DE102009006296A1

DE102009006296A1 - Vorab erfolgendes Zusammensetzen der aktiven Fläche auf Platten zur Reduktion von Dickenabweichungen

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Publication number: DE102009006296A1
Application number: DE102009006296A
Authority: DE
Inventors: Mark W. Keyser; Jeffrey A. Rock; Keith E. Newman; Lewis Dipietro; Scott Ofslager; Steven J. Spencer
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-01-30
Filing date: 2009-01-27
Publication date: 2009-10-08
Anticipated expiration: 2029-01-28
Also published as: US7823277B2; US20090188099A1; DE102009006296B4; CN101527360B; CN101527360A

Abstract

Es ist ein Verfahren zur Herstellung einer bipolaren Plattenanordnung für einen Brennstoffzellenstapel vorgesehen. Das Verfahren umfasst erstens die Schritte, dass eine erste unipolare Platte, die eine erste aktive Fläche mit einer Vielzahl von Kanälen aufweist, die auf einer ersten Innenfläche davon gebildet sind, und eine zweite unipolare Platte vorgesehen wird, die eine zweite aktive Fläche mit einer Vielzahl von Stegen aufweist, die auf einer zweiten Innenfläche davon gebildet sind. Die erste unipolare Platte und die zweite unipolare Platte werden derart ausgerichtet, um die erste aktive Fläche neben der zweiten aktiven Fläche anzuordnen. Ein erster Druck wird dann auf die erste und die zweite aktive Fläche aufgebracht, um die erste aktive Fläche und die zweite aktive Fläche vorab zusammenzusetzen. Dann werden die Umfänge der ersten und der zweiten unipolaren Platte zusammengefügt. Eine Klemmhalterung und ein zugehöriges Verfahren zum Montieren der bipolaren Plattenanordnung sind ebenfalls vorgesehen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Offenlegung betrifft Brennstoffzellenstapel und im Spezielleren eine bipolare Plattenanordnung und Verfahren zur Herstellung von bipolaren Platten für Brennstoffzellenstapel.
Hintergrund der Erfindung
Eine Brennstoffzelle wurde als saubere, effiziente und umweltbewusste Leistungsquelle für verschiedene Anwendungen vorgeschlagen. Im Speziellen können einzelne Brennstoffzellen in Serie zusammen gestapelt sein, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden, der in der Lage ist, eine Menge an Elektrizität zu erzeugen, die ausreicht, um ein Elektrofahrzeug zu betreiben.
Ein Beispiel für die Brennstoffzelle ist eine Protonenaustauschmembran (PEM)-Brennstoffzelle. Die PEM-Brennstoffzelle umfasst eine Membran/Elektroden-Anordnung (MEA), die allgemein einen dünnen, festen Polymermembranelektrolyten mit einer Anode und einer Kathode mit einem Katalysator auf gegenüberliegenden Flächen des Membranelektrolyten aufweist. Die MEA ist allgemein zwischen einem Paar von porösen, leitfähigen Materialien angeordnet, die auch als Gasdiffusionsmedien bekannt sind und gasförmige Reaktanden, z. B. Wasserstoff und Sauerstoff/Luft an die Anoden- und Kathodenschichten verteilen. Die MEA und die Gasdiffusionsmedien sind kollektiv als „weiche Teile” („softgoods”) bekannt.
Der Wasserstoffreaktand wird an der Anode eingebracht, wo er elektrochemisch in Gegenwart des Katalysators reagiert, um Elektronen und Protonen zu erzeugen. Die Elektronen werden von der Anode zu der Kathode über einen dazwischen angeordneten elektrischen Stromkreis geleitet. Gleichzeitig durchlaufen die Protonen den Elektrolyt zu der Kathode, wo ein Oxidationsmittel wie z. B. Sauerstoff oder Luft elektrochemisch in Gegenwart des Elektrolyten und des Katalysators reagiert, um Sauerstoffanionen zu erzeugen. Die Sauerstoffanionen reagieren mit den Protonen, um Wasser als ein Reaktionsprodukt zu bilden.
Die weichen Teile der PEM-Brennstoffzelle sind zwischen einem Paar elektrisch leitfähiger, bipolarer Platten angeordnet, welche als Stromabnehmer für die Anoden- und Kathodenschichten dienen. Die bipolaren Platten umfassen eine Vielzahl von Stegen und Strömungskanälen, um die gasförmigen Reaktanden zu den Anoden und Kathoden der Brennstoffzelle zu verteilen. Die bipolaren Platten dienen als ein elektrischer Leiter zwischen benachbarten Brennstoffzellen und sind ferner mit einer Vielzahl von internen Kanälen versehen, die geeignet sind, um Wärme mit der Brennstoffzelle auszutauschen, wenn ein Kühlmittel dadurch strömt. Die typische bipolare Platte ist eine zusammengefügte Anordnung, die aus zwei separaten unipolaren Platten aufgebaut ist. Jede unipolare Platte besitzt eine Außenfläche mit Strömungskanälen für die gasförmigen Reaktanden und eine Innenfläche mit den internen Kühlmittelströmungskanälen. Um elektrischen Strom zwischen den Anoden und Kathoden benachbarter Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel zu leiten, sind die gepaarten unipolaren Platten, die jede bipolare Plattenanordnung bilden, mechanisch oder elektrisch verbunden.
Ein typischer Aufbau einer bipolaren Plattenanordnung ist als eine „zusammengesetzte” Konfiguration bekannt. In der zusammengesetzten Kon figuration sind die Kanäle und Stege, die an den Innenflächen der jeweiligen unipolaren Platten gebildet sind, ausgerichtet und zusammengepasst. Nicht einschränkende Beispiele von zusammengesetzten Konfigurationen sind in dem U.S.-Patent Nr. 6 974 648 und in der US-Patentanmeldung Nr. 2006/0 127 706 beschrieben, deren Offenbarungsgehalte hierin durch Bezugnahme in ihren Gesamtheiten aufgenommen sind. Ein bekanntes Verfahren zur Herstellung einer bipolaren Plattenanordnung mit einer zusammengesetzten Konfiguration umfasst das Zusammenklemmen eines Paares unipolarer Platten mit zusammenpassenden, mit Kanälen versehenen Gebieten um einen Umfang der unipolaren Platten herum. Druck wird auf die Umfänge der unipolaren Platten aufgebracht, z. B. mit Totgewicht oder Klemmen. Der Umfang wird geschweißt, um die bipolare Plattenanordnung abzudichten.
Es ist bekannt, dass die bipolare Plattenanordnung gelegentlich eine unerwünschte Abweichung der Dicke über einen Oberflächenbereich der bipolaren Plattenanordnung aufweist. Eine Dickenabweichung über die bipolare Plattenanordnung hinweg ist allgemein die Folge eines nicht korrekten Zusammensetzens der Kanäle und Stege der unipolaren Platten, wenn sie montiert werden, um die bipolare Plattenanordnung zu bilden. Das nicht korrekte Zusammensetzen kann zum Teil in Unterschieden der seitlichen Rückfederung der unipolaren Platten begründet sein, wobei eine unipolare Platte einen größeren Betrag seitlicher Rückfederung infolge von maßlichen Unterschieden anschließend auf ihre Bildung, z. B. durch einen Pressvorgang, aufweisen kann. Die Dickenabweichung kann sich als eine „eingeschlossene Welle” von Material innerhalb der zusammengesetzten Gebiete der bipolaren Plattenanordnung manifestieren, insbesondere wenn irgendein überschüssiges oder lockeres Material vorhanden ist, wenn die Umfange der unipolaren Platten eingespannt werden. Die einge schlossene Welle von Material kann zu einem Zwischenraum oder einer Trennung zwischen den unipolaren Platten führen.
