DE10330832A1

DE10330832A1 - Separatorplatte für PEM-Brennstoffzelle

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Publication number: DE10330832A1
Application number: DE10330832A
Authority: DE
Inventors: Mahmoud H. Warren Abd Elhamid; Richard H. Macomb Blunk; Daniel J. Eastpointe Lisi; Youssef M. Sterling Heights Mikhail
Original assignee: General Motors Corp
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2002-07-09
Filing date: 2003-07-08
Publication date: 2004-02-05
Also published as: JP2004134373A; US20070164483A1; JP3830926B2; US20040062974A1

Abstract

Es sind eine Verbundseparatorplatte zur Verwendung in einem Brennstoffzellenstapel und ein Herstellungsverfahren vorgesehen. Die Verbundseparatorplatte besteht aus Polymer und umfasst expandierten Graphit, der in dem ganzen Polymermaterial verteilt ist. Der expandierte Graphit stellt einen elektrisch leitenden Weg durch die Separatorplatte hindurch bereit. Das Verfahren umfasst den Schritt, dass der expandierte Graphit in das Polymermaterial gemischt oder eingestreut wird, und dass der expandierte Graphit während des Pressformens der Separatorplatte komprimiert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft PEM-Brennstoffzellen, und insbesondere Verbundseparatorplatten (z.B. bipolare Platten) dafür.

Brennstoffzellen werden als eine Energiequelle für viele Anwendungen, die Fahrzeuganwendungen einschließen, entwickelt. Eine derartige Brennstoffzelle ist die Protonenaustauschmembran- oder PEM-Brennstoffzelle. PEM-Brennstoffzellen sind in der Technik allgemein bekannt und umfassen in jeder ihrer Zellen einen Membran-Elektroden-Aufbau oder MEA. Der MEA ist ein dünner, protonenleitender, polymerer Membran-Elektrolyt mit einer Anodenelektrodenfläche, die auf einer seiner Seiten gebildet ist, und einer Kathodenelektrodenfläche, die auf seiner entgegengesetzten Seite gebildet ist. Im Allgemeinen wird der Membran-Elektrolyt aus Ionenaustauschharzen hergestellt und umfasst typischerweise ein perfluoriertes Sulfonsäure-Polymer, wie etwa NAFION^TM, das von E.I. DuPont de Nemeours & Co. erhältlich ist. Die Anoden- und Kathodenflächen umfassen andererseits typischerweise fein geteilte Kohlenstoffpartikel, sehr fein geteilte katalytische Partikel, die auf den Innen- und Außenflächen der Kohlenstoffpartikel getragen sind, und protonenleitende Partikel, wie etwa NAFION^TM, die mit den katalytischen und Kohlenstoffpartikeln vermischt sind, oder katalytische Partikel ohne Kohlenstoff, die in einem ganzen Polytetrafluorethylen-Bindemittel (PTFE-Bindemittel) verteilt sind.

PEM-Brennstoffzellen mit mehreren Zellen umfassen mehrere MEAs, die in einer elektrischen Reihenschaltung gestapelt und jeweils voneinander durch einen gasundurchlässigen, elektrisch leitfähigen Stromkollektor getrennt sind, der als Separatorplatte oder bipolare Platte bekannt ist. Derartige Brennstoffzellen mit mehreren Zellen sind als Brennstoffzellenstapel oder Stacks bekannt. Die bipolare Platte weist zwei Arbeitsflächen auf, wobei eine der Anode einer Zelle zugewandt ist und die andere der Kathode der nächsten, benachbarten Zelle in dem Stapel zugewandt ist, und leitet elektrisch Strom zwischen den benachbarten Zellen. Stromkollektoren an den Enden des Stapels stehen nur mit den Endzellen in Kontakt und sind als Endplatten bekannt. Die Separatorplatte enthält ein Strömungsfeld, das die gasförmigen Reaktanden (z.B. H₂ und O₂/Luft) über die Oberflächen der Anode und der Kathode verteilt. Diese Strömungsfelder umfassen im Allgemeinen mehrere Stege, die mit dem primären Stromkollektor in Kontakt stehen und dazwischen mehrere Strömungskanäle definieren, durch die die gasförmigen Reaktanden zwischen einer Versorgungssammelleitung und einer Auslasssammelleitung strömen, die an entgegengesetzten Enden der Strömungskanäle angeordnet sind.

