DE102019103200A1

DE102019103200A1 - Verfahren zur herstellung einer brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102019103200A1
Application number: DE102019103200.8A
Authority: DE
Inventors: Matthew M. Fay
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2018-02-20
Filing date: 2019-02-08
Publication date: 2019-08-22
Also published as: CN110176615B; CN110176615A; US10490829B2; US20190260041A1

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle beinhaltet die folgenden Schritte: (1) Bereitstellen einer ersten bipolaren Platte und einer zweiten bipolaren Platte; (2) Aufbringen einer ersten Mikrodichtung auf die erste bipolare Platte an einem ersten Metallwulstdichtungsbereich; (3) Aufbringen einer ersten Verunreinigungsdichtung auf die erste Mikrodichtung und den ersten Metallwulstdichtungsbereich der ersten Bipolarplatte, wobei die erste Verunreinigungsdichtung so ausgelegt ist, dass sie den ersten Metallwulstdichtungsbereich vor Ablagerungen schützt; (4) Zusammenbauen einer UEA mit einer Subdichtung auf die erste Bipolarplatte mit Ablagerungen, das mit der ersten Verunreinigungsdichtung ineinandergreift; und (5) Zusammendrücken der zweiten Bipolarplatte auf die erste Bipolarplatte mit der Subdichtung dazwischen, während die erste Verunreinigungsdichtung und die Ablagerungen vom ersten Metallwulstdichtungsbereich weggedrängt werden. Alternativ können die ersten und zweiten Verunreinigungsdichtungen auf die Subdichtung aufgebracht werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer in einem Fahrzeug verwendeten Brennstoffzelle.
HINTERGRUND
Brennstoffzellen werden in vielen Anwendungen als elektrische Energiequelle verwendet. Es wird insbesondere vorgeschlagen, als Ersatz für Verbrennungsmotoren Brennstoffzellen in Automobilen einzusetzen. Eine häufig verwendete Brennstoffzellenkonstruktion nutzt ein Fest-Polymerelektrolyt-(SPE)-Membran oder eine Protonenaustauschmembran (PEM), um den Ionentransport zwischen Anode und Kathode zu gewährleisten.
Brennstoffzellen sind im Allgemeinen elektrochemische Vorrichtungen, welche die chemische Energie eines Brennstoffs (Wasserstoff, Methanol, usw.) und eines Oxidationsmittels (Luft oder reiner Sauerstoff) in Anwesenheit eines Katalysators in Strom, Wärme und Wasser umwandeln. Brennstoffzellen produzieren saubere Energie während der elektrochemischen Umwandlung des Brennstoffs. Dadurch sind sie umweltfreundlich, da sie keine oder nur sehr geringe Emissionen verursachen. Darüber hinaus sind Brennstoffzellen Hochleistungssysteme, die von wenigen Watt bis hin zu Hunderten von Kilowatt mit Wirkungsgraden erzeugen, die weit über denjenigen herkömmlicher Verbrennungsmotoren hinausgehen. Zudem produzieren Brennstoffzellen geräuscharm, da sie nur wenige bewegliche Teile aufweisen.
In Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen wird der Anode Wasserstoff als Brennstoff zugeführt und der Kathode wird Sauerstoff als Oxidationsmittel zugeführt. Der Sauerstoff kann entweder in reiner Form (O₂) oder als Luft (eine Mischung aus O₂ und N₂) vorliegen. PEM-Brennstoffzellen besitzen typischerweise eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA), in der eine feste Polymermembran auf einer Seite einen Anodenkatalysator und auf der gegenüberliegenden Seite einen Kathodenkatalysator aufweist. Die Anoden- und Kathodenschichten einer typischen PEM-Brennstoffzelle sind aus porösen leitenden Materialien ausgebildet, wie beispielsweise gewebtem Graphit, graphitisierten Blättern oder Kohlepapier, damit der Kraftstoff über die Oberfläche der Membran dispergieren kann, die der Kraftstoffversorgungselektrode zugewendet ist. Jede Elektrode hat fein verteilte Katalysatorpartikel (beispielsweise Platinpartikel), die von Kohlenstoffpartikeln getragen werden und die die Oxidation von Wasserstoff an der Kathode und die Reduktion von Sauerstoff an der Anode fördern. Protonen fließen von der Anode durch die ionisch leitfähige Polymermembran zu der Kathode, wo sie mit Sauerstoff kombinieren, um Wasser zu bilden, das aus der Zelle ausgeleitet wird. Die MEA ist zwischen einem Paar poröser Gasdiffusionsschichten („GDL“) angeordnet, die wiederum zwischen einem Paar nicht poröser, elektrisch leitfähiger Elemente oder Platten (z. B. Strömungsfeldplatten) angeordnet sind. Die Platten fungieren als Stromabnehmer für die Anode und die Kathode und enthalten darin ausgebildete geeignete Kanäle und Öffnungen zur Verteilung der gasförmigen Reaktanten der Brennstoffzelle über der Oberfläche der jeweiligen Anoden- und Kathodenkatalysatoren. Um effizient Elektrizität zu produzieren, muss die Polymerelektrolytmembran einer PEM-Brennstoffzelle dünn, chemisch stabil, protonendurchlässig, nicht elektrisch leitfähig und gasundurchlässig sein. In typischen Anwendungen werden einzelne Brennstoffzellen in Reihe geschaltet, um die erforderliche elektrische Leistung bereitzustellen.
