DE112011105759B4

DE112011105759B4 - Geformte Kühlmittelplatten-Baueinheit mit integrierten Reaktionsmittel-Strömungsfeldern und Wärmesperre

Info

Publication number: DE112011105759B4
Application number: DE112011105759.8T
Authority: DE
Inventors: Richard D. Breault; Eric A. Livaich; Kishore K. Tenneti; Sridhar V. Kanuri
Original assignee: Doosan Fuel Cell America Inc
Current assignee: Hyaxiom Inc
Priority date: 2011-10-25
Filing date: 2011-10-25
Publication date: 2022-06-09
Anticipated expiration: 2031-10-26
Also published as: DE112011105759T5; KR101527696B1; WO2013062520A1; DE112011105759T8; KR20140056358A; US20140255811A1; US9685666B2

Abstract

Eine End-Kühlerbaueinheit (26) für eine Brennstoffzelle, aufweisend:einen Kühler mit einer Kühlröhrenanordnung (18);ein Verbundmaterial, das Flockengraphit und hydrophobes Polymer enthält,wobei das Verbundmaterial die Kühlröhrenanordnung (18) umgibt und eine erste Seite erzeugt;ein Reaktionsmittel-Strömungsfeld (31), das in der ersten Seite ausgebildet ist;eine Wärmesperre (22), die in das Verbundmaterial eingebettet und vollständig von ihm umgeben ist, wobei die Wärmesperre (22) zwischen der Kühlröhrenanordnung (18) und dem Strömungsfeld (31) angebracht ist; undwobei die Kühlröhrenanordnung (18), das Verbundmaterial, das Strömungsfeld (31) und die Wärmesperre (22) eine einstückige, monolithische Struktur,die mittels des Verbundmaterials verbunden ist, aufweisen.

Description

HINTERGRUND
Diese Offenbarung betrifft eine Kühlmittelplatten-Baueinheit mit integrierten Reaktionsmittel-Strömungsfeldern, einem integrierten Kühler und einer integrierten Wärmesperre, die als eine End-Kühlerbaueinheit in einer Zellenstapel-Baueinheit verwende wird und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen End-Kühlerbaueinheit.
Ein Brennstoffzellen-Typ ist eine Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC, phosphoric acid fuel cell). Eine bestimmte PAFC-Konstruktion umfasst eine Zellenstapel-Baueinheit (CSA, cell stack assembly) mit 376 Zellen. Zwischen jeweils acht Zellen sind Kühler angebracht. Zusätzlich ist ein Kühler an jedem Ende der CSA zwischen den Endzellen und ihren angrenzenden Druckplatten vorgesehen. Daher werden bei dieser bestimmten Konstruktion insgesamt 48 Kühler verwendet.
Ein Kühlmittelfluid, wie Wasser, wird den Kühlern als Flüssigkeit zugeführt. Das Kühlmittelfluid verlässt die Kühler als ein zweiphasiges Flüssigkeit-DampfGemisch. Es ist wünschenswert, ein Kühlmittel-Verteilungssystem so zu konstruieren, dass es nahezu die gleiche Strömung zu jedem Kühler erzeugt. Diese Konstruktionsaufgabe ist schwierig zu erzielen, weil der Druckabfall über die Kühler eine Funktion der Kühlmittel-Strömungsgeschwindigkeit und der erzeugten Dampfmenge ist. Die Kühler im Inneren der CSA erhalten Abwärme von den Zellen, die an ihren beiden Seiten angebracht sind. Die End-Kühler erhalten Abwärme nur von den Zellen an einer ihrer Seiten, da sich an ihrer anderen Seite die Druckplatte befindet. Daher wird in den End-Kühlern im Vergleich zu den inneren Kühlern weniger Dampf erzeugt, was zu einer gesteigerten Kühlmittelströmung in den End-Kühlern führt. Dementsprechend haben die End-Kühler eine niedrigere Temperatur, was bewirken kann, dass die angrenzenden Zellen bei einer niedrigeren als der erwünschten Temperatur arbeiten. Unerwünscht niedrige Temperaturen verringern die Toleranz der Zellen gegenüber dem Kohlenstoffmonoxid, das typischerweise in reformiertem Erdgas-Brennstoff vorhanden ist, was die Zellen-Leistungsfähigkeit verringert.