Ein hochporöses (d.h. ca. 60%–80%), elektrisch leitfähiges Material (z.B. Stoff, Sieb, Papier, Schaum, usw.), das als "Diffusionsmedium" bekannt ist, ist zwischen den Stromkollektoren und dem MEA angeordnet und dient dazu (1), einen gasförmigen Reaktanden über die gesamte Fläche der Elektrode, zwischen und unter den Stegen des Stromkollektors zu verteilen, und sammelt (2) Strom von der Fläche der Elektrode, die einer Nut zugewandt ist, und befördert ihn zu benachbarten Stegen, die diese Nut definieren. Ein derartiges bekanntes Diffusionsmedium umfasst ein Graphitpapier mit einer Porosität von ungefähr 70 Volumen-%, einer unkomprimierten Dicke von ungefähr 0,17 mm und ist im Handel von Toray Company unter dem Namen Toray 060 erhältlich. Derartige Diffusionsmedien können auch ein feines Netz oder Netzgewebe, ein Edelmetallsieb und dergleichen umfassen, wie es in der Technik allgemein bekannt ist.

In der Umgebung einer H₂-O₂/Luft-PEM-Brennstoffzelle stehen die Stromkollektoren in ständigem Kontakt mit schwach sauren Lösungen (pH 3–5), die F^–, SO₄ ^––, SO₃ ^– , HSO₄ ^–, CO₃ ^–– und HCO₃ ^– usw. enthalten. Außerdem arbeitet die Kathode in einer stark oxidierenden Umgebung, die bis zu einem Maximum von ungefähr +1 V (gegenüber der normalen Wasserstoffelektrode) polarisiert ist, während sie unter Druck stehender Luft ausgesetzt ist. Schließlich ist die Anode ständig Wasserstoff ausgesetzt. Somit müssen die Stromkollektoren gegenüber einer feindlichen Umgebung in der Brennstoffzelle beständig sein.

Bisher ist expandierter Graphit in bipolaren Platten verwendet worden (Fa. Ballard verwendet Platten aus expandiertem Graphit in ihren gegenwärtigen Brennstoffzellenstapeln, und SGL Carbon hat viel mit EG-Platten gearbeitet). Jedoch beginnt dieses Verfahren mit Bahnen aus EG und imprägniert Polymerharz in diese Bahnen hinein, um die Gaspermeation zu verringern. Die Platte weist zwischen 80 und 90% Graphit auf und ist schwierig herzustellen.

Dementsprechend sind Stromkollektoren bisher entweder (1) aus Graphitstücken hergestellt worden, (2) aus Polymerverbundmaterialien geformt worden, die etwa 50 Volumen-% bis ungefähr 90 Volumen-% elektrisch leitfähigen Füllstoff (z.B. Graphitpartikel oder Filamente) umfassen, der in einer ganzen Polymermatrix (thermoplastisch oder warm härtend) verteilt ist, oder (3) aus Metallen gefertigt, die mit Polymerverbundmaterialien beschichtet sind, die ungefähr 30 Volumen-% bis ungefähr 40 Volumen-% leitfähige Partikel enthalten. In dieser letzteren Hinsicht siehe US-Patent Nr. 6,372,376 für Fronk et al., am 16. April 2002 erteilt, das (1) an die Inhaberin dieser Erfindung übertragen wurde, (2) hierin durch Bezugnahme in seinem gesamten Offenbarungsgehalt mit eingeschlossen ist, und (3) Stromkollektoren offenbart, die aus Metallbahnen oder Blechen hergestellt sind, die mit einer korrosionsbeständigen, elektrisch leitfähigen Schicht beschichtet sind, die mehrere elektrisch leitfähige, korrosionsfeste (d.h. oxidationsbeständige und säurebeständige) Füllstoffpartikel umfasst, die in einer ganzen Matrix aus einem säurebeständigen, wasserunlöslichen, oxidationsbeständigen Polymer verteilt sind, welches die Partikel zusammenbindet und sich mit der Oberfläche der Bahn oder des Bleches verbindet. Verbundbeschichtungen vom Typ nach Fronk et al. werden vorzugsweise einen spezifischen Widerstand von nicht mehr als ungefähr 50 Milliohm·cm (engl. mohm-cm) und eine Dicke zwischen ungefähr 5 Mikron und 75 Mikron abhängig von der Zusammensetzung, dem spezifischen Widerstand und der Unversehrtheit der Beschichtung aufweisen. Die dünneren Beschichtungen sind bevorzugt, um einen niedrigeren Spannungsabfall (IR drop) durch den Brennstoffzellenstapel hindurch zu erzielen, wohingegen die dickeren Beschichtungen für einen verbesserten Korrosionsschutz bevorzugt sind.

Ein weiterer Ansatz für die Verwendung von Metallplatten ist gewesen, leichte Metallstromkollektoren mit einer Schicht aus einem Metall oder einer Metallmischung zu beschichten, die sowohl elektrisch leitend als auch korrosionsbeständig ist, um dadurch das darunter liegende Metall zu schützen. Sie beispielsweise Li et al. RE 32,284E, am 17. Juli 2001 erteilt, das an die Inhaberin der vorliegenden Erfindung übertragen wurde und einen leichten Metallkern, eine Passivierungsschicht aus rostfreiem Stahl oben auf dem Kern und eine Schicht aus Titannitrid (TiN) oben auf der Schicht aus rostfreiem Stahl offenbart.

