DE102013216544A1

DE102013216544A1 - Zusammendrückbare brennstoffzellen-unterdichtung mit integrierter dichtung

Info

Publication number: DE102013216544A1
Application number: DE102013216544.7A
Authority: DE
Inventors: Glenn W. Skala
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2012-08-30
Filing date: 2013-08-21
Publication date: 2014-03-06
Anticipated expiration: 2033-08-22
Also published as: US8679697B1; CN103682390B; US20140065509A1; DE102013216544B4; CN103682390A

Abstract

Brennstoffzellen-Unterdichtungen, die aus einem mikrozellularen Polymerschaum auf Extrusionsbasis hergestellt sind; Brennstoffzellenstapel, welche die vorgesehenen Unterdichtungen umfassen; Verfahren für eine Abdichtung zwischen Platten eines Brennstoffzellenstapels unter Verwendung der vorgesehenen Unterdichtungen; und Verfahren zum Herstellen solcher Unterdichtungen.

Description

GEBIET
Diese Anmeldung betrifft Brennstoffzellen und Brennstoffzellenstapel und im Spezielleren Unterdichtungen für Brennstoffzellen.
HINTERGRUND
Elektrochemische Umwandlungszellen, die üblicherweise als Brennstoffzellen bezeichnet werden, erzeugen elektrische Energie durch Verarbeitung eines ersten und zweiten Reaktanden. Dies geschieht typischerweise durch Oxidation von Wasserstoff und Reduktion von Sauerstoff, es sind aber auch Brennstoffzellen bekannt, die andere Reaktanden (z. B. Kohlenwasserstoffgas) verwenden. Veranschaulichend und nicht beschränkend umfasst eine typische Polymerelektrolytbrennstoffzelle eine Polymermembran (z. B. eine Protonenaustauschmembran), die zwischen einer Kathode und einer Anode angeordnet ist, um eine Membranelektrodenanordnung (MEA, vom engl. membrane electrode assembly) zu bilden. Die MEA ist zwischen einem Paar von Gasdiffusionsmediumschichten positioniert, und diese Komponenten sind zwischen einer Kathodenplatte und einer Anodenplatte positioniert, um eine einzelne Zelle zu bilden.
Die durch eine einzelne Zelle bereitgestellte Spannung ist typischerweise zu klein für viele Nutzanwendungen wie z. B. das Betreiben eines Fahrzeuges. Demgemäß wird typischerweise eine Vielzahl von einzelnen Zellen zu einem „Stapel” konfiguriert. In solch einer Konfiguration sind elektrisch leitfähige Bipolarplatten zwischen der anodenseitigen Diffusionsschicht einer Zelle und der kathodenseitigen Diffusionsschicht einer benachbarten Zelle positioniert. Die Bipolarplatten, die benachbarte Zellen trennen, dienen als Stromkollektoren und weisen entgegengesetzte Oberflächen auf – eine Oberfläche definiert einen Strömungspfad zum Befördern eines Brennstoffes (z. B. Wasserstoff oder Kohlenwasserstoff) zu der Anode einer Zelle, und eine Oberfläche definiert einen Strömungspfad zum Befördern eines Oxidationsmittels (z. B. Sauerstoff oder Luft) zu der Kathode einer benachbarten Zelle. Jede Bipolarplatte weist auch einen darin definierten Strömungspfad zum Befördern eines Kühlmittels auf.
Die verschiedenen Strömungspfade einer Bipolarplatte sind mit entsprechenden Sammlern verbunden, die innerhalb der Platte definiert sind. Zum Beispiel ist der Brennstoff-Strömungspfad typischerweise mit zwei Brennstoffsammlern verbunden und der Oxidationsmittel-Strömungspfad ist typischerweise mit zwei Oxidationsmittelsammlern verbunden. Allerdings ist die Querschnittsfläche eines Strömungspfades deutlich kleiner als der eines Sammlers. Demzufolge steigen die Reaktanden/Kühlmittel-Strömungsraten und -drücke beim Eintritt in einen Strömungspfad von dem Sammler an. Um dem Austritt von Hochdruckreaktanden und -Kühlmittel aus dem Brennstoffzellenstapel entgegenzuwirken, werden typischerweise Dichtungen (die eine Dichtungswulst und eine Unterdichtung umfassen) zwischen jeder Bipolarplatte gebildet, und der Stapel wird zusammengedrückt. Gute Resultate wurden bei Verwendung von elastomeren Dichtungswulstmaterialien und Dünnfilmpolymer-Unterdichtungsmaterialien erzielt, die mit der Brennstoffzellenumgebung kompatibel sind. Dennoch besteht fortgesetzter Bedarf an verbesserten Möglichkeiten für eine Abdichtung zwischen Bipolarplatten, insbesondere an solchen, welche die Komplexität und die Kosten für die Herstellung von Brennstoffzellenstapeln verringern.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Offenlegung sieht in verschiedenen Ausführungsformen Brennstoffzellen-Unterdichtungen, die aus einem mikrozellularen Polymerschaum auf Extrusionsbasis hergestellt sind; Brennstoffzellenstapel, welche die vorgesehenen Unterdichtungen umfassen; Verfahren für eine Abdichtung zwischen Platten eines Brennstoffzellenstapels unter Verwendung der vorgesehenen Unterdichtungen; und Verfahren zum Herstellen solcher Unterdichtungen vor.
Unter den verschiedenen offenbarten Ausführungsformen sind mikrozellulare Polymerschaum-Unterdichtungen für Brennstoffzellen vorgesehen. Solche Unterdichtungen können in einigen Ausführungsformen (i) einen aktiven Bereich, der ausgestaltet ist, um die Membranelektrodenanordnung zu umrahmen, wenn er damit zwischen einem Paar von Brennstoffzellenplatten zusammengebaut ist; (ii) einen Zufuhrbereich mit einem Sammlerabschnitt, der mit Anoden-, Kathoden- und Kühlmittelsammlern des Paares von Platten zusammenpasst; und (iii) zumindest einen Dichtungswulstkanal, der in den Polymerschaum integriert und ausgestaltet ist, um ein Dichtungswulstmaterial aufzunehmen und einzuschließen, umfassen.
Unter den verschiedenen offenbarten Ausführungsformen sind Brennstoffzellenstapel vorgesehen, die eine vorgesehene Unterdichtung umfassen. In einigen Ausführungsformen können solche Brennstoffzellenstapel (i) ein Paar von Platten, das in einem Stapel angeordnet ist; (ii) eine Membranelektrodenanordnung, die zwischen dem Paar von Platten angeordnet ist; (iii) eine mikrozellulare Polymerschaum-Unterdichtung auf Extrusionsbasis, die zwischen dem Paar von Platten angeordnet ist, wobei die Unterdichtung zumindest einen Dichtungswulstkanal umfasst, der in den Polymerschaum integriert und ausgestaltet ist, um ein Dichtungswulstmaterial aufzunehmen und einzuschließen; und (iv) eine ausgehärtete Dichtungswulst, die in dem zumindest einen Dichtungswulstkanal angeordnet ist, umfasst. Die ausgehärtete Dichtungswulst kann durch Auftragen eines Dichtungswulstmaterials in den Kanal vor dem Anordnen der Unterdichtung zwischen dem Paar von Platten, nach dem Anordnen der Unterdichtung zwischen dem Paar von Platten, oder beidem, und Aushärten des Dichtungswulstmaterials gebildet werden.
Unter den verschiedenen offenbarten Ausführungsformen sind außerdem Verfahren für eine Abdichtung zwischen Platten eines Brennstoffzellenstapels vorgesehen. Diese Verfahren umfassen, dass (i) ein Paar von Platten vorgesehen wird, die in einem Stapel angeordnet sind; (ii) eine Membranelektrodenanordnung vorgesehen wird; (iii) eine mikrozellulare Polymerschaum-Unterdichtung auf Extrusionsbasis vorgesehen wird, wobei die Unterdichtung (a) einen aktiven Bereich, der ausgestaltet ist, um die Membranelektrodenanordnung zu umrahmen; und (b) zumindest einen Dichtungswulstkanal umfasst, der in den Polymerschaum integriert und ausgestaltet ist, um ein Dichtungswulstmaterial aufzunehmen und einzuschließen; (iv) die vorgesehene Unterdichtung und die Membranelektrodenanordnung derart zwischen dem Paar von Platten angeordnet werden, dass die Membranelektrodenanordnung von dem aktiven Bereich der Unterdichtung umrahmt ist; und (v) ein Dichtungswulstmaterial vor dem Anordnen der Unterdichtung zwischen dem Paar von Platten, nach dem Anordnen der Unterdichtung zwischen dem Paar von Platten, oder beidem, in den zumindest einen Dichtungswulstkanal angeordnet wird.
