DE102009001185A1

DE102009001185A1 - Trennplatte für einen Brennstoffzellenstapel und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE102009001185A1
Application number: DE102009001185A
Authority: DE
Inventors: Sae Hoon Yongin Kim; Yoo Chang Gunpo Yang; Sung Ho Seongnam Lee; Jung Do Suh; Byung Ki Seongnam Ahn; Tae Won Lim; Dai Gil Lee; Seong Su Geoje Kim; Ha Na Mungyeong Yu; In Uk Bucheon Hwang; Byoung Chul Kim; Kwan Ho Lee; Soon Ho Yoon
Original assignee: Hyundai Motor Co; Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST
Current assignee: Hyundai Motor Co; Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST
Priority date: 2008-06-12
Filing date: 2009-02-26
Publication date: 2009-12-17
Also published as: KR20090128974A; JP5368828B2; US20090311566A1; CN101604736A; JP2009302037A

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt eine Trennplatte für einen Brennstoffzellenstapel und ein Verfahren zum Herstellen einer Trennplatte bereit, und insbesondere eine Trennplatte für einen Brennstoffzellenstapel und ein Verfahren zum Herstellen einer Trennplatte, in welchem die Trennplatte, die den Brennstoffzellenstapel formt, derart gebildet ist, so dass eine Anordnung von Metallrohren zwischen zwei Platten aus einem Verbundwerkstoff einfügbar ist, und eine Dichtung, die an die Trennplatte angrenzt, derart gebildet ist, um Wasserstoff- und Luftströmungskanäle zu umgrenzen, um dadurch einen Kontaktwiderstand zwischen zwei benachbarten Trennplatten zu beseitigen, die Elementarzellen formen, um den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle entsprechend zu verbessern.

Description

Hintergrund
(a) Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Trennplatte für einen Brennstoffzellenstapel und ein Verfahren zur Herstellung derselben, und insbesondere eine Trennplatte für einen Brennstoffzellenstapel und ein Verfahren zur Herstellung derselben, in welcher die Trennplatte, die den Brennstoffzellenstapel bildet, derart gebildet ist, so dass eine Anordnung von Metallrohren zwischen zwei Platten aus einem Verbundwerkstoff einfügbar ist, und eine Dichtung, die an die Trennplatte angrenzt, derart gebildet ist, um Wasserstoff- und Luftströmungskanäle zu definieren, um dadurch ein Kontaktwiderstand zwischen zwei benachbarten Trennplatten zu beseitigen, die Elementarzellen bilden, um den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle entsprechend zu verbessern.
(b) Hintergrund des Standes der Technik
Eine Brennstoffzelle stellt eine elektrische Energieerzeugungsvorrichtung mit Nullemission dar, welche chemische Energie von Wasserstoff und Sauerstoff direkt in elektrische Energie durch eine elektrochemische Reaktion umwandelt. Brennstoffzellen werden eingeteilt in eine Phosphorsäure-Brennstoffzelle (phosphoric acid fuell cell – PAFC), eine Alkali-Brennstoffzelle (alkaline fuel cell – AFC), eine Polymerelektrolyt (= Protonenaustausch)Membran-Brennstoffzelle (polymer electrolyte (= proton exchange) membrance fuell cell – PEMFC), eine Karbonatschmelze-Brennstoffzelle (molten carbonate fuell cell – MCFC), eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle (solid Oxide fuell cell – SOFC), eine Direktmethanol-Brennstoffzelle (direct methanol fuell cell – DMFC), und dergleichen, abhängig von dem verwendeten Elektrolyt.
Unter diesen Brennstoffzellen unterscheidet sich die Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle von anderen Arten von Brennstoffzellen, indem ihr Elektrolyt aus einem festen Polymer, und nicht einem flüssigen Elektrolyt besteht. Die Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) wird bei einer niedrigen Temperatur von ungefähr 50–80°C betrieben, weist einen relativ hohen Wirkungsgrad und eine hohe Strom- und Energiedichte auf, und besitzt eine kurze Anlaufzeit und somit eine rasches Ansprechverhalten bei einem Lastwechsel verglichen mit anderen Arten von Brennstoffzellen. Somit weist die PEMFC eine Anzahl an Verwendungsmöglichkeiten in verschiedensten Feldern einschließlich in nicht einschränkender Weise einer Energiequelle eines Nullemissions-Fahrzeugs (ZEV), eines Selbst-Generators, einer tragbaren Energiequelle, einer Energiequelle für Militäranwendungen und dergleichen auf.
Der Aufbau eines typischen Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapels wird nachfolgend mit Bezug auf 1 erläutert.
Im Allgemeinen stellt ein typischer Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel 10 eine Kombination aus einer Mehrzahl von Elementarzellen 11 dar, wobei jede welche vorzugsweise eine Membranelektrodenanordnung (MEA) 12 umfasst, die an dem Mittelteil davon angeordnet ist.
Die Membranelektrodenanordnung 12 umfasst vorzugsweise eine Feststoffpolymerelektrolytmembran 13, durch welche Protonen emigrieren können, eine Brennstoff (Wasserstoff) Elektrode 14 als eine geeignete Anode und eine Luftelektrode 15 als eine geeignete Kathode mit einer dünnen Katalysatorschicht, die auf beiden Seiten der Elektrolytmembran 13 beschichtet ist, und vorzugsweise zwischen den Elektroden und der Membran eingeschoben ist, um zu ermöglichen, dass Wasserstoff und Sauerstoff durch die Katalysatorschicht miteinander reagieren.
Zusätzlich umfasst die Elementarzelle 11 vorzugsweise eine Gasdiffusionsschicht (GLD) 16 und eine Dichtung 17, welche aufeinanderfolgend an jede Seite der Membranelektrodenanordnung 12 gestapelt sind, und eine Trennplatte 18, die an der Außenseite der Dichtung 17 vorgesehen ist, wobei die Trennplatte darin gebildete Strömungskanäle aufweist, damit Brennstoff oder Luft durch diese zugeführt werden kann, und Wasser, das durch die Reaktion von Wasserstoff als der Brennstoff und Sauerstoff von der Luft erzeugt wird, durch diese entweichen kann. Vorzugsweise ist eine Endplatte an der äußersten Seite der Elementarzelle befestigt, um die entsprechenden Bauteile zu tragen.
Bei bestimmten Beispielen dient die Dichtung 17 dazu, um die in der Trennplatte gebildeten Brennstoff- oder Luftströmungskanäle hermetisch abzudichten, damit verhindert werden kann, dass Brennstoff oder Luft nach außen entweicht.
Das elektrische Energieerzeugungsprinzip des wie oberhalb aufgebauten Brennstoffzellenstapels wird nachfolgend kurz erläutert.
Vorzugsweise findet die Wasserstoffoxidationsreaktion an der Brennstoffelektrode 14 statt, um in geeigneter Weise Protonen und Elektronen zu erzeugen, welche wechselweise von der Brennstoffelektrode 14 zu der Luftelektrode 15 durch die Elektrolytmembran 13 beziehungsweise die Trennplatte 18 wandern. Anschließend findet an der Luftelektrode 15 eine elektrochemische Reaktion statt, in welcher die Protonen und Elektronen, die zu der Luftelektrode von der Brennstoffelektrode gewandert sind, in geeigneter Weise mit Sauerstoff in der Luft reagieren, der der Luftelektrode zugeführt wird, um dadurch Wasser zu erzeugen. Zu diesem Zeitpunkt wird elektrische Energie entsprechend durch den Fluss der Elektronen zwischen der Brennstoffelektrode 14 und der Luftelektrode 15 erzeugt.
Demzufolge wird der zu der Brennstoffelektrode zugeführte Wasserstoff entsprechend in Protonen (H⁺) und Elektronen (e^–) zerlegt, in welcher Zeit die zerlegten Protonen von der Brennstoffelektrode 14 zu der Luftelektrode 15 durch die Elektrolytmembran 13 wandern. An der Luftelektrode reagieren die Protonen (H⁺), die hierzu von der Brennstoffelektrode 14 wandern, und die Elektronen (e^–), die hierzu von der Brennstoffelektrode 14 durch eine externe leitende Verbindung transportiert werden, mit Sauerstoff in der Luft, der in geeigneter Weise hierzu durch eine Luftversorgungseinheit zugeführt wird, um Wasser zu erzeugen und entsprechend Wärme zu erzeugen, und zu einer Erzeugung von elektrischer Energie zu führen.
