DE60226252T2

DE60226252T2 - Montage von bipolaren platten

Info

Publication number: DE60226252T2
Application number: DE60226252T
Authority: DE
Inventors: Robert Angelo Seven Hills MERCURI
Original assignee: Graftech International Holdings Inc
Current assignee: Graftech International Holdings Inc
Priority date: 2001-06-01
Filing date: 2002-05-30
Publication date: 2009-06-25
Anticipated expiration: 2022-05-31
Also published as: BR0209757A; EP1420952A4; US7094311B2; ATE393019T1; WO2002098661A1; EP1420952A1; DE60226252D1; TW570867B; EP1420952B1; US20020179230A1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Konstruktion bipolarer Graphitmaterialien, die für und in Anwendungen, wie Strömungsfeldplatten für die Verwendung in einer elektrochemischen Brennstoffzelle, nützlich sind.
STAND DER TECHNIK
Das Dokument des Stands der Technik US 4 732 637 beschreibt eine poröse Gasverteilungsplattenbaugruppe bzw. -anordnung für eine Brennstoffzelle, wie eine bipolare Anordnung, einschließlich einer inneren undurchlässigen Region, in welcher die bipolare Anordnung eine gute Oberflächenporosität, aber keine Durchgangsebenenporosität aufweist und in welcher die elektrische Leitfähigkeit durch die undurchlässige Region aufrechterhalten wird.
Die US 4 416 955 lehrt eine Brennstoffzellen-Unterbaugruppe, welche eine Vielzahl von Brennstoffzellen, einen ersten Abschnitt einer Kühleinrichtung, die am Ende der Baugruppe angeordnet ist, und Mittel zum Verbinden der Brennstoffzellen und des ersten Abschnitts zur Bildung einer Einheitsstruktur umfasst.
Die US 4 565 749 bezieht sich auf einen bipolaren Metall-Gas-Batteriezellenstapel mittels Anordnen der elektrischen Reihenverbindungen zwischen entgegengesetzt polarisierten Elektroden von benachbarten Zellen, die außerhalb der Zellen in einem dielektrischen Rahmen liegen.
Die US 5 885 728 bezieht sich auf einen flexiblen Graphitbogen mit darin eingebetteten Keramikfasern, die sich von dessen Oberflächen in den Bogen hinein erstrecken, um die Permeabilität des Bogens gegenüber Harz zu erhöhen, das durch mechanische Verformung zu einer Gestalt gerillt ist, die als eine Strömungsfeldplatte in Brennstoffzellen nützlich ist.
Die US 4 014 730 nimmt Bezug auf ein Verbindungselement dieser Erfindung, welches einen dünnen, flexiblen Bogen aus Graphit umfasst, in welchem die Poren und Hohlräume des Graphits mit einem Polymer gefüllt sind, um den Graphit für den Elektrolyt des Kondensators undurchlässig zu machen.
Die US 5 589 301 lehrt von einem dreidimensionalen Substratmaterial für die Verwendung bei der Konstruktion von Batterieelektroden, umfassend ein gesintertes Matrixmaterial, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus retikulierten bzw. netzförmigen Metallschwämmen, leitfähigen Fasern und Metallpulverformteilen besteht, und eine poröse Überzugsschicht aus einem polymeren Maschenmaterial, flexiblem Metallsieb oder Metallfasern, die mit mindestens einer Oberfläche des Matrixmaterials verbunden sind, um das gesinterte Matrixmaterial im Wesentlichen innerhalb der planaren Oberfläche der Oberfläche des Matrixmaterials während des spiralförmigen Wickelns des chemisch geladenen Matrixmaterials festzuhalten.
Eine typische Konstruktion im Stand der Technik für eine elektrochemische Zelle ist in dem US-Patent Nr. 6 080 503 beschrieben, deren Details hierin durch den Bezug mit eingeschlossen sind. Elektrochemische Zellen, welche Polymerelektrolytmembranen (PEMs) umfassen, können als Brennstoffzellen betrieben werden, bei denen ein Brennstoff und ein Oxidans elektrochemisch an den Zellelektroden umgewandelt werden zur Erzeugung von elektrischer Energie, oder als Elektrolyser bzw. Elektrolysezellen, in denen ein externer elektrischer Strom zwischen den Zellelektroden fließen gelassen wird, typischerweise durch Wasser, was zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff an den jeweiligen Elektroden der Zelle führt. Die 1 veranschaulicht ein typisches Design einer herkömmlichen elektrochemischen Zelle, welche eine PEM umfasst, und einen Stapel aus solchen Zellen. Jede Zelle umfasst eine Membranelektrodenanordnung (MEA) 5, wie die in einer auseinandergezogenen Ansicht in der 1a veranschaulichte. MEA 5 umfasst eine innendurchlässige PEM-Schicht 2, die zwischen zwei Elektrodenschichten 1, 3 angeordnet ist, welche typischerweise porös und elektrisch leitend sind und einen Elektrokatalysator an der Grenzfläche mit der benachbarten PEM-Schicht 2 zur Förderung der gewünschten elektrochemischen Reaktion umfassen. Der Elektrokatalysator definiert allgemein den elektrochemisch aktiven Bereich der Zelle. Die MEA ist typischerweise als eine bondierte laminierte Baugruppe konsolidiert bzw. vereinigt. In einer einzelnen Zelle 10, die in einer auseinander gezogenen Ansicht in der 1b veranschaulicht ist, ist eine MEA zwischen einem Paar von Separatorplatten 11, 12 angeordnet, die typischerweise flüssigkeitsundurchlässig und elektrisch leitend sind. Die Zellseparatorplatten werden typischerweise aus Nichtmetallen, wie Graphit, oder aus Metallen, wie bestimmten Güteklassen von Stahl oder oberflächenbehandelten Metallen, oder aus elektrisch leitenden Kunststoffverbundmaterialien gefertigt. Hohlräume für Flüssigkeitsströme, wie Durchlässe oder Kammern, sind zwischen der Platte und der benachbarten Elektrode vorgesehen, um den Zugang von Recktanten zu den Elektroden und die Entfernung von Produkten zu erleichtern. Solche Hohlräume können zum Beispiel mittels Abstandshaltern zwischen den Separatorplatten 11, 12 und den entsprechenden Elektroden 1, 3 oder durch Vorsehung einer gitterartigen oder durchlöcherten bzw. unterbrochenen Flüssigkeitsströmungsschicht zwischen den Separatorplatten 11, 12 und den entsprechenden Elektroden 1, 3 vorgesehen werden. Noch üblicher werden Kanäle (nicht gezeigt) in der Vorderseite der Separatorplatte, welche der Elektrode zugewandt ist, gebildet. Separatorplatten, die solche Kanäle umfassen, werden üblicherweise als Flüssigkeitsströmungsfeldplatten bezeichnet. In herkömmlichen PEM-Zellen sind elasti sche Manschetten bzw. Dichtungen oder Versiegelungen typischerweise zwischen den Vorderseiten der MEA 5 und jeder Separatorplatte 11, 12 um dem Außenumfang vorgesehen, um ein Austreten von flüssigem Recktanten und von Produktströmen zu verhindern.
