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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Offenbarung betrifft Brennstoffzellenstapel und insbesondere eine Bipolarplattenanordnung und Verfahren zum Erzeugen von Bipolarplatten für Brennstoffzellenstapel.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Brennstoffzellen können in vielen Anwendungen als Leistungsquelle verwendet werden. Brennstoffzellen wurden zum Beispiel zur Verwendung in Kraftfahrzeugen als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen. Bei Protonenaustauschmembran(PEM)-Brennstoffzellen wird einer Anode der Brennstoffzelle ein Reaktant wie etwa Wasserstoff als Brennstoff zugeführt, und der Kathode der Brennstoffzelle wird ein Reaktant wie etwa Sauerstoff als Oxidationsmittel zugeführt. Die PEM-Brennstoffzelle umfasst eine Membranelektrodeneinheit (MEA, kurz vom engl. Membrane Electrode Assembly), die eine protonendurchlässige, elektrisch nicht leitenden Protonenaustauschmembran aufweist. Die Protonenaustauschmembran weist an einer Seite einen Anodenkatalysator und an der gegenüberliegenden Seite einen Kathodenkatalysator auf. Die MEA ist häufig zwischen ”Anoden-” und ”Kathoden-”Diffusionsmedien oder Diffusionsschichten angeordnet, die aus einem elastischen, leitenden und gaspermeablen Material wie etwa Kohlenstoffgewebe oder -papier gebildet sind. Die Diffusionsmedien dienen als die primären Stromabnehmer für die Anode und Kathode und bieten auch mechanische Unterstützung der MEA und fördern eine Zufuhr der Reaktanten.
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In einem Brennstoffzellenstapel sind mehrere Brennstoffzellen in elektrischer Reihe ausgerichtet, während sie durch gasundurchlässige, elektrisch leitende Bipolarplatten getrennt sind. Jede MEA ist typischerweise zwischen einem Paar der elektrisch leitenden Platten, die als sekundäre Stromabnehmer zum Abnehmen des Stroms von den primären Stromabnehmern dienen, sandwichartig eingeschlossen. Die Platten leiten im Fall von Bipolarplatten elektrischen Strom zwischen benachbarten Zellen innerhalb des Brennstoffzellenstapels und leiten im Fall von unipolaren Platten an den Enden des Stapels elektrischen Strom außerhalb des Stapels.
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Die Bipolarplatten umfassen typischerweise zwei dünne, einander zugewandte leitfähige Bleche. Eines der Bleche legt einen Strömungspfad an einer Außenfläche desselben zur Zufuhr des Brennstoffs zu der Anode der MEA fest. Eine Außenfläche des anderen Blechs legt einen Strömungspfad für das Oxidationsmittel zur Zufuhr zu der Kathodenseite der MEA fest. Wenn die Bleche verbunden sind, wird ein Strömungspfad für ein dielektrisches Kühlfluid festgelegt.
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Die typische Bipolarplatte ist eine verbundene Anordnung, die aus zwei separaten unipolaren Platten konstruiert ist. Jede Unipolarplatte weist eine Außenfläche mit Strömungskanälen für die gasförmigen Reaktanten und eine Innenfläche mit den Kühlmittelkanälen auf. Die Bipolarplatten weisen eine komplexe Anordnung von Rillen oder Kanälen auf, die Strömungsfelder zum Verteilen der Reaktanten über den Oberflächen der jeweiligen Anoden und Kathoden bilden. In der Bipolarplatte sind auch Tunnel innen ausgebildet und verteilen geeignetes Kühlmittel im gesamten Brennstoffzellenstapel, um eine Solltemperatur zu halten.
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Die separaten unipolaren Platten werden typischerweise aus einem formbaren Metall erzeugt, das geeignete Festigkeit, Haltbarkeit, Steifigkeit, elektrische Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit bietet, wie etwa zum Beispiel legierter Edelstahl 316. Austenitische Edelstähle werden erfolgreich durch verschiedene Prozesse wie zum Beispiel maschinelles Bearbeiten, Formen, Schneiden, Ritzen, Stanzen oder Fotoätzen zu Biplarplattenmaterialien für PEM-Brennstoffzellen ausgebildet. Der austenitische Edelstahl weist aufgrund eines dünnen passiven Oxidfilms auf seiner Oberfläche eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf. Der dünne passive Oxidfilm erhöht aber unerwünschterweise den Kontaktwiderstand zwischen der Bipolarplattenoberfläche und dem dazu benachbarten Gasdiffusionsmedien (GDM). Um Brennstoffzellenleistung und Stromdichten zu maximieren, ist es erwünscht, Brennstoffzellenwiderstände zu verringern. Das Verringern des Kontaktwiderstands zwischen der Bipolarplattenoberfläche und dem GDM kann den gesamten Brennstoffzellenwiderstand signifikant verringern, wodurch Leistung und Stromdichte verbessert werden.
