DE112004000147B4

DE112004000147B4 - Bipolplattenzusammenbau, Brennstoffzellenstapel und Verfahren zum Isolieren

Info

Publication number: DE112004000147B4
Application number: DE112004000147T
Authority: DE
Inventors: Abd Elhamid Mahmoud H.; Youssef M. Mikhail; Richard H. Blunk; Daniel J. Lisi
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2003-01-21
Filing date: 2004-01-20
Publication date: 2012-11-08
Anticipated expiration: 2024-01-21
Also published as: US20040142224A1; CN100367555C; JP4741370B2; US6887610B2; CN1742400A; DE112004000147T5; JP2006515462A; WO2004066414A3; WO2004066414A2

Abstract

Bipolplattenzusammenbau (10) mit: einem Plattenpaar (12, 14) mit zueinander weisenden Plattenflächen, wobei jede der zueinander weisenden Flächen einen inneren Abschnitt (32) und einen äußeren Umfangsabschnitt (26, 36) umfasst; wobei jeder innere Abschnitt (32) eine abwechselnde Vielzahl sowohl von daran ausgebildeten Kühlmittelnuten (28, 40) als auch -stegen (30, 42) aufweist; einer elektrisch leitenden Lage (48, 50), die über zumindest den Stegen (30, 42) jeder Platte (12, 14) abgeschieden ist; wobei die zueinander weisenden Flächen verbunden sind, um sowohl eine Vielzahl elektrischer Verbindungsleitungen (54) zwischen jeweiligen zueinander weisenden Paaren der Stege (30, 42) als auch eine Vielzahl von Kühlmittelkanälen (52) zwischen jeweiligen zueinander weisenden Paaren der Kühlmittelnuten (28, 40) zu bilden; dadurch gekennzeichnet, dass eine Fluiddichtung (34), die zwischen dem inneren Abschnitt (32) und dem Umfangsabschnitt (26, 36) der zueinander weisenden Flächen angeordnet ist, jeden inneren Abschnitt (32) umgibt und dass eine Silberplattierung die elektrisch leitende...

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Brennstoffzellenstapel und genauer eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Aufbau einer bipolaren Platte für einen Brennstoffzellenstapel mit einer Protonenaustauschmembran.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Brennstoffzellenstapel mit Protonenaustauschmembran (PEM) sind allgemein mit einer Vielzahl von Brennstoffzellenelementen in einer gestapelten Konfiguration ausgestaltet. Die Brennstoffzellenelemente umfassen üblicherweise ein Paar PEM-Elemente, die durch eine bipolare Platte getrennt sind. Die bipolaren Platten sind üblicherweise aus einem Paar von Platten aufgebaut, die durch eine Klebstoffdichtung, durch Hartverlöten oder durch Schweißen miteinander verbunden sind.
Bipolare Platten bzw. Bipolplatten werden üblicherweise mit einer oberen Platte und einer unteren Platte aufgebaut. Sowohl die obere Platte als auch die untere Platte umfassen eine Vielzahl von Reaktandengasdurchgängen oder -nuten, die in den nach außen weisenden Oberflächen der beiden Platten ausgebildet sind. In den nach innen weisenden Oberflächen der bipolaren Platten sind eine Vielzahl von Kühlmittelkanälen oder Abschnitte von Kühlmittelkanälen ausgebildet. Wenn die beiden Plattenpaare miteinander verbunden werden, werden die fertiggestellten Kühlmittelkanäle gebildet. Jeder der Kühlmittelkanäle wird normalerweise durch eine Vielzahl von Stegen getrennt. Elektrischer Strom wird von jedem der Bipolarplattenzusammenbauten abgezogen, wodurch es notwendig ist, dass jedes der Paare von Platten, die einen Bipolplattenzusammenbau bilden, sowohl mechanisch als auch elektrisch miteinander verbunden ist.
Es ist bekannt, jede der zueinander weisenden Oberflächen (einschließlich der Kühlmittelkanäle) mit einem elektrisch leitenden Metall zu beschichten. Zu diesem Zweck ist Gold verwendet worden. Die beiden Plattenhälften können dann aneinander angelegt werden, wobei die mit Gold plattierten Oberflächen über die Vielzahl von Stegen verbunden werden, um den Bipolplattenzusammenbau elektrisch zu verbinden. Ein Nachteil der Verwendung von Gold für das Plattierungsmaterial liegt sowohl in der Dicke als auch den Kosten des für die Plattierung benötigten Goldes. Das Gold wird in Dicken von etwa 25 μm plattiert. Wenn nur Druck allein dazu verwendet wird, die Plattenpaare zu verbinden, um einen Bipolplattenzusammenbau zu bilden, sind die Kosten des Brennstoffzellenstapels aufgrund der Kosten des Goldes und der Dicke des Goldplattiermaterials, das erforderlich ist, um eine angemessene Kontaktfläche von Steg zu Steg vorzusehen, erhöht. Es sei angemerkt, dass die Reaktanden (befeuchtete Luft) und Kühlmittel, die in einem typischen PEM-Brennstoffzellenstapel verwendet werden, einen nachteiligen Einfluss auf Plattiermaterialien haben können, die dazu verwendet werden, die metallischen Oberflächen der Plattenpaare zu plattieren.
Nicht plattierte Metallplatten können ebenfalls zur Bildung von Bipolplattenzusammenbauten verwendet werden. Der Nachteil des direkten aneinander Anlegens nicht plattierter Metallplattenpaare zur Bildung des Bipolplattenzusammenbaus besteht darin, dass sich schnell eine Oxidationslage über den Oberflächen jedes der Plattenpaare vor dem Verbinden bildet, was später die elektrische Leitfähigkeit zwischen den verbundenen Plattenpaaren hemmt.