Elektrochemische Zellen mit einer innenleitenden PEM-Schicht, im Folgenden als PEM-Zellen bezeichnet, sind vorteilhafter Weise aufeinander gestapelt zur Bildung eines Stapels 100 (siehe 1d), welcher eine Vielzahl an Zellen umfasst, die zwischen einem Paar von Endplatten 17, 18 angeordnet sind. Ein Komprimierungsmechanismus (nicht gezeigt) wird typischerweise verwendet, um die Zellen dicht zusammen zu halten, einen guten elektrischen Kontakt zwischen Komponenten zu halten und die Versiegelungen zusammenzupressen. In der in 1c veranschaulichten Ausführungsform umfasst jede Zelle 10 ein Paar von Separatorplatten 11, 12 in einer Konfiguration mit zwei Separatorplatten pro MEA. Kühlhohlräume oder -schichten können zwischen einigen oder allen benachbarten Paaren von Separatorplatten in der Stapelanordnung vorgesehen sein. Der Stapel kann eine kühlende Schicht umfassen, die alle paar Zellen des Stapels dazwischen eingeschoben ist und nicht zwischen jedem benachbarten Zellenpaar.
Eine bipolare Strömungsfeldplatte ist eine Anordnung von zwei einzelnen Strömungsfeldplattenkomponenten. Die bipolare Strömungsfeldplatte versorgt zwei benachbarte Brennstoffzellen, und dient als die Anode für eine Brennstoffzelle und die Kathode für die andere. Dies verringert die Anzahl der Komponenten, die zusammengesetzt werden müssen, um einen Brennstoffzellstapel zu erzeugen, wodurch die Konstruktion des Brennstoffzellstapels vereinfacht wird.
Die beschriebenen Zellelemente weisen darin ausgebildete Öffnungen 30 auf, die in der Stapelanordnung so ausgerichtet sind, um Flüssigkeitsverteiler bzw. -manifolds für die Zufuhr und den Abfluss von Recktanten und Produkten, und für den Fall, dass Kühlhohlräume vorgesehen sind, von Kühlmedium zu bilden. Auch hier sind wieder elastische Manschetten oder Versiegelungen typischerweise zwischen den Vorderseiten der MEA 5 und jeder Separatorplatte 11, 12 um den Umfang dieser Flüssigkeitsverteileröffnungen vorgesehen, um ein Austreten und gegenseitiges Vermischen von Flüssigkeitsströmen in dem Betriebsstapel zu verhindern.
Die 2 ist eine vergrößerte schematische Querschnittsansicht der einzelnen Brennstoffzelle von 1b, welche schematisch Kanäle, wie 13 und 14, in den einzelnen Strömungsfeldplatten 11 und 12 zeigt.
Die 3 ist eine schematische Darstellung einer typischen bipolaren Strömungsfeldplatte im Stand der Technik, in welcher zwei der einzelnen Strömungsfeldplatten, wie 11 und 12, Rückseite an Rückseite positioniert sind und durch einen Klebstoff 15 zusammengehalten werden. In dem Verfahren zur Fertigung der bipolaren Platte 16 im Stand der Technik von 3 würde eine Graphitmatte hergestellt, danach imprägniert, getrocknet, gewaschen, gebrannt, mit Klebstoff 15 auf die Rückseiten der Platten schablonenbedruckt werden, und danach würden die zwei Platten zusammengepresst und wärmegehärtet werden zur Bildung der bipolaren Platte 16.
Wie erwähnt, können die Separatorplatten oder Strömungsfeldplatten 11 und 12 aus Graphitmaterial konstruiert werden.
Graphite bestehen aus Schichtebenen von hexagonalen Gruppierungen oder Netzwerken von Kohlenstoffatomen. Diese Schichtebenen von hexagonal angeordneten Kohlenstoffatomen sind im Wesentlichen flach und sind so ausgerichtet oder geordnet, dass sie im Wesentlichen parallel und abstandsgleich zueinander angeordnet sind. Die im Wesentlichen flachen, parallelen abstandsgleichen Lagen oder Schichten von Kohlenstoffatomen, in der Regel als Graphenschichten oder basale Ebenen bezeichnet, sind miteinander verbunden oder bondiert und Gruppen davon sind in Kristalliten angeordnet. Graphite von hoher Ordnung bestehen aus Kristalliten von beträchtlicher Größe: dabei sind die Kristallite hoch ausgerichtet oder orientiert in Bezug zueinander und weisen gut geordnete Kohlenstoffschichten auf. Mit anderen Worten, Graphite von hoher Ordnung weisen einen hohen Grad der bevorzugten Kristallitausrichtung auf. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass Graphite anisotrope Strukturen besitzen und somit zahlreiche Eigenschaften zeigen oder besitzen, die in hohem Maße gerichtet sind, z. B. thermische und elektrische Leitfähigkeit und Flüssigkeitsdiffusion.
Kurzum, Graphite können als laminierte Strukturen von Kohlenstoff charakterisiert werden, das heisst Strukturen, die aus übereinander liegenden Schichten oder Blättchen von Kohlenstoffatomen bestehen, die durch schwache Van-der-Waals-Kräfte miteinander verbunden sind. Betrachtet man die Graphitstruktur, so sind zwei Achsen oder Richtungen in der Regel zu erkennen, und zwar die "c"-Achse oder -Richtung und die "a"-Achsen oder -Richtungen. Der Einfachheit halber kann die "c"-Achse oder -Richtung als die Richtung senkrecht zu den Kohlenstoffschichten angesehen werden. Die "a"-Achsen oder -Richtungen können als die Richtungen parallel zu den Kohlenstoffschichten oder die Richtungen senkrecht zu der "c"-Richtung angesehen werden. Die Graphite, die für die Fertigung flexibler Graphitbögen geeignet sind, besitzen einen sehr hohen Orientierungsgrad.
Wie oben erwähnt, sind die Bindungskräfte, welche die parallelen Schichten von Kohlenstoffatomen zusammenhalten, nur schwache Van-der-Waals-Kräfte. Natürliche Graphite können so behandelt werden, dass der Zwischenraum zwischen den übereinander liegenden Kohlenstoffschichten oder -blättchen erheblich geöffnet werden kann, um so eine deutliche Expansion in der Richtung senkrecht zu den Schichten, das heißt in der "c"-Richtung, vorzusehen und somit eine expandierte oder aufgeblähte Graphitstruktur zu bilden, in welcher der laminare Charakter der Kohlenstoffschichten im Wesentlichen beibehalten wird.
Graphitflocken, die beträchtlich expandiert wurden und insbesondere expandiert wurden, um eine Enddicke oder "c"-Richtungsdimension zu haben, die bis zum etwa 80-fachen oder mehr der ursprünglichen "c"-Richtungsdimension beträgt, können ohne die Verwendung eines Bindemittels zu kohäsiven oder integrierten Bögen von expandiertem Graphit, z. B. Geweben, Papieren, Streifen, Bändern, Folien, Matten oder dergleichen (typischerweise als "flexibler Graphit" bezeichnet) ausgebildet werden. Die Bildung von Graphitteilchen, die auf eine Enddicke oder "c"-Dimension expandiert wurden, die bis zum etwa 80-fachen oder mehr der ursprünglichen "c"-Richtungsdimension beträgt, zu integrierten flexiblen Bögen durch Zusammenpressen ohne die Verwendung von irgendeinem Bindungsmaterial soll möglich sein aufgrund des mechanischen Ineinandergreifens oder der Kohäsion, die zwischen den voluminös expandierten Graphitteilchen erreicht wird.