Das Punktschweißen der unipolaren Platten aneinander innerhalb der aktiven Fläche ist ein bekannter Ansatz, um einen geringen Widerstand für den Elektronenfluss durch die bipolare Plattenanordnung vorzusehen. Allerdings kann die zuvor erwähnte Trennung zwischen den unipolaren Platten Schwierigkeiten beim Punktschweißen innerhalb der aktiven Fläche der bipolaren Plattenanordnung darstellen. Der Versuch, an einer Position zu schweißen, wo eine Trennung vorhanden ist, bewirkt eine Perforation in der unipolaren Platte. Die Perforation bildet einen Austrittspfad für Fluide in dem Brennstoffzellenstapel. Die Trennung zwischen den unipolaren Platten ist daher unerwünscht.
Tests haben gezeigt, dass das endgültige Zusammensetzen der mit Kanälen versehenen Gebiete im Wesentlichen unter den Baulasten in Verbindung mit der Montage der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels abgeschlossen ist. Unter diesen Kompressionskräften werden die Kanäle und Stege schließlich aneinander „gesetzt”. Allerdings führt die Verwendung einer Brennstoffzellenkompression, um das Zusammensetzen der mit Kanälen versehenen Gebiete abzuschließen, zu unerwünschten, örtlich begrenzten Spannungen an den weichen Teilen. Es ist bekannt, dass sowohl die Abweichung der bipolaren Plattendicke als auch die ungleichmäßige Verteilung von Spannungen der weichen Teile die Brennstoffzellenleistung beeinträchtigen. Insbesondere nicht zusammengesetzte Gebiete können ein unerwünschtes Kompressionsniveau unter typischen Stapelbelastungen verursachen. Das unerwünschte Kompressionsniveau, kombiniert mit weiteren Faktoren wie z. B. der Temperatur und der Feuchtigkeit, kann zu elektrischen Kurzschlüssen durch die PEM der Brennstoffzelle führen.
Es besteht kontinuierlicher Bedarf an einem Verfahren und einer Montagehalterung, um eine Abweichung der Dicke der bipolaren Plattenanordnung zu reduzieren. Das Verfahren wirkt wünschenswerterweise einem nicht korrekten Zusammensetzen der unipolaren Platten während der Montage der bipolaren Platte entgegen.
Zusammenfassung der Erfindung
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenlegung wurden überraschenderweise ein Verfahren und eine Montagehalterung entdeckt, um eine Abweichung der Dicke der bipolaren Plattenanordnung zu reduzieren und einem nicht korrekten Zusammensetzen der unipolaren Plattenanordnung während der Montage der bipolaren Platte entgegenzuwirken.
In einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Herstellung einer bipolaren Plattenanordnung für einen Brennstoffzellenstapel erstens die Schritte, dass eine erste unipolare Platte, die eine erste aktive Fläche mit einer Vielzahl von Kanälen aufweist, die auf einer ersten Innenfläche davon gebildet sind, und eine zweite unipolare Platte vorgesehen wird, die eine zweite aktive Fläche mit einer Vielzahl von Stegen aufweist, die auf einer zweiten Innenfläche davon gebildet sind. Die erste unipolare Platte und die zweite unipolare Platte werden derart ausgerichtet, um die erste aktive Fläche neben der zweiten aktiven Fläche anzuordnen. Dann wird ein erster Druck auf die erste und die zweite aktive Fläche aufgebracht, um die Vielzahl von Kanälen mit der Vielzahl von Stegen vorab zusammenzusetzen. Ein erster Umfangsflansch der ersten unipolaren Platte und ein zweiter Umfangsflansch der zweiten unipolaren Platte werden anschließend zusammengefügt. Dadurch wird die vorab zusammengesetzte bipolare Plattenanordnung bereitgestellt.
In einer weiteren Ausführungsform ist eine Klemmhalterung zur Montage einer bipolaren Platte für einen Brennstoffzellenstapel vorgesehen. Die Klemmhalterung umfasst eine Grundplatte. Die Grundplatte ist geeignet, um eine erste unipolare Platte mit einer ersten aktiven Fläche und einem ersten Umfangsflansch und eine zweite unipolare Platte mit einer zweiten aktiven Fläche und einem zweiten Umfangsflansch aufzunehmen. Die Klemmhalterung umfasst auch eine obere Plattenanordnung. Die obere Plattenanordnung ist mit der Grundplatte gekoppelt und geeignet, um schrittweise einen ersten Druck auf die aktiven Flächen und einen zweiten Druck auf die Umfangsflansche der ersten und der zweiten unipolaren Platte aufzubringen.
In einer weiteren Ausführungsform ist ein Verfahren zur Verwendung der Klemmhalterung vorgesehen. Das Verfahren umfasst die Schritte, dass die Klemmhalterung vorgesehen wird und die erste und die zweite unipolare Platte auf der Grundplatte angeordnet werden, um dadurch die erste aktive Fläche neben der zweiten aktiven Fläche auszurichten. Dann wird der erste Druck auf die erste und die zweite aktive Fläche mit der oberen Plattenanordnung der Klemmhalterung aufgebracht. Dadurch wird die Vielzahl von Kanälen mit der Vielzahl von Stegen vorab zusammengesetzt. Dann wird ein zweiter Druck auf den ersten und den zweiten Umfangsflansch mit der oberen Plattenanordnung der Klemmhalterung aufgebracht. Der erste Umfangsflansch der ersten unipolaren Platte wird mit dem zweiten Umfangsflansch der zweiten unipolaren Platte zusammengefügt, um dadurch die bipolare Plattenanordnung herzustellen.
Zeichnungen
Die obigen sowie weitere Vorteile der vorliegenden Offenlegung werden für den Fachmann aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, insbesondere bei Betrachtung im Licht der hierin nachfolgend beschriebenen Zeichnungen, ohne weiteres verständlich.
1 veranschaulicht eine schematische, perspektivische Explosionsdarstellung eines PEM-Brennstoffzellenstapels nach dem Stand der Technik (wobei nur zwei Zellen gezeigt sind);
2a ist eine perspektivische Darstellung einer zusammengefügten bipolaren Plattenanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung;
2b ist eine perspektivische Explosionsdarstellung der in 2a gezeigten bipolaren Plattenanordnung;
2c ist eine fragmentarische Querschnittsansicht der bipolaren Plattenanordnung entlang der Schnittlinie C-C in 2a;
3 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Montagevorrichtung für bipolare Brennstoffzellenplatten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung;
4 ist eine seitliche Querschnittsansicht der in 3 gezeigten Montagevorrichtung;
5 ist eine perspektivische Darstellung der in 3 gezeigten Montagevorrichtung; und
6 ist eine Draufsicht einer bipolaren Plattenanordnung mit Positionen über eine aktive Fläche davon hinweg, die zur Messung der bipolaren Plattendicke gekennzeichnet sind.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die nachfolgende Beschreibung ist rein beispielhaft und soll die vorliegende Offenlegung, ihre Anwendung oder Verwendungen nicht einschränken. Es sollte auch einzusehen sein, dass in den Zeichnungen entsprechende Bezugsziffern durchweg gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale bezeichnen. In Bezug auf die offenbarten Verfahren sind die dargestellten Schritte beispielhaft und sind daher nicht notwendig oder kritisch.