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Es ist bekannt, einen hohen Kontaktwiderstand durch Beschichten von Edelstahl-Bipolarplatten mit teuren Edelmetallen wie etwa Gold zu mindern, um einen niedrigen Kontaktwiderstand zwischen der Bipolarplattenoberfläche und dem GDM zu erhalten. Alternativ ist bekannt, dass eine Anreicherung mit Eisen und in geringerem Maße mit Chrom in dem passiven Oxidfilm einer Edelstahllegierung den Kontaktwiderstand zwischen der Bipolarplattenoberfläche und dem GDM erhöht statt senkt. Es ist auch bekannt, dass das Beschichten der Bipolarplatten mit einer Legierung mit hohem Nickelgehalt oder Kohlenstoff eine signifikante Verringerung des Kontaktwiderstands zwischen dem GDM und der Bipolarplatte erreicht und die Notwendigkeit von teuren Edelmetallbeschichtungen, die derzeit verwendet werden, umgehen würde. Solche Beschichtungen sind aber nicht ausreichend haltbar, um Stanz- oder anderen Herstellungsprozessen standzuhalten.
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Ferner führen herkömmliche Prozesse zum Bilden der Platten aus dem Blechmaterial dazu, dass nahezu die Hälfte des Materials als Ausschuss verworfen wird. Ein Teil des Ausschusses wird erzeugt, wenn Öffnungen in den nicht aktiven Abschnitt der Platten gestanzt werden, um Strömungsbereiche und Sammler zur Zufuhr und zur Abfuhr von Reaktanten und Kühlmittel zu schaffen, wenn mehrere Bipolarplatten in dem Brennstoffzellenstapel ausgerichtet sind. Ein größerer Teil des Ausschusses ergibt sich aus einem Spannbereich, der um den Umfang des Blechs während der Prozesse erforderlich ist, die Platten aus dem Blechmaterial bilden, der dann nach dem Bearbeiten zugeschnitten oder abgeschnitten wird.
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Es besteht ungebrochener Bedarf an einer kostengünstigen Bipolarplattenanordnung mit einer effizienten und robusten Struktur, die einen optimierten elektrischen Kontakt zwischen den Platten der Anordnung vorsieht, während sie Materialnutzung und -vergeudung minimiert und die bauliche Unversehrtheit der Platten maximiert. Ein Verfahren zum schnellen Erzeugen der Bipolarplattenanordnung, das bei optimierten Strömungsfeldkonstruktionen anwendbar ist, ist ebenfalls erwünscht.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Im Einklang mit der vorliegenden Offenbarung wurde überraschenderweise eine kostengünstige Bipolarplattenanordnung mit einer effizienten und robusten Struktur entdeckt, die einen optimierten elektrischen Kontakt zwischen den Platten der Anordnung vorsieht, während sie Materialnutzung und -vergeudung minimiert und die bauliche Unversehrtheit der Platte maximiert.
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Die Bipolarplattenanordnung umfasst eine unipolare Kathodenplatte, die benachbart zu einer unipolaren Anodenplatte angeordnet ist. Mindestens eine von unipolarer Kathoden- und Anodenplatte umfasst eine erste Dicke eines Materials niedrigen Kontaktwiderstands und hoher Korrosionsbeständigkeit, das durch einen Dampfabscheidungsprozess gebildet ist. Die erste und die zweite unipolare Platte sind durch eines von Löten, Schweißen, Hartlöten und Verkleben mit einander verbunden, um eine Bipolarplatte zu bilden. Die unipolaren Platten können weiterhin ein Substrat umfassen, auf das das Material abgeschieden ist. Das Material niedrigen Kontaktwiderstands und hoher Korrosionsbeständigkeit kann entweder eine Legierung hohen Nickelgehalts oder Kohlenstoff sein.
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In einer Ausführungsform umfasst die erste Dicke eine erste Schicht eines Materials niedrigen Kontaktwiderstands und hoher Korrosionsbeständigkeit, die eine Reaktantoberfläche bildet, und eine zweite Schicht eines Materials niedrigen Kontaktwiderstands und hoher Korrosionsbeständigkeit, die eine Kühlmitteloberfläche bildet.
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In einer anderen Ausführungsform wird ein Verfahren zum Erzeugen einer Bipolarplattenanordnung vorgesehen. Das Verfahren umfasst das Vorsehen eines Substrats mit einem vorbestimmten Außenflächenmuster; Beschichten des Substrats auf eine vorbestimmte Dicke mit einem Material niedrigen Kontaktwiderstands und hoher Korrosionsbeständigkeit auf dem Flächenmuster, um eine unipolare Platte der Brennstoffzelle zu bilden; und Miteinanderverbinden eines Paars von unipolaren Platten, um eine Bipolarplatte zu bilden. Nach dem Metallbeschichtungsschritt kann das Substrat entfernt werden. Die Beschichtung kann eine Legierung hohen Nickelgehalts, eine Kohlenstoffbeschichtung oder ein anderes Material niedrigen Kontaktwiderstands und hoher Korrosionsbeständigkeit sein. Die Beschichtung kann mit einem Plasmadampfabscheidungsprozess, einem chemischen Dampfabscheidungsprozess, einem Galvanisierungsprozess oder einem anderen Verfahren auf dem Substrat aufgebracht werden.
