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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellen und insbesondere
beschichtete Metallplatten, die miteinander laserverschweißt werden,
um eine Bipolarplatte einer Brennstoffzelle zu bilden.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Brennstoffzellen
sind als eine Energiequelle für
Elektrofahrzeuge und andere Anwendungen vorgeschlagen worden. Eine
bekannte Brennstoffzelle ist die PEM-(d.h. Protonenaustauschmembran-)Brennstoffzelle,
die eine so genannte MEA ("Membranelektrodenanordnung") mit einem dünnen Festpolymermembranelektrolyt
aufweist, der eine Anode auf einer Seitenfläche und eine Kathode auf der
entgegengesetzten Seitenfläche
besitzt. Die Anode und Kathode umfassen typischerweise fein geteilte
Kohlenstoffpartikel, sehr fein geteilte katalytische Partikel, die
an den Innen- und Außenflächen der
Kohlenstoffpartikel getragen sind, und protonenleitendes Material,
das mit den katalytischen Partikeln und Kohlenstoffpartikeln vermischt
ist. Die MEA ist schichtartig zwischen einem Paar elektrisch leitender
Kontaktelemente angeordnet, die als Stromkollektoren für die Anode
und Kathode dienen, die geeignete Kanäle und Öffnungen darin zur Verteilung
der gasförmigen
Reaktanden (d.h. Ha und O2/Luft) der Brennstoffzelle über die
Oberflächen
der jeweiligen Anode und Kathode enthalten.
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PEM-Brennstoffzellen
umfassen eine Vielzahl der MEAs, die aneinander in elektrischer
Reihe gestapelt sind, während
sie voneinander durch ein undurchlässiges elektrisch leitendes
Kontaktelement getrennt sind, das als eine Bipolarplatte oder ein
Stromkollektor bekannt ist. Der Stromkollektor oder die Bipolarplatte besitzt
zwei Arbeitsflächen,
wobei eine der Anode einer Zelle gegenüberliegt und die andere der
Kathode an der nächsten
benachbarten Zelle in dem Stapel gegenüberliegt, und leitet elektrisch
Strom zwischen den benachbarten Zellen. Kontaktelemente an den Enden
des Stapels stehen nur mit den Endzellen in Kontakt und werden als
Endplatten bezeichnet. Bei einigen Typen von Brennstoffzellen besteht
die Bipolarplatte aus zwei separaten Platten, die mit einem Fluiddurchgang
dazwischen aneinander befestigt sind, durch den ein Kühlmittelfluid
strömt,
um Wärme
von beiden Seiten der MEAs zu entfernen. Bei anderen Typen von Brennstoffzellen
enthalten die Bipolarplatten sowohl einzelne Platten als auch aneinander
befestigte Platten, die in einem wiederholten Muster angeordnet
sind, wobei zumindest eine Oberfläche jeder MEA durch ein Kühlmittelfluid gekühlt wird,
das durch die aus zwei Platten bestehenden Bipolarplatten strömt. Die
Bipolarplatten werden durch Ausrichten eines Paares einzelner Plattenhälften benachbart
zueinander und geeignetes Verbinden der Platten aneinander ausgebildet,
wodurch eine elektrische Leitfähigkeit
vorgesehen wird.
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Kontaktelemente
werden oftmals aus elektrisch leitenden Metallmaterialien hergestellt.
In einer Ha- und O2/Luft-PEM-Brennstoffzellenumgebung
stehen die Bipolarplatten und anderen Kontaktelemente (beispielsweise
Endplatten) in ständigem
Kontakt mit leicht sauren Lösungen
(pH 3-5) und arbeiten in einer stark oxidierenden Umgebung, die
auf ein Maximum von etwa +1 V (gegenüber der Normalwasserstoffelektrode) polarisiert
ist. An der Kathodenseite sind die Kontaktelemente Druckluft ausgesetzt
und an der Anodenseite atmosphärischem
Wasserstoff ausgesetzt. Unglückli cherweise
sind viele Metalle anfällig
gegenüber
Korrosion in der rauen PEM-Brennstoffzellenumgebung, und Kontaktelemente,
die daraus hergestellt sind, lösen
sich entweder (beispielsweise in dem Fall von Aluminium) oder bilden
passivierende Oxidfilme mit hohem elektrischem Widerstand an ihrer
Oberfläche
(beispielsweise in dem Fall von Titan oder rostfreiem Stahl), die
den Innenwiderstand der Brennstoffzelle erhöhen und deren Leistungsfähigkeit
reduzieren.
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Um
den elektrischen Kontaktwiderstand der Metallbipolarplatten zu reduzieren,
werden die freigelegten Oberflächen
jeder Platte mit einer elektrisch leitenden Beschichtung bedeckt,
die auch einen Kontakt zwischen der Plattenoberfläche und
der korrosiven Umgebung der Brennstoffzelle begrenzt. Häufig ist
die Beschichtung ein organischer Binder, der elektrisch leitende
organische Partikel, wie Kohlenstoff oder Graphit (d.h. hexagonal
kristallisierter Kohlenstoff) enthält.
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Derzeit
werden die Hälften
der aus zwei Platten bestehenden Bipolarplatten beschichtet, nachdem
die beiden einzelnen Platten miteinander verbunden worden sind.