Herkömmlich wird eine Separatorplatte aus einer geeigneten Metalllegierung, wie etwa rostfreiem Stahl oder Aluminium, die mit einer korrosionsbeständigen, leitenden Beschichtung zur Verbesserung der Übertragung von thermischer und elektrischer Energie geschützt ist, gebildet. Derartige Metallplatten erfordern zwei Stanz- oder Ätzprozesse, um die Strömungsfelder zu bilden, und entweder einen Verbindungs- oder (Hart-)Lötprozess, um einen gekühlten Plattenaufbau zu fertigen, was die Kosten und Komplexität für die Konstruktion erhöht. Zusätzlich bleibt die Haltbarkeit der Metallplatte in der korrodierenden Umgebung der Brennstoffzelle und die Möglichkeit einer Kühlmittelleckage ein Problem.

Diese Nachteile haben zur Entwicklung von Verbundseparatorplatten geführt. In dieser Hinsicht sind die jüngsten Bemühungen bei der Entwicklung einer Verbundseparatorplatte auf Materialien mit einer angemessenen elektrischen und thermischen Leitfähigkeit gerichtet gewesen. Materiallieferanten haben Verbundplatten mit einer hohen Kohlenstoffbeladung entwickelt, die aus Graphitpulver im Bereich von 50 Volumen-% bis 90 Volumen-% in einer Polymermatrix bestanden, um die erforderlichen Leitfähigkeitsziele zu erreichen. Separatorplatten von diesem Typ überstehen die korrodierende Umgebung der Brennstoffzelle und erreichen zum größten Teil die Kosten- und Leitfähigkeitsziele. Aufgrund der hohen Graphitbeladung und der hohen spezifischen Schwere von Graphit sind diese Platten jedoch inhärent spröde und dicht, was volumetrische und gravimetrische Stromdichten des Stapels ergibt, die nicht wunschgemäß sind. Eine derartige gegenwärtig erhältliche bipolare Platte ist als die BMC-Platte von Bulk Molding Compound, Inc. of West Chicago, III, erhältlich.

Alternativ sind in einem Versuch, die Kohlenstoffbeladung, zu verringern und die Plattenzähigkeit zu erhöhen, in Verbundplatten diskrete, leitfähige Fasern verwendet worden, siehe anhängige US-Patentanmeldung von Blunk, et al., 09/871,189, die am 31.05.2001 eingereicht und an die Inhaberin dieser Erfindung übertragen wurde und hierin in ihrem Offenbarungsgehalt durch Bezugnahme vollständig mit eingeschlossen ist. Fasermaterialien sind in der axialen Richtung typischerweise zehn- bis tausendfach leitfähiger im Vergleich mit leitfähigen Pulvern. Folglich würde eine Polymer-Separatorplatte mit einem darin angeordneten leitfähigen Fasermaterial die elektrische Leitfähigkeit der Platte erhöhen, ohne eine relativ hohe Konzentration einer Kohlenstoffbeladung, die zu Sprödigkeit führen kann, zu besitzen. Um jedoch diese Vorzüge zu erzielen, müssen die Fasermaterialien in einer Richtung durch die Ebene richtig orientiert sein. Außerdem würde eine Polymer-Separatorplatte mit kontinuierlichen leitfähigen Faserelementen, die sich durch diese hindurch in einer Orientierung durch die Ebene erstrecken, die Übertragung elektrischer Energie durch die Separatorplatte hindurch stark steigern; sie ist jedoch etwas komplizierter herzustellen, siehe US-Patentanmeldung, Serial No. 10/074,913 von Lisi, et al., am 11.02.2002 eingereicht, die an die Inhaberin der vorliegenden Erfindung übertragen wurde und deren Offenbarungsgehalt hierin durch Bezugnahme vollständig mit eingeschlossen ist.

Es hat Bemühungen gegeben, die Masse und das Volumen des Brennstoffzellenstapels durch die Verwendung dünnerer Platten zu verringern. Leider führt die spröde Natur dieser Platten häufig zu Rissen und Bruch, insbesondere während des Ausformens eines Teils, während der Klebeverbindung und während Arbeitsabläufen des Stapelzusammenbaus. Es ist somit erwünscht, bei einer Separatorplatte mit einer im Vergleich niedrigen Kohlenstoffkonzentration und einer im Vergleich hohen Polymerkonzentration die Sprödigkeit der Separatorplatte zu verringern und die Ziele in Bezug auf Masse und Volumen des Brennstoffzellenstapels zu erreichen. Leider ist es bisher bei niedrigen Kohlenstoffkonzentrationen äußerst schwierig, die erwünschten Ziele in Bezug auf elektrische und thermische Leitfähigkeit zu erreichen.