Wärmesperren wurden in PAFC-CSA zwischen den End-Kühlern und ihrer benachbarten Zelle verwendet, um die Temperatur der benachbarten Zellen zu erhöhen. Ein Wärmesperre-Typ wird hergestellt durch Laminieren einer Polymerfolie von 0,127 mm (5,0 mil) aus fluoriertem Ethylen-Propylen (FEP) zwischen ein Paar carbonisierter Substrate von 0,5 mm (19,7 mil) , um ein Laminat zu erzeugen. Das Laminat wird zwischen einem Paar Vorformen von 2,29 mm (90 mil), die aus Vorformen aus 89% Flockengraphit und 11% FEP aufgebaut sind, unter einem Druck von 1400 kPa (200 psi) bei 343°C (650°F) befestigt und unter Kompression auf unter 200°C (392°F) abgekühlt. Die Wärmsperre wird dann nach dem Laminieren maschinell auf eine Enddicke von 4,3 mm (170 mil) bearbeitet.
Ein carbonisiertes Substrat ist ein Substrat, das nach einem Verfahren hergestellt wird, das demjenigen ähnlich ist, das in dem Toray erteilten US-Patent US 4 851 304 A dargelegt ist, mit der Ausnahme, dass der Schritt der Hochtemperatur-Graphitisierung weggelassen wird. Die Wärmeleitfähigkeit eines Substrat-Typs, der bei etwa 845°C (1550°F) carbonisiert wurde, beträgt etwa 0,17 W/m·°K (0,1 Btu/ hr·ft·°F), was etwa 1/7 derjenigen eines graphitisierten Substrats ist. Die Gesamttemperaturerhöhung über die Wärmesperre wird eingestellt durch Variieren der Carbonisierungstemperatur des carbonisierten Substrats oder durch Variieren der Dicke des carbonisierten Substrats. Ein PAFC-Wärmesperre-Typ verwendet zwei carbonisierte Substrate von 0,50 mm (20 mil) Dicke. Dies führt zu einer Temperaturerhöhung von etwa 17°C (30°F) über die Wärmesperre bei der Nennleistung, was die Temperatur der dem Kühler benachbarten Zelle um diesen Betrag erhöht.
Eine typische End-Zellenbaueinheit ist recht kompliziert. Der Außenumfang der Wärmesperre, des Kühlers und der Druckplatte wird jeweils in Polytetrafluorethylen (PTFE)-Band gewickelt, um eine Absorption von Säure zu verhindern. Die Außenumfänge der End-Zellenbaueinheit-Komponenten werden miteinander ausgerichtet. Die Graphit-FEP-Strömungsfeldplatte wird an eine graphitisierte Separatorplatte gebunden. Die Strömungsfeldplatte verklebte mit einem graphitisierten Separator, einer geformten Kühler-Baueinheit, der Wärmesperre und einer Druckplatte, die separate, voneinander getrennte Komponenten sind. Diese Komponenten herzustellen und zusammenzufügen ist zeitraubend und kostspielig. Die graphitisierte Separatorplatte wird zwischen der Wärmesperre und der Strömungsfeldplatte angebracht. Die Grenzflächen zwischen den Komponenten werden mit einem Fluorelastomer bestrichen, um eine Dichtung gegen das Eindringen von Säure und Gas zu erzeugen.
Beispielhafte Systeme des Stands der Technik sind offenbart in den US-Patenten US 4 728 585 A ; US 4 929 517 A ; US 5 558 955 A ; und US 6 050 331 A .