Dieses Verfahren zum Beschichten der Bipolarplatten ist jedoch zeitaufwendig
und begrenzt die Massenproduktion von Brennstoffzellen, die derartige
beschichtete Platten verwenden. Somit wäre es erwünscht, die Bipolarplatten in
einer weniger zeitaufwendigen Art und Weise zu beschichten, die
eine Massenproduktion der Brennstoffzellen begünstigt.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren zum effizienten Herstellen
von Brennstoffzellen, die beschichtete Bipolarplatten besitzen.
Die vorliegende Erfindung betrifft, dass einzelne Metallplatten,
die bereits eine leitende Beschichtung darauf aufweisen, miteinander
laserverschweißt
werden, um die Bipolarplatten zu bilden, die in einer Brennstoffzelle
verwendet werden. Ein derartiges Verfahren ist bisher aufgrund der
organischen Komponente der Beschichtung nicht in Betracht gezogen
worden. Genauer werden Metallbipolarplatten typischerweise aus rostfreiem
Stahl hergestellt, der, wenn er Kohlenstoff aus einer organischen
Beschichtung in einem Schweißprozess
ausgesetzt wird, bewirken kann, dass die freiliegenden Gebiete sensibilisiert
und weniger korrosionsbeständig
werden. Die Hauptkomponente von rostfreiem Stahl, die die Korrosionsbeständigkeit
verleiht, ist Chrom. Wenn rostfreier Stahl kohlenstoffhaltigen Materialien
bei der Hochtemperaturbehandlung (z.B. nahe oder über seinem
Schmelzpunkt) ausgesetzt wird, kombiniert sich der Kohlenstoff mit
dem Chrom in dem Metall. Dies reduziert die Menge an Chrom, die
zur Verwendung bei der Erzeugung passiver Oxidoberflächenfilme,
die dem Metall seine korrosionsbeständigen Eigenschaften verleihen,
verfügbar
ist. Die Reduzierung der Legierungskorrosionsbeständigkeit
resultiert in einer Entwicklung von Eisen (II)- und Eisen (III)-Ionen,
die die Polymermembran kontaminieren und deren mechanische Haltbarkeit
wie auch deren Wasserstoffionentransporteffizienz reduzieren. Somit
ist die Sensibilisierung der Platten unerwünscht, da die Nutzlebensdauer
der Platten reduziert wird. Daher besteht der typische Herstellprozess
darin, die Oberflächen
der Platten zu reinigen, um jegliche organische Schmutzstoffe vor
dem Schweißen
zu entfernen, wodurch die Beschichtung der Platten vor dem Schweißen vermieden
wird. Die Entfernung aller organischen Schmutzstoffe vor dem Schweißen verhindert
dadurch eine Sensibilisierung der Platten und vermeidet die zugeordnete
Reduzierung der Korrosionsbeständigkeit.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben jedoch entdeckt, dass das
Aneinanderschweißen
der beschichteten Platten über
Laser keine Sensibilisierung der Platten in einem Maße zur Folge
hat, das ausreichend ist, um ein unerwünschtes Niveau an Korrosionsbeständig keit
zu bewirken. Dieses Resultat wird ungeachtet der Anwesenheit der
organischen Beschichtung in dem zu verschweißenden Gebiet der Platten und
ungeachtet dem Abladieren der organischen Beschichtung durch den
Laserstrahl erreicht.
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Bei
einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen
eines Brennstoffzellenstapels offenbart, der zumindest zwei Metallelemente
aufweist, die aneinander befestigt sind, wobei zumindest eines der
Metallelemente eine elektrisch leitende Beschichtung darauf aufweist.
Das Verfahren umfasst, dass: (1) ein erstes Metallelement benachbart
eines zweiten Metallelements positioniert wird, wobei das erste
Metallelement eine erste elektrisch leitende Beschichtung darauf
aufweist; (2) ein Abschnitt der benachbarten Metallelemente geschmolzen
wird; und (3) die geschmolzenen Abschnitte der benachbarten Metallelemente
verfestigt werden, wodurch eine Schmelzverbindung zwischen den benachbarten
Metallelementen gebildet wird.
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Bei
einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels offenbart, der Metallbipolarplatten
mit einem internen Strömungsdurchgang
aufweist. Das Verfahren umfasst, dass: (1) eine erste Metallplatte,
die zumindest einen Abschnitt einer Oberfläche aufweist, der mit einer
elektrisch leitenden Beschichtung beschichtet ist, benachbart einer
zweiten Metallplatte positioniert wird, wobei der beschichtete Abschnitt
von der zweiten Platte abgewandt ist; (2) eine fokussierte Strahlung
auf Abschnitte der benachbarten Platten, einschließlich Abschnitten
der Beschichtung aufgebracht wird, wodurch die Abschnitte der Beschichtung
abladiert und die Abschnitte der benachbarten Platten geschmolzen werden;
(3) die fokussierte Strahlung entfernt wird; und (4) die geschmolzenen
Abschnitte sich verfestigen und miteinander verschmelzen können, wodurch
eine der Bipolarplatten gebildet wird.
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Bei
einem noch anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
zum Herstellen einer Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel
offenbart. Das Verfahren umfasst, dass: (1) eine elektrisch leitende organische
Beschichtung auf eine erste Metallplatte der Bipolarplatte aufgebracht
wird; (2) die erste Platte benachbart einer zweiten Metallplatte
der Bipolarplatte positioniert wird; (3) fokussierte Strahlung auf
Abschnitte der benachbarten Platten einschließlich Abschnitten der Beschichtung
aufgebracht wird, wodurch die Abschnitte der Beschichtung abladiert
und die Abschnitte der benachbarten Platten geschmolzen werden;
(4) die fokussierte Strahlung entfernt wird; und (5) die geschmolzenen
Abschnitte sich verfestigen und miteinander verschmelzen können, wodurch
die Bipolarplatte gebildet wird.