Aus der US 6,057,054 A ist es bekannt, vorgeformte Dichtungen auf Separatorplatten einer Brennstoffzelle zu positionieren oder angeformte Dichtungen aus einer Gussmasse aufzubringen. Die Dichtungen umgeben dabei Reaktandengasdurchgänge durch die Bipolarplatte, um die Kühlmittelkanäle gegenüber diesen Durchlässen abzudichten.
Die EP 1 009 051 A2 offenbart einen Bipolplattenzusammenbau gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Es besteht ein Bedarf, einen Bipolplattenzusammenbau vorzusehen, der die Kosten in Verbindung mit Gold, das als ein Plattiermaterial verwendet wird, verringert, und der das potentielle Problem eines Reaktandengas- und Kühlmittelkontakts mit den plattierten Oberflächen benachbart der Kühlmittelkanäle zwischen den Plattenhälften eines Bipolplattenzusammenbaus löst.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Bipolplattenzusammenbau für einen Brennstoffzellenstapel mit Protonenaustauschmembran (PEM) vorgesehen. Der Bipolplattenzusammenbau umfasst ein Plattenpaar mit zueinander weisenden Plattenflächen. Jede der zueinander weisenden Flächen umfasst einen inneren Abschnitt und einen äußeren Umfangsabschnitt. Jeder innere Abschnitt besitzt eine abwechselnde Vielzahl von sowohl Kühlmittelnuten als auch Kühlmittelstegen, die daran ausgebildet sind. Eine elektrisch leitende Lage ist über zumindest den Kühlmittelstegen jedes Innenabschnitts abgeschieden. Die zueinander weisenden Flächen werden miteinander verbunden, um sowohl eine Vielzahl elektrischer Verbindungslinien zwischen jeweiligen zueinander weisenden, verbundenen Stegen wie auch eine Vielzahl von Kühlmittelkanälen zwischen jeweiligen zueinander weisenden, verbundenen Kühlmittelnuten zu bilden. Zwischen dem inneren Abschnitt und dem äußeren Umfangsabschnitt der zueinander weisenden Flächen ist eine Fluiddichtung angeordnet, die jeden Innenabschnitt umgibt.
Silber wird über die gesamte Oberfläche des Innenabschnitts jeder Platte plattiert, um die elektrisch leitende Lage zu bilden. Die Silberplattierung kann auch nur über die Kühlmittelstege oder sowohl über die Kühlmittelstege als auch die Kühlmittelkanäle der Innenabschnitte beider Plattenpaare aufgebracht werden. Das Silberplattiermaterial kann durch Gold ersetzt werden, wobei jedoch Silber gegenüber Goldmaterial für die elektrisch leitende Lage bevorzugt ist, um die Plattiermaterialkosten zu verringern.
Die Umfangsdichtung verhindert, dass ein Stapelreaktandengas mit der elektrisch leitenden Lage (beispielsweise der Silberlage) in Kontakt treten und diese oxidieren kann. Die Dichtung ist bevorzugt um den gesamten Umfang des Innenabschnitts beider zueinander weisender Flächen eines Bipolplattenpaars angeordnet. Zumindest jedoch umgibt die Dichtung die Kühlmittelkanäle und -stege, um die elektrisch leitende Lage von dem bzw. den Reaktandengasen, die in dem Brennstoffzellenstapel verwendet werden, zu isolieren. Die Dichtung ist bevorzugt als eine Wulst entweder eines elektrisch leitenden oder eines elektrisch nicht leitenden Klebstoffs ausgebildet. Eine Klebstoffwulst kann entweder an einer Platte des Bipolplattenpaars oder an beiden Platten aufgebracht werden. Es kann auch eine Dichtungsscheibe anstelle des Dichtungsmittels verwendet werden. Die Umfangsdichtung wird auch aufgebracht, um zu verhindern, dass das Kühlmittel aus den inneren Kühlmittelkanälen austreten bzw. auslecken kann.
Um die Gefahr einer Oxidation der elektrisch leitenden Lage weiter zu verringern, wird bevorzugt ein dielektrisches Kühlmittel verwendet, um den Stapel zu kühlen. Eine Lösung auf Wasserbasis kann für das Kühlmittel verwendet werden, vorausgesetzt, dass die Lösung auf Wasserbasis vor dem Gebrauch deionisiert wird und während der Lebensdauer des Stapels durch einen Ionentauscher deionisiert bleibt.
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend detaillierter beschrieben. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung wie auch spezifische Beispiele, während sie verschiedene bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung angeben, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, die zwei Plattenpaare verbindet, um einen Bipolplattenzusammenbau zu bilden;
2 eine Explosionsansicht des Bipolplattenzusammenbaus von 1 ist, die ferner eine Vielzahl von Reaktandengaskanälen und -stegen, eine Vielzahl von Kühlmittelkanälen und -stegen, wie auch eine um einen Umfang der Kühlmittelkanäle angeordnete Dichtung zeigt;
3 eine Explosionsdarstellung des Kühlmittelkanalbereichs III von 2 ist, die eine beispielhafte Ausgestaltung von Kühlmittelkanälen, die durch Stege unterteilt sind, und der Dichtung zeigt, die einen Umfang des Kühlmittelkanalbereichs umgibt;
4 ein teilweise geschnittener Aufriss entlang des Schnitts 4-4 von 1 ist, der eine erste Platte und eine zweite Platte vor einem Verbinden in einen Bipolplattenzusammenbau der vorliegenden Erfindung zeigt; und
5 ein teilweiser geschnittener Aufriss ähnlich 4 nach einem Verbinden der beiden Platten ist, um einen Bipolplattenzusammenbau der vorliegenden Erfindung zu bilden, der ferner ein in einem Kühlmittelkanal angeordnetes dielektrisches Kühlmittel zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en) ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
In 1 ist ein Bipolplattenzusammenbau 10 einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Bipolplattenzusammenbau 10 umfasst eine erste Platte 12 und eine zweite Platte 14, die ein Plattenpaar bilden. Eine Vielzahl von Reaktandengaskanälen 16 der ersten Platte sind jeweils durch eine Vielzahl von Reaktandengasstegen 18 der erste Platte an einer Außenfläche 20 der ersten Platte 12 getrennt. Eine ähnliche Vielzahl von Reaktandengaskanälen und -stegen ist an einer Außenfläche der zweiten Platte 14 ausgebildet (in den 4 und 5 gezeigt).
