DE102017101760A1 - Robuste materialien und verfahren zur abdichtung von brennstoffzellenstapeln unter verwendung dünner elastomeren dichtungen - Google Patents

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Abstract

Ein Brennstoffzellenstapel mit einer bipolaren Plattenanordnung und ein Verfahren zur Montage eines Brennstoffzellenstapels, sodass das Austreten von Reaktant oder Kühlmittel verringert ist. Bipolare Platten innerhalb des Systems beinhalten Reaktant-Kanäle und Kühlmittelkanäle, die in fließender Verbindung mit Einlass- und Auslass-Strömungswegen stehen, die alle innerhalb einer mit Kühlmittel oder Reaktant in Berührung stehenden Oberfläche der Platte geformt sind. Eine oder mehrere dünne oder mit niedrigem Aspektverhältnis versehene Mikroabdichtungen werden auch auf einer Metallwulst gebildet, die angeformt auf einer Oberfläche der Platte ist und bei der Verminderung des Austretens hilft, indem die Flüssigkeits-Isolierung der Reaktanten und Kühlmittel aufrechterhalten wird, während diese durch ihre jeweiligen Kanäle und Strömungswege fließen, die zwischen angrenzend angeordneten Platten definiert sind. Durch das zeitverzögerte Aktivieren der Klebeverbindung zwischen der Mikroabdichtung und einer angrenzenden Oberfläche innerhalb der Brennstoffzelle bis nachdem die ausgerichteten Zellenanordnungen komprimiert in einem Gehäuse gehalten werden, wird die Fähigkeit der Mikroabdichtung und ihrer angrenzenden Oberfläche verbessert, das Austreten von Reaktant oder Kühlmittel zu verhindern.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Vorrichtung und ein Verfahren für eine verbesserte Reaktionsmittel- und Kühlmittelabdichtung in verbundenen oder strömungstechnisch zusammenwirkenden Fluidtransportplatten, die in einer Brennstoffzellenanordnung, und insbesondere in einer Mikroabdichtung verwendet werden, die auf einer Metallwulst angeordnet ist, die integral auf einer zusammenwirkenden Oberfläche einer oder beider Platten ausgebildet ist, um eine effektivere Fluidisolation für das Reaktionsmittel oder das Kühlmittel zu schaffen, das durch Kanäle transportiert wird, die innerhalb der Plattenoberflächen definiert sind.
  • Brennstoffzellen verwandeln Brennstoff in eine nutzbare Elektrizität mittels elektrochemischer Reaktion. Ein signifikanter Nutzen dieser Energieproduktion besteht darin, dass sie erreicht wird, ohne sich auf die Zündung als Zwischenschritt verlassen zu müssen. Brennstoffzellen haben einige umweltfreundliche Vorteile gegenüber Verbrennungsmotoren (ICEs) für den Antrieb und ähnlichen vortreibenden Anwendungen. In einer typischen Brennstoffzelle – wie zum Beispiel einer Protonenaustauschmembran- oder Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (in beiden Fällen PEM) – wird ein Paar katalysierter Elektroden durch ein ionendurchlässiges Medium (wie zum Beispiel Nafion™) in etwas geteilt, das üblicherweise als Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) bezeichnet wird. Die elektrochemische Reaktion entsteht, wenn ein erster Reaktant in Form eines gashaltigen Reduktionsmittels (wie Wasserstoff, H2) eingeführt und an der Anode ionisiert wird und dann das ionendurchlässige Medium passiert, das es mit einem zweiten Reaktant in Form eines gashaltigen oxidierenden Stoffes (wie Sauerstoff O2) kombiniert, das durch die andere Elektrode (die Kathode) eingeführt wurde; diese Kombination aus Reaktanten bildet Wasser als Nebenprodukt. Die Elektronen, die bei der Ionisierung des ersten Reaktanten freigesetzt wurden, werden in Form von Gleichstrom (GS) über den äußeren Stromkreis, der typischerweise eine Ladung beinhaltet (wie einen elektrischen Motor oder auch verschiedene Pumpen, Ventile, Kompressoren oder andere Komponenten, die Flüssigkeit führen) zur Kathode weitergeleitet, wo nützliche Arbeiten verrichtet werden können. Der Strom, der durch diesen Durchlauf von Gleichstrom erzeugt wurde, kann durch das Kombinieren zahlreicher dieser Zellen zu einer größeren stromerzeugenden Anordnung vergrößert werden. In dieser Konstruktion sind die Brennstoffzellen entlang einer gemeinsamen gestapelten Dimension verbunden – fast wie ein Stapel Spielkarten – um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden.
  • In einem derartigen Stapel sind benachbarte MEAs voneinander durch eine Reihe von Flusskanälen für die Reaktanten getrennt, die gewöhnlich in Form von gasundurchlässigen, bipolaren Platten sind (hierin auch als Strömungsfeldplatte bezeichnet), welche – neben der Förderung des Transports von Reaktanten, Kühlmittel und Nebenprodukten – der MEA sowohl strukturellen Halt geben, als auch für Sammlung oder Transport des elektrischen Stroms sorgen. In einer üblichen Variante folgen die Kanäle gewöhnlich einem Schlangenlinienmuster, das den Großteil der gegenüberliegenden, im Allgemeinen flachen Oberflächen einer jeden Platte abdeckt. Die beieinanderliegende Anordnung von Platte und MEA fördert den Transport der Reaktanten zu oder von der Brennstoffzelle, während zusätzliche Kanäle (die strömungsmäßig von den Reaktantkanälen entkoppelt sind) auch für den Kühlmitteltransport genutzt werden können. In einer Ausführung ist die bipolare Platte selbst eine Baugruppe, die geformt wird, indem ein Paar dünner Metallbleche (Halbplatten genannt), in die Kanäle eingeprägt oder anderweitig integral in deren Oberfläche eingeformt sind, befestigt sind. Die diversen Reaktanten- und Kühlmittelfließwege, die durch die Kanäle auf jeder Seite geformt sind, treffen sich für gewöhnlich an einer Sammelleitung (hierin auch als Sammelregion oder Sammelbereich bezeichnet), die einer oder mehrerer gegenüberliegender Kanten der Platte definiert ist. Beispiele all dieser Funktionen – sowie eine gewöhnliche Konstruktion einer solchen bipolaren Plattenbaugruppe, die in PEM-Brennstoffzellen verwendet werden kann – werden in den im gemeinsamen Besitz befindlichen US-Patenten 5,776,624 und 8,679,697 gezeigt und erläutert, deren Inhalte hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen werden.
  • Es ist wichtig, ein Austreten und eine damit zusammenhängende Fluid-Überlagerung in einem PEM-Brennstoffzellenstapel zu vermeiden. Zur Überwindung eines solchen Austretens hat der Anmelder der vorliegenden Erfindung eine relativ dicke elastomere Dichtung auf diskreten Teilen der relativ ebenen Oberfläche der Bipolarplatte angewendet. Während die dicke Art der Abdichtungen für die Herstellung des erforderlichen Grads der Abdichtung nützlich ist, ist ein solcher Ansatz jedoch unbrauchbar in tatsächlichen Brennstoffzellenstapeln, die aus mehr als hundert Bipolarplatten und MEA-Baugruppen bestehen, da Größenbedenken – insbesondere in den begrenzten Räumen eines Automobil-Motorraums – vorrangig werden. Außerdem macht die Schwierigkeit, eine gleichbleibende und wiederholbare Anordnung der Dichtungen zu gewährleisten, diesen Ansatz kostspielig.