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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.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und
den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
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1 eine
schematische isometrische Explosionsdarstellung eines flüssigkeitsgekühlten PEM-Brennstoffzellenstapels
(es sind nur zwei Zellen gezeigt) ist;
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2 eine
isometrische Explosionsdarstellung einer Bipolarplatte ist, die
mit PEM-Brennstoffzellenstapeln ähnlich
dem verwendbar ist, der in 1 gezeigt
ist;
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3 eine
teilweise Schnittansicht in der Richtung 3-3 von 2 ist;
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4 ein
vergrößerter Abschnitt
der Bipolarplatte von 3 ist;
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5 eine
Draufsicht der Bipolarplatte von 2 ist, wobei
einige Schweißbereiche
gezeigt sind;
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6A eine
Nahaufnahme eines laserverschweißten Gebiets der Bipolarplatte
von 5 ist;
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6B eine
Schnittansicht des laserverschweißten Gebiets der Bipolarplatte
von 6A entlang der Linie 6B-6B ist;
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7A eine
Nahaufnahme des laserverschweißten
Gebiets von
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6A ist,
die das Aufbringen einer zweiten Beschichtung über das laserverschweißte Gebiet
zeigt; und
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7B eine
Schnittansicht des wiederbeschichteten laserverschweißten Gebiets
von 7A entlang der Linien 7B-7B ist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Die
folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform ist lediglich beispielhafter
Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw.
ihren Gebrauch zu beschränken.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine PEM-Brennstoffzelle mit zumindest
einer metallischen Bipolarplatte, die aus zwei einzelnen Platten
gebildet und zwischen einem Paar von MEAs angeordnet ist. Die einzelnen
Platten besitzen jeweils eine elektrisch leitende Schutzbeschichtung,
die einen Kontakt der Oberflächen der
Platten mit der korrosiven Umgebung der Brennstoffzelle beschränkt. Die
beiden beschichteten einzelnen Platten sind durch Laserschweißen miteinander
verbunden, was zur Folge hat, dass die Beschichtung unmittelbar
anschließend
an das Schweißgebiet
abladiert wird. Gegebenenfalls kann eine zweite Beschichtung auf das
verschweißte
Gebiet aufgebracht werden.
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Zum
besseren Verständnis
der vorliegenden Erfindung ist eine beispielhafte Brennstoffzelle,
in der die vorliegende Erfindung verwendet werden kann, in 1 gezeigt,
die zwei einzelne Protonenaustauschmembran(PEM)-Brennstoffzellen
zeigt; die verbunden sind, um einen Stapel zu bilden, der ein Paar
Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 20, 22 aufweist,
die voneinander durch ein leitendes Element 24 einer elektrisch leitenden
flüssigkeitsgekühlten Bipolarseparatorplatte
getrennt sind. Eine einzelne Brennstoffzelle, die nicht in Reihe
in einem Stapel verschaltet ist, besitzt eine Separatorplatte 24 mit
einer einzelnen elektrisch aktiven Seite. In einem Stapel besitzt
eine bevorzugte Bipolarseparatorplatte 24 typischerweise
zwei elektrisch aktive Seiten 26, 28 in dem Stapel,
wobei jede aktive Seite 26 bzw. 28 einer separaten
MEA 20, 22 mit entgegengesetzten Ladungen zugewandt
ist, die getrennt sind, daher die so genannte "Bipolar"-Platte.
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Die
MEAs 20, 22 und die Bipolarplatte 24 sind
zwischen aus Aluminium bestehenden Klemmanschlussplatten 30, 32 und
Endkontaktfluidverteilungselementen 34, 36 aneinander
gestapelt. Die Endfluidverteilungselemente 34, 36 wie
auch beide Arbeitsseitenflächen
oder -seiten 26, 28 der Bipolarplatte 24 enthalten
eine Vielzahl von Stegen benachbart zu Nuten oder Kanälen an den
aktiven Seitenflächen 38, 40, 26, 28, 42 und 44 zur
Verteilung von Brennstoff- und Oxidationsmittelgasen (d.h. H2 und O2) an die
MEAs 20, 22. Nichtleitende Dichtungselemente oder
Abdichtungen 48, 50, 52, 54, 56 und 58 sehen
Abdichtungen wie auch eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen
Komponenten des Brennstoffzellenstapels vor. Gasdurchlässige leitende
Diffusionsmedien 60, 62, 64 und 66 werden
an die Elektrodenseitenflächen
der MEAs 20, 22 gepresst. Zusätzliche Schichten aus leitendem
Medium 68, 70 sind zwischen den Endkontaktfluidverteilungselementen 34, 36 und
den Anschlusskollektorplatten 30, 32 angeordnet,
um einen leitenden Pfad dazwischen vorzusehen, wenn der Stapel bei
normalen Betriebsbedingungen komprimiert ist. Die Endkontaktfluidverteilungselemente 34, 36 werden
an die Diffusionsmedien 60, 68 bzw. 66, 70 gepresst.
