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Dokumentenidentifikation DE112005003400T5 06.12.2007
Titel Brennstoffzellenbipolarplatten mit mehreren aktiven Bereichen, die durch einen nichtleitenden Rahmenverteiler getrennt sind
Anmelder General Motors Corp., Detroit, Mich., US
Erfinder Owens, John N., Franklin, Mich., US;
Lisi, Daniel, Eastpointe, Mich., US
Vertreter Manitz, Finsterwald & Partner GbR, 80336 München
DE-Aktenzeichen 112005003400
Vertragsstaaten AE, AG, AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BW, BY, BZ, CA, CH, CN, CO, CR, CU, CZ, DE, DK, DM, DZ, EC, EE, EG, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IN, IS, JP, KE, KG, KM, KN, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, LY, MA, MD, MG, MK, MN, MW, MX, MZ, NA, NG, NI, NO, NZ, OM, PG, PH, PL, PT, RO, RU, SC, SD, SE, SG, SK, SL, SM, SY, TJ, TM, TN, TR, TT, TZ, UA, UG, US, UZ, VC, VN, YU, ZA, ZM, ZW, EP, AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IS, IT, LT, LU, LV, MC, NL, PL, PT, RO, SE, SI, SK, TR, OA, BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GQ, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG, AP, BW, GH, GM, KE, LS, MW, MZ, NA, SD, SL, SZ, TZ, UG, ZM, ZW, EA, AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM
WO-Anmeldetag 31.10.2005
PCT-Aktenzeichen PCT/US2005/039055
WO-Veröffentlichungsnummer 2006080963
WO-Veröffentlichungsdatum 03.08.2006
Date of publication of WO application in German translation 06.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.12.2007
IPC-Hauptklasse B28B 5/00(2006.01)A, F, I, 20051031, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B29C 43/00(2006.01)A, L, I, 20051031, B, H, DE   

Beschreibung[de]
GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft PEM-Brennstoffzellen und insbesondere ein Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte zur Verwendung in einem Brennstoffzellenstapel.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Brennstoffzellen sind bei vielen Anwendungen als eine Energiequelle verwendet worden. Beispielsweise sind Brennstoffzellen zur Verwendung in elektrischen Fahrzeugantriebsanlagen als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen worden. Bei Brennstoffzellen vom Typ mit Protonenaustauschmembran (PEM) wird Wasserstoff an die Anode der Brennstoffzelle geliefert und Sauerstoff als das Oxidationsmittel an die Kathode geliefert. PEM-Brennstoffzellen umfassen eine Membranelektrodenanordnung (MEA) mit einer dünnen, protonendurchlässigen, nicht elektrisch leitenden Festpolymerelektrolytmembran, die auf einer Seite den Anodenkatalysator und auf der entgegengesetzten Seite den Kathodenkatalysator aufweist. Die MEA ist schichtartig zwischen einem Paar nicht poröser, elektrisch leitender Elemente oder Platten angeordnet, die (1) als Stromkollektoren für die Anode und Kathode dienen, und (2) geeignete, darin geformte Kanäle und/oder Öffnungen enthalten, um die gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle über die Oberflächen der jeweiligen Anoden- und Kathodenkatalysatoren zu verteilen.

Der Begriff "Brennstoffzelle" wird typischerweise dazu verwendet, abhängig vom Kontext entweder eine einzelne Zelle oder eine Vielzahl von Zellen (Stapel) zu bezeichnen. Typischerweise werden eine Vielzahl einzelner Zellen miteinander gebündelt, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden, und sind üblicherweise in elektrischer Reihe angeordnet. Jede Zelle in dem Stapel weist die vorher beschriebene Membranelektrodenanordnung (MEA) auf, und jede derartige MEA liefert ihr Spannungsinkrement. Eine Gruppe benachbarter Zellen in dem Stapel wird als ein Cluster bezeichnet.