Es ist auch eine Vielzahl von Reaktandengasdurchlässen 22 und eine Vielzahl von Kühlmitteldurchlässen 24 an der Außenfläche 20 der ersten Platte angeordnet. Es sei angemerkt, dass eine Vielzahl von Ausgestaltungen der Reaktandengaskanäle 16, der Reaktandengasstege 18, der Reaktandengasdurchlässe 22 und der Kühlmitteldurchlässe 24 vorgesehen sein kann. Für Fachleute ist offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf eine spezifische Strömungsfeldausgestaltung beschränkt ist, sondern Anwendung auf bipolare Platten mit ähnlicher Ausgestaltung unabhängig von der Strömungsfeldgeometrie besitzt.
In 2 ist der Bipolplattenzusammenbau 10 der vorliegenden Erfindung detaillierter gezeigt. Die erste Platte 12 umfasst einen Umfangsflansch 26 der ersten Platte, der dazu verwendet wird, einen Umfang des Bipolplattenzusammenbaus 10 zu bilden. Bei einer zweiten Platte 14 wechselt eine Vielzahl von Kühlmittelnuten 28 der zweiten Platte jeweils zwischen einer Vielzahl von Kühlmittelstegen 30 der zweiten Platte an einem Innenabschnitt 32 der zweiten Platte ab. Ein Spiegelbild dieser Merkmale ist an einem Innenabschnitt der ersten Platte 12 vorgesehen (in 4 gezeigt).
Eine Dichtung 34 (am besten in 3 zu sehen) umgibt einen Umfang der Kühlmittelnuten 28 der zweiten Platte und der Kühlmittelstege 30 der zweiten Platte. Die Dichtung 34 wird unter Bezugnahme auf 3 detaillierter beschrieben. Die Dichtung 34 ist so positioniert, um zu verhindern, dass Reaktandengas, das durch die Reaktandengasdurchlässe 22 strömt, in Kontakt mit dem Innenabschnitt 32 der zweiten Platte (und einem inneren Gegenabschnitt der ersten Platte 12, der der Vereinfachung halber nicht gezeigt ist) in Kontakt tritt. Der Innenabschnitt 32 der zweiten Platte ist daher als der Oberflächenabschnitt der zweiten Platte 14 definiert, der von der Dichtung 34 umgeben wird. Ein Umfangsflansch 36 der zweiten Platte liegt an dem Umfangsflansch 26 der ersten Platte an, wenn der Bipolplattenzusammenbau 10 verbunden ist. Eine optionale Dichtung (nicht gezeigt) sieht eine fluiddichte Umhüllung zwischen der ersten Platte 12 und der zweiten Platte 14 an der Verbindungsstelle des Umfangsflansches 26 der ersten Platte und des Umfangsflansches 36 der zweiten Platte vor.
In 3 ist ein Schnitt des inneren Abschnitts 32 der zweiten Platte detaillierter gezeigt. Ähnliche Details für einen inneren Abschnitt der ersten Platte sind der Vereinfachung halber nicht gezeigt. Die Dichtung 34 ist teilweise entlang zweier Ränder ”A” und ”B” einer planaren Fläche 37 der zweiten Platte angeordnet. Die Dichtung 34 ist auch entlang einer erhöhten Fläche 38 der zweiten Platte des Umfangsflansches 36 der zweiten Platte angeordnet. Es ist wichtig anzumerken, dass die Dichtung 34 an der erhöhten Fläche 38 der zweiten Platte außerhalb der Vielzahl von Kühlmitteldurchlässen 24 angeordnet ist. Dies dichtet den inneren Abschnitt 32 der zweiten Platte weiter von einem Reaktandengas ab. Die Dichtung 34 kann als ein Dichtungsmittelwulst aufgebracht oder als eine Dichtungsscheibe aufgebracht werden. Das Material der Dichtung 34 kann elektrisch nicht leitendes Material oder ein elektrisch leitendes Material sein. Die Dichtung 34 isoliert jede der Kühlmittelnuten 28 der zweiten Platte und der Kühlmittelstege 30 der zweiten Platte innerhalb des inneren Abschnittes 32 der zweiten Platte wie auch ähnliche Kühlmittelkanäle und -stege der ersten Platte 12 (wie in 4 gezeigt) von der Vielzahl von Reaktandengasdurchlässen 22 und daher von Reaktandengas, das über die Vielzahl von Reaktandengasdurchlässen 22 benachbart des inneren Abschnitts 32 der zweiten Platte geliefert wird. Die Reaktandengasdurchlässe 22 liefern Reaktandengas an die Vielzahl von Reaktandengaskanälen 16 der ersten Platte an der Außenfläche 20 der ersten Platte (und gleiche Reaktandengaskanäle 44, die in 4 gezeigt sind).
