerweise bei Kompressionslasten von etwa 200 psi bis etwa 400 psi (~4400–2750 kPa), wodurch der Verbindungslinienwiderstand für Probe 1 von 200 bis 300 psi (~1400–2075 kPa) von aufgebrachtem Druck kleiner als für Kontrolle 2 ist, was Brennstoffzellenbetriebsbedingungen simuliert.
Ein elektrisch leitendes Element zur Verwendung in einer Brennstoffzelle, das gemäß den verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, demonstriert eine verbesserte Verbindung mit einer größeren Anhaftung und Langzeithaltbarkeit in einer Brennstoffzellenumgebung. Überdies sieht die elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte gemäß der vorliegenden Erfindung einen niedrigen Langzeitkontaktwiderstand über die Kontaktgebiete entlang der Verbindung vor, wodurch der Betriebswirkungsgrad des Brennstoffzellenstapels erhöht wird und ferner die Verwendung geringerer Kompressionsdrücke zugelassen wird, um die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels zu erhöhen. Die haltbare und robuste Verbindung in den Bipolarplatten dichtet die Kühlmittelströmungskanäle ab und verhindert jegliches potentielle Leck oder jeglichen potentiellen Nebenschlußstromschaden über Klebstoffauswaschung oder - degradation. Ähnlicherweise reduziert die verbesserte Verbindung der vorliegenden Erfindung die Ineffizienz des Brennstoffzellenstapelbetriebs durch Verringerung des abgeschwächten Verbrauchs erzeugter Energie durch thermische und elektrische Verluste über die Verbindungslinie.

Claims

Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Protonenaustauschmembran (PEM-) Brennstoffzellen und wenigstens einer bipolaren Platte (8, 56), die zwischen einer Anode und einer Kathode benachbarter Brennstoffzellen schichtartig angeordnet ist, mit: einer ersten elektrisch leitenden Tafel (58), die eine einer Anode gegenüberliegende erste Fläche (59) und eine erste Wärmeaustauschfläche (90) aufweist; einer zweiten elektrisch leitenden Tafel (60), die eine einer Kathode gegenüberliegende zweite Fläche (63) und eine zweite Wärmeaustauschfläche (92) aufweist, wobei die erste Wärmeaustauschfläche (90) der zweiten Wärmeaustauschfläche (92) gegenüberliegt; einem elektrisch leitenden Klebstoff (112), der zwischen und in Kontakt mit der ersten Wärmeaustauschfläche (90) und der zweiten Wärmeaustauschfläche (92) an einem oder mehreren Kontaktgebieten (100) angeordnet ist und eine haltbare Verbindung zwischen der ersten und zweiten Wärmeaustauschfläche (90, 92) erzeugt, wobei die Verbindung einen elektrischen Widerstand von weniger als oder gleich 4 mΩ cm² unter einer Kompressionskraft von größer als 1400 kPa aufweist, nachdem diese Brennstoffzellenbetriebsbedingungen von über 500 Stunden ausgesetzt wurde, wobei der leitende Klebstoff (112) aus einem Epoxid gebildet ist und eine Vielzahl leitender Partikel umfasst, die Graphit und Ruß umfassen, wobei das Gewichtsverhältnis des Graphits zu dem Ruß zwischen 1:6 und 35:1 beträgt.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, wobei der leitende Klebstoff (112) bis zu 20 Gew.-% leitende Partikel umfasst.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, wobei die Verbindung einen elektrischen Widerstand von kleiner oder gleich 1 mΩ cm² unter einer Kompressionskraft von größer als oder gleich 1400 kPa aufweist, nachdem diese Brennstoffzellenbetriebsbedingungen von über 500 Stunden ausgesetzt wurde.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite leitende Tafel (58, 60) ein elektrisch leitendes Metall umfassen.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite leitende Tafel (58, 60) einen elektrisch leitenden Polymerkomposit umfassen.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, wobei der Graphit aus einem oder mehreren der folgenden gewählt ist: expandierter Graphit, Graphitpulver, Graphitflocken und Mischungen daraus.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 6, wobei der Graphit expandierter Graphit ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, wobei der leitende Klebstoff (112) aus einem gehärteten Zweikomponenten-Epoxidklebstoffsystem gebildet ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 8, wobei das Zweikomponenten-Epoxidklebstoffsystem das Reaktionsprodukt eines Epoxidharzes und eines Aminhärtemittels umfasst, wobei das Epoxidharz einen Diglycidylether des Bisphenol A umfasst.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Wärmeaustauschfläche (90, 92) an dem einen oder den mehreren Kontaktgebieten (100) durch Klebstoff (112), der eine fluiddichte Abdichtung bildet, miteinander verbunden sind.
Verfahren zum Ausbilden einer bipolaren Platte (8, 56) in einem Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Zweikomponenten-Epoxidklebstoffsystem mit einer Vielzahl leitender Partikel gemischt wird, die Graphit und Ruß in einem Gewichtsverhältnis von Graphit zu Ruß zwischen 1:6 und 35:1 umfassen; das Zweikomponenten-Epoxidklebstoffsystem auf zumindest eines der folgenden aufgetragen wird: die erste leitende Tafel (58) mit der ersten Wärmeaustauschfläche (90) und die zweite leitende Tafel (60) mit der zweiten Wärmeaustauschfläche (92); die erste Wärmeaustauschfläche (90) mit der zweiten Wärmeaustauschfläche (92) in Kontakt gebracht wird, wobei das Klebstoffsystem (112) zwischen und in Kontakt mit der ersten Wärmeaustauschfläche (90) und der zweiten Wärmeaustauschfläche (92) an einem oder mehreren Kontaktgebieten (100) angeordnet wird; und das Klebstoffpolymersystem (112) gehärtet wird, um eine elektrisch leitende haltbare Verbindung an dem einen oder den mehreren Kontaktgebieten zwischen der ersten und zweiten Wärmeaustauschfläche (90, 92) zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Härten die Aufbringung von zumindest einem aus Wärme und Druck umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Zweikomponenten-Epoxidklebstoffsystem einen Epoxidharz und ein Aminhärtemittel umfasst, wobei das Epoxidharz einen Diglycidylether des Bisphenol A umfasst.