In PEM-Brennstoffzellen ist Wasserstoff (H2) der Anodenreaktand (d.h. Brennstoff) und Sauerstoff ist der Kathodenreaktand (d.h. Oxidationsmittel). Der Sauerstoff kann entweder in reiner Form (O2) oder als Luft (einer Mischung aus O2 und N2) vorliegen. Die Festpolymerelektrolyte bestehen typischerweise aus Ionentauscherharzen, wie perfluorierter Sulfonsäure. Die Anode/Kathode umfasst typischerweise fein geteilte katalytische Partikel, die oftmals auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem protonenleitenden Harz gemischt sind. Die katalytischen Partikel sind typischerweise teure Edelmetallpartikel. Somit sind diese MEAs relativ teuer herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen, einschließlich eines richtigen Wassermanagements und einer richtigen Befeuchtung sowie Steuerung katalysatorschädigender Bestandteile, wie Kohlenmonoxid (CO) für einen effektiven Betrieb.

Die elektrisch leitenden Platten, die die MEAs schichtartig anordnen, können eine Gruppierung aus Nuten in ihren Seiten enthalten, die ein Reaktandenströmungsfeld zur Verteilung der gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle (d.h. Wasserstoff und Sauerstoff in der Form von Luft) über die Oberflächen der jeweiligen Kathode und Anode definieren. Diese Reaktandenströmungsfelder enthalten allgemein eine Vielzahl von Stegen, die dazwischen eine Vielzahl von Strömungskanälen definieren, durch die die gasförmigen Reaktanden von einer Versorgungssammelleitung an einem Ende der Strömungskanäle zu einer Austragssammelleitung an dem entgegengesetzten Ende der Strömungskanäle strömen. Allgemein ist es erwünscht, einen Brennstoffzellenstapel vorzusehen, der eine hohe Spannung aufweist. Ein Weg, um eine hohe Spannung vorzusehen, besteht darin, mehrere Brennstoffzellenstapel vorzusehen, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die Kosten in Verbindung mit der Handhabung und dem Zusammenbau eines großen Umfangs an Brennstoffzellen für Kraftfahrzeuganwendungen sind zu hoch. Zusätzlich zu der Bereitstellung einer hohen Spannung erfordern Einbauraumzwänge in einem Fahrzeug, dass ein Brennstoffzellenstapel eine reduzierte Fläche besetzt. Infolgedessen ist es erwünscht, einen Brennstoffzellenstapel mit hoher Spannung vorzusehen, während damit in Verbindung stehenden Einbauraumzwängen nachgekommen wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Ein Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte umfasst, dass ein nichtleitendes Gehäuse geformt wird, das eine Vielzahl von Aufnahmebereichen definiert. Eine erste Vielzahl leitender Ladungen wird in jedem der Vielzahl von Aufnahmebereichen angeordnet. Auf jede der ersten Vielzahl leitender Ladungen wird eine Kompressionskraft ausgeübt, wodurch eine erste Vielzahl leitender Platten definiert wird, die an Außenrändern mit dem nichtleitenden Gehäuse verbunden sind. Eine zweite Vielzahl leitender Platten wird auf der ersten Serie leitender Platten angeordnet. Die erste und zweite Vielzahl leitender Platten werden miteinander verbunden, um ein Kühlmittelströmungsfeld dazwischen zu definieren.

Gemäß anderer Merkmale wird eine Kompressionskraft auf eine zweite Vielzahl leitender Ladungen aufgebracht, wodurch die zweite Vielzahl leitender Platten definiert wird. Das Aufbringen der Kompressionskraft auf jede der ersten Vielzahl leitender Ladungen umfasst, dass erste Reaktandenströmungsfelder an einer jeweiligen ersten Vielzahl leitender Platten definiert werden. Das Aufbringen einer Kompressionskraft auf eine zweite Vielzahl leitender Ladungen umfasst, dass zweite Reaktandenströmungsfelder an einer jeweiligen zweiten Vielzahl leitender Platten definiert werden. Das Verbinden der ersten und zweiten Vielzahl leitender Platten miteinander umfasst, dass ein Klebstoff auf Kontaktflächen aufgebracht wird, die zwischen der ersten und zweiten Vielzahl leitender Platten definiert sind. Auf die erste und zweite Vielzahl leitender Platten wird eine Kompressionskraft aufgebracht, wodurch der Klebstoff thermisch aktiviert und eine Bindung an den Kontaktflächen ausgebildet wird.

Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:

1 eine teilweise Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapels gemäß den vorliegenden Lehren ist;

2 eine Ansicht teilweise in Explosionsdarstellung des Brennstoffzellenstapels von 1 ist;

3 eine Draufsicht einer Bipolarplattenanordnung gemäß den vorliegenden Lehren ist;

4 eine perspektivische Ansicht eines nichtleitenden Gehäuses ist, das zum Aufbau der Bipolarplattenanordnung von 3 verwendet ist;

5 eine perspektivische Ansicht eines Formprozesses ist, der dazu verwendet wird, eine erste Vielzahl leitender Platten in dem nichtleitenden Gehäuse von 4 auszubilden; und

6 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Vielzahl leitender Platten ist, die an der ersten Vielzahl leitender Platten befestigt werden.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen) ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.

1 zeigt schematisch einen teilweisen PEM-Brennstoffzellenstapel 10, der Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 14, 16 aufweist, die voneinander durch eine nichtporöse, elektrisch leitende Bipolarplattenanordnung 20 getrennt sind. Die MEAs 14 und 16 und die Bipolarplattenanordnung 20 sind zwischen nicht porösen, elektrisch leitenden Bipolarplattenanordnungen 22 und 24 aneinander gestapelt. Poröse, gaspermeable, elektrisch leitende Lagen oder Diffusionsmedien 26, 28, 30 und 32 pressen an die Elektrodenseiten der MEAs 14 und 16 und können als Primärstromkollektoren für die Elektroden dienen. Die Diffusionsmedien 26, 28, 30 und 32 sehen auch mechanische Abstützungen für die MEAs 14 und 16 insbesondere an denjenigen Orten vor, an denen die MEAs ansonsten in dem Strömungsfeld ungestützt sind. Geeignete Diffusionsmedien umfassen Kohlenstoff/Graphit-Papier/Gewebe, feinmaschige Edelmetallsiebe, offenzellige Edelmetallschäume und dergleichen, die Strom von den Elektroden leiten, während sie zulassen, dass Gas hindurchgelangen kann.

Die Bipolarplattenanordnungen 22 und 24 pressen an den Primärstromkollektor 26 auf der Kathodenseite 14c der MEA 14 und den Primärstromkollektor 32 auf der Anodenseite 16a der MEA 16. Die Bipolarplattenanordnung 20 presst an den Primärstromkollektor 28 auf der Anodenseite 14a der MEA 14 und an den Primärstromkollektor 30 auf der Kathodenseite 16c der MEA 16.

Mit weiterem Bezug auf 1 und zusätzlichem Bezug auf die 2 und 6 wird die Bipolarplattenanordnung 20 beschrieben. Die Bipolarplattenanordnung 20 weist allgemein eine Serie getrennter Anodenplatten 40 und Kathodenplatten 44 (6) auf, wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist. Ein Anodenströmungsfeld 46 (1 und 2) ist über jede der Anodenplatten 40 der Bipolarplattenanordnung 20 definiert, ein Kathodenströmungsfeld 48 (1) ist über jede der Kathodenplatten 44 der Bipolarplattenanordnung 20 definiert, und ein Kühlmittelströmungsfeld 50 ist zwischen den Anoden- und Kathodenplatten 40, 44 definiert. Ein Oxidationsmittelgas, wie Sauerstoff oder Luft, wird an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 10 von einem Speichertank 56 über eine geeignete Versorgungsverrohrung 58 geliefert. Ähnlicherweise wird ein Brennstoff, wie Wasserstoff, an die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 10 von einem Speichertank 60 über eine geeignete Verrohrung 62 geliefert. Kühlmittel wird zwischen benachbarten Anoden- und Kathodenplatten 40 und 44 von einem Kühlmitteltank 64 geliefert.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann der Sauerstofftank 56 weggelassen und Luft an die Kathodenseite aus der Umgebung geliefert werden. Ähnlicherweise kann der Wasserstofftank 60 weggelassen und Wasserstoff an die Anodenseite von einem Reformer geliefert werden, der Wasserstoff aus Methanol oder einem flüssigen Kohlenwasserstoff (beispielsweise Benzin) katalytisch erzeugt. Es ist auch eine Austragsverrohrung (nicht speziell gezeigt) für die H2- und O2/Luft-Seiten der MEAs vorgesehen, um H2-abgereichertes Anodengas von dem jeweiligen Anodenströmungsfeld 46 und O2-abgereichertes Kathodengas von den jeweiligen Kathodenströmungsfeldern 48 zu entfernen.