Zumindest sind die Oberflächen der Kühlmittelstege 30 der zweiten Platte (und der ähnlichen Kühlmittelstege 42 der ersten Platte, wie in den 4 und 5 gezeigt ist) mit einem elektrisch leitenden Material plattiert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die gesamte Oberfläche des inneren Abschnitts 32 der zweiten Platte (und des ähnlichen inneren Abschnitts der ersten Platte 12), die sowohl die Kühlmittelstege als auch die Kühlmittelnuten umfasst, mit dem elektrisch leitenden Material plattiert (am besten in den 4 und 5 gezeigt). Die Dichtung 34 isoliert die mit dem elektrisch leitenden Material plattierten Oberflächen von dem Reaktandengas. Die Dichtung 34 ist daher bevorzugt so positioniert, dass sie den größtmöglichen Umfang der Kombination der planaren Fläche 37 der zweiten Platte und der erhöhten Fläche 38 der zweiten Platte umgibt.
Kühlmittel wird in die Kühlmittelnuten 28 der zweiten Platte über einen oder mehrere der Kühlmitteldurchlässe 24 geliefert. Die Dichtung 34 ist erweitert, so dass sie zumindest einen Abschnitt der Kühlmitteldurchlässe 24 nach Bedarf umgibt, um das Reaktandengas von den Kühlmittelkanälen zu isolieren und damit eine Kühlmittelfluiddichtung vorzusehen. Eine beispielhafte Kühlmittelströmung ist durch die Strömungsrichtungspfeile ”C” gezeigt. Für Fachleute wird offensichtlich, dass mehrere Gestaltungen von Kühlmittel- und Reaktandengasdurchgängen möglich sind. Es ist jedoch für eine Ausgestaltung von Kühlmittelkanälen bzw. -stegen wichtig, dass die Kühlmittelkanäle und -stege von dem Reaktandengas unter Verwendung der Dichtung 34 isoliert sind, um eine Oxidation der an den Kühlmittelsteg- und/oder -nutbereichen aufgebrachten Metallplattierung durch Reaktandengas zu verhindern.
In 4 sind die erste Platte 12 und die zweite Platte 14 vor dem Zusammenbau der Platten in einen Bipolplattenzusammenbau 10 der vorliegenden Erfindung gezeigt. Jede Kühlmittelnut 28 der zweiten Platte ist mit einer zu dieser weisenden Kühlmittelnut 40 der ersten Platte ausgerichtet. Jeder Kühlmittelsteg 30 der zweiten Platte ist mit einem zu diesem weisenden Kühlmittelsteg 42 der ersten Platte ausgerichtet. Jeder Reaktandengaskanal 16 der ersten Platte ist mit einem entgegengesetzt weisenden Reaktandengaskanal 44 der zweiten Platte ausgerichtet.
Bei der gezeigten Ausführungsform sind die Außenfläche 20 der ersten Platte und die Außenfläche 46 der zweiten Platte nicht metallisch (d. h. leitend) plattiert. Jede Kühlmittelnut 40 der ersten Platte und jeder Kühlmittelsteg 42 der ersten Platte sind mit einer Metallplattierung 48 der ersten Platte plattiert. Ähnlicherweise sind die Kühlmittelnuten 28 der zweiten Platte und die Kühlmittelstege 30 der zweiten Platte mit einer Metallplattierung 50 der zweiten Platte plattiert. Die Dichtung 34 ist über der der zweiten Platte zugehörigen Metallplattierung 50 der erhöhten Fläche 38 der zweiten Platte angebracht. Die Dichtung 34 kann auch an der vertieften Fläche 51 der ersten Platte angeordnet sein, oder es kann ein Wulst der Dichtung 34 an sowohl der vertieften Fläche 51 der ersten Platte als auch der erhöhten Fläche 38 der zweiten Platte angeordnet sein.
Wie in 5 gezeigt ist, bilden, wenn die erste Platte 12 und die zweite Platte 14 verbunden sind, aneinander grenzende Kühlmittelnuten 28 der zweiten Platte und Kühlmittelnuten 40 der ersten Platte eine Vielzahl von Kühlmittelkanälen 52. An jedem aneinander grenzenden Ort eines Kühlmittelstegs 30 der zweiten Platte und eines Kühlmittelstegs 42 der ersten Platte wird eine Vielzahl elektrischer Verbindungsleitungen 54 gebildet. Jede elektrische Verbindungsleitung 54 wird durch einen Kontakt von Metall zu Metall zwischen der Metallplattierung 48 der ersten Platte und der Metallplattierung 50 der zweiten Platte gebildet. Obwohl es nicht erforderlich ist, ist optional ein Dichtungsmaterial zwischen beliebigen der elektrischen Verbindungsleitungen 54 angeordnet. In diesem Fall ist es erforderlich, dass das Dichtungsmaterial ein elektrisch leitendes Material ist. 5 zeigt auch, dass ein dielektrisches Kühlmittel 56 in der Vielzahl von Kühlmittelkanälen 52 strömt. Das dielektrische Kühlmittel 56 ist so gewählt, dass das Potenzial für eine Oxidation entweder der Metallplattierung 48 der ersten Platte oder der Metallplattierung 50 der zweiten Platte weiter verringert wird. Das dielektrische Kühlmittel 56 kann ein deionisiertes Kühlmittel auf Wasserbasis oder ein Kühlmittel auf Kohlenwasserstoffbasis sein.