Zusätzlich zu der Flexibilität wurde festgestellt, dass das Bogenmaterial, wie oben erwähnt, auch einen hohen Grad der Anisotropie besitzt bezüglich der thermischen und elektrischen Leitfähigkeit und Flüssigkeitsdiffusion, vergleichbar mit dem natürlichen Graphit-Ausgangsmaterial infolge der Orientierung der expandierten Graphitteilchen und Graphitschichten im Wesentlichen parallel zu den gegenüber liegenden Vorderseiten des Bogens, resultierend aus einer sehr hohen Komprimierung, z. B. durch Walzpressen. Auf diese Weise hergestelltes Bogenmaterial besitzt eine hervorragende Flexibilität, gute Festigkeit und einen sehr hohen Orientierungsgrad.
Kurzum, das Verfahren zur Herstellung von flexiblem, bindemittellosem anisotropem Graphitbogenmaterial, z. B. Gewebe, Papier, Streifen, Band, Folie, Matte oder dergleichen, umfasst das Komprimieren oder Kompaktieren bzw. Pressverdichten unter einem vorbestimmten Druck und in Abwesenheit eines Bindemittels von expandierten Graphitteilchen, die eine "c"-Richtungsdimension aufweisen, die bis zu etwa das 80-fache oder mehr derjenigen der ursprünglichen Teilchen beträgt, um so einen im Wesentlichen flachen, flexiblen integrierten Graphitbogen zu bilden. Die expandierten Graphitteilchen, die allgemein ein wurmartiges oder wurmförmiges Aussehen haben, nachdem sie komprimiert wurden, behalten den Druckverformungsrest und die Ausrichtung mit den gegenüberliegenden Hauptoberflächen des Bogens bei. Die Dichte und Dicke des Bogenmaterials können durch Regulieren des Komprimierungsgrades variiert werden. Die Dichte des Bogenmaterials kann innerhalb eines Bereichs von etwa 0,04 g/cm³ bis etwa 2,0 g/cm³ liegen. Das flexible Graphitbogenmaterial zeigt einen beträchtlichen Grad der Anisotropie infolge der Ausrichtung von Graphitteilchen parallel zu den gegenüberliegenden parallelen Hauptflächen des Bogens, wobei der Grad der Anisotropie beim Walzpressen des Bogenmaterials auf eine erhöhte Dichte zunimmt. Bei walzgepresstem anisotropem Bogenmaterial umfasst die Dicke, d. h. die Richtung senkrecht zu den gegenüberliegenden parallelen Bogenoberflächen, die "c"-Richtung, und die Richtungen, die sich entlang der Länge und Breite erstrecken, d. h. entlang oder parallel zu den gegenüberliegenden Hauptoberflächen, umfassen die "a"-Richtungen, und die Thermo-, Elektrizitäts- und Flüssigkeitsdiffusionseigenschaften des Bogens sind sehr unterschiedlich, und zwar um Größenordnungen, für die "c"- und "a"-Richtungen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung bipolarer Graphitmaterialien, die für und in Anwendungen, wie Strömungsfeldplatten, nützlich sind.
In einer Ausführungsform schließt das Verfahren die folgenden Schritte ein:

(a) Bilden einer ersten Komponente aus Graphitmaterial, die Folgendes aufweist: eine wirksame Seite und eine Rückseite und einen Vorsprung, der auf ihrer Rückseite gebildet ist;
(b) Bilden einer zweiten Komponente aus Graphitmaterial, die Folgendes aufweist: eine wirksame Seite und eine Rückseite;
(c) Zusammensetzen der ersten und zweiten Komponente, sodass der Vorsprung der ersten Komponente in die Rückseite der zweiten Komponente eingreift; und, in einer bevorzugten Ausführungsform,
(d) Erwärmen der zusammengesetzten Komponenten, sodass die erste und zweite Komponente zusammengebunden werden.

Gemäß einer Ausführungsform werden die erste und zweite Komponente durch Prägen eines Bogens aus flexiblem Graphitmaterial gebildet.
In einer weiteren Ausführungsform werden die erste und zweite Komponente durch Komprimieren eines Graphitpartikelmaterials gebildet.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren die folgenden Schritte:

(a) Bereitstellen eines ersten und zweiten Bogens einer komprimierten Masse von expandierten Graphitpartikeln, wobei jeder Bogen eine erste und zweite parallele gegenüberliegende Oberfläche aufweist;
(b) Imprägnieren der Bögen mit einem Harz, um Imprägnierbögen mit ungehärtetem Harz zu bilden;
(c) Komprimieren der Imprägnierbögen mit ungehärtetem Harz, um einen ersten und zweiten imprägnierten Bogen mit ungehärtetem Harz zu bilden;
(d) Bilden der ersten Komponente aus dem ersten Bogen;
(e) Bilden der zweiten Komponente aus dem zweiten Bogen;
(f) Zusammenpressen der ersten und zweiten Komponente; und
(g) Härten des Harzes der Komponenten und dadurch Zusammenbinden der ersten und zweiten Komponente, um den bipolaren Artikel zu bilden.

Demzufolge ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren für die Fertigung von bipolaren Graphitbögen aus Graphitmaterialien bereitzustellen.
Ein weiteres Ziel ist die Bereitstellung eines vereinfachten Verfahrens zur Herstellung von bipolaren Platten aus Graphitmaterialien.
Und ein weiteres Ziel ist die Bereitstellung eines schnelleren Verfahrens zur Herstellung von bipolaren Platten.
Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens für die Herstellung von bipolaren Bögen mit einem niedrigeren elektrischen Widerstand im Vergleich mit Platten, die durch Verfahren des Stands der Technik hergestellt wurden.
Andere und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile werden für den Fachmann auf dem Gebiet leicht ersichtlich beim Durchlesen der nachfolgenden Offenbarung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen.
Die 1a ist eine auseinander gezogene Ansicht einer Membranelektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle.
Die 1b ist eine auseinander gezogene Ansicht einer einzelnen Zelle einer Brennstoffzellenanordnung.
Die 1c ist eine auseinander gezogene Ansicht einer Vielzahl an gestapelten Zellen einer Brennstoffzellenanordnung.
Die 1d ist eine perspektivische Ansicht eines zusammengesetzten Stapels von Brennstoffzellen.
Die 1a–1d veranschaulichen alle Brennstoffzellenanordnungen des Stands der Technik.
Die 2 ist eine schematische Querschnittsansicht einer einzelnen Brennstoffzelle des Stands der Technik, die dem Gegenstand von 1b entspricht.
Die 3 ist eine schematische Querschnittsansicht einer typischen Konstruktionsweise des Stands der Technik einer bipolaren Strömungsfeldplatte aus Graphitmaterialien.
Die 4 ist eine schematische Querschnittsansicht einer bipolaren Strömungsfeldplatte, die aus zwei Graphitkomponenten unter Nutzung der Verfahren der vorliegenden Erfindung konstruiert wurde.
Die 5 ist eine vergrößerte Ansicht des Bereichs von 4, der innerhalb der gestrichelten kreisförmigen Fläche umfasst ist, welche eine Konstruktion für einen trapezförmigen Querschnittsvorsprung zeigt, der in einer ergänzenden Vertiefung aufgenommen wird.
Die 6 ist eine ähnliche Ansicht wie 5, welche eine weitere Konstruktion eines Vorsprungs und einer Vertiefung zeigt, die dieses Mal einen rechteckigen Querschnitt aufweist.