Nun wird mit speziellem Bezug auf die 13 die Anschlussanordnung der jeweiligen Reaktanden in dem Brennstoffzellenstapel 10 weiter beschrieben. 3 zeigt eine Draufsicht der Bipolarplattenanordnung 20 (Anodenseite nach oben weisend). Wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist, weist die Bipolarplattenanordnung 20 allgemein die erste Vielzahl von Anodenplatten 40, eine komplementäre Serie von Kathodenplatten 44 (unter den Anodenplatten angeordnet, wie in 3 gezeigt ist) und ein nichtleitendes Gehäuse 66 auf. Die Anoden- und Kathodenplatten 40 bzw. 44 bilden eine Vielzahl (vier, wie in 2 gezeigt ist) einzelner Bipolarplatten 70, die durch das nichtleitende Gehäuse 66 seitlich voneinander elektrisch isoliert sind. Zusätzlich dazu sind die Anoden- und Kathodenplatten 40 und 44 in dem Brennstoffzellenstapel 10 elektrisch in Reihe geschaltet, um eine hohe Ausgangsspannung in reduziertem Raum vorzusehen. Während die jeweiligen Anoden- bzw. Kathodenplatten 40 bzw. 44 kreisförmig gezeigt sind, sei angemerkt, dass die Geometrie lediglich beispielhaft ist und andere Formen entsprechend verwendet werden können, wie beispielsweise rechteckig. Zusätzlich dazu sind die jeweiligen Strömungsfelder 44, 46 und 50 lediglich beispielhaft und können andere Strömungsmuster umfassen. Gleichermaßen können, während das Gehäuse 66 eine allgemein Klee-förmige Form annimmt, um die kreisförmigen Anoden- und Kathodenplatten 40 und 44 unterzubringen, andere geeignete Formen entsprechend verwendet werden, um die jeweiligen Anoden- und Kathodenplatten 40 und 44, die die Bipolarplatten 70 umfassen, zu enthalten.

Die Bipolarplattenanordnung 20 weist allgemein eine Einlasssammelleitung 74, die vertikal durch die Mitte der Bipolarplattenanordnung 20 angeordnet ist, und eine Austragssammelleitung 78 auf, die horizontal durch die Mitte der Bipolarplattenanordnung 20 angeordnet ist. Die Einlasssammelleitung 74 definiert allgemein eine Serie von Einlassöffnungen I1–I6. Ähnlicherweise definiert die Austragssammelleitung allgemein eine Serie von Austragsöffnungen E1–E6. Bei einer Ausführungsform wirken die Einlassöffnungen I1 und I6 zusammen, um ein erstes Reaktandengas (beispielsweise H2) an Anodenplatten A1, A2 bzw. A3, A4 zu liefern. Sobald im Betrieb das erste Reaktandengas über die jeweiligen Anodenströmungsfelder 46 strömt, wird es durch Austragsöffnungen E3 und E4 ausgetragen. Die verbleibenden Einlassöffnungen und Austragsöffnungen werden dazu verwendet, das zweite Reaktandengas (beispielsweise O2) bzw. das Kühlmittel zu liefern. Bei der gezeigten beispielhaften Ausgestaltung wirken die Einlassöffnungen I2 und I5 zusammen, um das zweite Reaktandengas (beispielsweise H2) an jeweilige Kathodenströmungsfelder 48 entlang der Kathodenplatten 44 zu liefern (während es in 2 nicht speziell gezeigt ist, sind die Kathodenplatten 44 funktionell unter jeder der Anodenplatten 40 positioniert).

