DE112004001443T5

DE112004001443T5 - Klebstoffverbindungen für metallische bipolare Platten

Info

Publication number: DE112004001443T5
Application number: DE112004001443T
Authority: DE
Inventors: Richard H. Macomb Blunk; Mahmoud H. Warren Abd Elhamid; Daniel J. Eastpointe Lisi; Youssef Sterling Heights Mikhail; Michael K. Budinski
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2003-08-06
Filing date: 2004-07-28
Publication date: 2008-03-20
Anticipated expiration: 2024-07-29
Also published as: CN1833331A; US20050031933A1; WO2005018032A1; DE112004001443B4; US6942941B2; CN100550488C; JP4800942B2; JP2007501500A

Abstract

Leitendes Element für eine Brennstoffzelle, mit:
einer ersten leitenden Tafel mit einer ersten Fläche, die einer zweiten Fläche einer zweiten leitenden Tafel gegenüberliegt;
wobei die erste und die zweite Fläche mit einer elektrisch leitenden Primerbeschichtung bedeckt sind, die einen Korrosionsschutz vorsieht;
wobei die erste und die zweite beschichtete Fläche miteinander an einem oder mehreren Kontaktgebieten durch einen elektrisch leitenden Klebstoff verbunden sind, der zusammen mit dem Primer einen Zielverklebungswiderstand über jede der ersten und der zweiten Tafel vorsieht, der niedriger als ein Vergleichskontaktwiderstand des Klebstoffs ohne den Primer ist; und der Zielverklebungswiderstand für eine Zeitdauer beibehalten wird, die größer als eine Zeitdauer ist, während der der Vergleichskontaktwiderstand beibehalten wird.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft PEM-Brennstoffzellen und insbesondere metallische Separatorplatten und Verfahren zur Herstellung derselben.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Brennstoffzellen sind als eine Energiequelle für Elektrofahrzeuge und andere Anwendungen vorgeschlagen worden. Eine bekannte Brennstoffzelle ist die PEM-Brennstoffzelle (d.h. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle), die eine so genannte "Membranelektrodenanordnung" mit einem dünnen Festpolymermembranelektrolyt umfasst, der eine Anode auf einer Seite des Membranelektrolyten und eine Kathode auf der entgegengesetzten Seite des Membranelektrolyten umfasst. Die Anode und Kathode umfassen typischerweise fein geteilte Kohlenstoffpartikel mit sehr fein geteilten katalytischen Partikeln, die an den Innen- und Außenflächen der Kohlenstoffpartikel getragen sind, und protonenleitendem Material, das mit den katalytischen Partikeln und Kohlenstoffpartikeln vermischt ist.
Die Membranelektrodenanordnung ist schichtartig zwischen einem Paar elektrisch leitender Kontaktelemente angeordnet, die als Stromkollektoren für die Anode und Kathode dienen und geeignete Kanäle und Öffnungen darin zur Verteilung der gasförmigen Reaktanden (d.h. H₂ & O₂/Luft) der Brennstoffzelle über die Oberflächen der jeweiligen Anode und Kathode enthalten können.
Bipolare PEM-Brennstoffzellen umfassen eine Vielzahl der Membranelektrodenanordnungen, die in elektrischer Reihe aneinander gestapelt sind, während sie voneinander durch ein undurchlässiges elektrisch leitendes Kontaktelement getrennt sind, das als eine bipolare Platte oder Separatorplatte oder Trennwand bekannt ist. Die Separatorplatte oder bipolare Platte besitzt zwei Arbeitsseiten, von denen eine zu der Anode einer Zelle weist und die andere zu der Kathode an der nächsten benachbarten Zelle in dem Stapel weist, wobei jede bipolare Platte Strom elektrisch zwischen den benachbarten Zellen leitet. Kontaktelemente an den Enden des Stapels werden als End-, Anschluss- oder Kollektorplatten bezeichnet. Diese Anschlusskollektoren stehen mit einem leitenden Element in Kontakt, das schichtartig zwischen der Anschlussbipolplatte und der Anschlusskollektorplatte angeordnet ist. Die leitenden Elemente dienen als ein elektrisch leitendes Separatorelement zwischen zwei benachbarten Zellen und besitzen typischerweise Reaktandengasströmungsfelder an ihren beiden Außenseiten, leiten elektrischen Strom zwischen der Anode einer Zelle und der Kathode der nächsten benachbarten Zelle in dem Stapel und besitzen Innendurchgänge darin, durch die Kühlmittel strömt, um Wärme von dem Stapel zu entfernen.
Die PEM-Brennstoffzellenumgebung ist stark korrosiv, und demgemäß müssen die bipolaren Platten und die Materialien, die für deren Zusammenbau verwendet werden, sowohl korrosionsbeständig als auch elektrisch leitend sein. Bipolare Platten werden allgemein aus zwei separaten leitenden Tafeln hergestellt und können aus elektrisch leitenden Metall- oder Verbundmaterialien aufgebaut sein. Diese einzelnen Platten müssen an einer Verbindungsstelle miteinander verbunden werden, die die rauen Bedingungen der Brennstoffzelle aushalten muss, während eine hohe elektrische Leitfähigkeit, um Spannungsverluste zu verringern, ein gerin ges Gewicht, um den gravimetrischen Wirkungsgrad zu verbessern, und die Haltbarkeit für einen Langzeitbetriebswirkungsgrad vorgesehen werden müssen. Es besteht die Herausforderung, das Verbinden elektrisch leitender Elemente zu optimieren, die unabhängige Komponenten in einer Brennstoffzelle umfassen, um einen Wirkungsgrad so kosteneffektiv wie möglich zu unterstützen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung sieht ein leitendes Element für eine Brennstoffzelle vor, die eine erste leitende Tafel mit einer ersten Fläche umfasst, die zu einer zweiten Fläche einer zweiten leitenden Tafel weist. Die erste und die zweite Fläche sind mit einer elektrisch leitenden Primerbeschichtung bedeckt, die einen Korrosionsschutz wie auch einen Zielkontakt- bzw. Schnittstellenwiderstand über die erste und zweite Tafel vorsieht. Die erste und die zweite beschichtete Fläche sind an einem oder mehreren Kontaktgebieten durch einen elektrisch leitenden Klebstoff miteinander verbunden, der zusammen mit dem Primer den Zielverklebungswiderstand vorsieht. Der Begriff "Verklebungswiderstand" betrifft den Schnittstellenkontaktwiderstand plus dem Volumenklebstoffwiderstand. Der Verklebungswiderstand der Erfindung ist erheblich geringer als ein vergleichbarer Verklebungswiderstand des Klebstoffs ohne den Primer (hoher Kontaktwiderstand) bei einem gegebenen Kompressionsdruck. Ferner wird der Kontakt und seinerseits der Verklebungswiderstand für die vorliegende Erfindung für eine Zeitdauer aufrecht erhalten, die größer als die ist, die mit dem vorher erwähnten Vergleichsverklebungswiderstand erreicht wurde.
Bei alternativen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist ein elektrisch leitendes Kontaktelement für eine PEM-Brennstoff zelle vorgesehen. Das Element umfasst eine erste Tafel mit einer ersten Kontaktfläche, die mit einer elektrisch leitenden Klebstoffprimerbeschichtung bedeckt ist, und eine zweite Tafel mit einer zweiten Kontaktfläche, die mit der elektrisch leitenden Klebstoffprimerbeschichtung bedeckt ist. Ein oder mehrere Verbindungsgebiete verbinden die erste Kontaktfläche mit der zweiten Kontaktfläche. Die Verbindungsgebiete besitzen einen elektrischen Widerstand von weniger als 5 mOhm-cm² nach 500 Betriebsstunden bei Brennstoffzellenbetriebsbedingungen.
Bei einer anderen alternativen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein elektrisch leitendes Kontaktelement eine erste Tafel mit einer ersten Kontaktfläche, die mit einer elektrisch leitenden Klebstoffprimerbeschichtung bedeckt ist, und eine zweite Tafel mit einer zweiten Kontaktfläche, die mit der elektrisch leitenden Klebstoffprimerbeschichtung bedeckt ist. Zwischen der ersten Kontaktfläche und der zweiten Kontaktfläche ist in Gebieten eines elektrischen Kontakts ein elektrisch leitender Klebstoff angeordnet. Die elektrisch leitende Klebstoffprimerbeschichtung umfasst Graphit, Ruß und einen Polymerbinder, wobei die Gesamtmenge von Graphit und Ruß kombiniert in der Matrix mit weniger als etwa 10 Gew.-% vorhanden ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen und einem elektrisch leitenden Element, das schichtartig zwischen einer Anode und einer Kathode in einer Brennstoffzelle angeordnet ist. Das elektrisch leitende Element in dem Brennstoffzellenstapel umfasst eine erste elektrisch leitende Tafel, die eine zu einer Anode weisende Oberfläche und eine erste Wärmeaustauschfläche aufweist, und eine zweite elektrisch leitende Tafel, die eine zu einer Kathode weisende Oberfläche und eine zweite Wärmeaustauschfläche aufweist, wobei die erste und zweite Wärmeaustauschfläche mit einer Primerbeschichtung beschichtet sind, die eine erste Vielzahl elektrisch leitender Partikel umfasst, die in einem korrosionsbeständigen Polymer verteilt sind. Die erste und zweite Wärmeaustauschfläche liegen einander gegenüber, um so dazwischen einen Kühlmittelströmungsdurchgang zu definieren, der derart ausgebildet ist, um ein flüssiges Kühlmittel aufzunehmen, und sind elektrisch miteinander an einer Vielzahl von Stellen über einen elektrisch leitenden Klebstoff gekoppelt. Der elektrisch und thermisch leitende Klebstoff umfasst eine zweite Vielzahl leitender Partikel, die in einem Polymer mit Hafteigenschaften verteilt sind. Die Primerbeschichtung und der elektrisch bzw. thermisch leitende Klebstoff definieren zusammen einen elektrisch bzw. thermisch leitenden Pfad zwischen der ersten und zweiten Tafel, und ein elektrischer bzw. thermischer Widerstand über den elektrisch leitenden Pfad ist ausreichend gering, so dass Strom, der von der Anode und Kathode erzeugt wird, davon mit einer Rate geleitet wird, die ausreichend ist, um eine Überhitzung des Kühlmittels und der Membranelektrodenanordnung (MEA) zu verhindern.