  • In einer Alternative zur Verwendung dicker elastomerer Abdichtungen hat der Anmelder der vorliegenden Erfindung integral geformte Bipolarplattenabdichtungen entwickelt, wo Prägungen in den Plattenoberflächen gebildet werden in allgemein ähnlicher Weise zu denen, welche die Reaktant- und Kühlmittelkanäle formen, und somit dichtungsähnliche nach außen ragende Metallwülste erzeugen, um diskrete Kontaktstellen zwischen angrenzenden Plattenoberflächen zu bilden. Diese Wülste (die beispielsweise einen Querschnitt mit rechteckiger, trapezförmiger, halbkugelähnlicher oder anderer ähnlicher Form definieren können) sind besser kompatibel mit den Anforderungen der Massenproduktion als die oben erwähnte Abscheidung eines dicken elastomeren Dichtmittels. Insbesondere hat der Anmelder eine dünne, relativ weiche, nachgiebige Dichtungsschicht aufgebracht, wo es im Idealfall keine Änderung der Dicke oder Struktursteifigkeit entlang der Länge der Dichtungsmasse gibt, sodass der nominale Dichtungsdruck (basierend auf der angewendeten Stapelkraft pro Dichtmittellänge geteilt durch Dichtmittelbreite) im Wesentlichen gleichförmig sein sollte. Trotzdem ist die ordnungsgemäße Abdichtung und Vermeidung von Druckschwankungen entlang der Länge der Wulst schwer zu realisieren, insbesondere im Hinblick auf die inhärenten Tücken bei der Herstellung von Brennstoffzellenstapeln, wobei sowohl Maßtoleranzen der gebildeten Wülste als auch die Fehlausrichtung von hundert oder mehr einzelnen Zellen innerhalb des Stapels auftreten, sodass eine Variation des effektiven Dichtungsdrucks und gleichzeitiges Austreten entlang der Länge der Wulst in einem oder mehreren Bereichen der Platte unvermeidbar ist.
  • Eine zusätzliche Schwierigkeit rührt daher, wie das Dichtmittel innerhalb der Bipolarplattenanordnung angeklebt wird. Im bisher untersuchten und oben vom Anmelder erörterten Ansatz bildet das Dichtmittel zuerst eine Klebeverbindung zwischen sich und dem Substrat der Wulst. Wie vorstehend erwähnt, während konventionelle dicke Abdichtungen tendenziell relativ unempfindlich für solches Kleben sind, haben die aktuellen Erfinder entdeckt, dass jeder Versuch zur Verringerung der Dichtmitteldicke zu einer erheblichen Empfindlichkeit des Dichtungsdrucks dahingehend führt, wie das Dichtmittel an der Grenzfläche zwischen ihm und dem darunterliegenden Substrat eingezwängt ist. So ist beispielsweise bei einem 1,1 mm breiten Dichtmittel, das relativ dünn ist (d. h. etwa 0,15 mm hoch), können die Stellen, welche die Haftung verlieren oder von Beginn an keine Haftung haben, wesentlich geringere Drücke aufweisen als die der gleichen Dichtung mit einwandfreier Haftung. Eine weitere Schwierigkeit entsteht aus der Tatsache, dass die lange Lebensdauer eines Brennstoffzellenstapels in einer rauen Automobilumgebung oft zu einem gewissen Ablösen entlang der Länge des ausgehärteten Dichtmittels führt. Derartige zurückliegende Untersuchungen durch die Erfinder haben gezeigt, dass, wenn ein Punkt oder Abschnitt während der Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels die Haftung verliert, dieser Bereich 75% des Dichtungsdrucks verlieren kann, was zu einem unzulässig hohen Austreten von Reaktant oder Kühlmittel führen kann.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Angesichts vorstehend genannter Schwierigkeiten haben die aktuellen Erfinder eine robuste Methode zum Schutz vor Verlust oder ungleichmäßiger Haftung eines Dichtmittels entdeckt, dass innerhalb einer Bipolarplattenanordnung oder eines Brennstoffzellenstapels mit solchen Bipolarplatten eingesetzt wird, sowie eine Methode zur Verwendung eines solchen Dichtmittels in Verbindung mit angeformten Metallwülsten. Bezüglich eines Aspekts der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Bildung eines Brennstoffzellenstapels offenbart. Das Verfahren beinhaltet das Bereitstellen eines Paars von Platten, die in einer bipolaren Plattenanordnung verwendet werden, wobei jede Platte einen oder mehrere Reaktant-Kanäle, Reaktant-Sammelbereiche, Kühlmittelkanäle und Kühlmittel-Sammelbereiche auf seiner Oberfläche beinhaltet sowie eine angeformte Metallwulst, die von der Oberfläche herausragt. Der oberste Teil der Metallwulst definiert einen im Allgemeinen ebenen dichtungsartigen Eingriffsabschnitt, der so konfiguriert ist, dass er mit einer der kompatiblen Oberfläche einer zugewandten angrenzenden Platte, MEA oder ähnlichen Oberfläche mit einer daran angeordneten Mikroabdichtung zusammenwirkt. In Situationen, in denen die Mikroabdichtung an der Metallwulst geformt und daran gebunden ist, wird diese Kombination als Metallwulst-Dichtung (MBS) bezeichnet. In einer Form wird die Anordnung gestapelt, indem eine erste Mikroabdichtung auf den Eingriffsabschnitt der Wulst einer ersten Platte derart angeordnet wird, dass die Mikroabdichtung aushärtet, bevor ein Stapeln oder ein ähnlicher Eingriff zwischen angrenzenden zugewandten Oberflächen erfolgt. Durch diese Härtung wird die Mikroabdichtung vorübergehend verklebt oder geheftet – wie durch relativ schwache van der Waals Kräfte oder dergleichen – an der betreffenden Oberfläche (d. h. Sub-Dichtung, Eingriffsabschnitt der Metallwulst, MEA oder eine zweite gehärtete Mikroabdichtung. Nach dieser Härtung werden diese Anordnungen mit entsprechenden MEAs entlang einer Stapelabmessung ausgerichtet und dann in einem komprimierten Zustand in einem Gehäuse untergebracht, um den Stapel in seine endgültige und richtige höhenmäßige Abmessung zu bringen. Das Aktivieren der Haftung zwischen der Mikroabdichtung und Platte innerhalb jeder Anordnung (sowie optional zwischen angrenzenden Anordnungen) erfolgt erst nachdem der Stapel im Wesentlichen montiert, richtig ausgerichtet und komprimiert im Gehäuse gehalten wird. Diese nachträgliche Aktivierung der Haftung zwischen Mikroabdichtung und ihrem angrenzenden Substrat hat den Effekt, dass die Mikroabdichtungen innerhalb des endgültigen Stapels sorgfältiger und gleichmäßiger verteilt sind. Zusätzlich hilft es, den Dichtungsdruck unempfindlich gegenüber einem nachfolgenden Verlust der Haftung zu machen, der im Laufe der Betriebsdauer des Stapels auftreten kann.
  • Im vorliegenden Zusammenhang sollten die Härtung des Materials der Mikroabdichtung und das Aktivieren der Haftung an den Kontaktstellen als zwei getrennte Schritte verstanden werden, wobei die Härtung der Verwendung von Wärme oder einem ähnlichen Mittel zur erleichterten Vernetzung innerhalb des Polymer-Netzwerks der Mikroabdichtung zum Erzeugen der gewünschten Struktur entspricht, während das Aktivieren der Haftung eine im Wesentlichen feste chemische Bindung zwischen dem Material der Mikroabdichtung und dem Substrat schaffen soll (nämlich entweder der Metallwulst und/oder der Sub-Dichtung), an dem sie befestigt ist. In einer bevorzugten Form steht der Eingriffsbereich der Wulst der zweiten Platte des Paares in Kontakt mit der zweiten Mikroabdichtung, sodass bei kooperativem Eingriff zwischen dem Plattenpaar die beiden MBSs in Kontakt stehen, um eine wesentliche Flüssigkeitsisolierung eines Reaktanten oder Kühlmittels zu bewirken, dass beim Betrieb des Stapels durch jeweils einen der Kanäle oder Sammler geführt wird. In einer anderen bevorzugten Form kann die Mikroabdichtung auf eine Sub-Dichtung angebracht werden, die zur Verringerung des Austretens an der Peripherie der MEA verwendet wird.