JP 2003-77485 A offenbart einen Brennstoffzellenseparator, der an einer Oberfläche Brennstoffkanäle, an der anderen Oberfläche Oxidationsmittelkanäle, und im Inneren Kühlwasserkanäle besitzt und der als ein Körper geformt ist. US 2011/0177419 A1 offenbart eine Brennstoffzellen-Separatorplatte mit einem Separatorbereich, einem ersten nicht-porösen Strömungsfeldbereich, der Flockengraphit und ein thermoplastisches hydrophobes Harz aufweist, und der an eine erste Seite des Separatorbereichs angrenzt, und einen zweiten nicht-porösen Strömungsfeldbereich, der Flockengraphit und ein thermoplastisches hydrophobes Harz aufweist, und der an eine zweite Seite des Separatorbereichs angrenzt.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine End-Kühlerplattenbaueinheit für eine Brennstoffzelle umfasst einen Kühler mit einer Kühlmittel-Röhrenanordnung. Ein Verbundmaterial umfasst Flockengraphit bzw. Lamellengraphit und hydrophobes Polymer. Das Verbundmaterial umgibt die Kühlmittel-Röhrenanordnung und stellt eine erste Seite bereit. Ein Reaktionsmittel-Strömungsfeld ist in der ersten Seite ausgebildet. Eine Wärmesperre ist in das Verbundmaterial eingebettet und ist vollständig davon umgeben. Die Wärmesperre ist zwischen der Kühlmittel-Röhrenanordnung und dem Strömungsfeld angebracht. Die Kühlmittel-Röhrenanordnung, das Verbundmaterial, das Strömungsfeld und die Wärmesperre weisen eine einstückige, monolithische Struktur auf, die von dem Verbundmaterial verbindend zusammengehalten wird.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Kühlplatten-Baueinheit umfasst die Schritte des Deponierens eines ersten Volumens eines Gemisches von etwa 80 bis 85 Gew% Flockengraphit bzw. Lamellengraphit mit einem hydrophoben Polymer-Bindemittel, das den Rest ausmacht, in einer Form; des Einlegens einer Kühl-Röhrenanordnung in die Form auf das erste Volumen; des Deponierens eines Pulvers des Gemisches in der Form auf der Kühl-Röhrenanordnung; des Einlegens einer Wärmesperre in die Form auf das Pulver; des Deponierens eines zweiten Volumens des Gemisches in der Form auf der Wärmesperre; des Komprimierens der Inhalte der Form über dem Schmelzpunkt des Polymers; des Abkühlens, unter Kompression, auf unter den Verfestigungspunkt des Polymers; und des Entnehmens einer einstückigen, monolithischen Struktur, die das Gemisch, die Kühl-Röhrenanordnung und die Wärmesperre aufweist, aus der Form.
Figurenliste
Die Offenbarung kann weitergehend verstanden werden durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen betrachtet wird, worin:

1 eine vereinfachte Schnittansicht von vorn einer Form mit einer darin eingelegten Vorform ist, wobei zwecks Klarheit Schnittdarstellungslinien bzw. Schraffuren weggelassen sind.
2 eine Ansicht der Form von 1 ist, wobei ein pulverförmiges Gemisch aus Flockengraphit und Polymer-Bindemittel oben auf die Vorform gefüllt ist.
3 eine Ansicht der Form von 2 ist, wobei eine Kühl-Röhrenanordnung oben auf das pulverförmige Gemisch gelegt ist.
4 eine Ansicht der Form von 3 ist, wobei ein pulverförmiges Gemisch aus Flockengraphit und Polymer-Bindemittel um die Kühl-Röhrenanordnung herum und über ihr eingefüllt ist.
5A eine schematische Ansicht einer Wärmesperre-Vorform ist.
5B eine Ansicht der Form von 4 ist, wobei die Wärmesperre-Vorform oben auf das pulverförmige Gemisch gelegt ist.
6 eine Ansicht der Form von 5B ist, wobei eine Vorform oben auf die Wärmesperre-Vorform und das pulverförmige Gemisch gelegt ist.
7 eine Ansicht der Form von 6 ist, wobei ein Formpresskolben während des Formens der Verbund-Kühlplatten-Baueinheit in der Form angebracht ist.
8 eine Teil-Schnittansicht von vorn einer monolithischen Verbund-Kühlplatten-Baueinheit mit Kühlerröhren, Strömungsfeldern und einer Wärmesperre gemäß dieser Offenbarung ist, wobei zwecks Klarheit Schnittdarstellungslinien bzw. Schraffuren weggelassen sind.