Ausführungsformen der herkömmlichen elektrochemischen Zelle beinhalten auch Hardwarekomponenten, z. B. Platten, für die Reaktandenstromtrennung, Stromabnahme, Kompression und Kühlung (oder Heizung). Eine Bipolarplatte bietet vielfältige Funktionen: (a) verteilen des Reaktantenstroms an der Anode oder Kathode, (b) sammeln des elektrischen Stroms von den Anoden-/Kathodenoberflächen, und (c) verhindern des Mischens oder Überkreuzens der Anoden- und Kathodenreaktanten in Einzelzellen. Eine Anordnung von zwei oder mehr dieser Einzelzellen wird als Stapel bezeichnet. Eine Kühlplatte (oft mit der Bipolarplatte integriert) verteilt in erster Linie den Kühlmittelstrom in einem Stapel. Die Anzahl und Bemessung der Einzelzellen in einem Brennstoffzellenstapel wird im Allgemeinen basierend auf dem Leistungsbedarf des Systems gewählt. Für die komfortable Montage und/oder Demontage eines Brennstoffzellenstapels mit hoher Spannungs- oder Leistungsabgabe können mehrere Teilstapel oder Module zu einem Stapel kombiniert werden. Die Module repräsentieren Stapel von Einzelzellen in einer gewissen Anzahl weniger als jene, die letztendlich zu dem fertigen Stapel führen, wie es von normalen Fachleuten in diesem Bereich verstanden wird. Wenn der Stapel eine PEM-Brennstoffzelle bildet, wird der Stapel oft als PEM-Stapel bezeichnet.
In einer herkömmlichen PEM-Stapelanordnung ist die Abdichtung von Hardwarekomponenten und aktiven Zellen zur effektiven Trennung von Anoden- und Kathodenreaktantenströmen und zum Verhindern deren Leckage und Vermischen ein kritisches technisches Problem mit direktem Einfluss auf die Stapelleistung und Zuverlässigkeit. Diese Faktoren haben zusätzlich zur Auslegung des Dichtungssystems und der Fertigungsfähigkeit eine direkte Auswirkung auf die Gesamtkosten des PEM-Brennstoffzellensystems. Leckagen oder Kreuzmischungen von Reaktanden und Kühlmittel zwischen verschiedenen Zellen und mehreren Elementen einer Zelle werden üblicherweise durch Druck- oder Klebedichtungen verhindert, bei denen teilweise Elastomer- und/oder Klebematerialien verwendet werden.
Unter Bezugnahme auf 1A kann das Mikrodichtungsmaterial 120 durch ein Sieb 126 auf eine Metallwulst 122 übertragen werden. Die endgültige Form der traditionellen Mikrodichtung 124 wird durch die Wulstform (Schwerkraft), das Schablonendesign, die Viskosität der Tinte und die Oberflächenenergie gesteuert. Wie in den 1B-1C dargestellt, kann die Metallwulst 122 bei Ablagerungen 146 vom Substrat oder der beschichteten Elektrode auf der Metallwulst 122 jedoch im Bereich 150, in dem sich die Ablagerungen 146 befinden, verbiegen und/oder das Mikrodichtungsmaterial 124 kann beschädigt werden. Bekanntermaßen ist die UEA 134 mit einem Kohlenstoffsubstrat und einer beschichteten Elektrode im Allgemeinen zwischen zwei Bipolarplatten 123 angeordnet. Die Bipolarplatten 123 werden im Allgemeinen im Dichtungsbereich der Metallwulst verbunden. Ungeachtet der Bemühungen, eine saubere Umgebung im Montageprozess aufrechtzuerhalten, können das Kohlenstoffsubstrat und/oder die beschichtete Elektrode aus der UEA 134 naturgemäß spröde sein, wodurch einige Ablagerungen 146 entstehen, die im Montageprozess auf die Mikrodichtung 124 und die Metallwulst 122 (1B) fallen. Derartige Fremdkörper 146 können Probleme darstellen, wobei die Metallwulste 122 der beiden Bipolarplatten 123 ( 1C) verbunden sind und der Dichtungskontakt nicht gewährleistet ist, insbesondere in den Bereichen 150, in denen sich die Metallwulst 122 aufgrund dieser Ablagerungen 146 verformt. Leckagen in den Dichtungen können zu überbordseitigen Leckagen führen, bei denen Gase aus dem Brennstoffzellenstapel in die Umgebung entweichen. Bei einer Reihe von Metalleigenschaften und Metallwulstgeometrien einschließlich Metalldickenangaben ist es unter Umständen nicht möglich, die Knickbelastung der Metallwulst ausreichend zu verbessern, indem die Metallform selbst verändert wird.
Dementsprechend ist ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle erforderlich, das Ablagerungen im Metallwulstdichtungsbereich der Bipolarplatten entfernt, wenn die Bipolarplatten für eine Brennstoffzelle miteinander verbunden werden, um den Dichtungskontakt zu verbessern und die Robustheit zu erhöhen.
KURZDARSTELLUNG
Die vorliegende Offenbarung stellt ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle bereit, das die folgenden Schritte beinhaltet: (1) Bereitstellen einer ersten bipolaren Platte und einer zweiten bipolaren Platte; (2) Aufbringen einer ersten Mikrodichtung auf die erste bipolare Platte an einem ersten Metallwulstdichtungsbereich; (3) Aufbringen einer ersten Verunreinigungsdichtung auf die erste Mikrodichtung und den ersten Metallwulstdichtungsbereich der ersten Bipolarplatte, wobei die erste Verunreinigungsdichtung so ausgelegt sein kann, dass sie die erste Mikrodichtung und den ersten Metallwulstdichtungsbereich vor Ablagerungen schützt; (4) Zusammenbauen einer UEA mit einer Subdichtung auf die erste Bipolarplatte mit Ablagerungen, das mit der ersten Verunreinigungsdichtung zusammenwirkt; und (5) Zusammendrücken der zweiten Bipolarplatte auf die erste Bipolarplatte mit der Subdichtung dazwischen, während die erste Verunreinigungsdichtung vom ersten Metallwulstdichtungsbereich weggedrückt wird.