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ZEICHNUNGEN
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Die vorstehenden sowie andere Vorteile der vorliegenden Offenbarung gehen für den Fachmann ohne Weiteres aus der folgenden eingehenden Beschreibung, insbesondere bei Betrachtung im Hinblick auf die hierin beschriebenen Zeichnungen, hervor.
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1 ist eine schematische perspektivische Explosionsansicht eines aus dem Stand der Technik bekannten PEM-Brennstoffzellenstapels;
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2 ist eine perspektivische Ansicht einer zum Bilden einer Bipolarplattenanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung verwendeten Schablone;
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3 ist eine schematische unvollständige Querschnittansicht entlang der Linie 3-3 von 2 eines Dampfabscheidungsprozesses, der bei einem Abschnitt der zum Bilden der Bipolarplattenanordnung verwendeten Schablone angewendet wurde;
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4 ist eine unvollständige Querschnittansicht eines Paars von unipolaren Platten, die gemäß der Ausführungsform der Erfindung gebildet wurden;
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5 ist eine unvollständige Querschnittansicht des Paars von unipolaren Platten, die zum Bilden der Bipolarplattenanordnung formschlüssig verbunden sind; und
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6 ist eine unvollständige Querschnittdetailansicht, die in Kreis 6 von Fig. eines Abschnitts von 5 genommen wurde.
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EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die folgende eingehende Beschreibung und beigefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und Zeichnungen dienen dazu, einem Fachmann das Herstellen und Nutzen der Erfindung zu ermöglichen, und sollen nicht den Schutzumfang der Erfindung in irgendeiner Weise beschränken. Bezüglich der offenbarten Verfahren sind die dargelegten Schritte beispielhafter Natur und somit ist die Reihenfolge der Schritte nicht erforderlich oder ausschlaggebend.
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1 veranschaulicht einen PEM-Brennstoffzellenstapel 10 nach dem Stand der Technik. Der Einfachheit halber wird in 1 nur ein Zweizellenstapel (d. h. eine Bipolarplatte) veranschaulicht und beschrieben, wobei sich versteht, dass ein typischer Brennstoffzellenstapel viele weitere solche Zellen und Bipolarplatten aufweist. Der Brennstoffzellenstapel 10 umfasst ein Paar von Membranelektrodeneinheiten (MEA) 12, 14, die durch eine elektrisch leitfähige Bipolarplatte 16 getrennt sind. Die MEA 12, 14 und die Bipolarplatte 16 sind zwischen einem Paar von Klemmplatten 18, 20 und einem Paar von unipolaren Endplatten 22, 24 gestapelt. Die Klemmplatten 18, 20 sind durch eine Dichtung oder eine dielektrische Beschichtung (nicht gezeigt) von den Endplatten 22, 24 elektrisch isoliert. Jeweilige Arbeitsseiten 26, 28 jeder der unipolaren Endplatten 22, 24 sowie die Arbeitsseiten 30, 32 der Bipolarplatte 16 umfassen mehrere Rillen oder Kanäle 34, 40, 36, 38, die zum Fördern des Strömens eines Brennstoffs wie etwa Wasserstoff und eines Oxidationsmittels wie etwa Sauerstoff dadurch ausgelegt sind. Nicht leitende Dichtungen 42, 44, 46, 48 sehen Abdichtungen und eine elektrische Isolierung zwischen den Komponenten des Brennstoffzellenstapels 10 vor. Gasdurchlässige Diffusionsmedien 50, 52, 54, 56 wie etwa Kohlenstoff- oder Graphitdiffusionspapiere liegen im Wesentlichen jeweils an einer Anodenseite und einer Kathodenseite der MEA 12, 14 an. Die Endplatten 22, 24 sind jeweils benachbart zu den Diffusionsmedien 50, 56 angeordnet. Die Bipolarplatte 16 ist benachbart zu dem Diffusionsmedium 52 an der Anodenseite der MEA 12 und benachbart zu dem Diffusionsmedium 54 an der Kathodenseite der MEA 14 angeordnet.