Die 7 ist eine weitere Ansicht ähnlich der 5, die dieses Mal einen Vorsprung und eine Vertiefung mit einer halbkreisförmigen oder runden Querschnittsgestalt zeigt.
Die 8 ist eine schematische Draufsicht von einer der Strömungsfeldplattenkomponenten der Anordnung von 4.
Die 9 ist eine schematische Darstellung des Fertigungsverfahrens der Strömungsfeldplattenkomponenten, wie diejenigen von 8.
Die 10 ist eine ähnliche Ansicht wie 4, welche eine alternative Ausführungsform unter Verwendung eines Vorsprungs auf einer Komponente und einer flachen rückseitigen Oberfläche auf der zweiten Komponente zeigt.
Die 11 ist eine ähnliche Ansicht wie 4, welche eine weitere alternative Ausführungsform zeigt, in der beide Komponenten flache rückseitige Oberflächen aufweisen.
BESTER WEG ZUR DURCHFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Graphit ist eine kristalline Form von Kohlenstoff, welche Atome umfasst, die kovalent in flachen Schichtebenen mit schwächeren Bindungen zwischen den Ebenen gebunden sind. Durch Behandeln von Graphitteilchen, wie natürlichen Graphitflocken, mit einem Intercaliermittel bzw. mit einem Einlagerungsmittel, z. B. einer Lösung von Schwefel- und Salpetersäure reagiert die Kristallstruktur des Graphits unter Bildung einer Verbindung von Graphit und des Intercalats bzw. der Einlagerung. Die behandelten Teilchen von Graphit werden im Folgenden als "Teilchen von eingelagertem bzw. intercaliertem Graphit" bezeichnet. Bei Ausgesetztsein an eine hohe Temperatur wird der Intercalant innerhalb des Graphits abgebaut und verflüchtigt sich, was dazu führt, dass die Teilchen von eingelagertem Graphit sich in ihrer Abmessung um das etwa 80-fache oder mehr von dessen ursprünglichem Volumen in einer ziehharmonikaartigen Weise in der "c"-Richtung, d. h. in der Richtung senkrecht zu den Kristallebenen des Graphits, ausdehnen. Die abgeblätterten Graphitteilchen sind wurmförmig in ihrem Aussehen und werden daher üblicherweise als Würmer bezeichnet. Die Würmer können zu flexiblen Bögen komprimiert werden, die im Gegensatz zu den ursprünglichen Graphitflocken zu verschiedenen Gestalten geformt und zurechtgeschnitten werden können und mit kleinen querlaufenden Öffnungen durch verformenden mechanischen Impakt versehen werden können.
Graphit-Ausgangsmaterialien, die für die Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet sind, schließen hoch graphitische kohlenstoffhaltige Materalien ein, die zur Einlagerung organischer und anorganischer Säuren sowie von Halogenen und anschließend zum Expandieren bei Ausgesetztsein an Wärme in der Lage sind. Diese hoch graphithaltigen Kohlenstoffmaterialien weisen am meisten bevorzugt einen Graphitisierungsgrad von etwa 1,0 auf. Wie in dieser Offenbarung verwendet, bezieht sich der Ausdruck "Graphitisierungsgrad" auf den Wert g gemäß der Formel:
worin d(002) der Abstand zwischen den Graphitschichten der Kohlenstoffe in der Kristallstruktur, gemessen in Angströmeinheiten, ist. Der Abstand d zwischen Graphitschichten wird durch standardmäßige Röntgenbeugungstechniken gemessen. Die Positionen der Beugungspeaks, die den (002)-, (004)- und (006)-Miller-Indices entsprechen, werden gemessen, und die standardmäßigen Techniken der kleinsten Fehlerquadrate werden dazu genutzt, um den Abstand herzuleiten, welcher den Gesamtfehler für alle diese Peaks minimiert. Beispiele für hoch graphithaltige Kohlenstoffmaterialien schließen natürliche Graphite von verschiedenen Quellen, sowie andere kohlenstoffhaltige Materialien, wie Kohlenstoffe, die durch chemische Dampfabscheidung und dergleichen hergestellt werden, ein. Natürlicher Graphit ist am meisten bevorzugt.
Die Graphit-Ausgangsmaterialien, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, können Nicht-Kohlenstoff-Komponenten enthalten, solange die Kristallstruktur der Ausgangsmaterialien den erforderlichen Graphitisierungsgrad beibehält und diese zu einem Abblättern fähig sind. Allgemein ist jegliches kohlenstoffhaltiges Material, dessen Kristallstruktur den erforderlichen Graphitisierungsgrad besitzt und das abgeblättert werden kann, für die Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeignet. Solcher Graphit hat vorzugsweise einen Aschegehalt von weniger als zwanzig Gewichtsprozent. Stärker bevorzugt weist der für die vorliegende Erfindung ver wendete Graphit eine Reinheit von mindestens etwa 94% auf. In der am meisten bevorzugten Ausführungsform weist der verwendete Graphit eine Reinheit von mindestens etwa 99% auf.
Ein gängiges Verfahren für die Herstellung von Graphitbogen wird von Shane et al. in dem US-Patent Nr. 3 404 061 beschrieben, dessen Offenbarung hierin durch den Bezug mit eingeschlossen ist. In der typischen Praxis des Verfahrens von Shane et al. werden natürliche Graphitflocken intercaliert durch Dispergieren der Flocken in einer Lösung, die z. B. eine Mischung von Salpetersäure und Schwefelsäure vorteilhafter Weise in einem Anteil von etwa 20 bis etwa 300 Gewichtsteilen der Intercalierungs-Lösung pro 100 Gewichtsteile Graphitflocken (pph) enthält. Die Intercalierungs- bzw. Einlagerungslösung enthält oxidierende und andere im Fachbereich bekannte Intercalierungsmittel. Beispiele schließen jene ein, die Oxidationsmittel und oxidierende Mischungen, wie Lösungen, die Salpetersäure, Kaliumchlorat, Chromsäure, Kaliumpermanganat, Kaliumchromat, Kaliumdichromat, Perchlorsäure und dergleichen enthalten, oder Mischungen, wie zum Beispiel konzentrierte Salpetersäure und Chlorat, Chromsäure und Phosphorsäure, Schwefelsäure und Salpetersäure, oder Mischungen einer starken organischen Säure, z. B. Trifluoressigsäure, und ein starkes Oxidationsmittel, das in der organischen Säure löslich ist. Alternativ kann ein elektrisches Potential verwendet werden, um für eine Oxidation des Graphits zu sorgen. Chemische Spezies, die in den Graphitkristall unter Anwendung einer elektrolytischen Oxidation eingeführt werden können, schließen Schwefelsäure sowie andere Säuren ein.
In einer bevorzugten Ausführungsformen ist das Intercalierungsmittel eine Lösung einer Mischung von Schwefelsäure oder Schwefelsäure und Phosphorsäure und eines Oxidationsmittels, d. h. Salpetersäure, Perchlorsäure, Chromsäure, Kaliumpermanganat, Wasserstoffperoxid, Iod- oder Periodsäuren oder dergleichen. Obgleich weniger bevorzugt, kann die Intercalierungslösung Metallhalogenide, wie Eisenchlorid und Eisenchlorid, gemischt mit Schwefelsäure, oder ein Halogenid, wie Brom, als eine Lösung von Brom und Schwefelsäure oder Brom in einem organischen Lösungsmittel enthalten.