In Anbetracht der Tatsache, dass die zweite Bipolarplatte möglicherweise keine Verunreinigungsdichtung erfordert, wenn die erste Bipolarplatte freigelegt wird, damit die UEA auf der ersten Bipolarplatte montiert werden kann, ist zu verstehen, dass eine zweite Verunreinigungsdichtung auch auf die zweite Bipolarplatte aufgebracht werden kann. Dabei versteht es sich, dass die zweite Bipolarplatte im Allgemeinen auch eine zweite Mikrodichtung an ihrem Metallwulstdichtungsbereich (zweiter Metallwulstdichtungsbereich) aufweisen kann. Unter dieser Anordnung kann die zweite Verunreinigungsdichtung auch auf die zweite Mikrodichtung und den zweiten Metallwulstdichtungsbereich der zweiten Bipolarplatte aufgebracht werden, wobei die zweite Verunreinigungsdichtung ebenfalls so ausgelegt ist, dass sie die zweite Mikrodichtung und den zweiten Metallwulstdichtungsbereich vor Ablagerungen schützt. Ebenso können, wenn die zweite Bipolarplatte an der ersten Bipolarplatte befestigt und/oder auf diese gedrückt wird, die ersten und zweiten Verunreinigungsdichtungen sowohl von den ersten als auch von den zweiten Metallwulstdichtungsbereichen weggedrückt werden, wodurch die ersten und zweiten Metallwulstdichtungsbereiche einander berühren können, ohne dass unerwünschte Ablagerungen im ersten und zweiten Metallwulstdichtungsbereich vorhanden sind.
Unabhängig davon, ob nur die erste Verunreinigungsdichtung oder sowohl die erste als auch die zweite Verunreinigungsdichtung an der Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Metallwulstdichtungsbereich verwendet wird, ist zu verstehen, dass das in der ersten und/oder zweiten Verunreinigungsdichtung eingesetzte Material aus einer Flüssigkeit oder einem Gel gebildet sein kann. Die ersten und/oder zweiten Verunreinigungsdichtungen, die aus einer Flüssigkeit oder einem Gel gebildet sind, können eine hohe Oberflächenspannung aufweisen, sodass die ersten und/oder zweiten Verunreinigungsdichtungen alle Ablagerungen von den Metallwulstdichtungsbereichen abweisen können, die in die ersten und/oder zweiten Metallwulstdichtungsbereiche fallen können. Wasser ist ein Beispiel dafür, dass die ersten und/oder zweiten Verunreinigungsdichtungen aus einer Flüssigkeit gebildet werden, da Wasser eine hohe Oberflächenspannung aufweist. Die hohe Oberflächenspannung bestimmter Flüssigkeiten (z. B. Wasser) oder Gele (z. B. ein Wassergelmittelgemisch oder ein Alkohol gelmittelgemisch) ermöglicht es der ersten und/oder zweiten Verunreinigungsdichtung, Ablagerungen von der einheitlichen Elektrodenanordnung (UEA) abzuweisen, die in Form von Ablagerungen vom hydrophoben Kohlenstoffsubstrat und/oder Ablagerungen von der beschichteten Elektrode auftreten können. Es versteht sich, dass bei Verwendung eines Geliermittels das Gemisch einen ausreichend hohen Wassergehalt aufweist, um eine ausreichend hohe Oberflächenspannung zu erreichen, die Ablagerungen abweisen kann.
Alternativ können die ersten und/oder zweiten Verunreinigungsdichtungen auch so ausgelegt sein, dass sie Ablagerungen unter Verwendung einer Flüssigkeit oder eines Gels mit einer niedrigen Oberflächenspannung in Bezug auf Wasser absorbieren. Ein nicht einschränkendes Beispiel einer Flüssigkeit mit einer niedrigeren Oberflächenspannung wäre ein Wasser-Alkohol-Gemisch. Ein nicht einschränkendes Beispiel für ein Gel kann ein Geliermittel mit ausreichendem Wasser- oder Alkoholgehalt in der Mischung sein, um eine relativ niedrige Oberflächenspannung zu gewährleisten. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die ersten und/oder zweiten Verunreinigungsdichtungen die Ablagerungen innerhalb jeder Verunreinigungsdichtung absorbieren, können die Ablagerungen dann von dem Metallwulstdichtungsbereich wegbewegt werden, wenn die ersten und/oder zweiten Verunreinigungsdichtungen von dem Metallwulstdichtungsbereich weggedrängt werden. Somit tragen die ersten und/oder zweiten Verunreinigungsdichtungen die Ablagerungen effektiv aus den ersten und/oder zweiten Metallwulstdichtungsbereichen ab, wenn die ersten und/oder zweiten Verunreinigungsdichtungen aus dem Metallwulstdichtungsbereich gedrängt werden, während die zweite Bipolarplatte auf die erste Bipolarplatte gedrückt wird.
Um die ersten und/oder zweiten Verunreinigungsdichtungen auf ihre jeweiligen Bipolarplatten (erste Bipolarplatte und zweite Bipolarplatte) aufzubringen, kann ein mit dem Verunreinigungsdichtungsmaterial gesättigtes Element verwendet werden. Das heißt, wenn die ersten und/oder zweiten Verunreinigungsdichtungen durch eine Flüssigkeit gebildet werden, kann ein flüssiges gesättigtes Element (wie beispielsweise, aber nicht beschränkt auf ein schwammartiges Element) die ersten und/oder zweiten Verunreinigungsdichtungen auf die jeweiligen Metallwulstdichtungsbereiche aufbringen. Alternativ kann, wenn die ersten und/oder zweiten Verunreinigungsdichtungen durch ein Gel gebildet werden, ein gelsättigtes Element (wie beispielsweise, aber nicht beschränkt auf ein schwammartiges Element) die ersten und/oder zweiten Verunreinigungsdichtungen auf die jeweiligen Metallwulstdichtungsbereiche aufbringen.