Vorzugsweise dient in solch einem Polymerelektrolytmembranbrennstoffzellenstapel 10 die Trennplatte 18 entsprechend dazu, um jede einzelne Elementarzelle 11 zu trennen, und gleichzeitig dazu, um Strömungskanäle für Brennstoff, Luft und Kühlwasser bereit zu stellen.
Da es erforderlich ist, dass die Trennplatte 18 eine entsprechend niedrige Gaspermeabilität und eine ausreichende bauliche Festigkeit aufweist, um die Form der Elementarzelle 11 beizubehalten, und den verringerten elektrischen Kontaktwiderstand zwischen den Elementarzellen 11 aufweist, haben die Eigenschaften der Trennplatte 18 einen Einfluss auf das Leistungsvermögen der gesamten Brennstoffzelle.
In der Zwischenzeit wird nachfolgend der Aufbau der Trennplatte der Elementarzelle in dem Brennstoffzellenstapel beschrieben.
Wie in 2 gezeigt umfasst die Trennplatte 18 vorzugsweise einen Kanalabschnitt 24, der an jeder Seite davon gebildet ist, und Wasserstoff- und Luftströmungskanäle 20 und 22 aufweist, welche als unabhängige feine Kanalanordnungen gebildet sind, und einen Verteilerabschnitt 26, der an beiden Enden des Kanalabschnitts gebildet ist, und eine Mehrzahl von Rohranschlüssen aufweist, um zu ermöglichen, dass Wasserstoff, Luft und Kühlwasser hierdurch zugeführt und entweichen kann.
Bei bevorzugten Ausführungsformen, wenn zwei benachbarte Trennplatten gestapelt miteinander verbunden sind, wird dort ein Kühlwasserströmungskanal in geeigneter Weise dazwischen festgelegt.
Bei anderen bevorzugten Ausführungsformen, wenn die zwei benachbarten Elementarzellen 11 des Brennstoffzellenstapels 10 in geeigneter Weise wie in 1 und 2 aufeinander gestapelt sind, werden die Trennstücke 18 der zwei benachbarten Elementarzellen 11 in geeigneter Weise gestapelt miteinander verbunden.
In diesem Fall weist eine Trennplatte 18 von einer Seite Luftströmungskanäle 22 auf, die auf der Außenseite davon gebildet sind, und eine Trennplatte 18 von der anderen Seite weist Wasserstoffströmungskanäle 20 auf, die auf der Außenseite davon gebildet sind. Vorzugsweise werden Kühlwasserströmungskanäle 28 in geeigneter Weise zwischen den verbundenen Trennplatten festgelegt.
Bei bevorzugten Ausführungsformen wird die Trennplatte 18 von einem herkömmlichen Polymerelektrolytmembranbrennstoffzellenstapel 10 mit dem obigen Aufbau derart in geeigneter Weise hergestellt, dass eine Graphitplatte bearbeitet wird, um darauf gebildete Strömungskanäle aufzuweisen, ein Metallwerkstoff wie zum Beispiel ein dünner rostfreier Stahl wird durch ein Pressformverfahren bearbeitet, oder ein Gemisch aus einer Polymermatrix und Kohlenstoffpartikeln oder Graphitpartikeln wird gepresst.
Gemäß bestimmter bevorzugter Ausführungsformen weist die Trennplatte der Brennstoffzelle eine exzellente elektrische Leitfähigkeit und eine bauliche Festigkeit, einen niedrigen Kontaktwiderstand und Oberflächenwiderstand, eine niedrige Gaspermeabilität, eine Korrosionsbeständigkeit und dergleichen auf. Bei anderen bevorzugten Ausführungsformen wird die Trennplatte in Massenfertigung hergestellt, und wird zu entsprechend geringeren Kosten zum Zwecke der Kommerzialisierung der Brennstoffzelle hergestellt.
Bei der Verwendung der herkömmlichen Trennplatten, wenn zwei Trennplatten aufeinander gestapelt sind, um dort in geeigneter Weise dazwischen Kühlwasserströmungskanäle festzulegen, besteht ein Kontaktwiderstand zwischen den Elementarzellen, zwischen der Trennplatte mit den Wasserstoffströmungskanälen der Brennstoffelektrodenseite und der Trennplatte mit Luftströmungskanälen der Luftelektrodenseite, was zu einer entsprechenden Verringerung des Wirkungsgrades der Brennstoffzelle führt.
Die obige Information, die in diesem Hintergrundabschnitt beschrieben ist, dient nur dem besseren Verständnis des Hintergrundes der Erfindung und sollte nicht als Bestätigung oder irgendeine Form eines Vorschlages verstanden werden, und diese Information bildet den Stand der Technik, der einem Fachmann in diesem Land bereits bekannt ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In einem Aspekt stellt die Erfindung eine Trennplatte für einen Brennstoffzellenstapel und ein Verfahren zum Herstellen derselben bereit, in welcher die Trennplatte in geeigneter Weise durch Verwenden eines Heißpress-Verfahrens (hot-press molding method) derart gebildet wird, um eine Anordnung aus einer Mehrzahl von Metallrohren für Kühlwasserströmungskanäle einstückig einzuschieben, vorzugsweise zwischen zwei Platten aus einem Faserverbundwerkstoff, um dadurch einen Kontaktwiderstand zwischen zwei benachbarten miteinander in Kontakt stehenden Trennplatten entsprechend zu beseitigen, wobei an die Trennplatten anstoßende Dichtungen derart gebildet sind, um in geeigneter Weise Wasserstoff- und Luftströmungskanäle der Trennplatte festzulegen, um dadurch den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle entsprechend zu verbessern.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung eine Trennplatte für einen Brennstoffzellenstapel bereit, aufweisend einen Kanalabschnitt, der vorzugsweise eine Mehrzahl von darin durchdringend gebildeten Kühlwasserströmungskanälen umfasst, eine Mehrzahl von Wasserstoffströmungskanälen, die auf einer Außenseite davon gebildet sind, und eine Mehrzahl von Luftströmungskanälen, die auf der anderen Außenseite davon gebildet sind, wobei die Wasserstoffströmungskanäle und die Luftströmungskanäle vorzugsweise abwechselnd mit den Kühlwasserströmungskanälen derart angeordnet sind, um sich gegenüber zu stehen; ein Einführungsabschnitt, der in geeigneter Weise einstückig an einem Ende davon mit beiden Enden des Kanalabschnitts gebildet ist, und aufweisend einen darin gebildeten Innenraum, um damit strömungstechnisch mit jeder der Mehrzahl von Kühlwasserströmungskanälen in Verbindung zu stehen; und einem Verteilerabschnitt, der einstückig mit dem anderen Ende des Einführungsabschnitts gebildet ist und Rohranschlüsse für einen Kühlwassereinlass und einen Kühlwasserauslass aufweist, wobei eine Unterteilungsplatte vorzugsweise zwischen dem Verteilerabschnitt und dem Einführungsabschnitt angeordnet wird, um damit in geeigneter Weise die Rohranschlüsse für den Kühlwassereinlass und den Kühlwasserauslass des Verteilerabschnitts und den Innenraum des Einführungsabschnitts zu teilen, wobei die Unterteilungsplatte darin durchdringbar gebildete Kühlwassereinlässe und Kühlwasserauslässe aufweist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind der Kanalabschnitt, der Einführungsabschnitt und der Verteilerabschnitt einstückig miteinander durch einen Verbundwerkstoff gebildet, welcher in nicht einschränkender Weise ausgewählt wird aus einer kunststoffimprägnierten Kohlefaser-Prepreg unter Verwendung eines Thermoplasts und eines aushärtbaren Harzes als Matrix, und einem Polymer, das eine leitfähige Kohlefaser, Ruß, Graphitpartikel und Metallpartikel umfasst.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein längliches Hohlelement, welches in nicht einschränkender Weise ausgewählt wird aus einem Metallrohr, einem Rohr aus einem Verbundwerkstoff und einem PVC-Rohr, vorzugsweise in jeden der Kühlwasserströmungskanäle eingefügt.