Bei anderen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Erhöhung einer Verbindungshaltbarkeit eines elektrisch leitenden Elements in einer Brennstoffzelle vorgesehen. Das Verfahren umfasst, dass eine erste Fläche einer ersten Tafel und eine zweite Fläche einer zweiten Tafel mit einem elektrisch leitenden Klebstoffprimer beschichtet werden. Zwischen der ersten und zweiten beschichteten Fläche wird ein elektrisch leitender Klebstoff angeordnet, der die erste und zweite beschichtete Fläche miteinander verbindet. Der Klebstoff ist für einen andauernden Dichtungseingriff mit dem Klebstoffprimer, der auf die erste und zweite Fläche aufgebracht ist, gewählt.
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlicher. Es sei zu ver stehen, das die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform 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 aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, wobei:
1 eine schematische Darstellung von zwei Zeilen in einem flüssigkeitsgekühlten PEM-Brennstoffzellenstapel ist;
2 ein beispielhaftes elektrisch leitendes Separatorelement ist, das eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3 von 2 ist, die ein leitendes Element einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 eine vergrößerte Ansicht eines in 3 gezeigten Kontaktgebiets ist;
5 eine vergrößerte Ansicht einer anderen Ausführungsform eines Kontaktgebiets der vorliegenden Erfindung ist, wobei eine Zwischenseparatorplatte zwischen einer ersten und einer zweiten Tafel des leitenden Elements angeordnet ist; und
6 eine beispielhafte Prüfvorrichtung ist, die dazu verwendet wird, den Kontaktwiderstand einer Probe zu messen.
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. Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisch leitendes Element (beispielsweise eine bipolare Platte) für eine Brennstoffzelle, die eine verbesserte Klebstoffverbindung besitzt. Das leitende Element umfasst allgemein eine erste und eine zweite leitende Tafel, von denen jede eine Fläche aufweist, die zueinander weisen. Die Flächen, die zueinander weisen, sind mit einer elektrisch leitenden Primerbeschichtung bedeckt, die einen Korrosionsschutz wie auch einen niedrigen Kontaktwiderstand für die erste bzw. zweite Tafel in Gebieten vorsieht, in denen die ersten und zweiten Tafeln miteinander in Kontakt stehen. Die erste und zweite beschichtete Fläche sind durch einen elektrisch leitenden Klebstoff miteinander verbunden, der eine Anhaftung der ersten und zweiten beschichteten Flächen der Tafeln an dem Kontaktgebiet vorsieht. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung Verfahren, um eine derartige verbesserte Verbindung in einem elektrisch leitenden Element auszubilden. Zunächst ist zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung eine Beschreibung einer beispielhaften Brennstoffzelle und eines beispielhaften Stapels vorgesehen.
Um ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erreichen, ist eine beispielhafte Brennstoffzelle, in der die vorliegende Erfindung verwendet werden kann, in 1 dargestellt, die zwei einzelne Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEM-Brennstoffzellen) zeigt, die miteinander verbunden sind, um einen Stapel zu bilden, der ein Paar Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 4, 6 aufweist, die voneinander durch ein elektrisch leitendes flüssigkeitsgekühltes leitendes Element 8 einer bipolaren Separatorplatte 8 getrennt sind. Eine einzelne Brennstoffzelle, die nicht in Reihe in einem Stapel geschaltet ist, besitzt eine Separatorplatte 8 mit einer einzelnen elektrisch aktiven Seite. In einem Stapel besitzt eine bevorzugte bipolare Separatorplatte 8 typischerweise zwei elektrisch aktive Seiten 20, 21 in dem Stapel, wobei jede aktive Seite 20, 21 jeweils zu einer separaten MEA 4, 6 mit entgegengesetzten Ladungen weist, die voneinander getrennt sind, daher die so genannte "bipolare" Platte. Wie hier beschrieben ist, ist der Brennstoffzellenstapel mit leitenden Bipolarplatten beschrieben, wobei die vorliegende Erfindung jedoch gleichermaßen auf Stapel mit nur einer einzelnen Brennstoffzelle anwendbar ist.
Die MEAs 4, 6 und die bipolare Platte 8 sind zwischen aus rostfreiem Stahl bestehenden Klemmanschlussplatten 10, 12 und Endkontaktfluidverteilungselementen 14, 16 aneinander gestapelt. Die Endfluidverteilungselemente 14, 16 wie auch beide Arbeitsflächen oder -seiten 20, 21 der bipolaren Platte 8 enthalten eine Vielzahl von Stegen benachbart zu Nuten oder Kanälen an den aktiven Seiten 18, 19, 20, 21, 22 und 23 zur Verteilung von Brennstoff- und Oxidationsmittelgasen (d.h. H₂ und O₂) an die MEAs 4, 6. Nichtleitende Dichtungselemente oder Dichtungen 26, 28, 30, 32, 33 und 35 sehen Dichtungen wie auch eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellenstapels vor. Gasdurchlässige leitende Diffusionsmedien 34, 36, 38 und 40 werden an die Elektrodenseiten der MEAs 4, 6 gepresst. Zusätzliche Tafeln des leitenden Mediums 43, 45 sind zwischen den Endkontaktfluidverteilungselementen 14, 16 und den Anschlusskollektorplatten 10, 12 angeordnet, um einen leitenden Pfad dazwischen vorzusehen, wenn der Stapel unter normalen Betriebsbedingungen komprimiert wird. Die Endkontaktfluidverteilungselemente 14, 16 werden an die Diffusionsmedien 34, 43 bzw. 40, 45 gepresst.
Sauerstoff wird an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels aus einem Speichertank 46 über eine geeignete Versorgungsverrohrung 42 geliefert, während Wasserstoff an die Anodenseite der Brennstoffzelle von einem Speichertank 48 über eine geeignete Versorgungsverrohrung 44 geliefert wird. Alternativ dazu kann Luft an die Kathodenseite aus der Umgebung und Wasserstoff an die Anode aus einem Methanol- oder Benzinreformer oder dergleichen geliefert werden. Es ist auch eine Austragsverrohrung 41 für sowohl die H₂- als auch O₂/Luft-Seiten der MEAs vorgesehen. Eine zusätzliche Verrohrung 50 ist vorgesehen, um ein Kühlmittel von einem Speicherbereich 52 durch die bipolare Platte 8 und die Endplatten 14, 16 und aus der Austrittsverrohrung 54 heraus umzuwälzen.
Die vorliegende Erfindung betrifft leitende Elemente in einer Brennstoffzelle, wie beispielsweise die flüssigkeitsgekühlte bipolare Platte 56, die in 2 gezeigt ist und die benachbarte Zellen eines PEM-Brennstoffzellenstapels trennt, elektrischen Strom zwischen benachbarten Zellen des Stapels leitet und den Stapel kühlt. Die bipolare Platte 56 umfasst eine erste Außenmetalltafel 58 und eine zweite Außenmetalltafel 60. Die Tafeln 58, 60 können aus einem Metall, einer Metalllegierung oder einem Verbundmaterial hergestellt sein und sind bevorzugt elektrisch leitend. Geeignete Metalle, Metalllegierungen und Verbundmaterialien besitzen eine ausreichende Haltbarkeit und Starrheit, um als Tafeln in einem leitenden Element in einer Brennstoffzelle zu dienen. Zusätzliche Konstruktionseigenschaften zur Betrachtung bei der Auswahl eines Materials für den Plattenkörper umfassen eine Gasdurchlässigkeit, Leitfähigkeit, Dichte, Wärmeleitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Musterdefinition, thermische und musterbezogene Stabilität, Bearbeitbarkeit, Kosten und Verfügbarkeit. Verfügbare Metalle und Legierungen umfassen Titan, Platin, rostfrei en Stahl, auf Nickel basierende Legierungen und deren Kombinationen. Verbundmaterialien können Graphit, Graphitblätter, leitende Partikel (beispielsweise Graphitpulver) in einer Polymermatrix, Kohlefaserpapier und Polymerverbünde, Polymerplatten mit Metallkernen, leitend beschichtete Polymerplatten und deren Kombinationen umfassen.
Die Außenmetalltafeln 58, 60 sind so dünn wie möglich ausgebildet (beispielsweise etwa 0,002–0,02 Zoll oder 0,05-0,5 mm dick). Die Tafeln 58, 60 können durch ein beliebiges in der Technik bekanntes Verfahren ausgebildet werden, wie beispielsweise durch maschinelles Bearbeiten, Formen, Trennen, Einschneiden, Stanzen, Fotoätzen, wie beispielsweise durch eine photolithographische Maske, oder durch einen beliebigen anderen geeigneten Konstruktions- und Herstellungsprozess. Es sei angemerkt, dass die Tafeln 102, 104 einen Verbundaufbau umfassen können, der eine flache Tafel und eine zusätzliche Tafel umfasst, die eine Serie von externen Fluidströmungskanälen umfasst.
Die Außentafel 58 besitzt eine erste Arbeitsfläche 59 an ihrer Außenseite, die zu einer Anode einer Membranelektrodenanordnung (nicht gezeigt) weist und so ausgebildet ist, dass sie eine Vielzahl von Stegen 64 vorsieht, die dazwischen eine Vielzahl von Nuten 66 definieren, das als ein "Strömungsfeld" bekannt ist, durch das die Reaktandengase (d.h. H₂ oder O₂) der Brennstoffzelle in einem gewundenen Pfad von einer Seite 68 der bipolaren Platte zu ihrer anderen Seite 70 strömen. Wenn die Brennstoffzelle vollständig zusammengesetzt ist, werden die Stege 64 an die Kohle-/Graphitpapiere (wie beispielsweise 36 oder 38 in 1) gepresst, die ihrerseits an die MEAs (wie beispielsweise 4 bzw. 6 in 1) gepresst werden. Der Einfachheit halber zeigt 2 nur zwei Gruppierungen aus Stegen 64 und Nuten 66. In der Praxis bedecken die Stege und Nuten 64, 66 die gesamten Außenflächen der Metalltafeln 58, 60, die mit den Koh lenstoff/Graphitpapieren in Eingriff stehen. Das Reaktandengas wird an die Nuten 66 von einer Sammel- oder Verteilernut 72 geliefert, die sich entlang einer Seite 68 der Brennstoffzelle befindet, und verlässt die Nuten 66 über eine andere Sammel/Verteilernut 74, die sich benachbart der entgegengesetzten Seite 70 der Brennstoffzelle befindet.