Unter den verschiedenen offenbarten Ausführungsformen sind auch Verfahren zum Herstellen einer Unterdichtung für eine Brennstoffzelle vorgesehen. Die Verfahren können umfassen, dass (i) eine mikrozellulare Polymerschaumtafel auf Extrusionsbasis vorgesehen wird; (ii) die vorgesehene Tafel auf eine Temperatur erwärmt wird, bei der sie biegeweich ist; (iii) die Tafel derart pressgeformt wird, dass sie zumindest (a) einen aktiven Bereich mit einem entfernbaren Abschnitt; (b) einen Zufuhrbereich, der mit dem Anoden-, dem Kathodensammler und dem Kühlmittelsammler eines Paares von Platten der Brennstoffzelle zusammenpasst, wobei der Zufuhrbereich eine Vielzahl von entfernbaren Abschnitten umfasst; und (c) zumindest einen Dichtungswulstkanal, der in den Polymerschaum integriert und ausgestaltet ist, um ein Dichtungswulstmaterial aufzunehmen und einzuschließen, aufweist. Die vorgesehene Tafel kann vor oder nach dem Entfernen der entfernbaren Abschnitte auch vernetzt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ein vollständigeres Verständnis der vielen Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung erlangt man ohne weiteres, während dieselbe durch Bezugnahme auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung bei Betrachtung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen besser verständlich wird, in denen:
1 eine fragmentarische, seitliche Querschnittsansicht eines Anodenzufuhr-Teilstückes eines exemplarischen Brennstoffzellenstapels nach dem Stand der Technik ist, der mit der Platte gezeigt ist, um die Anordnung mit einer Unterdichtung zu veranschaulichen, wobei die Pfeile den Anodengas-Strömungspfad illustrieren;
2 eine Draufsicht von oben eines exemplarischen Brennstoffzellenstapels gemäß einer Ausführungsform der Offenlegung ist, der mit einer entfernten Platte gezeigt ist, um die Unterdichtung des Brennstoffzellenstapels herauszustellen;
3 eine Draufsicht von oben einer exemplarischen Unterdichtung mit nur einem darin gebildeten Dichtungswulstkanal ist;
4 eine Draufsicht von oben einer exemplarischen Unterdichtung mit darin gebildeten Dichtungswulstkanälen und anderen Bereichen (z. B. Überlappungs- und Zufuhrbereichen) ist;
5 eine fragmentarische, seitliche Querschnittsansicht eines Anodenzufuhr-Teilstückes eines exemplarischen Brennstoffzellenstapels ist, der mit der Platte gezeigt ist, um die Anordnung mit einer Unterdichtung zu veranschaulichen, wobei die Pfeile den Anodenströmungspfad veranschaulichen. Der Schnitt A-A in 2 veranschaulicht ein Beispiel dafür, wo ein Anodenzufuhr-Teilstück auf einem Brennstoffzellenstapel anzutreffen sein kann;
6 eine fragmentarische, seitliche Querschnittsansicht eines Kathodenzufuhr-Teilstückes eines exemplarischen Brennstoffzellenstapels ist, der mit der Platte gezeigt ist, um die Anordnung mit einer Unterdichtung zu veranschaulichen, wobei die Pfeile den Kathodengas-Strömungspfad veranschaulichen. Der Schnitt B-B in 2 veranschaulicht ein Beispiel dafür, wo ein Kathodenzufuhr-Teilstück auf einem Brennstoffzellenstapel anzutreffen sein kann;
7 eine fragmentarische, seitliche Querschnittsansicht eines Kühlmittelzufuhr-Teilstückes eines exemplarischen Brennstoffzellenstapels ist, der mit der Platte gezeigt ist, um die Anordnung mit einer Unterdichtung zu veranschaulichen, wobei die Pfeile den Kühlmittelströmungspfad veranschaulichen. Der Schnitt C-C in 2 veranschaulicht ein Beispiel dafür, wo ein Kühlmittelzufuhr-Teilstück auf einem Brennstoffzellenstapel anzutreffen sein kann;
8 eine fragmentarische, seitliche Querschnittsansicht eines Kantenteilstückes (nicht verschachtelte Ausführung) eines exemplarischen Brennstoffzellenstapels ist, der mit der Platte gezeigt ist, um die Anordnung mit einer Unterdichtung zu veranschaulichen. Der Schnitt D-D in 2 veranschaulicht ein Beispiel dafür, wo ein Kantenteilstück auf einem Brennstoffzellenstapel anzutreffen sein kann;
9A eine fragmentarische, seitliche Querschnittsansicht eines Kantenteilstückes (verschachtelte Ausführung mit einer fächerartig gefalteten Unterdichtung, welche Dichtungswulsthohlräume auf entgegengesetzten Seiten der Unterdichtung aufweist) eines exemplarischen Brennstoffzellenstapels; und B eine fragmentarische, seitliche Querschnittsansicht einer Unterdichtung (in einer nicht gefalteten Konfiguration) zur Verwendung damit zeigt;
10A eine fragmentarische, seitliche Querschnittsansicht eines Kantenteilstückes (verschachtelte Ausführung mit einer fächerartig gefalteten Unterdichtung, welche Dichtungswulsthohlräume auf der gleichen Seite der Unterdichtung aufweist) eines exemplarischen Brennstoffzellenstapels; und B eine fragmentarische, seitliche Querschnittsansicht einer Unterdichtung (in einer nicht gefalteten Konfiguration) zur Verwendung damit zeigt; und
11 eine fragmentarische, seitliche Querschnittsansicht einer Unterdichtung (in einer nicht gefalteten Konfiguration) zeigt, die zwischen drei benachbarten Brennstoffzellen in einem Stapel geteilt sein kann.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Nunmehr werden spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung beschrieben. Die Erfindung kann jedoch in anderen Formen ausgeführt werden ist nicht so auszulegen, dass sie auf die hierin dargelegten Ausführungsformen beschränkt ist. Diese Ausführungsformen sind vielmehr vorgesehen, damit diese Offenlegung gründlich und vollständig ist und Fachleuten den Umfang der Erfindung vollinhaltlich vermitteln wird.
Sofern nicht anders definiert, haben alle hierin verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung, wie für Fachleute auf dem Gebiet, dem die Erfindung zugehörig ist, allgemein verständlich. Die hierin in der Beschreibung der Erfindung verwendete Terminologie dient nur der Beschreibung spezieller Ausführungsformen und soll nicht einschränkend für die Erfindung sein. Wie in der Patentbeschreibung und den beiliegenden Ansprüchen verwendet, sollen die Einzahlformen „ein/e/s” und „der/die/das” auch die Mehrzahlformen umfassen, es sei denn, der Kontext bringt deutlich etwas anderes zum Ausdruck.
Sofern nicht anders angegeben, sind alle Zahlen, die Mengen oder Messwerte ausdrücken, welche in der Patentbeschreibung und den Ansprüchen verwendet werden, so zu verstehen, dass sie in allen Fällen durch den Ausdruck „etwa” abgewandelt sind. Außerdem ist die Offenlegung jeglicher Bereiche in der Patenbeschreibung und den Ansprüchen als den Bereich selbst als auch alles, was darin subsummiert ist, wie auch die Endpunkte einschließend zu betrachten. Sofern nicht anders angegeben, sind demgemäß die in der Patentbeschreibung und den Ansprüchen dargestellten numerischen Eigenschaften Annäherungen, die abhängig von den gewünschten Eigenschaften, die in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschafft werden sollen, variieren können. Dessen ungeachtet, dass die den weitgefassten Schutzumfang der Erfindung darlegenden numerischen Bereiche und Parameter Annäherungen sind, sind die in den spezifischen Beispielen dargelegten numerischen Werte so genau wie möglich angegeben. Jegliche numerischen Werte beinhalten jedoch naturgemäß gewisse Fehler, welche zwangsläufig auf die verwendeten Messtechniken zur Ermittlung der Werte zurückzuführen sind.
In verschiedenen Ausführungsformen sieht die vorliegende Offenlegung Brennstoffzellen-Unterdichtungen, die aus einem mikrozellularen Polymerschaum auf Extrusionsbasis hergestellt sind; Brennstoffzellenstapel, welche die vorgesehenen Unterdichtungen umfassen; Verfahren für eine Abdichtung zwischen Platten eines Brennstoffzellenstapels unter Verwendung der vorgesehenen Unterdichtungen; und Verfahren zum Herstellen solcher Unterdichtungen vor.