In einem weiteren Aspekt stellt vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Trennplatte für einen Brennstoffzellenstapel bereit, wobei das Verfahren vorzugsweise die Schritte aufweist zum Bereitstellen von zwei Platten aus Verbundwerkstoff, welche einem Schlitz- und Schneideverfahren unterzogen wurden, um sich an eine gewünschte Größe der Trennplatte anzupassen, und welche sich in einem halb gehärteten Zustand befinden; Setzen der zwei Platten aus Verbundwerkstoff und einer Mehrzahl von länglichen Hohlelementen, die in gleichem Abstand dazwischen auf der Vorderseite einer unteren Hälfte einer Form von einer Warmpresse angeordnet sind, wobei die Vorderseite einen konkav-konvexen Abschnitt 38 zur Bildung von Wasserstoff- oder Luftströmungskanälen aufweist; Absenken der oberen Hälfte einer Form der Warmpresse, deren Rückseite einen konkav-konvexen Abschnitt zur Bildung von Wasserstoff oder Luftströmungskanälen gegenüber der unteren Hälfte der Form aufweist, und dann einstöckiges Verbinden der zwei Platten aus Verbundwerkstoff miteinander zu einer einzelnen Platte aus Verbundwerkstoff während sie vorzugsweise durch ein Hochtemperatur-Pressverfahren gepresst und gleichzeitig gehärtet werden; und Entfernen einer Trennplatte von der oberen Hälfte der Form und der unteren Hälfte der Form, wobei die Trennplatte derart hergestellt wurde, dass die Wasserstoff- beziehungsweise Luftströmungskanäle an beiden Außenseiten der einzelnen Platte aus Verbundwerkstoff gebildet werden, und gleichzeitig die Innenräume der länglichen Bauelemente, die in die einzelne Platte aus Verbundwerkstoff eingelassen sind, die Kühlwasserströmungskanäle festlegen.
In noch einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Trennplatte für einen Brennstoffzellenstapel bereit, wobei das Verfahren vorzugsweise die Schritte aufweist zum Bereitstellen von zwei Platten aus Verbundwerkstoff, welche einem Schlitz- und Schneideverfahren unterzogen wurden, um sich an eine gewünschte Größe der Trennplatte anzupassen, und welche sich in einem halb gehärteten Zustand befinden; Setzen der zwei Platten aus Verbundwerkstoff und einer Mehrzahl von länglichen Hohlelementen, die in gleichem Abstand dazwischen angeordnet sind, auf der Vorderseite einer unteren Hälfte einer Form von einer Warmpresse, wobei die Vorderseite einen konkav-konvexen Abschnitt 38 zur Bildung von Wasserstoff- oder Luftströmungskanälen und die Einsätze aufweist, die zur Bildung von Kühlwasserströmungskanälen vorgesehen sind; Absenken der oberen Hälfte einer Form der Warmpresse, deren Rückseite einen konkav-konvexen Abschnitt zur Bildung von Wasserstoff oder Luftströmungskanälen gegenüber der unteren Hälfte der Form aufweist, und dann einstückiges Verbinden der zwei Platten aus Verbundwerkstoff miteinander zu einer einzelnen Platte aus Verbundwerkstoff während sie durch ein Hochtemperatur-Pressverfahren gepresst und gleichzeitig gehärtet werden; Entfernen einer separaten Platte von der oberen Hälfte der Form und der unteren Hälfte der Form, wobei die separate Platte derart hergestellt wird, dass die Wasserstoff- beziehungsweise Luftströmungskanäle an beiden Außenseiten der einzelnen Platte aus Verbundwerkstoff gebildet werden, mit den Einsätzen, die in die einzelne Platte aus Verbundwerkstoff eingelassen sind; und Entfernen der Einsätze, die in die einzelne Platte aus Verbundwerkstoff eingelassen sind, um zu ermöglichen, dass die entsprechenden Teile, von welchen die Einsätze entfernt werden, die Kühlwasserströmungskanäle festlegen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann jeder Einsatz in geeigneter Weise aus einem Werkstoff hergestellt werden, welcher in einer bestimmten Lösung aufgelöst oder zersetzt wird, oder aus einem Werkstoff, der einen Schmelzpunkt von 200°C oder weniger aufweist.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der Schritt zum einstückigen Verbinden der zwei Platten aus Verbund werkstoff miteinander vorzugsweise ferner einen Schritt zum Entfernen der Einsätze durch einzelnes Auflösen oder Zersetzen der Einsätze in der bestimmten Lösung umfassen, falls der Einsatz aus dem Werkstoff hergestellt wird, welcher in der bestimmten Lösung aufgelöst oder zersetzt wird.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der Einsatz vorzugsweise durch Schmelzen in dem Schritt zum einstöckigen Verbinden der zwei Platten aus Verbundwerkstoff miteinander entfernt werden, falls der Einsatz in geeigneter Weise aus dem Werkstoff mit einem Schmelzpunkt von 200°C oder weniger hergestellt wird.
Es ist selbstverständlich, dass der Ausdruck ”Fahrzeug” oder ”Fahrzeug-” oder andere gleichlautende Ausdrücke wie sie hierin verwendet werden, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen wie z. B. Personenkraftwagen einschließlich Sports Utility Vehicles (SUV), Busse, Lastwägen, verschiedene Nutzungsfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielfalt von Booten und Schiffen, Luftfahrzeugen und dergleichen einschließen, und Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, plug-in Hybridelektrofahrzeuge, Wasserstoffangetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoff umfassen (beispielsweise Kraftstoff, der von anderen Quellen als Erdöl gewonnen wird).
Wie hierin Bezug genommen ist, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Antriebsquellen aufweist, zum Beispiel sowohl eine Benzinangetriebene und eine elektrisch ange triebene.