Wie am besten in 3 gezeigt ist, umfasst die Unterseite der Tafel 58 eine Vielzahl von Rippen 76, die dazwischen eine Vielzahl von Kanälen 78 definieren, durch die Kühlmittel beim Betrieb der Brennstoffzelle strömt. Wie in 3 gezeigt ist, liegt unter jedem Steg 64 ein Kühlmittelkanal 78, während unter jeder Rippe 76 eine Reaktandengasnut 66 liegt. Alternativ dazu kann die Tafel 58 flach und das Strömungsfeld in einer separaten Materialtafel ausgebildet sein. Die Tafel 60 ist ähnlich der Tafel 58. Diesbezüglich ist eine Vielzahl von Rippen 80 gezeigt, die dazwischen eine Vielzahl von Kanälen 93 definieren, durch die ein Kühlmittel von einer Seite 69 der bipolaren Platte zu der anderen 71 strömt. Die kühlmittelseitige Wärmeaustauschflächen 90, 92 der ersten und zweiten Tafel 58, 60 liegen einander gegenüber, so dass dazwischen die Kühlmittelströmungsdurchgänge 93 definiert werden, die derart ausgebildet sind, um ein flüssiges Kühlmittel aufzunehmen, und elektrisch miteinander an einer Vielzahl von Verbindungsstellen oder Kontaktgebieten 100 elektrisch gekoppelt sind. Wie bei der Tafel 58, und wie am besten in 3 gezeigt ist, besitzt die Außnseite der Tafel 60 eine Arbeitsfläche 63, die zu einer Kathode einer anderen MEA weist und die eine Vielzahl von Stegen 84 darauf aufweist, die eine Vielzahl von Nuten 86 definieren, durch die die Reaktandengase strömen.
Das Kühlmittel strömt zwischen den Kanälen 93, die durch Tafeln 58 bzw. 60 gebildet werden, wodurch laminare Grenzschichten aufgebrochen und eine Turbulenz erzeugt wird, die den Wärmeaustausch mit Innenflächen 90, 92 der Außentafeln 58 bzw. 60 steigert. Wie für Fachleute bekannt ist, können die Stromkollektoren der vorliegenden Erfindung hinsichtlich der Konstruktion von den oben beschriebenen abweichen, beispielsweise in der Ausgestaltung der Strömungsfelder, der Anordnung und Anzahl von Fluidlieferverteilern, und dem Kühlmittelumwälzsystem, wobei jedoch die Wirkungsweise der Leitung von elektrischem Strom durch die Oberfläche und den Körper des Stromkollektors bei allen Konstruktionen gleichermaßen vonstatten geht. Bei bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird ein elektrisch leitender Pfad mit guter Haltbarkeit über die Kontaktgebiete 100 ausgebildet. In Fällen, wenn der elektrische Widerstand über die Kontaktgebiete 100 zu hoch ist, wird an den Kontaktgebieten 100 eine große Wärmemenge erzeugt, die an das Kühlmittel übertragen wird. Es ist bevorzugt, dass der dauerhafte elektrische Widerstand über den leitenden Pfad niedrig genug ist, so dass keine Überhitzung des Kühlmittels bewirkt wird. Überdies hat ein hoher elektrischer Widerstand über den leitenden Pfad Spannungs-(Leistungs-)Verluste in dem Stapel zur Folge.
4 ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts von 3 und zeigt, dass die Rippen 76 an der ersten Tafel 58 und die Rippen 80 an der zweiten Tafel 60 miteinander in dem Kontaktgebiet 100 gekoppelt sind, um die bauliche Integrität des Separatorelements 56 sicherzustellen. Die erste Metalltafel 58 ist an dem Kontaktgebiet 100 direkt (d.h. ohne eine Zwischenabstandshaltertafel) mit der zweiten Metalltafel 60 über eine Vielzahl leitender Verbindungsstellen in diskreten Kontaktgebieten 100 verbunden. Das Kontaktgebiet 100 sieht einen elektrisch leitenden Pfad vor, der erforderlich ist, damit das Bipolplattenelement als ein Stromkollektor dienen kann. Das Kontaktgebiet 10 wird oftmals als die "Verbindung" oder "Verklebung" bezeichnet.
Bisherige Verfahren zum Befestigen der ersten und zweiten Platten 58, 60 an dem Kontaktgebiet 100 umfassten Metallhartlöten und Schweißen (in dem Fall von Blechen) oder leitende Klebstoffe (sowohl für metallische als auch Verbundtafelmaterialien). Bei Verwendung von Klebstoffen, um die Tafeln 58, 60 miteinander zu koppeln, lag der elektrische Widerstand über die Verklebung oder das Kontaktgebiet 100 in Soll-Bereichen, wenn er kurz nach der Herstellung gemessen wurde. Jedoch besteht nach einem Langzeitgebrauch die Gefahr einer Verbindungsverschlechterung an dem Kontaktgebiet 100. Es wird angenommen, dass die Diskrepanz der Wärmekoeffizienten zwischen verschiedenen Materialien, wie beispielsweise Polymerkunststoffen und Blechen, wie auch der Langzeitkontakt mit der rauen Umgebung der Brennstoffzelle zu einer Verschlechterung der Verklebung beitragen und die Verschlechterung beschleunigen kann. Die Verschlechterung der Verklebung kann den Kontakt-(Verklebungs-)Widerstand über das Kontaktgebiet 100 auf unzulässige Niveaus nach einem Langzeitbetrieb (d.h. mehr als 500 Betriebsstunden) aufgrund einer physikalischen Auftrennung entlang der Verbindungsstellen der Metalltafeln und des Klebstoffs zunehmen.
Die vorliegende Erfindung ist auch auf beliebige elektrisch leitende Elemente anwendbar, die in der Brennstoffzelle miteinander verbunden sind. Während die erste und zweite Tafel 58, 60 gemäß der vorliegenden Erfindung, wie in 4 gezeigt ist, in einer Bipolplattenanordnung 56 direkt aneinander angehaftet werden können, können die ersten und zweiten Tafeln 58, 60 alternativ dazu an eine diskrete dazwischen liegende leitende Separatortafel 101 (5) geklebt werden, die den Kühlmittelströmungsdurchgang 93 unterteilen kann. Die Zwischenseparatortafel 101 kann so mit Durchbrechungen versehen sein, um zu ermöglichen, dass sich Kühlmittel zwischen den kleineren Kühlmittelströmungsdurchgängen 93 bewegen kann. Bei einer derartigen Ausführungsform wird die Separa tortafel 101 gemäß der vorliegenden Erfindung behandelt, indem die Kontaktflächen 103 der Separatortafel 101 an die jeweilige erste und zweite leitende Tafel 58, 60 geklebt werden. Die Separatortafel 101 kann gewellt sein, um eine Vielzahl von Kühlmittelkanälen 105 in dem Kühlmittelströmungsdurchgang 93 vorzusehen, oder kann eine flache Tafel sein, die mit einer ersten und zweiten Außentafel verbunden ist, die jeweils eine Vielzahl von Kühlmittelströmungskanälen aufweisen, die darin geformt sind, wie beispielsweise durch Wellung der Außentafeln.
Alle miteinander in Kontakt stehenden Gebiete 100 der Außentafeln 58, 60 (und der Innenseparatortafel, wenn sie verwendet wird) sind aneinander geklebt, um sicherzustellen, dass der Kühlmitteldurchgang 93 bevorzugt in einem dauerhaften Dichteingriff abgedichtet ist, der gegenüber einer Kühlmittelleckage fluiddicht ist, und um eine elektrische Leitung mit niedrigem Widerstand zwischen benachbarten Zellen vorzusehen. Ein dauerhafter Dichteingriff ist einer, der bevorzugt mehr als 500 Betriebsstunden und bevorzugter mehr als 6000 Betriebsstunden aushält. Eine fluiddichte Dichtung ist eine Dichtung, die an den Kontaktgebieten 100 ausgebildet ist und einen Fluid- und Gastransport durch diese verhindert oder zumindest beeinträchtigt. Der elektrisch leitende Klebstoff dient auch als ein leitender Füllstoff zum Füllen von Spalten zwischen den Tafeln 58, 60, die aus Unregelmäßigkeiten der Tafeln resultieren. Die vorliegende Erfindung ist auch auf die leitenden Anschlusselemente (beispielsweise 14, 16 von 1) an den Enden des Stapels anwendbar, die eine Kühlung wie auch eine Stromsammlung vorsehen.
Die vorliegende Erfindung sieht ein leitendes Element in einer Brennstoffzelle vor, das einen elektrisch leitenden Klebstoffprimer 110 aufweist, der sowohl über der ersten Tafel 58 als auch der zweiten Tafel 60 entlang der Gebiete ihrer jeweiligen Flächen 90, 92 liegt, die einander an dem Kon taktgebiet 100 gegenüberliegen, wie in 4 gezeigt ist. Ein elektrisch leitender Klebstoff 112 wird zwischen der ersten und zweiten Fläche 90, 92, auf die die Primer 110 aufgebracht ist, angeordnet, so dass die an dem Kontaktgebiet 100 gebildete Verbindung eine gesteigerte Langzeithaltbarkeit wie auch einen dauerhaften Kontakt-(Verklebungs-)Widerstand über 500 Betriebsstunden hinaus aufweist. Als Teil der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass alle Metalloxide von den Oberflächen 90, 92 der Metalltafeln an den Orten 100 entfernt werden, an denen die Primer 110 aufgebracht werden soll, und insbesondere in den Kontaktgebieten 100, um eine elektrische Verbindung mit einem so niedrigen Widerstand wie möglich zwischen den Tafeln 58, 60 durch den Klebstoffprimer 110 und den Klebstoff 112 der Verklebung zu erzeugen. Nichtmetallische Tafeln (beispielsweise Polymerverbundstoffe oder Graphit) erfordern keine Oxidentfernung, können jedoch ein Schleifen oder eine Entfernung des isolierenden polymerreichen Filmes an der Tafelnoberfläche, der während der Formung gebildet wird, erfordern.