Sobald im Betrieb das zweite Reaktandengas über die jeweiligen Kathodenströmungsfelder 48 strömt, wird es durch Austragsöffnungen E2 und Es ausgetragen. Schließlich wirken die Einlassöffnungen I3 und I4 zusammen, um ein Kühlmittel an die jeweiligen Kühlmittelströmungsfelder 50 zu liefern, die zwischen den Anoden- und Kathodenplatten 40 und 44 definiert sind. Das Kühlmittel wird durch Austragsöffnungen E1 und E6 ausgetragen. Es sei angemerkt, dass, während die jeweiligen Einlass- und Austragsöffnungen I1-6 und E1-6 speziell zugeordnet worden sind, um mit einem gegebenen Fluid in Verbindung zu stehen, die Öffnungen gegenseitig austauschbar sind und derart ausgebildet sein können, um ein gegebenes Fluid nach Wunsch zu liefern. Es wird offensichtlich, dass derartige Konfigurationen gemäß der Anschlussanordnungskonfiguration, die durch das nichtleitende Gehäuse 66 vorgesehen wird, definiert sind. Überdies können, während eine einzelne Einlass- und Austragsöffnung so beschrieben ist, dass sie ein Paar von Strömungsfeldern versorgt, andere Konfigurationen entsprechend verwendet werden.

Nun wird insbesondere Bezug nehmend auf die 36 ein Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte gemäß den vorliegenden Lehren beschrieben. Zu Beginn wird ein Gehäuse 66 (4) aus einem geeigneten nichtleitenden isolierenden Material ausgebildet. Das Gehäuse 66 kann durch einen beliebigen geeigneten Prozess ausgebildet werden, wie beispielsweise Spritzgießen. Wie in 4 gezeigt ist, definiert das Gehäuse 66 eine Vielzahl von Aufnahmeabschnitten 82. Gleichermaßen ist die notwendige Anschlussanordnung in dem Gehäuse 66 so definiert, um geeignete Fluide von der Einlasssammelleitung 74 über jeweilige Strömungsfelder 46, 48 und 50 und aus der Austragssammelleitung 78 heraus zu übertragen. Zusätzlich zu der Anschlussanordnung können notwendige Dichtungselemente oder Dichtungen in das nichtleitende Gehäuse 66 geformt sein (nicht speziell gezeigt). Eine Zentralbohrung 84 ist zur Aufnahme einer Ausrichtstange (nicht gezeigt) während des Formprozesses angeordnet.