Herkömmliche Brennstoffzellen umfassen Unterdichtungen, die aus pressgeformten Kunststofffolien hergestellt sind, welche die Vorteile eines geringen Gewichts, Korrosionsbeständigkeit und relativ einfache Verarbeitung aufweisen. Solche Unterdichtungen sind aus einem Polymerfolienmaterial gebildet, wobei das Polymer fest oder geschäumt ist. Um jedoch eine Dichtung zu realisieren, muss die Folie selbst (zumindest teilweise) in Formen pressgeformt werden, die in Kombination mit Bipolarplatten Merkmale eines Brennstoffzellenaufbaus bilden. Es kann z. B., wie in 1 gezeigt, ein Abschnitt einer zwischen Bipolarplatten 2, 3 anzuordnenden Folie 1 derart pressgeformt sein, dass sie eine Spitze 4, eine Mulde 5 oder eine Kombination davon bildet, während ein anderer Abschnitt 9 pressgeformt ist, um zwischen Diffusionsmedien 10 anordenbar zu sein und an einer MEA 11 anzuliegen. Wenn er gegen eine Bipolarplatte 3 platziert ist, bildet solch ein pressgeformter (gewundener) Abschnitt der Folie/Unterdichtung 1 einen Hohlraum 6, der mit einem Dichtungsmittel gefüllt werden kann, welches nach dem Aushärten eine Dichtungswulst 7 bildet. Es ist wichtig, dass, da die Folie/Unterdichtung 1 selbst von einer im Wesentlichen ebenen Gestalt verformt werden muss, um solch einen gewundenen Abschnitt zu bilden, unbedingt Leerräume zwischen der Folie/Unterdichtung 1 und den Bipolarplatten 2, 3, z. B. über den Mulden 5, vorhanden sind. Außerdem ist es erforderlich, die Folie/Unterdichtung 1 an zumindest einer Platte 2, 3 zu befestigen, um einen Austritt von Dichtungsmittelmaterial aus dem gebildeten Hohlraum 6 zu reduzieren. Die Folie/Unterdichtung 1 kann z. B. Wärmeeinsätze 8 aufweisen, um sie an die Platte 2, 3 zu kleben und ferner den Hohlraum 6 zu definieren.
Während der Montage eines herkömmlichen Stapels unter Verwendung solch einer Unterdichtung 1 wird die Abdichtung einer Zelle mithilfe eines mehrstufigen Verfahrens erreicht, welches das Bilden des Hohlraumes 6 und das Füllen desselben mit einem Dichtungsmittel, um eine Dichtungswulst 7 zu bilden, umfasst. In solch einem Verfahren wird der gewundene Abschnitt (mit der Spitze 4, Mulden 5 und dem Hohlraum 6) der Folie/Unterdichtung 1 mithilfe eines Warmformverfahrens wie z. B. Heißpressen hergestellt, bei dem die Folie/Unterdichtung 1 auf knapp unter oder über den Schmelzpunkt erhitzt wird, und die Folie zwischen einer Positivform und einer Negativform zusammengequetscht wird. Dann wird die warmgeformte Unterdichtung 1 zwischen den Platten 2, 3 positioniert, wobei der gewundene Formabschnitt an jeder der Platten 2, 3 anliegt. Als Nächstes wird die Folie/Unterdichtung 1 an der Platte 2, 3 befestigt und das Dichtungsmittelmaterial wird eingespritzt, um den Hohlraum 6 im Wesentlichen zu füllen. Vor dem Einspritzen kann der Hohlraum 6 durch zumindest teilweises Zusammendrücken des Stapels zumindest teilweise zusammengedrückt werden. Nach dem Lösen solch eines Druckes (falls vorhanden) dehnt sich das Dichtungsmittel innerhalb des Hohlraumes 6 aus, was bewirkt, dass es bis zu einer nicht zusammengedrückten Höhe anwächst. Anschließend an das Aushärten des Dichtungsmittels, um die Dichtungswulst 7 zu bilden, kann der Stapel vollständig zusammengedrückt werden, um dadurch die Zelle abzudichten.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Brennstoffzellen umfassen die vorgesehenen Brennstoffzellen Unterdichtungen, die aus einem geschäumten thermoplastischen Material (keine Membran oder Folie) hergestellt sind, das warmgeformt ist, sodass in die Unterdichtung integrierte Dichtungswulstkanäle vorhanden sind. Somit wird, anstatt dass die Unterdichtung von einer im Wesentlichen ebenen Gestalt (wie bei einer herkömmlichen Membran/Folie erforderlich) verformt wird, stattdessen ein integrierter Kanal innerhalb des geschäumten Kunststoffes selbst gebildet. Der Schaum selbst dient als eine Form für die Dichtungswulst und hilft, sie abzustützen. Dadurch, dass in die Unterdichtung integrierte Merkmale vorhanden sind (anstatt Abschnitte der Unterdichtung zu verformen, um ein Merkmal zu bilden), behält die Unterdichtung eine ebenere Gestalt bei, weist weniger (falls überhaupt) Leerräume zwischen sich und den Bipolarplatten auf, und es ist nicht notwendig, dass sie an einer Bipolarplatte befestigt wird, um einen Dichtungswulstkanal zu bilden. Außerdem kann sich der in den vorgesehenen Brennstoffzellen verwendete geschäumte Kunststoff an die Ausführungsmerkmale der Bipolarplatten anpassen und kann in einigen Ausführungsformen derart pressgeformt werden, dass er viele verschiedene Dicken aufweist. Es kann z. B. wünschenswert sein, dass in einigen Bereichen ein dünner und dichter Bereich (z. B. 100% Dichte; Festpolymer) vorhanden ist, während andere Bereiche dick sein und eine geringe Dichte (z. B. 5–7% Dichte; Schaumpolymer) aufweisen können. Somit stellen die vorgesehenen Unterdichtungen eine größere Designfreiheit für Brennstoffzellen bereit, da enge Toleranzen (z. B eine Dicke von 50 μm) erreichbar sind, und da einige Brennstoffzellenmerkmale (z. B. Spitzen- und Mulden-Kombinationen) nicht erforderlich sind.
Obwohl die Verwendung eines geschäumten Nichtfolien-Kunststoffes ein einfaches Pressformen gestattet, muss der Schaum dennoch eine hinreichende Festigkeit aufweisen, um mit Belastungen umzugehen, die vom Zusammendrücken der Dichtungswulst, Fluid-Differenzdrücken oder Kombinationen davon resultieren. Außerdem muss die Drucksteifigkeit hinreichend gering sein, sodass die Bipolarplatten beim Zusammendrücken nicht wesentlich verformt werden. Allerdings muss die Drucksteifigkeit auch hinreichend hoch sein, um mit der Herstellung, der Montage und Betriebsbelastungen umzugehen. Gute Ergebnisse wurden bei Verwendung eines mikrozellularen Polymerschaumes auf Extrusionsbasis (wie z. B. des mit dem sogenannten MuCell^TM mikrozellularen Schäumungsverfahren; Trexel Inc., gebildeten) erzielt.
Mikrozellulare Schäumungsverfahren (wie z. B. das MuCell^TM-Verfahren, Trexel Inc.) beinhalten das Plastifizieren des zu schäumenden Polymermaterials in einer Extrusionsmaschine; das Einleiten eines Blähmittels (das ein physikalisches oder ein chemisches Blähmittel sein kann) in die Maschine bei einer Temperatur und einem Druck, bei dem es ein superkritisches Fluid ist, und das Bilden eines Einphasengemisches aus dem plastifizierten Material und dem superkritischen Fluid. Ein mikrozellularer geschäumter Kunststoff wird gebildet, wenn das Blähmittel bei einer Änderung der Temperatur und des Druckes des Einphasengemisches, z. B. wenn das Gemisch während der Formgebung in die Umgebung extrudiert wird, freigesetzt wird. Der gebildete mikrozellulare Schaum weist feine, einheitliche Poren auf, die, abhängig von den verwendeten Schäumungsbedingungen geschlossenzellige Strukturen oder offenzellige Strukturen sein können. In dem Gemisch können auch Zellenbildner verwendet werden, um die Zellengröße und -einheitlichkeit zu steuern. Fachleuten, die mit mikrozellularen Schäumungsverfahren vertraut sind, wird bekannt sein, dass verschiedenste Abänderungen und Verfeinerungen an dem Verfahren und den daraus resultierenden geschäumten Kunststoffen vorgenommen wurden. Fachleute werden auch verstehen, dass Abänderungen und Verbesserungen an dem Verfahren und den resultierenden Materialien als in den Ausdrücken „MuCell^TM-Verfahren”, „mikrozellulare Schäumungsverfahren”, „mikrozellularer Schaum” und „mikrozellularer Polymerschaum”, wie hierin verwendet, umfasst betrachtet werden.