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Sauerstoff
wird an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels von entweder
einem Speichertank oder einem Kompressor 72 über eine
geeignete Versorgungsverrohrung 74 geliefert, während Wasserstoff
an die Anodenseite der Brennstoffzelle von einem Speichertank 76 über eine
geeignete Versorgungsverrohrung 78 geliefert wird. Alternativ
dazu kann Luft an die Kathodenseite aus der Umgebung geliefert werden
und Wasserstoff an die Anode von einem Methanol- oder Benzinreformer
oder dergleichen geliefert werden. Es ist auch eine Austragsverrohrung 80 für sowohl
die H2- als auch O2/Luft-Seiten
der MEAs vorgesehen. Eine zusätzliche Verrohrung 82 ist
vorgesehen, um Kühlmittel
von einem Speicherbereich 84 durch die Bipolarplatte 24 und Endplatten 34, 36 und
aus der Austragsverrohrung 86 heraus umzuwälzen.
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2 ist
eine isometrische Explosionsdarstellung einer Bipolarplatte 88,
die eine erste Außenmetalltafel 90,
eine zweite Außenmetalltafel 92 und
eine Innenabstandshaltermetalltafel 94 umfasst, die zwischen der
ersten Metalltafel 90 und der zweiten Metalltafel 92 angeordnet
ist. Die Außenmetalltafeln 90, 92 sind
so dünn
wie möglich
(beispielsweise etwa 0,002-0,02
Zoll dick) ausgebildet und können
durch Prägen,
durch Elektro- bzw. Galvanoformen oder durch einen beliebigen anderen
herkömmlichen
Prozess zum Formen von Blech geformt werden. Die Außentafel 90 besitzt
eine erste Arbeitsfläche 96 an
ihrer Außenseite,
die einer Membranelektrodenanordnung (nicht gezeigt) gegenüberliegt
und so ausgebildet ist, dass sie eine Vielzahl von Stegen 98 vorsieht,
die dazwischen eine Vielzahl von Nuten 100 definieren,
was als ein "Strömungsfeld" bekannt ist, durch
das die Reaktandengase (d.h. H2 oder O2) der Brennstoffzelle in einem gewundenen
Pfad von einer Seite 102 der Bipolarplatte zu ihrer anderen
Seite 104 strömen.
Wenn die Brennstoffzelle vollständig zusammengebaut
ist, werden die Stege 98 an die Kohlenstoff/Graphitpapiere
(wie 62 oder 64 in 1) gepresst,
die ihrerseits an die MEAs (wie 20 bzw. 22 in 1)
gepresst werden. Der Einfachheit halber zeigt 2 nur
zwei Gruppierungen aus Stegen 98 und Nuten 100.
In der Realität
bedecken die Stege und Nuten 98, 100 die gesamten
Außenflächen der
Metalltafeln 90, 92 die mit den Kohlenstoff/Graphitpapieren
in Eingriff stehen. Das Reaktandengas wird an Nuten 100 von
einer Sammelleitung oder Verteilernut 106 geliefert, die entlang
einer Seite 102 der Brennstoffzelle liegt, und verlässt die Nuten 100 über eine
andere Sammelleitung/Verteilernut 108, die benachbart der
gegenüberliegenden
Seite 104 der Brennstoffzelle liegt.
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Wie
am besten in 3 gezeigt ist, umfasst die Unterseite
der Tafel 90 eine Vielzahl von Rippen 110, die
dazwischen eine Vielzahl von Kanälen 112 definieren,
durch die ein Kühlmittel
während
des Betriebs der Brennstoffzelle strömt. Wie in 3 gezeigt
ist, liegt ein Kühlmittelkanal 112 unter
jedem Steg 98, während eine
Reaktandengasnut 100 unter jeder Rippe 110 liegt.
Alternativ dazu kann die Tafel 90 flach sein und das Strömungsfeld
in einer separaten Materialtafel ausgebildet sein. Die Metalltafel 92 ist ähnlich der
Tafel 90. Die Innenfläche 114 (d.h.
Kühlmittelseite)
der Tafel 92 ist in 2 gezeigt.
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Diesbezüglich ist
eine Vielzahl von Rippen 16 gezeigt, die dazwischen eine
Vielzahl von Kanälen 118 definieren,
durch die Kühlmittel
von einer Seite 120 der Bipolarplatte zu der anderen 122 strömt. Ähnlich der Tafel 90,
und wie am besten in 3 zu sehen ist, besitzt die
Außenseite
der Tafel 92 eine Arbeitsfläche 124 mit einer
Vielzahl von Stegen 126 darauf, die eine Vielzahl von Nuten 128 definieren,
durch die die Reaktandengase strömen.
Eine Innenmetallabstandshaltertafel 94 ist zwischen den
Außentafeln 90, 92 positioniert
und umfasst eine Vielzahl von Öffnungen 130 darin,
um zuzulassen, dass Kühlmittel
zwischen den Kanälen 118 in der
Tafel 92 und den Kanälen 112 in
der Tafel 90 strömen
kann, wodurch laminare Grenzschichten aufgebrochen und eine Turbulenz
bewirkt wird, die einen Wärmeaustausch
mit Innenflächen 142, 144 der
Außentafeln 90 bzw. 92 steigert.