In noch einer weiteren Ausführungsform kann das Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle die folgenden Schritte beinhalten: (1) Bereitstellen einer ersten Bipolarplatte, einer zweiten Bipolarplatte und einer UEA mit einer Subdichtung, die eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist; (2) Aufbringen einer ersten Verunreinigungsdichtung auf eine erste Seite der Subdichtung und Aufbringen einer zweiten Verunreinigungsdichtung auf eine zweite Seite der Subdichtung; (3) Zusammendrücken der zweiten Bipolarplatte auf die erste Bipolarplatte mit der dazwischenliegenden Subdichtung, worin die ersten und zweiten Verunreinigungsdichtungen von dem ersten bzw. zweiten Metallwulstdichtungsbereich weggedrückt werden. Es versteht sich, dass die erste Verunreinigung und die zweite Verunreinigung jeweils aus einer Flüssigkeit und einem Gel gebildet werden können, jedoch nicht notwendigerweise.
Ähnlich wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen kann die in der ersten und/oder zweiten Schadstoffdichtung verwendete Flüssigkeit oder das Gel eine hohe Oberflächenspannung aufweisen, die hydrophobe Ablagerungen von der ersten und zweiten Seite der Subdichtung abweist. Es versteht sich auch, dass erste und/oder zweite Verunreinigungsdichtungen (die entweder Flüssigkeit oder Gel wie vorstehend beschrieben verwenden) so ausgelegt sein können, dass sie Ablagerungen aus der UEA aufnehmen, die in Richtung der ersten und/oder zweiten Metallwulstdichtungsbereiche fallen.
Die vorliegende Offenbarung und ihre besonderen Eigenschaften und Vorteile wird aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen offensichtlicher werden.
Figurenliste
Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung, dem besten Modus, den Ansprüchen und den dazugehörigen Zeichnungen ersichtlich:

1A ist eine schematische Querschnittsansicht einer herkömmlichen Metallwulst auf einer Bipolarplatte mit einer Mikrodichtung, die auf die Metallwulst aufgebracht ist.
1B ist eine schematische Querschnittsansicht der Metallwulst in 1A, worin Ablagerungen aus der UEA auf die Mikroabdichtung und die Metallwulst fallen.
1C ist eine Querschnittsansicht des Metallwulstbereichs von 1B, der an einer anderen Bipolarplatte an diesem Metallwulstdichtungsbereich der Bipolarplatten angebracht ist, worin der Knickzustand dargestellt ist.
2 ist ein Flussdiagramm eines exemplarischen, nicht einschränkenden Herstellungsverfahrens der vorliegenden Offenbarung.
3 ist ein Flussdiagramm eines weiteren exemplarischen, nicht einschränkenden Herstellungsverfahrens der vorliegenden Offenbarung.
4A ist eine schematische Querschnittsansicht einer ersten oder zweiten Verunreinigungsdichtung, worin die erste oder zweite Verunreinigungsdichtung aus einer Flüssigkeit oder einem Gel gebildet ist, das so ausgelegt ist, dass es Fremdkörper oder Ablagerungen aus der UEA abweist.
4B ist eine schematische Querschnittsansicht einer ersten oder zweiten Verunreinigungsdichtung, worin die erste oder zweite Verunreinigungsdichtung aus einer Flüssigkeit oder einem Gel gebildet ist, das so ausgelegt ist, dass es Fremdkörper oder Ablagerungen aus der UEA absorbiert.
5A ist eine schematische, erweiterte Querschnittsansicht einer Ausführungsform der Erfindung, die sowohl die ersten als auch die zweiten Verunreinigungsdichtungen auf der ersten bzw. zweiten Bipolarplatte implementiert, kurz bevor die ersten und zweiten Bipolarplatten an den Metallwulstdichtungsbereichen miteinander verbunden werden.
5B ist eine schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform der Erfindung, die sowohl die ersten als auch die zweiten Verunreinigungsdichtungen (oder nur die erste Verunreinigungsdichtung auf dem ersten Metallwulstdichtungsbereich) implementiert, sobald die zweite Bipolarplatte mit der ersten Bipolarplatte zusammengedrückt wird.
6 ist eine schematische Querschnittsansicht des ersten und zweiten Metallwulstdichtungsbereichs von 5B, worin die ersten und zweiten Metallwulstdichtungsbereiche vollständig zusammengedrückt sind und die ersten und zweiten Verunreinigungsdichtungen (oder nur die erste Verunreinigungsdichtung, wenn sie allein verwendet werden) herausgedrückt wurden und von der Verbindung zwischen den ersten und zweiten Metallwulstdichtungsbereichen entfernt wurden.
7 ist eine schematische, erweiterte Querschnittsansicht der ersten und zweiten Metallwulstdichtungsbereiche zusammen mit der UEA-Subdichtung, die eine erste und zweite Verunreinigungsdichtung aufweist.

Gleiche Referenznummern beziehen sich auf gleiche Teile in der Beschreibung der verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es wird nun im Detail auf derzeit bevorzugte Zusammensetzungen, Ausführungsformen und Verfahren der vorliegenden Offenbarung Bezug genommen, welche die besten Arten der Durchführung der vorliegenden Offenbarung darstellen, die den Erfindern gegenwärtig bekannt sind. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstäblich. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich exemplarisch für die vorliegende Offenbarung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden kann. Daher sind die spezifischen Details, die hierin offenbart werden, nicht als Beschränkungen zu verstehen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage für jegliche Aspekte der vorliegenden Offenbarung und/oder dienen nur als repräsentative Grundlage, um Fachleuten auf dem Gebiet die verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten zu vermitteln.