  • Im vorliegenden Kontext dient der Begriff „Mikroabdichtung” zur Unterscheidung der dünnen Dichtung mit geringem Aspektverhältnis (d. h. kleiner als eins) der vorliegenden Erfindung von jenen mit dicken (d. h. hohem Aspektverhältnis von gleich oder größer als eins) Konstruktionen. Wie vorstehend erwähnt, sind relativ dicke Dichtungen für die Großserienfertigung von Brennstoffzellenstapeln mit einer großen Anzahl von Bipolarplatten, MEAs und zugehörigen Komponenten wirtschaftlich nicht rentabel und gelten als außerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung. Weiterhin unterscheidet sich im vorliegenden Zusammenhang ein effektiver Dichtungsdruck (oder effektiver Abdichtungsdruck oder effektiver Druck in allen Fällen Peff) derart von einem konventionellen Abdichtungsdruck, dass erstere Abweichungen der Steifigkeit oder Nachgiebigkeit einer abgeschiedenen Mikroabdichtung berücksichtigt, welche die Verwendung solcher Dichtungen in sehr dünnen Formen begleiten. Die Erfinder haben ermittelt, dass herkömmliche Eigenschaften des Grundmaterials bei diesen sehr dünnen Strukturen der Mikroabdichtung infolge geometrischer Begrenzung nicht gelten. So beginnt beispielsweise das elastomere Material, das normalerweise für die nachgiebige Dichtung verwendet wird, sich versteifend zu verhalten, wenn die Dichtung sehr dünn gegenüber ihrer Breite ist; somit entstehen in Situationen, wenn die Dichtung relativ breit gegenüber ihrer Höhe ist, räumliche Begrenzungen für die Fähigkeit der Dichtung, in Reaktion auf angelegte Lasten zu komprimieren. Diese räumlichen Begrenzungen sind stärker betont, wenn die Mikroabdichtung an einem oder mehreren Substraten verklebt ist. Diese Effekte bewirken wiederum tendenziell, dass ein effektives Elastizitätsmodul (Eeff) deutlich höher ist als jene Eigenschaft des Grundmaterials des elastomeren Material, woraus die Mikroabdichtung besteht. Details im Zusammenhang mit diesem Anstieg von Eeff und folglich des Dichtungsdrucks Peff finden sich in einem Artikel mit dem Titel The Effect of Compressibility on the Stress Distributions in Thin Elastomeric Blocks von Yeh-Hung Lai, D. A. Dillard und J. S. Thornton im The Journal of Applied Mechanics (1992), dessen Inhalte als Referenz in ihrer Gesamtheit einbezogen sind. Dieses größere effektive Elastizitätsmodul äußert sich, da es eine entsprechend höhere Drucklast erfordert, um dieselbe Verschiebung der Mikroabdichtung durch Kompression zu bewirken. Da Brennstoffzellenstapel typischerweise unter einem Dichtungsdruck zwischen 1 und 6 MPa montiert sind, ist die Begrenzung der Mikroabdichtungs-Verschiebung (beispielsweise durch das vorzeitige Aktivieren eines angebrachten (oder anderweitig geformten) Klebers bei durch Kompression berührten Komponenten) während des Verfahrens der Stapelmontage gleichbedeutend mit dem Hemmen der Fähigkeit einer Mikroabdichtung, sich an die Unregelmäßigkeiten in den Substratoberflächen (d. h. Metallwulst, Sub-Dichtung oder MEA) anzupassen, was wiederum unerwünscht zu einem erhöhten Auftreten von Undichtigkeit führt. Es ist diese Art der verhinderten Bewegung, welch die vorliegende Erfindung vermeidet, indem sie die räumlichen Begrenzungen in Verbindung mit der Verklebung der Dichtung mit dem Substrat aufhebt, wie es hierin beschrieben ist.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine bipolare Plattenanordnung für ein Brennstoffzellensystem ein Paar von Platten mit jeweils einem oder mehreren Reaktant-Kanälen, Reaktant-Sammelbereichen, Kühlmittel-Kanälen und Kühlmittel-Sammelbereichen auf einer Oberfläche davon, wie offenbart. Mindestens eine der Platten definiert eine angeformte Metallwulst-Dichtung, die sich von der Oberfläche aus in einer Weise erstreckt, die allgemein ähnlich zu den Plattenvorsprüngen ist, welche die Reaktant- oder Kühlmittel-Kanäle definieren.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellenstapel offenbart. Der Stapel beinhaltet zahlreiche einzelne Brennstoffzellen, die entlang einer Stapelachse in einem Gehäuse ausgerichtet und komprimierbar enthalten sind. Jede der Zellen beinhaltet ein Plattenpaar in einer gegenüberliegenden Anordnung ihrer Oberflächen, wobei jede Oberfläche einen oder mehrere Reaktant-Kanäle, Reaktant-Sammelbereiche, Kühlmittel-Kanäle und Kühlmittel-Sammelbereiche definiert. Die Oberflächen beinhalten auch eine angeformte Metallwulst, die davon herausragt, um einen Eingriffsabschnitt daran zu definieren. Mindestens zwischen einigen der Plattenpaare sind MEAs angeordnet; in einem derartigen Fall ist jeder der Reaktant-Kanäle von diesem Plattenpaar in Flüssigkeitsaustausch mit einer jeweiligen Anode oder Kathode innerhalb der MEA angeordnet. Am Eingriffsabschnitt mindestens eines Plattenpaars ist eine Mikroabdichtung derart angeordnet, sodass die Mikroabdichtung vor der Ausrichtung im Wesentlichen ausgehärtet ist, aber noch nicht wesentlich verklebt ist, bis die zahlreichen Zellen zusammengedrückt innerhalb des Gehäuses enthalten sind. Abhängig von der Art des Zellenaufbaus kann ein solcher Kontakt von der Mikroabdichtung zu einer angrenzenden Sub-Dichtung, MEA, einem Eingriffsabschnitt einer angrenzenden bipolaren Plattenanordnung und gehärteten Mikroabdichtung erfolgen, die auf dem Eingriffsabschnitt der angrenzenden bipolaren Plattenanordnung abgeschieden ist.
