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Gegenstand der
Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf leitfähige
polymere Verbundstrukturen und Verfahren zu ihrer Herstellung. Die
Erfindung bezieht sich speziell auf leitfähige polymere Verbundstrukturen
durch Spritzguss oder Formpressen und Methoden zu ihrer Fertigung.
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Hintergrund
der Erfindung
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Polymere
können
grundlegend unterschiedliche Strukturen aufweisen und man unterscheidet zwischen
duroplastischen und thermoplastischen Polymeren. Duroplastische
Polymere werden durch Wärme
und Chemikalien zeitabhängig
verformt, um die chemischen Bindungen zu bilden. Dieser Prozess ist
nicht reversibel und die resultierende Struktur ist dauerhaft, wenn
nicht Hydrolyse, die Einwirkung durch Chemikalien oder Oxidation
bei hohen Temperaturen die chemischen Bindungen schwächen. Thermoplastische
Polymere, auf der anderen Seite, können durch einen einfachen
Prozess des Schmelzens und (anschließenden) Abkühlens geformt werden. Beim
Abkühlen
verfestigt sich das Polymer in der gewünschten Form. Von besonderer
Wichtigkeit ist, dass Teile aus thermoplastischen Polymeren recycelt
werden können
und in Taktzeiten im Allgemeinen unter 30 Sekunden hergestellt werden
können. Hochleitfähige polymere
Verbundstrukturen mit komplexer Geometrie sind für die Verwendung als korrosionsbeständige Strukturen
in elektronischen, elektrochemischen, thermischen und elektrothermischen Anwendungen,
wie Kollektorplatten in PEM Brennstoffzellen entwickelt und gefertigt
worden.
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Der
Spritzguss ist ein wohlbekanntes Verfahren zur Massenfertigung von
Kunststoffteilen. Mit diesem Verfahren können komplexe Teile mit einer
ausgezeichneten Kontrolle der Details und Toleranzen preiswert hergestellt
werden. Zusätzlich
haben Teile, gefertigt aus bestimmten Kunststoffen, eine sehr gute Widerstandsfähigkeit
gegenüber
Chemikalien und Korrosion, wenn auch bei moderaten Temperaturen. Das
Spritzguss-Verfahren ist auf Werkstoffe mit relativ schlechter elektrischer
und thermischer Leitfähigkeit
beschränkt
gewesen. Diese Einschränkung
resultiert aus der Notwendigkeit für Polymer-reiche Zusammen setzungen,
um während
des Gießvorgangs einen
hinreichenden Fluss sicher zu stellen und Polymere sind schlechte
Leiter für
Wärme und
Elektrizität.
Die Entwicklung von preiswerten und korrosionsbeständigen Strukturen
für elektrische,
elektrochemische, thermische und elektrothermische Anwendungen erfordert
folglich Innovation auf dem Gebiet der hochleitenden polymeren Verbundstoffe.
Ein hochleitender polymerer Verbundstoff und ein Verfahren zum Gießen der
Zusammensetzung, die hohen Fluss (Gießfluss) mit hoher elektrischer
und thermischer Leitfähigkeit
verbindet, ist vom Autor und seinen Mitarbeitern entwickelt und
im Patent
US 195,307 ,
angemeldet am 18. November 1998, ausführlich beschrieben worden.
Diese Zusammensetzung kann, obwohl hochgefüllt, durch Spritzguss verarbeitet
werden und ist für
die Verwendung in PEM Brennstoffzellen gestaltet. Sie wirkt als
elektrischer Leiter, als Material zur Wärmeleitung und als undurchlässige Gasschranke
mit einem Widerstand gegen Kriechen, Hydrolyse und chemischen Angriff
bei erhöhten
Temperaturen. Die Zusammensetzung wird zum Guss von Kollektorplatten
verwendet, die das Gewicht jeder Brennstoffzelle zu 90% bestimmen
können.
Die Einzelteile einer typischen PEM Brennstoffzelle sind in
1 dargestellt.