Die Menge an Intercalierungslösung kann von etwa 20 bis etwa 150 pph und noch typischer von etwa 50 bis etwa 120 pph reichen. Nachdem die Flocken intercaliert wurden, wird jegliche überschüssige Lösung aus den Flocken ablaufen gelassen und die Flocken werden mit Wasser gewaschen. Alternativ kann die Menge der Intercalierungslösung auf zwischen etwa 10 und etwa 50 pph begrenzt werden, was die Eliminierung des Waschschritts ermöglicht, wie in dem US-Patent Nr. 4 895 713 gelehrt und beschrieben wird, dessen Offenbarung auch hierin durch den Bezug mit eingeschlossen ist.
Die Teilchen von mit Intercalierungslösung behandelten Graphitflocken können optional kontaktiert werden, z. B. durch Mischen mit einem reduzierenden organischen Mittel, das aus Alkoholen, Zuckern, Aldehyden und Estern gewählt ist, die mit dem Oberflächenfilm von oxidierender Intercalierungslösung bei Temperaturen im Bereich von 25°C bis 125°C reaktiv sind. Geeignete spezifische organische Mittel schließen Hexadecanol, Octadecanol, 1-Octanol, 2-Octanol, Decylalkohol, 1,10-Decandiol, Decylaldehyd, 1-Propanol, 1,3-Propandiol, Ethylenglykol, Polypropylenglykol, Dextrose, Fructose, Lactose, Sucrose, Kartoffelstärke, Ethylenglykolmonostearat, Diethylenglykoldibenzoat, Propylenglykolmonostearat, Glycerolmonostearat, Dimethyloxylat, Diethyloxylat, Methylformiat, Ethylformiat, Ascorbinsäure und von Lignin abgeleitete Verbindungen, wie Natriumlignosulfat, ein. Die Menge an organischem Reduktionsmittel beträgt geeigneter Weise etwa 0,5 bis 4 Gew.-% der Teilchen von Graphitflocken.
Die Verwendung eines Expansionshilfsmittels, das vor, während oder unmittelbar nach der Einlagerung zur Anwendung kommt, kann ebenfalls für Verbesserungen sorgen. Unter diesen Verbesserungen können eine verringerte Abblätterungstemperatur und ein erhöhtes expandiertes Volumen (auch als "Wurmvolumen" bezeichnet) sein. Ein Expansionshilfsmittel in diesem Kontext ist vorteilhafter Weise ein organisches Material, das in der Intercalierungslösung ausreichend löslich ist, um eine Verbesserung der Expansion zu erreichen. Im noch engeren Sinne können organische Materialien dieses Typs, die Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff, vorzugsweise ausschließlich, enthalten, eingesetzt werden. Carbonsäuren wurden als besonders wirksam festgestellt. Eine geeignete Carbonsäure, die als Expansionshilfsmittel geeignet ist, kann aus aromatischen, aliphatischen oder cycloaliphatischen geradkettigen oder verzweigtkettigen, gesättigten und ungesättigten Monocarbonsäuren, Dicarbonsäuren und Polycarbonsäuren gewählt werden, die mindestens 1 Kohlenstoffatom und vorzugsweise bis zu etwa 15 Kohlenstoffatome aufweisen, und welche in der Intercalierungslösung in Mengen löslich ist, die wirksam sind, eine messbare Verbesserung von einem oder mehreren Aspekten der Abblätterung vorzusehen. Geeignete organische Lösungsmittel können zur Verbesserung der Löslichkeit eines organischen Expansionshilfsmittels in der Intercalierungslösung verwendet werden.
Repräsentative Beispiele für gesättigte aliphatische Carbonsäuren sind Säuren, wie jene der Formel H(CH₂)_nCOOH, worin n eine Zahl von 0 bis etwa 5 ist, darin eingeschlossen Ameisensäure, Essigsäure, Propionsäure, Buttersäure, Pentansäure, Hexansäure und dergleichen. An Stelle der Carbonsäuren können auch die Anhydride oder reaktiven Carbonsäurederivate, wie Alkylester, verwendet werden. Stellvertretend für Alkylester sind Methylformiat und Ethylformiat. Schwefelsäure, Salpetersäure und andere bekannte wässrige Intercalierungsmittel besitzen die Fähigkeit, Ameisensäure letztendlich zu Wasser und Kohlendioxid zu zersetzen. Aufgrund dessen werden Ameisensäure und andere empfindliche Hilfsstoffe vorteilhafter Weise mit den Graphitflocken vor dem Eintauchen der Flocken in das wässrige Intercalierungsmittel kontaktiert. Stellvertretend für Dicarbonsäuren sind aliphatische Dicarbonsäuren mit 2–12 Kohlenstoffatomen, insbesondere Oxalsäure, Fumarsäure, Malonsäure, Maleinsäure, Bernsteinsäure, Glutarsäure, Adipinsäure, 1,5-Pentandicarbonsäure, 1,6-Hexandicarbonsäure, 1,10-Decandicarbonsäure, Cyclohexan-1,4-dicarbonsäure und aromatische Dicarbonsäuren, wie Phthalsäure oder Terephthalsäure. Stellvertretend für Alkylester sind Dimethyloxylat und Diethyloxylat. Stellvertretend für cycloaliphatische Säuren ist Cyclohexancarbonsäure und für aromatische Carbonsäuren sind dies Benzoesäure, Naphthoesäure, Anthranilinsäure, p-Aminobenzoesäure, Salicyclsäure, o-, m- und p-Tolylsäuren, Methoxy- und Ethoxybenzoesäuren, Acetoacetamidobenzoesäuren und Acetamidobenzoesäuren, Phenylessigsäure und Naphthoesäuren. Stellvertretend für hydroxyaromatische Säuren sind Hydroxybenzoesäure, 3-Hydroxy-1-naphthoesäure, 3-Hydroxy-2-naphthoesäure, 4-Hydroxy-2-naphthoesäure, 5-Hydroxy-1-naphthoesäure, 5-Hydroxy-2-naphthoesäure, 6-Hydroxy-2-naphthoesäure und 7-Hydroxy-2-naphthoesäure. Hervorstehend unter den Polycarbonsäuren ist Citronensäure.
Die Intercalierungslösung ist wässrig und enthält vorzugsweise eine Menge an Expandierungshilfsstoff von etwa 1 bis 10%, wobei die Menge die Wirkung einer Verbesserung der Abblätterung hat. In der Ausführungsform, in welcher der Expansionshilfsstoff mit den Graphitflocken vor oder nach dem Eintauchen in die wässrige Intercalierungslösung kontaktiert wird, kann der Expansionshilfsstoff dem Graphit durch geeignete Mittel, wie einen V-Mischer, typischerweise in einer Menge von etwa 0,2 bis etwa 10 Gew.-% der Graphitflocken beigemischt werden.
Nach dem Intercalieren der Graphitflocken und im Anschluss an das Mischen der mit Intercalierungsmittel beschichteten intercalierten Graphitflocken mit dem organischen Reduktionsmittel wird die Mischung an Temperaturen im Bereich von 25° bis 125°C ausgesetzt, um die Reaktion des Reduktionsmittels und der Intercalierungsbeschichtung zu fördern. Der Erwärmungszeitraum beträgt bis zu etwa 20 Stunden, mit kürzeren Erwärmungsperioden, z. B. mindestens etwa 10 Minuten, für höhere Temperaturen im oben genannten Bereich. Zeiten von einer halben Stunde oder weniger, z. B. in der Größenordnung von 10 bis 25 Minuten, können bei den höheren Temperaturen zur Anwendung kommen.