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Die
Abstandhaltertafel 94 ist zwischen der ersten Tafel 90 und
der zweiten Tafel 92 positioniert, wobei die Rippen 110 an
der ersten Tafel 90 und die Rippen 116 an der
zweiten Tafel 92 (beispielsweise durch eine Verbin dungsschicht 136,
wie eine Hartverlötung
oder Klebstoffe, wie in 4 gezeigt ist) mit der Abstandhaltertafel 94 verbunden
sind. Wie für
Fachleute offensichtlich ist, können
die Stromkollektoren der vorliegenden Erfindung hinsichtlich der
Konstruktion von den oben beschriebenen abweichen, wie beispielsweise
bei der Ausgestaltung von Strömungsfeldern,
der Anordnung und Anzahl von Fluidlieferverteilern und dem Kühlmittelumwälzsystem,
wobei jedoch die Funktion zum Leiten von elektrischem Strom durch
die Oberfläche
und den Körper
des Stromkollektors bei allen Konstruktionen ähnlich funktioniert.
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Rostfreier
Stahl ist allgemein als eine Eisen-Chrom-Legierung mit einem Minimum
von 9 % Chrom definiert. Andere ferritische, martensitische oder
austenitische Legierungen werden zur Verwendung in PEM-Brennstoffzellen
in Betracht gezogen. Rostfreie Stähle, die reich an Chrom (d.h.
zumindest 16 Gew.-%), Nickel (d.h. zumindest 10 Gew.-%) und Molybdän (d.h.
zumindest 3 Gew.-%) sind, sind besonders geeignete Metalle zur Verwendung
in einer Brennstoffzelle, und zwar aufgrund ihrer relativ hohen
elektrischen Volumenleitfähigkeit
und Korrosionsbeständigkeit,
die durch eine Passivierungs-(d.h. Metalloxid)-Schicht an der Oberfläche vorgesehen
wird. Dünne
Platten aus rostfreiem Stahl können
dazu verwendet werden, die volumetrische wie auch Gewichtsleistungsdichte
des Brennstoffzellenstapels zu steigern. Ferner besitzen Materialien aus
rostfreiem Stahl eine relativ hohe Festigkeit, physikalische Beständigkeit,
Anhaftung durch Schutzbeschichtungen und sind weniger teuer als
viele andere Alternativen von leitenden Metallen. Jedoch erhöht die Oxidschicht
an der Oberfläche
den elektrischen Kontaktwiderstand des Substrats, was bisher deren
unabhängige
Verwendung als ein elektrisches Kontaktelement oder Stromkollektor
verhindert hat. Ferner sind viele andere relativ leichte Metalle
anfällig
gegenüber
korrosivem Angriff (beispielsweise Aluminium und Magnesium), und
angesichts einer derartigen Korrosions empfindlichkeit und ähnlicher
Neigung zur Oxidation werden verschiedene Schutzbeschichtungen für das Metallsubstrat
verwendet.
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Daher
wird ein elektrisch leitendes Element oder ein Stromkollektor, der
aus einem korrosionsanfälligen
Metall besteht, behandelt, um diesem einen niedrigen Kontaktwiderstand
und die Fähigkeit
zu verleihen, Korrosion und oxidativen Angriff auszuhalten. Eine
derartige Behandlung erlaubt die Verwendung von Metallen, wie rostfreien
Stahl, die bisher einen zu hohen elektrischen Kontaktwiderstand
zur praktischen Verwendung in einer Brennstoffzelle besaßen. Somit
ist für
eine bevorzugte Ausführungsform
das Metallsubstrat rostfreier Stahl, wie beispielsweise 316L (UNS
S31603), eine Legierung, die Eisen, Chrom, Nickel und Molybdän enthält. Das
elektrisch leitende Element ist bevorzugt vor weiterer Korrosion/Passivierung
durch physikalischen Schutz desselben vor korrosiven Mitteln geschützt, um
die Neubildung einer Passivierungsschicht an der Oberfläche des
Metallsubstrats zu verhindern. Wie in 4 gezeigt
ist, besitzt das elektrisch leitende Element (beispielsweise Bipolarplatte 88)
eine Schutzbeschichtung 138, die über dem Metallsubstrat 140 an
sowohl der ersten Fläche 96 der
ersten Tafel 90 als auch der zweiten Fläche 124 der zweiten
Tafel 92 liegt. Ferner wird die Schutzbeschichtung 138 auf
die erste Innenfläche 142 der
ersten Tafel 90 und die zweite Fläche 144 der zweiten
Tafel 92 aufgebracht, um das Substrat 140 vor
korrosivem oxidativem Angriff durch das Kühlmittel zu schützen. Von
einem praktischen Standpunkt her ist es nicht nötig, die Innen- oder Kühlmitteldurchgänge der
Bipolarplatte in dem Fall von Anwendungen aus rostfreiem Stahl oder
Titan zu beschichten. Die Schutzbeschichtung 138 stellt
einen praktischen Weg dar, das elektrisch leitende Element vor korrosiven
Mitteln zu isolieren, die sowohl in der Verarbeitungsumgebung als
auch in der Brennstoffzelle selbst vorherrschen. Somit ist es bevorzugt,
dass die Schutzbeschichtung 138 auf die leitenden und korrosionsanfälligen Ge biete
(beispielsweise die Flächen 96, 124, 142, 144)
des elektrisch leitenden Elements 88 aufgebracht wird,
so dass das darunter liegende Metallsubstrat 140 vor korrosiven
Mitteln geschützt
ist, die mit dem Metall reagieren würden, um jede Oberfläche elektrisch
zu inaktivieren/zu passivieren. Somit können gewählte Gebiete nur die elektrisch
leitenden Bereiche umfassen, die leitende Pfade über das elektrisch leitende
Element bilden, oder derartige Gebiete können mit der gesamten Fläche des
Substrats übereinstimmen.