9 eine Teil-Schnittansicht von vorn einer mit einer Druckplatte zusammengefügten monolithischen Verbund-Kühlplatten-Baueinheit von 8 ist, wobei zwecks Klarheit Schnittdarstellungslinien bzw. Schraffuren weggelassen sind.

GENAUE BESCHREIBUNG
Bezug nehmend auf 1 hat eine Form 8 eine Basis bzw. einen Boden 9, ein Paar Seitenschienen 10, und einen vorderen und einen hinteren Bereich, wobei nur der hintere Bereich 11 gezeigt ist. In 1 wurde ein erstes Volumen mit einer Vorform 15, die zu der Form hinzugefügt wurde, gefüllt. Die Vorform weist ein Gemisch aus zwischen etwa 80 Gew% und etwa 85 Gew% Flockengraphit, der aus thermisch gereinigten, natürlichen Graphitflocken bestehen kann, auf, und der Rest ist ein hydrophobes thermoplastisches Polymer-Bindemittel. Dieses Gemisch erzeugt eine niedrigere Säure-Absorption als, beispielsweise, Gemische mit 89 Gew% Flockengraphit. Das Bindemittel kann fluoriertes Ethylen-Propylen, das von DuPont unter dem Handelsnamen FEP TEFLON® erhältlich ist, oder Perfluoralkoxy, das von DuPont unter dem Handelsnamen PFA TEFLON® erhältlich ist, oder Polytetrafluorethylen (PTFE), das von DuPont erhältlich ist, oder Gemische davon sein. Für eine demgemäße beispielhafte Kühlerbaueinheit, die 508 mm (20,0 in) x 508 mm (20,0 in) x 17 mm (0,67 in) misst, wird die Vorform 15 hergestellt durch Pressen von näherungsweise 3000 Gramm (6,6 Ibs) des Gemisches aus Flockengraphit und Polymer bei etwa 27.600 kPA (4000 psi).
Bezug nehmend auf 2 wird oben auf der Vorform 15 eine Schicht aus Pulver 17 mit einem Gemisch aus Flockengraphit und Polymer-Bindemittel der vorgenannten Zusammensetzung über der Vorform 15 verteilt. In 3 wird ein Kühler 18 mit einer Kühleranordnungsröhre über dem Pulver 17 platziert. In einem Beispiel mag die Kühleranordnungsröhre eine gewundene bzw. spiralige Konstruktion mit größenordnungsmäßig 14 Segmenten haben. Die Röhre kann aus einem geeigneten Material wie rostfreiem Stahl oder einem anderen Metall, das dem Betrieb eines Brennstoffzellen-Kühlsystems und dem Kühler-Herstellungsverfahren standhalten kann, hergestellt sein. Bei der beispielhaften Kühlplatten-Baueinheit kann die Kühlröhre einen Außendurchmesser von etwa 6,4 mm (0,25 in) haben.
In 4 ist ein geeignetes Volumen an Pulver, das das vorgenannte Gemisch aus Flockengraphit und Polymer-Bindemittel aufweist, zwischen dem Kühler 18 und über ihm verteilt. Für die Kühlplatten-Baueinheit der hierin vorstehend genannten Größe können etwa 3800 Gramm (8,4 Ibs) Pulver verwendet werden.
In einem Beispiel wird die Wärmesperre 22 bereitgestellt, indem man eine FEP-Folie 30 zwischen einem ersten und einem zweiten carbonisierten Substrat 28, 29 anbringt, wie in 5A gezeigt. Die Komponenten der Wärmesperre 22 können laminiert werden bevor sie in der Form angeordnet werden, oder die Komponenten können unlaminiert in der Form angeordnet werden. In einem Beispiel haben die carbonisierten Substrate 28, 29 einen elektrischen Flächenwiderstand von etwa 0,1 Ohm cm² (0,016 Ohm·in²), was einen Spannungsabfall über die Wärmesperre von etwa 0,010 V bei einer Stromdichte von 0,1 A/cm² (93 A/ft²) liefert. Die Wärmesperre 22 hat eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,17 W/m °K (0,1 Btu/ hr·ft·°F) und ist etwa 1,0 mm (40 mil) dick.