Durch Spritzguss hergestellte bipolare Verbundplatten (besonders
solche aus Thermoplasten) entwickeln, durch Polymerreiche Schichten
an der Oberfläche
während
des Gießens,
einen elektrischen Widerstand und diese Schichten können die
Leistungsfähigkeit
der Brennstoffzellen während des
Betriebs beeinflussen. Fließt,
wie in einer Brennstoffzelle, ein elektrischer Strom durch solche
Oberflächenschichten,
wird ein erheblicher Anteil des elektrischen Stroms in Wärme umgewandelt,
was den elektrischen Wirkungsgrad der Brennstoffzelle vermindert.
Polymere Verbundstoffe, gegossen nach dem erfindungsgemäßen Gießverfahren,
sind gegenüber
früheren
gegossenen polymeren Verbundstoffen hoch leitfähig. Diese Leitfähigkeit
ist jedoch wegen der höheren
Konzentration von polymerem Harz an den äußeren Oberflächen der
gegossenen Verbundstruktur eingeschränkt.
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Das
Patent
US 3,801,374 beschreibt
ein Verfahren zur Fertigung einer Stromkollektorplatte für eine Brennstoffzelle.
Das Verfahren besteht aus dem Herstellen eines leitfähigen Verbundstoffes
Harz-Bindemittel, geformt wie eine Stromkollektorplatte mit Stegen
auf mindestens einer Oberfläche,
wobei besagter Verbundstoff einen Gradienten mit ansteigender Konzentration
des Bindemittels in Richtung auf die besagten Stege aufweist.
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Das
Patent GB 1,135,076 beschreibt thermoplastische Elektroden, geeignet
für Brennstoffzellen.
Die Elektroden bestehen aus einem elektrisch nichtleitfähigen thermoplastischen
synthetischen Harz, worin ein oder mehrere elektrisch leitfähige binäre Verbindungen
von Bor, Kohlenstoff, Silizium oder Stickstoff, zusammen mit einem Übergangsmetall
aus der Gruppe IV oder VI des Periodensystems, mit einem spezifizierten
volumetrischen Verhältnis der
Komponenten, eingebettet sind.
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Das
Patent
US 4,117,065 ist
auf ein Verfahren gerichtet, ein leitfähiges Kohlenstoff-Kunststoff-Material
mit verbesserter Leitfähigkeit
der Oberfläche
herzustellen. Im Verfahren der Erfindung wird ein leitfähiges Kohlenstoff-Kunststoff-Material aus einem
Mix von partikelförmigem
leitfähigem
Kohlenstoff und Kunststoff gegossen, wobei der Kohlenstoff eine
spezifizierte Partikelgröße hat.
Das gegossene Material wird dann simultan an seiner Oberfläche angerauht
und Kohlenstoffpartikel werden eingebettet. Das simultane Anrauhen
und Einbetten geschieht mit einer trockenen Mischung aus verdichteten
Kohlenstoff -und Metallpartikeln gegen die Oberfläche des leitfähigen Kohlenstoff-Kunststoff-Materials
durch Inertgas unter hohem Druck.
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Das
Patent
US 5,589,129 beschreibt
einen Verbundstoff aus flüssigem
Kunstharz und einem ionischen Material und / oder einem leitfähigen Material,
innerhalb des duroplastischen oder thermoplastischen Kunstharzes.
Der flüssige
Verbundstoff wird in eine Gussform mit einer vorher bestimmten Form
gebracht und eine Gleichspannung angelegt, um das ionische Material
und / oder das leitfähige
Material an einem geforderten Bereich zu konzentrieren oder das ionische
Material und / oder leitfähige
Material kontinuierlich zu verteilen. Danach wird der Verbundstoff ausgehärtet, wenn
er aus einem duroplastischen Kunstharz besteht, oder der Verbundstoff
wird durch Kühlen
verfestigt, wenn er aus einem thermoplastischen Kunstharz besteht,
wodurch ein Guss in der vorher bestimmten Form erhalten wird.
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Das
Patent
US 4,360,485 beschreibt
ein Verfahren zur Herstellung verbesserter Separatorplatten für elektrochemische
Zellen. Eine dünne
Separatorplatte einer elektrochemischen Zelle mit stark verbesserten
Eigenschaften wird durch Gießen
und anschließendes
Graphitieren mit einer Mischung aus bevorzugt 50% hochreinem Graphitpulver
und 50% korbonisierbarem duroplastischen Phenolharz hergestellt,
wobei die Graphitpulver-Teilchen eine bestimmte bevorzugte Form
und eine Größenverteilung aufweisen,
bei der 31 bis 62 Gewichts-% der Teilchen eine Größe von weniger
als 45 Microns (Mikro-Inch) haben.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es
ist dementsprechend ein Ziel der Erfindung, eine hoch leitfähige polymere
Verbundstruktur, durch Spritzguss oder Formpressen hergestellt,
zur Verfügung
zu stellen.