Außer in den Beispielen oder wenn ausdrücklich erwähnt, sind alle nummerischen Angaben über Materialmengen oder Reaktions- und/oder Nutzungsbedingungen in dieser Beschreibung so zu verstehen, dass sie durch den Zusatz „etwa“ modifiziert werden, sodass sie den weitestmöglichen Umfang der vorliegenden Offenbarung beschreiben. Das Ausführen innerhalb der angegebenen nummerischen Grenzen wird im Allgemeinen bevorzugt. Ferner gilt, wenn nicht ausdrücklich anders angegeben: Prozent, „Teile von“ und Verhältniswerte nach Gewicht; die Beschreibung einer Gruppe oder Klasse von Materialien geeignet oder bevorzugt für einen bestimmten Zweck im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung, bedeutet dass Mischungen von zwei oder mehreren Elementen der Gruppe oder Klasse gleichermaßen geeignet oder bevorzugt sind; die erste Definition eines Akronyms oder einer anderen Abkürzung gilt für alle nachfolgenden Verwendungen derselben Abkürzung und gilt in entsprechender Anwendung für normale grammatikalische Variationen der anfangs definierten Abkürzung entsprechend. Und es wird, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, die Messung einer Eigenschaft anhand derselben Technik bestimmt, wie es vorher oder nachher für dieselbe Eigenschaft angegeben ist.
Es versteht sich ferner, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf die bestimmten Ausführungsformen und Verfahren beschränkt ist, die im Folgenden beschrieben werden, da bestimmte Komponenten und/oder Bedingungen natürlich variieren können. Des Weiteren dient die hierin verwendete Terminologie nur zum Zweck der Beschreibung verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung und ist in keiner Weise als einschränkend zu verstehen.
Es wird ferner darauf hingewiesen, dass, wie in der Spezifikation und den angehängten Patentansprüchen verwendet, die Singularformen „ein/e“ und „der/die/das“ auch die Pluralverweise umfassen, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig etwas anderes hervor. Der Verweis auf eine Komponente im Singular soll beispielsweise eine Vielzahl von Komponenten umfassen.
Der Begriff „umfassend“ ist gleichbedeutend mit „beinhaltend“, „aufweisend“, „enthaltend“ oder „gekennzeichnet durch“. Diese Begriffe sind einschließlich und offen auszulegen, und schließen zusätzliche ungenannte Elemente oder Verfahrensschritte nicht aus.
Der Ausdruck „bestehend aus“ schließt jedes Element, jeden Schritt oder Bestandteil aus, der nicht in dem Anspruch spezifiziert ist. Wenn dieser Ausdruck in einem Abschnitt des Hauptteils eines Anspruchs erscheint, anstatt sofort nach der Einleitung zu folgen, begrenzt er nur das Element, das in dem Abschnitt beschrieben ist, wobei andere Elemente nicht vom Anspruch insgesamt ausgeschlossen werden.
Der Ausdruck „im Wesentlichen bestehend aus“ begrenzt den Umfang eines Anspruchs auf die angegebenen Materialien oder Schritte, plus denjenigen, die nicht erheblich die Grund- und neuartigen Merkmal(e) des beanspruchten Gegenstands beeinflussen.
Die Begriffe „umfassend“, „bestehend aus“ und „im Wesentlichen bestehend aus“ können alternativ verwendeten werden. Wo einer von diesen drei Begriffen verwendet wird, kann der vorliegend offenbarte und beanspruchte Gegenstand die Verwendung eines der anderen beiden Begriffe beinhalten.
Offenbarungen der Veröffentlichungen, auf die in dieser Anwendung verwiesen wird, gelten durch Bezugnahme in vollem Umfang in diese Anwendung aufgenommen, um den Stand der Technik, auf die sich dies vorliegende Offenbarung bezieht, genauer zu beschreiben.
Die folgende ausführliche Beschreibung ist ihrer Art nach lediglich exemplarisch und beabsichtigt nicht, die vorliegende Offenbarung oder die Anwendung oder Verwendungen der vorliegenden Offenbarung zu begrenzen. Darüber hinaus besteht keinerlei Verpflichtung zur Einschränkung auf eine der im vorstehenden Hintergrund oder in der folgenden ausführlichen Beschreibung dargestellten Theorien.
Unter Bezugnahme nun auf 2 stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren 10 zur Herstellung einer Brennstoffzelle bereit, das die folgenden Schritte beinhaltet: (1) Bereitstellen einer ersten Bipolarplatte 22 und einer zweiten Bipolarplatte 28; Schritt 12 (2) Aufbringen einer ersten Mikrodichtung 24 auf die erste Bipolarplatte 22 an einem ersten Metallwulstdichtungsbereich 36; Schritt 14 (3) Aufbringen einer ersten Verunreinigungsdichtung 26 auf die erste Mikrodichtung 24 und den ersten Metallwulstdichtungsbereich 36 der ersten Bipolarplatte 22, wobei die erste Verunreinigungsdichtung 26 so ausgelegt sein kann, dass sie die erste Mikrodichtung 24 und den ersten Metallwulstdichtungsbereich 36 vor Ablagerungen 46 schützt; Schritt 16 (4) Zusammenbauen einer einheitlichen Elektrodenanordnung (UEA) 34 mit einer Subdichtung 35 auf die erste Bipolarplatte 22, sodass eine Ablagerung 46 mit der ersten Verunreinigungsdichtung 26 zusammenwirkt; Schritt 18 und (5) Zusammendrücken der zweiten Bipolarplatte 28 auf die erste Bipolarplatte 22 mit der Subdichtung 35 dazwischen, während die erste Verunreinigungsdichtung 26 vom ersten Metallwulstdichtungsbereich 36 weggedrückt wird. Schritt 20. Die Ablagerung 46, die in die erste Verunreinigungsdichtung eingreift, kann ein oder mehrere kleine Materialstücke sein, die vom Kohlenstoffsubstrat und/oder der beschichteten Elektrode der UEA 34 abplatzen können. Wenn die Ablagerungen 46 von Kohlenstoff oder die Trümmerstücke 46 von der Elektrode mit der ersten Verunreinigungsdichtung 26 eingreifen, können die Trümmerstücke 46 entweder vom ersten Metallwulstdichtungsbereich 36 abgewiesen (siehe 4A) oder von der ersten Verunreinigungsdichtung 26 absorbiert werden (siehe 4B), abhängig von der Art des verwendeten Materials in der ersten Verunreinigungsdichtung 26, wie später in der vorliegenden Offenbarung beschrieben wird.