Es ist daher erwünscht, eine Verbund-Brennstoffzellen-Separatorplatte und ein Herstellungsverfahren bereitzustellen, die die inhärenten Probleme überwinden, die zu stark mit Kohlenstoff beladenen Platten, Platten die mit leitfähigen Fasern beladen sind, und den damit einhergehenden Schwierigkeiten gehören. Es ist deshalb erwünscht, einen Brennstoffzellenseparator oder eine bipolare Platte bereitzustellen, die aus einem Verbundmaterial gebildet ist, das bei niedrigen Beladungen mit einem leitfähigen Füllstoff die hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit aufweist, um dünne und weniger spröde Platten zu formen und wiederum Ziele in Bezug auf die Masse und das Volumen der Brennstoffzelle zu erreichen.

Erfindungsgemäß ist eine Verbundseparatorplatte zur Verwendung in einem Brennstoffzellenstapel von der Art mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, die von der ersten Oberfläche abgewandt ist, vorgesehen. Die Verbundseparatorplatte umfasst ein Polymermaterial und expandierten Graphit, der in dem Polymermaterial verteilt ist.

Erfindungsgemäß ist eine Verbundseparatorplatte zur Verwendung in einem Brennstoffzellenstapel von der Art mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, die von der ersten Oberfläche abgewandt ist, vorgesehen. Die Verbundseparatorplatte umfasst ein Polymermaterial und ein komprimierbares leitfähiges Material, das in dem Polymermaterial verteilt ist.

Erfindungsgemäß ist auch ein Herstellungsverfahren für eine Verbundseparatorplatte zur Verwendung in einem Brennstoffzellenstapel vorgesehen. Das Verfahren umfasst die Schritte, dass expandierter Graphit in Partikeln vorbereitet wird. Der expandierte Graphit wird in einem Polymerharz verteilt. Dann werden das Harz und die Graphitpartikel formgepresst, um die Separatorplatte zu bilden.

Bei einem Verfahren wird der expandierte Graphit in dem Polymerharz verteilt, indem er in das Polymerharz hineingemischt wird. In einem alternativen Verfahren wird der expandierte Graphit in das Polymerharz unter Verwendung eines SMC-ähnlichen Verfahrens eingestreut.

Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehend angegebenen detaillierten Beschreibung deutlich werden. Es ist einzusehen, dass die detaillierte Beschreibung und die besonderen Beispiele, obwohl sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, lediglich zu Zwecken der Veranschaulichung dienen und nicht den Schutzumfang der Erfindung begrenzen sollen.