Anschließend wird das nichtleitende Gehäuse 66 in eine Kompressionsform 90 angeordnet (5). Eine Vielzahl leitender Ladungen 100 sind in jeweiligen Aufnahmebereichen angeordnet. Die leitenden Ladungen 100 definieren eine Pressmasse und können beispielsweise in der Form von Kugeln oder Scheiben vorliegen. Die leitenden Ladungen 100 umfassen ein beliebiges geeignetes Material, das vorteilhafte Bipolarplatteneigenschaften aufweist. Ein geeignetes Material ist BMC 940, das von Bulk Molding Compounds, Inc. hergestellt wird. Sobald die Ladungen 100 in den jeweiligen Aufnahmebereichen 82 angeordnet sind, wird eine Kompressionskraft auf die leitenden Ladungen 100 aufgebracht. Infolgedessen werden die jeweiligen leitenden Ladungen 100 in Richtung der jeweiligen Innendurchmesser 104 der Aufnahmebereiche 82, die in dem Gehäuse 66 definiert sind, getrieben. Gleichzeitig werden die gewünschten Strömungsfelder 48 und 50 (1), die zugeordnete Stege und Kanäle aufweisen, auf entgegengesetzten Seiten der neu geformten Platten definiert. Das Muster der Strömungsfelder wird durch die Abschnitte 110 und 112 der Form 90 definiert. Ferner ist die Kompressionsform 90 derart angeordnet, dass sie geeignete Einlässe und Auslässe der Strömungsfelder 48 und 50 an den jeweiligen Platten 44 mit einer geeigneten Anschlussanordnung in Ausrichtung bringt. I1-6 und E1-6. Während die gezeigten Platten Kathodenplatten 44 sind, sei angemerkt, dass die Anodenplatten 40 alternativ bei diesem Schritt ausgebildet werden können. Der Kompressionsformprozess erzeugt eine integrale chemische Dichtung an einer Schnittstelle zwischen dem Gehäuse 66 und den Kathodenplatten 44 (an dem Innendurchmesser 104 des Aufnahmebereiches) (5).

Nun Bezug nehmend auf 6 sind die Kathodenplatten 44 nach dem Formprozess von 5 gezeigt. An diesem Punkt wird ein thermisch aktivierter, leitender Klebstoff 120 auf die obere Seite jeder Kathodenplatte 44 aufgebracht. Als Nächstes wird eine komplementäre Vielzahl von Anodenplatten 40 auf den Kathodenplatten 44 angeordnet. Die Anodenplatten 46 können als alleinstehende Teile in einer komplementären Kompressionsform bei einem vorbereitenden Schritt geformt werden. Anschließend wird die Anordnung in eine Presse 130 gebracht, die dazu geeignet ist, die Anodenplatten 40 an den Kathodenplatten 44 zu halten, während die Anordnung den notwendigen Niveaus an Wärme ausgesetzt wird, um die Klebstoffbindung (gefördert durch den Klebstoff 120) zwischen den Anoden- und Kathodenplatten 40 und 44 zu aktivieren. Es sei angemerkt, dass das Kühlmittelströmungsfeld 50 kollektiv durch die Strömung an der oberen Seite der Kathodenplatten 44 und der unteren Seite der Anodenplatten 40 definiert ist. Infolgedessen muss eine richtige Ausrichtung beibehalten werden, während die Anodenplatten 40 bei diesem Schritt auf den Kathodenplatten 44 angeordnet werden. Es ist denkbar, dass, während es nicht speziell gezeigt ist, die Anodenplatten 40 Schlüssel aufweisen kann, die von einem Umfang zur Anordnung in einer Nut wegführen, die an dem Innendurchmesser 104 definiert ist. Alternativ dazu können, wie vorher erwähnt wurde, die Anodenplatten 40 (und die Kathodenplatten 44) andere geometrische Formen, wie rechtwinklig, definieren, um eine richtige Ausrichtung zu fördern. Allgemein unterstützt die Klebstoffbindung einen Kontakt von Steg zu Steg zwischen gegenüberliegenden Anoden- und Kathodenplatten 40 und 44, wodurch eine elektrische Leitung gefördert wird. Dies stellt den Aufbau der Bipolarplattenanordnung 20 fertig.

Bevorzugt wird gemäß dem obigen Verfahren eine Serie von Bipolarplattenanordnungen 20 hergestellt. Anschließend wird der Brennstoffzellenstapel 10 durch Einbau jeweiliger MEAs 14 und 16 und Diffusionsmedien 26, 28, 30 und 32 zwischen benachbarte Bipolarplattenanordnungen 20 fertig gestellt, wie in 1A gezeigt ist.