Die so behandelten Teilchen von Graphit werden manchmal als "Teilchen von intercaliertem Graphit" bezeichnet. Beim Aussetzen an eine hohe Temperatur, z. B. Temperaturen von mindestens etwa 160°C und insbesondere etwa 700°C bis 1000°C und höher, expandieren die Teilchen von intercaliertem Graphit um das bis zu etwa 80- bis 1000-fache oder mehr ihres ursprünglichen Volumens in einer ziehharmonikaartigen Weise in der c-Richtung, d. h. in der Richtung senkrecht zu den Kristallebenen der konstituierenden Graphitteilchen. Die expandierten, d. h. abgeblätterten Graphitteilchen sind wurmförmig in ihrem Aussehen und werden daher häufig als Würmer bezeichnet. Die Würmer können zu flexiblen Bögen komprimiert werden, die im Unterschied zu den ursprünglichen Graphitflocken zu verschiedenen Gestalten geformt und zurechtgeschnitten werden können und mit kleinen querlaufenden Öffnungen durch verformenden mechanischen Impakt versehen werden können, wie im Folgenden beschrieben wird.
Ein flexibler Graphitbogen und eine flexible Graphitfolie sind kohärent mit einer guten Handhabungs- bzw. Verarbeitungsfestigkeit, und werden geeigneter Weise z. B. durch Walzpressen auf eine Dicke von etwa 0,075 mm bis 3,75 mm und eine typische Dichte von etwa 0,1 bis 1,5 Gramm pro Kubikzentimeter (g/cm³) komprimiert. Von etwa 1,5–30 Gew.-% keramische Additi ve können mit den intercalierten Graphitflocken vermischt werden, wie in dem US-Patent Nr. 5 902 762 (das hierin durch den Bezug mit eingeschlossen ist) beschrieben wird, um für eine verbesserte Harzimprägnierung in dem flexiblen Graphitendprodukt zu sorgen. Die Additive schließen Keramikfaserteilchen mit einer Länge von etwa 0,15 bis 1,5 Millimeter ein. Die Breite der Teilchen ist geeigneter Weise etwa 0,04 bis 0,004 mm. Die Keramikfaserteilchen sind nicht reaktionsfähig und nicht anhaftend an Graphit und sind bei Temperaturen bis zu etwa 1100°C, vorzugsweise etwa 1400°C oder höher stabil. Geeignete Keramikfaserteilchen werden aus mazerierten Quarzglasfasern, Kohlenstoff- und Graphitfasern, Zirkoniumdioxid-, Bornitrid-, Siliciumcarbid- und Magnesiafasern, natürlich vorkommenden Mineralfasern, wie Calciummetasilicatfasern, Calciumaluminiumsilicatfasern, Aluminiumoxidfasern und dergleichen gebildet.
Der flexible Graphitbogen kann auch manchmal vorteilhafter Weise mit Harz behandelt werden, und das absorbierte Harz erhöht nach dem Härten die Feuchtigkeitsbeständigkeit und die Handhabungsfestigkeit, d. h. Steifheit, des flexiblen Graphitbogens sowie das "Fixieren" der Morphologie des Bogens. Der geeignete Harzgehalt beläuft sich vorzugsweise auf mindestens etwa 5 Gew.-%, stärker bevorzugt etwa 10 bis 35 Gew.-% und geeigneter Weise auf bis zu etwa 60 Gew.-%. Harze, die als besonders nützlich bei der praktischen Durchführung der vorliegenden Erfindung gelten, schließen Harzsysteme auf Acryl-, Epoxy- und Phenolbasis oder Mischungen davon ein. Geeignete Epoxyharzsysteme schließen jene ein, die auf Diglycidylether oder Bisphenol A (DGEBA) und anderen multifunktionellen Harzsystemen basieren; Phenolharze, die verwendet werden können, schließen Resol und Novolakphenole ein.
Wie weiter unten beschrieben wird, können einige der Verfahren der vorliegenden Erfindung das Bilden von Komponenten für bipolare Artikel entweder durch Prägen von flexiblem Graphitbogen, Formen von flexiblem Graphitbogen oder Zermahlen oder Zerkleinern von flexiblem Graphitbogen zu Teilchen und anschließendes Komprimieren der Teilchen zu einer geformten Gestalt einschließen.
Nachdem der flexible Graphitbogen hergestellt wurde, kann er danach durch bekannte Verfahren oder Vorrichtungen, wie eine Strahlmühle, Luftstrommühle, einen Mischer bzw. Menger etc. zur Herstellung von Teilchen zerkleinert werden. Vorzugsweise hat eine Mehrzahl der Teilchen einen solchen Durchmesser, dass sie 20er U.S.-Siebmaschen passieren; stärker bevorzugt passiert ein größerer Teil (mehr als etwa 20%, am meisten bevorzugt mehr als etwa 50%) nicht die 80er US-Siebmaschen. Es kann erwünscht sein, den flexiblen Graphitbogen zu kühlen, wenn er harzimprägniert wird, während er zerkleinert wird zur Vermeidung von Hitzeschäden bei dem Harzsystem wähend des Zerkleinerungsvorgangs.
Die Größe der zerkleinerten Teilchen sollte so gewählt sein, dass die mechanische Verarbeitbarkeit und Formbarkeit des Graphitartikels mit den gewünschten thermischen Charakteristika ausbalanciert werden. Somit führen kleinere Teilchen zu einem Graphitartikel, welcher leichter ma schinell zu verarbeiten und/oder zu formen ist, wohingegen größere Teilchen zu einem Graphitartikel mit einer höheren Anisotropie und damit einer höheren Wärmeleitfähigkeit in der Bogenebene führen. Demzufolge sollte der durchschnittliche Fachmann in den meisten Fällen die größten Teilchen verwenden, die das Formen und mechanische Bearbeiten in dem erforderlichen Grad erlauben.
Nachdem der flexible Graphitbogen zerkleinert wurde, wird er in der bevorzugten Ausführungsform zu der gewünschten Gestalt komprimiert und danach gehärtet (wenn er mit Harz imprägniert wurde). Alternativ kann der Bogen vor dem Zerkleinern gehärtet werden, obwohl ein Härten nach dem Zerkleinern bevorzugt ist. Die Komprimierung kann durch Formstanzen, Walzpressen, isostatisches Formen oder andere ähnliche Komprimierungsverfahren erfolgen. Interessanterweise kann die Isotropie/Anisotropie des Endartikels durch den Komprimierungs-(oder Formungs-)druck, das speziell angewandte Formungsverfahren und die Größe der Teilchen variiert werden. Zum Beispiel führt das Formstanzen zu einer höheren Ausrichtung der Graphenschichten und damit einem anisotroperen Endprodukt als das isostatische Formen. Desgleichen führt eine Zunahme des Formungsdrucks ebenfalls zu einer Zunahme der Anisotropie. Auf diese Weise können die Anpassung des Formungsverfahrens und des Formungsdrucks sowie die Wahl einer zerkleinerten Teilchengröße zu steuerbaren Variierungen in der Isotropie/Anisotropie führen. Typische Formungsdrücke, die zur Anwendung kommen, liegen im Bereich von unter etwa 7 Megapascal (MPa) bis mindestens etwa 240 MPa.