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben. In diesen ist:
1 eine schematische Explosionsansicht eines PEM-Brennstoffzellenstapels;
2 eine perspektivische Explosionsansicht einer bipolaren Platte, die bei PEM-Brennstoffzellenstapeln, wie etwa dem, der in 1 veranschaulicht ist, nützlich ist;
3 eine vergrößerte Schnittansicht eines Teils eines Brennstoffzellenstapels;
4 eine vergrößerte Schnittansicht eines Teils einer bipolaren Platte gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vor dem Pressen;
5 eine vergrößerte Schnittansicht eines Teils einer bipolaren Platte gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 eine vergrößerte Schnittansicht eines Teils einer bipolaren Platte gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 eine graphische Darstellung, die die Materialzähigkeit der Verbundmaterialien gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
8 eine graphische Darstellung, die den Flächenwiderstand von Verbundmaterialien gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; eine graphische Darstellung, die den Flächenwiderstand von alternativen Verbundmaterialien gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
10 eine graphische Darstellung, die die Materialfestigkeit des Verbundmaterials gemäß alternativer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigt;
11 eine graphische Darstellung, die den Flächenwiderstand von Verbundmaterial gemäß alternativer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigt; und
12 eine Tabelle, die die Wirkung der Konzentration von expandiertem Graphit auf den Flächenwiderstand zeigt.
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen) ist lediglich beispielhafter Natur und soll die Erfindung, ihre Anwendung oder Benutzungen in keinster Weise beschränken.
Bei 10 in 1 ist allgemein ein Brennstoffzellenstapel mit bipolarer PEM und zwei Zellen gezeigt. Der Brennstoffzellenstapel 10 umfasst zwei Membran-Elektroden-Aufbauten (MEAs), die allgemein mit 12 und 14 angegeben sind. Die MEAs sind voneinander durch eine elektrisch leitfähige, flüssigkeitsgekühlte, bipolare Platte getrennt, die allgemein mit 16 angegeben ist. Die Separatorplatte 16 ist auch als eine bipolare Platte 16 bekannt. Die MEAs 12 und 14 und die bipolare Platte 16 sind zwischen Klemmplatten aus rostfreiem Stahl, die allgemein mit 18 und 20 angegeben sind, und Stromkollektorendplatten, die allgemein mit 22 und 24 angegeben sind, gestapelt. Die Klemmplatten 18 und 20 bringen eine Presskraft auf den Stapel 10 mittels Bolzen oder Schrauben (nicht gezeigt) auf, die durch Öffnungen 26 an den Ecken der Klemmplatten 18, 20 hindurch verlaufen. Die Endplatten 22 und 24 sowie beide Arbeitsflächen der bipolaren Platte 16 enthalten mehrere Nuten oder Kanäle 28, 34 und 72. Die Nuten 28 und 34 an den Endplatten 22 bzw. 24 und die Nuten 72 befinden sich auf beiden Flächen der bipolaren Platte 16. Die Nuten 28, 34 und 72 dienen zur Verteilung von Brennstoff und Oxidationsmittelgasen (d.h. H₂ & O₂) auf die MEAs 12 und 14.
Nichtleitende Dichtungen 36, 38, 40 und 42 stellen Abdichtungen und eine elektrische Isolierung zwischen den unterschiedlichen Bestandteilen des Brennstoffzellenstapels bereit. Gasdurchlässige Kohlenstoff/Graphit-Diffusionsmedien 44, 46, 48 und 50 drücken gegen die Elektrodenflächen der MEAs 12 und 14. Die Endplatten 22 und 24 drücken jeweils gegen die Kohlenstoff/Graphit-Diffusionsmedien 44 bzw. 50, wohingegen die bipolare Platte 16 gegen die Kohlenstoff/Graphit-Medien 46 auf der Anodenfläche des MEA 12 und gegen Kohlenstoff/Graphit-Medien 48 auf der Kathodenfläche von MEA 14 drückt.
Der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels wird Sauerstoff aus einem Speichertank 52 über eine geeignete Versorgungsrohrleitung 54 zugeführt, während Wasserstoff der Anodenseite der Brennstoffzelle aus einem Speichertank 56 über eine geeignete Versorgungsrohrleitung 58 zugeführt wird. Alternativ kann der Kathodenseite Luft aus der Umgebung und der Anode Wasserstoff aus einem Methanol- oder Benzinreformer oder dergleichen zugeführt werden. Eine Auslassrohrleitung (nicht gezeigt) für sowohl die H₂- als auch die O₂/Luft-Seiten der MEAs wird ebenfalls vorgesehen sein. Zusätzliche Rohrleitungen 60, 62 und 64 sind zur Zufuhr von flüssigem Kühlmittel zu der bipolaren Platte 16 und den Endplatten 22 und 24 vorgesehen. Es sind ebenfalls geeignete Rohrleitungen für den Auslass von Kühlmittel von der Platte 16 und den Endplatten 22 und 24 vorgesehen, aber nicht gezeigt.