Die elektrisch leitende Klebstoffprimerbeschichtung 110 sieht bei bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sowohl einen Korrosionswiderstand für die darunter liegenden Tafeln, eine hohe thermische Leitfähigkeit, einen niedrigen elektrischen Widerstand wie auch eine Verträglichkeit mit dem Klebstoffpolymer vor. Die Klebstoffprimer 110 umfasst eine Matrix aus einer Vielzahl elektrisch leitender Partikel, die in einem Binder, der ein Polymerharz umfasst, verteilt sind. Die elektrisch leitenden Partikel können Edelmetalle, einschließlich Gold, Platin, Silber und Palladium aber auch Nickel, Zinn, Graphit, Ruß und deren Mischungen umfassen. Die Klebstoffprimerbeschichtung 110 kann zwischen etwa 5 Gew.-% und etwa 75 Gew.-% leitende Partikel abhängig von der relativen Leitfähigkeit der jeweiligen leitenden Partikel, die gewählt sind, umfassen.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen die leitenden Partikel Graphit, Ruß und ein Binderpolymer, die in Mengen vorgesehen sind, die einen gewünschten Gesamtkohlenstoffgehalt der Beschichtung erzielen. Bei bevorzugten Ausführungsformen ist der Gesamtkohlenstoff geringer als 75 Gew.-% und insbesondere geringer als 10 Gew.-% Gesamtkohlenstoff. Ein Beispiel einer bevorzugten Klebstoffbinderzusammensetzung lässt sich in der U.S. Patentanmeldung Serien-Nr. 10/292,407 finden, die am 11. November 2002 auf den gleichen Anmelder wie der der vorliegenden Erfindung eingereicht wurde und hier in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen ist. Die Menge an Gesamtkohlenstoff in der Beschichtung ist hauptsächlich ein Ergebnis der jeweiligen Mengen an Graphit und Ruß in der Beschichtung. Bei einer Ausführungsform umfasst die Beschichtung Graphit und Ruß in einem Gewichtsverhältnis von etwa 2:1. Insbesondere kann bezüglich der Menge an Graphit in der Beschichtung bei einer Ausführungsform die Beschichtung zwischen etwa 3,3 Gew.-% und etwa 50 Gew.-% Graphit umfassen. Insbesondere in Bezug auf die Menge an Ruß in der Beschichtung kann die Beschichtung zwischen etwa 1,7 Gew.-% und etwa 20 Gew.-% Ruß umfassen.
Verschiedene Typen von Graphit sind besonders zur Verwendung in der Primerbeschichtung 110 bevorzugt. Das Graphit kann aus expandiertem Graphit, Graphitpulver, Graphitflocken gewählt sein. Das Graphit kann durch eine Partikelgröße zwischen etwa 5 μm und etwa 90 µm gekennzeichnet sein. Das Graphit kann eine geringe Schüttdichte besitzen, die allgemein kleiner als 1,6 g/cm³ und insbesondere kleiner als etwa 0,3 g/cm³ ist. Die materialeigene Dichte kann zwischen etwa 1,4 g/cm³ und etwa 2,2 g/cm³ liegen. Das Graphit kann eine relativ hohe Reinheit besitzen und im Wesentlichen frei von Schmutzstoffen sein. Das expandierte Graphit, das eines oder mehrere der oben beschriebenen Merkmale zur Verwendung in einer Beschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist, kann durch ein beliebiges geeignetes Verfahren hergestellt werden. Bei einer Ausführungsform kann ein geeignetes Graphitmaterial verwendet werden, das von Sigri Great Lakes mit der Handelsbezeichnung Sigriflex vertrieben wird.
Zusätzlich sind verschiedene Typen von Ruß zur Verwendung in der Beschichtung geeignet. Beispielsweise und nicht zur Beschränkung kann der Ruß aus Acetylenruß, Ketjen^TM Ruß, Vulcan Ruß, Regal^TM, Ofenruß, Rußperlen und deren Kombinationen gewählt sein. Der Kohlenstoffruß kann durch eine Partikelgröße zwischen etwa 0,05 und etwa 0,2 µm gekennzeichnet sein. Der Ruß enthält allgemein wenig Unreinheiten.
Zusätzlich zu den differierenden Mengen an Graphit und Ruß kann die Klebstoffprimerbeschichtung 110 auch differierende Mengen an Rinderpolymer umfassen. Die Menge an Binder kann abhängig von der Menge der leitenden Partikel, die in der Beschichtung verwendet werden, variieren. Allgemein ist ein höherer Rindergehalt für eine gesteigerte Adhäsion, Korrosionsbeständigkeit und einen Anwendungsablauf erwünscht. Bei einer Ausführungsform umfasst die Klebstoffprimerbeschichtung 110 zwischen etwa 1 Gew.-% und 95 Gew.-% von Binder in der Matrix und insbesondere etwa 90 Gew.-% des Binders. Es sind viele Typen von Bindern zur Verwendung in der Beschichtung geeignet. Bei einer Ausführungsform umfasst der Binder ein Polymerharz. Geeignete Polymerharze umfassen Polyamidimid, Polyimid, Polyvinylester und deren Kombinationen. Geeignete Träger für die Binder umfassen beispielsweise Propylenglykolmethyletheracetat, N-Methyl-2-pyrrolidon, Xylol und deren Kombinationen.
Für die vorliegende Erfindung kann eine Vielzahl differierender Beschichtungszusammensetzungen verwendet werden. Bei einer Ausführungsform liegt die Primerbeschichtung 110 in der Form eines Gels vor. Insbesondere umfasst bei einer bevorzugten Ausführungsform die Beschichtung etwa 6,7 Gew.-% expandiertes Graphit mit einer Partikelgröße von etwa 5 µm bis etwa 90 µm, etwa 3,3 Gew.-% Acetylenruß mit einer Partikelgröße von etwa 0,05 µm bis etwa 0,2 µm und etwa 90 Gew.-% Polyamidimidbinder.
Für die Verwendung in der Klebstoffprimerbeschichtung 110 sind viele Typen von Binder geeignet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Binder ein Polymerharz. Geeignete Polymerharze umfassen Polyamidimid, Polyimid, Polyvinylester und deren Kombinationen. Geeignete Träger für die Binder umfassen beispielsweise Propylenglykolmethyletheracetat, N-Methyl-2-Pyrrolidon, Xylol und deren Kombinationen.
Ferner kann die Beschichtung 110 derart hergestellt werden, dass sie weniger als etwa 200 ppm Metallschmutzstoffe umfasst. Bei einer Ausführungsform weist die Beschichtung einen Kontaktwiderstand zwischen etwa 5 und etwa 60 mΩ-cm² (Milliohm-Quadratzentimeter) bei einem Kontaktdruck zwischen etwa 25 und etwa 200 psi (170 bis 1400 KPa) auf. Bei den bevorzugtesten Ausführungsformen weist die Primerbeschichtung 110 einen Kontaktwiderstand von weniger als etwa 10 mΩ-cm² bei einem Kompressionsdruck von größer oder gleich etwa 200 psi (1400 KPa) auf. Es ist bevorzugt, dass der Gesamtwiderstand der Primerbeschichtung 110 kleiner als etwa 20 mΩ-cm² bei Kompressionsdrücken ist, die etwa 200 psi (1400 kPa) überschreiten, um die Leitfähigkeit über die Tafeln 58, 60 und durch das Kontaktgebiet 100 oder die Verklebung zu steigern.
Bei bevorzugten Ausführungsformen, bei denen Graphit und Ruß als die leitenden Partikel in der Matrix der Primerbeschichtung 110 verwendet werden, ist eine Synergie zwischen dem expandierten Graphit und dem Ruß vorhanden. Der Kontaktwiderstand bleibt bei einem niedrigen Gesamtkohlenstoffgehalt niedrig, kleiner als 20 mΩ-cm². Die "Synergie" betrifft die Kombination aus Graphit und Ruß, die einen geringeren Kontaktwiderstand erzeugen, als wenn das Graphit oder der Ruß allein bei dem gleichen Gesamtkohlenstoffgehalt verwendet würde. Somit umfasst bei bevorzugten Ausführungsformen die Primerbeschichtung 110 sowohl Graphit als auch Ruß, wobei jedoch andere Kombinationen von leitenden Partikeln mit Binder in der Matrix der Primerbeschichtung 110, die einen relativ niedrigen Kontaktwiderstand aufweisen, ebenfalls für die vorliegende Erfindung geeignet sind.
Die Primerbeschichtung 110 gemäß der vorliegenden Erfindung kann so hergestellt werden, dass sie die Tafeln des elektrisch leitenden Elements durch herkömmliche Mittel, die in der Technik bekannt sind, überdeckt oder bedeckt. Ein Beispiel einer derartigen Herstellung umfasst ein gemeinsames Mahlen der leitenden Partikel und des Binders. Das Mahlen erfolgt bevorzugt innerhalb einer Zeitdauer zwischen etwa 1 bis etwa 20 Stunden und bevorzugt für etwa zwei Stunden oder weniger. Die Mahlbedingungen, wie z. B. die Zeitdauer, die die Primerbeschichtung 110 gemahlen wird, können abhängig von den Materialien, die in der Beschichtung verwendet werden, und von den gewünschten Eigenschaften der Beschichtung 110 variieren.
Nach der Herstellung wird die Klebstoffprimerbeschichtung 110 dann auf die Oberfläche 90 der ersten leitenden Tafel 58 aufgebracht, die mit der anderen Fläche 92 der entgegengesetzten leitenden Tafel 60 gekoppelt wird. Um ein gutes Haftvermögen der Klebstoffprimerbeschichtung 110 gemäß der vorliegenden Erfindung zu bewirken, ist es bei bestimmten leitenden Tafelzusammensetzungen (beispielsweise Metallen) bevorzugt, dass die Oberfläche 90, 92 der leitenden Tafel 58, 60 gereinigt wird (beispielsweise durch Abschleifen und/oder chemisches Ätzen), um alle Oberflächenoxide und andere Schmutzstoffe von den Gebieten zu entfernen, in denen die Klebstoffprimerbeschichtung 110 aufgebracht werden soll. Somit kann in den Fällen einer leitenden Tafel 58, 60, die aus einem Metall hergestellt ist, die Oberfläche 90, 92 chemisch gereinigt werden durch (1) Entfetten mit Methylethylketon und (2) Beizen in einer Lösung für 2 bis 5 Minuten, die (a) 40 % Salpetersäure, (b) 2 bis 5 % Fluorwasserstoffsäure, (c) 4 Gramm/Gallone Ammoniumbifluorid und Wasser umfasst. Alternativ dazu können die Oberflächen 90, 92 der leitenden Tafeln 58, 60 physikalisch gereinigt werden durch Abschleifen der Flächen mit einem Schleifmittel mit einer Körnung von 100 bis 220, gefolgt durch ein Reinigen und Entfetten mit Aceton oder durch kathodisches Reinigen des Substrats in der Anwesenheit eines Metallreinigungselektrolyten.