Es ist eine Vielfalt von Polymermaterialien zur Verwendung bei mikrozellularen Schäumungsverfahren geeignet. Es wurden z. B. Polyolefine, Polyester, Polycarbonate, Polyamide, Polyimide, Polyether, Polystyrole, Polyurethane, Polyetherketone, Polyvinylchloride, Poly(meth)acrylate, Poly(meth)acrylamide, Poly(meth)acrylnitrile, Polysulfone, Polyphenylensulfide und Phenolharzpolymere verwendet. In einigen Ausführungsformen sind die Polymermaterialien, die verwendet werden, um den mikrozellularen Polymerschaum der vorgesehenen Unterdichtungen zu bilden, aus Polyethylen und Polypropylen gewählt. Für Brennstoffzellen, die bei Temperaturen von mehr als 95°C arbeiten, kann es wünschenswert sein, das Polymer zu vernetzen.
Zur Verwendung beim Bilden der vorgesehenen Unterdichtungen wird der mikrozellulare Polymerschaum zu dünnen Tafeln mit einer Dichte geformt, welche die Möglichkeit vorsieht, die Tafel nahe an ein Festpolymer (100% dicht) bei einer Dicke, die mit dem Unterdichtungsüberlappungsabschnitt (z. B. 50 μm) oder dem Dichtungswulstkontaktstreifen (z. B. 50–150 μm) kompatibel ist, zusammenzudrücken, während in diesen Bereichen und anderswo in der Unterdichtung eine hinreichende Festigkeit vorgesehen wird, um mit den Belastungen umzugehen, die aus dem Zusammendrücken der Dichtungswulst, Fluiddifferenzdrücken oder beidem resultieren. In einigen Ausführungsformen ist eine geeignete Schaumtafel eine mit einer Dicke (oder einer Kombination von Dicken) von etwa 0,5 mm bis etwa 1,5 mm und einer Dichte von etwa 5% bis etwa 7%. Demzufolge werden Schaumtafeln mit einer Dicke von 0,5–0,6 mm, 0,6–0,7 mm, 0,7–0,8 mm, 0,8–0,9 mm, 0,9–1,0 mm, 1,0–1,1 mm, 1,1–1,2 mm, 1,2–1,3 mm, 1,3–1,4 mm und 1,4–1,5 mm speziell in Erwägung gezogen. In einigen Ausführungsformen werden auch Schaumtafeln mit einer Dicke (oder Kombination von Dicken) von etwa 0,75 mm bis etwa 1,2 mm als geeignet in Erwägung gezogen. Außerdem werden insbesondere auch Schaumtafeln mit einer Dichte von 5–5,5%, 5,5–6%, 6–6,5% und 6,5–7% in Erwägung gezogen. Die Schaumtafel kann mikrozellulare (z. B. mit einem Durchmesser von 2–30 μm) offene oder geschlossene Zellen aufweisen, aber geschlossene Zellen sind bevorzugt. In einigen Ausführungsformen kann die mikrozellulare Polymerschaumtafel in Gebieten hoher Spannung (z. B. Dichtungswulstkanälen, Überlappungsbereichen und Zufuhrbereichen) dünner sein, um die Spannung besser zu verteilen. In einigen Fällen kann auch eine Vernetzung des Polymers dabei helfen, eine stabilere Unterdichtung zu realisieren.
Um die vorgesehenen Unterdichtungen herzustellen, wird daher eine geeignete mikrozellulare Polymerschaumtafel warmgeformt, indem die Tafel auf eine Formungstemperatur, bei der sie biegeweich ist, erwärmt wird, diese pressgeformt wird, sodass sie die gewünschten spezifischen Form- und Ausführungsmerkmale (z. B. integrierte Dichtungswulstkanäle) aufweist, und sie beschnitten wird. Nach dem Warmformen werden die erforderlichen Öffnungen (z. B. Sammlerabschnittöffnungen, Aktivflächenfenster, Anschlussöffnungen und Bezugslöcher) ausgestanzt, und der Abfall wird entsorgt. Bevorzugt wird eine nicht vernetzte Polymertafel warmgeformt, um dadurch zu ermöglichen, dass der Abfall wiederverwertet wird.
Sobald eine Unterdichtung mit den erforderlichen Ausführungsmerkmalen (einschließlich integrierter Dichtungswulstkanäle) gebildet ist, kann das Dichtungsmittelmaterial optional in die Dichtungswulstkanäle aufgetragen werden, wenn sich die Unterdichtung außerhalb des Stapels befindet. Das Dichtungsmittelmaterial kann ein im Wesentlichen selbstverlaufendes Material sein oder kann ein Material mit höherer Viskosität sein, welches erfordert, dass es in die Dichtungswulstkanäle gezwungen wird. Fachleute sind mit einer Vielfalt von geeigneten Dichtungsmitteln vertraut. Unabhängig davon, ob ein Material mit hoher Viskosität oder geringerer Viskosität verwendet wird, müsste genug Material aufgetragen werden, um den Kanal im Wesentlichen zu füllen. In einigen Ausführungsformen wird das Dichtungsmaterial in zumindest einigen Dichtungswulstkanälen außerhalb des Stapels abgeschieden und aushärten gelassen.
Unabhängig davon, ob eine Dichtungswulst außerhalb des Stapels gebildet wurde, können die Unterdichtung und eine MEA integriert sein. Das Vorhandensein eines dünnen (z. B. 50 μm) zusammendrückbaren Überlappungsbereiches in den vorgesehenen Unterdichtungen gestattet eine vereinfachte MEA-Integration. Unterdichtungen mit integrierten MEAs können als nächstes zwischen Bipolarplatten in einem Stapel montiert werden. Wenn Dichtungswulstkanäle nach dem Stapeln gefüllt werden, kann das Dichtungsmittelmaterial in die Dichtungswulstkanäle aufgetragen werden, um diese im Wesentlichen zu füllen. In einigen Ausführungsformen wird das Dichtungsmaterial in zumindest einige Dichtungswülste aufgetragen, wenn eine Montage in den Stapel erfolgt, und aushärten gelassen. Sobald alle Dichtungswulstkanäle in den Unterdichtungen Dichtungswülste gebildet haben, wird der Stapel, unabhängig davon, ob das Abdichtungsmaterial außerhalb des Stapels, in dem Stapel oder beiden aufgetragen wurde, zusammengedrückt und auf Lecks überprüft.
Wenn die verwendete mikrozellulare Polymerschaumtafel keine Tafel aus einem vernetzten Polymer war, kann sie optional (z. B. mithilfe von Gammastrahlung, eines Elektronenstrahls oder einem anderen geeigneten Vernetzungsverfahren) vernetzt werden, um die Festigkeit und das Temperaturverhalten der Unterdichtung zu erhöhen. Fachleute werden mit einer Vielfalt von geeigneten Vernetzungsverfahren vertraut sein. In einigen Ausführungsformen kann das Vernetzen vor oder nach dem Warmformen der Schaumtafel stattfinden. Das Vernetzen findet bevorzugt nach dem Warmformen statt, wodurch die Wiederverwertung des Abfalls ermöglicht wird. In einigen Ausführungsformen findet das Vernetzen vor der MEA-Integration statt. Unter der Voraussetzung, dass die MEA durch das gewählte Vernetzungsverfahren nicht beschädigt würde, kann das Vernetzen alternativ nach der MEA-Integration stattfinden.
Die beschriebenen Ausführungsformen werden durch Bezugnahme auf die nachfolgenden Beispiele besser verständlich, welche rein illustrativ sind, und die, wie Fachleute einsehen werden, nicht als einschränkend zu betrachten sind.
Wie beschrieben, sind unter den verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung mikrozellulare Polymerschaum-Unterdichtungen für Brennstoffzellen. Solche Unterdichtungen können in einigen Ausführungsformen (i) einen aktiven Bereich, der ausgestaltet ist, um die Membranelektrodenanordnung zu umrahmen, wenn er damit zwischen einem Paar von Brennstoffzellenplatten zusammengebaut ist; (ii) einen Zufuhrbereich mit einem Sammlerabschnitt, der mit Anoden-, Kathoden- und den Kühlmittelsammlern des Paares von Platten zusammenpasst; und (iii) zumindest einen Dichtungswulstkanal, der in den Polymerschaum integriert und ausgestaltet ist, um ein Dichtungswulstmaterial aufzunehmen und einzuschließen, umfassen. Unter den verschiedenen offenbarten Ausführungsformen sind Brennstoffzellen und Brennstoffzellenstapel vorgesehen, welche eine vorgesehene Unterdichtung umfassen.