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Ein
anderes Ziel der Erfindung ist, die Leitfähigkeit einer solchen gegossenen
polymeren Verbundstruktur weiter zu verbessern.
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Ein
weiteres Ziel der Erfindung ist, einen gegossenen hoch leitfähigen polymeren
Verbundstoff als Kollektorplatte in einer Brennstoffzelle zu verwenden.
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Noch
ein weiteres Ziel der Erfindung ist, eine gegossene hoch leitfähige Kollektorplatte
aus einem polymeren Verbundstoff mit verbesserten polymeren Flächen in
den Rillen zur Verfügung
zu stellen, was in größerer mechanischer
Festigkeit, verminderter Permeabilität und Porösität, größerem Widerstand gegenüber Erosion
und Korrosion und vermindertem Widerstand beim Durchströmen der
Kanäle
resultiert.
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Ein
weiteres Ziel der Erfindung ist, ein Verfahren zur Herstellung eines
gegossenen hoch leitfähigen
polymeren Verbundstoffes zur Verfügung zu stellen, das einen
größeren Formenhohlraum
verwendet, was in verringertem Pressdruck resultiert.
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Es
ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung
eines gegossenen hoch leitfähigen
polymeren Verbundstoffes mit verminderter Dicke zur Verfügung zu
stellen.
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Ein
noch weiteres Ziel der Erfindung ist, die Leitfähigkeit einer gegossenen polymeren
Verbundstruktur durch Anwenden relativ kostengünstiger Herstellungsprozesse
zu verbessern.
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Diese
und weitere Ziele der Erfindung werden durch ein Verfahren zur Herstellung
einer Stromkollektorplatte, die in einer Brennstoffzelle verwendet wird,
erreicht. Das Verfahren umfasst bevorzugt die Schritte: Herstellen
eines, bevorzugt mit Graphit gefüllten,
polymeren Verbundstoffes in der Form einer Stromkollektorplatte,
mit Stegen auf den gegenüber liegenden
Oberflächen
und Entfernen einer Schicht des besagten Verbundstoffes von mindestens
einer der besagten Oberflächen
mit Stegen. Der Verbundstoff hat nach dem Guss einen Gradienten
mit ansteigender Konzentration von Bindemittel, wie dem polymeren
Bindemittel (Kunstharz), in Richtung auf die besagten Stege. Nach
dem Entfernen der Schicht stehen neue Stege mit verminderter Polymerkonzentration
zur Verfügung.
Das hochgefüllte
Polymer kann durch Spritzguss, Formpressen oder durch eine Kombination
von beiden verarbeitet werden. Der Verbundstoff kann aus einer Vielzahl
von Polymeren bestehen, ist aber bevorzugt ein Thermoplast. Der Thermoplast
ist bevorzugt ein Flüssigkristallpolymer. Das
Entfernen der Schicht wird bevorzugt durch Verwenden von relativ
kostengünstigen
Fertigungsverfahren, wie spanabhebende Formgebung, Sandstrahlen
oder Schleifen, erreicht.
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Die
Dicke der zu entfernenden Sicht kann unter Berücksichtigung einer Anzahl von
Faktoren bestimmt werden. Es ist erforderlich, dass die Schichtdicke
(die Dicke der Stege) ausreichend groß ist, um Bereiche mit hoher
Polymerkonzentration zu entfernen. Es kann weiterhin erforderlich
sein, eine größere Schichtdicke
zu entfernen, um den Gießprozess
zu verbessern. Die entfernte Schicht sollte zwischen 0,001 cm und
0,5 cm dick sein, und hat bevorzugt eine Dicke im Bereich von 0,015
cm bis 0,06 cm.