Die obigen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden ersichtlich oder ausführlich dargelegt in den beigefügten Zeichnungen, welche hierin enthalten sind und einen Teil der Beschreibung bilden, und der folgenden ausführlichen Beschreibung, welche zusammen dazu dienen, durch Beispiele die Grundsätze der vorliegenden Erfindung zu erläutern.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Ansicht im Querschnitt, die den Aufbau eines Brennstoffzellenstapels darstellt;
2 zeigt eine Ansicht, die den Aufbau einer herkömmlichen Trennplatte gemäß dem Stand der Technik darstellt;
3 und 4 zeigen perspektivische Ansichten, die ein Verfahren zur Herstellung einer Trennplatte darstellen;
5 zeigt eine Draufsicht, die eine Trennplatte gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
6 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A aus 5;
7 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B aus 5;
8 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie C-C aus 5;
9 zeigt eine perspektivische Ansicht, die einen Zustand darstellt, in welchem sich eine wasserstoffseitige Dichtung und eine luftseitige Dichtung in engem Kontakt mit einer Seite und der anderen Seite einer Trennplatte gemäß der vorliegenden Erfindung befinden;
10 zeigt eine Draufsicht, die einen Zustand darstellt, in welchem sich eine wasserstoffseitige Dichtung in engem Kontakt mit einer Seite einer Trennplatte gemäß der vorliegenden Erfindung befindet;
11 zeigt eine Draufsicht, die einen Zustand darstellt, in welchem sich eine luftseitige Dichtung in engem Kontakt mit der anderen Seite einer Trennplatte gemäß der vorliegenden Erfindung befindet;
12 zeigt eine Draufsicht, die einen Zustand darstellt, in welchem sich eine wasserstoffseitige Dichtung und eine luftseitige Dichtung in engem Kontakt mit einer Trennplatte gemäß der vorliegenden Erfindung befinden;
13 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie D-D aus 12;
14 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie E-E aus 12;
15 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie F-F aus 12;
Die in den Zeichnungen dargestellten Bezugszeichen nehmen Bezug auf die folgenden Elemente wie sie nachfolgend ferner be schrieben sind:

10: Brennstoffzellenstapel
11: Elementarzelle
12: Membranelektrodenanordnung
13: Elektrolytmembran
14: Brennstoffelektrode
15: Luftelektrode
16: Gasdiffusionsschicht
17: Dichtung
18: Trennplatte
20: Wasserstoffströmungskanal
22: Luftströmungskanal
24: Kanalabschnitt
26: Verteilerabschnitt
26a: Rohranschluss Lufteinlass
26b: Rohranschluss Kühlwassereinlass
26c: Rohranschluss Wasserstoff
26d: Rohranschluss Luftauslass
26e: Rohranschluss Kühlwasserauslass
26f: Rohranschluss Wasserstoffauslass
28: Kühlwasserströmungskanal
30: Verbundwerkstoff
32: längliches Hohlelement
34: obere Hälfte einer Form
36: untere Hälfte einer Form
38: konkav-konvexer Abschnitt zur Bildung von Wasserstoff- oder Luftströmungskanälen
40: Einsatz
50: Einführungsabschnitt
52: Innenraum
54: Unterteilungsplatte
56: Kühlwassereinlass
58: Kühlwasserauslass
60: wasserstoffseitige Dichtung
62: luftseitige Dichtung
60a, 60b, 62a, 62b: Durchgangsbohrungen

Ausführliche Beschreibung
Wie hierin beschrieben umfasst die vorliegende Erfindung eine Trennplatte für einen Brennstoffzellenstapel, aufweisend einen Kanalabschnitt einschließlich einer Mehrzahl von darin durchdringend gebildeten Kühlwasserströmungskanälen, eine Mehrzahl von Wasserstoffströmungskanälen, die auf einer Außenseite davon gebildet ist, und einer Mehrzahl von Luftströmungskanälen, die auf der anderen Außenseite davon gebildet ist, einen Einführungsabschnitt, der einstückig an einem Ende davon mit beiden Enden des Kanalabschnitts gebildet ist; und einem Verteilerabschnitt, der einstückig mit dem anderen Ende des Einführungsabschnits gebildet ist und Rohranschlüsse für einen Kühlwassereinlass und einen Kühlwasserauslass aufweist, wobei eine Unterteilungsplatte zwischen dem Verteilerabschnitt und dem Einführungsabschnitt angeordnet ist, wobei die Unterteilungsplatte darin durchdringend gebildete Kühlwassereinlässe und Kühlwasserauslasse aufweist.
Bei einer Ausführungsform sind der Kanalabschnitt, die Wasserstoffströmungskanäle und die Luftströmungskanäle mit den Kühlwasserströmungskanälen derart miteinander abwechselnd angeordnet, um sich gegenüber zu stehen.
Bei einer anderen Ausführungsform weist der Einführungsabschnitt einen darin gebildeten Innenraum auf, um damit strömungstechnisch mit jeder der Mehrzahl von Kühlwasserströmungska nälen in Verbindung zu stehen.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Unterteilungsplatte angeordnet, um die Rohranschlüsse des Kühlwassereinlasses und -auslasses des Verteilerabschnitts und dem Innenraum des Einführungsabschnitts zu teilen.
Die Erfindung beschreibt ebenfalls ein Verfahren zum Herstellen einer Trennplatte für einen Brennstoffzellenstapel, wobei das Verfahren die Schritte aufweist zum Bereitstellen von zwei Platten aus einem Verbundwerkstoff, Setzen der zwei Platten aus Verbundwerkstoff und einer Mehrzahl von länglichen Hohlelementen, die in gleichem Abstand dazwischen auf der Vorderseite einer unteren Hälfte einer Form von einer Warmpresse angeordnet sind, Absenken der oberen Hälfte einer Form der Warmpresse in Richtung der unteren Hälfte einer Form, und dann einstückiges Verbinden der zwei Platten aus Verbundwerkstoff miteinander in eine einzelne Platte aus Verbundwerkstoff während sie gepresst und gleichzeitig gehärtet werden, Entfernen einer Trennplatte von der oberen Hälfte der Form und der unteren Hälfte der Form, wobei die Trennplatte derart hergestellt wurde, dass die Wasserstoff- beziehungsweise Luftströmungskanäle an beiden Außenseiten der einzelnen Platte aus Verbundwerkstoff gebildet werden, und gleichzeitig die Innenräume der länglichen Hohlelemente, die in die einzelne Platte aus Verbundwerkstoff eingelassen sind, die Kühlwasserströmungskanäle festlegen, oder einer Trennplatte, die derart hergestellt wurde, dass die Wasserstoff- beziehungsweise Luftströmungskanäle an beiden Außenseiten der einzelnen Platte aus Verbundwerkstoff gebildet werden, mit den Einsätzen, die in der einzelnen Platte aus Verbundwerkstoff gebildet werden; und Entfernen der Einsätze, die in der einzelnen Platte aus Verbundwerkstoff eingelassen sind, wobei die entsprechenden Teile, von welchen die Einsätze entfernt werden, die Kühlwasserströmungskanäle festlegen.
Bei einer Ausführungsform wurden die beiden Platten aus Verbundwerkstoff einem Schlitz- und Schneideverfahren unterzogen, um sich an eine gewünschte Größe der Trennplatte anzupassen.
Bei einer anderen Ausführungsform befinden sich die zwei Platten aus Verbundwerkstoff in einem halb gehärteten Zustand.
Bei einer noch weiteren Ausführungsform weist die Vorderseite einen konkav-konvexen Abschnitt zur Bildung von Wasserstoff- oder Luftströmungskanälen auf.
Bei einer weiteren Ausführungsform sind die Einsätze zur Bildung von Kühlwasserströmungskanälen vorgesehen.
Bei einer Ausführungsform weist die Rückseite der oberen Hälfte einer Form der Warmpresse einen konkav-konvexen Abschnitt zur Bildung von Wasserstoff- und Luftströmungskanälen auf.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird der Schritt zum Pressen und gleichzeitigem Härten durch ein Hochtemperatur-Pressverfahren durchgeführt.
Die Erfindung beschreibt ebenfalls ein Kraftfahrzeug, das die Trennplatte für einen Brennstoffzellenstapel, wie er in ir gendeinen der Ausführungsformen oder Aspekten hierin beschrieben ist, aufweist.
Es wird nun ausführlich Bezug genommen auf die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, von welchen Beispiele in den beigefügten Zeichnungen nachfolgend dargestellt sind, wobei sich gleiche Bezugszeichen durchwegs auf gleiche Bauteile beziehen. Die Ausführungsformen werden unterhalb beschrieben, um die vorliegende Erfindung durch Bezugnahme auf die Figuren zu erläutern.
Bevorzugte Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung werden hierin mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Bei bevorzugten Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung eine Trennplatte, die in geeigneter Weise durch Verwenden von zwei Platten aus Verbundwerkstoff hergestellt wird, und die in weiteren bevorzugten Ausführungsformen Wasserstoffströmungskanäle aufweist, die in geeigneter Weise auf einer Außenseite davon gebildet sind, und die Luftströmungskanäle aufweist, die in geeigneter Weise auf der anderen Außenseite davon gebildet sind, und welche rohrförmige Kühlwasserströmungskanäle aufweist, die darin durchdringend gebildet sind, und dadurch den Kontaktwiderstand zwischen zwei benachbarten Elementarzellen zu beseitigen. Gemäß bestimmter bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung wird die Trennplatte, die in geeigneter Weise wie hierin beschrieben durch Verwenden von zwei Platten aus Verbund werkstoff hergestellt wird, gefertigt, um das Problem zu lösen, bei dem der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle zum Erzeugen von Strom durch das Vorhandensein des Kontaktwiderstandes zwischen zwei benachbarten Elementarzellen aufgrund der Bildung von Kühlwasserströmungskanälen zwischen zwei Trennplatten nach dem Verbinden von zwei Trennplatten verringert wird, das heißt, der Kontaktwiderstand zwischen der Trennplatte mit den Wasserstoffelektroden der Brennstoffelektrodenseite und der Trennplatte mit den Luftströmungskanälen der Luftelektrodenseite.