Fachleute können nun aus der vorhergehenden Beschreibung erkennen, dass die breiten Lehren der vorliegenden Erfindung in einer Vielzahl von Formen ausgeführt werden können. Beispielsweise können, während die notwendigen Dichtungselemente und Dichtungen hier als gleichzeitig mit dem nichtleitenden Gehäuse geformt beschrieben sind, die Dichtungselemente und Dichtungen in einem ergänzenden Formschritt eingebaut werden. Zusätzlich ist die Anschlussanordnung, die an der Einlasssammelleitung 74 und der Austragssammelleitung 78 definiert ist und die jeweiligen Anoden-, Kathoden- und Kühlmittelpfade aufweist, die durch das Gehäuse 66 definiert sind, beispielhaft, und es können andere Anordnungen verwendet werden, wie durch den Formschritt. Daher ist, während diese Erfindung in Verbindung mit bestimmten Beispielen derselben beschrieben worden ist, der wahre Schutzumfang der Erfindung nicht darauf beschränkt, so dass dem Fachmann bei einem Studium der Zeichnungen, der Beschreibung und den folgenden Ansprüchen andere Modifikationen offensichtlich werden.

Zusammenfassung

Ein Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte umfasst, dass ein nichtleitendes Gehäuse geformt wird, das eine Vielzahl von Aufnahmebereichen definiert. Eine erste Vielzahl leitender Ladungen wird in jedem der Vielzahl von Aufnahmebereichen angeordnet. Eine Kompressionskraft wird auf jede der ersten Vielzahl leitender Ladungen aufgebracht, wodurch eine erste Vielzahl leitender Platten definiert wird, die an Außenrändern mit dem nichtleitenden Gehäuse verbunden sind. Eine zweite Vielzahl leitender Platten wird auf der ersten Serie leitender Platten angeordnet. Die erste und zweite Vielzahl leitender Platten werden miteinander verbunden, um ein Kühlmittelströmungsfeld dazwischen zu definieren.


Anspruch[de]
Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte, umfassend, dass:

ein nichtleitendes Gehäuse geformt wird, das eine Vielzahl von Aufnahmebereichen definiert;

eine erste Vielzahl leitender Ladungen in jedem der Vielzahl von Aufnahmebereichen angeordnet wird;

eine Kompressionskraft auf jede der ersten Vielzahl leitender Ladungen aufgebracht wird, wodurch eine erste Vielzahl leitender Platten definiert wird, die an Außenrändern mit dem nichtleitenden Gehäuse verbunden sind;

eine zweite Vielzahl leitender Platten auf der ersten Serie leitender Platten angeordnet wird; und

die erste und zweite Vielzahl leitender Platten miteinander verbunden werden, wobei ein Kühlmittelströmungsfeld dazwischen definiert wird.
Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass:

eine Kompressionskraft auf eine zweite Vielzahl leitender Ladungen aufgebracht wird, wodurch die zweite Vielzahl leitender Platten definiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Aufbringen der Kompressionskraft auf jede der ersten Vielzahl leitender Ladungen umfasst, dass erste Reaktandenströmungsfelder an einer jeweiligen ersten Vielzahl leitender Platten definiert werden. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Aufbringen der Kompressionskraft auf die zweite Vielzahl leitender Ladungen umfasst, dass zweite Reaktandenströmungsfelder an einer jeweiligen zweiten Vielzahl leitender Platten definiert werden. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verbinden der ersten und zweiten Vielzahl leitender Platten miteinander umfasst, dass:

ein Klebstoff auf Kontaktflächen aufgebracht wird, die zwischen der ersten und der zweiten Vielzahl leitender Platten definiert sind; und