2 zeigt eine schematische Perspektivansicht der bipolaren Platte 16 von 1. Die bipolare Platte 16 umfasst tatsächlich zwei ähnliche Plattenhälften 74, die aneinander befestigt sind. Jede Plattenhälfte ist vorzugsweise identisch, und die beiden Plattenhälften 74 sind etwa durch die Verwendung eines geeigneten Klebstoffes oder durch (Hart-)Lötung aneinander befestigt. Wie es in den 2 und 3 zu sehen ist, umfasst jede Plattenhälfte 74 eine erste Oberfläche 66 und eine zweite Oberfläche 68. Die erste Oberfläche 66 steht mit den Kohlenstoff-Graphit-Medien 46 und 48 in Eingriff. Die erste Oberfläche 66 umfasst mehrere Stege 70, die mehrere Nuten 72 dazwischen definieren, die als "Strömungsfeld" bekannt sind, durch die die Reaktandengase der Brennstoffzelle (d.h. H₂ oder O₂) in einem verschlungenen Weg von der ersten Oberfläche 66 der Hälfte 74 der bipolaren Platte zu der zweiten Oberfläche 68 derselben strömen. Wenn die Brennstoffzelle 10 vollständig zusammengebaut ist, drücken die Stege 70 auf die Kohlenstoff/Graphit-Medien 46 und 48, die jeweils wiederum gegen die MEAs 12 bzw. 14 drücken. 2 zeigt die Anordnung von Stegen 70 und Nuten 72 in einem stark vergrößerten Maßstab. Es ist festzustellen, dass die Platte 16 jede beliebige Gestalt annehmen kann.
Die zweite Oberfläche 68 der Plattenhälften umfasst mehrere Kanäle 76 in der von dem Steg 70 abgewandten Fläche. Dies ist am besten in 3 zu sehen. Die Kanäle 76 von gegenüberliegenden Plattenhälften 74 sind miteinander ausgerichtet, wenn die Plattenhälften 74 aneinander befestigt sind, um Kühlmittelströmungskanäle durch die bipolare Platte 16 hindurch bereitzustellen. Wie es in 3 gezeigt ist, liegt ein Kühlmittelkanal 76 vorzugsweise unter jedem Steg 70. Die Form der Stege 70 definiert die Größe, Form und Anordnung der Strömungsfelder und kann verändert werden, um die gewünschte Strömung der gasförmigen Reaktanden zu erzielen. Wie es vorliegend dargestellt ist, sind die Strömungsfelder derart gestaltet, dass sie parallele Nuten 72 und Stege 70 aufweisen.
Während Hälften 74 einer bipolaren Platte gezeigt sind, ist festzustellen, dass die bipolare Platte 16 als eine einzige Platte ausgebildet sein kann. Das heißt die bipolare Platte kann einstückig ausgebildet sein, wobei sich die Stege 70 von jeder ihrer Außenflächen erstrecken und die Kühlkanäle 76 darin gebildet sind.
Jede Hälfte 74 der bipolaren Platte umfasst ein Verbundmaterial. Das Verbundmaterial umfasst vorzugsweise ein Polymermaterial mit einer im Vergleich hohen Festigkeit, geeigneten thermischen und elektrischen Leitfähigkeitseigenschaften und niedriger Permeation in Bezug auf _ das Kühlmittelfluid und Reaktandengase. Das Verbundmaterial umfasst ferner einen komprimierbaren und leitfähigen Zusatz.
Das Polymermaterial ist entweder ein warm härtendes oder ein thermoplastisches Polymer. Vorzugsweise ist das Polymermaterial aus der Gruppe ausgewählt, die aus Epoxid (engl. epoxy), Polyvinylester, Polyester, Polypropylen und Polyvinylidenfluorid (PVDF) besteht. Obwohl oben die bevorzugten Polymermaterialien aufgeführt sind, ist festzustellen, dass jedes geeignete Polymermaterial im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Es ist ferner festzustellen, dass das Polymermaterial auch Vernetzungsinitiatoren, wie beispielsweise Benzoylperoxid in verschiedenen Konzentrationen abhängig von der gewünschten Aushärtungstaktzeit umfassen kann. Das Polymermaterial kann auch Härter umfassen, wie beispielsweise Benzyldimethylamin, der besonders nützlich ist, wenn Epoxid als das Polymermaterial benutzt wird. Ferner können geeignete Vernetzungsmittel verwendet werden. Ein derartiges Vernetzungsmittel ist MethylTetraHydroPhthalat-Anhydrid (MTHPA), das besonders nützlich ist, wenn Epoxid als das Polymermaterial benutzt wird.
Die thermische und elektrische Leitfähigkeit kann verbessert werden, indem das Polymermaterial mit einem komprimierbaren leitfähigen Material beladen wird. Das bevorzugte komprimierbare Material ist expandierter Graphit. Expandierter Graphit wird durch Abschuppung der Graphitebenen von natürlichem oder synthetischem Graphit hergestellt. Expandierter Graphit kann verdichtet und zu Platten oder Bahnen verschiedener Dicken hergestellt werden. Expandierter Graphit ist auch porös. Derartige Bahnen sind im Handel von SGL Carbon Group erhältlich und werden vorwiegend als Dichtungsmaterialien verwendet. Es ist bevor zugt, dass die verwendeten Bahnen zwischen ungefähr 3 mm und ungefähr 13 mm dick sind. Durch die Verwendung derartiger poröser und komprimierbarer Bahnen kann eine weitere Verdichtung des expandierten Graphits erzielt werden, und das Polymerharz kann leicht in die poröse Struktur für eine verbesserte Anhaftung und Gasundurchlässigkeit eindringen. Das Flächengewicht derartiger Bahnen liegt zwischen ungefähr 1000 und 4000 g/m². Es ist jedoch festzustellen, dass Bahnen mit anderer Dicke und Bahnen mit unterschiedlichem Flächengewicht im Schutzumfang der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