Demzufolge wird nachfolgend ein Verfahren zum Herstellen der Trennplatte beschrieben.
3 und 4 zeigen perspektivische Ansichten, die ein Verfahren zum Herstellen einer Trennplatte gemäß bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellen. 5 zeigt eine Draufsicht, die eine beispielhafte Trennplatte gemäß bestimmter bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellt.
Bei einer Ausführungsform werden vorzugsweise zwei Platten aus Verbundwerkstoff 30 bereit gestellt, welche einem Schlitz- und Schneideverfahren unterzogen wurden, um sich an eine gewünschte Größe der Trennplatte anzupassen, und welche sich in einem halb gehärteten Zustand befinden. Jede Platte aus Verbundwerkstoff 30 kann vorzugsweise in einem Zustand bereit gestellt werden, wo einige Platten aus einem Ausgangsstoff in geeigneter Weise abhängig von der Dicke der Trennplatte miteinander überlappt werden.
Vorzugsweise kann der Verbundwerkstoff 30 eine kunststoffimprägnierte Kohlefaser-Prepreg unter Verwendung von zum Beispiel einem Thermoplast und einem aushärtbaren Harz als Matrix, oder einem Polymer, das eine leitfähige Kohlefaser, Ruß, Graphitpartikel und Metallpartikel umfasst, verwenden.
Bei weiteren Ausführungsformen wird eine Anordnung aus einer Mehrzahl von länglichen Hohlelementen 32 in geeigneter Weise zwischen zwei Platten aus Verbundwerkstoff 30 angeordnet. Gemäß weiteren Ausführungsformen verwendet jedes der länglichen Hohlelemente 32 vorzugsweise ein Metallrohr mit einem geringen Durchmesser, wie beispielsweise der einer Nadel, und kann vorzugsweise ein Rohr aus Verbundwerkstoff, ein PVC-Rohr und dergleichen neben dem Metallrohr verwenden.
Gemäß anderen bestimmten Ausführungsformen werden die somit vorgesehenen zwei Platten aus Verbundwerkstoff 30 und die länglichen Hohlelemente 32 in geeigneter weise in einer Warmpresse angeordnet.
Bei anderen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung weist eine obere Hälfte einer Form 34 der Warmpresse einen konkav-konvexen Abschnitt 38 auf, der in geeigneter Weise auf der Rückseite davon zur Bildung von Wasserstoff- oder Luftströmungskanälen gebildet ist, und eine untere Hälfte einer Form 36 der Warmpresse weist einen konkav-konvexen Abschnitt 38 auf, der in geeigneter Weise auf der Vorderseite davon zur Bildung von Wasserstoff- oder Luftströmungskanälen gebildet ist.
Bei bestimmten beispielhaften Ausführungsformen, falls der konkav-konvexe Abschnitt 38, der auf der Rückseite der oberen Hälfte einer Form 34 der Warmpresse gebildet ist, vorzugsweise ausgewählt wird als einer zur Bildung eines Wasserstoffströmungskanals, wird der konkav-konvexe Abschnitt 38, der auf der Vorderseite der unteren Hälfte einer Form 34 der Warmpresse gebildet ist, umgekehrt als einer zur Bildung von Luftströmungskanälen ausgewählt.
Bei weiteren Ausführungsformen werden die zwei Platten aus Verbundwerkstoff 30 und eine Mehrzahl von länglichen Hohlelementen 32, die dazwischen in gleichem Abstand angeordnet ist, vorzugsweise auf der Vorderseite der unteren Hälfte einer Form 36 der Warmpresse mit dem konkav-konvexen Abschnitt 38 zur Bildung von Wasserstoff- oder Luftströmungskanälen abgesetzt.
Gemäß noch weiteren Ausführungsformen wird die obere Hälfte einer Form 34 der Warmpresse mit dem konkav-konvexen Abschnitt 38 zur Bildung von Wasserstoff- oder Luftströmungskanälen in geeigneter Weise in Richtung der unteren Hälfte einer Form 36 abgesenkt, und dann werden die zwei Platten aus Verbundwerkstoff 30 entsprechend in eine Form bei einer hohen Temperatur durch die Warmpresse gepresst.
Vorzugsweise werden die zwei Platten aus Verbundwerkstoff 30 in dem halb gehärteten Zustand einstückig zu einer einzelnen Platte aus Verbundwerkstoff 30 miteinander verbunden, während sie in geeigneter Weise durch ein Hochtemperatur-Pressverfahren gepresst und gleichzeitig gehärtet werden.
Demgemäß werden die Wasserstoff- und Luftströmungskanäle 20 beziehungsweise 22 mit der konkav-konvexen Form entsprechend auf beiden Außenseiten der einzelnen Platte aus Verbundwerkstoff 30 gebildet. Gleichzeitig legen die Innenräume der länglichen Hohlelemente 32, die in der einzelnen Platte aus Verbundwerkstoff 30 eingelassen sind, Kühlwasserströmungskanäle 20 fest, um dabei eine Trennplatte zu vervollständigen.
Bevorzugte Verfahren zum Herstellen einer Trennplatte gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden nun nachfolgend beschrieben.
Bei einer Ausführungsform werden die zwei Platten aus Verbundwerkstoff 30 vorzugsweise bereit gestellt, welche einem Schlitz- und Schneideverfahren unterzogen wurden, um sich an eine gewünschte Größe der Trennplatte anzupassen, und welche sich in einem halb gehärteten Zustand befinden.
Bei bevorzugten Ausführungsformen wird eine Anordnung aus einer Mehrzahl von Einsätzen 40 zur Bildung von Kühlwasserströmungskanälen in geeigneter Weise zwischen den zwei Platten aus Verbundwerkstoff 30 angeordnet.
Vorzugsweise wird jeder Einsatz 40 aus einem Werkstoff hergestellt, welcher entsprechend in einer Lösung aufgelöst wird, vorzugsweise eine bestimmte Lösung, wie zum Beispiel einem in einer Lösung löslichen Zellstoff, zum Beispiel in nicht einschränkender Weise Wasser, oder einem Stoff wie beispielsweise Schwefel, einem thermoplastischen Polymer, Metall oder dergleichen mit einem Schmelzpunkt von 200°C oder weniger.
Gemäß weiteren Ausführungsformen werden die zwei Platten aus Verbundwerkstoff 30 und eine Mehrzahl von Einsätzen 40, die vorzugsweise zur Bildung von Kühlwasserströmungskanälen in gleichem Abstand dazwischen angeordnet ist, in geeigneter Weise auf der Vorderseite der unteren Hälfte einer Form 36 der Warmpresse mit dem konkav-konvexen Abschnitt 38 zur Bildung von Wasserstoff- oder Luftströmungskanälen abgesetzt.
Bei noch weiteren Ausführungsformen wird die obere Hälfte einer Form 34 der Warmpresse mit dem konkav-konvexen Abschnitt 38 zur Bildung von Wasserstoff- oder Luftströmungskanälen in geeigneter Weise in Richtung der unteren Hälfte einer Form 36 abgesenkt, und dann werden die zwei Platten aus Verbundwerkstoff 30 in eine Form bei einer hohen Temperatur durch die Warmpresse gepresst, so dass die zwei Platten aus Verbundwerkstoff 30 in dem halb gehärteten Zustand vorzugsweise miteinander einstückig zu einer einzelnen Platte aus Verbundwerkstoff 30 verbunden werden, während sie entsprechend durch das obige Hochtemperatur-Pressverfahren gepresst und gleichzeitig gehärtet werden.