eine Kompressionskraft auf die erste und zweite Vielzahl leitender Platten aufgebracht wird, wodurch der Klebstoff thermisch aktiviert und eine Bindung an den Kontaktflächen ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Verbinden der ersten und zweiten Vielzahl leitender Platten miteinander ferner umfasst, dass Außenränder der zweiten Vielzahl leitender Platten mit dem nichtleitenden Gehäuse klebend verbunden werden. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Verbinden der Außenränder der zweiten Vielzahl leitender Platten mit dem nichtleitenden Gehäuse durch Kleben umfasst, dass eine Nut zwischen der Vielzahl leitender Platten und dem nichtleitenden Gehäuse definiert wird, wobei die Nut derart ausgebildet ist, um Kühlmittel an das Kühlmittelströmungsfeld zu liefern. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Formen eines nichtleitenden Gehäuses ferner umfasst, dass zumindest ein Einlass- und Auslassdurchgang für jeden eines ersten Reaktanden, eines zweiten Reaktanden und eines Kühlmittels definiert wird. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die erste und zweite Vielzahl leitender Ladungen Graphitkompositmaterial umfasst. Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte, umfassend, dass:

eine erste Vielzahl leitender Ladungen in eine entsprechende Vielzahl von Aufnahmebereichen eines nichtleitenden Gehäuses angeordnet wird;

eine Kompressionskraft auf jede der ersten Vielzahl leitender Ladungen aufgebracht wird, wodurch eine erste Vielzahl leitender Platten definiert wird, die an Außenrändern mit dem nichtleitenden Gehäuse verbunden sind; und

eine zweite Vielzahl leitender Platten auf der ersten Serie leitender Platten befestigt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Aufbringen einer Kompressionskraft auf jede der ersten Vielzahl leitender Ladungen umfasst, dass erste Reaktandenströmungsfelder an einer jeweiligen ersten Vielzahl leitender Platten definiert werden. Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend, dass eine Kompressionskraft auf eine zweite Vielzahl leitender Ladungen aufgebracht wird, um zweite Reaktandenströmungsfelder an einer jeweiligen zweiten Vielzahl leitender Platten zu definieren. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Befestigen der ersten und zweiten Vielzahl leitender Platten aneinander umfasst, dass:

ein Klebstoff auf Kontaktflächen aufgebracht wird, die zwischen der ersten und zweiten Vielzahl leitender Platten definiert sind; und

eine Kompressionskraft auf die erste und zweite Vielzahl leitender Platten aufgebracht wird, wodurch der Klebstoff thermisch aktiviert und eine Bindung an den Kontaktflächen ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass ein nichtleitendes Gehäuse geformt wird, das zumindest einen Einlass- und Auslassdurchgang für jeden eines ersten Reaktanden, eines zweiten Reaktanden und eines Kühlmittels definiert. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die erste und zweite Vielzahl von leitenden Ladungen Graphitkompositmaterial umfasst. Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte, umfassend, dass:

eine Pressmasse in zumindest zwei Aufnahmebereiche eines nichtleitenden Rahmens angeordnet wird;

eine Kompressionskraft auf die Pressmasse aufgebracht wird, wodurch zumindest zwei leitende Platten definiert werden, die an Außenrändern mit dem nichtleitenden Rahmen verbunden sind; und

komplementäre leitende Platten an den zumindest zwei leitenden Platten befestigt werden.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Aufbringen der Kompressionskraft auf die Pressmasse umfasst, dass erste Reaktandenströmungsfelder an den zumindest zwei leitenden Platten definiert werden. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Befestigen komplementärer leitender Platten umfasst, dass:

ein Klebstoff auf Kontaktflächen aufgebracht wird, die zwischen den zumindest zwei leitenden Platten und den komplementären leitenden Platten definiert sind; und

eine Kompressionskraft auf die zumindest zwei leitenden Platten und die komplementären leitenden Platten aufgebracht wird, wodurch der Klebstoff thermisch aktiviert und eine Bindung an den Kontaktflächen ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend, dass ein nichtleitendes Gehäuse geformt wird, das die zumindest zwei Aufnahmebereiche und zumindest einen Einlass- und Auslassdurchgang für jeden eines ersten Reaktanden, eines zweiten Reaktanden und eines Kühlmittels definiert. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die zumindest zwei leitenden Platten und die komplementären leitenden Platten Graphitkompositmaterial umfassen.






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