  • Diese und andere Aspekte oder Ausführungsformen werden für Durchschnittsfachmänner beim Lesen der folgenden ausführlichen Beschreibung und den angefügten Ansprüchen ersichtlich sein.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die folgende ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist am verständlichsten, wenn sie zusammen mit den folgenden Zeichnungen gelesen wird, in welchen gleiche Strukturen mit gleichen Referenzzahlen bezeichnet sind und deren verschiedene Bestandteile nicht notwendigerweise maßstabsgerecht dargestellt sind:
  • 1 zeigt eine schematische Explosionszeichnung eines Brennstoffzellenstapels, der gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zusammengesetzt werden kann;
  • 2 ist eine vereinfachte Darstellung einer teilweise auseinandergezogenen Schnittansicht eines Teiles einer Brennstoffzelle mit umgebenden bipolaren Platten;
  • 3 ist eine Detail-Draufsicht einer Bipolarplatte aus 2, welche eine Metallwulst beinhaltet, die eine Mikroabdichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung unterbringen kann;
  • 4 zeigt in einer Grafik, wie die Vermeidung der Bildung einer Klebeverbindung zwischen der Mikroabdichtung und einer Bipolarplattenanordnung vor dem Stapeln der einzelnen Zellen, der Ausrichtung und Kompression gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung die Leck-Prävention verbessert; und
  • 5 zeigt eine vereinfachte Seitenansicht der relativen Anordnung der Metallwülste, Mikroabdichtungen und Sub-Dichtungen innerhalb einer angrenzend angeordneten Bipolarplattenanordnung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Unter Bezugnahme zunächst auf die 1 bis 3 werden eine vereinfachte Ansicht eines Brennstoffzellenstapels 1 in Explosionsdarstellung (1), eine PEM Brennstoffzelle 30 (2) sowie eine bipolare Plattenanordnung 65 (3) gezeigt. Der Stapel 1 beinhaltet ein Gehäuse 5, das aus einer Trockenendeinheitplatte 10 und einer Nassendeinheitplatte 15 besteht; dieses (sowie anderes, nicht gezeigtes) kann dabei helfen, das zusammendrückende Klammern des Kompressionsbeibehaltungssystems des Gehäuses 5 durchzuführen; ein solches Kompressionsbeibehaltungssystem beinhaltet eine Vielzahl von Bolzen (nicht abgebildet) die sich durch die Dicke des Stapels 1, sowie durch diverse Seitenpanele 20 und steife Klammerelemente 25 erstrecken, die vertikal entlang der Stapelrichtung (der Y-Achse) erstrecken, um die Nassendeinheitplatte 15 an der Trockenendeinheitplatte 10 zu befestigen. Stapel diverser Brennstoffzellen 30 werden sicher in einer zusammengepressten Beziehung entlang der Stapelrichtung durch das Wirken der Bolzen, Klammerelemente 25 und anderer Komponenten im Gehäuse 5 gehalten. Während die Stapelachse der Brennstoffzelle 1 im vorliegenden Kontext entlang einer im Wesentlichen vertikalen (d. h. Y) kartesischen Achse sein kann, liegt daher der Großteil der im Allgemeinen ebenen Oberflächen einer jeden Brennstoffzelle 30 in der X-Z-Ebene. Unabhängig davon werden Fachleute erkennen, dass die genaue Orientierung der Zellen 30 innerhalb des Stapels 1 nicht entscheidend ist, sondern vielmehr einen bequemen Weg darstellt, um die geformte Landschaft auf den Oberflächen der einzelnen Platten darzustellen, die nachfolgend näher erläutert werden.
  • Mit besonderem Hinweis auf die 2 und 3 beinhaltet die Brennstoffzelle 30 eine im Wesentlichen ebene Protonenaustauschmembran 35, eine Anoden-Katalysator-Schicht 40 im zugewandten Kontakt mit einer Seite der Protonenaustauschmembran 35 und einer Kathoden-Katalysator-Schicht 45 im zugewandten Kontakt mit der anderen Seite. Zusammen werden die Protonaustauschmembran 35 und die Katalysatorschichten 40 und 45 als MEA 50 bezeichnet. Eine Anodendiffusionsschicht 55 ist in gegenüberliegenden Kontakt mit der Anoden-Katalysator-Schicht 40, während eine Kathodendiffusionsschicht 60 in gegenüberliegendem Kontakt mit der Kathoden-Katalysator-Schicht 45 ist. Jede der Diffusionsschichten 55 und 60 ist aus einer allgemein porösen Konstruktion, um den Übertritt gasförmiger Reaktanten hin zu den Katalysator-Schichten 40 und 45 zu ermöglichen. Zusammen werden Anoden-Katalysator-Schicht 40 und Kathoden-Katalysator-Schicht 45 als Elektroden bezeichnet und können als separate eigene Schichten wie gezeigt oder in der Alternative (wie oben erwähnt) als zumindest teilweise in die Diffusionsschichten 55 beziehungsweise 60 eingebettet und teilweise in die gegenüberliegenden Seiten der Protonaustauschmembran 35 eingebettet geformt werden.
  • Neben der Bereitstellung eines im Wesentlichen porösen Fließwegs, damit Reaktantgase die passende Seite der Protonaustauschmembran 35 erreichen, stellen die Diffusionsschichten 55 und 60 elektrischen Kontakt zwischen den Elektroden-Katalysator-Schichten 40, 45 und einer bipolaren Plattenbaugruppe 65 her, die wiederum als Stromsammler fungiert. Ferner formen die Diffusionsschichten 55 und 60 durch ihre allgemein poröse Natur einen Leiter für den Abtransport von Produktgasen, die an den Katalysator-Schichten 40, 45 erzeugt werden. Darüber hinaus erzeugt die Kathodendiffusionsschicht 60 erhebliche Mengen an Wasserdampf in der Kathodendiffusionsschicht. Diese Eigenschaft ist wichtig, um die Protonaustauschmembran 35 hydriert zu halten. Der Durchtritt von Wasser durch die Diffusionsschichten kann durch die Zugabe kleiner Mengen Polytetrafluorethylen (PTFE) oder ähnlicher Materialien reguliert werden.
  • Obgleich theoretisch mit einer dickwandigen Struktur in 2 gezeigt, nutzen die einzelnen Platten 65A und 65B (hierin auch als Halbplatten bezeichnet), die die Baugruppe 65 ausmachen, vorzugsweise die dünne oder folienartige Struktur (wie in Verbindung mit 3 dargestellt und näher beschrieben wird); daher sollte 2 nicht dafür verwendet werden, die relative Dicke der Anordnung 65 abzuleiten. Vereinfachte gegenüberliegende Oberflächen, die von den gegenüberliegend-angrenzenden Halbplatten 65A und 65B definiert werden, sind bereitgestellt, um jede MEA 50 und zugehörige Diffusionsschichten 55, 60 von den angrenzenden MEAs und Schichten (beide nicht abgebildet) im Stapel 1 abzugrenzen. Eine Halbplatte 65A greift in die Anodendiffusionsschicht 55 ein, während eine zweite Halbplatte 65B in die Kathodendiffusionsschicht 60 eingreift. Die zwei dünnen, gegenüberliegenden Metallbleche, aus denen die Halbplatten 65A, 65B bestehen, definieren – bei passenden Kompressions- und zugehörigen Fügetechniken – die Plattenanordnung 65. Jede Halbplatte 65A und 65B (welche nach dem Zusammenbau als einheitliches Ganzes die bipolare Platte 65 darstellen würden) definiert diverse Reaktantgasflusskanäle 70 entlang einer entsprechenden Plattenseite. Auch wenn die bipolare Platte 65 so gezeigt ist (zu stilisierten Zwecken), dass sie ausschließlich rechtwinklige Reaktantgasflusskanäle 70 und umgebende Strukturen definiert, werden Fachleute erkennen, das eine akkuratere (und vorzugsweise) Ausführungsform allgemein Kanäle 70 verwendet, die einem Schlangenlinienmuster folgen. Die Oberseiten der Kanäle definieren Stege 72, die als Eingriffsoberflächen zu komplementär geformten Stegen 72 gegenüberliegender Platten wirken.