2 zeigt ein Beispiel eines Brennstoffzellenstapels 201 (mit einer Platte entfernt gezeigt), welcher eine Unterdichtung 202 und ein Paar von Bipolarplatten 203 und 204 (nicht gezeigt) umfasst. Jede Platte 203, 204 und die Unterdichtung 202 weist einen aktiven Bereich 205 und einen Zufuhrbereich 206 auf. Innerhalb des aktiven Bereiches 205 ist eine Membranelektrodenanordnung (MEA) 207 angeordnet. Eine typische MEA umfasst eine Protonenaustauschmembran, die zwischen einer Kathode und einer Anode angeordnet ist, wobei solch eine MEA zwischen einem Paar von Gasdiffusionsmediumschichten positioniert ist, und alle diese Komponenten zwischen Bipolarplatten positioniert sind. In einigen Ausführungsformen umfasst die Unterdichtung 202 einen Abschnitt 214, der den aktiven Bereich 205 überlappt und umrahmt. In einigen Ausführungsformen kann die MEA 207 mit Diffusionsmediumschichten (nicht gezeigt) und der Unterdichtung 202 zusammen montiert werden, um eine modulare Elektrodenanordnung zu bilden.
Zusätzlich zu einem aktiven Bereich 205 umfassen jede Platte 203, 204 und die Unterdichtung 202 einen Zufuhrbereich 206. Innerhalb des Zufuhrbereiches 206 sind ein Anodensammlerbereich 208, ein Kathodensammlerbereich 209 und ein Kühlmittelsammlerbereich 210 für die Versorgung und das Austragen von Anodengasen, Kathodengasen bzw. Kühlmittel angeordnet. Der abgebildete Brennstoffzellenstapel 201 umfasst ferner zumindest einen Einlaufkanal 211 und zumindest einen Anschluss 212, die innerhalb der Platten 203, 204 definiert sind, wobei der Einlaufkanal 211 in fluidtechnischer Verbindung mit dem Anschluss 212 steht.
Die Unterdichtung 202 umfasst eine Durchbrechung 213 zum Unterbringen des Anschlusses 212.
Während der Montage eines herkömmlichen Brennstoffzellenstapels, welcher eine herkömmliche Unterdichtung umfasst, wird das Abdichten einer Zelle mithilfe eines mehrstufigen Verfahrens erreicht, welches (i) das Vorsehen eines Unterdichtungsmaterials auf Folienbasis, (ii) das Formen von Abschnitten davon, sodass ein Hohlraum zwischen der Unterdichtung und den Platten gebildet werden kann, (iii) das Bilden solch eines Hohlraumes nach der Montage des Stapels und (iv) das Füllen des gebildeten Hohlraumes mit einem Dichtungsmittel beinhaltet. In solch einem Verfahren wird kein Hohlraum gebildet, bis die Unterdichtung zwischen den Platten angeordnet ist und der Stapel zumindest teilweise zusammengedrückt wird. Als Nächstes wird ein zähflüssiges Dichtungsmittel durch eine Anschluss- und Einlaufkanal-Kombination, die in fluidtechnischer Verbindung mit dem Hohlraum steht, eingespritzt, und dieses Dichtungsmaterial füllt und bildet weiterhin den Hohlraum. Der Druck wird anschließend gelöst, um zuzulassen, dass sich das Dichtungsmittel ausdehnt, und das ausgedehnte Dichtungsmittel wird ausgehärtet, um eine Dichtungswulst zu bilden. Dann wird der Stapel vollständig zusammengedrückt, um dadurch die Komponenten miteinander abzudichten. Die Aushärtungsbedingungen für das Dichtungsmittel sind von dem speziellen gewählten Dichtungsmittel abhängig. Das Aushärten kann z. B. bei Raumtemperatur, bei einer erhöhten Temperatur, bei Umgebungsdruck, bei vermindertem Druck oder einer Kombination aus diesen durchgeführt werden. Es können auch Strahlung und chemische Mittel (wie z. B. der Zusatz eines chemischen Aushärtungsmaterials) zum Aushärten verwendet werden. Fachleute werden mit einer Vielfalt von geeigneten Aushärtungsmitteln vertraut sein.
Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Unterdichtung, umfasst die vorgesehene Unterdichtung 202 vorgeformte Dichtungswulstkanäle 215, die in die Unterdichtung 202 integriert sind, um dadurch ein stärker vereinfachtes Montage- und Herstellungsverfahren für die vorgesehenen Brennstoffzellen zu ermöglichen, während andere Verfahrens- und Produktvorteile bereitgestellt werden. Die Verwendung eines geschäumten Polymers (anstelle einer Folie) gestattet beispielsweise eine größere Flexibilität im Design von Unterdichtungen und Brennstoffzellen, z. B. durch das Beseitigen von Mulden- und Spitzen-Kombinationen. Als ein anderes Beispiel gestattet das Vorhandensein eines vorgeformten integrierten Kanals 215 eine größere Platzierungsgenauigkeit und somit eine Reduktion eines Dichtungsversagens. Außerdem gestattet das Vorhandensein eines vorgeformten integrierten Dichtungswulstkanals 215 eine größere Flexibilität dabei, wie das Dichtungsmaterial in den Kanal 215 aufgetragen wird. In einigen Ausführungsformen kann das Dichtungsmaterial durch eine Einlauf 211- und Anschluss 212-Kombination, die in fluidtechnischer Verbindung mit den Kanälen 215 steht, in einen zusammengebauten Brennstoffzellenstapel 201 eingespritzt werden. In anderen Ausführungsformen kann das Dichtungsmittelmaterial vordem Stapeln der Zellen in die Kanäle 215 aufgetragen werden. Das Aushärten könnte vor oder nach dem Stapeln der Zellen stattfinden. In weiteren Ausführungsformen gestattet solch eine Verarbeitungsflexibilität eine Kombination aus Auftragen von Dichtungsmittelmaterial vor und nach dem Stapeln der Zellen. Es wird z. B. in Erwägung gezogen, dass bestimmte Kanäle 215 vor dem Stapeln mit Dichtungsmittel gefüllt werden könnten, und die restlichen Kanäle 215 nach dem Stapeln mit Dichtungsmittel gefüllt werden könnten. In jeder der zuvor erwähnten Ausführungsformen sind die Aushärtungsbedingungen für das Dichtungsmittel von dem spezifischen gewählten Dichtungsmittel abhängig. Das Aushärten kann z. B. bei Raumtemperatur, einer erhöhten Temperatur, bei Umgebungsdruck, reduziertem Druck, Bestrahlung, durch ein chemisches Mittel oder eine Kombination aus diesen stattfinden.
Unter den verschiedenen offenbarten Ausführungsformen sind auch Verfahren zum Herstellen einer Unterdichtung für eine Brennstoffzelle vorgesehen. Die Verfahren können umfassen, dass (i) eine mikrozellulare Polymerschaumtafel auf Extrusionsbasis vorgesehen wird; (ii) die vorgesehene Tafel auf eine Temperatur erwärmt wird, bei der sie biegeweich ist; (iii) die Tafel derart pressgeformt wird, dass sie zumindest (a) einen aktiven Bereich mit einem entfernbaren Abschnitt; (b) einen Zufuhrbereich, der mit dem Anoden-, dem Kathoden- und dem Kühlmittelsammler eines Paares von Platten zusammenpasst, wobei der Zufuhrbereich eine Vielzahl von entfernbaren Abschnitten umfasst; und (c) zumindest einen Dichtungswulstkanal, der in den Polymerschaum integriert und ausgestaltet ist, um ein Dichtungswulstmaterial aufzunehmen und einzuschließen, aufweist. Die vorgesehene Tafel kann vor oder nach dem Entfernen der entfernbaren Abschnitte auch vernetzt werden.
3 ist eine Draufsicht eines Beispiels einer vorgesehenen Unterdichtung 301 zur Verwendung mit einer Brennstoffzelle (nicht gezeigt) von oben. Fachleute werden einsehen, dass dieses Beispiel als Illustration gebracht wird und die Konfiguration der hierin gezeigten Elemente nicht einschränkend gedacht ist; es können verschiedenen Änderungen vorgenommen werden, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Es gibt z. B. eine Vielfalt von Brennstoffzellenstapelausführungen und Abwandlungen, die die Verwendung der vorgesehenen Unterdichtung zulassen, wobei solche Ausführungen als innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung liegend in Erwägung gezogen und betrachtet werden. Ebenso gibt es eine Vielfalt von Dichtungswulst- und Dichtungswulstkanalmustern, die für jede Brennstoffzellenausführung möglich sind, und Muster, die von dem in 3 verschieden sind, werden als innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung liegend in Erwägung gezogen und betrachtet.