Bezug nehmend auf die 4–9 werden die Verfahren zur Herstellung einer bipolaren Komponente für eine Brennstoffzelle beschrieben.
In der 4 ist eine bipolare Platte schematisch veranschaulicht und wird mit der Ziffer 110 bezeichnet. Um die bipolare Platte 110 zu konstruieren, werden die erste und zweite Komponente 112 und 114 gebildet. Wie schematisch in 4 veranschaulicht, weist die erste Plattenkomponente 112 eine wirksame Seite oder eine erste Seite 116 und eine Rückseite oder zweite Seite 118 auf. Die wirksame Seite 116 weist zum Beispiel eine Vielzahl von darin ausgebildeten Kanälen, wie 120, auf. Die Rückseite 118 besitzt einen darauf gebildeten Vorsprung 122.
In ähnlicher Weise wird die zweite Komponente 114 mit einer wirksamen Seite 124, einer Rückseite 126 und einer in der Rückseite 126 gebildeten Vertiefung 128 gebildet. Die Vertiefung 128 ergänzt den Vorsprung 122. Der Vorsprung 122 passt in die Vertiefung 128, und vorzugsweise schmiegt sich der Vorsprung 122 eng an die Vertiefung 128 an.
Die 5, 6 und 7 veranschaulichen mehrere mögliche Gestaltungsformen des Vorsprungs 122 und der Vertiefung 128, die als 122A und 128A in 5 bezeichnet sind, in welcher der Vorsprung und die Vertiefung einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen. In 6 sind ein rechteckiger Querschnittsvorsprung 122B und eine Vertiefung 128B veranschaulicht. In 7 sind ein abgerundeter Vorsprung 122C und eine Vertiefung 128C veranschaulicht. Es könnten jegliche anderen geeigneten Gestaltungsformen für die Vorsprünge und Vertiefungen verwendet werden.
Die 8 ist eine schematische Ansicht von unten der ersten Komponente 112, die weiter die Konstruktion und die Stelle des Vorsprungs 122 veranschaulicht. Die ergänzende Vertiefung 128 der zweiten Komponente 114 wäre ähnlich geformt und angeordnet. In 8 ist der Vorsprung 122 so dargestellt, dass er eng am Außenumfang 130 entlang um die gesamte Platte 112 herum verläuft. Es versteht sich jedoch, dass jegliches geeignete Muster von Vorsprüngen und ergänzenden Rillen genutzt werden kann, um das notwendige und gewünschte Zusammenbinden zwischen der ersten und zweiten Komponente 112 und 114 zu erzielen, wie weiter unten weiter beschrieben wird. Zum Beispiel können die Komponenten durch diese hindurchgehende Öffnungen aufweisen, wie die Öffnung 132, und es kann erwünscht sein, einen zweiten Vorsprung 134 zu haben, der die Öffnung umgibt und in eine komplementäre und ähnlich geformte zweite Vertiefung in der zweiten Komponente 114 passt, um eine zuverlässige versiegelnde Verbindung zwischen den zwei Komponenten 112 und 114 um die Öffnung 132 herum zu gewährleisten.
Um den fertigen bipolaren Artikel 110 zu bilden, werden die zwei Komponenten 112 und 114 gebildet und danach wie in 4 gezeigt zusammengesetzt, sodass der Vorsprung 122 in der Vertiefung 128 aufgenommen wird. Danach werden die zusammengesetzten Komponenten erwärmt, sodass der Vorsprung 122 und die Vertiefung 128, und auch in einigen Fällen andere aneinanderstoßende Oberflächen der Komponenten 112 und 114 zusammengebunden werden.
Vorzugsweise werden die erste und zweite Komponente 112 und 114 aus einem harzimprägnierten Graphitmaterial gebildet, und wenn die zusammengesetzten Komponenten erwärmt werden, wird das Harz in dem harzimprägnierten Graphitmaterial gehärtet, um so für die Bindung zwischen den sich berührenden Oberflächen der Komponenten 112 und 114 und insbesondere zwischen dem Vorsprung 122 und der Vertiefung 128 zu sorgen. Es liegt jedoch innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung, die Komponenten 112 und 114 aus nicht imprägniertem Material oder aus gehärtetem harzimprägniertem Material zu bilden.
Die einzelnen Komponenten 112 und 114 können durch jedes beliebige geeignete Verfahren gebildet werden. Insbesondere können sie durch Prägen von Bögen aus flexiblem Graphitmaterial gebildet werden, oder sie können durch Formen von teilchenförmigem Graphitmaterial zu der gewünschten Gestalt gebildet werden.
Bezug nehmend auf die 9 sind die Verfahren zur Bildung der Komponenten durch Prägen von Bögen aus flexiblem Graphitmaterial schematisch veranschaulicht.
In 9 veranschaulicht der Block 136 schematisch die Bildung eines Bogens aus Graphitmattenmaterial aus den ursprünglichen Teilchen von expandiertem Graphit. Die Bogenmatte 138 wird dann durch ein Paar von Vorkalandrierungswalzen 140A und 140B geführt, um zu einem vorkalandrierten Bogen 142 zu werden. Der vorkalandrierte Bogen 142 wird dann durch eine Station 144 geführt, wo der Mattenbogen mit Harz imprägniert und getrocknet wird zur Bildung eines ungehärteten harzimprägnierten Bogens 146. Der Bogen 146 wird dann durch ein Paar von Kalanderwalzen 148A und 148B zur Bildung eines kalandrierten ungehärteten harzimprägnierten Bogens 150 geführt. Der Bogen 150 wird danach durch ein Paar von Prägewalzen 152A und 152B geführt, die schematisch mit darauf gebildeten Mustern, wie 154 und 156, veranschaulicht sind.
Während der Bogen von kalandriertem ungehärtetem harzimprägnierten Material 150 zwischen den Prägewalzen 152A und 152B hindurchgeführt wird, wird dieser zu der gewünschten Gestalt ausgebildet, wie die erste und zweite Strömungsfeldplattenkomponente 112 und 114 mit dem darauf definierten Vorsprung 122 bzw. der Vertiefung 128.
Nachdem die Komponenten 112 und 114 durch die Prägewalzen 152 geformt wurden, werden die Komponenten 112 und 114 von dem Bogen 150 abgetrennt. Danach werden die Komponenten 112 und 114 wie in 4 gezeigt zusammengesetzt und zusammengepresst und danach erwärmt, um das Harzmaterial zu härten, um so die Komponenten 112 und 114 zusammenzubinden zur Bildung des bipolaren Artikels 110.
Obwohl das Verfahren in 9 veranschaulicht wurde, beginnend mit den ursprünglichen Teilchen von expandiertem Graphit, aus welchen die Matte gebildet wird, versteht es sich, dass man auch zuvor gefertigten flexiblen Graphitbogen 150 beschaffen könnte und danach selbigen mit Prägewalzen 152 oder mit anderen Prägetechniken vom Plattentyp prägen könnte.