Der Einfachheit halber ist hierin nur ein Zweizellenstapel (d. h. eine bipolare Platte) veranschaulicht und beschrieben, wobei einzusehen ist, dass ein typischer Stapel viel mehr solcher Zellen und bipolaren Platten aufweisen wird. 1 zeigt einen Zweizellen-PEM-Brennstoffzellenstapel 2 mit einem Paar Membran/Elektroden-Anordnungen (MEAs) 4, 6, die voneinander durch ein elektrisch leitfähiges Fluidverteilungselement 8 getrennt sind, welches hierin nachfolgend als bipolare Plattenanordnung 8 bezeichnet ist. Die MEAs 4, 6 und die bipolare Plattenanordnung 8 sind zwischen Endplatten 10, 12 und Endkontaktelementen 14, 16 zusammen gestapelt. Die Endkontaktelemente 14, 16 und die bipolare Plattenanordnung 8 umfassen Arbeitsflächen 18, 20, 22 bzw. 24, um Brennstoff und Oxidationsmittelgase (z. B. H2 und O2) an die MEAs 4, 6 zu verteilen. Nicht leitfähige Dichtungen 26, 28, 30, 32 stellen Abdichtungen und eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellenstapels 2 bereit.
Die MEAs 4, 6 sind neben gasdurchlässigen, leitfähigen Materialien angeordnet, die als Gasdiffusionsmedien 34, 36, 38, 40 bekannt sind. Die Gasdiffusionsmedien 34, 36, 38, 40 können Kohlenstoff oder Graphit-Diffusionspapier umfassen. Die Gasdiffusionsmedien 34, 36, 38, 40 stehen mit den MEAs 4, 6 in Kontakt. Die Endkontakteinheiten 14, 16 stehen mit den Gasdiffusionsmedien 34 bzw. 40 in Kontakt. Die bipolare Plattenanordnung 8 steht mit den Gasdiffusionsmedien 36 neben der Anodenseite der MEA 4 in Kontakt, die derart ausgebildet ist, um einen Wasserstoff tragenden Reaktanden aufzunehmen. Die bipolare Plattenanordnung 8 steht auch mit dem Gasdiffusionsmedium 38 neben der Kathodenseite der MEA 6 in Kontakt, die derart ausgebildet ist, um einen Sauerstoff tragenden Reaktanden aufzunehmen. Sauerstoff wird der Kathodenseite der Brennstoffzelle von einem Speicherbehälter 46 zugeführt, beispielsweise über eine entsprechende Versorgungsleitung 42. Wasserstoff wird der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 2 von einem Speicherbehälter 48 zugeführt, beispielsweise über eine entsprechende Versorgungsleitung 44. Alternativ kann Umgebungsluft der Kathodenseite als eine Sauerstoffquelle und Wasserstoff der Anode von einem Methanol- oder Benzin-Reformer zugeführt werden und dergleichen. Auslassleitungen (nicht gezeigt) sowohl für die Anoden- als auch die Kathodenseite der MEAs 4, 6 sind ebenfalls vorgesehen. Zusätzliche Leitungen 50, 52, 54 sind vorgesehen, um der bipolaren Plattenanordnung 8 und den Endplatten 14, 16 ein Kühlmittel zuzuführen. Entsprechende Leitungen zum Austragen des Kühlmittels aus der bipolaren Plattenanordnung 8 und den Endplatten 14, 16 sind ebenfalls vorgesehen (nicht gezeigt).
Als Nächstes Bezug nehmend auf die 2a und 2b ist die bipolare Plattenanordnung 8 der vorliegenden Offenlegung in größerem Detail gezeigt. Die bipolare Plattenanordnung 8 umfasst eine erste unipolare Platte 200 und eine zweite unipolare Platte 202. Die erste unipolare Platte 200 weist eine erste aktive Fläche 204 mit einer Vielzahl von ersten Strömungskanälen 206 auf, die darin gebildet sind. Die Vielzahl von ersten Strömungskanälen 206 ist geeignet, den Brennstoff und die Oxidationsmittelgase über die erste aktive Fläche 204 hinweg zu verteilen. Die Vielzahl von ersten Strömungskanälen 206 definiert eine Vielzahl von Stegen 208, die dazwischen angeordnet sind. Gleiche Vielzahlen von zweiten Strömungskanälen und zweiten Stegen ist an einer zweiten aktiven Fläche 210 der zweiten unipolaren Platte 202 gebildet.
Die erste und die zweite unipolare Platte 200, 202 sind aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet. Geeignete elektrisch leitfähige Materialien umfassen z. B. ein Metall, eine Metalllegierung und ein Verbundmaterial. Die Metalle, Metalllegierungen und Verbundmaterialien besitzen eine ausreichende Lebensdauer und Steifigkeit, um als Tafeln in der bipolaren Plattenanordnung 8 des Brennstoffzellenstapels 2 zu fungieren. Zusätzliche Konstruktionseigenschaften, die bei der Auswahl eines Materials für die unipolaren Platten 200, 202 berücksichtigt werden, können die Gasdurchlässigkeit, Leitfähigkeit, Dichte, Wärmeleitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Musterdefinition, thermische und Musterstabilität, maschinelle Bearbeitbarkeit, die Zusammenfügbarkeit und die Verfügbarkeit umfassen. Geeignete Metalle und Metalllegierungen umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Aluminium, Titan, Platin, Edelstahl, Kohlenstoffstahl, Legierungen auf Nickelbasis, Tantal, Niob und Legierungen und Kombinationen davon. Verbundmaterialien umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf z. B. Graphit, Graphitfolie, leitfähige Partikel (z. B. Graphitpulver) in einer Polymermatrix, Kohlefaserpapier und Polymerlaminate, Polymerplatten mit Metallkernen, konduktiv beschichtete Polymerplatten und Kombinationen davon.
Die erste und die zweite unipolare Platte 200, 202 sind typischerweise dünn. Zum Beispiel können die erste und die zweite unipolare Platte 200, 202 eine Dicke von etwa 0,05 mm bis etwa 0,5 mm aufweisen. Es sollte einzusehen sein, dass je nach Wunsch andere Dicken verwendet werden können. Die erste und die zweite unipolare Platte 200, 202 können durch jedes auf dem technischen Gebiet bekannte Verfahren gebildet sein, einschließlich maschinelle Bearbeitung, Formen, Schneiden, Ritzen, Pressen, Fotoätzen wie z. B. über eine fotolithografische Maske oder jeden beliebigen anderen geeigneten Konstruktions- und Fertigungsprozess. Es wird in Erwägung gezogen, dass die unipolaren Platten 200, 202 eine Laminatstruktur mit einer flachen Tafel und einer zusätzlichen Tafel mit einer Reihe von äußeren Fluidströmungskanälen umfassen können.
In bestimmten Ausführungsformen weist zumindest eine der aktiven Flächen 204, 210 und der Innenflächen 222, 224 der unipolaren Platten 200, 202 eine Beschichtung (nicht gezeigt) auf. Die Beschichtung kann geeignet sein, um z. B. Korrosionsbeständigkeit, Wärmeleitfähigkeit und eine/n optimierte/n elektrische/n Leitfähigkeit und Kontaktwiderstand bereitzustellen. In Ausführungsformen, bei denen die Innenflächen 222, 224 beschichtet sind, kann die Beschichtung den elektrischen Fluss erleichtern, der durch den Metall/Metall-Kontakt der jeweiligen Beschichtungen auf jeder der Innenflächen 222, 224 gebildet ist.