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Die
Erfindung bezieht sich ebenfalls auf eine verbesserte Brennstoffzellen-Kollektorplatte,
resultierend aus dem oben beschriebenen Fertigungsverfahren. Die
verbesserte Brennstoffzellen-Kollektorplatte umfasst bevorzugt einen
Graphit-gefüllten
polymeren Verbundstoff mit gegenüberliegenden
ebenen Oberflächen,
die durch die Plattendicke von einander entfernt sind. Nach dem
Guss hat der Verbundstoff einen Gradienten mit ansteigender Konzentration
von Polymer in Richtung auf die besagten ebenen Oberflächen. Die
ebenen Oberflächen
weisen Rillen und Stege, neben den Rillen, auf. Nach dem Entfernen
der Schicht auf den Stegen weist die Kollektorplatte in den Stegen
eine höhere
Konzentration von leitfähigem
Graphit auf, während
in den Rillen Polymer-reiche Oberflächen übrig bleiben. Diese Polymer-reichen
Oberflächen
in den Rillen erzeugen innerhalb der Rillen eine Anzahl von Vorteilen,
wie verbesserte mechanische Festigkeit und verminderte Permeabilität und Porösität.
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Entsprechend
einem anderen Aspekt der Erfindung kann in einem Test die Dicke
der zu entfernenden Oberflächenschicht
vorab festgestellt werden; um die Dicke zu bestimmen, bei der die Änderung
der Leitfähigkeit
von einem raschen Wechsel zu einem moderaten wechselt.
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Bei
dieser Erfindung liegt ein weiterer Vorteil des Verfahrens zum Abtragen
der Schicht darin, dass die Verbundstruktur in einer Anfangsdicke
gegossen werden kann, die größer als
die Dicke des Endprodukts, wie eine Kollektorplatte, ist. Beim Spritzguss ist
im Allgemeinen der erforderliche Spritzdruck proportional dem Verhältnis von
Fließlänge und
Querschnitt des Formenhohlraums. Mit einer vergrößerten Breite des Formenhohlraums
kann deshalb eine Anzahl von Vorteilen erreicht werden. Der erforderliche Spritzdruck
kann durch den vergrößerten Querschnitt verringert
werden. Alternativ kann bei einem vorgegebenen Spritzdruck eine
größere Fließlänge und damit
ein größeres Teil
gegossen werden. Wird dies mit dem Verfahren zum Abtragen der Schicht
in dieser Erfindung kombiniert, kann bei einer fertigen Kollektorplatte
ein verbesserter Formfaktor erreicht werden.
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Das
Verfahren in dieser Erfindung resultiert in leitfähige polymere
Verbundstoffe, besonders für die
Verwendung als Brennstoffzellen-Kollektorplatte mit verbesserter
Funktionalität.
Die verbesserte Funktionalität
umfasst sehr hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit,
hohe Festigkeit und in dünnen
Bereichen niedrige Permeabilität
für Wasserstoff,
sowie einen ausgezeichneten Widerstand gegenüber Erosion und Korrosion bei
erhöhten
Temperaturen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die
bevorzugten Realisierungen der Erfindung werden nun in der folgenden
ausführlichen
Beschreibung, mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen, beschrieben.
In diesen ist:
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1 ist
ein Querschnitt und zeigt die leitenden Einzelteile einer typischen
PEM Brennstoffzelle;
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2 ist
ein Querschnitt durch eine durch Spritzguss hergestellte Kollektorplatte
und zeigt die gegossenen Oberflächen
und den Bereich der Stegflächen,
die gemäß der gegenwärtigen Erfindung
entfernt werden;
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3 ist
ein Diagramm und zeigt den elektrischen Widerstand gegen die abgetragene
Tiefe der Stege jeder Seite bei einer durch Spritzguss hergestellten
Kollektorplatte, gemäß der gegenwärtigen Erfindung;
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4 ist
ein Diagramm und zeigt die Anfangsdicke sowie die durch mechanische
Bearbeitung verringerte Dicke bei durch Spritzguss hergestellten
Kollektorplatten gegen den elektrischen Widerstand;
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5 ist
ein Diagramm und zeigt die Dicke der entfernten Schichten auf beiden
Seiten gegen die Änderung
des elektrischen Widerstands mit Änderung der Plattenstärke;
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6 ist
ein Diagramm und zeigt einen Anteil der Plattendicke, durch mechanische
Bearbeitung entfernt, gegen den elektrischen Widerstand; und
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7 ist
ein Diagramm und zeigt einen Anteil der Plattendicke, durch mechanische
Bearbeitung entfernt, gegen den mittleren spezifischen Volumenwiderstand
in transversaler und in Flussrichtung während des Spritzgusses.