Weiterhin können die Komponenten 112 und 114 aus Teilchenmaterial geformt werden. Wie weiter oben beschrieben, können Bögen aus flexiblem Graphitmaterial, wie 150, zu Teilchen gemahlen werden, und diese Teilchen können zu einer beliebigen gewünschten Form geformt werden, wie den Gestaltungsformen 112 und 114, und zwar durch jedes beliebige geeignete herkömmliche Formungsverfahren, wie Formstanzen, isostatisches Formen oder dergleichen. Desgleichen können Teilchen aus expandiertem Graphit (d. h. Würmer) zu der Form der Komponenten 112 und 114 geformt werden.
Ausführungsformen der 10 und 11
Bezug nehmend auf 10 ist eine alternative Ausführungsform gezeigt, in der die erste Komponente einen Vorsprung trägt, die zweite Komponente aber eine flache Rückseite aufweist. In der 10 ist eine bipolare Platte schematisch dargestellt und mit der Ziffer 210 bezeichnet. Um die bipolare Platte 210 zu konstruieren, werden die erste und zweite Komponente 212 und 214 gebildet. Wie. schematisch in 10 veranschaulicht, weist die erste Plattenkomponente 212 eine wirksame Seite oder erste Seite 216 und eine Rückseite oder zweite Seite 218 auf. Die wirksame Seite 216 weist zum Beispiel eine Vielzahl an darin gebildeten Kanälen 220 auf. Die Rückseite 218 besitzt einen darauf gebildeten Vorsprung 222.
In ähnlicher Weise wird die zweite Komponente 214 mit einer wirksamen Seite 224 und einer flachen Rückseite 226 ausgebildet. Der Vorsprung 222 greift in die flache Rückseite 226 ein und ist an diese gebunden, wenn die zwei Komponenten zusammengepresst und gehärtet werden. Obwohl nicht in 10 veranschaulicht, kann die Zusammen-Komprimierung der Komponenten 212 und 214 eine gewisse Verformung der flachen Rückseite 226 und eine gewisse Verformung des Vorsprungs 222 bewirken, sodass der Vorsprung 222 in gewisser Weise in der flachen Rückseite 226 eingebettet ist.
Im Gegensatz zu der Ausführungsform von 4 ist die bipolare Platte 210 von 10 einfacher zu konstruieren und kann auch zu einem höheren Komprimierungsdruck am Eingriffspunkt des Vorsprungs 222 mit der zweiten Komponente 214 führen, wodurch eine stärkere Bindung erhalten wird.
Bezug nehmend nun auf die 11 ist eine alternative Ausführungsform gezeigt, in welcher sowohl die erste als auch die zweite Komponente flache Rückseiten aufweisen, die praktisch über die gesamten rückseitigen Oberflächen davon zusammengebunden sind. In 11 ist eine bipolare Platte schematisch veranschaulicht und mit der Ziffer 310 bezeichnet. Um die bipolare Platte 310 zu konstruieren, werden die erste und zweite Komponente 312 und 314 gebildet. Die Komponenten 312 und 314 weisen jeweils die flachen Rückseiten 318 bzw. 326 auf. Die Komponenten werden zusammengepresst und gehärtet, sodass die flachen Rückseiten 318 und 326 aneinander gebunden werden. Die Ausführungsform von 11 liefert die einfachste Konstruktion, indem die Notwendigkeit der Bildung entweder des Vorsprungs oder der Vertiefung eliminiert wurde.
So ist zu erkennen, dass die Verfahren der vorliegenden Erfindung leicht die genannten Ziele und Vorteile erreichen, ebenso wie die diesen innewohnenden. Es wurden zwar bestimmte bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht und beschrieben für die Zwecke der vorliegenden Offenbarung, jedoch können zahlreiche Veränderungen von einem Fachmann vorgenommen werden, wobei diese Veränderungen innerhalb des Umfangs der anhängigen Ansprüche umfasst sind.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines bipolaren Graphitartikels (110; 210; 310), das Folgendes umfasst: (a) Bilden einer ersten Komponente (112; 212; 312) aus Graphitmaterial, die Folgendes aufweist: eine wirksame Seite (116; 216), eine Rückseite (118, 218, 318) und einen Vorsprung (122; 122A; 1228; 122C), der auf ihrer Rückseite gebildet ist; (b) Bilden einer zweiten Komponente (114; 214; 314) aus Graphitmaterial, die Folgendes aufweist: eine wirksame Seite (124; 224) und eine Rückseite (126, 226; 326) und; (c) Zusammensetzen der ersten und zweiten Komponente, so dass der Vorsprung (122; 122A; 122B; 122C; 222) der ersten Komponente in die Rückseite (126) der zweiten Komponente eingreift.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: Schritt (a) das Prägen eines Bogens aus harzimprägniertem Graphitmaterial umfasst, um die erste Komponente zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: Schritt (a) das Komprimieren eines partikelharzimprägniertem Graphitmaterials umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei das harzimprägnierte Graphitmaterial zum Zeitpunkt von Schritt (a) ungehärtet ist.
Verfahren nach Anspruch 4, das des Weiteren das Härten des harzimprägnierten Graphitmaterials umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei: Schritt (c) das Zusammenpressen der ersten und zweiten Komponente umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei: das Graphitmaterial bei Schritt (a) harzimprägniertes, ungehärtetes Material ist und das Härten während des Pressschritts erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, wobei: auf der Rückseite der zweiten Komponente bei Schritt (b) eine Vertiefung gebildet ist, wobei die Vertiefung (128; 128A; 128B; 128C) den Vorsprung der ersten Komponente ergänzt, und der Vorsprung der ersten Komponente bei Schritt (c) in der Vertiefung der zweiten Komponente aufgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei: die zweite Komponente bei Schritt (b) eine flache Rückseite aufweist und der Vorsprung der ersten Komponente bei Schritt (c) in die flache Rückseite der zweiten Komponente eingreift.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Herstellung eines bipolaren Artikels für eine Brennstoffzelle, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: (a) Bereitstellen eines ersten und zweiten Bogens einer komprimierten Masse von expandierten Graphitpartikeln, wobei jeder Bogen eine erste und zweite parallele gegenüberliegende Oberfläche aufweist; (b) Imprägnieren der Bögen mit einem Harz, um Imprägnierbögen mit ungehärtetem Harz zu bilden; (c) Komprimieren der Imprägnierbögen mit ungehärtetem Harz, um einen ersten und zweiten imprägnierten Bogen mit ungehärtetem Harz zu bilden; (d) Bilden der ersten Komponente aus dem ersten Bogen; (e) Bilden der zweiten Komponente aus dem zweiten Bogen; (f) Zusammenpressen der ersten und zweiten Komponente; und (g) Härten des Harzes der Komponenten und dadurch Zusammenbinden der ersten und zweiten Komponente, um den bipolaren Artikel zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei: die erste Komponente bei Schritt (d) mit einem Vorsprung auf derselben gebildet wird; der Vorsprung der ersten Komponente bei Schritt (f) in die zweite Komponente eingreift; und der Vorsprung der ersten Komponente bei Schritt (g) mit der zweiten Komponente verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei: die zweite Komponente bei Schritt (e) eine flache Oberfläche aufweist, in die der Vorsprung der ersten Komponente eingreift.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei: auf der zweiten Komponente bei Schritt (e) eine Vertiefung definiert wird, und der Vorsprung der ersten Komponente bei Schritt (f) in der Vertiefung der zweiten Komponente aufgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 10 bis 13, wobei die erste und zweite Komponente bei Schritt (d) und (e) gebildet werden, indem der erste und zweite Bogen geprägt werden.