  • Im Betrieb wird ein erster gasförmiger Reaktant wie etwa H2 von der Halbplatte 65A zur Anodenseite der MEA 50 durch die Kanäle 70 geleitet, während ein zweiter gasförmiger Reaktant, wie etwa O2 (für gewöhnlich in der Form von Luft), von Halbplatte 65B zur Kathodenseite der MEA 50 durch die Kanäle 70 geleitet wird. Katalytische Reaktionen laufen an der Anode 40 beziehungsweise Kathode 45 ab und erzeugen Protonen, die durch die Protonaustauschmembran 35 migrieren und Elektronen, die zu einem elektrischen Strom führen, welcher durch die Diffusionsschichten 55 und 60 und die bipolare Platte 65 übertragen werden kann, da Kontakt zwischen derselben und den Schichten 55 und 60 besteht. Zugehörige Kanäle (nicht abgebildet) können genutzt werden, um Kühlmittel für das Regulieren der von der Brennstoffzelle 1 erzeugten Temperatur zu transportieren. In Situationen, in denen die Halbplatten 65A, 65B ausgeführt sind, um Kühlmittel zu leiten, sind ihre Funktionen mit denen der Platten vergleichbar, die Reaktanten leiten; sind ähnlich konstruiert und werden hierin nicht näher erläutert.
  • Sub-Dichtungen 75 (von denen ein Teilbereich in Schnittdarstellung gezeigt ist) können an vielen Stellen des Stapels 1 zur verbesserten Abdichtung angeordnet sein. In einer bevorzugten Form sind sie aus einem nichtleitenden und gasundurchlässigem Material (wie Kunststoff) gefertigt, der am Perimeter der MEA 50 befestigt ist, um die verschiedenen elektrisch-leitenden Schichten (wie die Elektrode 40 und die Gasdiffusionsschicht 55 anodenseitig sowie die Elektrode 45 und Gasdiffusionsschicht 60 kathodenseitig) voneinander zu trennen. Eine weitere wichtige Funktion der Sub-Dichtung 75 ist es, dass Übergangs-Leck und damit verbundene Mischen der Reaktanten am Rand der MEA 50 zu vermeiden. In einer Form definiert die Sub-Dichtung 75 ein im Allgemeinen ebenes rahmenartiges Element, das umfangsmäßig zum Schutz des Randes der MEA 50 angeordnet ist. Als solche ist die Sub-Dichtung 75 vorzugsweise dort angeordnet, wo die Elastomerdichtung (weiter unten besprochen) entweder mit der MEA 50 oder der zugewandten Oberfläche einer oder mehrerer Metallwülste (auch nachfolgend besprochen) in Kontakt kommt. Dies hilft, Undichtigkeiten von Reaktionsgasen und Kühlmittel nach außen sowie deren Vermischung im Sammelbereich 85 zu reduzieren. Außerdem wird die Sub-Dichtung 75 – die vorzugsweise zwischen etwa 50 µm und 250 µm dick ist – oft genutzt, um die Trennung von Gasen und Elektronen zwischen den Katalysatorschichten 40 und 45 zum Rand der MEA 50 zu erweitern und dadurch die aktive Oberfläche der Membran 35 zu erhöhen.
  • Mit besonderem Hinweis auf 3 zeigt eine Explosionsdarstellung zwei angrenzend gestapelte Halbplatten 65A, 65B, die die bipolare Plattenanordnung bilden, mit mehr Details. Insbesondere beinhalten die einzelnen Halbplatten 65A, 65B jeweils sowohl einen aktiven Bereich 80 sowie einen Sammelbereich 85, wobei ersterer eine ebene gegenüberliegende Beziehung mit dem elektrochemisch aktiven Bereich eingeht, der zur MEA 50 und den Diffusionsschichten 55 und 60 gehört und letzterer zu einer Kante (wie gezeigt) oder einem peripheren (nicht gezeigten) Bereich gehört, wo Öffnungen, die durch die Platten 65A, 65B geformt sind, als Leiter für den An- und Abtransport von Reaktanten, Kühlmitteln oder Nebenprodukten zu und von den gestapelten Brennstoffzellen 30 dienen. Wie ersichtlich ist aus der Explosionsdarstellung in 3, können diese zwei Halbplatten 65A, 65B verwendet werden, um eine sandwichähnliche Struktur mit MEA 50 und Anoden- und Kathodendiffusionsschichten 55, 60 zu bilden und dann so oft wie nötig wiederholt werden, um einen Brennstoffzellenstapel 1 zu bilden. In einer Form sind die Anoden-Halbplatte 65A und/oder die Kathoden-Halbplatte 65B aus korrosionsbeständigem Material (wie etwa 304L SS o. ä.). Die allgemein schlangenlinienförmigen Fließkanäle 70 formen einen verwundenen Weg von nahe der Kante 90, die angrenzend zum Sammelbereich 85 ist, bis nahe der gegenüberliegenden Kante 95, die angrenzend zum gegenüberliegenden Sammelbereich 85 ist. Wie zu sehen ist, wird der Reaktant (im Fall, dass eine Platte 65A, 65B in einer gegenüberliegenden Beziehung mit MEA 50 steht) oder das Kühlmittel (im Fall, dass eine Platte 65A in einer gegenüberliegenden Beziehung mit der Rückseite einer anderen Platte 65B steht, wodurch Kühlmittelkanäle geformt werden) von einer Reihe von sich wiederholenden Toren oder Vertiefungen zu den Kanälen 70 gleitet, die eine Kopfbereich 100 formen, der zwischen dem aktiven Bereich 80 und dem Sammelbereich 85 einer (zum Beispiel Versorgung) Kante 90 liegt; eine ähnliche Ausführung befindet sich an der gegenüberliegenden (zum Beispiel Abtransport) Kante 95. In einer alternativen Ausführungsform (nicht abgebildet) können die Versorgungs- und Abtransport-Sammelbereiche nahe derselben Kante liegen (z. B. entweder 90 oder 95). In Situationen, in denen die einzelnen 65A, 65B aus einem formbaren Material bestehen (wie etwa aus den zuvor genanntem nichtrostenden Stählen), sind die verschiedenen Oberflächenmerkmale (inklusive Vertiefungen, Kanäle, Stege oder ähnliches) vorzugsweise mittels bereits bekannter Techniken geprägt, wodurch sichergestellt wird, dass sowohl die Kanäle 70, die Stege 72 und ihre entsprechenden Strukturen zusätzlich zu den Metallwülsten (welche nachfolgend näher erläutert werden) integral aus einem Materialblech geformt sind.