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Wie gezeigt umfassen jede der MEA 12, 14, die Bipolarplatte 16, die Endplatten 22, 24 und die Dichtungen 42, 44, 46, 48 jeweils eine Kathodenzufuhröffnung 58, eine Kathodenabfuhröffnung 60, eine Kühlmitteizufuhröffnung 62, eine Kühlmittelabfuhröffnung 64, eine Anodenzufuhröffnung 66 und eine Anodenabfuhröffnung 68. Durch die Ausrichtung von benachbarten Kathodenzufuhröffnungen 58, die in den MEA 12, 14, der Bipolarplatte 16, den Endplatten 22, 24 und den Dichtungen 42, 44, 46, 48 ausgebildet sind, ist ein Kathodenzufuhrsammler ausgebildet. Durch die Ausrichtung von benachbarten Kathodenabfuhröffnungen 60, die in den MEA 12, 14, der Bipolarplatte 16, den Endplatten 22, 24 und den Dichtungen 42, 44, 46, 48 ausgebildet sind, ist ein Kathodenabfuhrsammler ausgebildet. Durch die Ausrichtung von benachbarten Kühlmittelzufuhröffnungen 62, die in den MEA 12, 14, der Bipolarplatte 16, den Endplatten 22, 24 und den Dichtungen 42, 44, 46, 48 ausgebildet sind, ist ein Kühlmittelzufuhrsammler ausgebildet. Durch die Ausrichtung von benachbarten Kühlmittelabfuhröffnungen 64, die in den MEA 12, 14, der Bipolarplatte 16, den Endplatten 22, 24 und den Dichtungen 42, 44, 46, 48 ausgebildet sind, ist ein Kühlmittelabfuhrsammler ausgebildet. Durch die Ausrichtung von benachbarten Anodenzufuhröffnungen 66, die in den MEA 12, 14, der Bipolarplatte 16, den Endplatten 22, 24 und den Dichtungen 42, 44, 46, 48 ausgebildet sind, ist ein Anodenzufuhrsammler ausgebildet. Durch die Ausrichtung von benachbarten Anodenabfuhröffnungen 68, die in den MEA 12, 14, der Bipolarplatte 16, den Endplatten 22, 24 und den Dichtungen 42, 44, 46, 48 ausgebildet sind, ist ein Anodenabfuhrsammler ausgebildet.
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Durch den Anodenzufuhrsammler wird mittels einer Anodeneinlassleitung 70 dem Brennstoffzellenstapel 10 ein Wasserstoffgas zugeführt. Durch den Kathodenzufuhrsammler des Brennstoffzellenstapels 10 wird mittels einer Kathodeneinlassleitung 72 dem Brennstoffzellenstapel 10 ein Oxidationsgas zugeführt. Eine Anodenauslassleitung 74 und eine Kathodenauslassleitung 76 sind für den Anodenabfuhrsammler bzw. den Kathodenabfuhrsammler vorgesehen. Eine Kühlmitteleinlassleitung 78 und eine Kühlmittelauslassleitung 80 stehen mit dem Kühlmittelzufuhrsammler und dem Kühlmittelabfuhrsammler in Fluidverbindung, um ein Strömen eines flüssigen Kühlmittels dadurch vorzusehen. Es versteht sich, dass die in 1 gezeigten Konfigurationen samt Geometrie des Brennstoffzellenstapels 10 und die verschiedenen Komponenten desselben, einschließlich zum Beispiel der Bipolarplatte 16, der verschiedenen Einlässe 70, 72, 78 und Auslässe 74, 76, 80 nach Bedarf variieren können und dass die gezeigten spezifischen Ausführungsformen nur stellvertretend sind.
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Erfindungsgemäß ist die Bipolarplatte 16 durch einen Dampfabscheidungsprozess mit einer ersten Dicke eines Materials niedrigen Kontaktwiderstands und hoher Korrosionsbeständigkeit ausgebildet. Es versteht sich, dass der Begriff ”niedriger Kontaktwiderstand” einen gemessenen Widerstand von weniger als etwa 25 Milliohm pro Quadratzentimeter bei Messung gegen ein Gasdiffusionsmedium bei einer Stromdichte von etwa 1 Ampere pro Quadratzentimeter bei 200 psi Kompressionsdruck bedeutet. Ferner versteht sich, dass der Begriff ”hohe Korrosionsbeständigkeit” einen Korrosionsstrom von weniger als etwa 1 Mikroampere gemessen unter Brennstoffzellensimulationsbedingungen bedeutet, die eine oder mehrere der folgenden Bedingungen umfassen könnten: einen pH von 3; eine Betriebstemperatur von etwa 80°C; etwa 1 Teil pro Million Flourwasserstoff; ein angelegtes Kathodenpotential von etwa 0,6 Volt; ein angelegtes Anodenpotential von etwa –0,4 Volt; eine Silber-Silberchlorid-Referenzelektrode; und eine Abtastrate von etwa 1 Millivolt pro Sekunde.