Die abgebildete Unterdichtung 301 umfasst Bereiche, die mit Bipolarplattenmerkmalen zusammenpassen, einschließlich eines aktiven Bereiches 302 und eines Zufuhrbereiches 303. Der aktive Bereich 302 ist ausgestaltet, um, wenn er innerhalb eines Brennstoffzellenstapels montiert ist, eine MEA zu umrahmen. Fachleute werden einsehen, dass es, um solch eine Unterdichtung 301 herzustellen, erforderlich ist, einen Abschnitt des Polymerschaummaterials zu entfernen, um einen Abschnitt 302 zurückzulassen, der in der Lage ist, die MEA zu umrahmen. In einigen Ausführungsformen kann die Unterdichtung 301 auch die MEA zumindest teilweise unterstützen. Der Zufuhrbereich 303 umfasst (i) einen Anodensammlerbereich 304, der mit dem Anodensammler der verwendeten Bipolarplatten zusammenpasst, (ii) einen Kathodensammlerbereich 305, der mit dem Kathodensammler der verwendeten Bipolarplatten zusammenpasst, und (iii) einen Kühlmittelsammlerbereich 306, der mit dem Kühlmittelsammler der verwendeten Bipolarplatten zusammenpasst. Wie zuvor angegeben, zieht die vorliegende Offenlegung ausdrücklich Varianten der Konfiguration solcher Elemente in Erwägung. Fachleute werden einsehen, dass es, um solch einer Unterdichtung 301 herzustellen, erforderlich ist, einen Abschnitt des Polymerschaummaterials zu entfernen, um Abschnitte 304, 305, 306 zurückzulassen, die mit den Bipolarplatten zusammenpassen, ohne eine Sammlerströmung zu blockieren. Unter mit den Bipolarplatten „zusammenpassen” ist zu verstehen, dass die vorgesehene Unterdichtung eine Form, Dicke und andere Merkmale aufweist, die im Wesentlichen jenen der Platten ähnlich sind. Somit belässt die vorgesehene Unterdichtung in einigen Ausführungsformen wenige, falls überhaupt, Leerräume zwischen den Platten, wenn sie zwischen den Platten montiert und abgedichtet ist. Jeden Sammlerbereich 304, 305, 306 einzeln umgebend ist ein vorgeformter Dichtungswulstkanal 307 innerhalb eines Abschnittes der Unterdichtung 301 integriert und ausgestaltet, um ein Dichtungswulstmaterial aufzunehmen und einzuschließen. Jeder Dichtungswulstkanal 307 kann kontinuierlich oder diskontinuierlich um den jeweiligen Sammlerbereich 304, 305, 306 herum sein. Beispielsweise kann der Dichtungswulstkanal 307 um einen Anodensammlerbereich 307 herum ein kontinuierlicher Kanal sein, der diesen Bereich 307 vollständig umgibt (wie gezeigt). Alternativ wird in Erwägung gezogen, dass ein Dichtungswulstkanal 307 um einen Anodensammlerbereich 307 herum ein diskontinuierlicher Kanal sein kann, der dennoch diesen Bereich 307 im Wesentlichen umgibt. Den gesamten aktiven Bereich 302 umrahmend und sich in einen Abschnitt des Zufuhrbereiches 303 hinein erstreckend ist ein zusätzlicher vorgeformter Dichtungswulstkanal 308 in die Unterdichtung 301 integriert und ausgestaltet, um ein Dichtungswulstmaterial aufzunehmen und einzuschließen. Das geschäumte Polymermaterial dient daher als eine Form für die Dichtungswulst. Solch ein zusätzlicher Dichtungswulstkanal 308 kann kontinuierlich oder diskontinuierlich sein und kann die gleichen oder andere Abmessungen aufweisen wie die Sammler-Dichtungswulstkanäle 307. Wie gezeigt, ist der zusätzliche Dichtungswulstkanal 308 ein kontinuierlicher integrierter Kanal. Wie angegeben, können die Dichtungswulstkanäle 307, 308 die gleichen oder verschiedene Abmessungen aufweisen. Beispielsweise können alle Kanäle 307, 308 die gleiche Querschnittsfläche, Tiefe in das Unterdichtungs 301-Material, oder beides aufweisen. Alternativ wird in Erwägung gezogen, dass zumindest einer der Kanäle 307, 308 eine Querschnittsfläche oder Tiefe in das Unterdichtungs 301-Material, oder beides aufweisen kann, welche sich von den anderen Kanälen 307, 308 unterscheidet/n. In einigen Ausführungsformen wird in Erwägung gezogen, dass alle Kanäle 307, 308 die gleiche Querschnittsfläche, Tiefe in das geschäumte Unterdichtungs 301-Material aufweisen. Die Dicke der Unterdichtung 301 kann z. B. 0,05 mm (zusammengedrückt auf ein beinahe Festpolymer; Dichte ca. 100%) an dem dünnsten Abschnitt des Dichtungswulstkanals 307, 308 und 1,0 mm (nicht zusammengedrückt) an dem Rest der Unterdichtung 301 betragen. In einigen Ausführungsformen stehen zumindest einige der Kanäle 307, 308 in fluidtechnischer Verbindung miteinander, sodass ein in einen Kanal 307, 308 eingespritztes zähflüssiges Dichtungsmittelmaterial in zumindest einen anderen Kanal 307, 308 fließen kann. In solchen Ausführungsformen kann das Einspritzen durch zumindest eine Anschluss- und Einlauf-Kombination erfolgen, welche in fluidtechnischer Verbindung mit diesen Kanälen 307, 308 steht. In einigen Ausführungsformen ist es nicht notwendig, dass eine Anschluss- und Einlauf-Kombination in fluidtechnischer Verbindung mit den Kanälen 307, 308 steht, da das Dichtungswulstmaterial vor der Montage des Brennstoffzellenstapels innerhalb der Kanäle 307, 308 aufgetragen wird.
4 ist eine Draufsicht eines anderen Beispiels einer vorgesehenen Unterdichtung 401 zur Verwendung mit einer Brennstoffzelle (nicht gezeigt) von oben. Fachleute werden einsehen, dass dieses Beispiel als Illustration gebracht wird und nicht einschränkend gedacht ist, und dass verschiedenen Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Die abgebildete Unterdichtung 401 ist der in 3 gezeigten Unterdichtung ähnlich, aber sie umfasst eine Vielfalt verschiedener Materialdicken. Wie gezeigt, umfasst der Zufuhrabschnitt 402 einen primären Abschnitt 403 und einen Sammlerabschnitt 404, wobei der primäre Abschnitt 403 dünner ist als der Sammlerabschnitt 404. Außerdem umfasst der aktive Bereich 405 einen Überlappungsabschnitt 406, der dünner ist als der primäre Abschnitt 403 des Zufuhrbereiches 402. Außerdem umfasst die Unterdichtung 401 einen Umfangsabschnitt 407, der dicker als der primäre Abschnitt 403 des Zufuhrbereiches 402, aber dünner als der Sammlerabschnitt 404 ist. Als ein Beispiel solch einer Unterdichtung wird in Erwägung gezogen, dass ein Überlappungsabschnitt 406 eine Dicke von 0,05 mm (zusammengedrückt auf ein beinahe Festpolymer; Dichte ca. 100%) aufweisen kann, ein primärer Abschnitt 403 eine Dicke von 0,1 mm aufweisen kann, ein Umfangsabschnitt 407 eine Dicke von 0,2 mm aufweisen kann, und ein Sammlerabschnitt 404 einen Dicke von 1,0 mm (nicht zusammengedrückt) aufweisen kann. Der dünnste Abschnitt (nicht benannt) der Dichtungswulstkanäle 408 kann ebenfalls eine Dicke von 0,05 mm aufweisen.