Bei der in 4 gezeigten Ausführungsform wird die leitende Klebstoffprimer 110 auf sowohl die erste kühlmittelseitige Kontaktfläche 90 der ersten Tafel 58 als auch die zweite kühlmittelseitige Kontaktfläche 92 der zweiten Tafel 60 aufgebracht, wobei diese beiden Flächen 90, 92 vor Aufbringung der Beschichtung 110 gereinigt werden. Der leitende Klebstoffprimer 110 kann dazu verwendet werden, die gesamten Flächen 90, 92 der leitenden Tafel 58, 60 zu beschichten, um einen Korrosionsschutz dafür vorzusehen, oder kann bei alternativen Ausführungsformen auf diskrete Gebiete (d.h. Kontaktgebiete 100) aufgebracht werden, die elektrische und physikalische Kontaktpunkte darstellen. Der Klebstoffprimer 110 kann durch ein beliebiges geeignetes Verfahren aufgebracht werden, wie durch Laminieren (wie beispielsweise durch Heißwalzen), Aufstreichen, Sprühen, Ausbreiten (wie beispielsweise mit einer Rakel), Spulenbe schichten, Schablonendrucken, Pulverbeschichten und Siebdrucken. Bei einer Ausführungsform wird die Klebstoffprimerbeschichtung 110 auf die leitende Tafel 58, 60 gesprüht, um mehrere Beschichtungen zu bilden, die entlang der Fläche 90, 92 der leitenden Tafel 58, 60 eine leitende Primerbeschichtung 110 bilden. In dem Fall eines Klebstoffprimers 110, der auf die Oberfläche in diskreten Gebieten 100 aufgebracht wird, in denen ein Kontakt mit dem Klebstoff 112 erfolgt, kann eine Maskierung mit darin ausgebildeten Öffnungen über die Fläche 90, 92 aufgebracht werden, um eine Aufbringung des Klebstoffprimers 110 nur in den Kontaktgebieten 100 zuzulassen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Klebstoffprimer 110, der über der Kontaktfläche 90, 92 der leitenden Tafel 58, 60 liegt, gehärtet, um ein Vernetzen des Polymerharzes in der Matrix zu erreichen. Ein derartiges Härten kann bei einer Ausführungsform durch vollständiges Härten vor dem Kontakt und dem Zusammenbau des Klebstoffprimers 110 mit dem Klebstoff 112 selbst erreicht werden. Bei alternativen bevorzugten Ausführungsformen kann das Polymerharz zweistufig gehärtet werden, wobei anfänglich ein vorbereitendes Härten durchgeführt wird. Nachdem ein Kontakt mit dem Klebstoff 112 hergestellt wurde (und die entgegengesetzte leitende Tafel einer Beschichtung aus Klebstoffprimer 110 aufweist), kann die gesamte Anordnung mit dem teilweise gehärteten Klebstoffprimer 110 gemeinsam (mit dem Klebstoff 112) gehärtet werden, um die endgültige Stufe der Härtung zu erreichen. Unabhängig davon, ob das Härten der Beschichtung des Klebstoffprimers 110 vor einem Kontakt mit dem Klebstoff 112 oder in einem gestuften Härteverfahren durchgeführt wird, ist es abhängig von den Eigenschaften des Rinderharzes des Klebstoffprimers 110 und des Klebstoffs 112 selbst, wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist. Ein besonderer Vorteil des zweistufigen Härteprozesses besteht darin, dass dieser für Massenproduktionsprozesse anpassbar ist, bei denen der Klebstoffprimer 110 in einem Spulenbeschichtungsprozess aufgebracht, teilweise gehärtet und dann anschließend bearbeitet werden kann. Die Reaktandenströmungsfelder (beispielsweise 64, 66, 84, 86) können in den leitenden Tafeln 58, 60 entweder vor oder nach der Aufbringung des Klebstoffprimers 110 abhängig von den Materialeigenschaften ausgebildet werden.
Bei der Ausführungsform, bei der das Härten des Klebstoffprimers 110 vor einem anschließenden Zusammenbau oder einer anschließenden Bearbeitung durchgeführt wird, wird die beschichtete Tafel 58, 60 bei einer Temperatur zwischen etwa 150°C und etwa 300°C und insbesondere bei einer Temperatur von etwa 260°C gehärtet. Der beschichtete Plattenkörper 58, 60 wird für etwa 10 Minuten bis etwa 30 Minuten und insbesondere für etwa 15 Minuten gehärtet.
Bei der alternativen bevorzugten Ausführungsform wird die erste leitende Tafel 58 mit einem Klebstoffprimer 110 bedeckt, der teilweise gehärtet wird, und wird dann mit dem Klebstoff 112, der zwischen diesem und einer anderen gegenüberliegenden leitenden Tafel 60 angeordnet ist, die ebenfalls einen teilweise gehärteten Klebstoffprimer 110 besitzt, zusammengesetzt. Anschließend werden die zusammengesetzten leitenden Tafeln 58, 60, die den Klebstoffprimer 110 aufweisen, der mit dem Klebstoffpolymer 112 in Kontakt steht, endgültig gehärtet. Bei einem derartigen "zweistufigen" Härteprozess wird ein zweistufiges Polymerharz gewählt, das mit Materialien der leitenden Tafel 58, 60 und dem Klebstoffpolymer 112 sowohl kompatibel ist, wie auch an diese anhaftet. Derartige zweistufig aushärtende Harze sind in der Technik gut bekannt und werden der Zusammensetzung des Klebstoffprimers 110 zugesetzt, um einen Teil des Binders zu bilden. Somit kann die Klebstoffprimerbeschichtung 110 auf ein Niveau einer "Stufe A" (d.h. teilweise gehärtet) durch Aufbringen von Wärme bei relativ niedrigen Temperaturen gehärtet werden, um der Beschichtung 110 zur Handhabung und Verarbeitung eine Festigkeit zu verleihen. Derartige Härtetemperaturen liegen typischerweise zwischen etwa 70° bis 110°C. Die teilweise gehärtete Klebstoffprimerbeschichtung 110 kann dann anschließend zusammen mit dem Klebstoff verbunden werden. Die Fläche 90, 92 der leitenden Tafel, die mit dem Klebstoffprimer 110 bedeckt sind, wird in der geeigneten Position angeordnet, in der der Klebstoff 112 aufgebracht wird. Die Klebstoffprimer 110 und der Klebstoff 112 können miteinander gekoppelt werden. Bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen kann eine Anwendung niedriger Wärme (d.h. 60–90°C) dazu verwendet werden, das Mischen des Klebstoffprimers 110 mit dem Klebstoff 112 zu erleichtern.
Nachdem der Klebstoffprimer 110 mit dem Klebstoff 112 in den geeigneten vorgewählten Kontaktgebieten 100 in Kontakt gebracht wurde, werden Wärme und optional Druck aufgebracht, um das Binderharz in der Matrix des Klebstoffprimers 110 auf ein Niveau einer "Stufe B" (d.h. vollständig gehärtet) zu härten. Es ist bevorzugt, dass die Menge an Rinderharz des Klebstoffprimers 110 ausreichend ist, um eine starke Schnittstelle zwischen beiden Flächen 90, 92 der leitenden Tafel 58, 60 und dem Klebstoff 112 zu bewirken. Bevorzugte Temperaturbereiche für das Aushärten gemäß dem Niveau der zweiten Stufe B liegen zwischen etwa 100°C und etwa 300°C. Somit ist es bei einem zweistufigen Prozess möglich, dass der Klebstoff 112 vollständig gehärtet werden kann, wenn die zweite Stufe mit höherer Temperatur angewendet wird, oder nur teilweise innerhalb des Temperaturbereichs der zweiten Stufe gehärtet werden kann, wodurch eine gewünschte Glasübergangstemperatur beibehalten wird. Ein derartiges Härten ist von den tatsächlich gewählten Polymeren abhängig, wie für Fachleute in der Technik bekannt ist, und kann auf Grundtafel der einzelnen Charakteristiken des Härtungssystems und dieser Polymere variie ren. Es ist ferner möglich, dass bei einer alternativen Ausführungsform sowohl dem Klebstoffpolymer 112 als auch dem Klebstoffprimer 110 ein zweistufig aushärtendes Harz zugesetzt wird, so dass beide in einem zweistufigen Prozess gehärtet werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Klebstoff 112 zwischen der ersten leitenden Tafel, die mit einer Klebstoffprimerbeschichtung 110 bedeckt ist, und einer zweiten leitenden Tafel aufgebracht, die ebenfalls mit einer Klebstoffprimerbeschichtung 110 bedeckt ist. Der Klebstoff 112 gemäß der vorliegenden Erfindung ist elektrisch leitend und besitzt eine Klebrigkeit oder eine Haftfähigkeit, die den Zusammenhalt der ersten Tafel mit der zweiten Tafel in der Brennstoffzelle verbessert. Ein bevorzugter Klebstoff 112 gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Polymermatrix mit einem Klebstoffpolymer 112 und einer Vielzahl elektrisch leitender Partikel, die darin verteilt sind. Elektrisch leitende Klebstoffe sind in der Technik bekannt und kommerziell verfügbar. Somit muss das Klebstoffpolymer 112 derart gewählt sein, dass es in der Lage ist, hohe elektrische Potentiale wie auch einen Kontakt mit Kühlmittel auszuhalten, das in den Kühlmittelströmungskanälen strömt, die durch die Kopplung der ersten Tafel mit der zweiten Tafel gebildet werden.