Die Flächenform der Wärmesperre 22 ist kleiner als die Gesamt-Flächenform der Kühlplatten-Baueinheit, am Besten in den 5B bis 9 gezeigt. Das heißt, der Außenumfang der Wärmesperre 22 ist innerhalb des Außenumfangs der Kühler-baueinheit 26 angebracht, so dass die Wärmesperre 22 von dem Gemisch aus Verbundmaterial umgeben ist.
Die Anzahl an carbonisierten Substraten, ihre Dicke und ihre Wärmebehandlungstemperatur werden so gewählt, dass die gewünschte Erhöhung der Zellentemperatur erzielt wird. In einem Beispiel werden zwei 0,50 mm dicke carbonisierte Substrate mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,17 W/m °K (0,1 Btu/hr·ft·°F) verwendet. Dies führt zu einer Temperaturerhöhung von etwa 17°C (30°F) über die Wärmesperre 22 bei einer Nennleistung von etwa 0,2 W/cm² (180 W/ft²), was die Temperatur der dem Kühler benachbarten Zelle um diesen Betrag erhöht.
Die Druckfestigkeit der carbonisierten Substrate ist größer als die 5600 kPa (800 psi), die zur Formung der Kühlplatten-Baueinheit 26 verwendet werden. Wenn weitere Wärmesperre-Festigkeit gewünscht ist, kann das carbonisierte Substrat mit PTFE imprägniert werden. In einem Beispiel wird das Substrat durch Eintauchen des Substrats in eine handelsüblichen PTFE-Dispersion, die etwa 60 Gew% PTFE enthält, und Trocknen zur Verdampfung des Wassers, mit PTFE imprägniert. Dies führt bei einem 0,5 mm dicken Substrat zu einer PTFE-Aufnahme von etwa 30-40 mg/cm². Die PTFE-Matrix verdichtet sich während des Kühler-Formungsverfahrens bei 290°C, schmilzt aber nicht und scheidet sich nicht aus dem Substrat aus. Diese verdichtete PTFE-Matrix sorgt für eine Verstärkung des carbonisierten Substrats, wenn es bei 4311-6300 kPa (625-900 psi) geformt wird.
Das carbonisierte Substrat oder die carbonisierten Substrate, die sandwichartig um eine FEP-Folie angeordnet sind, werden oben auf das Graphitpulver über dem Kühler platziert, wie in 5B gezeigt. In 6 wird ein zweites Volumen deponiert in der Form einer Vorform 23, die zu der Vorform 15 identisch ist, die oben auf dem Pulver 21 platziert wird. Während der Herstellung der Kühlplatten-Baueinheit 26 können mehr als zwei Vorformen verwendet werden. Auch kann das vorgenannte Gemisch, anstelle von komprimierten Vorformen, im untersten Bereich der Form und in dem gesamten Volumen über der Kühlröhre in Pulverform verwendet werden. Die Kühlplatten-Baueinheit 26 enthält über ihre Dicke eine gleichförmige Gemischzusammensetzung.
Es ist wünschenswert, dass die Vorformen nahezu die gleiche Dicke haben, um sicherzustellen, dass die Röhre nahe der Mitte der Kühlplatten-Baueinheit zentriert ist. Die Dicke der Vorformen 15, 23 und die Menge an Pulver 17, 21 sollte ausreichend sein, um sicherzustellen, dass es um den Kühler 18 ausreichend Graphit-FEP-Stegmaterial 25, in 8 gezeigt, gibt, um eine zuverlässige Barriere gegen das Eindringen von Säure zu schaffen, um eine Korrosion der metallischen Röhre zu verhindern. Das Stegmaterial 25 ist definiert als der Abstand zwischen der größten Tiefe der Reaktionsmittel-Strömungsfelder 31 und der obersten Oberfläche der Wärmesperre 22. Die Dicke des Stegmaterials muss ausreichend sein, um sicherzustellen, dass über die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems keine Säure zu der Kühlerröhre durchdringt. In dem beispielhaften System, auf das hierin vorstehend verwiesen wurde, sollte zwecks Langzeit-Zuverlässigkeit das Stegmaterial nicht weniger als etwa 1,4 mm (0,06 in) sein.