Unter den verschiedenen offenbarten Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung sind außerdem Verfahren für eine Abdichtung zwischen Platten einer Brennstoffzelle vorgesehen. Diese Verfahren können umfassen, dass (i) ein Paar von Platten vorgesehen wird, die in einem Stapel angeordnet sind; (ii) eine Membranelektrodenanordnung vorgesehen wird; (iii) eine mikrozellulare Polymerschaum-Unterdichtung auf Extrusionsbasis vorgesehen wird, die (a) einen aktiven Bereich, der ausgestaltet ist, um die Membranelektrodenanordnung zu umrahmen; und (b) zumindest einen Dichtungswulstkanal umfasst, der in den Polymerschaum integriert und ausgestaltet ist, um ein Dichtungswulstmaterial aufzunehmen und einzuschließen; (iv) die vorgesehene Unterdichtung und die Membranelektrodenanordnung derart zwischen dem Paar von Platten angeordnet werden, dass die Membranelektrodenanordnung von dem aktiven Bereich der Unterdichtung umrahmt ist; und (v) ein Dichtungswulstmaterial vor dem Anordnender Unterdichtung zwischen dem Paar von Platten, nach dem Anordnen der Unterdichtung zwischen dem Paar von Platten, oder beidem, in den zumindest einen Dichtungswulstkanal angeordnet wird.
5 veranschaulicht ein Beispiel einer fragmentarischen, seitlichen Querschnittsansicht eines Anodenzufuhr-Teilstückes eines exemplarischen Brennstoffzellenstapels mit einer vorgesehenen Unterdichtung. Zur Veranschaulichung dafür, wo solch ein Anodenzufuhr-Teilstück in einem Brennstoffzellenstapel anzutreffen sein kann, wird Bezug auf A-A in 2 genommen. Wie gezeigt, umfasst der Brennstoffzellenstapel 501 ein Paar von Bipolarplatten 502 (Anoden-Halbplatte), 503 (Kathoden-Halbplatte) mit einem Gasdiffusionsmedium 504 und einer MEA 505, die zwischen den Platten 502, 503 angeordnet sind. Die Unterdichtung 506 ist aus einem mikrozellularen Polymerschaum auf Extrusionsbasis (wie z. B. dem mithilfe des MuCell^TM-Verfahrens gebildeten) hergestellt, der warmgeformt ist, sodass er integrierte Dichtungswulstkanäle 507 aufweist, die innerhalb des Sammlerabschnitts (nicht benannt) der Unterdichtung 506 gebildet sind. Es sind auch Dichtungswülste 508 und Überlappungsbereiche 509 der Unterdichtung 506, wie auch der Strömungspfad 510 der Anodengase gezeigt. Wie zuvor beschrieben, umfasst die Unterdichtung 506 einen vorgeformten integrierten Kanal 507, der ausgestaltet ist, um ein Dichtungswulstmaterial 508 aufzunehmen und einzuschließen, wobei die Unterdichtung 506 an dem dünnsten Abschnitt 511 des Kanals 507 nahe an ein Festpolymer (ca. 100% Dichte) pressgeformt ist. Um den Kanal 507 herum ist die Unterdichtung 506 jedoch dicker und passt mit den Merkmalen der Bipolarplatten 502, 503 zusammen, ohne Leerräume zu hinterlassen. Dies hilft weiter beim Abdichten des Stapels 501 durch Blockieren einer unerwünschten Strömung. Wie Fachleute einsehen werden, kann der Abschnitt der Unterdichtung 506, welcher den Überlappungsbereich 509 bildet, auch derart pressgeformt werden, dass er dünner ist als andere Abschnitte der Unterdichtung 506. Dieser Bereich 509 kann auch dabei hilfreich sein, die MEA zu unterstützen.
6 veranschaulicht ein Beispiel einer fragmentarischen, seitlichen Querschnittsansicht eines Kathodenzufuhr-Teilstückes eines exemplarischen Brennstoffzellenstapels mit einer vorgesehenen Unterdichtung. Zur Veranschaulichung dafür, wo solch ein Kathodenzufuhr-Teilstück in einem Brennstoffzellenstapel anzutreffen sein kann, wird Bezug auf B-B in 2 genommen. Wie gezeigt, umfasst der Brennstoffzellenstapel 601 ein Paar von Bipolarplatten 602 (Anoden-Halbplatte), 603 (Kathoden-Halbplatte) mit einem Gasdiffusionsmedium (nicht benannt) und einer MEA (nicht benannt), die zwischen den Platten 602, 603 angeordnet sind. Auch die Unterdichtung 604, der integrierte Dichtungswulstkanal 605 und die Dichtungswulst 606 sind gezeigt. Auch der Strömungspfad 607 der Kathodengase ist gezeigt. Wie zuvor beschrieben, umfasst die Unterdichtung 604 einen vorgeformten integrierten Kanal 605, der ausgestaltet ist, um ein Dichtungswulstmaterial 606 aufzunehmen und einzuschließen, wobei die Unterdichtung 604 an dem dünnsten Abschnitt (nicht benannt) des Kanals 605 nahe an ein Festpolymer (ca. 100% Dichte) pressgeformt ist. Um den Kanal 605 herum ist die Unterdichtung 604 dicker und passt mit den Merkmalen der Bipolarplatten 602, 603 zusammen. Dies hilft weiter beim Abdichten des Stapels 604, indem keine Leerräume zurückgelassen werden und eine unerwünschte Strömung blockiert wird.
7 veranschaulicht ein Beispiel einer fragmentarischen, seitlichen Querschnittsansicht eines Kühlmittelzufuhr-Teilstückes eines exemplarischen Brennstoffzellenstapels mit einer vorgesehenen Unterdichtung. Zur Veranschaulichung dafür, wo solch ein Kühlmittelzufuhr-Teilstück in einem Brennstoffzellenstapel anzutreffen sein kann, wird Bezug auf C-C in 2 genommen. Wie gezeigt, umfasst der Brennstoffzellenstapel 701 ein Paar von Bipolarplatten 702, 703 mit einem Gasdiffusionsmedium (nicht benannt) und einer MEA (nicht benannt), die zwischen den Platten 702, 703 angeordnet sind. Auch die Unterdichtung 704, der integrierte Dichtungswulstkanal 705 und die Dichtungswulst 706 sind gezeigt. Um den Kanal 705 herum ist die Unterdichtung 704 dicker und passt mit den Merkmalen der Bipolarplatten 702, 703 zusammen. Dies hilft weiter beim Abdichten des Stapels 701 durch Blockieren einer unerwünschten Strömung. Außerdem ist der Strömungspfad 707 des Kühlmittels gezeigt.
8 veranschaulicht ein Beispiel einer fragmentarischen, seitlichen Querschnittsansicht eines Kanten-Teilstückes (nicht verschachtelte Ausführung) eines exemplarischen Brennstoffzellenstapels mit einer vorgesehenen Unterdichtung. Zur Veranschaulichung dafür, wo solch ein Teilstück in einem Brennstoffzellenstapel anzutreffen sein kann, wird Bezug auf D-D in 2 genommen. Wie gezeigt, umfasst der Brennstoffzellenstapel 801 ein Paar von Bipolarplatten 802, 803 mit einem Gasdiffusionsmedium (nicht benannt) und einer MEA (nicht benannt), die zwischen den Platten 802, 803 angeordnet sind. Auch die Unterdichtung 804, der integrierte Dichtungswulstkanal 805 und die Dichtungswulst 806 sind gezeigt. Wie abgebildet, weist jede Zelle des Stapels 801 eine eigene Unterdichtung 804 auf (d. h., die Unterdichtung 804 der Zelle A ist von der Unterdichtung 804 der Zelle B getrennt).
9A veranschaulicht ein alternatives Beispiel einer fragmentarischen, seitlichen Querschnittsansicht eines Kanten-Teilstückes (verschachtelte Ausführung) eines exemplarischen Brennstoffzellenstapels mit einer vorgesehenen Unterdichtung. Wie gezeigt, umfassen die Zellen des Brennstoffzellenstapels 901 ein Paar von Bipolarplatten 902, 903 mit einem Gasdiffusionsmedium (nicht benannt), das zwischen den Platten 802, 803 angeordnet ist. Auch die Unterdichtung 904, der integrierte Dichtungswulstkanal 905 und die Dichtungswulst 906 sind gezeigt. Wie abgebildet, weisen zwei benachbarte Zellen des Stapels 901, die sich eine Unterdichtung 904 teilen (d. h., Zelle A und Zelle B teilen sich die Unterdichtung 904, und Zelle C und Zelle D teilen sich die Unterdichtung 904'), Dichtungswülste 904 auf, die nur eine geteilte Platte 903 berühren. Um diese Ausführung zu realisieren, wird eine fächerartig gefaltete Unterdichtung 904 mit vorgeformten, integrierten Dichtungswulsthohlräumen 905 verwendet. Für die gezeigte Querschnittsansicht wird die Unterdichtung 904 mit Dichtungswulsthohlräumen 905 auf entgegengesetzten Seiten der Unterdichtung 904 hergestellt, wie in 9B abgebildet. Fachleute werden einsehen, dass die vorgesehene Unterdichtung derart hergestellt sein könnte, dass sie unter allen Zellen in dem Stapel geteilt wird, und dass die vorliegende Offenlegung dieselbe ausdrücklich in Erwägung zieht.