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Ausführliche
Beschreibung der bevorzugten Realisierungen
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Die
gegenwärtige
Erfindung bezieht sich auf die relativ kostengünstige Produktion von hoch
leitfähigen
polymeren Verbundstrukturen, durch Anwenden von Spritzguss oder
andere Arten von Guss. Die Verfahren in der Erfindung haben besonderen
Bezug auf die Herstellung von Kollektorplatten zur Verwendung in
PEM Brennstoffzellen und die folgende Diskussion wird deshalb auf
die Anwendung als Kollektorplatten gerichtet sein.
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Allgemein
Bezug nehmend auf die Zeichnungen, zeigt 1 in einem
Querschnitt die leitenden Einzelteile einer typischen PEM Brennstoffzelle.
Die Einzelteile einer Brennstoffzelle umfassen eine Kollektorplatte 1,
umgeben von den Gas-Diffusionsschichten 2. Jede Gas-Diffusionsschicht
grenzt an eine Elektrode 3. Die Elektroden 3 umgeben
eine Protonen-Austauschmembran 4. Die Brennstoffzellen
können
in Reihe angeordnet sein, um die Spannung der gebildeten Stapel
zu erhöhen.
Gemäß der Erfindung
wird eine kostengünstige
Vorbehandlung angewendet, um den elektrischen Widerstand der gegossenen
Kollektorplatten 1, ohne Änderung der kritischen Eigenschaften
wie hohe mechanische Festigkeit, hohe thermische und chemische Stabilität, niedrige
Gasduchlässigkeit
und hinreichende Hydrophobie innerhalb der gegossenen Rillen, zu
verringern.
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Bezogen
auf 2 zeigt ein Querschnitt einer durch Spritzguss
hergestellten Kollektorplatte die gegossene Oberflächenschicht
und die Bereiche der Stege, die gemäß der gegenwärtigen Erfindung
entfernt werden. Nach dem Guss bedeckt eine Polymer-reiche Oberflächenschicht 5 die
Stege der Kollektorplatte. Nach Entfernen des Oberflächenmaterials
hat sich die Höhe
der Stege auf die Höhe 6 verringert.
Bedeutend ist, dass die Seiten der Rillen 7 der Kollektorplatte
ihre Polymer-reiche Oberflächenschicht
behalten, während
die neu gebildeten Stege im Allgemeinen eine hohe Konzentration
an Graphit aufweisen, vergleichbar der im Volumen 8 der
Kollektorplatte.
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Einfach
ausgedrückt,
werden 0,001 cm bis 0,5 cm und ideal 0,015 cm bis 0,06 cm der gegossenen
Oberfläche
der Stege durch spanabhebende Formgebung, durch Schleifen, durch
Sandstrahlen oder durch ähnliche
Verfahren in der Weise entfernt, dass ein hoher Grad an Ebenheit
und Parallelität
der fertigen Platte sicher gestellt wird. Nach diesen mechanischen
Verfahren weisen die Stege eine optimale Höhe für den Betrieb in einer Brennstoffzelle
auf. Die Höhe
liegt typisch zwischen 0,05 cm und 0,15 cm, kann bei bestimmten
Designs aber weniger als 0,05 cm betragen.
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Durch
das Entfernen der Polymer-reichen Schicht von den Stegen der Platte
enthalten die verbleibenden Stege einen höheren Graphitanteil als die Oberflächen des
ursprünglich
gegossenen Teils, was zu besserer elektrischer und thermischer Leitfähigkeit
führt.
Die Oberflächen
der Rillen enthalten die Polymer reiche Schicht, die sich während des
Spritzgusses entwickelt hat, welche hohe mechanische Festigkeit,
ausgezeichnete Dämmeigenschaften
gegenüber
Erosion und Chemikalien sowie gegenüber Hydrophobie zur Verfügung stellt.