Das Material für die Metallplattierung 48 der ersten Platte und die Metallplattierung 50 der zweiten Platte ist bevorzugt Silber oder ein Silberlegierungsmaterial. Durch Verwendung von Zusammenbaudrücken für den Bipolplattenzusammenbau in einem Brennstoffzellenstapel in einem Bereich von etwa 1,7 bar (25 psi) bis etwa 27,6 bar (400 psi) erzeugt das Silberplattiermaterial einen Widerstand der elektrischen Verbindungsleitung von 3 Milliohm × Quadratzentimeter (Milliohm cm²) oder weniger und sieht allgemein Widerstände der elektrischen Verbindungsleitung von gleich oder niedriger als denjenigen von Gold vor. Tabelle 1 unten sieht einen Vergleich von Verbindungsleitungswiderständen, die bei Stapelkompressionsdrücken im Bereich von 0,34 bar (5 psi) bis 13,8 bar (200 psi) gemessen wurden, für verschiedene Bipolplattenmaterialien vor. TABELLE 1

Kompressionsdruck, bar (psi)	Verbindungsleitungswiderstand, m-Ohm cm²
Kompressionsdruck, bar (psi)	RS(Ag)/(Ag)RS	Graphit/Graphit	RS(Au)/(Au)RS	RS/RS
13,8 (200)	0,14	0,9	0,4	20,8
6,9 (100)	0,25	1,34	0,72	27,1
3,4 (50)	0,61	3,7	1,1	34
1,7 (25)	1,2	7,2	3,1	40
0,34 (5)	4,6	36,5	18,1	179

In Tabelle 1 sind vier Gruppen bipolarer Platten beschrieben. In einer ersten Spalte umfasst eine bipolare Platte aus 316 L rostfreiem Stahl mit silberplattierten zueinander weisenden Flächen Verbindungsleitungswiderstände, die in Milliohm × Quadratzentimeter über einen Bereich von Stapelkompressionsdrücken gemessen wurden. In einer zweiten Spalte erzeugt eine Bipolplattenkombination von Graphit zu Graphit allgemein höhere Verbindungsleitungswiderstände zwischen den Graphitplatten. In einer dritten Spalte ist rostfreier Stahl 316 L mit goldplattierten zueinander weisenden Flächen gezeigt, die einen Bipolplattenzusammenbau der vorliegenden Erfindung bilden. Die Verbindungsleitungswiderstände für den goldplattierten Bipolplattenzusammenbau sind bis zu dem Kompressionsbereich von etwa 13,8 bar (200 psi) allgemein höher als für den silberplattierten Bipolplattenzusammenbau. In einer vierten Spalte von Tabelle 1 ist eine nicht beschichtete Kombination aus Platten aus rostfreiem Stahl zu rostfreiem Stahl über einen Plattenkompressionsbereich von 0,34 bar (5 psi) zu 13,8 bar (200 psi) gezeigt. Die Verbindungsleitungswiderstände sind erheblich höher als bei den Bipolplattenzusammenbauten aus silber- oder goldplattierten Platten aus rostfreiem Stahl zu rostfreiem Stahl. Die höheren Verbindungsleitungswiderstände für den nicht plattierten Zustand treten aufgrund eines passiven Filmes auf, der sich auf dem rostfreien Stahl aufgrund der Einwirkung von Sauerstoff bildet. Für den nicht beschichteten Bipolplattenzusammenbau aus rostfreiem Stahl zu rostfreiem Stahl wird für keinen der in Tabelle 1 gezeigten Kompressionsdrücke ein Verbindungsleitungswiderstand von 3 Milliohm × Quadratzentimeter oder weniger erreicht.
Tabelle 1 zeigt, dass das Silberplattieren eines Bipolplattenzusammenbaus aus rostfreiem Stahl zu rostfreiem Stahl den geringsten Gesamtverbindungsleitungswiderstand bei allen Kompressionsdrücken von 13,8 bar (200 psi) und darunter vorsieht. Bei einem Kompressionsdruck von 13,8 bar (200 psi) besitzt der silberplattierte Bipolplattenzusammenbau aus rostfreiem Stahl einen ähnlichen Verbindungsleitungswiderstand wie die Bipolplattenzusammenbauten aus Graphit und dem goldplattierten rostfreien Stahl, sieht jedoch einen geringeren Gesamtverbindungsleitungswiderstand vor. Der Verbindungsleitungswiderstand für silberplattierte Bipolplattenzusammenbauten aus rostfreiem Stahl ist jedoch dadurch bedingt, dass verhindert wird, dass Sauerstoff mit der Silberplattierung in Kontakt treten und das Silberplattiermaterial oxidieren kann. Es ist daher erwünscht, eine Kombination eines dielektrischen Kühlmittels in den Kühlmittelströmungskanälen zusätzlich zu einer Dichtung an dem Umfang der plattierten Flächen des Bipolplattenzusammenbaus der vorliegenden Erfindung zu verwenden. Ein zusätzlicher Vorteil einer Silberplattierung eines Bipolplattenzusammenbaus der vorliegenden Erfindung leitet sich aus der Dicke der verwendeten Silberplattierung ab. Es kann eine Dicke von etwa 10 Nanometer Silber und größer verwendet werden, um die Verbindungsleitungswiderstände von Tabelle 1 zu erreichen. Dies steht im Gegensatz zu der Dicke von etwa 25 μm Gold, wie es im Stand der Technik für diese Anmeldung bekannt ist.
Als die Basismaterialplatte für einen Bipolplattenzusammenbau der vorliegenden Erfindung ist hier rostfreier Stahl 316 L beschrieben. Es kann auch ein anderes metallisches oder nicht metallisches Plattenmaterial verwendet werden, das in der Lage ist, mit den metallischen Plattiermaterialien der vorliegenden Erfindung plattiert zu werden. Es sei angemerkt, dass die Tabelle 1 zeigt, dass auch eine Goldplattierung verwendet werden kann, um akzeptable Verbindungsleitungswiderstandswerte in einem Bipolplattenzusammenbau der vorliegenden Erfindung zu erreichen (d. h. bei einem Kompressionsdruck von etwa 1,7 bar (25 psi) und höher). Die Goldplattierung in Kombination mit dem Dichtungsmaterial, das an einem Umfang der Kühlmittelkanäle vorgesehen ist, und mit einem dielektrischen Kühlmittel sieht ebenfalls akzeptable Werte für den Erfindungsleitungswiderstand vor.