Der Klebstoff 112 ist wie die Tafeln selbst in dem Kühlmittel, das zwischen den Tafeln 58 und 60 strömt, im Wesentlichen dahingehend unlöslich, dass sich die leitenden Partikel darin nicht lösen und keine metallischen Ionen zu dem Kühlmittel beisteuern, was zur Folge hätte, dass das ansonsten im Wesentlichen dielektrische Kühlmittel (d.h. mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von größer als etwa 200.000 Ohm-cm) übermäßig leitend wird. Wenn das Kühlmittel leitend wird, fließen Streuströme durch den Stapel über das Kühlmittel und es kann ein Kurzschluss, eine galvanische Korrosion wie auch eine Kühlmittelelektrolyse auftreten. Leitende Partikel werden als im Wesentlichen unlöslich betrachtet, wenn ihre Löslichkeit in dem Kühlmittel mit der Zeit nicht zur Folge hat, dass der spezifische Widerstand des Kühlmittels unter etwa 200.000 Ohm-cm abfällt. Daher müssen, wenn Wasser als das Kühlmittel verwendet wird, Metalle, wie beispielsweise Kupfer, Aluminium, Zinn, Zink und Blei vermieden oder vollständig in dem Harz des Klebstoffs 112 eingekapselt werden. Bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen ist der Klebstoff 112 hoch beständig gegenüber Wasserstoff und leichten Säuren (HF bei pH zwischen 3 bis 4) und inert gegenüber Lösungsmitteln (d.h. gibt keine Ionen frei), wie beispielsweise deionisiertes Wasser, Ethylenglykol und Methanol bei 100°C. Somit ist die Wahl der leitenden Partikel und des Klebstoffpolymers 112 abhängig von der Verträglichkeit mit dem in der Brennstoffzelle verwendeten Kühlmittel.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der leitende Klebstoff 112 etwa 5 Gew.-% bis etwa 30 Gew.-% leitende Füllpartikel mit einer Partikelgröße, die zwischen etwa 10 Mikrometer und etwa 50 Mikrometer variiert. Die elektrisch leitenden Partikel sind aus der Gruppe gewählt, die umfasst: Edelmetalle, einschließlich Gold, Platin, Palladium, Silber, wie auch Nickel, Zinn, Graphit, Ruß und deren Mischungen. Es ist bevorzugt, dass der elektrische Kontaktwiderstand des Klebstoffs 112 unter etwa 20 mΩ-cm² gehalten wird, während die tatsächliche Menge an Partikeln minimiert wird, um die Haftfähigkeit der Zusammensetzung zu maximieren. Somit besitzen bevorzugte Zusammensetzungen der Klebstoffmatrix 112 zwischen etwa 5 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-% leitende Partikel in der Matrix. Leitende Graphit- oder Rußfüllpartikel in einer Klebstoffpolymermatrix 112 sind gegenüber den teuren Edelmetallpartikeln bevorzugt.
Bevorzugte Klebstoffpolymere 112 gemäß der vorliegenden Erfindung sind aus der Gruppe gewählt, die umfasst: Elastomere, druckempfindliche Klebstoffe, wärmehärtbare Klebstoffe und deren Mischungen. Wie vorher beschrieben wurde, besitzen bevorzugte Klebstoffpolymere 112 gemäß der vorliegenden Erfindung die erforderliche Klebrigkeit, um die erste und zweite leitende Tafel aneinander anzuhaften und zu koppeln. Klebstoffpolymere 112 können Klebstoffharze mit hoher Glasübergangstemperatur umfassen, wie beispielsweise Polyamidimid, Epoxidharz, Phenolharze und Acrylate.
Besonders bevorzugte Polymerklebstoffe 112 gemäß der vorliegenden Erfindung besitzen eine niedrige Glasübergangstemperatur (Tg), die eine Tg von kleiner als etwa –20°C haben. Es hat sich herausgestellt, dass die Verträglichkeit des Klebstoffprimers 110 mit den Polymeren mit niedriger Glasübergangstemperatur eine starke Verbindung durch das Kontaktgebiet 100 und ferner eine Flexibilität während des Wärmezyklusverlaufs mit Kontraktion und Ausdehnung der verbundenen Materialien vorsieht. Eine derartige Verklebungsbeständigkeit hat eine Verbindung zur Folge, die viele Stunden des Brennstoffzellenbetriebs wie auch Temperaturschwankungen aushält, ohne dass der Kontaktwiderstand auf ein unzulässiges Niveau verschlechtert oder erhöht wird. Die Verwendung eines Klebstoffs 112 mit niedriger Glasübergangstemperatur gemäß der vorliegenden Erfindung verlängert die Langlebigkeit des Brennstoffzellensystems und hält den Betriebswirkungsgrad aufrecht. Geeignete Klebstoffpolymere 112 mit niedrigen Glasübergangstemperaturen für die vorliegende Erfindung umfassen welche, die aus der Gruppe gewählt sind, die umfasst: Ethylen, Propylen, Butylen, Ethylenpropylendimer (EPDM), Ethylenpropylenmonomer (EPM), Polyethylen, Polypropylen, Polybuhylen, Isobuten, Acrylnitril-Butadien-Styrol, Styren-Butadien-Kautschuk, Butadienkautschuk, Nit ridkautschuk, Epoxidharz, Urethan, Acrylharz, Silikone, Phenolharze, Novolak, Polymethylmethacrylate und deren Mischungen.
Der leitende Klebstoff 112 kann auf die Oberfläche der Tafeln, die mit einem Klebstoffprimer 110 beschichtet sind, gestrichen, getupft, gesprüht, siebgedruckt, schablonengedruckt oder gewalzt werden, wobei es jedoch bevorzugt ist, dass die Aufbringung des Klebstoffs 112 auf Stellen 100 begrenzt ist, in denen ein Kontakt zwischen den Tafeln auftritt. Bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen kann der Klebstoff 112 sowohl auf die erste Kontaktfläche der ersten Tafel als auch die zweite Kontaktfläche der zweiten Tafel aufgebracht werden. Bei einer alternativen Ausführungsform kann der Klebstoff 112 nur auf eine Fläche 90 oder 92 von einer der Tafeln 58, 60 aufgebracht werden. Bei bevorzugten Ausführungsformen wird zuerst eine Maskierung über den beschichteten Tafeln 58, 60 aufgebracht. Die Maskierung besitzt Öffnungen darin, die über den Kontaktgebieten 100 angeordnet sind, oder Stellen, an denen ein Kleben oder Anhaften erfolgt. Der Klebstoff 112 wird dann durch die Öffnungen in der Maske aufgebracht. Der leitende Klebstoff 112 wird auf eine Dicke von etwa 0,001 bis etwa 0,002 Zoll aufgebracht. Die Tafeln 58, 60 werden gemeinsam schichtartig in einer geeigneten Befestigungseinrichtung angeordnet, die einen gleichförmigen Druck über die Tafeln 58, 60 aufbringt. Bei bestimmten Ausführungsformen kann der Klebstoff 112 ein druckempfindlicher Klebstoff 112 sein, der ausreichend an dem Klebstoffprimer 110 durch Druckbeaufschlagung entlang des Kontaktbereichs anhaftet. Bei anderen Ausführungsformen kann das Klebstoffpolymer 112 teilweise oder vollständig gehärtet werden. Gemäß der bestimmten bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird der Klebstoff 112 teilweise oder vollständig gehärtet, um dem Klebstoff 112 selbst einen strukturellen Zusammenhalt zu verleihen. Das teilweise oder vollständige Härten verhindert, dass der Klebstoff 112 durch das Kühlmittel, das in den Kühlmittelströmungskanälen 93 umgewälzt wird, abgetragen oder abgewaschen wird. Somit werden bei Ausführungsformen, bei denen ein Härten des Klebstoffpolymers 112 erforderlich ist, die schichtartig angeordneten Tafeln 58, 60 in einer Heißpresse mit einer Druckbeaufschlagung erhitzt, um das Polymermatrixmaterial zu härten (dies kann auch mit der zweiten Stufe des Härtens des Klebstoffprimes 110 zusammenfallen) und die Anordnung zu bilden. Die genaue Härtetemperatur und -zeit variiert abhängig von der chemischen Zusammensetzung des Materials der Klebstoffpolymermatrix 112.
Die vorliegende Erfindung wird ferner anhand von Beispielen erläutert. Es sei angemerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht durch die Beispiele beschränkt ist.
Beispiel 1
Zwei kathodisch gereinigte Titanmetalltafeln werden mit einer elektrisch leitenden Klebstoffprimerbeschichtung beschichtet, die durch Mahlen der folgenden Komponenten über zwei Stunden hergestellt wird: expandiertes Graphit, EGI5, das von SGL Polycarbon Inc. in Valencia, Kalifornien hergestellt wird (mit Graphitpartikeln, von denen 90 % kleiner als 70 Mikrometer sind) mit 6,7 Gew.-%, zusammen mit Acetylenruß (hergestellt von "Setze Firmennamen ein" as Cabot Corp. XC72R) mit 3,3 Gew.-% in einem Verhältnis von 2:1 in 90 Gew.-% Polyamidimidharz, das kommerziell von Toyobo in Japan erhältlich ist. Die resultierende Beschichtung umfasst weniger als 10 Gew.-% Gesamtkohlenstoff. Der Klebstoffprimer wird auf die Ti-Tafel durch Aufsprühen aufgesprüht und wurde bei 260°C für 15 Minuten gehärtet.
Eine elektrisch leitende Klebstoffpolymermatrix wird durch Mischen der folgenden Komponenten in einem Mischer über 60 Minuten hergestellt: 95 Vol.-% eines Epoxidharzpolymers mit hoher Glasübergangstemperatur, kommerziell erhältlich als Acheson EB-011A/EB-011B (2-teilig); expandiertes Graphit mit 5 Vol.-%, das kommerziell als EG-15 erhältlich ist; und Aceton als Lösemittel zum Sprühgießen mit 20 Vol.-%. Das Klebstoffpolymer wird über die Klebstoffprimerbeschichtung an der ersten Tafel gesprüht. Die erste Tafel, die einen Klebstoffprimer aufweist, der mit einem Klebstoffpolymer bedeckt ist, wird mit der zweiten Tafel in Kontakt gebracht, auf die eine Klebstoffprimerbeschichtung aufgebracht war. Die Anordnung wird in einem Ofen auf 100°C für 1 Stunde erhitzt, um das Klebstoffpolymer zu härten.
Beispiel 2
Zwei kathodisch gereinigte Metalltafeln aus 316L rostfreiem Stahl werden mit einer elektrisch leitenden Primerklebstoffbeschichtung beschicht, die wie die Klebstoffprimerbeschichtung, die in Beispiel 1 beschrieben wurde, hergestellt wurde. Die Klebstoffprimer wird auf die 316L Tafel durch Sprühen aufgesprüht und wurde bei 260°C über 15 Minuten gehärtet.
Es wird eine elektrisch leitende Klebstoffpolymermatrix wie bei Beispiel 1 hergestellt. Das Klebstoffpolymer wird über die Klebstoffprimerbeschichtung an der ersten Tafel aufgesprüht. Die erste Tafel, die einen Klebstoffprimer aufweist, der mit Klebstoffpolymer bedeckt ist, wird mit der zweiten Tafel in Kontakt gebracht, auf die eine Klebstoffprimerbeschichtung aufgebracht ist. Die Anordnung wird in einem Ofen auf 100°C für 1 Stunde erhitzt, um das Klebstoffpolymer zu härten.
Beispiel 3
Zwei kathodisch gereinigte 316L Metalltafeln werden mit einer elektrisch leitenden Primerklebstoffbeschichtung beschichtet, die gleich der der Klebstoffprimerbeschichtung, die in Beispiel 1 beschrieben wurde, hergestellt wurde. Die Klebstoffprimer wird auf die Tafel aus 316L rostfreiem Stahl durch Aufsprühen aufgesprüht und wurde bei [260°C] für 15 Minuten gehärtet.