Als nicht einschränkende Beispiele kann die Beschichtung Edelmetalle, Metalloxide und Kombinationen davon umfassen. Geeignete Edelmetalle für Beschichtungen umfassen z. B. Gold (Au), Silber (Ag), Iridium (Ir), Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Osmium (Os), Palladium (Pd) und Platin (Pt). In speziellen Ausführungsformen ist das für die Beschichtung der aktiven Flächen 204, 210 verwendete Metall Gold (Au). Geeignete Metalloxide für die Beschichtung umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Hafniumdi oxid (HfO₂), Zirkoniumdioxid (ZrO₂), Zinnoxid (SnO₂), Tantalpentoxid (Ta₂O₅), Niobpentoxid (Nb₂O₅), Molybdändioxid (MoO₂), Iridiumdioxid (IrO₂), Rutheniumdioxid (RuO₂) und Mischungen davon. Die Beschichtungen werden typischerweise mithilfe eines beliebigen handelsüblichen Prozesses aufgebracht. Als nicht einschränkende Beispiele werden die Beschichtungen durch Galvanisieren oder stromloses Abscheiden oder physikalische Gasphasenabscheidung aufgebracht. Es sollte einzusehen sein, dass je nach Wunsch andere geeignete Verfahren zum Aufbringen der Beschichtungen verwendet werden können.
In speziellen Ausführungsformen ist die Beschichtung hydrophil und ist geeignet, um ein Entfernen von flüssigem Wasser von den aktiven Flächen 204, 210 während des Betriebes des Brennstoffzellenstapels 2 zu ermöglichen. Geeignete hydrophile Beschichtungen können die Edelmetallbeschichtungen umfassen, die hierin beschrieben und auf dem technischen Gebiet bekannt sind. Die Edelmetallbeschichtung kann z. B. mit der Metalloxidbeschichtung in einem Doppelbeschichtungssystem aufgebracht werden. Weitere geeignete hydrophile Beschichtungen sind beispielsweise in den gemeinsam anhängigen US-Patentanmeldungen mit den Seriennummern 11/068 489, 11/463 386 und 11/463 384 beschrieben, die hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen sind. Als nicht einschränkende Beispiele kann die Beschichtung zumindest eine Si-O-Gruppe, zumindest eine polare Gruppe und zumindest eine Gruppe mit einer gesättigten oder ungesättigten Kohlenstoffkette umfassen. In weiteren Ausführungsformen umfasst die Beschichtung zumindest eine Si-O-Gruppe und eine Si-R-Gruppe, wobei R eine gesättigte oder ungesättigte Kohlenstoffkette umfasst, und das molare Verhältnis der SiR-Gruppen zu den SiO-Gruppen liegt im Bereich von 1/8 bis 1/2. Die Beschichtung kann auch durch jedes beliebige Mittel aufgebracht werden, das ausreicht, um hydrophile Beschichtungen aufzubringen. Geeignete hydrophile Beschichtungen können auch Nanopartikel mit einer Größe im Bereich von 1 bis 100 Nanometer umfassen, wobei die Nanopartikel eine Verbindung umfassen, die eine SiO-Gruppe, eine gesättigte oder ungesättigte Kohlenstoffkette und eine polare Gruppe aufweist. Es sollte einzusehen sein, dass auch andere hydrophile Beschichtungen verwendet werden können.
Die hydrophilen Beschichtungen können durch jedes beliebige geeignete Verfahren einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf Streichen, Spritzen, Verteilen, Bandbeschichten, Siebdruck, Pulverbeschichten und Seidendruck aufgebracht werden. Je nach Wunsch können auch mehrere Lagen der Beschichtung aufgebracht werden.
Unter neuerlicher Bezugnahme auf die 2a und 2b umfasst die bipolare Plattenanordnung 8 ferner eine Vielzahl von Gasöffnungen 212 und eine Vielzahl von Kühlmittelöffnungen 214, die in der ersten unipolaren Platte 200 und der zweiten unipolaren Platte 202 gebildet sind. Die Gasöffnungen 212 und die Kühlmittelöffnungen 214 wirken zusammen, um Einlass- und Auslassdurchgänge für den Brennstoff, das Oxidationsmittel und das Kühlmittel vorzusehen, damit diese durch die bipolare Plattenanordnung 8 strömen. Ein Fachmann sollte einsehen, dass je nach Wunsch verschiedene Konfigurationen der Strömungskanäle 206, der Stege 208, der Gasöffnungen 212 und der Kühlmittelöffnungen 214 verwendet werden können. Es sollte auch einzusehen sein, dass die vorliegende Offenlegung nicht auf ein spezielles Strömungsfeldmuster beschränkt ist sondern unabhängig von der Art des Strömungsfeldmusters auf die bipolaren Plattenanordnungen 8 Anwendung findet.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die erste unipolare Platte 200 einen ersten Umfangsflansch 216 und die zweite unipolare Platte 202 um fasst einen zweiten Umfangsflansch 218. Nach dem Ausrichten und der Montage der bipolaren Plattenanordnung 8 wirken der erste Umfangsflansch 216 und der zweite Umfangsflansch 218 zusammen, um einen Umfang 220 der bipolaren Plattenanordnung 8 zu bilden.
Wie am besten in den 2b und 2c gezeigt, weist die erste unipolare Platte 200 eine erste Innenfläche 222 auf, die an einer Fläche angeordnet ist, welche der ersten aktiven Fläche 204 gegenüberliegt. Die zweite unipolare Platte 202 weist eine zweite Innenfläche 224 auf, die an einer Fläche angeordnet ist, welche der zweiten aktiven Fläche 210 gegenüberliegt. Die erste Innenfläche 222 umfasst eine Vielzahl von Kanälen 226, die darin gebildet und durch eine Vielzahl von ersten Stegen 227 definiert sind. Die zweite Innenfläche 224 umfasst eine Vielzahl von Stegen 228, die darin gebildet und durch eine Vielzahl von zweiten Kanälen 229 definiert sind. Die Vielzahl von Kanälen 226, 229 und die Vielzahl von Stegen 227, 228 sind geeignet, um das Kühlmittel zu der bipolaren Plattenanordnung 8 zu verteilen und dadurch eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels 2 zu modulieren. Die erste und die zweite Innenfläche 222, 224 bilden ein Kühlmittelströmungsfeld 230 in einem Inneren der bipolaren Plattenanordnung 8. Es sollte auch einzusehen sein, dass die vorliegende Offenlegung nicht auf ein spezielles Kühlmittelströmungsfeldmuster beschränkt ist, sondern unabhängig von dem Kühlmittelströmungsfeldmuster auf bipolare Plattenanordnungen Anwendung findet.