Demzufolge werden bei weiteren Ausführungsformen die Wasserstoff- und Luftströmungskanäle 20 beziehungsweise 22 vorzugsweise auf beiden Außenseiten der einzelnen Platte aus Verbund werkstoff 30 gebildet, und gleichzeitig wird provisorisch eine Trennplatte mit den darin eingelassenen Einsätzen 40 vervollständigt.
Bei weiteren Ausführungsformen werden die Einsätze 40, die in der Trennplatte eingelassen sind, vorzugsweise entfernt, und die entsprechenden Teile, von welchen die Einsätze entfernt werden, legen entsprechend die Kühlwasserströmungskanäle 28 fest, um dadurch letztendlich die Trennplatte 18 zu vervollständigen.
Bei weiteren Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Entfernen der Einsätze 40 auf solche Weise durchgeführt, dass der Einsatz in Wasser aufzulösen ist, falls jeder Einsatz aus einem Werkstoff hergestellt ist, welcher in dem bestimmten Lösungsmittel aufgelöst oder zersetzt wird, zum Beispiel in nicht einschränkender Weise ein Zellstoff, und dass der Einsatz so wie er ist entsprechend entfernt wird, indem er bei dem Schritt zum einstückigen Verbinden der zwei Platten aus Verbundwerkstoff miteinander geschmolzen wird, falls der Einsatz aus einem Werkstoff mit einem Schmelzpunkt von 200°C oder weniger hergestellt ist.
Demgemäß wird eine Trennplatte 18 vervollständigt, in welcher die Kühlwasserströmungskanäle 28 in geeigneter Weise an den entsprechenden Teilen von den Einsätzen 40 gebildet werden, und vorzugsweise in der einzelnen Platte aus Verbundwerkstoff 30 entfernt werden, und in welcher die Wasserstoffströmungskanäle 20 und 22 einer konkav-konvexen Form in geeigneter Weise auf beiden Außenseiten der einzelnen Platte aus Verbundwerkstoff 30 gebildet werden.
Gemäß der hierin beschriebenen Erfindung wurde die Trennplatte, die gemäß der obigen Ausführungsformen hergestellt wird, mit Bezug auf den bevorzugten Aufbau einschließlich der Kühlwasserströmungskanäle, der Luftströmungskanäle, und der Wasserstoffströmungskanäle beschrieben, wobei die Einführungsabschnitte 50 und die Verteilerabschnitte 26 in geeigneter Weise einstückig mit beiden Enden des Kanalabschnitts durch Verwenden desselben Verbundwerkstoffs als der des Kanalabschnitts gebildet werden, und nachfolgend mit Bezug auf die beispielhaften 6 bis 8 beschrieben sind.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen werden die Einführungsabschnitte 50 einstückig an einem Ende davon mit beiden Enden des Kanalabschnitts 24 gebildet und weisen vorzugsweise einen darin gebildeten Innenraum 52 auf, um damit strömungstechnisch mit jedem der Kühlwasserströmungskanäle in Verbindung zu stehen.
Gemäß bestimmter Ausführungsformen wird der Innenraum 52 wie folgt gebildet: falls ein Dorn (nicht gezeigt) in geeigneter Weise in die zwei Platten aus Verbundwerkstoff vor dem Pressformen eingebracht wird, und dann nach dem Pressformen entfernt wird, ist ein Teil wo der Dorn entfernt wird ein Hohlraum, welcher dem Innenraum 51 entspricht, der mit den Kühlwasserströmungskanälen strömungstechnisch in Verbindung steht.
Vorzugsweise werden die Verteilerabschnitte 26 einstückig mit dem anderen Ende des Einführungsabschnitts 50 gebildet. Bei bestimmten Ausführungsformen umfasst der Verteilerabschnitt auf einer Seite vorzugsweise einen Rohranschluss für einen Lufteinlass 26a, einen Rohranschluss für einen Kühlwassereinlass 26b und einen Rohranschluss für einen Wasserstoffeinlass 26c, welche darin durchdringend gebildet sind. Bei einer anderen bestimmten Ausführungsform umfasst der Verteilerabschnitt auf der anderen Seite vorzugsweise einen Rohranschluss für einen Luftauslass 26d, einen Rohranschluss für einen Kühlwasserauslass 26e und einen Rohranschluss für einen Wasserstoffauslass 26f, welche darin durchdringend gebildet sind.
Gemäß bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung wird eine Unterteilungsplatte 54 vorzugsweise zwischen dem Verteilerabschnitt 26 und dem Einführungsabschnitt 50 angeordnet, um Rohranschlüsse für den Kühlwassereinlass 26b und Kühlwasserauslass 26e des Verteilerabschnitts 26 und dem Innenraum 52 des Einführungsabschnitts 50 in geeigneter Weise zu teilen.
Bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen stehen die Kühlwasserströmungskanäle 28, die in dem Kanalabschnitt 24 der Trennplatte 18 gebildet werden, mit den Innenraum 52 des Einführungsabschnitts 50 strömungstechnisch in Verbindung, und der Innenraum 52 des Einführungsabschnitts 50 und die Rohranschlüsse für den Kühlwassereinlass 26b und den Kühlwasserauslass 26e des Verteilerabschnitts 26 stehen miteinander via der Mehrzahl von Kühlwassereinlässen 56 und Kühlwasserauslässen 58, die in der Unterteilungsplatte 54 gebildet sind, strömungstechnisch in Verbindung.
Demzufolge fließt bei bevorzugten Ausführungsformen, wie sie durch den obigen Aufbau beschrieben sind, Kühlwasser nacheinander in der Reihenfolge des Rohranschlusses für den Kühlwassereinlass 26b des Verteilerabschnitts 26, der Mehrzahl von Kühlwassereinlässen 56, die in der Unterteilungsplatte 54 auf einer Seite gebildet ist, des Innenraums 52, der in dem Einführungsabschnitt 50 auf einer Seite gebildet ist, der Kühlwasserströmungskanäle 28 (zum Beispiel Metallrohre) des Kanalabschnitts 24, des Innenraums 52, der in dem Einführungsabschnitt auf der anderen Seite gebildet ist, der Mehrzahl von Kühlwasserauslässen 58, die in der Unterteilungsplatte 54 auf der anderen Seite gebildet ist, und der Rohranschlüsse für den Kühlwasserauslass 26e des Verteilerabschnitts 26.
Ein Aufbau, in welchem die Dichtungen mit der Trennplatte gemäß bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in engen Kontakt stehen wird nachfolgend beschrieben.
9 bis 15 zeigen Ansichten, die einen Zustand darstellen, in welchem eine wasserstoffseitige Dichtung und eine luftseitige Dichtung mit einer Seite und der anderen Seite einer Trennplatte gemäß der vorliegenden Erfindung in engen Kontakt stehen.
Bei bevorzugten Ausführungsformen, wenn die Trennplatte 18 gemäß der vorliegenden Erfindung an den Brennstoffzellenstapel montiert ist, stehen die wasserstoffseitige Dichtung 60 und die luftseitige Dichtung 62 in entsprechend engen Kontakt mit den Wasserstoffströmungskanälen 20 mit einer konkav-konvexen Form, die auf einer Außenseite der Trennplatte 18 gebildet sind, und den Luftströmungskanälen 22 mit einer konkav-konvexen Form, die auf der anderen Außenseite der Trennplatte 18 gebildet sind, um dadurch die Wasserstoffströmungskanäle und die Luftströmungskanäle in einem im Wesentlichen fest abgedichteten Zustand zu bilden.
Vorzugsweise weist jede der wasserstoffseitigen Dichtung 60 und der luftseitigen Dichtung 62 eine Mehrzahl von Durchgangsbohrungen auf, die an beiden Enden davon gebildet werden, die in geeigneter Weise dem Rohranschluss für den Lufteinlass 26a, dem Rohranschluss für den Kühlwassereinlass 26b und dem Rohranschluss für den Wasserstoffeinlass 26c entsprechen, die an einem Ende der Trennplatte 18 gebildet sind, beziehungsweise dem Rohranschluss für den Luftauslass 26d, dem Rohranschluss für den Kühlwasserauslass 26e und dem Rohranschluss für den Wasserstoffauslass 26f entsprechen, die auf der anderen Seite der Trennplatte 18 gebildet sind.