  • Als Nächstes mit Bezug auf 5 greift in einer Ausführungsform ein im Allgemeinen ebener Abschnitt einer Metallwulst 105 der jeweiligen Platten 65A, 65B direkt mit der Sub-Dichtung 75 ein; dieser ebene Eingriffsabschnitt wirkt als Dichtung, mit der die Sub-Dichtung 75 durch eine Mikroabdichtung 110 verbunden werden kann. In einer anderen Ausführungsform (nicht dargestellt) greift ein im Allgemeinen ebener Abschnitt einer Metallwulst 105 der jeweiligen Platten 65A, 65B direkt mit der Metallwulst 105 der gegenüberliegenden Bipolarplatten 65B, 65A ein; beide derartigen Ausführungsformen gelten als innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung. In beiden Konfiguration definieren die dichtungsartige Struktur der Metallwulst 105 und die Mikroabdichtung 110 zusammen die MBS 115. Die dichtungsähnliche Natur der Metallwulst 105 entsteht dadurch, dass sie als hochstehender rechteckförmiger, trapezförmiger (wie dargestellt) oder leicht gebogener Vorsprung durch Stanzen aus dem dünnen Metallmaterial gebildet ist, aus dem die jeweiligen Platten 65A und 65B bestehen. Die Metallwülste 105 definieren vorzugsweise eine Höhe von etwa 300 µm bis 600 µm und eine Breite zwischen etwa 1 mm und 4 mm. Die obere Seite definiert einen Eingriffsabschnitt 107, der in Aufbau und Funktion im Wesentlichen ähnlich zu den Stegen 72 ist, die auch innerhalb einer oder beider Platten 65A, 65B angeformt sein können. Als solches entspricht der Eingriffsbereich 107 dem Bereich der Metallwulst 105, die für den zugewandten Kontakt mit der Mikroabdichtung 110, Sub-Dichtung 75, MEA 50 oder angrenzenden Metallwulst 105 ausgelegt ist. Maßgeblich fungiert die Mikroabdichtung 110 (a) zum Ausfüllen der Oberflächenmängel der Metallwulst 105 oder Sub-Dichtung 75 im Eingriffsabschnitt 107, (b) zum Erzeugen einer gleichmäßigeren Dichtungskraft pro Länge entlang der Metallwulst 105 durch die Bereitstellung eines nachgiebigen Kissens zum Ausgleich der ungleichmäßig komprimierten Höhe der Metallwulst 105, (c) zur Vermeidung einer Flüssigkeits-Permeation (etwa eines Reaktanten) durch seine Bulklegierung und (d) zur Vermeidung einer Leckströmung durch die Kontaktstelle zwischen entweder (i) der Sub-Dichtung 75 und Mikroabdichtung 110 oder (ii) der Metallwulst 105 und Mikroabdichtung 110, in Abhängigkeit vom genauen Eingriff während der Bildung des Stapels 1. Die elastomere Mikroabdichtung 110 ist am Eingriffsabschnitt 107 dargestellt, obwohl es für Fachleute zu erkennen ist, dass die Mikroabdichtung 110 ebenfalls auf den Oberflächen der Sub-Dichtungen 75 sowie (oder anstelle dessen) direkt auf der Metallwulst 105 gebildet werden kann; alle Variationen gelten als innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung, ebenso Varianten, wo die Mikroabdichtung 110 direkt auf der Platte 65A, 65B oder einer anderen Struktur angeordnet ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Mikroabdichtung 110 zwischen etwa 30 µm und 300 µm dick und zwischen etwa 1 mm und 3 mm breit. Mit derartigen Abmessungen kann die Mikroabdichtung 110 unter der hohen Druckbelastung verformt werden, die bei der Bildung des Stapels 1 auftritt. Räumliche Begrenzung und die inhärente Inkompressibilität des Materials der Mikroabdichtung 110 können Spannungen in der Mikroabdichtung verursachen, insbesondere an ihrer Kontaktstelle mit den entsprechenden Substraten des Eingriffsabschnitts 107 der Metallwulst 105 oder der Sub-Dichtung 75, wo die Mikroabdichtung 110 angeklebt ist. Die Erfinder haben entdeckt, dass durch eine wesentliche Verzögerung der Bildung der Klebeverbindung bis nach der Montage und Kompression des Stapels 1 eine erhebliche Verringerung der Spannung durch Abmildern der Randbegrenzungen und ähnliche Effekte realisiert werden können. Dies wiederum vermindert die Wahrscheinlichkeit eines vorzeitigen spannungsbedingten Ausfalls der Mikroabdichtung 110. In einem idealisierten Sinne, wo gemäß vorliegender Erfindung eine latente Haftung verwendet werden kann, erfolgt kein Kleben zwischen der Mikroabdichtung 110 und einem angrenzenden Substrat vor der Montage und Komprimierung des Stapels 1; auch in Situationen der vorliegenden Erfindung, wo kleine, relativ unerhebliche Abweichungen vom Ideal auftreten, ist der Grad derart begrenzt, dass die sonst mit einem robusten Grad einer relativ zügigen Haftung verbundenen Randbegrenzungen erheblich vermindert werden. Daher werden im vorliegenden Zusammenhang Beschreibungen, welche die Bildung einer Klebeverbindung (wie der Ausdruck „wesentliche Aktivierung der Haftung” zwischen der Mikroabdichtung 75 und einem angrenzenden Substrat) beinhalten, so verstanden, dass sie solche Situationen umfassen, wo eine geringe Verklebung an dem Zwischenbereich zwischen den zusammengefügten Oberflächen vor der Montage und Komprimierung des Stapels 1 entstehen kann, solange der wesentliche Hauptteil dieser Verklebung vermieden wird, bis diese Montage und Komprimierung abgeschlossen ist.
  • Tatsächlich kann eine geringe Restmenge nicht-latenter Haftung vor der Montage des Stapels 1 sogar vorteilhaft sein zur Förderung einer verbesserten Handhabung der einzelnen Teile vor der Montage und Komprimierung. Dadurch ist die restliche aus der Verklebung der Mikroabdichtung 110 entstehende Haftung nicht so groß, dass sie eine permanente einander zugewandte Ausrichtung zwischen angrenzenden Anordnungen 65 (oder einzelnen Komponenten innerhalb einer Anordnung 65) vor der Bildung des Stapels 1 bewirkt, aber ausreichend, um ein relatives Gleiten zwischen angrenzenden Flächen in einer Ebene zu vermeiden und damit die Handhabung zu erleichtern. Zu diesem Zweck haben die Erfinder bestimmt, dass es wünschenswert sein kann, eine schwache Form der Haftung zwischen Mikroabdichtungen 110 und Metallwülsten 105 zu haben, nachdem die Mikroabdichtung 110 ausgehärtet ist, aber bevor der Schritt der dauerhaften Haftung aktiviert wird. Daher wird erwartet, dass bei der Montage des Stapels 1 die mechanischen Belastungen im Zwischenbereich infolge der Kompressionskraft diese relativ schwachen Bindungen brechen, so dass sich die Mikroabdichtung 110 entlang des Zwischenbereichs ausbreiten kann. In einer Form können relativ schwache Bindungen (wie durch van der Waals Kräfte oder ähnliche Wechselwirkungen) zwischen der Mikroabdichtung 110 und der Metallwulst 105 unterstützt werden, nachdem die Mikroabdichtung 110 aufgebracht und gehärtet ist, um diese vorübergehende gewisse Haftung zu bewirken. Im vorliegenden Kontext sind diese schwachen (oder zeitweiligen) Formen der Haftung zu unterschieden von den mehr dauerhaften Varianten wie denjenigen aufgrund kovalenter Bindungen, die eine starke chemische Bindung erzeugen. Daher erfolgt im Wesentlichen die gesamte Verklebungs-Aktivierung erst nachdem alle Brennstoffzellen innerhalb des Stapels 1 ausgerichtet und zusammengepresst sind, mit der möglichen Ausnahme der restlichen Haftung.