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Das
mechanische Bearbeitungsverfahren ermöglicht es, eine anisotrope
Brennstoffzellen-Kollektorplatte herzustellen, mit einer niedrigeren
Konzentration an Polymer (einer höheren Konzentration an leitfähigem Zusatzstoff)
auf den Stegoberflächen
und im Körper
der Platte und einer höhere
Konzentration an Polymer (einer niedrigere Konzentration an leitfähigem Zusatzstoff)
auf den Oberflächen
der Rillen innerhalb der Platte. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass
die anisotrope Struktur eine permanente Eigenschaft der Kollektorplatte
ist. Im Gegensatz dazu würde
eine Beschichtung der Kanäle
oder der Stege über
die Zeit und durch Temperatur zu einer übermäßigen Verschlechterung führen.
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Durch
die Anwendung des Oberflächen-Abtragverfahrens
weisen die Stege einer hohen Anteil von Zusatzstoff auf, der vergleichbar
der Zusammensetzung im Körper
der Platte ist, wodurch eine ausgezeichnete elektrische und thermische
Leitfähigkeit gewährleistet
wird. Dadurch, dass die Stege mit (anderen) Komponenten der Brennstoffzelle,
wie Diffusionsschichten und Elektroden, in elektrischem Kontakt
sind, verringert diese Formgebung den elektrischen Widerstand innerhalb
der Zelle dramatisch. Dieses Verfahren erzeugt Brennstoffzellenplatten
mit einem bis zu 50% geringerem Widerstand als es in einem einstufigen
Gießprozess
erreicht werden könnte.
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Es
werden zwei Methoden angewendet, um den Widerstand des Materials
der Kollektorplatte zu messen. Bei der ersten Methode wird der Durchgangswiderstand
einer Kollektorplatten-Anordnung gemessen. Die Anordnung besteht
aus einer konturlosen (flachen) durch Spritzguss hergestellten Platte, eingeschlossen
von zwei Kontaktmaterialien und stellt die Anordnung einer bipolaren
Kollektorplatte innerhalb einer Brennstoffzelle dar. Mit dieser
Methode wird der Totalwiderstand (einschließlich des Kontakt- und des
Körperwiderstands)
des Materials gemessen. Der Kontaktwiderstand wird durch die Oberflächeneigenschaften
des Materials beeinflusst, während
der Körperwiderstand
durch die innere Struktur beeinflusst wird.
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Die
Auswirkung durch das Oberflächen-Abtragverfahren
auf den Gesamtwiderstand einer Kollektorplatten-Anordnung ist in 3 dargestellt. 3 ist
ein Diagramm des elektrischen Widerstands gegen die entfernte Tiefe
der Stege jeder Seite einer durch Spritzguss hergestellten Kollektorplatte,
gemäß der gegenwärtigen Erfindung.
Die elektrische Einheit besteht aus dem Material der Kollektorplatte,
eingeschlossen zwischen zwei Gas-Diffusionsschichten. Während des
Tests des elektrischen Widerstands wird die Oberfläche der
Platte schrittweise abgetragen. Zu Beginn fällt der Widerstand rasch mit
dem Entfernen von Oberflächenmaterial ab,
aber ab einer bestimmten Tiefe ändert
sich der Widerstandswert nur moderat. Die Steigung der Kurve – Abgetragene
Oberfläche
gegen elektrischen Widerstand – ändert sich
drastisch nach dem Entfernen von 0,025 cm bis 0,030 cm der gegossenen
Plattenoberfläche. 3 (und
die anderen Diagramme auf den 4 bis 7)
zeigen die Darstellung der Testdaten von drei Testplatten; eine
mit vollen Zeichen und durchgezogenen Linien, eine mit leeren Zeichen und
durchgezogenen Linien und eine mit (leeren Zeichen und) strich-punktierten
Linien. Jede Testplatte wurde mit drei verschiedenen Gas-Diffusionsschichten
getestet: ELAT, Graphitfolie (Grafoil) und Kohlenstofffaserpapier
(Carbon Fiber Paper CFP).
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Die
ohmsche Dicke der Oberflächenschicht kann
durch schrittweises mechanisches Abtragen von Schichten der Plattenoberflächen und
durch Messen des absoluten Widerstands gefunden werden, wie in 4 dargestellt.