In Anbetracht der Tatsache, dass die zweite Bipolarplatte 28 der Brennstoffzelle 100 (5A), die im Rahmen des Verfahrens der vorliegenden Offenbarung hergestellt wird, auch eine eigene Verunreinigungsdichtung (zweite Verunreinigungsdichtung 32) implementieren kann, versteht es sich, dass eine zweite Verunreinigungsdichtung 32 auf den zweiten Metallwulstdichtungsbereich 38 der zweiten Bipolarplatte 28 aufgebracht werden kann ( 4A-5B). Unter Bezugnahme auf die 4A-5B ist zu verstehen, dass die zweite Bipolarplatte 28 im Allgemeinen auch eine zweite Mikrodichtung 30 an ihrem Metallwulstdichtungsbereich (zweiter Metallwulstdichtungsbereich 38) aufweisen kann. Wie dargestellt, ist die zweite Verunreinigungsdichtung 32 so ausgelegt, dass sie die zweite Mikrodichtung 30 und den zweiten Metallwulstdichtungsbereich 38 vor einem Ablagerungsstück 46 vom Substrat oder Ablagerungsstücken 46 von der Elektrode (in der UEA 34) schützt, indem sie entweder die Ablagerungsstücke wie in 4A dargestellt ablenkt oder die Ablagerungsstücke 46 wie in 4B dargestellt absorbiert.
Ähnlich wie bei der vorstehenden Beschreibung versteht es sich, dass die UEA 34 aus spröden Komponenten gebildet ist, wie beispielsweise dem Kohlenstoffsubstrat und/oder der beschichteten Elektrode, sodass kleine Trümmerstücke 46 von den Komponenten der UEA 34 abplatzen können, wenn die UEA 34 an den ersten und zweiten Bipolarplatten 22, 28 angebracht wird. Ebenso können, wenn die zweite Bipolarplatte 28 an der ersten Bipolarplatte 22 befestigt und/oder auf diese gedrückt wird, die ersten und zweiten Verunreinigungsdichtungen 26, 32 beide von den ersten und zweiten Metallwulstdichtungsbereichen 36, 38 (5B und 6) durch die dazwischen angeordnete Subdichtung 35 weggedrückt werden, wenn die ersten und zweiten Bipolarplatten zusammengedrückt werden. Die erste Seite 51 der Subdichtung 35 drückt die erste Verunreinigungsdichtung 26 weg vom ersten Metallwulstdichtungsbereich 36, während die zweite Seite 55 der Subdichtung 35 die zweite Verunreinigungsdichtung 32 weg vom zweiten Metallwulstdichtungsbereich 38 drückt. Dieses Verfahren 10, das die ersten und zweiten Verunreinigungsdichtungen verwendet, ermöglicht es, dass die ersten und zweiten Metallwulstdichtungsbereiche 36, 38 einen kontinuierlichen Kontakt durch die Subdichtung 35 aufweisen, die frei von jeglichen Ablagerungen 46 an den ersten und zweiten Metallwulstdichtungsbereichen 36, 38 ist - wie in 6 dargestellt.
Unter Bezugnahme auf 4A ist zu verstehen, dass das in den ersten und/oder zweiten Verunreinigungsdichtungen 26, 32 eingesetzte Material zum Abweisen von Ablagerungen 46 von den ersten und/oder zweiten Metallwulstdichtungsbereichen 26, 32 ausgelegt sein kann. Die ersten und/oder zweiten Verunreinigungsdichtungen 26, 32, die Ablagerungen abweisen, können aus einer Flüssigkeit 50 oder einem gelartigen Material 52 gebildet werden. Ein nicht einschränkendes Beispiel, bei dem diese ersten und/oder zweiten Verunreinigungsdichtungen 26, 32 aus einer Flüssigkeit 50 gebildet werden, wobei Wasser 50 verwendet werden kann, da Wasser 50 eine hohe Oberflächenspannung aufweist. Die hohe Oberflächenspannung einer Flüssigkeit 50, wie beispielsweise Wasser, ermöglicht es den ersten und/oder zweiten Verunreinigungsdichtungen 26, 32, Ablagerungen 46 abzuweisen, die vom hydrophoben Kohlenstoffsubstrat (nicht dargestellt) der UEA und/oder von der beschichteten Elektrode (nicht dargestellt) in der UEA 34 stammen können. Aufgrund der hydrophoben Beschaffenheit des Kohlenstoffmaterials würden sich die Ablagerungen 46 von der UEA 34 in den dem aktiven Bereich gegenüberliegenden Seitenbereich 101 des Metallwulstdichtungsbereichs 36 oder in den Seitenbereich 102, der sich in Richtung des aktiven Bereichs der UEA 34 bewegen (siehe 4A und 6). Die Ablagerungen 46, die in den Seitenbereich 102 überführt werden, der sich benachbart zum aktiven Bereich der UEA 34 (dargestellt in den 4A und 6) befindet, werden schließlich außerhalb der Brennstoffzelle 100 über die Reaktionsgase transportiert, die vom Eingang (nicht dargestellt) der Brennstoffzelle 100 zum Ausgang (nicht dargestellt) der Brennstoffzelle 100 strömen, wenn die Brennstoffzelle 100 in Betrieb ist.