10A veranschaulicht ein anderes Beispiel einer fragmentarischen, seitlichen Querschnittsansicht eines Kanten-Teilstückes (verschachtelte Ausführung) eines exemplarischen Brennstoffzellenstapels mit einer vorgesehenen Unterdichtung. Wie gezeigt, umfassen der Brennstoffzellenstapel 1001 ein Paar von Bipolarplatten 1002, 1003 mit einem Gasdiffusionsmedium (nicht benannt), das zwischen den Platten 1002, 1003 angeordnet ist. Auch die Unterdichtung 1004, der integrierte Dichtungswulstkanal 1005 und die Dichtungswulst 1006 sind gezeigt. Wie abgebildet, weisen zwei benachbarte Zellen des Stapels 1001, die sich eine Unterdichtung 1004 teilen (d. h., Zelle A und Zelle B teilen sich die Unterdichtung 1004, und Zelle C und Zelle D teilen sich die Unterdichtung 1004'), Dichtungswülste 1006 auf, die beide geteilten Platten 1002, 1003 berühren. Um diese Ausführung zu realisieren, wird eine fächerartig gefaltete Unterdichtung 1004 mit vorgeformten, integrierten Dichtungswulsthohlräumen 1005 verwendet. Für die gezeigte Querschnittsansicht wird die Unterdichtung 1004 mit vorgeformten Dichtungswulsthohlräumen 1005 auf der gleichen Seite der Unterdichtung 1004 hergestellt, wie in 10B abgebildet. Dies erleichtert ein einfacheres Füllen der Dichtungswulstkanäle 1005 in einem kontinuierlichen Herstellungsverfahren. Fachleute werden einsehen, dass die vorgesehene Unterdichtung derart hergestellt sein könnte, dass sie. unter allen Zellen in dem Stapel geteilt wird, und dass die vorliegende Offenlegung dieselbe ausdrücklich in Erwägung zieht.
Wie mit Bezug auf die 9–10 beschrieben, können sich zwei benachbarte Zellen eine vorgesehene Unterdichtung teilen. Allerdings können sich auch mehr als zwei Zellen eine Unterdichtung teilen. Ein Beispiel solch einer Unterdichtung ist in 11 abgebildet, wobei die Unterdichtung 1101 mit Dichtungswulsthohlräumen 1102 auf entgegengesetzten Seiten der Unterdichtung 1101 hergestellt und ausgestaltet sind, um von drei benachbarten Zellen geteilt zu werden.
Diese Anmeldung ist nicht auf die hierin beschriebenen spezifischen Merkmale und Beispiele beschränkt zu betrachten, sondern ist vielmehr als alle Aspekte der Erfindung abdeckend zu verstehen. Fachleuten werden ohne weiteres verschiedene Abwandlungen, gleichwertige Verfahren, wie auch viele Strukturen und Vorrichtungen in den Sinn kommen, mit denen die vorliegende Erfindung anwendbar sein kann. Fachleute werden einsehen, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, der nicht als auf das beschränkt zu betrachten ist, was in der Patentbeschreibung beschrieben ist.

Claims

Brennstoffzellenstapel, mit: einem Paar von Platten, das in einem Stapel angeordnet ist, wobei die Platten einen Anodensammler, einen Kathodensammler und einen Kühlmittelsammler umfasst; eine Membranelektrodenanordnung, die zwischen dem Paar von Platten angeordnet ist; einer mikrozellularen Polymerschaum-Unterdichtung auf Extrusionsbasis, die zwischen dem Paar von Platten angeordnet ist, wobei die Unterdichtung umfasst: einen aktiven Bereich, der ausgestaltet ist, um die Membranelektrodenanordnung zu umrahmen; einen Zufuhrbereich mit einem Sammlerabschnitt, der mit dem Anodensammler, dem Kathodensammler und dem Kühlmittelsammler des Paares von Platten zusammenpasst; zumindest einen Dichtungswulstkanal, der in den Polymerschaum integriert und ausgestaltet ist, um ein Dichtungswulstmaterial aufzunehmen und einzuschließen; einer ausgehärteten Dichtungswulst, die in dem zumindest einen Dichtungswulstkanal angeordnet ist, wobei die Dichtungswulst durch Auftragen eines Dichtungswulstmaterials in den Kanal vor dem Anordnen der Unterdichtung zwischen dem Paar von Platten, nach dem Anordnen der Unterdichtung zwischen dem Paar von Platten, oder beidem, und Aushärten des Dichtungswulstmaterials gebildet wird.
Verfahren für eine Abdichtung zwischen Platten eines Brennstoffzellenstapels, umfassend, dass: ein Paar von Platten vorgesehen wird, das in einem Stapel angeordnet ist, wobei die Platten einen Anodensammler, einen Kathodensammler und einen Kühlmittelsammler umfassen; eine Membranelektrodenanordnung vorgesehen wird; eine mikrozellulare Polymerschaum-Unterdichtung auf Extrusionsbasis vorgesehen wird, welche umfasst: einen aktiven Bereich, der ausgestaltet ist, um die Membranelektrodenanordnung zu umrahmen; einen Zufuhrbereich mit einem Sammlerabschnitt, der mit dem Anodensammler, dem Kathodensammler und dem Kühlmittelsammler des Paares von Platten zusammenpasst; zumindest einen Dichtungswulstkanal, der in den Polymerschaum integriert und ausgestaltet ist, um ein Dichtungswulstmaterial aufzunehmen und einzuschließen; die vorgesehene Unterdichtung und die Membranelektrodenanordnung derart zwischen dem Paar von Platten angeordnet werden, dass die Membranelektrodenanordnung von dem aktiven Bereich der Unterdichtung umrahmt ist; und ein Dichtungswulstmaterial vor dem Anordnen der Unterdichtung zwischen dem Paar von Platten, nach dem Anordnen der Unterdichtung zwischen dem Paar von Platten, oder beidem, in den zumindest einen Dichtungswulstkanal angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei Abschnitte des Dichtungswulstkanals, des Zufuhrbereiches, des aktiven Bereiches oder Kombinationen davon dünner sind als andere Abschnitte der Unterdichtung.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der aktive Bereich einen Abschnitt umfasst, der die Membranelektrodenanordnung teilweise überlappt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Polymerschaum ein Polymer umfasst, welches aus Polyethylen und Polypropylen gewählt ist, wobei das gewählte Polymer optional vernetzt ist.
Verfahren zum Herstellen einer Unterdichtung für eine Brennstoffzelle mit einem Paar von Platten, das in einem Stapel angeordnet ist, umfassend dass: eine mikrozellulare Polymerschaumtafel auf Extrusionsbasis vorgesehen wird; die vorgesehene Tafel auf eine Temperatur erwärmt wird, bei der sie biegeweich ist; die Tafel derart pressgeformt wird, dass sie (i) einen aktiven Bereich mit einem entfernbaren Abschnitt; (ii) einen Zufuhrbereich, der mit dem Anodensammler, dem Kathodensammler und den Kühlmittelsammlern des Paares von Platten zusammenpasst, wobei der Zufuhrbereich eine Vielzahl von entfernbaren Abschnitten umfasst; und (iii) zumindest einen Dichtungswulstkanal, der in den Polymerschaum integriert und ausgestaltet ist, um ein Dichtungswulstmaterial aufzunehmen und einzuschließen, aufweist; die entfernbaren Abschnitte entfernt werden; und das Polymer vor dem Entfernen der entfernbaren Abschnitte oder nach dem Entfernen der entfernbaren Abschnitte vernetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei jeder der Dichtungswulstkanäle eine Querschnittsfläche, eine Querschnittsform, eine Tiefe oder eine Kombination daraus aufweisen kann, welche/r gleich wie oder anders als die/der eines anderen der Dichtungswulstkanäle ist.
Verfahren nach Anspruch 6, umfassend, dass Abschnitte des Dichtungswulstkanals, des Zufuhrbereiches, des aktiven Bereiches oder Kombinationen davon derart pressgeformt werden, dass sie dünner sind als andere Abschnitte der Unterdichtung.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Polymerschaum ein Polymer umfasst, welches aus Polyethylen und Polypropylen gewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das gewählte Polymer nach dem Entfernen der entfernbaren Abschnitte vernetzt wird.