Zu sowohl einer Gold- als auch Silberplattierung alternative Materialien können ebenfalls verwendet werden. Legierungen aus Silber, Legierungen aus Gold, Zinn, Legierungen aus Zinn, Blei und Legierungen aus Blei sehen ebenfalls Verbindungsleitungswiderstandswerte von 3 Milliohm × Quadratzentimeter und weniger unter Verwendung des Bipolplattenzusammenbaus der vorliegenden Erfindung vor.
Dielektrische Stapelkühlmittel können auch auf Kohlenwasserstoff basierende Flüssigkeiten und deionisiertes Wasser umfassen. Beispiele von auf Kohlenwasserstoff basierenden Flüssigkeiten, die zur Verwendung akzeptabel sind, umfassen Petroleum bzw. Kerosin (engl. ”kerosene”) und eine auf Wasser basierende Version von Petroleum mit einem Mikrovolumen an Wasser (Emulsionen von Wasser in Kohlenwasserstoff).
Die Bipolplattenzusammenbauten sind auch mit Kanälen versehen, die die Kühlmittel- oder die Reaktandengasströmungsdurchlässe mit den einzelnen Kanälen verbinden, die an den Oberflächen der Bipolplattenpaare ausgebildet sind. Ein Dichtungsmittel ähnlich der Dichtung 34 ist ebenfalls zwischen diesen Verbindungsdurchgängen und den Kühlmittelströmungskanälen des Bipolplattenzusammenbaus der vorliegenden Erfindung erforderlich.
Die metallische Plattierung, die auf beide der zueinander weisenden Plattenseiten aufgebracht wird, die den Bipolplattenzusammenbau der vorliegenden Erfindung bilden, kann unter Verwendung eines beliebigen kommerziell verfügbaren Prozesses aufgebracht werden, wie beispielsweise galvanisches Beschichten bzw. Abscheiden, Metallabscheidung ohne äußere Stromquelle bzw. chemisches Beschichten und PVD (Physical Vapor Deposition). Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die PVD der metallischen Plattierung bevorzugt, um eine gleichförmige dünne Lage einer metallischen Plattierung vorzusehen, die für elektrische Verbindungsleitungen geeignet ist. Unter Verwendung des PVD-Prozesses ist eine Dicke der metallischen Plattierung von etwa 10 Nanometer und größer möglich. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf eine maximale Dicke der metallischen Plattierung beschränkt, wodurch eine metallische Plattierung im Bereich von 10 bis zu größer als 100 Nanometern verwendet werden kann.
Eine dünne Plattierung ist erwünscht, um die Gesamtplattiermaterialkosten wie auch -verarbeitungskosten zu verringern. Um die Kosten der metallischen Plattierung weiter zu beschränken, erfordern nur die Stegflächen beider Platten, die den Bipolplattenzusammenbau bilden, eine Plattierung.
Eine Verbindung der Plattenpaare, um einen Bipolplattenzusammenbau der vorliegenden Erfindung zu bilden, sieht einen ”geringen” Verbindungsleitungswiderstand vor, der hier als ein Verbindungsleitungswiderstand von etwa 3 Milliohm × Quadratzentimeter oder niedriger definiert ist. Wenn die Plattenpaare der vorliegenden Erfindung in einen Brennstoffzellenstapel kombiniert sind, kann ein nomineller Druck im Bereich von etwa 1,7 bar (25 Pfund pro Quadratinch (psi)) bis zu etwa 27,6 bar (400 psi) auf die Stapelkomponenten aufgebracht werden. Wie in der Tabelle 1 hier gezeigt ist, liegt ein niedrigster akzeptabler Verbindungsdruck zwischen etwa 0,34 bar (5 psi) und 1,7 bar (25 psi) unter Verwendung von Silberplattierungsmaterial, um einen akzeptablen Verbindungsleitungswiderstand zwischen den benachbarten Paaren von Platten vorzusehen. Drücke oberhalb 13,8 bar (200 psi) sehen ebenfalls akzeptable Verbindungsleitungswiderstände vor, wobei jedoch ein gewünschter Bereich von Drücken zur Verbindung der Bipolplattenzusammenbauten der vorliegenden Erfindung in einen Brennstoffzellenstapel bevorzugt unterhalb 13,8 bar (200 psi) beibehalten wird, um die Gefahr eines Schadens an Stapelkomponenten zu verringern.
Auf Grundlage des verringerten Verbindungsleitungswiderstandes, der unter Verwendung einer bipolaren Platte der vorliegenden Erfindung erreicht wird, kann der Prozentsatz benachbarter Stegpaare zwischen zueinander weisenden Platten, die zusammenpassen müssen, um einen effektiven elektrischen Kontakt zu erreichen (d. h. einen Verbindungsleitungswiderstand bei oder unterhalb 3 Milliohm × Quadratzentimeter), unter 100% verringert werden. Ein effektiver elektrischer Kontakt zwischen der ersten und zweiten Platte wird mit einer kombinierten Kontaktfläche (d. h. der Gesamtzahl benachbarter Paare von Stegen, die elektrisch verbunden sind, im Vergleich zu der gesamten verfügbaren Anzahl benachbarter Paare von Stegen zwischen zueinander weisenden Plattenpaaren) von etwa 25% oder größer vorgesehen. Diese Fähigkeit sieht den Vorteil vor, die Bipolplattenzusammenbauten der vorliegenden Erfindung in einem Brennstoffzellenstapel unter Verwendung einer geringeren Kompressionskraft zusammenzubauen. Eine geringere Kompressionskraft, die verwendet wird, wenn die Bipolplattenzusammenbauten in einen Brennstoffzellenstapel verbunden werden, verbessert die Gesamtlebensdauer des Stapels. Höhere Stapelkompressionsdrücke können in Schmelzpapierkontaktöffnungen resultieren, die in der MEA ausgebildet werden.