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In 2 ist eine Schablone 90 zum Bilden einer stellvertretenden Bipolarplatte 16 gezeigt. Es versteht sich, dass die Schablone 90 lediglich beispielhaft ist und nach Bedarf zu einer beliebigen Geometrie ausgebildet werden kann, die für eine beliebige Bipolarplatte stellvertretend ist. Die Schablone 90 ist mit Arbeitsseiten 30', 32' ausgebildet, die jeweils den Arbeitsseiten 30, 32 der Bipolarplatte 16 entsprechen. Die Arbeitsseiten 30, 32' umfassen mehrere Rillen oder Kanäle 36', 38', die zum Fördern der Strömung eines Brennstoffs wie etwa Wasserstoff und eines Oxidationsmittels wie etwa Sauerstoff durch diese ausgelegt sind. Die Schablone 90 umfasst weiterhin Öffnungen 58, 60', 62', 64', 66', 68', die jeweils der Kathodenzufuhröffnung 58, der Kathodenabfuhröffnung 60, der Kühlmittelzufuhröffnung 62, der Kühlmittelabfuhröffnung 64, der Anodenzufuhröffnung 66 und der Anodenabfuhröffnung 68 entsprechen. Die Schablone 90 kann ein oder mehrere Klemmöffnungen 82 umfassen, um ein Zusammenbauen von mehreren Bipolarplatten 16 zum Bilden einer (nicht gezeigten) Brennstoffzelle zu ermöglichen. Somit ist zum Beispiel die in 2 veranschaulichte Arbeitsseite 30' für eine Kathodenplatten-Arbeitsseite stellvertretend. Die Schablone 90 kann beide Arbeitsseiten 30', 32' an gegenüberliegenden Seiten 92, 94 der Schablone 90 umfassen, oder sie kann nach Bedarf für einen voll implementierten Walzenherstellungsprozess mit nur einer Arbeitsseite 30' oder 32' ausgebildet sein.
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Die Schablone 90 kann aus einer gestanzten Stahlplatte gebildet sein oder die Schablone 90 kann aus einem geeigneten Material gebildet sein, das nach dem Dampfabscheidungsprozess leicht entfernt werden kann. Geeignete Materialien für das Substrat 90 umfassen mindestens eines von einem Wachs, einem Metall oder einem Polymer. Zum Beispiel wurden annehmbare Ergebnisse erhalten, wenn die Schablone 90 aus einer Polystyrenverbindung gebildet ist.
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Sobald die Schablone 90 ausgebildet ist, werden eine oder beide der Arbeitsseiten 30', 32' einem Dampfabscheidungsprozess unterzogen, wie in 3 veranschaulicht ist. Ein (nicht gezeigtes) festes Beschichtungsmaterial wird durch bekannte Prozesse, zum Beispiel physikalisch in einem Plasmaprozess oder chemisch, verdampft und wird als Dampf 100 aus einem Werkzeugkopf 102 ausgestoßen. Der Dampf 100 kann bei einer beliebigen Temperatur verwendet werden, doch wurden vorteilhafte Ergebnisse mit einem physikalischen Dampfabscheidungsprozess (PVD, kurz vom engl. Physical Vapor Deposition) mit Raumtemperaturnutzung erhalten. Der Werkzeugkopf 102 kann wie in 3 veranschaulicht als Sprühdüse ausgebildet sein oder kann als Werkzeug in der Nähe zu den Arbeitsseiten 30', 32' ausgebildet sein, um ein Abscheiden des Dampfes 100 auf den Arbeitsseiten 30', 32' zu ermöglichen. Der Dampf 100 ist ein Material mit niedrigem Kontaktwiderstand und hoher Karrosionsbeständigkeit. Der Dampf 100 wird als Beschichtung 104 auf die Arbeitsseiten 30', 32' auf eine erwünschte erste Dicke t1 abgeschieden. Es ist vorteilhaft, dass die Dicke t1 ausreichend dick ist, um eine erwünschte bauliche Leistung der Beschichtung 104 zu erreichen, wenn das Substrat 90 entfernt wird, wie etwa zum Beispiel Steifigkeit, Konformität und Elastizität. Bei Ausbilden der Beschichtung 104 aus einer Legierung mit hohem Nickelgehalt, bei der der Nickelgehalt mindestens 50% der Legierung ausmacht, und noch vorteilhafter bei der der Nickelgehalt mindestens 80% der Legierung ausmacht, wurden vorteilhafte Ergebnisse erhalten. Vorteilhafte Ergebnisse wurden auch erhalten, wenn die Beschichtung 104 eine Kohlenstoffbeschichtung ist. Abhängig von dem Beschichtungsmaterial wurden vorteilhafte Ergebnisse erhalten, wenn die Beschichtungsdicke t1 zwischen 5 und 100 Mikrometer liegt.