Demgemäß sind bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen, neben den Durchgangsbohrungen der wasserstoffseitigen Dichtung 60 die Durchgangsbohrungen 60a und 60b, die dem Rohranschluss für den Wasserstoffeinlass 26c und dem Rohranschluss für den Wasserstoffauslass 26f der Trennplatte 18 entsprechen, vorzugsweise in Richtung des Einführungsabschnitts geöffnet, so dass Wasserstoff nacheinander in der Reihenfolge des Rohranschlusses für den Wasserstoffeinlass 26c, der Durchgangsbohrung 60a, der Außenseite des Einführungsabschnitts 50 auf einer Seite, der Wasserstoffströmungskanäle 20 des Kanalabschnitts 24, der Außenseite des Einführungsabschnitts auf der anderen Seite, der Durchgangsbohrung 60b, und des Rohranschlusses für den Wasserstoffauslass 26f fließt.
Ferner sind neben den Durchgangsbohrungen der luftseitigen Dichtung 62 die Durchgangsbohrungen 62a und 62b, die dem Rohranschluss für den Lufteinlass 26a und dem Rohranschluss für den Luftauslass der Trennplatte 18 entsprechen, vorzugsweise in Richtung des Einführungsabschnitts 50 geöffnet, so dass Luft nacheinander in der Reihenfolge des Rohranschlusses für den Lufteinlass 26a, der Durchgangsbohrung 62a, der Außenseite des Einführungsabschnitts 50 auf einer Seite, der Luftströmungskanäle 24 des Kanalabschnitts 24, der Außenseite des Einführungsabschnitts 50 auf der anderen Seite, der Durchgangsbohrung 62b, und des Rohranschlusses für den Luftauslass 26d fließt.
Somit werden gemäß der hierin beschriebenen Erfindung, wenn die wasserstoffseitigen und luftseitigen Dichtungen 60 und 62 mit dem verbesserten Aufbau vorzugsweise gestapelt mit der Trennplatte 18 gemäß der vorliegenden Erfindung verbunden sind, die Wasserstoffströmungskanäle und die Luftströmungskanäle in einem im Wesentlichen fest abgedichteten Zustand gebildet.
Bei weiteren bevorzugten hierin beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung werden der Kanalabschnitt, der Einführungsabschnitt und der Verteilerabschnitt, die die Trennplatte bilden, in geeigneter Weise einstückig miteinander durch Verwenden eines Verbundwerkstoffs derart geformt, dass Wasserstoff- und Luftströmungskanäle vorzugsweise auf beiden Außenseiten des Kanalabschnitts gebildet werden, und gleichzeitig rohrförmige Kühlwasserströmungskanäle in dem Kanalabschnitt gebildet werden. Gemäß weiteren Ausführungsformen werden die Wasserstoffströmungskanäle und die Luftströmungskanäle vorzugsweise in einem fest abgedichteten Zustand durch Dichtungen festgelegt, so dass der Kontaktwiderstand zwischen zwei benachbarten Elementarzellen, der aufgrund der Bildung von Kühlwasserströmungskanälen zwischen den zwei Trennplatten gemäß dem Verbinden von zwei Trennplatten auftritt, das heißt, der Kontaktwiderstand zwischen der Trennplatte mit den Wasserstoffströmungskanälen der Brennstoffelektrodenseite und der Trennplatte mit den Luftströmungskanälen der Luftelektrodenseite kann im Gegensatz zur herkömmlichen Trennplatte entsprechend beseitigt werden, um den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle zu verbessern.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen werden der Kanalabschnitt, der Einführungsabschnitt und der Verteilerabschnitt, die die Trennplatte bilden, in geeigneter Weise durch ein einzelnes Verfahren gebildet, um dadurch eine Massenproduktion bei geringen Kosten zu ermöglichen, und zu einer Kommerzialisierung der Brennstoffzelle beizutragen.
Die Erfindung wurde ausführlich mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen davon beschrieben. Jedoch ist es für den Fachmann selbstverständlich, dass Änderungen in diesen Ausführungsformen gemacht werden können, ohne von den Grundsätzen und dem Geist der Erfindung abzuweichen, von welchem der Umfang in den beigefügten Ansprüchen und ihren Äquivalenten bestimmt ist.

Claims

Trennplatte für einen Brennstoffzellenstapel, aufweisend: einen Kanalabschnitt, einschließlich einer Mehrzahl von darin durchdringend gebildeten Kühlwasserströmungskanälen, einer Mehrzahl von Wasserstoffströmungskanälen, die auf einer Außenseite davon gebildet ist, und einer Mehrzahl von Luftströmungskanälen, die auf der anderen Außenseite davon gebildet ist, wobei die Wasserstoffströmungskanäle und die Luftströmungskanäle derart abwechselnd mit den Kühlwasserströmungskanälen angeordnet sind, um sich gegenüber zu stehen; einen Einführungsabschnitt, der einstückig an einem Ende davon mit beiden Enden des Kanalabschnitts gebildet ist, und aufweisend einen darin gebildeten Innenraum, um strömungstechnisch mit jeder der Mehrzahl von Kühlwasserströmungskanälen in Verbindung zu stehen; einem Verteilerabschnitt, der einstückig mit dem anderen Ende des Einführungsabschnitts gebildet ist, und Rohranschlüsse für einen Kühlwassereinlass und einen Kühlwasserauslass aufweist, wobei eine Unterteilungsplatte zwischen dem Verteilerabschnitt und dem Einführungsabschnitt angeordnet ist, um damit die Rohranschlüsse für den Kühlwassereinlass und den Kühlwasserauslass des Verteilerabschnitts und dem Innenraum des Einführungsabschnitts zu teilen, und die Unterteilungsplatte Kühlwas sereinlässe und Kühlwasserauslässe aufweist, die darin durchdringend gebildet sind.
Trennplatte nach Anspruch 1, wobei der Kanalabschnitt, der Einführungsabschnitt und der Verteilerabschnitt einstückig miteinander durch einen Verbundwerkstoff geformt sind, welcher ausgewählt wird von einer kunststoffimprägnierten Kohlefaser unter Verwendung eines Thermoplasts und eines aushärtbaren Harzes als Matrix, und einem Polymer, das eine leitfähige Kohlefaser, Ruß, Graphitpartikel und Metallpartikel enthält.
Trennplatte nach Anspruch 1, wobei ein längliches Hohlelement in jeden der Kühlwasserströmungskanäle des Kanalabschnitts eingefügt ist.
Trennplatte nach Anspruch 3, wobei das längliche Hohlelement ausgewählt wird aus einem Metallrohr, einem Rohr aus einem Verbundwerkstoff und einem PVC-Rohr.