Unter Bezugnahme auf 2c ist die Vielzahl von Kanälen 226 geeignet, um mit der Vielzahl von Stegen 228 zusammengepasst oder „zusammengesetzt” zu sein. Die erste und die zweite unipolare Platte 200, 202 können z. B. mithilfe von Punkt- oder Stepp (kurze, lineare Segment)-Schweißnähte geschweißt sein, um den Passzustand zu erreichen. Das vorab erfolgende Zusammensetzen, wie hierin beschrieben, kann verwen det werden, um Zwischenräumen zwischen der ersten und der zweiten unipolaren Platte 200, 202 entgegenzuwirken und ausreichende Schweißnähten zu ermöglichen. Typischerweise ist die Kompression der bipolaren Plattenanordnung 8 in dem Brennstoffzellenstapel 2 ausreichend, damit die Vielzahl von Kanälen 226 zumindest teilweise mit der Vielzahl von Stegen 228 zusammengesetzt ist. Allerdings kann eine eingeschlossene Welle entstehen, wenn die Vielzahl von Kanälen 226 und die Vielzahl von Stegen 228 nicht korrekt zusammengesetzt sind.
Die vorliegende Offenlegung umfasst ein Verfahren zur Herstellung der bipolaren Plattenanordnung 8. In dem Verfahren der Offenlegung werden die Vielzahl von Kanälen 226 und die Vielzahl von Stegen 228 vorab zusammengesetzt. Das Verfahren umfasst erstens den Schritt, dass die erste unipolare Platte 200 mit der ersten aktiven Fläche 204 vorgesehen wird. Die erste unipolare Platte 200 umfasst die Vielzahl von Kanälen 226, die an der ersten Innenfläche 222 der ersten unipolaren Platte 200 gebildet ist. Auch die zweite unipolare Platte 202 ist vorgesehen und weist die zweite aktive Fläche 210 auf, wobei die Vielzahl von Stegen 228 an der zweiten Innenfläche 224 der zweiten unipolaren Platte 202 gebildet ist.
Das Verfahren umfasst ferner die Schritte, dass die erste unipolare Platte 200 und die zweite unipolare Platte 202 ausgerichtet werden. Die erste und die zweite unipolare Platte 200, 202 können z. B. mit einer Klemmhalterung ausgerichtet werden. Die erste und die zweite unipolare Platte 200, 202 werden derart ausgerichtet, um die erste aktive Fläche 204 neben der zweiten aktiven Fläche 210 anzuordnen. Dann wird ein erster Druck auf die erste und die zweite aktive Fläche 204, 210 aufgebracht, um die Vielzahl von Kanälen 226 mit der Vielzahl von Stegen 228 vorab zusammenzusetzen. Der erste Druck kann z. B. mit zumindest einer von einer mechanischen Kraft, einer hydraulischen Kraft und einer magneti schen Kraft aufgebracht werden. Es sollte einzusehen sein, dass während des Aufbringens des ersten Druckes die Umfangsflansche 216, 218 der ersten und der zweiten unipolaren Platte 200, 202 nicht eingespannt sind. Jegliches überschüssiges oder loses Material, das in der ersten und der zweiten unipolaren Platte 200, 202 vorhanden ist, wird dadurch in Richtung des Umfanges 220 der bipolaren Plattenanordnung 8 verdängt.
Anschließend an das vorab erfolgende Zusammensetzen der Vielzahlen von Kanälen und Stegen 226, 228, werden der erste Umfangsflansch 216 und der zweite Umfangsflansch 218 eingespannt und zusammengefügt. Dadurch wird die vorab zusammengesetzte bipolare Plattenanordnung 8 hergestellt. In speziellen Ausführungsformen wird eine im Wesentlichen hermetische Abdichtung durch das Zusammenfügen des ersten Umfangsflansches 216 mit dem zweiten Umfangsflansch 218 gebildet. Die Abdichtung kann z. B. aus einer Schweißnaht, einer Lötverbindung, einer Hartlötverbindung, einem Klebstoff und dergleichen gebildet sein. In einer besonders illustrativen Ausführungsform wird die Abdichtung aus einer Schweißnaht gebildet, die z. B. durch Bogenschweißen oder Autogenschweißen oder Widerstandsschweißen oder Energiestrahlschweißen wie z. B. Laserschweißen und Elektronenstrahlschweißen oder Festkörperschweißen hergestellt wird. Es sollte einzusehen sein, dass die Abdichtung durch ein anderes geeignetes Mittel gebildet werden kann, das auf dem technischen Gebiet bekannt ist.
Nachdem jegliches überschüssiges oder loses Material in Richtung des Umfanges 220 verdrängt worden ist und die unipolaren Platten 200, 202 zusammengesetzt worden sind, können die unipolaren Platten 200, 202 für den Schritt des Zusammenfügens z. B. durch Klemmen eingespannt werden. In einer weiteren Ausführungsform kann der Schritt des Einspannens der unipolaren Platten 200, 202 durch Punktschweißen zumin dest einer/m der ersten und der zweiten aktiven Fläche 204, 210 und des ersten und des zweiten Umfangsflansches 216, 218 ausgeführt werden. Das Punktschweißen kann z. B. durch Laserschweißen ausgeführt werden. Andere geeignete Schweißtechniken können ebenfalls für den Einspannsschritt vor dem Zusammenfügen des ersten und des zweiten Umfangsflansches 216, 218 verwendet werden. Der Schritt des Einspannens der ersten und der zweiten unipolaren Platte 200, 202 wirkt einer unerwünschten, relativen Bewegung zwischen der ersten und der zweiten unipolaren Platte 200, 202 während des Zusammenfügens derselben entgegen.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Verfahren der vorliegenden Offenlegung einen Schritt zum Verbinden der ersten unipolaren Platte 200 und der zweiten unipolaren Platte 202 umfassen. Die erste und die zweite unipolare Platte 200, 202 können z. B. mit einer Vielzahl von örtlich begrenzten, elektrisch leitfähigen Knoten (nicht gezeigt) verbunden werden, wie in der gemeinsam anhängigen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 11/752 993 beschrieben, die hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist. Der Schritt zum Verbinden der ersten und der zweiten unipolaren Platte 200, 202 kann z. B. ein Punktschweißen umfassen, um die Vielzahl von elektrisch leitfähigen Knoten zu bilden. Ein Fachmann sollte einsehen, dass das vorab erfolgende Zusammensetzen der ersten und der zweiten unipolaren Platte 200, 202 das Verbinden der ersten und der zweiten unipolaren Platte 200, 202 erleichtert. Im Speziellen ordnet das vorab erfolgende Zusammensetzen die Vielzahl von Kanälen 226 und die Vielzahl von Stegen 228 nebeneinander zum Verbinden an. Es sollte einzusehen sein, dass andere geeignete Verfahren zum weiteren Verbinden der ersten und der zweiten unipolaren Platte 200, 202 verwendet werden können.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf die 3 und 4 kann das Verfahren zur Herstellung der bipolaren Plattenanordnung 8 der vorliegenden Offenlegung mit einer Klemmhalterung 300 ausgeführt werden. Die Klemmhalterung 300 umfasst eine Grundplatte 302. Die Grundplatte 302 ist geeignet, um die erste und die zweite unipolare Platte 200, 202 aufzunehmen. Die Klemmhalterung 300 umfasst ferner eine obere Plattenanordnung 304. Die obere Plattenanordnung 304 ist mit der Grundplatte 302 gekoppelt und geeignet, um Druck schrittweise auf die erste und die zweite unipolare Platte 200, 202 aufzubringen.
Die obere Plattenanordnung 304 ist geeignet, um einen ersten Druck an die aktiven Flächen 204, 210 der ersten und der zweiten unipolaren Platte 200, 202, gefolgt von einem zweiten Druck auf die Umfangsflansche 216, 218, bereitzustellen. Somit wird Druck auf eine fortschreitende, schrittweise Art auf die aktiven Flächen 204, 210 aufgebracht. Zuerst werden die Vielzahlen von Kanälen und Stegen 226, 228 vorab zusammengesetzt, und dann werden die Umfangsflansche 216, 218 zusammengefügt.