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Die Beschichtung 104 wird so abgeschieden, dass sie mit den Oberflächenmerkmalen der Arbeitsseiten 30', 32', einschließlich der mehreren Rillen oder Kanäle 36', 38', konform ist. Wenn eine Arbeitsseite 30' nach Bedarf auf die erwünschte Dicke t1 mit der Beschichtung 104 bedeckt wurde, kann das Substrat 90 entfernt werden, was nur das Material niedrigen Kontaktwiderstands und hoher Korrosionsbeständigkeit als in 4 ersichtliche unipolare Platte 110 zurücklässt. Die unipolare Platte 110 weist eine aktive Seite 112, die der Arbeitsseite 30' entspricht, und eine Rückseite, die einer Kühlmittelströmungsseite 116 entspricht, auf. Die aktive Seite 112 ist abhängig von der Geometrie der aktiven Seite 112 und insbesondere abhängig von der Fluidverbindung der Reaktantströmungskanäle 120 entweder mit den Kathodenströmungsöffnungen 58, 60 oder den Anodenströmungsöffnungen 66, 68 eine Kathodenseite oder ist eine Anodenseite.
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Strömungskanäle 118 in der Kühlmittelströmungsseite 116 sind durch die Reaktantströmungskanäle 120 in der aktiven Seite 112 festgelegt, wobei Stege 122 zwischen Reaktantströmungskanälen 120 in der aktiven Seite 112 den Böden 124 der Kühlmittelströmungskanäle 118 an der Kühlmittelströmungsseite 116 entsprechen, und Stege 126 zwischen Kühlmittelströmungskanälen 118 an der Kühlmittelströmungsseite den Böden 128 der Reaktantströmungskanäle 120 in der aktiven Seite 112 entsprechen.
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Wenn das Substrat 90 eine zweite Arbeitsseite 32' umfasst, kann die zweite Arbeitsseite 32' ein gleichzeitiges oder anschließendes Aufbringen der Beschichtung 104 erhalten, um vor dem Entfernen des Substrats 90 eine zweite unipolare Platte 130 (4) auf der zweiten Arbeitsseite 32' zu bilden. Die zweite unipolare Platte 130 umfasst eine aktive Seite 132, die der Arbeitsseite 32' entspricht, und eine Rückseite, die einer Kühlmittelströmungsseite 136 entspricht. Strömungskanäle 138 in der Kühlmittelströmungsseite 136 sind durch die Reaktantströmungskanäle 140 in der aktiven Seite 132 festgelegt, wobei Stege 142 zwischen Reaktantströmungskanälen 140 in der aktiven Seite 132 den Böden 144 der Kühlmittelströmungskanäle 138 an der Kühlmittelströmungsseite 136 entsprechen, und Stege 146 zwischen Kühlmittelströmungskanälen 138 an der Kühlmittelströmungsseite den Böden 148 der Reaktantströmungskanäle 140 in der aktiven Seite 132 entsprechen.
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Wie in 4 und 5 gezeigt, wird nach Bilden von ersten und zweiten unipolaren Platten 110, 130 auf dem Substrat 90 das Substrat entfernt und die erste und zweite unipolare Platte 110, 130 werden formschlüssig in Eingriff gebracht, um die Bipolarplatte 16 zu bilden. Die erste unipolare Platte 110 wird typischerweise durch Lot oder eine Schweißnaht 150, nach Bedarf entweder mechanisches Schweißen oder Löten oder mittels Laserschweißen, um den Umfang 152 der Bipolarplatte 16 angebracht, um etwaige Kühlmittelströmungspfade 118, 138 hermetisch abzudichten. Es können aber nach Bedarf andere Anbringungsverfahren verwendet werden, wie etwa Hartlöten oder Löten.
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Zusätzlich kann der Innenumfang von Spannlöchern (nicht gezeigt) ebenfalls verbunden werden, um Kühlmittel hermetisch abzudichten und ein Austreten desselben durch diesen zu verhindern. Um die verschiedenen Öffnungen in der Bipolarplatte 16 können unter Verwenden herkömmlicher Abdichtungsanbringungsprozesse und -verfahren Abdichtungen positioniert werden, um einem Abwandern der Reaktanten und des Kühlmittels entgegenzuwirken. Bei Nutzen der Umfangsschweißnaht 150 als Kühlmitteldichtung um den Umfang 152 der Bipolarplatte 16 wurden aber vorteilhafte Ergebnisse erhalten.