Die Bahnen aus expandiertem Graphit werden entweder manuell oder automatisch in Chargengrößen von ungefähr 2,54 mm × 2,54 mm (1 Zoll mal 1 Zoll) zerkleinert. Die Chargen werden dann weiter bis zu einer geeigneten Partikelgröße unter Verwendung einer passenden Mahlvorrichtung, wie etwa einer Mühle oder einem Mischer, zerkleinert. Die bevorzugte Partikelgröße des expandierten Graphits, der dem Polymermaterial hinzugefügt wird, liegt zwischen ungefähr 0,4 und 3 mm. Die Partikelgrößen sind vorzugsweise größer als ungefähr 10% der abschließenden Plattendicke. Es hat sich erwiesen, dass Misch- oder Mahlzeiten der Chargen von zwischen 10 Sekunden und 3 Minuten zu der geeigneten Partikelgröße führen. Längere Mahlzeiten werden zu Partikeln aus expandiertem Graphit mit einer im Vergleich kleineren Größe führen.
Es ist bevorzugt, dass der expandierte Graphit zwischen ungefähr 10 Volumen-% und ungefähr 50 Volumen-% des Plattenmaterials umfasst. Es ist ferner bevorzugt, dass der expandierte Graphit zwischen ungefähr 20 Volumen-% und 35 Volumen-% des Plattenmaterials umfasst. Wenn eine geringere Beladung mit expandiertem Graphit ver wendet wird, ist es bevorzugt, im Vergleich größere Partikelgrößen von expandiertem Graphit zu verwenden, vorzugsweise zwischen 1 und 3 mm.
Um das Verbundmaterial vorzubereiten, wird das passende Harz ausgewählt. Es können Vernetzungsinitiatoren und Härter hinzugefügt werden. Die Partikel aus expandiertem Graphit werden gemäß dem oben angegebenen Verfahren vorbereitet und dann auf die bevorzugte Größenverteilung unter Verwendung einer geeigneten Maschenweite gesiebt und in das Harz unter Verwendung herkömmlicher Mischeinrichtung, wie etwa Brabender, Doppelschneckenextruder und Mischvorrichtungen gemischt. Sobald der expandierte Graphit in dem Harz durch Mischen verteilt ist, wird das Verbundmaterial bei geeigneten Drücken und Aushärtungszeiten zu der gewünschten Plattengestalt formgepresst. Obwohl Pressformen offenbart worden ist, ist festzustellen, dass erfindungsgemäß jede geeignete Formgebungs- oder Verbundbildungstechnik verwendet werden kann.
Alternativ werden die Partikel aus expandiertem Graphit gemäß dem oben angegebenen Verfahren vorbereitet und dann auf die bevorzugte Größenverteilung unter Verwendung einer geeigneten Maschenweite gesiebt und in dem flüssigen Polymerharz durch Einstreuen unter Verwendung eines Verfahrens verteilt, das ähnlich ist wie das Verfahren für. SMC (sheet molding compound), und zwar vorzugsweise unter Verwendung eines Harzsystems der "B-Stufe". Sobald der expandierte Graphit durch Einstreuen in das Harz in diesem verteilt worden ist, wird das Verbundmaterial bei geeigneten Drücken und Aushärtungszeiten zu der gewünschten Plattengestalt formgepresst. Einstreuen soll sich auf jedes Verfahren beziehen, das den expandierten Graphit in das Harz ohne die Notwendigkeit für ein weiteres Mischen zur Verteilung des expandierten Graphits in dem ganzen Harz platziert. Dies kann umfassen, ist aber nicht begrenzt auf, Einstreuen oder Fallenlassen des expandierten Graphits aus einer Stellung oberhalb des Harzes. Die Verwendung dieses Verfahrens erlaubt es, dass das Plattenmaterial aus expandiertem Graphit gleichmäßiger in die Pressform eingebracht werden kann. Ferner erlaubt die Verwendung dieses Verfahrens, dass im Vergleich größere Partikelgrößen des expandierten Graphits leichter in dem Harz verteilt werden können.
In manchen Fällen kann es erwünscht sein, eine Polymerhaut zu entfernen, die sich über den Oberflächen 66, 68 der Platte während des Formungsprozesses bilden kann. Diese Haut kann durch irgendein geeignetes Verfahren, wie etwa beispielsweise Abschleifen, entfernt werden. Das Entfernen dieser Haut wird zu einem niedrigeren Kontaktwiderstand zwischen der ersten Oberfläche 66 und den benachbarten Kohlenstoff-Graphit-Medien 46, 48 führen.