In 7 wird die Verbund-Kühlplatten-Baueinheit 26 ausgebildet, indem man den Formpresskolben 27 einen Druck von etwa 4311-6300 kPa (625-900 psi) ausüben lässt, während das Material in der Form über die Schmelztemperatur des Polymers, etwa 288-343°C (550-650°F) für FEP TEFLON®, erhitzt wird. Nach einer kurzen Zeitdauer, beispielsweise etwa 5 Minuten, lässt man die Inhalte der Form unter die Verfestigungstemperatur des thermoplastischen Polymers, wie etwa 204°C (400°F) für FEP TEFLON®, abkühlen, während der Druck von etwa 4311-6300 kPa (625-900 psi) beibehalten wird. Dann wird die Form weiter abgekühlt, die Form wird auseinandergenommen, und die einstückige, monolithische Verbund-Kühlplatten-Baueinheit 26 wird entfernt.
Während des Formungsprozesses erhöht sich die Dichte der Vorform von etwa 1,8 g/ml (etwa 1,03 oz/in³) auf etwa 2,1 g/ml (etwa 1,2 oz/in³). Das Schmelzen des hydrophoben Polymers und sein Fließen über und um die Graphitflocken herum, und sein sich Verbinden mit dem Flockengraphit unter Druck bewirkt die hochgradig hydrophobe und nicht-poröse Natur der Verbundplatte, die für eine hervorragende Beständigkeit gegen das Eindringen von Säure sorgt.
8 veranschaulicht einen Bereich der Verbund-Kühlplatten-Baueinheit 26 nachdem darin Strömungsfeldkanäle 31 vorgesehen wurden. In dem Fall von Luft-Strömungsfeldkanälen kann die Kanaltiefe etwa 0,7 mm (0,03 in) betragen. In dem Fall von Brennstoffkanälen kann die Kanaltiefe etwa 1,0 mm (0,04 in) betragen. Beide Arten von Kanälen sind etwa 1,6 mm (0,6 in) breit. Die Strömungsfeldkanäle können unter Verwendung bekannter Verfahren in eine Seite der Kühlplatten-Baueinheit maschinell eingearbeitet oder eingeformt werden.
Bezug nehmend auf 9 wird zur Herstellung der End-Zellenbaueinheit dieser Offenbarung eine Druckplatte 34 an der anderen Seite der Kühlplatten-Baueinheit 26 befestigt, beispielsweise mittels eines nachgiebigen graphitisierten Substrats 33. Ein PTFE-Band 35 wird um den Außenumfang 37 der Druckplatte 34 herum angebracht, um eine Korrosion der Druckplatte durch die Säure zu verhindern. Ein korrosionsbeständiges Dichtmittel 36, wie ein von Dyneon hergestelltes Fluorel™-Fluorelastomer, wird zwischen der einstückigen, monolithischen Kühlplatten-Baueinheit 26 und der Druckplatte 33 nahe dem Außenumfang 37 und an das Band 35 angrenzend vorgesehen, um ein Lecken von Reaktionsmitteln und ein Eindringen von Säure zu verhindern.
Die offenbarte End-Zellenbaueinheit ist viel weniger kompliziert und weniger kostspielig als die im Stand der Technik verwendete, die getrennte Komponenten, die danach mit Band umwickelt und zusammengefügt wurden, verwendete. Die offenbarte End-Zellenbaueinheit besteht aus einer geformten Kühlerbaueinheit aus geformtem Graphit-FEP mit einem integrierten Strömungsfeld und integrierter Wärmesperre und einer Druckplatte.