In einer speziellen Ausführungsform umfasst die obere Plattenanordnung 304 eine Aktivflächen-Druckplatte 306, eine Umfangsdruckplatte 308, eine Umfangsfederplatte 310 und eine Aktivflächen-Federplatte 312. Die Aktivflächen-Druckplatte 306, ist geeignet, um mit der ersten aktiven Fläche 204 der ersten unipolaren Platte 200 in Kontakt zu stehen. Die Umfangsdruckplatte 308 ist geeignet, um mit dem ersten Umfangsflansch 216 der ersten unipolaren Platte 200 in Kontakt zu stehen. In einem beispielhaften Betrieb der Klemmhalterung 300 ist die Aktivflächen-Druckplatte 306 geeignet, um mit der ersten aktiven Fläche 204 der ersten unipolaren Platte 200 in Kontakt zu stehen, bevor der Umfang mit der Umfangsdruckplatte 308 in Kontakt gebracht wird. Somit können die Vielzahlen von Kanälen und Stegen 226, 228 vorab zusammengesetzt werden und jegliches überschüssiges oder loses Material kann von den aktiven Flächen 204, 210 der ersten und der zweiten unipolaren Platte 200, 202 weg verdrängt werden.
Die Aktivflächen-Federplatte 312 kann mit der Aktivflächen-Druckplatte 306 gekoppelt und geeignet sein, um den ersten Druck auf diese zu übertragen. Die Umfangsfederplatte 310 kann mit der Umfangsdruckplatte 308 gekoppelt und geeignet sein, um den zweiten Druck auf diese zu übertragen. Die obere Plattenanordnung 304 kann ferner eine Vielzahl von Schrauben 314 umfassen, um die Aktivflächen-Federplatte 312 an die Aktivflächen-Druckplatte 306 und/oder die Umfangsfederplatte 310 an die Umfangsdruckplatte 308 zu koppeln. Die Vielzahl von Schrauben 314 kann ferner dazu verwendet werden, um die Aktivflächen-Federplatte 312 und die Umfangsfederplatte 308 zu koppeln.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die obere Plattenanordnung 304 eine Vielzahl von Federn 316, die zwischen der Aktivflächen-Federplatte 312 und der Aktivflächen-Druckplatte 306 angeordnet sind. In bestimmten Ausführungsformen kann zumindest eine der Vielzahl von Federn 316 um zumindest eine der Vielzahl von Schrauben 314 herum angeordnet sein. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann zumindest ein Abschnitt der Vielzahl von Federn 316 derart ausgebildet sein, um den ersten Druck von der Aktivflächen-Federplatte 312 auf die Aktivflächen-Druckplatte 306 zu übertragen. In einem weiteren, nicht einschränkenden Beispiel kann zumindest ein weiterer Abschnitt der Vielzahl von Federn 316 derart ausgebildet sein, um den zweiten Druck von der Umfangsfederplatte 310 auf die Umfangsdruckplatte 308 zu übertragen. Weitere geeignete Konfigurationen, um den ersten und den zweiten Druck auf die Aktivflächen-Druckplatte 306 und die Umfangsdruckplatte 308 zu übertragen, können je nach Wunsch ausgewählt sein.
Wie in 5 gezeigt, kann die Klemmhalterung 300 zumindest eine Klemmvorrichtung 500 umfassen. Die Klemmvorrichtung 500 ist mit der Grundplatte 302 gekoppelt und geeignet, um die obere Plattenordnung 304 gegen die Grundplatte 302 zu pressen. Zum Beispiel kann die Klemmvorrichtung 500 zumindest eine von einer mechanischen Klemme, einer pneumatischen Klemme, einer hydraulischen Klemme und einer magnetischen Klemme umfassen. In einer speziellen Ausführungsform ist die Klemmvorrichtung 500 zumindest eines von Totgewichten und einer Kniehebelklemme. In einer Ausführungsform kann der erste Druck zuerst mit z. B. Totgewichten aufgebracht werden, um die eingeschlossene Welle von Material von den aktiven Flächen 204, 210 weg zu verdrängen. Dann kann der erste Druck, z. B. mit Kniehebelklemmen, auf ein Niveau erhöht werden, welches ausreicht, um die unipolaren Platten 200, 202 vorab zusammenzusetzen. In einer weiteren Ausführungsform werden pneumatische Klemmen verwendet, um den ersten Druck bereitzustellen, welcher ausreicht, um sowohl die eingeschlossene Welle von Material von den aktiven Flächen 204, 210 weg zu verdrängen als auch die unipolaren Platten 200, 202 vorab zusammenzusetzen.
Es sollte einzusehen sein, dass die Klemmvorrichtung 500 sowohl den ersten als auch den zweiten durch die Aktivflächen-Druckplatte 306 bzw. die Umfangsdruckplatte 308 auf die unipolaren Platten 200, 202 aufgebrachten Druck bereitstellen kann. Die erste und die zweite unipolare Platte 200, 202 werden dadurch, wenn sie zwischen der Grundplatte 302 und der oberen Plattenanordnung 304 der vorliegenden Offenlegung angeordnet sind, vorab zusammengesetzt.
Beispiel

Wie aus den Tabellen I und II ersichtlich, wurden Dickenmessungen von bipolaren Probenplattenanordnungen beschafft, die gemäß dem Verfahren der vorliegenden Offenlegung hergestellt wurden. Abweichungen der Dicke von einer erwünschten Dicke der bipolaren Probenplattenanordnungen wurden aufgezeichnet. Es sollte einzusehen sein, dass die vorliegende Offenlegung nicht auf die beschriebenen Proben beschränkt ist. TABELLE 1

Plattendickenabweichungs-Kontrollmessungen (mm)
Position	Nr. 1	Nr. 2	Nr. 3	Nr. 4	Nr. 5	Nr. 6
11	0,070	0,047	0,092	0,038	0,087	0,070
12	0,032	0,000	0,054	0,010	0,055	0,015
13	0,012	–0,003	0,049	0,008	0,034	0,008
14	0,066	0,043	0,064	0,013	0,049	0,063
15	0,011	–0,004	0,013	0,008	0,006	–0,001
16	0,002	–0,012	0,001	0,024	–0,002	–0,008
17	0,065	0,048	0,087	0,040	0,080	0,081
18	0,011	–0,004	0,023	0,005	0,018	0,007
19	–0,003	–0,014	0,014	–0,001	–0,001	–0,001
20	0,021	0,014	0,052	0,014	0,051	0,036
21	0,001	–0,009	0,005	0,003	0,000	–0,010
22	0,001	–0,009	0,008	0,019	0,002	–0,009
23	0,037	0,029	0,060	0,012	0,048	0,065
24	–0,003	–0,013	0,008	–0,001	–0,002	0,022
25	–0,004	–0,013	0,006	0,001	–0,002	0,024
40	0,080	0,042	0,096	0,026	0,091	0,073
41	0,054	0,002	0,069	0,010	0,070	0,030
42	0,046	0,007	0,067	0,016	0,056	0,039
43	0,027	0,025	0,058	0,016	0,038	0,070
44	–0,006	–0,016	0,008	0,000	–0,003	0,022
45	0,009	0,002	0,023	0,013	0,013	0,049
MAX	0,080	0,048	0,096	0,040	0,091	0,081
MIN	–0,006	–0,016	0,001	–0,001	–0,003	–0,010
MITTELW	0,025	0,008	0,041	0,013	0,033	0,031
BEREICH	0,086	0,064	0,095	0,041	0,094	0,091

Sechs bipolare Kontrollplatten wurden hergestellt, indem ein Paar unipolarer Platten 200, 202 mit zusammenpassenden Vielzahlen von Kanälen und Stegen 226, 228 an den Umfangsflanschen 216, 218 der unipolaren Platten 200, 202 zusammengeklemmt wurden. Dann wurde ein Druck auf die Umfangsflansche 216, 218 der unipolaren Platten mit Totgewichten und Klemmen aufgebracht. Danach wurden die Umfangsflansche 216, 218 verschweißt, um eine Abdichtung herzustellen und die bipolaren Kontrollplatten zu bilden.