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Die
Schutzbeschichtungen 138 können eine Vielzahl von Formen
annehmen, wie diejenigen, die in dem U.S. Patent Nr. 6,372,376 mit
dem Titel "Corrosion
Resistant PEM Fuel Cell" offenbart
sind, die auf den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen
ist und deren Offenbarung hier durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
Die Schutzbeschichtungen 138 sind vorzugsweise korrosionsbeständige elektrisch
leitende Beschichtungen, die das darunter liegende Metallsubstrat 140 vor
einer Exposition in Bezug auf korrosive Mittel schützen. Genauer
besitzen die Schutzbeschichtungen 138 bevorzugt einen elektrischen
Grenzflächenkontaktwiderstand
von weniger als etwa 50 Ohm-cm2 (Ω-cm2) und umfassen eine Vielzahl oxidationsbeständiger säureunlöslicher
leitender Partikel (d.h. in der Größenordnung von etwa 50 Mikrometer
oder weniger als etwa 50 Mikrometer), die über eine säurebeständige oxidationsbeständige Polymermatrix
verteilt sind, wobei das Polymer die Partikel aneinander bindet
und diese an der Oberfläche
des Metallsubstrats 140 hält. Die Beschichtung enthält ausreichend
leitende Füllstoffpartikel,
um einen elektrischen Gesamtgrenzflächenkontaktwiderstand von nicht
größer als
etwa 50 Ohmcm2 zu erzeugen, und besitzt
eine Dicke zwischen etwa 2 Mikrometer und etwa 75 Mikrometer, bevorzugt
zwischen 2 und 30 Mikrometer, abhängig von der Zusammensetzung,
dem spezifischen elektrischen Widerstand wie auch der Integrität der Beschichtung.
Dünnere
Beschichtungen (d.h. etwa 15-25 Mikrometer) sind am stärksten bevorzugt
zur Minimierung ohmscher Verluste in dem Stapel. Undurchlässige Schutzbeschichtungen 138 sind
bevorzugt, um die Oberfläche
des darunter liegenden Metallsubstrats 140 vor Permeation
von korrosiven Mitteln zu schützen.
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Bevorzugt
sind die leitenden Füllstoffpartikel
aus der Gruppe gewählt,
die umfasst: Gold, Platin, Graphit, Kohlenstoff, Nickel, leitende
Metallboride, -nitride und -carbide (beispielsweise Titannitrid,
Titancarbid, Titandiborid), Titan in Legierung mit Chrom und/oder
Palladium, Niob, Rhodium, Seltenerdmetalle und andere edle Metalle.
Am bevorzugtesten umfassen die Partikel Kohlenstoff und Graphit
(d.h. hexagonal kristallisierten Kohlenstoff). Die Partikel umfassen
variierende Gewichtsprozentsätze
der Beschichtung abhängig
von der Dichte und Leitfähigkeit
der Partikel (d.h. Partikel mit einer hohen Leitfähigkeit
und geringen Dichte können
in geringeren Gewichtsprozentsätzen
verwendet werden). Kohlenstoff-/graphithaltige Beschichtungen enthalten typischerweise
25 Gewichtsprozent Kohlenstoff/Graphitpartikel. Die Polymermatrix
umfasst ein beliebiges Polymer, das in einen dünnen anhaftenden Film geformt
werden kann und das die raue oxidative und saure Umgebung der Brennstoffzelle
aushalten kann. Daher werden derartige Polymere wie Epoxide, Silikone,
Polyamidimide, Polyetherimide, Polyphenole, Fluorelastomere, Polyester,
Phenoxyphenole, Epoxidphenole, Acryle und Urethane unter anderem
als verwendbar betrachtet. Sowohl wärmeaushärtbare als auch thermoplastische Polymere
sind zur Erzeugung impermeabler Beschichtungen geeignet.
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Die
leitende Polymerbeschichtung 138 kann direkt auf das Substratmetall 140 aufgetragen
werden und darauf trocknen/aushärten.
Die Beschichtung 138 kann in einer Vielzahl von Wegen aufgetragen
werden, und Beispiele derartiger Verfahren sind detailliert in dem
U.S. Patent Nr. 6,372,376 von Fronk et al. beschrieben und können umfassen:
(1) elektrophoretische Abscheidung, (2) Bürsten, Sprühen oder Ausbreiten, oder (3)
Laminieren. Die Beschichtungen können
zur Verwendung in einem kontinuierlichen Herstellprozess, wie einem
Rollenbeschichten, angepasst sein.
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Wie
oben beschrieben ist, wird die Bipolarplatte 88 dadurch
hergestellt, dass Tafeln 90, 92 dadurch aneinander
befestigt werden, dass Abschnitte der Tafel 90, 92 mit
fokussierter Strahlung, wie Laserschweißen, aneinander geschweißt werden.