Innerhalb eines engen Bereichs von abgetragener Oberfläche ändert sich die
Steigung der Kurve drastisch. Die Tiefe, bei der sich die Steigung
der Kurve drastisch ändert,
ist unabhängig
von der tatsächlichen
Plattendicke und stellt die Tiefe der ohmschen Oberflächenschicht
dar. 5 zeigt die Änderung
in der Steigung der Kurve als Funktion der Gesamtdicke der beiden
abgetragenen Schichten, eine von jeder Seite, der Testplatte. Nach
dem Abtragen der ohmschen Oberflächenschicht
nimmt der Widerstand durch die Platte mit weiterem Entfernen von
Material (nur) moderat ab. Dies ist auf die abnehmende Plattendicke
zurück
zu führen
und repräsentiert
ein homogeneres Material. 6 zeigt
die Änderung
des elektrischen Widerstands bei dem Abtragen von Schichten, gemessen als
Anteil oder Prozentsatz der ursprünglichen Plattendicke.
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Wie
in 7 dargestellt, wurde ein separater, paralleler
Test zur Messung des spezifischen Volumenwiderstands der Kollektorplatten
durchgeführt. Diese
Messung ist weitgehend unempfindlich gegenüber den Oberflächeneigenschaften.
Der spezifische Volumenwiderstand wurde durch das Abtragen der Oberfläche nur
um einige Prozent verringert. Als Folge davon trugen die Änderungen
des spezifischen Volumenwiderstands nicht zu den beobachteten Änderungen
des Gesamtwiderstands bei. Es wurde deshalb gefolgert, dass der
Widerstand aus zwei Gründen
abnimmt. Zum Einen ermöglicht
das Abtragen von ohmschen Oberflächenschichten,
durch Freisetzen von mehr elektrischen Pfaden, eine bessere elektrische
Leitung durch die Probe. Zum Anderen wurde die gesamte Plattendicke
nach jedem Schritt des Oberflächenabtrags
verringert, wodurch der entsprechende Widerstand abnahm. Bei homogenen
Materialien würde
diese Änderung
linear verlaufen.
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Zusätzlich zur
Abnahme des elektrischen Widerstands der Kollektorplatte neigt das
Oberflächen-Abtragverfahren
dazu, die geometrische Bedingung des Spritzguss-Verfahrens zu verbessern.
Das Spritzguss-Verfahren und das Oberflächen-Abtragverfahren arbeiten
synergistisch zusammen. Der Formenhohlraum beim Spritzguss ist so
geformt, dass die gegossene Platte höhere Stege hat als für das endgültige Teil
erforderlich. Der Höhenüberschuss
wird teilweise an der Kurve des elektrischen Widerstands bestimmt,
die zum Finden der ohmschen Schichtdicke benutzt wird. Der Wert
des Höhenüberschusses
der Stege (der im zweiten Schritt abgetragen wird) ist mindestens äquivalent
der Dicke der ohmschen Oberflächenschicht.
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Bei
größeren Herstellungsvolumen
kann es nützlich
sein, das abgetragene überschüssige Material
mit einem geeigneten Handhabungssystem für Pulver wieder aufzufangen
und es im Gießprozess wieder
zu verwenden. Vakuumsysteme für
pulverförmiges
Grundmaterial sind fertig verfügbar.
Ist dieses Verfahren nicht verfügbar,
sollte man das Abtragen der Oberflächen begrenzen, um Materialverschwendung
zu vermeiden. Um diese Optionen richtig abzuwägen, müssen das Maschinenpotential
und die Komplexität
des Gussdesigns berücksichtigt
werden, um zu sehen, ob der Höhenüberschuss
der Stege (oberhalb der Höhe
der ohmschen Oberflächenschicht)
dem Gießverfahren
erheblich nutzt.
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Die
Gestaltung des Höhenüberschusses
bei den Stegen von Kollektorplatten dient dazu, die Größe des Formenhohlraums
zu vergrößern. Der
Querschnitt der Kollektorplatte wird zum Beispiel vergrößert. Dies
verringert den Druckabfall über
der Kollektorplatte während
des Spritzguss-Vorgangs. Eine Platte mit größerer Fläche kann mit vergleichbarem Spritzdruck
und vergleichbarer Schließkraft
gegossen werden, wenn der Querschnitt vergrößert wird. Alternativ können schließlich durch
das Spritzguss-Verfahren und das Oberflächen-Abtragverfahren sehr dünne Kollektorplatten,
mit weniger Spritzdruck und geringerer Schließkraft, hergestellt werden.