Die bipolaren Kontrollplatten wurden einer Einlaufperiode in einem Brennstoffzellenstapel für etwa 1900 Stunden ohne zusätzliche angelegte Last unterzogen. Anschließend an die Einlaufperiode wurden Dickenmessungen an verschiedenen Positionen 600 über die bipolaren Kontrollplatten hinweg mit einer Messuhr vorgenommen. Die verschiedenen Messpositionen 600 wurden nummeriert, wie in 6 gezeigt.

Wie in Tabelle I veranschaulicht, lag der Dickenbereich der in Übereinstimmung mit bekannten Verfahren hergestellten bipolaren Kontrollplatten zwischen etwa 0,041 mm und 0,091 mm. TABELLE II

Plattendickenabweichungs-Kontrollmessungen (mm)
Position	Nr. 1	Nr. 2	Nr. 3	Nr. 4	Nr. 5	Nr. 6
11	0,011	0,006	0,008	0,007	0,006	0,013
12	–0,004	–0,007	–0,003	–0,007	–0,008	–0,007
13	–0,008	–0,010	–0,009	–0,010	–0,009	–0,008
14	0,001	–0,001	0,003	0,003	–0,001	–0,001
15	–0,009	–0,009	0,004	–0,009	–0,009	–0,001
16	0,023	0,011	0,014	0,005	0,006	0,016
17	0,010	0,008	0,005	0,010	0,010	0,014
18	–0,005	–0,005	–0,005	–0,007	–0,010	–0,006
19	0,000	–0,003	0,002	–0,002	0,000	–0,002
20	0,002	0,002	0,005	0,002	–0,002	0,002
21	–0,005	–0,007	–0,001	–0,008	–0,010	–0,005
22	0,028	0,022	0,021	0,014	0,026	0,014
23	–0,005	–0,002	–0,003	–0,004	–0,006	–0,005
24	–0,002	–0,004	–0,001	–0,004	–0,006	–0,004
25	–0,007	–0,008	–0,006	–0,009	–0,010	–0,010
40	0,008	0,007	0,009	0,004	0,006	0,006
41	0,006	0,003	0,012	0,007	0,005	0,007
42	0,013	0,016	0,014	0,010	0,012	0,010
43	0,007	0,010	0,009	0,007	0,006	0,006
44	0,000	–0,003	0,003	–0,001	–0,003	–0,001
45	0,007	0,005	0,009	0,006	0,005	0,005
MAX	0,028	0,022	0,021	0,014	0,026	0,016
MIN	–0,009	–0,010	–0,009	–0,010	–0,010	–0,010
MITTELW	0,003	0,001	0,004	0,001	0,000	0,002
BEREICH	0,037	0,032	0,030	0,024	0,036	0,026

Sechs bipolare Probenplatten wurden in Übereinstimmung mit dem Verfahren der vorliegenden Offenlegung hergestellt. Ein Paar unipolarer Platten 200, 202 mit zusammenpassenden Vielzahlen von Kanälen und Stegen 226, 228 wurde mit Totgewichten und Klemmen vorab zusammengesetzt. Anschließend an das vorab erfolgende Zusammensetzen wurden die unipolaren Platten an den Umfangsflanschen 216, 218 mit Klemmen eingespannt. Danach wurden die Umfangsflansche 216, 218 verschweißt, um eine Abdichtung herzustellen und die bipolaren Probenplatten zu bilden.
So wie die bipolaren Kontrollplatten wurden die bipolaren Probenplatten einer Einlaufperiode in einem Brennstoffzellenstapel für etwa 1900 Stunden ohne zusätzliche angelegte Last unterzogen. Anschließend an die Einlaufperiode wurden Dickenmessungen an den verschiedenen Positionen von 6 über die bipolaren Probenplatten hinweg mit einer Messuhr vorgenommen.
Wie in Tabelle II veranschaulicht, schwankte der Dickenbereich der in Übereinstimmung mit dem Verfahren der Offenlegung hergestellten bipolaren Probenplatten zwischen etwa 0,024 mm und 0,037 mm für die sechs gemessenen Proben. Die Abweichung der Dicke über die vorab zusammengesetzten bipolaren Probenplatten erwies sich dabei als überraschend kleiner als die Abweichung der Dicke über die bipolaren Kontrollplatten hinweg. Es sollte einzusehen sein, dass die in Übereinstimmung mit dem Verfahren der vorliegenden Offenlegung hergestellten bipolaren Plattenanordnungen 8 daher eine verbesserte Leistung gegenüber bipolaren Plattenanordnungen 8 bereitstellen können, welche in Übereinstimmung mit bekannten Verfahren nach dem Stand der Technik hergestellt werden.
Das Verfahren und die Klemmhalterung 300 der vorliegenden Offenlegung sehen vorteilhafterweise ein vorab erfolgendes Zusammensetzen der ersten und der zweiten unipolaren Platte 200, 202 während der Herstellung der bipolaren Plattenanordnung 8 vor. Das Verfahren und die Klemmhalterung 300 wirken dem Vorhandensein der eingeschlossenen Welle in den aktiven Flächen 204, 210 entgegen, indem überschüssiges und loses Material von den aktiven Flächen 204, 210 weg verdrängt werden, bevor die Umfangsflansche 216, 218 zum Zusammenfügen eingespannt werden. Das Verfahren und die Klemmhalterung 300 reduzieren eine Abweichung der Dicke der bipolaren Plattenanordnung 8 und wirken dadurch ferner unerwünschten, örtlich begrenzten Konzentrationen von Druckkraft in dem Brennstoffzellenstapel 2 im Betrieb entgegen.