Es wird eine elektrisch leitende Klebstoffpolymermatrix durch Mischen der folgenden Komponenten in einem Mischer für 120 Minuten hergestellt: 95 Vol.-% eines Epoxidharzpolymers mit niedriger Glasübergangstemperatur, das kommerziell erhältlich ist als Vantico Araldite CV 5749 (40 C Tg). Expandiertes Graphit mit 5 Vol.-%, das kommerziell als EG-15 erhältlich ist; und Aceton als Lösemittel für das Sprühgießen mit 20 Vol.-%. Das Klebstoffpolymer wird über die Klebstoffprimerbeschichtung an der ersten Tafel gesprüht. Die erste Tafel, die einen Klebstoffprimer aufweist, der mit Klebstoffpolymer bedeckt ist, wird mit der zweiten Tafel in Kontakt gebracht, auf die die Klebstoffprimerbeschichtung aufgebracht ist. Die Anordnung wird in einem Ofen auf 100°C für 15 Minuten erhitzt, um das Klebstoffpolymer teilweise zu härten.
Proben, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, wurden mit Proben des Standes der Technik in Tabelle 1 unten verglichen, um die Verklebungsintegrität wie auch -stabilität sicherzustellen. Um die Belastung auf die Verbindungsstellen der Klebstoffverbindung zu simulieren, wurden die Proben, ohne dass eine Kompressionskraft aufgebracht wurde, in einem Wasserbad bei 90°C für eine Zeitdauer geprüft. Typische Bedingungen in einer Brennstoffzelle umfassen eine Kompressionslast von 200 psi (1400 kPa) bei 90°C und eine relative Feuchte von 100 %, wodurch die Kompressionskraft das allgemeine "Ablösen" oder eine Verschlechterung der Klebstoffverbindung an den Kontaktgebieten 100 kompensiert. Das Fehlen einer Kompressionskraft bei den simulierten Bedingungen sieht beschleunigte Ablösebedingungen vor und ist ein Prediktor für eine Gesamtlangzeitverbindungsstabilität zwischen 500 Betriebsstunden bis 6000 Stunden des Brennstoffzellenbetriebs.
Die Proben wurden in einer Vorrichtung, wie in 6 gezeigt ist, geprüft. Die Verklebungswiderstandsmessungen der Anordnung des elektrisch leitenden Elements, die die leitenden Tafeln umfasst, die Klebstoff zwischen Flächen schichtartig anordnen, die mit Klebstoffprimer beschichtet sind, wurden gemessen, wie in 6 gezeigt ist. Die Prüfvorrichtung umfasst eine Carverpresse 200 mit goldbeschichteten Platten 202 und einem ersten und zweiten elektrisch leitenden aktivierten Kohlepapiermedium 204 bzw. 206, die zwischen einer Probe 208 und den goldbeschichteten Platten 202 gepresst wurden. Eine Oberfläche von 6,45 cm² wurde unter Verwendung eines Stroms von 1 A/cm² geprüft, der durch eine Gleichstromversorgung aufgebracht wird. Der Widerstand wird unter Verwendung eines Vierpunktverfahrens gemessen und aus gemessenen Spannungsabfällen und aus bekannten angelegten Strömen und den Abmessungen der Probe 208 berechnet. Für Metallproben mit vernachlässigbarem Volumenwiderstand wird der Spannungsabfall über die Klebstoffverklebung an der Probenoberfläche 210, 210 gemessen (Kontaktwiderstand plus Volumenklebstoffwiderstand). Wie in 6 gezeigt ist, umfasst die Probe 208 bevorzugt das elektrisch leitende Element (beispielsweise die bipolare Platte), die zwei aneinander gekoppelte Tafeln 210 aufweist. Die Verklebungswiderstandsmessungen wurden als Potential über die Verklebung in Millivolt (mV) gemessen, wobei eine inkrementelle Kraft mit den folgenden Drücken aufgebracht wurde: 25 psi (170 kPa), 100 psi (670 kPa), 200 psi (1400 kPa).

Es sei angemerkt, dass der Kontaktwiderstand des leitenden Kohlepapiers 204, 206 allgemein ein bekannter Wert ist, der von der Messung subtrahiert werden kann, um den Kontaktwiderstand nur der Metallplatte 210 zu erhalten. Beim Prüfen der Proben wurde ein 1 mm dickes Toray-Kohlepapier (kommerziell erhältlich von Toray als TGP-H-0,1T) für das erste und zweite Kohlepapiermedium 204, 206 verwendet. Jedoch ist in vielen Fällen der Kontaktwiderstand des leitenden Papiers 204, 206 vernachlässigbar und trägt einen derart kleinen inkrementellen Wert zu dem Kontaktwiderstandwert bei, so dass dieser nicht subtrahiert werden muss. Die Werte, auf die hier Bezug genommen wird, sind der Volumenkontaktwiderstand über die Probe 208. In TABELLE 1 ist die Probe 1 ein elektrisch leitendes Element, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, wie in Beispiel 1 beschrieben ist. Kontrolle 1 ist eine bipolare Platte, die durch ein herkömmliches Mittel zusammengeklebt wurde, nämlich durch Verwendung nur der Klebstoffzusammensetzung, die in Beispiel 1 offenbart ist, ohne dass ein Klebstoffprimer an einer der Flächen der Platten angebracht ist. Wie beobachtet werden kann, besaß Kontrolle 1 anfänglich zulässige Widerstandsmessungen von 3,2 mV (Millivolt), erreichte jedoch nach nur 1 Tag eines Einweichens in einem 90°C warmer Wasserbad unzulässige hohe Widerstandsniveaus im Bereich von 69 mV bis 96 mV über den Bereich des angelegten Drucks jeweils von 200 psi bis zu 25 psi hinweg. Weitere Messungen nach 8 Tagen des Einweichens zeigten sehr hohe Widerstände über die Verklebung, nämlich aufgrund der Schädigung und der Verschlechterung der Verbindung (d.h. 109 bis 258 mV von 200 psi bis zu 25 psi). Im Gegensatz dazu wurde die Probe 1 über eine Dauer von 8 Tagen geprüft, wo sie stabilere Widerstandsmessungen zeigte und eine maximale Messung von 15,5 mV aufwies, die zwar den Zielverklebungswiderstand (kleiner als 5 mOhm cm²) überschreitet, wobei jedoch angenommen wird, dass das Ziel unter realistischeren Brennstoffzellenbedingungen (d.h. bei Kompressionslasten von 200 bis 400 psi) erreicht wird. Es sei ferner angemerkt, dass Widerstandsmessungen zu einer Unabhängigkeit von der Druckbeaufschlagung neigen, wenn die Verbindung stabil und intakt ist. Wenn ein Ablösen oder eine Verschlechterung der Klebstoffverbindung aufzutreten beginnt, wird der Widerstand eine Funktion des aufgebrachten Drucks, wobei die Widerstandsmessungen mit zunehmendem Druck abnehmen. TABELLE 1

	Aufgebrachter Druck	Anfangsmessung (mV)	1-tägiges Einweichen in H₂O (mV)	8-tätiges Einweichen in H₂O (mV)
Probe 1	25 psi (170 kPa)	4,0	8,5	15,5
	100 psi (670 kPa)	4,0	8,5	15,5
	200 psi (1400 kPa)	4,0	8,5	15,5
Kontrolle 1	25 psi (170 kPa)	3,3	96	258
	100 psi (670 kPa)	3,3	78	128
	200 psi (1400 kPa)	3,3	69	109

Ein elektrisch leitendes Element zur Verwendung in einer Brennstoffzelle, das gemäß den verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, zeigt eine verbesserte Verbindung mit einer stärkeren Adhäsion und Langzeithaltbarkeit in einer Brennstoffzellenumgebung. Überdies sieht die elektrisch leitende Fluidverteilungsplatte gemäß der vorliegenden Erfindung einen niedrigen Langzeitkontaktwiderstand über die Kontaktgebiete entlang der Verbindung vor, wodurch der Betriebswirkungsgrad des Brennstoffzellenstapels erhöht wird und ferner die Verwendung von niedrigen Kompressionsdrücken zugelassen wird, um die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels zu erhöhen.
Ein Überhitzen des Kühlmittels der MEA wird verhindert oder dessen Auftreten wird zumindest verringert, da die Wärmeleitfähigkeit der Verbindung direkt in Bezug zu der elektrischen Leitfähigkeit der Verbindung steht. Mit der Erfindung wird ein Stapelleistungsverlust, der aus einem übermäßigen Abfall an elektrischer Spannung über die Verbindung resultiert, verbessert. Der Stapelspannungsverlust aufgrund des Verklebungswiderstandes ist kleiner als 10 % der Leistung, die von dem Stapel erzeugt wird, besser 5 % oder kleiner und liegt bevorzugt in der Größenordnung von 1 % oder kleiner. Zusätzlich wird eine Verschlechterung der Verklebung verhindert.
Während die Erfindung in Bezug auf spezifische Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist es nicht beabsichtigt, darauf beschränkt zu sein, sondern vielmehr nur auf den Schutzumfang beschränkt zu sein, der nachfolgend in den Ansprüchen, die anschließen, beschrieben 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 anzuse hen. Derartige Abwandlungen sind nicht als Abweichung vom Schutzumfang der Erfindung zu betrachten.
Zusammenfassung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisch leitendes Element (beispielsweise eine bipolare Platte) (56) für eine Brennstoffzelle, die eine verbesserte Klebstoffverbindung besitzt. Das leitende Element umfasst allgemein eine erste und eine zweite leitende Tafel (58, 60), von denen jede eine Fläche aufweist, die einander gegenüberliegen. Die Flächen, die einander gegenüberliegen, sind mit einer elektrisch leitenden Primerbeschichtung (110) bedeckt, die einen Korrosionsschutz wie auch einen niedrigen Kontaktwiderstand für die erste bzw. zweite Tafel in Gebieten vorsieht, in denen die erste und die zweite Tafel miteinander in Kontakt stehen. Die erste und die zweite beschichtete Fläche werden miteinander durch einen elektrisch leitenden Klebstoff (112) verbunden, der eine Adhäsion der ersten und zweiten beschichteten Fläche der Tafeln an dem Kontaktgebiet vorsieht. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung Verfahren, um eine derartige verbesserte Verbindung in einem elektrisch leitenden Element auszubilden.