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Dadurch,
dass die Kollektorplatten die Mehrheit in einem Brennstoffzellen-Stapel
darstellen, vergrößert die
Fähigkeit,
sehr dünne
Kollektorplatten mit großer
Fläche
und hoher Leitfähigkeit
zu gießen, stark
die Leistungsdichte des Stapels und tendiert dazu, die Anzahl der
Platten pro Kilowatt der Brennstoffzelle zu verringern. Der Wert
einer Kollektorplatte ist deshalb stark abhängig von ihrem Formfaktor und
ihrer Leistungsfähigkeit.
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Zusätzlich zur
Verbesserung der Fähigkeit, dünne Platten
mit großer
Oberfläche
durch Spritzguss herzustellen, verbessern das Spritzguss-Verfahren
und das Oberflächen-Abtragverfahren
die Funktionalität
dieser Platten innerhalb der Brennstoffzelle. Die verbesserte Leitfähigkeit
und die Funktionalität
sind der Hauptnutzen der neuartigen Struktur der Kollektorplatte.
Werden sehr dünne
Platten verwendet, verhindern die Polymer-reichen Schichten an den
Wänden
der Rillen den Gasübergang,
oder die Permeation, zwischen den Zellen. Dies resultiert aus dem
höheren
Polymeranteil, der alle Poren innerhalb der Platte wirksam abdichtet.
Dadurch, dass diese Schichten ein integraler Bestandteil der Platten sind,
wird sich diese Schranke nicht verschlechtern oder wegwaschen. Die
ermöglicht,
dass die Brennstoffzelle sicher und mit höherem Wirkungsgrad über einen
erweiterten Zeitraum arbeitet.
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Die
Polymer-reichen Schichten auf den Rillenwänden stellen weiterhin hohe
mechanische Festigkeit, durch Eliminieren der Poren, die Rissausbreitung
fördern
und durch Bildung von ausgerichteten verstärkten Schichten unterhalb der
Oberfläche,
zur Verfügung.
Die Rillenböden
bilden typisch den dünnsten
Bereich der Platte und (damit) den schwächsten Teil einer traditionellen
Kollektor platte. Mit Polymer-reichen Rillenoberflächen können sehr dünne Platten,
ohne Beschädigung
während
der Handhabung, während
des Einbaus oder während des
Betriebs in einer Brennstoffzelle, verwendet werden.
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Diese
Schichten bilden weiterhin einen ausgezeichneten Erosionswiderstand
und chemischen Widerstand und ermöglichen Gestaltungen für 50.000
bis 100.000 Betriebsstunden unter sehr aggressiven Bedingungen.
Die Rillenwände
der Kollektorplatte sind glatt und nicht porös. Sie behalten die Oberflächengüte der Spritzgussform
bei, was in Hydrophobie resultiert und wirken (damit) wasserabstoßend, um
das Ableiten und Entfernen von Wasser während des Betriebs der Brennstoffzelle
zu verbessern.
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Die
Verbesserung der Leitfähigkeit über die Stege
und die innere Struktur der Platte sowie die Verbesserung der strukturellen
und der Barriere-Eigenschaften der Rillenwände optimieren die Struktur der
Kollektorplatte. Durch die Anwendung des Oberflächen-Abtragverfahrens ermöglicht das
Spritzguss-Verfahren Teile herzustellen, die wegen der Beschränken durch
die Maschine und den Materialfluss in einem Schritt nicht möglich sind.
In ihrer Gesamtheit stellt diese Erfindung eine bedeutende Innovation
für die
Massenproduktion von hochleitfähigen
Verbundstoffen dar und besonders für das Gebiet der PEM Brennstoffzellen
zur Erzeugung von elektrischer Energie.
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Obwohl
die bevorzugten Realisierungen des Verfahrens und des Produkts der
Erfindung im oben Beschriebenen relativ ausführlich und speziell beschrieben
worden sind, stellen diese Realisierungen nur Beispiele dar. Alternativen
und Abwandlungen innerhalb des Geltungsbereiches der Erfindung können für einen
Fachmann, nach dem Lesen dieser Veröffentlichung, deutlich werden.
Der genaue Geltungsbereich der Erfindung, zu der der Erfinder berechtigt
ist, sollte aus den folgenden Ansprüchen und nicht aus der obigen
ausführlichen
Beschreibung bestimmt werden.