  • Das zur Bildung der Mikroabdichtung 110 verwendete Material besteht aus nachgiebigem Kunststoff oder Elastomer (einschließlich Polyacrylat, alhydratisiertem chlorsulfoniertem Polyethylen, Ethylenacryl, Chloropren, chlorsulfoniertem Polyethylen, Ethylenpropylen, Ethylenvinylacetat, Perfluorelastomer, Fluorcarbon, Fluorsilikon, hydriertem Nitril, Polyisopren, mikrokernigem Polyurethan, Nitrilkautschuk, Naturkautschuk, Polyurethan, Styrol-Butadien-Kautschuk, TFE/Propylen, Silikon, carboxyliertem Nitril oder dergleichen) und wird vorzugsweise nach einem Siebdruckverfahren angewendet, wobei jedoch auch andere Ansätze wie beispielsweise Stempelkissendruck, Spritzguss oder andere Abscheidemethoden verwendet werden können. Wie vorstehend erwähnt, hat in einer bevorzugten Form die durch die Mikroabdichtung 110 gebildete Schicht eine Dicke zwischen etwa 30 und 300 µm, während die bevorzugte Breite über den Eingriffsabschnitt 107 zwischen etwa 1 mm und 3 mm beträgt. In einer bestimmten Form beinhaltet das verwendete Material in der Mikroabdichtung 110 mindestens Silikon (beispielsweise in Form von Vinyl-Polydimethylsiloxan, PDMS), eine Strukturverstärkung (wie Siliziumdioxid SiO2), einen Verbindungs-Katalysator (wie einen Platinhaltigen Katalysator zur Vinyl-SiH-Verbindung) und einen Haftvermittler (wie 1,2 Bis(triethoxysilyl)ethane). Durch Verwendung einer dieser bevorzugten Rezepturen weist die Mikroabdichtung 110 eine zweiteilige Eigenschaft auf, deren erste das rasche Härten und den strukturellen Aufbau begünstigt, während die zweite die Bildung der Zwischenschicht-Verklebung bis nach der Montage und Kompression des Brennstoffzellenstapels 1 verzögert. Einzelheiten im Zusammenhang mit diesen Materialien – sowie dem Einsatz von Siebdruck, um sie auf einer geeigneten Metallwulst 105 oder Sub-Dichtungs-Substrat 75 abzuscheiden – finden sich in der gleichzeitig eingereichten US-Patentanmeldung 15/019,100 (hier nachfolgend die ‘100-Anmeldung) mit dem Titel DICHTMATERIAL MIT LATENTEN HAFTEIGENSCHAFTEN UND EIN VERFAHREN ZUR ABDICHTUNG VON BRENNSTOFFZELLEN-KOMPONENTEN MIT DEMSELBEN, die dem Anmelder der vorliegenden Erfindung gehört und dessen Inhalt hierin durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit einbezogen wird. Zusätzliche Siebdruckmerkmale, die für die Bildung von Dichtungen einzigartig sind, sind in beispielhafter Form im US-Patent 4,919,969 zu Walker offenbart mit dem Titel VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER DICHTUNG, dessen Inhalt hierin durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit einbezogen wird.
  • Als Nächstes mit Bezug auf 4 ist ein Diagramm dargestellt, das den vorhergesagten Dichtungsdruck gegenüber der Verschiebung als Beispiel zeigt, um die Verbesserung der vorliegenden Erfindung gegenüber dem Stand der Technik aufzuzeigen. Wie vorstehend erwähnt, liegt der nominale Dichtungsdruck in einem Brennstoffzellenstapel zwischen etwa 1 bis 6 MPa. In beiden im Diagramm gezeigten Fällen für den Stand der Technik und die vorliegende Erfindung wurden die Werte für die Breite und Dicke der Mikroabdichtung jeweils mit 1,1 mm und 0,15 mm gewählt. Im Stand der Technik wird die Haftung zwischen der Mikroabdichtung und der Metallwulst aktiviert, bevor die Zelle montiert wird und einen nominalen Dichtungsddruck von 3MPa bei einer Verschiebung von 0,046 mm erreicht (entsprechend Stelle A), wogegen bei der vorliegenden Erfindung die Haftung zwischen der Mikroabdichtung 110 und der Metallwulst 105 aktiviert wird, nachdem die Mikroabdichtung 110 ausgehärtet ist; dies wurde ebenfalls einem nominalen Dichtungsdruck von 3MPa ausgesetzt und zu dieser Zeit ist eine Verschiebung von 0,092 mm aufgetreten (entsprechend Stelle C). Daher erfordert die vorliegende Erfindung mehr Verschiebung für den gleichen Dichtungsdruck von 3MPa; dies wiederum gibt der Mikroabdichtung 110 die Möglichkeit zur Bewegung während der Ausrichtung, des Stapelns und (mindestens) Teilen des Komprimierungsprozesses, sodass sie alle Lücken und Unebenheiten zwischen den angrenzenden Metallwülsten 105 der verbundenen Bipolarplatten (wie den Platten 65A und 65B in 2) ausfüllt. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist ihre Fähigkeit zur Aufrechterhaltung des Dichtungsdrucks bei Haftungsverlust (was dem Pfeil von Ort A zu Ort B entspricht) während der Lebensdauer des Stapels 1. In einem Brennstoffzellenstapel ist bekannt, dass die Entfernung zwischen den angrenzenden bipolaren Platten typischerweise konstant gehalten wird, was in der vorliegenden Erfindung zu einer konstanten Verschiebung der Metallwulst 105 und Mikroabdichtung 110 führt. Wenn ein konventionelles Dichtmittel seine Haftung verliert, breitet es sich entlang des Zwischenbereichs aus, was wiederum zu einer Abnahme des Dichtungsdrucks von 3 MPa auf weniger als 1 MPa führt, wie es die Bewegung von Ort A zu Ort B aufzeigt. Andererseits verringert sich der Dichtungsdruck der Probe aus der vorliegenden Erfindung bei Haftungsverlust nicht, weil der relativ gering haftende Zwischenbereich noch während der Ausrichtung und Kompression ermöglicht, dass sich die Mikroabdichtung 110 seitlich entlang des Zwischenbereichs während der Stapelmontage ausbreitet und so erst zum Zeitpunkt der Stapelbildung und nachfolgenden Klebeverbindung in ihre endgültige Form und Abmessung kommt. Außerdem hat ein übermäßiger Dichtungsdruck (der auftreten kann, wenn beispielsweise beim bisherigen Stand der Technik versucht wird, durch Komprimierung zu einer großen Verschiebung denselben nominalen Druck zu erreichen) schädliche Auswirkungen nicht nur auf die Mikroabdichtung 110, sondern auch auf die anderen Komponenten im Stapel 1, insbesondere durch die Ausbildung großer Materialspannungen, Kriechen oder dergleichen.
  • Obwohl es nicht abgebildet ist, könnte eine bestimmte Anwendung für ein System, das auf einem Stapel von PEM-Brennstoffzellen 1 basiert, ein Automobil oder ähnliches Fahrzeug sein. Im vorliegenden Kontext wird ersichtlich sein, dass der Begriff „Fahrzeug“ sich auf Autos, Lastwagen, Vans, Sport Utility Vehicles (SUV) oder andere solcher automobilen Formen wie Busse, Luftfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, Raumfahrzeuge und Motorräder beziehen kann; All diese haben das Potential, mit der vorliegenden Erfindung kompatibel gemacht zu werden, um Antriebs- oder Fortbewegungsenergie zu erzeugen.
  • Es wird angemerkt, dass Begriffe wie „vorzugsweise“, „normalerweise“, und „typischerweise“ hier nicht zur Einschränkung des Schutzumfangs der anspruchsgemäßen Erfindung verwendet werden oder implizieren, dass bestimmte Merkmale kritisch, essenziell oder sogar wichtig für die Struktur oder Funktion der anspruchsgemäßen Erfindung sind. Stattdessen werden diese Begriffe verwendet, um lediglich alternative oder zusätzliche Merkmale hervorzuheben, die in einer bestimmten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden können aber nicht müssen. Ebenso werden die Begriffe „im Wesentlichen“ und „ungefähr“ und ihre Varianten hierin verwendet, um einen inhärenten Grad an Ungewissheit auszudrücken, die jedem quantitativen Vergleich, Wert, jeder Abmessung oder jeder Darstellung innewohnen kann. Wie vorstehend erläutert mit der Besonderheit sicherzustellen, dass keine mehr als schwachen, temporären Formen der Haftung zwischen angrenzenden Mikroabdichtungen 110 und ihren zugehörigen Substraten verwendet werden, wird der Begriff „im Wesentlichen” bei der Veränderung der Montage des Brennstoffzellenstapels 1 hierin verwendet, um darzustellen, dass einige dieser temporären oder restlichen Klebemittel hierin verwendet werden können, ohne die grundlegende Funktion der behandelten Materie zu ändern; daher beeinträchtigt die Einbeziehung einiger dieser schwächeren, mehr temporären Wege zum Halten der verschiedenen Komponenten des Stapels 1 während der Montage nicht die Tatsache, dass die wesentliche (d.h. mehr dauerhafte) Form der Haftung bis zu dem Zeitpunkt nicht verwendet wird, bis die verschiedenen gestapelten Zellen ausgerichtet, verpresst und innerhalb des Stapels 1 gesichert sind.