In einem Beispiel wiegen das kombinierte Gewicht der Vorformen oben und unten etwa 60% des gesamten Graphit-FEP-Gewichts, und die Pulvermenge, die über die Kühleranordnung verteilt ist, repräsentiert 40% des gesamten Graphit-FEP-Gewichts. Für Beispielzwecke, eine Kühlplatten-Baueinheit von 500 mm x 500 mm x 17 mm kann hergestellt werden durch (1) Platzieren einer Vorform, die 80-85% Flockengraphit-15-20% FEP enthält, hergestellt bei 27.600 kPa (4000 psi), mit einem Gewicht von etwa 3000 Gramm, in dem Formhohlraum, (2) Verteilen von etwa 1900 Gramm 80-85% Flockengraphit-15-20% FEP-Pulver über der Vorform, (3) Platzieren einer spiraligen Kühleranordnung mit einem Röhrendurchmesser von 6,4 mm oben auf dem Pulver, (4) Verteilen von etwa 1900 Gramm 80-85% Flockengraphit-15-20% FEP-Pulver um die und über der Röhrenanordnung, (5) Platzieren einer Wärmesperre mit zwei carbonisierten Substraten von 460 mm x 460 mm x 0,5 mm, die um eine FEP-Folie herum sandwichartig angeordnet sind, oben auf dem Pulver, (6) Platzieren einer weiteren Vorform, die etwa 3000 Gramm wiegt, oben auf den carbonisierten Substraten, (7) Platzieren des Formpresskolbens in der Form, (8) Erhitzen auf etwa 288-343°C (550-650°F) unter einem Druck von etwa 4311-6300 kPa (625-900 psi), (9) Abkühlen auf 204°C ( 400°F) unter einem Druck von 625-900 psi und (10) Auseinandernehmen der Form und Entnehmen der geformten Kühlplatten-Baueinheit, bei der der Kühler, das Gemisch aus Verbundmaterial, das Strömungsfeld und die Wärmesperre eine einstückige, monolithische Struktur aufweisen, die von dem Gemisch aus Verbundmaterial zusammengehalten wird bzw. verbunden ist. Es versteht sich, dass die Reihenfolge, in der die Komponenten in der Form platziert werden, umgekehrt werden kann.
Strömungsfeldkanäle können unter Verwendung bekannter Verfahren maschinell hergestellt werden. Alternativ können die Gas-Strömungsfeldkanäle 31 in die Vorformen 15, 23 eingeformt werden, wenn die Verbundplatte in 7 hergestellt wird. Dies würde Rippen auf dem Presskolben 27 erfordern. In einem solchen Fall können Trennmaterialien und andere Anpassungen verwendet bzw. vorgenommen werden.
Die hierin offenbarte Ausführungsform ist auf Flüssigelektrolyt-Brennstoffzellen, insbesondere Säureelektrolyt-Brennstoffzellen, anwendbar. Zur Zeit ist Phosphorsäure im allgemeinen Gebrauch, aber die offenbarte Ausführungsform ist auf andere saure Elektrolyten, wie Fluorborsäure, anwendbar, wobei die Systeme bei Drücken und Temperaturen arbeiten würden, die denen von Phosphorsäure-Systemen ähnlich sind.

Claims

Eine End-Kühlerbaueinheit (26) für eine Brennstoffzelle, aufweisend: einen Kühler mit einer Kühlröhrenanordnung (18); ein Verbundmaterial, das Flockengraphit und hydrophobes Polymer enthält, wobei das Verbundmaterial die Kühlröhrenanordnung (18) umgibt und eine erste Seite erzeugt; ein Reaktionsmittel-Strömungsfeld (31), das in der ersten Seite ausgebildet ist; eine Wärmesperre (22), die in das Verbundmaterial eingebettet und vollständig von ihm umgeben ist, wobei die Wärmesperre (22) zwischen der Kühlröhrenanordnung (18) und dem Strömungsfeld (31) angebracht ist; und wobei die Kühlröhrenanordnung (18), das Verbundmaterial, das Strömungsfeld (31) und die Wärmesperre (22) eine einstückige, monolithische Struktur, die mittels des Verbundmaterials verbunden ist, aufweisen.
End-Kühlerbaueinheit (26) nach Anspruch 1, aufweisend eine Druckplatte (34), die an einer zweiten Seite des Verbundmaterials, die zu der ersten Seite entgegengesetzt ist, befestigt ist.