Beispielsweise ist eine Draufsicht einer ersten Fläche 96 der
Platte 90 der Bipolarplatte 88 in 5 mit
einigen Gebieten der Bipolarplatte 88 gezeigt, die miteinander
laserverschweißt sind,
wie durch die gestrichelte Linie 150 gezeigt ist, und wobei
die Abschnitte der Bipolarplatte 88, die mit einer Beschichtung 138 bedeckt
sind, schattiert sind. Es sei angemerkt, dass die Schweißlinie 150 für die möglichen Stellen
zum Verschweißen
der Bipolarplatte 88 repräsentativ ist und dass die exakten
Stellen, um die Bipolarplatte 88 zusammen zu schweißen, abhängig von
der Konstruktion der Tafeln 90, 92 und dem Zusatz
anderer Komponenten wie der Abstandhaltertafel 94, die
die Bipolarplatte 88 bilden, variieren.
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Die
Gebiete 150 der Bipolarplatte 88, die miteinander
verschweißt
sind, umfassen Gebiete, die mit einer Beschichtung 138 bedeckt
sind, wie der vergrößerte Abschnitt
der Bipolarplatte 88, der in 6A gezeigt ist.
Wenn die erste und zweite Tafel 90, 92 miteinander
verschweißt
werden, bewirkt die fokussierte Strahlung, dass die Abschnitte der
ersten und zweiten Tafel 90, 92, die mit der fokussierten
Strahlung in Kontakt kommen, schmelzen. Bei Entfernung der fokussierten
Strahlung verfestigen sich die geschmolzenen Abschnitte der ersten
und zweiten Tafel 90, 92 und werden dadurch miteinander
verschmolzen, wie in dem verschmolzenen Abschnitt 154 dargestellt
ist, der in den 6A und 6B gezeigt
ist. Zusätzlich
abladiert die fokussierte Strahlung auch die Abschnitte der Beschichtung 138,
die in direkten Kontakt mit der fokussierten Strahlung kommen, und
den unmittelbar anschließenden
geschmolzenen Abschnitt 154 der Bipolarplatte 88,
wie am besten in 6B zu sehen ist.
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Das
Abladieren der Beschichtung 138 von den Oberflächen der
Bipolarplatte 88, wie nachfolgend in Beispiel 1 beschrieben
ist, beeinträchtigt
die Korrosionsbeständigkeit
der ersten und zweiten Tafel 90, 92 nur unerheblich.
Dies bedeutet, dass, wenn die Beschichtung 138 eine organische
Beschichtung ist und die Bipolarplatte 88 aus Tafeln 90, 92 aus
rostfreiem Stahl besteht, der Kontakt der organischen Komponenten
der Beschichtung 138 mit der ersten und zweiten Tafel 90, 92 während des
Aneinanderschweißens
der ersten und zweiten Tafel 90, 92 mit fokussierter
Strahlung den rostfreien Stahl nicht in dem Maße sensibilisiert, dass die Korrosionsbeständigkeit
der Tafeln aus rostfreiem Stahl beeinträchtigt ist. Diese Fähigkeit
erlaubt, dass die erste und zweite Tafel 90, 92 mit
der Beschichtung 138 vor dem Aneinanderschweißen bedeckt
werden können,
um die Bipolarplatte 88 zu bilden. Diese Fähigkeit
sieht erhebliche Vorteile dahingehend vor, dass die erste und zweite
Tafel 90, 92 aus einer vorbeschichteten Rolle
aus Lagermetall geformt werden können.
Mit anderen Worten kann das Lagermetall, aus dem die erste und zweite
Tafel 90, 92 geformt werden, mit der Beschichtung 138 während der
Herstellung des Lagertafelmaterials, wie durch Rollenbeschichten,
oder zu einem beliebigen Zeitpunkt nachher bedeckt werden. Die erste
und zweite Tafel 90, 92 können dann aus dem beschichteten
Lagertafelmaterial auf eine ökonomische
und kontinuierliche Art und Weise, wie durch Prägen, Elektro- bzw. Galvanoformen
oder einen anderen herkömmlichen
Prozess zum Formen von Blech herausgeformt und dann benachbart zueinander
positioniert und miteinander verschweißt werden, um eine Bipolarplatte 88 zu
bilden.
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Somit
betrifft die vorliegende Erfindung ein ökonomisches und effizientes
Verfahren zum Herstellen von Bipolarplatten zur Verwendung in einer
Brennstoffzelle.
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Gegebenenfalls
kann, nachdem die erste und zweite Tafel 90, 92 miteinander
verschweißt
worden sind, eine zweite Schutzbeschichtung 160 über die
abladierten Gebiete der Beschichtung 138 aufgetragen werden,
wie in 7A gezeigt ist. Die Aufbringung
der zweiten Beschichtung 160, wie in 7B gezeigt
ist, hat zur Folge, dass der geschmolzene Abschnitt 154 der
Tafeln 90, 92 durch die zweite Schutzbeschichtung 160 bedeckt
und geschützt
wird. Die zweite Schutzbeschichtung 160 kann auf eine Vielzahl
von Arten aufgebracht werden. Beispielsweise kann die zweite Schutzbeschichtung 160 durch
Sprühen,
wie gezeigt ist, Bürsten
oder Ausbreiten aufgebracht werden. Bevorzugt ist die zweite Schutzbeschichtung 160 die
gleiche wie die Beschichtung 138. Es sei jedoch angemerkt,
dass die zweite Beschichtung 160 eine andere Schutzbeschichtung
als diejenige sein kann, die für
die Beschichtung 138 verwendet ist. Ferner kann die zweite
Beschichtung 160 gegebenenfalls selektiv auf diskrete Gebiete
der verschweißten
Abschnitte der Bipolarplatte 88 aufgebracht werden.