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Wie am besten in 5 ersichtlich ist, stehen jeweilige Kühlmittelströmungsseiten 116, 136 formschlüssig in Eingriff, um Kühlmittelströmungskanäle 158 zu bilden. Insbesondere greifen die Stege 126 an der Kühlmittelströmungsseite 116 der ersten unipolaren Platte 110 formschlüssig mit den Stegen 146 an der Kühlmittelströmungsseite 136 der zweiten unipolaren Platte 130. Die jeweiligen Stege 126, 146 können metallisiert werden, um die Leitfähigkeit zwischen den unipolaren Platten 110, 130 zu verbessern. Da aber die unipolaren Platten 110, 130 vollständig aus einem Material mit niedrigem Kontaktwiderstand und hoher Korrosionsbeständigkeit gebildet sind, sieht der formschlüssige Eingriff der Stege 126, 146 ohne zusätzliche Metallisierung der Grenzfläche derselben typischerweise genügend Leitfähigkeit vor. Da ferner die Grenzfläche der Stege 126, 146 ausreichende Leitfähigkeit aufweisen kann, kann auf Schweißnähte, die üblicherweise in dem aktiven Bereich hergestellt werden, um die Leitfähigkeit zwischen den unipolaren Platten 110, 130 zu verbessern, verzichtet werden, wodurch die Herstellbarkeit der Bipolarplatte 16 verbessert wird.
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Es ist nicht erforderlich, dass die Beschichtung 104 aus einem einzigen oder einheitlichen Material besteht. In einer in 6 gezeigten Ausführungsform kann die Beschichtung als mehr als eine Schicht und nach Bedarf als mehr als ein Material aufgebracht werden, um als Funktion der Position auf einer unipolaren Platte ein annehmbares Maß an niedrigem Kontaktwiderstand und hoher Korrosionsbeständigkeit vorzusehen. Der in 6 gezeigte unipolare Plattenabschnitt weist eine erste Schicht 160 auf, die eine Kühlmitteloberfläche 162 bildet, die der Kühlmittelströmungsseite 136 der unipolaren Platte 130 entspricht. Eine zweite Schicht 164 bildet eine Reaktantoberfläche 166 auf der aktiven Seite 132 in Kontakt mit Reaktanten. Zwar ist es richtig, dass beide Oberflächen 162, 166 der unipolaren Platte 130 einen niedrigen Kontaktwiderstand und eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweisen sollten, doch sind die Umgebung, der gegenüber die Oberflächen 162, 166 korrosionsbeständig sein müssen, sehr unterschiedlich. Dadurch können die erste Schicht 160 und die zweite Schicht 164 durch unterschiedliche Dampfabscheidungen gebildet werden. Zudem können die Dicken t2, t3 der jeweiligen Schichten 160, 164 variieren, um die erwünschte Steifigkeit, Konformität und Elastizität zu verleihen. Zwischen der ersten Schicht 160 und der zweiten Schicht 164 kann eine Stützschicht 168 hinzugefügt werden, um eine erwünschte Steifigkeit, Konformität, Elastizität, Festigkeit, Haltbarkeit, Leitfähigkeit oder Korrosionsbeständigkeit sicherzustellen. Wenn als nicht einschränkendes Beispiel die unipolare Platte 132 eine Kathodenplatte ist, kann die erste Schicht 160 aus einer Legierung mit hohem Nickelgehalt gebildet werden, wie etwa 80%Ni–20%Cr, mit einer Dicke t2 von 5 bis 50 Mikrometer. Die zweite Schicht 164 kann aus einer anderen Legierung mit hohem Nickelgehalt gebildet werden, wie etwa 75%Ni–25%Cr, mit einer Dicke t3 von 5 bis 50 Mikrometer. Die dazwischen liegende Stützschicht 168 kann aus einer Legierung mit hohem Eisengehalt gebildet werden, wie etwa 75%Fe–25%Cr, mit einer Dicke t4 von 20 bis 100 Mikrometer. Wenn als zweites nicht einschränkendes Beispiel die unipolare Platte 132 eine Anodenplatte ist, kann die erste Schicht 160 aus einer Legierung mit hohem Nickelgehalt gebildet werden, wie etwa 80%Ni–20%Cr, mit einer Dicke t2 von 5 bis 50 Mikrometer; die zweite Schicht 164 kann aus einer anderen Legierung mit hohem Nickelgehalt gebildet werden, wie etwa 90%Ni–10%Cr, mit einer Dicke t3 von 5 bis 50 Mikrometer; und die dazwischen liegende Stützschicht 168 kann aus einer Legierung mit hohem Eisengehalt gebildet werden, wie etwa 75%Fe–25%Cr, mit einer Dicke t4 von 20 bis 100 Mikrometer. Die Fähigkeit, die Zusammensetzung jeder Oberfläche jeder unipolaren Platte zu spezifizieren, ergibt Platten mit minimalen Kosten und Oberflächen, die für die beste Leistung in einem Brennstoffzellenstapel optimiert sind, wobei sie abhängig von der Umgebung die erwünschte Ausgewogenheit von niedrigem Kontaktwiderstand und hoher Korrosionsbeständigkeit aufweisen, und innerhalb strenger Konstruktionstoleranzen liegen.