Alternativ können unter Bezugnahme auf 4B die ersten und/oder zweiten Verunreinigungsdichtungen 26, 32 so ausgelegt sein, dass sie die während des Montageprozesses entstehenden Ablagerungen 46 absorbieren. Dabei können die ersten und/oder zweiten Verunreinigungsdichtungen 26, 32 aus einer Flüssigkeit 50 oder einem Gel 52 (gelartige Substanz) gebildet werden. Die Flüssigkeit 50 oder das Gel 52 sollte Material mit einer im Vergleich zu Wasser relativ niedrigen Oberflächenspannung implementieren. Ein nicht einschränkendes Beispielgel 52 kann ein Wassergelmittelgemisch oder ein Alkoholgelmittelgemisch sein, sodass die Komponenten in dem Gemisch für eine relativ geringere Oberflächenspannung (im Vergleich zu Wasser) sorgen, sodass das Gelgemisch 52 Ablagerungen 46 absorbieren kann. Ein weiteres nicht einschränkendes Beispiel für ein Gel kann Gelatine sein, sofern diese die gerade beschriebenen Kriterien für die niedrigere Oberflächenspannung erfüllt. Eine nicht einschränkende exemplarische Flüssigkeit kann eine Flüssigkeit-/Alkohol-Mischung 53 sein, sodass die Kombination eine relativ niedrige Oberflächenspannung aufweist. Da die Oberflächenspannung für die Flüssigkeit oder das Gel unter dieser Ausführungsform relativ niedrig wäre, absorbieren die ersten und/oder zweiten Verunreinigungsdichtungen die Ablagerungen 46 von der UEA 34. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die ersten und/oder zweiten Verunreinigungsdichtungen 26, 32 die Ablagerungen 46 in dieser Anordnung innerhalb jeder Verunreinigungsdichtung 26, 32 absorbieren können, können die Ablagerungen 46 dann von den Metallwulstdichtungsbereichen 36, 38 wegbewegt werden, wenn die ersten und/oder zweiten Verunreinigungsdichtungen 26, 32 von den Metallwulstdichtungsbereichen 36, 38 weggedrängt werden. Somit tragen die ersten und/oder zweiten Verunreinigungsdichtungen 26, 32 die Ablagerungen 46 effektiv aus den ersten und/oder zweiten Metallwulstdichtungsbereichen 36, 38 ab, wenn die ersten und/oder zweiten Verunreinigungsdichtungen 26, 32 aus den Metallwulstdichtungsbereichen 36, 38 gedrängt werden, während die zweite Bipolarplatte 28 mit der Subdichtung 35 dazwischen auf die erste Bipolarplatte 22 gedrückt wird. Wie in 5B dargestellt, drängt die erste Seite 51 der Subdichtung 35 die erste Verunreinigungsdichtung 26 weg vom ersten Metallwulstdichtungsbereich 36, während die zweite Seite 55 der Subdichtung 35 die zweite Verunreinigungsdichtung 32 weg vom zweiten Metallwulstdichtungsbereich 38 drückt, wenn die Bipolarplatten 22, 28 zusammen mit der dazwischen angeordneten Subdichtung 35 zusammengedrückt werden.
Um die ersten und/oder zweiten Verunreinigungsdichtungen 26, 32 auf ihre jeweiligen Bipolarplatten (erste Bipolarplatte 22 und zweite Bipolarplatte 28 in 5A) oder auf die später hierin beschriebene Subdichtung 35 (7) aufzubringen, kann ein mit dem Verunreinigungsdichtungsmaterial gesättigtes Element 54 verwendet werden. Das Element 54 kann ein schwammartiges Element sein, ist aber nicht darauf beschränkt. Das heißt, wenn die ersten und/oder zweiten Verunreinigungsdichtungen 26, 32 durch eine Flüssigkeit 50 gebildet werden, das Element 54 mit Flüssigkeit 50 (z. B. ein schwammartiges Element) gesättigt ist, sodass das flüssige gesättigte Element 54 die ersten und/oder zweiten Verunreinigungsdichtungen 26, 32 auf die jeweiligen Metallwulstdichtungsbereiche 36, 38 aufbringen kann. Alternativ, wenn die ersten und/oder zweiten Verunreinigungsdichtungen 26, 32 durch ein Gel 52 gebildet werden, kann das Element 54 mit Gel gesättigt sein (wie beispielsweise, aber nicht beschränkt auf ein schwammartiges Element), sodass das gelsättigte Element 54 die ersten und/oder zweiten Verunreinigungsdichtungen 26, 32 auf ihre jeweiligen Metallwulstdichtungsbereiche 36, 38, wie in 5A dargestellt, oder auf die Subdichtung 35 (7) anwenden kann, wie später hierin beschrieben wird.
In noch einem weiteren Beispiel kann die nicht einschränkende Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, wie in 3 dargestellt, ein anderes Verfahren 10' zur Herstellung einer Brennstoffzelle die folgenden Schritte beinhalten: (1) Bereitstellen einer ersten Bipolarplatte, einer zweiten Bipolarplatte und einer UEA mit einer Subdichtung, die eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist; 56 (2) Aufbringen einer ersten Verunreinigungsdichtung auf eine erste Seite der Subdichtung und Aufbringen einer zweiten Verunreinigungsdichtung auf eine zweite Seite der Subdichtung; 58 (3) Zusammenbauen der UEA zwischen der ersten und zweiten Bipolarplatte; 60 und (4) Zusammendrücken der zweiten Bipolarplatte auf die erste Bipolarplatte mit der dazwischenliegenden Subdichtung, worin die ersten und zweiten Verunreinigungsdichtungen von den ersten bzw. zweiten Metallwulstdichtungsbereichen 62 weggedrückt werden. Es versteht sich, dass die erste Verunreinigung und die zweite Verunreinigung jeweils aus einer Flüssigkeit und einem Gel gebildet werden können, jedoch nicht notwendigerweise. Unter erneuter Bezugnahme auf 7 sind die ersten und zweiten Verunreinigungsdichtungen 26', 32' auf der Subdichtung 35 dargestellt, worin die erste Verunreinigungsdichtung 26' auf eine erste Seite 51 der Subdichtung 35 und die zweite Verunreinigungsdichtung 32' auf eine zweite Seite 55 der Subdichtung 35 aufgebracht wird.