Claims

Leitendes Element für eine Brennstoffzelle, mit: einer ersten leitenden Tafel mit einer ersten Fläche, die einer zweiten Fläche einer zweiten leitenden Tafel gegenüberliegt; wobei die erste und die zweite Fläche mit einer elektrisch leitenden Primerbeschichtung bedeckt sind, die einen Korrosionsschutz vorsieht; wobei die erste und die zweite beschichtete Fläche miteinander an einem oder mehreren Kontaktgebieten durch einen elektrisch leitenden Klebstoff verbunden sind, der zusammen mit dem Primer einen Zielverklebungswiderstand über jede der ersten und der zweiten Tafel vorsieht, der niedriger als ein Vergleichskontaktwiderstand des Klebstoffs ohne den Primer ist; und der Zielverklebungswiderstand für eine Zeitdauer beibehalten wird, die größer als eine Zeitdauer ist, während der der Vergleichskontaktwiderstand beibehalten wird.
Leitendes Element nach Anspruch 1, wobei der Zielverklebungswiderstand über die erste und die zweite Tafel durch den Klebstoff und den Primer gemessen wird und, nachdem es Brennstoffzellenbetriebsbedingungen von mehr als 500 Stunden ausgesetzt war, kleiner als 20 mOhm-cm² ist.
Leitendes Element nach Anspruch 1, wobei der Zielverklebungswiderstand über die erste und die zweite Tafel durch den Klebstoff und den Primer gemessen wird und, nachdem es Brennstoffzellenbe triebsbedingungen von mehr als 6000 Stunden ausgesetzt ist, kleiner als 5 mOhm-cm² ist.
Leitendes Element nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite leitende Tafel ein elektrisch leitendes Metall umfassen.
Leitendes Element nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite leitende Tafel einen elektrisch leitenden Polymerverbundstoff umfassen.
Leitendes Element nach Anspruch 1, wobei die elektrisch leitende Primerbeschichtung einen Kontaktwiderstand von kleiner als oder gleich etwa 20 mOhm-cm² bei einer Kompressionskraft von etwa 1400 kPa aufweist.
Leitendes Element nach Anspruch 1, wobei die Primerbeschichtung eine Matrix aus einem Binder und einer Vielzahl elektrisch leitender Partikel umfasst.
Leitendes Element nach Anspruch 7, wobei der Binder ein Polymerharz ist, der aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Polyamidimid, Polyimid, Polyvinylester und deren Mischungen.
Leitendes Element nach Anspruch 1, wobei die Primerbeschichtung gehärtet ist.
Leitendes Element nach Anspruch 7, wobei die elektrisch leitenden Partikel der Primerbeschichtung aus der Gruppe gewählt sind, die umfasst: Gold, Platin, Nickel, Zinn, Silber, Palladium, Edelmetalle, Graphit, Ruß und deren Mischungen.
Leitendes Element nach Anspruch 10, wobei die elektrisch leitenden Partikel Graphit und Ruß umfassen.
Leitendes Element nach Anspruch 11, wobei das Graphit aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: expandiertes Graphit, Graphitpulver, Graphitflocken und deren Mischungen.
Leitendes Element nach Anspruch 11, wobei die Gesamtmenge an Graphit und Kohlenstoff kombiniert in der Matrix mit weniger als etwa 10 Gew.-% vorhanden ist.
Leitendes Element nach Anspruch 1, wobei der elektrisch leitende Klebstoff teilweise gehärtet ist.
Leitendes Element nach Anspruch 1, wobei der elektrisch leitende Klebstoff ein Klebstoffpolymer und eine Vielzahl elektrisch leitender Partikel umfasst.
Leitendes Element nach Anspruch 15, wobei das Klebstoffpolymer Polyamidimid umfasst.
Leitendes Element nach Anspruch 15, wobei das Klebstoffpolymer aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Elastomere, druckempfindliche Klebstoffe, wärmehärtbare Klebstoffe und deren Mischungen.
Leitendes Element nach Anspruch 15, wobei das Klebstoffpolymer eine Glasübergangstemperatur (Tg) von kleiner als etwa –20°C besitzt.
Leitendes Element nach Anspruch 18, wobei das Klebstoffpolymer aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Ethylen, Propylen, Butylen, Ethylenpropylendimer (EPDM), Ethylenpropylenmonomer (EPM), Polyethylen, Polypropylen, Polybutylen, Isobuten, Acrylnitril-Butadien-Styrol, Styren-Butadien-Kautschuk, Butadienkautschuk, Nitridkautschuk, Epoxidharz, Urethan, Acrylharze, Silikone, Phenolharze, Novolak, Polymethylmethacrylate und deren Mischungen.
Leitendes Element nach Anspruch 15, wobei die elektrisch leitenden Partikel des elektrisch leitenden Klebstoffs aus der Gruppe gewählt sind, die umfasst: Gold, Platin, Nickel, Zinn, Silber, Palladium, Edelmetalle, Graphit, Ruß und deren Mischungen.
Leitendes Element nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite beschichtete Fläche an dem einen oder den mehreren Kontaktgebieten durch einen elektrisch leitenden Klebstoff miteinander verbunden sind, der eine fluiddichte Dichtung bildet.
Elektrisch leitendes Kontaktelement für eine PEM-Brennstoffzelle, wobei das Element umfasst: eine erste Tafel mit einer ersten Kontaktfläche, die mit einer elektrisch leitenden Klebstoffprimerbeschichtung bedeckt ist; eine zweite Tafel mit einer zweiten Kontaktfläche, die mit der elektrisch leitenden Klebstoffprimerbeschichtung bedeckt ist; ein oder mehrere Verbindungsgebiete, die die erste Kontaktfläche mit der zweiten Kontaktfläche verbinden, wobei die Verbindungsgebiete einen elektrischen Widerstand von weniger als 5 mOhm-cm² nach 500 Betriebsstunden unter Brennstoffzellenbetriebsbedingungen besitzen.
Elektrisch leitendes Kontaktelement mit: einer ersten Tafel mit einer ersten Kontaktfläche, die mit einer elektrisch leitenden Klebstoffprimerbeschichtung bedeckt ist; einer zweiten Tafel mit einer zweiten Kontaktfläche, die mit der elektrisch leitenden Klebstoffprimerbeschichtung bedeckt ist; einem elektrisch leitenden Klebstoff, der zwischen der ersten Kontaktfläche und der zweiten Kontaktfläche in Gebieten elektrischen Kontakts angeordnet ist; und wobei die elektrisch leitende Klebstoffprimerbeschichtung Graphit, Ruß und einen Polymerbinder umfasst, und die Gesamtmenge aus Graphit und Kohlenstoff kombiniert in der Matrix mit weniger als etwa 10 Gewichtsprozent vorhanden ist.
Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen und einem elektrisch leitenden Element, das schichtartig zwischen einer Anode und einer Kathode benachbarter Brennstoffzellen angeordnet ist, mit: einer ersten elektrisch leitenden Tafel, die eine einer Anode gegenüberliegende Fläche und eine erste Wärmeaustauschfläche aufweist; einer zweiten elektrisch leitenden Tafel, die eine einer Kathode gegenüberliegende Fläche und eine zweite Wärmeaustauschfläche aufweist; wobei die erste und die zweite Wärmeaustauschfläche mit einer Primerbeschichtung beschichtet sind, die eine erste Vielzahl elektrisch leitender Partikel umfasst, die in einem korrosionsbeständigen Polymer verteilt sind; wobei die erste und die zweite Wärmeaustauschfläche einander gegenüberliegen, um dazwischen einen Kühlmittelströmungsdurchgang zu definieren, der derart ausgebil det ist, dass er ein flüssiges Kühlmittel aufnehmen kann, und elektrisch miteinander an einer Vielzahl von Stellen über einen elektrisch leitenden Klebstoff gekoppelt sind, wobei der elektrisch leitende Klebstoff eine zweite Vielzahl leitender Partikel umfasst, die in einem Polymer mit Klebstoffeigenschaften verteilt sind; und wobei die Primerbeschichtung und der elektrisch leitende Klebstoff zusammen einen elektrisch leitenden Pfad zwischen der ersten und zweiten Tafel definieren.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 424, wobei ein elektrischer Widerstand über den elektrisch leitenden Pfad ausreichend niedrig ist, so dass Strom, der von der Anode und Kathode erzeugt wird, davon mit einer Rate geleitet wird, die ausreichend ist, um eine Überhitzung des Kühlmittels zu verhindern.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 25, wobei ein elektrischer Widerstand über den elektrisch leitenden Pfad ausreichend niedrig ist, so dass ein Stapelspannungsverlust aufgrund eines Verklebungswiderstandes kleiner als 5 % der von dem Stapel erzeugten Leistung ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 24, wobei die Primerbeschichtung einen Kontaktwiderstand von kleiner als 20 mOhm-cm2 bei 200 psi besitzt.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 24, wobei der Klebstoff und die Primerbeschichtung zusammen eine fluiddichte Abdichtung bilden.
Verfahren zum Erhöhen einer Verbindungsbeständigkeit eines elektrisch leitenden Elements in einer Brennstoffzelle, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine erste Fläche einer ersten Tafel und eine zweite Fläche einer zweiten Tafel mit einem elektrisch leitenden Klebstoffprimer beschichtet werden; ein elektrisch leitender Klebstoff zwischen der ersten und der zweiten beschichteten Fläche aufgebracht wird, wodurch die erste und die zweite beschichtete Fläche miteinander verbunden werden, wobei der Klebstoff für einen dauerhaften Dichteingriff mit dem Klebstoffprimer, der auf die erste und die zweite Fläche aufgebracht ist, gewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei der Klebstoff in einer Menge aufgebracht wird, die ausreichend ist, um eine fluiddichte Abdichtung zwischen der ersten und der zweiten Fläche vorzusehen.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei nach dem Verbinden der Klebstoff gehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei nach dem Verbinden der Klebstoff teilweise gehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei vor dem Aufbringen der Klebstoffprimer gehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei die Beschichtung durch Aufstreichen, Sprühen, Ausbreiten, Laminieren, Siebdrucken oder Pulverbeschichten durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei das Aufbringen durch Beschichten der ersten Fläche erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei das Aufbringen durch Beschichten der ersten und der zweiten Fläche erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei das Aufbringen durch Aufstreichen, Auftupfen, Sprühen oder Rollen des Klebstoffs auf entweder die erste oder die zweite Fläche oder auf beide Flächen durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei das Verbinden durch Anlegen von Druck auf die erste und die zweite beschichtete Fläche, zwischen denen der Klebstoff aufgebracht ist, durchgeführt wird.