  • Nachdem die Erfindung ausführlich und mit Bezug zu spezifischen Ausführungen beschrieben wurde, wird es dennoch offensichtlich sein, dass Modifikationen und Variationen möglich sind, ohne den erfindungsgemäßen Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Insbesondere ist vorgesehen, dass der Umfang der vorliegenden Erfindung nicht notwendigerweise auf angegebene bevorzugte Aspekte und Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern durch die angefügten Ansprüche geregelt wird.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 5776624 [0003]
    • US 8679697 [0003]
    • US 4919969 [0029]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Artikel mit dem Titel The Effect of Compressibility on the Stress Distributions in Thin Elastomeric Blocks von Yeh-Hung Lai, D. A. Dillard und J. S. Thornton im The Journal of Applied Mechanics (1992) [0009]
    • 304L SS [0025]

Claims (10)

  1. Ein Verfahren zur Bildung eines Brennstoffzellenstapels, das Verfahren umfassend: die Bereitstellung eines Plattenpaars einer bipolaren Plattenanordnung, jede der besagten Platten umfassend: mindestens einen Reaktant-Kanal, Reaktant-Sammelbereich, Kühlmittelkanal und Kühlmittel-Sammelbereich definiert auf einer Oberfläche davon; und eine angeformte Wulst von der besagten Oberfläche herausragend und die besagte Wulst darauf einen Eingriffsabschnitt definierend; das Härten einer Mikroabdichtung, die auf besagtem Eingriffsabschnitt auf mindestens einer ersten Platte vom besagten Plattenpaar abgeschieden wurde; das Ausrichten das besagten Plattenpaars in ein zugewandt-angrenzendes Zusammenwirken mit einer weiteren entlang einer Stapelabmessung derart, dass mindestens eine besagte gehärtete Mikroabdichtung eine Oberfläche von einer Gruppe berührt, bestehend aus (a) einer Sub-Dichtung, (b) einer Membranelektrodenanordnung, (c) einem Eingriffsabschnitt einer zweiten Platte des besagten Plattenpaares und (d) einer ausgehärteten Mikroabdichtung, die auf besagtem Eingriffsabschnitt der zweiten Platte des Plattenpaares abgeschieden worden ist; die komprimierende Bildung eines Stapels besagter Anordnungen, die entlang der Stapelabmessung derart ausgerichtet sind, sodass beim kooperativen Eingriff zwischen dem Plattenpaar jeder der Baugruppen die besagten Eingriffsabschnitte und alle dazwischen angeordneten besagten gehärteten Mikroabdichtungen in Berührung mit der Oberfläche kommen, um eine wesentliche Flüssigkeits-Isolierung eines Reaktanten oder Kühlmittels zu erreichen, der/das beim Betrieb des besagten Stapels durch jeweils einen der durch die Wulst definierten besagten Kanäle oder Sammelbereiche geführt wird; die wesentliche Aktivierung der Haftung zwischen der ersten kontaktierten Oberfläche innerhalb jeder der ausgerichteten Anordnungen erst nachdem die ausgerichteten Anordnungen komprimiert im besagten Gehäuse gehalten werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Härten der Mikroabdichtung auf dem Eingriffsabschnitt erfolgt, sodass im Wesentlichen keine Haftung dazwischen auftritt bis wie besagt durch Komprimierung der Stapel gebildet worden ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, worin besagte Mikroabdichtung eine aufgebrachte Dicke zwischen etwa 30 µm und 500 µm definiert.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, worin besagte Mikroabdichtung eine aufgebrachte Breite zwischen etwa 0,5 mm und etwas 3,0 mm definiert.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, worin besagte Mikroabdichtung mindestens aus Silikon, einer Strukturverstärkung, einem Verbindungs-Katalysator und einen Haftvermittler besteht.
  6. Eine bipolare Plattenanordnung für ein Brennstoffzellensystem, besagte Anordnung Folgendes umfassend: ein Paar von Platten, jede umfassend: mindestens einen Reaktant-Kanal, Reaktant-Sammelbereich, Kühlmittelkanal und Kühlmittel-Sammelbereich definiert auf einer Oberfläche davon; und eine angeformte Metallwulst von der besagten Oberfläche herausragend und die besagte Wulst darauf einen Eingriffsabschnitt definierend; und eine Mikroabdichtung auf besagtem Eingriffsabschnitt von mindestens einer ersten Platte eines Plattenpaars derart, dass besagte Mikroabdichtung im Wesentlichen ausgehärtet ist vor dem Ausrichten, Stapeln und komprimierenden Eingriff zwischen der besagten Anordnung und einer angrenzenden bipolaren Plattenanordnung, wobei besagte Mikroabdichtung und der Eingriffsabschnitt mit einer anderen Oberfläche innerhalb der Anordnung zusammenwirken, um eine wesentliche Flüssigkeits-Isolierung eines Reaktanten oder Kühlmittels zu erreichen, der/das beim Betrieb des besagten Stapels durch jeweils einen der durch die besagte Wulst gebildeten Kanäle oder Sammelbereiche geführt werden.
  7. Anordnung nach Anspruch 6, worin besagte Mikroabdichtung eine angeordnete Dicke zwischen etwa 30 µm und 500 µm definiert.
  8. Anordnung nach Anspruch 6, worin besagte Mikroabdichtung eine angeordnete Breite zwischen etwa 0,5 mm und etwas 3,0 mm definiert.
  9. Brennstoffzellenstapel, Folgendes umfassend: ein Gehäuse; und eine Vielzahl einzelner Brennstoffzellen innerhalb des Gehäuses entlang einer Stapelachse ausgerichtet, jede der besagten Zellen umfassend: ein Paar von Platten, jede umfassend: mindestens einen Reaktant-Kanal, Reaktant-Sammelbereich, Kühlmittelkanal und Kühlmittel-Sammelbereich definiert auf einer Oberfläche davon; und eine angeformte Metallwulst von der besagten Oberfläche herausragend und die besagte Wulst darauf einen Eingriffsabschnitt definierend; eine Membranelektrodenanordnung angeordnet zwischen besagtem Plattenpaar, sodass jeder der Reaktant-Kanäle von dem Plattenpaar in Fluidaustausch mit einer jeweiligen Elektrode innerhalb der Membranelektrodenanordnung angeordnet ist; und eine auf besagtem Eingriffsabschnitt von mindestens einer ersten Platte des Plattenpaares angeordnete Mikroabdichtung derart, dass die Mikroabdichtung vor der Ausrichtung im Wesentlichen ausgehärtet ist, jedoch nicht wesentlich verklebt ist mit mindestens einer angrenzenden (a) Sub-Dichtung, (b) Membranelektrodenanordnung, (c) einem Eingriffsabschnitt einer benachbarten bipolaren Plattenanordnung und (d) gehärteten Mikroabdichtung, die auf dem Eingriffsabschnitt der benachbarten bipolaren Plattenanordnung abgeschieden wurde, bevor besagte Vielzahl von Zellen komprimiert in dem Gehäuse untergebracht ist.
  10. Stapel von Anspruch 9, worin besagte Mikroabdichtung mindestens besteht aus Silikon, einer Strukturverstärkung, einem Verbindungs-Katalysator und einem Haftvermittler.
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