Verfahren zum Herstellen einer Trennplatte für einen Brennstoffzellenstapel, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Bereitstellen von zwei Platten aus Verbundwerkstoff, welche einem Schlitz- und Schneideverfahren unterzogen wurden, um sich an eine gewünschte Größe der Trennplatte anzupassen und welche sich in einem halb gehärteten Zustand befindet; Setzen der zwei Platten aus Verbundwerkstoff und einer Mehrzahl von länglichen Hohlmitteln, die in gleichem Abstand dazwischen auf der Vorderseite einer unteren Hälfte einer Form von einer Warmpresse angeordnet sind, wobei die Vorderseite einen konkav-konvexen Abschnitt 38 zur Bildung von Wasserstoff- oder Luftströmungskanälen aufweist, oder Setzen der zwei Platten aus Verbundwerkstoff und einer Mehrzahl von Einsätzen, die in gleichem Abstand dazwischen auf der Vorderseite einer unteren Hälfte einer Form der Warmpresse angeordnet sind, wobei die Einsätze zur Bildung von Kühlwasserströmungskanälen vorgesehen sind; Absenken der oberen Hälfte einer Form der Warmpresse, dessen Rückseite einen konkav-konvexen Abschnitt zur Bildung von Wasserstoff- oder Luftströmungskanälen in Richtung der unteren Hälfte einer Form aufweist, und dann ein einstückiges Verbinden der zwei Platten aus Verbundwerkstoff miteinander zu einer einzelnen Platte aus Verbundwerkstoff während sie durch ein Hochtemperatur-Pressverfahren gepresst und gleichzeitig gehärtet werden; Entfernen einer Trennplatte von der oberen Hälfte der Form beziehungsweise der unteren Hälfte der Form, wobei die Trennplatte derart hergestellt wird, dass die Wasserstoff- beziehungsweise Luftströmungskanäle an beiden Außenseiten der einzelnen Platte aus Verbundwerkstoff gebildet werden, und gleichzei tig die Innenräume der länglichen Bauelemente, die in die einzelne Platte aus Verbundwerkstoff eingelassen sind, die Kühlwasserströmungskanäle festlegen, oder eine Trennplatte derart hergestellt wird, dass die Wasserstoff- beziehungsweise Luftströmungskanäle auf beiden Außenseiten der einzelnen Platte aus Verbundwerkstoff gebildet werden, mit den Einsätzen, die in die einzelne Platte aus Verbundwerkstoff eingelassen sind; und Entfernen der Einsätze, die in die einzelne Platte aus Verbundwerkstoff eingelassen sind, um zu ermöglichen, dass die entsprechenden Teile, von welchen die Einsätze entfernt werden, die Kühlwasserströmungskanäle festlegen.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei jeder Einsatz aus einem Werkstoff hergestellt wird, welcher in einer bestimmten Lösung gelöst oder zersetzt wird, oder einem Werkstoff mit einem Schmelzpunkt von 200°C oder weniger.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 5, wobei der Schritt zum einstückigen Verbinden der zwei Platten aus Verbundwerkstoff miteinander ferner einen Schritt zum Entfernen der Einsätze durch einzelnes Auflösen oder zersetzen der Einsätze in der bestimmten Lösung umfasst, falls der Einsatz aus dem Werkstoff hergestellt wird, welcher in der bestimmten Lösung aufgelöst oder zersetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Einsatz entfernt wird, indem er bei dem Schritt zum einstückigen Verbinden der zwei Platten aus Verbundwerkstoff miteinander geschmolzen wird, falls der Einsatz aus einem Werkstoff mit einem Schmelzpunkt von 200°C oder weniger hergestellt wird.
verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt zum einstückigen Verbinden der zwei Platten aus Verbundwerkstoff miteinander ferner einen Schritt zum Entfernen der Einsätze durch einzelnes Auflösen oder Zersetzen der Einsätze in der bestimmten Lösung umfasst, falls der Einsatz aus dem Werkstoff hergestellt wird, welcher in der bestimmten Lösung aufgelöst oder zersetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Einsatz durch Schmelzen in dem Schritt zum einstückigen Verbinden der zwei Platten aus Verbundwerkstoff miteinander entfernt wird, falls der Einsatz aus dem Werkstoff mit einem Schmelzpunkt von 200°C oder weniger hergestellt wird.
Trennplatte für einen Brennstoffzellenstapel, aufweisend: einen Kanalabschnitt einschließlich einer Mehrzahl von darin durchdringend gebildeten Kühlwasserströmungskanälen, einer Mehrzahl von Wasserstoffströmungskanälen, die auf einer Außen seite davon gebildet ist, und einer Mehrzahl von Luftströmungskanälen, die auf der anderen Außenseite davon gebildet ist; einen Einführungsabschnitt, der einstückig an einem Ende davon mit beiden Enden des Kanalabschnitts gebildet ist; und einem Verteilerabschnitt, der einstückig mit dem anderen Ende des Einführungsabschnits gebildet ist und Rohranschlüsse für einen Kühlwassereinlass und einen Kühlwasserauslass aufweist, wobei eine Unterteilungsplatte zwischen dem Verteilerabschnitt und dem Einführungsabschnitt angeordnet ist, und die Unterteilungsplatte darin durchdringend gebildete Kühlwassereinlässe und Kühlwasserauslässe aufweist.
Trennplatte für einen Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 11, wobei in dem Kanalabschnitt die Wasserstoffströmungskanäle und die Luftströmungskanäle abwechselnd mit den Köhlwasserströmungskanälen derart angeordnet sind, um sich gegenüber zu stehen.
Trennplatte für einen Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 11, wobei der Einführungsabschnitt einen darin gebildeten Innenraum aufweist, um damit strömungstechnisch mit jeder der Mehrzahl von Kühlwasserströmungskanälen in Verbindung zu stehen.
Trennplatte für einen Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 11, wobei die Unterteilungsplatte angeordnet ist, um die Rohranschlüsse des Kühlwassereinlasses und -auslasses des Verteilerabschnitts und den Innenraum des Einführungsabschnitts zu teilen.
Verfahren zum Herstellen einer Trennplatte für einen Brennstoffzellenstapel, wobei das Verfahren die Schritte aufweist zum: Bereitstellen von zwei Platten aus Verbundwerkstoff; Setzen der zwei Platten aus Verbundwerkstoff und einer Mehrzahl von länglichen Hohlmitteln, die in gleichem Abstand dazwischen auf der Vorderseite einer unteren Hälfte einer Form von einer Warmpresse angeordnet sind; Absenken der oberen Hälfte einer Form der Warmpresse in Richtung der unteren Hälfte einer Form, und dann ein einstückiges Verbinden der zwei Platten aus Verbundwerkstoff miteinander zu einer einzelnen Platte aus Verbundwerkstoff während sie gepresst und gleichzeitig gehärtet werden; Entfernen einer Trennplatte von der oberen Hälfte der Form beziehungsweise der unteren Hälfte der Form, wobei die Trennplatte derart hergestellt wird, dass die Wasserstoff- beziehungsweise Luftströmungskanäle an beiden Außenseiten der einzelnen Platte aus Verbundwerkstoff gebildet werden, und gleichzeitig die Innenräume der länglichen Bauelemente, die in die einzelne Platte aus Verbundwerkstoff eingelassen sind, die Kühlwas serströmungskanäle festlegen, oder eine Trennplatte derart hergestellt wird, dass die Wasserstoff- beziehungsweise Luftströmungskanäle auf beiden Außenseiten der einzelnen Platte aus Verbundwerkstoff gebildet werden, mit den Einsätzen, die in die einzelne Platte aus Verbundwerkstoff eingelassen sind; und Entfernen der Einsätze, die in die einzelne Platte aus Verbundwerkstoff eingelassen sind, wobei die entsprechenden Teile, von welchen die Einsätze entfernt werden, die Kühlwasserströmungskanäle festlegen.
Verfahren zum Herstellen einer Trennplatte für einen Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 15, wobei die zwei Platten aus Verbundwerkstoff einem Schlitz- und Schneideverfahren unterzogen wurden, um sich an eine gewünschte Größe der Trennplatte anzupassen.
Verfahren zum Herstellen einer Trennplatte für einen Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 15, wobei sich die zwei Platten aus Verbundwerkstoff in einem halb gehärteten Zustand befinden.
Verfahren zum Herstellen einer Trennplatte für einen Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 15, wobei die Vorderseite einen konkav-konvexen Abschnitt zur Bildung von Wasserstoff- oder Luftströmungskanälen aufweist.
Verfahren zum Herstellen einer Trennplatte für einen Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 15, wobei die Einsätze zur Bildung von Kühlwasserströmungskanälen vorgesehen sind.
Verfahren zum Herstellen einer Trennplatte für einen Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 15, wobei die Rückseite der oberen Hälfte einer Form der Warmpresse einen konkav-konvexen Abschnitt zur Bildung von Wasserstoff- oder Luftströmungskanälen aufweist.
Verfahren zum Herstellen einer Trennplatte für einen Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 15, wobei der Schritt zum Pressen und gleichzeitigem Härten durch einen Hochtemperatur-Pressverfahren durchgeführt wird.
Kraftfahrzeug, das die Trennplatte für einen Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1 aufweist.
Kraftfahrzeug, das die Trennplatte für einen Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 11 aufweist.