Der Bipolplattenzusammenbau der vorliegenden Erfindung bietet verschiedene Vorteile. Durch Abdichtung des Umfangs der Kühlmittelkanalabschnitte eines Bipolplattenzusammenbaus wird verhindert, dass Sauerstoff aus dem Reaktandengas mit der metallischen Plattierung in Kontakt treten und diese oxidieren kann. Es können Silber-, Blei- oder Zinnplattierungen zusätzlich zu Gold verwendet werden. Durch Verwendung eines Silberplattiermaterials sind die Plattierkosten der Plattenpaare verringert, während der Verbindungsleitungswiderstand ebenfalls verringert ist. Ein verringerter Verbindungsleitungswiderstand sieht die Vorteile eines niedrigeren Kontaktdrucks zur Verbindung der Plattenpaare und einer akzeptablen elektrischen Kontaktfläche vor, die mit einer verringerten Anzahl an Kontaktstegen versehen ist.
Die Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und somit sind Abwandlungen, die nicht von der Grundidee der Erfindung abweichen, als innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung befindlich anzusehen. Beispielsweise sind die erste Platte 12 und die zweite Platte in 4 mit entweder einer erhöhten Fläche oder einer vertieften Fläche außerhalb der Kühlmittelnuten gezeigt. Die Geometrie der ersten Platte 12 und der zweiten Platte 14 kann von der gezeigten abweichen, vorausgesetzt, dass die Kühlmittelkanäle bzw. -stege von dem Reaktandengas in dem Stapel isoliert werden können. Es sind mehrere Kühlmitteldurchlässe gezeigt. Es kann eine beliebige Menge an Kühlmitteldurchlässen mit einer beliebigen Kombination von Nutgestaltungen und Lieferkanälen verwendet werden. Die Kühlmittelnuten und -stege sind auf einer planaren Fläche ausgebildet gezeigt. Eine planare Fläche ist jedoch nicht erforderlich, vorausgesetzt, die benachbarten Stege zwischen den zueinander weisenden Platten können verbunden werden, um die eine oder mehrere elektrische Verbindungsleitungen zu bilden. Derartige Abwandlungen sind nicht als Abweichung von der Idee und dem Schutzumfang der Erfindung zu betrachten.

Claims

Bipolplattenzusammenbau (10) mit: einem Plattenpaar (12, 14) mit zueinander weisenden Plattenflächen, wobei jede der zueinander weisenden Flächen einen inneren Abschnitt (32) und einen äußeren Umfangsabschnitt (26, 36) umfasst; wobei jeder innere Abschnitt (32) eine abwechselnde Vielzahl sowohl von daran ausgebildeten Kühlmittelnuten (28, 40) als auch -stegen (30, 42) aufweist; einer elektrisch leitenden Lage (48, 50), die über zumindest den Stegen (30, 42) jeder Platte (12, 14) abgeschieden ist; wobei die zueinander weisenden Flächen verbunden sind, um sowohl eine Vielzahl elektrischer Verbindungsleitungen (54) zwischen jeweiligen zueinander weisenden Paaren der Stege (30, 42) als auch eine Vielzahl von Kühlmittelkanälen (52) zwischen jeweiligen zueinander weisenden Paaren der Kühlmittelnuten (28, 40) zu bilden; dadurch gekennzeichnet, dass eine Fluiddichtung (34), die zwischen dem inneren Abschnitt (32) und dem Umfangsabschnitt (26, 36) der zueinander weisenden Flächen angeordnet ist, jeden inneren Abschnitt (32) umgibt und dass eine Silberplattierung die elektrisch leitende Lage (48, 50) bildet.
Zusammenbau (10) nach Anspruch 1, wobei die elektrisch leitende Lage (48, 50) eine minimale Dicke für das Silber von etwa zehn Nanometern besitzt.
Zusammenbau (10) nach Anspruch 1, wobei der innere Abschnitt (32) ferner eine Vielzahl von Kühlmitteldurchlässen (24) in Fluidverbindung mit den Kühlmittelkanälen (52) umfasst, um sowohl einen Zufluss als auch Abfluss von Kühlmittel (56) durch die Kühlmittelkanäle (52) vorzusehen.
Zusammenbau (10) nach Anspruch 3, ferner mit einem erweiterten Plattenbereich, der durch die Kühlmitteldurchlässe (24) durchlöchert ist, wobei die Fluiddichtung (34) erweiterbar ist, um ferner die Kühlmitteldurchlässe (24) zu umgeben.
Zusammenbau (10) nach Anspruch 1, wobei der äußere Umfangsabschnitt (26, 36) ferner eine Vielzahl von Reaktandengasdurchlässen (22) umfasst.
Zusammenbau (10) nach Anspruch 5, ferner umfassend, dass: das Plattenpaar (12, 14) nach außen freiliegende Flächen (20, 46) umfasst, von denen jede eine Vielzahl von daran ausgebildeten Reaktandengasdurchgängen (16, 44) aufweist, wobei jeder Reaktandengasdurchgang (16, 44) in Fluidverbindung mit zumindest einem der Reaktandengasdurchlässe (22) steht; und wobei die Fluiddichtung (34) funktionell den inneren Abschnitt (32) von den Reaktandengasdurchgängen (16, 44) und den Reaktandengasdurchlässen (22, 44) isoliert.