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Zudem können die Schichten 160, 164 an verschiedenen Stellen der gleichen unipolaren Platte selektiv und unterschiedlich aufgebracht werden, um an dieser Stelle eine erwünschte Eigenschaft vorzusehen. Wenn zum Beispiel das Material mit niedrigem Kontaktwiderstand und hoher Korrosionsbeständigkeit Kohlenstoff ist, können Stellen, die dem Umfang 152 der Bipolarplatte 16 entsprechen, eine dünne Metallschicht und eine dünne Kohlenstoffschicht umfassen. Bei Erzeugung auf diese Weise können die Metallschichten benachbarter unipolarer Platten 110, 130 so ausgebildet werden, dass sie ein Löten oder Hartlöten oder ein anderes Niedertemperaturverbinden zulassen oder ein Aufbringen von Klebstoff für chemisches oder mechanisches Verbinden zulassen. Analog können die Schichten 160, 164, 168 als nicht einheitliche Dicken auf der gleichen Platte aufgebracht werden, um lokal eine adäquate Festigkeit sicherzustellen. Als nicht einschränkendes Beispiel können die Schichten 160, 164, 168 in den Bereichen benachbart zu den Spannöffnungen 82 dicker sein, um notwendigen Spannkräften standzuhalten.
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Mehrere erfindungsgemäße Bipolarplatten 16 können als kontinuierlicher Herstellungsvorgang gebildet werden. Vorteilhafterweise kann der Dampfabscheidungsprozess bei Raumtemperatur und -druck erfolgen und kann auf kostengünstigem Substratmaterial wie etwa Polyethylen aufgebracht werden. Das Vorformen des Substrats 90 ermöglicht vorteilhafterweise Konstruktionsflexibilität der unipolaren Platten 110, 130, die von anderen Herstellungsprozessen wie etwa Stanzen oder Formen nicht geboten wird. Insbesondere lässt der Galvanoformungsprozess tiefere Rillen 36, 38 und einen niedrigeren Reaktantdruckabfall über jeder unipolaren Platte 110, 130 zu und vermeidet Metallrissprobleme, die mit einem Blechstanzprozess einhergehen. Weiterhin erfordert der Dampfabscheidungsprozess in der Größenordnung von 10% bis 50% (abhängig von der erwünschten Dicke t1) weniger Beschichtungsmaterial als bei einem Stanzplattenprozess erforderlich ist, und eliminiert Ausschuss oder Abfallmaterial in den peripheren Bereichen der Bipolarplattenanordnung 16. Bei Verwendung bei einem entfernbaren Substrat führt der Dampfabscheidungsprozess vielmehr zu einer elastischen und dünnen unipolaren Platte, die aus einem Material gebildet ist, das einem Stanzherstellungsprozess nicht standhalten kann.
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Das Zuschneiden oder eine andere Bearbeitung jeder unipolaren Platte 110, 130 nach Herstellung wird minimiert, da der Dampfabscheidungsprozess so gesteuert werden kann, dass das Material mit niedrigem Kontaktwiderstand und hoher Korrosionsbeständigkeit nur wie gewünscht präzis abgeschieden wird. Auf zusätzliche Schweißnähte in dem aktiven Bereich der Bipolarplatte 16 kann ebenfalls verzichtet werden, da ein formschlüssiger Eingriff von Abachnitten der zwei unipolaren Platten 110, 130, die die Bipolarplatte 16 umfassen, einen ausreichend niedrigen Kontaktwiderstand aufweisen, insbesondere wenn sie während des Zusammenbaus einer Brennstoffzelle zusammengepresst werden. Das Nachbearbeiten der jeweiligen unipolaren Platten 110, 130 kann sogar auf Umfangsschweißen derselben, um eine adäquate Abdichtung von beliebigen Kühlmittelströmungspfaden vorzusehen, und das Hinzufügen von beliebigen Dichtungen an Reaktantöffnungen beschränkt werden. Der Herstellungsprozess verzichtet auch auf Beschichtungsvorgänge, die teure Edelmetalle wie etwa Gold oder gefährliche Lösungen, die Chrom- oder Nickelionen umfassen, nutzen.
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Die Verfahren der Offenbarung können auch verglichen mit herkömmlichen Prozessen zum Erzeugen von vollständig verbundenen Bipolarplattenanordnungen schneller durchgeführt werden und nutzen signifikant weniger Material als herkömmliche Formungsprozesse. Somit wird auf eine große Menge von Abfallmaterial verzichtet, während die komplexen Strömungsfeldmuster auf den unipolaren Platten repetitiv hergestellt werden können. Schließlich können äußerst dünne unipolare Plattenanordnungen – gegenüber herkömmlichen Platten bei verringerten Kosten – hergestellt werden, die die Gesamtgröße und Kosten einer Brennstoffzellenanordnung minimieren.
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Während bestimmte stellvertretende Ausführungsformen und Einzelnen zum Zweck des Veranschaulichens der Erfindung gezeigt wurden, versteht sich für den Fachmann, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der Offenbarung abzuweichen, der in den folgenden beigefügten Ansprüchen weiter beschrieben ist.