End-Kühlerbaueinheit (26) nach Anspruch 2, wobei ein graphitisiertes Substrat (33) zwischen der Druckplatte (34) und der zweiten Seite angebracht ist, um für Nachgiebigkeit zwischen der monolithischen Struktur und der Druckplatte (34) zu sorgen.
End-Kühlerbaueinheit (26) nach Anspruch 3, wobei ein korrosionsbeständiges Band (35) um einen Außenumfang der Druckplatte (34) herum angebracht ist, und ein korrosionsbeständiges Dichtmittel (36) zwischen der einstückigen, monolithischen Struktur und der Druckplatte (34) nahe dem Außenumfang und an das Band (35) angrenzend vorgesehen ist.
End-Kühlerbaueinheit (26) nach Anspruch 1, wobei das Verbundmaterial 80-85 Gew% Flockengraphit enthält, wobei der Rest durch eines der Polymere FEP, PFA oder PTFE bereitgestellt wird.
End-Kühlerbaueinheit (26) nach Anspruch 1, wobei der Boden des Strömungsfeldkanals von der obersten Oberfläche der Wärmesperre (22) näherungsweise 1,4 mm beabstandet ist.
End-Kühlerbaueinheit (26) nach Anspruch 1, wobei die Wärmesperre (22) eine FEP-Folie (30), die zwischen carbonisierten Substraten (28, 29) angebracht ist, umfasst.
End-Kühlerbaueinheit (26) nach Anspruch 7, wobei die carbonisierten Substrate (28, 29) mit einer PTFE-Dispersion imprägniert sind.
End-Kühlerbaueinheit (26) nach Anspruch 7, wobei die carbonisierten Substrate (28, 29) einen elektrischen Flächenwiderstand von etwa 0,1 Ohm·cm² haben, der bei einer Stromdichte von 0,1 A/cm² für einen Spannungsabfall über die Wärmesperre (22) von etwa 0,010 V sorgt.
End-Kühlerbaueinheit (26) nach Anspruch 7, wobei die Wärmesperre (22) eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,17 W/m·°K hat.
End-Kühlerbaueinheit (26) nach Anspruch 7, wobei die Wärmesperre (22) etwa 1,0 mm dick ist.
Verfahren zur Herstellung einer End-Kühlerbaueinheit (26), folgende Schritte aufweisend: a) Deponieren eines ersten Volumens (17) eines Gemisches von etwa 80-85 Gew% Flockengraphit, wobei den Rest ein hydrophobes Polymer-Bindemittel ausmacht, in einer Form (8); b) Einlegen einer Kühlröhrenanordnung (18) in die Form (8), auf das erste Volumen; c) Deponieren eines Pulvers (21) des Gemisches in der Form (8), auf der Kühlröhrenanordnung (18); d) Einlegen einer Wärmesperre (22), die ein carbonisiertes Substrat (28) und/oder eine sandwichartig zwischen zwei carbonisierten Substraten (28, 29) angeordnete FEP-Folie (30) aufweist, in die Form (8), auf das Pulver (21); e) Deponieren eines zweiten Volumens (23) des Gemisches in der Form (8), auf der Wärmesperre (22); f) Komprimieren der Inhalte der Form (8) und Erhitzen der Inhalte der Form (8) über den Schmelzpunkt des Polymers, und dann Abkühlen der Inhalte der Form (8) unter Kompression auf unter den Verfestigungspunkt des Polymers; und g) Entnehmen einer einstückigen, monolithischen Struktur, die das Gemisch, die Kühlröhrenanordnung (18) und die Wärmesperre (22) aufweist, aus der Form (8).
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem vor dem Durchführen von Schritt d) der Schritt des Herstellens der Wärmesperre (22) durch Laminieren einer FEP-Folie (30) zwischen carbonisierte Substrate (28,29) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, aufweisend den Schritt des Ausbildens eines Strömungsfelds (31) in der einstückigen, monolithischen Struktur auf einer ersten Oberfläche des Gemisches nahe der Wärmesperre (22), und des Befestigens einer Druckplatte (34) an einer zweiten Oberfläche des Gemisches, die zu der ersten Oberfläche entgegengesetzt ist.