Während bestimmte repräsentative Ausführungsformen und Details gezeigt wurden, um die Erfindung zu veranschaulichen, wird für einen Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der Offenlegung abzuweichen, der in den nachfolgenden beigefügten Ansprüchen weiter beschrieben ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6974648 [0006]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer bipolaren Plattenanordnung für einen Brennstoffzellenstapel, welches die Schritte umfasst, dass: eine erste unipolare Platte vorgesehen wird, die eine erste aktive Fläche mit einer Vielzahl von Kanälen, die auf einer ersten Innenfläche davon gebildet sind, und einen ersten Umfangsflansch aufweist; eine zweite unipolare Platte vorgesehen wird, die eine zweite aktive Fläche mit einer Vielzahl von Stegen, die auf einer zweiten Innenfläche davon gebildet sind, und einen zweiten Umfangsflansch aufweist; die erste unipolare Platte und die zweite unipolare Platte derart ausgerichtet werden, um die erste aktive Fläche neben der zweiten aktiven Fläche anzuordnen; ein erster Druck auf die erste und die zweite aktive Fläche aufgebracht wird, um die erste unipolare Platte und die zweite unipolare Platte vorab zusammenzusetzen; und der erste Umfangsflansch der ersten unipolaren Platte mit dem zweiten Umfangsflansch der zweiten unipolaren Platte zusammengefügt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner einen Schritt umfasst, dass die erste unipolare Platte und die zweite unipolare Platte nach dem vorab erfolgenden Zusammensetzen der ersten unipolaren Platte und der zweiten unipolaren Platte eingespannt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die erste und die zweite unipolare Platte eingespannt werden, indem ein zweiter Druck auf den ersten und den zweiten Umfangsflansch aufgebracht wird, um einer relativen Bewegung zwischen der ersten und der zweiten unipolaren Platte entgegenzuwirken.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei während des Schrittes zum Aufbringen des ersten Druckes auf die erste und die zweite aktive Fläche ein überschüssiges Plattenmaterial zu zumindest einem von dem ersten und dem zweiten Umfangsflansch verdrängt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Druck auf die erste und die zweite aktive Fläche mit zumindest einer von einer mechanischen Kraft, einer pneumatischen Kraft, einer hydraulischen Kraft und einer magnetischen Kraft aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine im Wesentlichen hermetische Abdichtung durch das Zusammenfügen des ersten Umfangsflansches und des zweiten Umfangsflansches gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Abdichtung aus einem von einer Schweißnaht, einer Lötverbindung, einer Hartlötverbindung und einem Klebstoff gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Schweißnaht durch eines von einem Bogenschweißen, Autogenschweißen, Widerstandsschweißen, Energiestrahlschweißen und Festkörperschweißen gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Energiestrahlschweißen Laserschweißen und/oder Elektronenstrahlschweißen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite unipolare Platte mit einer Klemmhalterung ausgerichtet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner den Schritt umfasst, dass die erste unipolare Platte und die zweite unipolare Platte mit einer Vielzahl von örtlich begrenzten, elektrisch leitfähigen Knoten verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt zum Verbinden der ersten unipolaren Platte und der zweiten unipolaren Platte ein Punktschweißen umfasst, um die örtlich begrenzten, elektrisch leitfähigen Knoten zu bilden.
Klemmhalterung zur Montage einer bipolaren Platte für einen Brennstoffzellenstapel, welche umfasst: eine Grundplatte, die geeignet ist, um eine erste unipolare Platte mit einer ersten aktiven Fläche und einem ersten Umfangsflansch und eine zweite unipolare Platte mit einer zweiten aktiven Fläche und einem zweiten Umfangsflansch aufzunehmen; und eine obere Plattenanordnung, die mit der Grundplatte gekoppelt und geeignet ist, um einen ersten Druck auf die aktiven Flächen und einen zweiten Druck auf die Umfangsflansche der ersten und der zweiten unipolaren Platte aufzubringen.
Klemmhalterung nach Anspruch 13, welche ferner zumindest eine Klemmvorrichtung umfasst, die mit der Grundplatte gekoppelt und geeignet ist, um die obere Plattenanordnung gegen die Grundplatte zu pressen.
Klemmhalterung nach Anspruch 13, wobei die obere Plattenanordnung ferner umfasst: eine Aktivflächen-Druckplatte, die geeignet ist, um mit der ersten aktiven Fläche der ersten unipolaren Platte in Kontakt zu stehen; eine Umfangsdruckplatte, die neben der Aktivflächen-Druckplatte angeordnet und geeignet ist, um mit dem ersten Umfangsflansch der ersten unipolaren Platte in Kontakt zu stehen; eine Aktivflächen-Federplatte, die mit der Aktivflächen-Druckplatte gekoppelt und geeignet ist, um den ersten Druck auf diese zu übertragen; und eine Umfangsfederplatte, die mit der Umfangsflansch-Druckplatte gekoppelt und geeignet ist, um nach der Übertragung des ersten Druckes durch die Aktivflächen-Federplatte den zweiten Druck auf diese zu übertragen.
Klemmhalterung nach Anspruch 15, welche ferner zumindest eines der Folgenden umfasst: eine Vielzahl von Federn, die zwischen der Aktivflächen-Federplatte und der Aktivflächen-Druckplatte angeordnet und derart ausgebildet ist, um den ersten Druck von der Aktivflächen-Federplatte auf die Aktivflächen-Druckplatte zu übertragen; und eine Vielzahl von Schrauben, welche die Aktivflächen-Federplatte mit der Aktivflächen-Druckplatte und/oder die Umfangsfederplatte mit der Umfangsdruckplatte koppelt.
Klemmhalterung nach Anspruch 15, wobei zumindest eine von der Grundplatte und der Aktivflächen-Federplatte eine PTFE-Beschichtung umfasst, die darauf angeordnet ist, um einer Verunreinigung der ersten und der zweiten unipolaren Platte entgegenzuwirken.
Klemmhalterung nach Anspruch 15, wobei die Aktivflächen-Federplatte aus einem von einem starren Material und einem elastomeren Material gebildet ist.
Verfahren zur Herstellung einer bipolaren Plattenanordnung für einen Brennstoffzellenstapel, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass: eine erste unipolare Platte vorgesehen wird, die eine erste aktive Fläche mit einer Vielzahl von Kanälen, die auf einer ersten Innenfläche davon gebildet sind, und einen ersten Umfangsflansch aufweist; eine zweite unipolare Platte vorgesehen wird, die eine zweite aktive Fläche mit einer Vielzahl von Stegen, die auf einer zweiten Innenfläche davon gebildet sind, und einen zweiten Umfangsflansch aufweist; eine Klemmhalterung vorgesehen wird, welche eine Grundplatte, die geeignet ist, um die erste unipolare Platte und die zweite unipolare Platte aufzunehmen, und eine obere Plattenanordnung umfasst, die mit der Grundplatte gekoppelt und geeignet ist, um schrittweise einen ersten Druck auf die aktiven Flächen und einen zweiten Druck auf die Umfangsflansche der ersten und der zweiten unipolaren Platte aufzubringen; die erste und die zweite unipolare Platte auf der Grundplatte angeordnet werden, um dadurch die erste aktive Fläche und die zweite aktive Fläche auszurichten; der erste Druck auf die erste und die zweite aktive Fläche mit der oberen Plattenanordnung der Klemmhalterung aufgebracht wird, wobei die erste aktive Fläche mit der zweiten aktiven Fläche vorab zusammengesetzt wird; der zweite Druck auf den ersten und den zweiten Umfangsflansch mit der oberen Plattenanordnung der Klemmhalterung aufgebracht wird; der erste Umfangsflansch der ersten unipolaren Platte mit dem zweiten Umfangsflansch der zweiten unipolaren Platte zusammengefügt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, welches ferner die Schritte umfasst, dass: eine Aktivflächen-Druckplatte und eine Umfangsdruckplatte mit der Klemmhalterung versehen werden; bewirkt wird, dass die Aktivflächen-Druckplatte mit der ersten aktiven Fläche der ersten unipolaren Platte mit dem ersten Druck in Kontakt tritt und dadurch die Vielzahl von Kanälen mit der Vielzahl von Stegen vorab zusammengesetzt wird; und bewirkt wird, dass die Umfangsdruckplatte mit der zweiten aktiven Fläche mit dem zweiten Druck in Kontakt tritt.