Wie zuvor beschrieben, können die ersten und/oder zweiten Verunreinigungsdichtungen aus einer Flüssigkeit 50 gebildet werden oder ein Gel 52 kann eine hohe Oberflächenspannung aufweisen, die hydrophobe Ablagerungen 46 von den ersten und zweiten Seiten der Subdichtung 51, 55 weg ablenkt. Alternativ, wie zuvor beschrieben, können die ersten und/oder zweiten Verunreinigungsdichtungen aus einer Flüssigkeit oder einem Gel mit einer relativ niedrigen Oberflächenspannung gebildet werden, sodass die ersten und/oder zweiten Verunreinigungsdichtungen 26', 32' Ablagerungen 46 aus der UEA absorbieren können, die in Richtung der ersten und/oder zweiten Metallwulstdichtungsbereiche 36, 38 fallen.
Während in der vorstehenden detaillierten Beschreibung exemplarische Ausführungsformen dargestellt wurden, versteht es sich, dass es eine große Anzahl an Varianten gibt. Es versteht sich weiterhin, dass die exemplarische Ausführungsform oder die exemplarischen Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration dieser Offenbarung in keiner Weise einschränken sollen. Die vorstehende ausführliche Beschreibung stellt Fachleuten auf dem Gebiet vielmehr einen zweckmäßigen Plan zur Implementierung der exemplarischen Ausführungsform bzw. der exemplarischen Ausführungsformen zur Verfügung. Es versteht sich, dass verschiedene Veränderungen an der Funktion und der Anordnung von Elementen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung, wie er in den beigefügten Ansprüchen und deren rechtlichen Entsprechungen aufgeführt ist, abzuweichen.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen einer ersten Bipolarplatte und einer zweiten Bipolarplatte; Aufbringen einer ersten Mikrodichtung auf die erste Bipolarplatte an einem ersten Metallwulstdichtungsbereich; Aufbringen einer ersten Verunreinigungsdichtung auf die erste Mikrodichtung und den ersten Metallwulstdichtungsbereich der ersten Bipolarplatte, wobei die erste Verunreinigungsdichtung so ausgelegt ist, dass sie die Mikrodichtung und den Metallwulstdichtungsbereich vor Ablagerungen schützt; Zusammenbauen einer UEA mit einer Subdichtung auf der ersten Bipolarplatte mit Ablagerungen, die mit der ersten Verunreinigungsdichtung in Eingriff stehen; und Zusammendrücken der zweiten bipolaren Platte auf die erste Bipolarplatte mit der Subdichtung dazwischen, während die erste Verunreinigungsdichtung vom ersten Metallwulstdichtungsbereich weggedrückt wird.
Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach Anspruch 1, ferner umfassend die folgenden Schritte: Aufbringen einer zweiten Mikrodichtung auf die zweite Bipolarplatte an einem zweiten Metallwulstdichtungsbereich; und Aufbringen einer zweiten Verunreinigungsdichtung auf die zweite Mikrodichtung und den zweiten Metallwulstdichtungsbereich der zweiten Bipolarplatte, wobei die zweite Verunreinigungsdichtung so ausgelegt ist, dass sie die zweite Mikrodichtung und den zweiten Metallwulstdichtungsbereich vor Ablagerungen schützt; und Drängen der zweiten Verunreinigungsdichtung weg vom zweiten Metallwulstdichtungsbereich, wenn die zweite Bipolarplatte auf die erste Bipolarplatte gedrückt wird.
Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach Anspruch 1, worin die erste Verunreinigungsdichtung die Ablagerungen vom ersten Metallwulstdichtungsbereich abweist.
Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach Anspruch 1, worin die erste Verunreinigungsdichtung die Ablagerungen innerhalb der ersten Verunreinigungsdichtung absorbiert und die Ablagerungen aus dem Metallwulstdichtungsbereich entfernt, wenn die erste Verunreinigungsdichtung von dem Metallwulstdichtungsbereich weggedrängt wird.
Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach Anspruch 2, worin die ersten und zweiten Verunreinigungsdichtungen die Ablagerungen vom ersten Metallwulstdichtungsbereich bzw. vom zweiten Metallwulstdichtungsbereich abweisen.
Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach Anspruch 2, worin die ersten und zweiten Verunreinigungsdichtungen die Ablagerungen innerhalb der ersten Verunreinigungsdichtung bzw. der zweiten Verunreinigungsdichtungen absorbieren, wobei die ersten und zweiten Verunreinigungsdichtungen so ausgelegt sind, dass sie Ablagerungen aus dem Metallwulstdichtungsbereich entfernen, wenn die ersten und zweiten Verunreinigungsdichtungen vom Metallwulstdichtungsbereich weggedrängt werden.
Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach Anspruch 3, worin die erste Verunreinigungsdichtung eine aus einer Flüssigkeit und einem Gel ist.
Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach Anspruch 4, worin die erste Verunreinigungsdichtung eine aus einer Flüssigkeit oder einem Gel ist.
Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach Anspruch 5, worin die ersten und zweiten Verunreinigungsdichtungen jeweils eine von einer Flüssigkeit oder einem Gel sind.
Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach Anspruch 6, worin die ersten und zweiten Verunreinigungsdichtungen jeweils eine von einer Flüssigkeit oder einem Gel sind.