Zusammenbau (10) nach Anspruch 1, wobei die Fluiddichtung (34) aus einem elektrisch leitenden Klebstoff, einem elektrisch nicht leitenden Klebstoff und einer Dichtungsscheibe gewählt ist.
Brennstoffzellenstapel mit: einer Vielzahl von Membranelektrodenanordnungen, die in einer gestapelten Konfiguration angeordnet sind; einem Bipolplattenzusammenbau (10), der zwischen jeweiligen Paaren der Membranelektrodenanordnungen angeordnet ist, wobei jeder Bipolplattenzusammenbau (10) ein Paar ausgerichteter Platten (12, 14) umfasst, von denen jede eine Vielzahl von Reaktandengaskanälen (16, 44) an einer ersten Fläche (20, 46), die zu den Membranelektrodenanordnungen weist, und eine Vielzahl von abwechselnden Kühlmittelnuten (28, 40) und -stegen (30, 42) an einer zweiten Fläche (32) aufweist, die von den Membranelektrodenanordnungen weg weist; wobei die zweite Fläche (32) eine elektrisch leitende Lage (48, 50) aufweist, die über zumindest den Stegen (30, 42) abgeschieden ist; wobei der Bipolplattenzusammenbau (10) verbunden ist, um sowohl eine Vielzahl elektrischer Verbindungsleitungen (54) zwischen jeweiligen zueinander weisenden Paaren der Stege (30, 42) als auch eine Vielzahl von Kühlmittelkanälen (52) zwischen jeweiligen zueinander weisenden Paaren der Kühlmittelnuten (28, 40) zu bilden; dadurch gekennzeichnet, dass eine Fluiddichtung (34) die Kühlmittelkanäle (52) und die Stege (30, 42) jedes Bipolplattenzusammenbaus (10) umgibt, um die Reaktandengaskanäle (16, 44) von der elektrisch leitenden Lage (48, 50) zu isolieren, und dass eine Silberplattierung die elektrisch leitende Lage (48, 50) bildet.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 8, ferner mit einem dielektrischen Kühlmittel (56), das in den Kühlmittelkanälen (52) angeordnet ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 9, wobei das dielektrische Kühlmittel (56) ein deionisiertes, auf Wasser basierendes Fluid umfasst.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 9, wobei das dielektrische Kühlmittel (56) ein auf Kohlenwasserstoff basierendes Fluid umfasst.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 8, wobei die elektrisch leitende Lage (48, 50) eine minimale Plattierungsdicke von etwa 10 Nanometern aufweist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 8, ferner mit: einem Stapelkonstruktionsdruck im Bereich von etwa 1,7 bar (25 Pfund pro Quadratinch) bis etwa 27,6 bar (400 Pfund pro Quadratinch); und einer minimalen kombinierten Kontaktfläche von etwa 25%.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 8, ferner mit einer Vielzahl von Reaktandengasdurchlässen (22), die benachbart zu sowohl den Kühlmittelkanälen (52) als auch den Stegen (30, 42) angeordnet sind, wobei die Fluiddichtung (34) zwischen den Reaktandengasdurchlässen (22) und sowohl den Kühlmittelkanälen (52) als auch den Stegen (30, 42) angeordnet ist.
Verfahren zum Isolieren von Reaktandengasdurchgängen (22) von mit Kühlmittel (56) in Kontakt stehenden Flächen (32) in einem Brennstoffzellenstapel, mit den Schritten, dass: abwechselnde Kühlmittelnuten (28, 40) und -stege (30, 42) an zueinander weisenden Flächen (32) einer Vielzahl von Plattenpaaren (12, 14) gebildet werden; eine Vielzahl von Reaktandengasdurchgängen (16, 44) an nach außen weisenden Flächen (20, 46) der Vielzahl von Plattenpaaren (12, 14) vorgesehen werden; zumindest die Stege (30, 42) der zueinander weisenden Flächen (32) leitend mit Silber plattiert werden; beide zueinander weisenden Flächen (32) ausgerichtet werden, um Paare von zueinander weisenden Stegen (30, 42) zu bilden; ein Umfang der zueinander weisenden Flächen (32) jedes Plattenpaares (12, 14) abgedichtet wird, um die Kühlmittelnuten (28, 40) und -stege (39, 42) von den Reaktandengasdurchgängen (22) zu isolieren; und die Vielzahl von Plattenpaaren verbunden (12, 14) wird, um die zueinander weisenden Stege (30, 42) zwischen jedem Plattenpaar (12, 14) elektrisch zu koppeln.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Schritt zum Ausrichten ferner umfasst, dass zumindest ein Kühlmittelkanal (56) von den Kühlmittelnuten (28, 40) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend, dass ein dielektrisches Kühlmittel (56) in den Kühlmittelkanälen (52) strömt.
Verfahren nach Anspruch 17, ferner umfassend, dass ein auf Wasser basierendes Kühlmittel deionisiert wird, um das dielektrische Kühlmittel (56) zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Schritt zum Abdichten umfasst, dass zumindest die Stege (30, 42) mit einer kontinuierlichen Dichtung (34) umgeben werden, um ein Reaktandengas, das in den Reaktandengasdurchgängen (16, 44) verteilt ist, von den Stegen (38, 42) zu isolieren.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Schritt zum Verbinden umfasst, dass eine Druckkraft im Bereich von etwa 1,7 bar (25 Pfund pro Quadratinch) bis etwa 13,8 bar (200 Pfund pro Quadratinch) aufgebracht wird.