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Das
Aneinanderschweißen
der ersten und zweiten Tafel 90, 92, um die Bipolarplatte 88 zu
bilden, über fokussierte
Strahlung, kann eine Vielzahl von Formen annehmen. Beispielsweise
kann eine Laserschweißung wie
Nd-YAG- oder CO2-Laser verwendet werden,
um die erste und zweite Tafel 90, 92 miteinander
zu verschweißen.
Der spezifische Typ von Laser, der gewählt ist, hängt von dem erforderlichen
Spektralbereich, der Energiedichte wie auch dem Strahldurchmesser
zum Aneinanderschweißen
der ersten und zweiten Tafel 90, 92 ab. Zusätzlich können andere
Komponenten der Bipolarplatte 88 mit der ersten und zweiten
Tafel 90, 92 zusammengeschweißt werden, wenn die Bipolarplatte 88 geformt
wird. Bei spielsweise können
Abschnitte der Abstandhaltertafel 94 in Gebieten vorhanden
sein, in denen die erste und zweite Tafel 90, 92 miteinander
verschweißt
werden, und auch durch den Strahl von fokussierter Strahlung geschmolzen
werden und Teil des geschmolzenen Abschnitts der Bipolarplatte 88 bilden.
Die anderen Komponenten der Bipolarplatte 88, die mit der
ersten und zweiten Metalltafel 90, 92 zusammengeschweißt werden,
sind nicht auf die Abstandhaltertafel 94 beschränkt. Andere
Komponenten können
solche Objekte umfassen, wie Sensoren, Ventile, etc., die fest an
der Innenseite oder Außenseite
der Bipolarplatte 88 befestigt werden müssen. Es kann sogar möglich sein, benachbarte
Bipolarplatten 88 durch eine MEA, die dazwischen angeordnet
ist, aneinanderzuschweißen.
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Beispiel 1:
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Es
wurden verschiedene Laserschweißungen
an leitenden, kohlenstoffbeschichteten Platten aus rostfreiem Stahl
durch Querschnittsprüfung
und Ätzen
mit Oxalsäure über ASTM-Standards
und durch Woodcock-Korrosionstest getestet. Die Querschnittsprüfung erzeugte
keinen Nachweis einer in den Platten aus rostfreiem Stahl auftretenden
Sensibilisierung. Bei dem Woodcock-Korrosionstest war ein gewisser
Angriff der Verschweißungen
festzustellen, jedoch lag kein Nachweis einer nachteiligen, in den
Platten aus rostfreiem Stahl auftretenden Sensibilisierung vor.
Die Details des Tests der Platten aus rostfreiem Stahl sind in der
Tabelle unten gezeigt.
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Somit
erlaubt die vorliegende Erfindung, dass Bipolarplatten 88 ökonomisch
und effizient durch Verwendung vorbeschichteten Lagermaterials hergestellt
werden können,
um Tafeln zu bilden, die dann miteinander verschweißt werden,
um die Bipolarplatten zu bilden. Die Anwesenheit einer Beschichtung
an den Tafeln vor dem Verschweißen
beeinträchtigt
nicht die Fähigkeit
der Tafeln, ein ausreichendes Niveau an Korrosionsbeständigkeit
aufrechtzuerhalten. Die Beschichtungen können organisch und/oder anorganisch
sein und die Tafeln können
rostfreien Stahl und eine Vielzahl anderer Materialien, wie oben
beschrieben ist, enthalten. Zusätzlich
kann die Beschichtung nur an einer Außenfläche (Strom leitenden Flächen) der
Platten 90, 92 und/oder an sowohl den Innen- als
auch Außenflächen der
Platten angeordnet sein. Zusätzlich
können
mehr als zwei Schichten oder Metallplatten, die verschiedene Beschichtungen darauf
weisen, gemäß den Grundsätzen der
vorliegenden Erfindung miteinander laserverschweißt werden.
Zusätzlich
kann eine Dichtung oder ein Dichtungselement (nicht gezeigt) an
einer oder mehreren der Flächen
der Bipolarplatte über
der Decklage der verschweißten
Bereiche positioniert und mit der Platte durch Klebstoffe oder durch Überformen
verbunden werden.
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Somit
sei angemerkt, dass die Beschreibung der Erfindung lediglich beispielhafter
Natur ist, und Abwandlungen, die nicht von der Grundidee der Erfindung
abweichen, als innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung befindlich
anzusehen sind. Derartige Abwandlungen werden nicht als Abweichung
von der Grundidee und dem Schutzumfang der Erfindung betrachtet.
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Zusammenfassung
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Die
vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren zum effizienten Herstellen
von Brennstoffzellen, die beschichtete Bipolarplatte aufweisen.
Die vorliegende Erfindung betrifft das Aneinanderschweißen über Laser von
einzelnen Platten, die bereits eine Beschichtung darauf aufweisen,
um die Bipolarplatte zu bilden, die in einer Brennstoffzelle verwendet
werden. Das Aneinanderschweißen
der beschichteten Platten über
Laser resultiert nicht in einer Sensibilisierung der Platten in
einem Maße,
das ausreichend ist, um ein unerwünschtes Niveau an Korrosionsbeständigkeit
zu bewirken. Dieses Resultat wird ungeachtet der Anwesenheit der
organischen Beschichtung in dem zu verschweißenden Gebiet der Platten und
ungeachtet dem Abladieren der organischen Beschichtung durch den
Laserstrahl erreicht.