4 ist eine schematische Darstellung des Verbundmaterials vor dem Pressformen der Platte 16. Wie es gezeigt ist, werden die expandierten Graphitpartikel 80 etwa durch Mischen oder Einstreuen in das Harz 82 verteilt. Manche der größeren Graphitpartikel 80 können sich aus dem Harz 82 heraus erstrecken. 5 ist eine schematische Darstellung des Verbundmaterials nach dem Pressformen der bipolaren Platte 16. Wie es zu sehen ist, sind die Graphitpartikel 80, und insbesondere jene, die sich aus dem Harz heraus erstrecken, auf die Dicke der Platte 16 komprimiert. Zumindest manche der Graphitpartikel 80 können sich über die gesamte Dicke der Platte 16 hinweg erstrecken. Dies ist darin vorteilhaft, dass ein direkter und kontinuierlicher Strömungsweg von Elektronen durch die Partikel aus expandiertem Graphit 80 hinweg geschaffen wird, was zu einem im Vergleich niedrigeren Volumenwiderstand der bipolaren Platte 16 führt. Die kleineren Partikel aus expandiertem Graphit 80 können miteinander in Kontakt stehen, um einen Strömungsweg für Elektronen durch die Dicke der Platte 16 hindurch zu bilden. Die Verwendung von Partikeln aus expandiertem Graphit 80 führt zu einem im Vergleich niedrigen Volumenwiderstand der Platte bei geringeren Mengen einer Graphitbeladung in der Platte 16. Somit können die physikalischen Eigenschaften der Platte unter Verwendung von im Vergleich höherer Polymerkonzentrationen als die bisher verfügbaren zugeschnitten werden.
Es ist auch festzustellen, dass dem Polymerharz verschiedene Füllstoffe hinzugefügt werden können, um die physikalischen Eigenschaften der Platte 16 zuzuschneiden. Die Zusätze können dazu verwendet werden, der Platte 16 Festigkeit, Zähigkeit, Duktilität oder andere physikalische Eigenschaften zu verleihen. Es können viele Arten von Zusätzen innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Erfindung verwendet werden, die Glasfasern, Metallfasern, Baumwollflocken, Fasern auf der Grundlage von Polyacrylnitrid (PAN) gemahlen oder zerhackt einschließen aber nicht auf diese beschränkt sind. Es kann auch ein Polymer- und Metallnetz oder -gitter verwendet werden. Wenn ein Netz verwendet wird, sind Netzmaschenweiten von größer als 1,5 mm bevorzugt, so dass die Leitfähigkeit der Platte nicht nachteilig beeinflusst wird. Das Volumen der Zusätze hängt von den gewünschten abschließenden Eigenschaften der Platte 16 ab. Wenn Kohlefasern verwendet werden, ist es erwünscht, einen Gesamtkohlenstoffgehalt von 50 Volumen-% nicht zu überschreiten.
Wie es am besten in 6 zu sehen ist, kann eine leitfähige Verbindungsschicht 84 über den äußeren Oberflächen 66 der Plattenhälften 74 angeordnet sein, wie es in der US-Patentanmeldung, Serial No. 09/997,190 von Blunk, et al., am 20.01.2001 eingereicht, die an die Inhaberin der vorliegenden Erfindung übertragen wurde und hierin in ihrem gesamten Offenbarungsgehalt durch Bezugnahme mit eingeschlossen ist, beschrieben ist. Die leitfähige Verbindungsschicht ist eine elektrisch leitfähige Schicht, die dazu verwendet wird, zu helfen, den Kontaktwiderstand zwischen den ersten Oberflächen 66 und den benachbarten Kohlenstoff-Graphit-Medien 46, 48 zu verringern. Es kann jedes geeignete Material für die leitfähige Verbindungsschicht 84 verwendet werden. Bevorzugte Materialien für die Verbindungsschicht 84 umfassen Gold, Silber, Platin, Kohlenstoff, Palladium, Rhodium und Ruthenium. Die leitfähige Verbindungsschicht kann auf der ersten Oberfläche 66 durch irgendeine geeignete Technik abgeschieden werden. Eine geeignete Technik ist die Verwendung von Abscheidung der Verbindungsschicht 84 aus der Dampfphase.
Es wurden Tests verschiedener Plattenzusammensetzungen durchgeführt. Die Ergebnisse der Tests sind in den 7–12 angegeben. In den 7 und 9 bis 11 bezieht sich PVE auf 75 Volumen-% Ashland-Polyvinylesterharz Q6055 mit 4 BPO by weight. Die Aushärtung beträgt 15 Minuten bei 195°C (380°F) (Carver Temp.). Die PVE-Proben wurden 60 Minuten bei 150°C nachgehärtet. Epoxid bezieht sich auf 75 Volumen-% 383 Dow Epoxid mit MTHPA-Vernetzungsmittel und BDMA-Härter. Die Epoxidproben wurden 20 Minuten bei 150°C (300°F) (Carver Temp.) gehärtet.
In den 8 und 12 umfasst das getestete Epoxid Dow Chemical Epoxidharz (100 Gewichtsteile), Lonza MTHPA-Aushärtungsmittel (80 Gewichtsteile) und BDMA-Härter (2 Gewichtsteile). Die Bahn aus expandiertem Graphit wurde von SGL Carbon Group erhalten und wies eine Dicke von ungefähr 13 mm auf. Die Bahn wurde in Chargen von ungefähr 2,54 mal 2,54 mm (1 Zoll mal 1 Zoll) zerkleinert. Etwas von dem expandierten Graphit wurde in einem Mischer ungefähr 3 Minuten zerkleinert, was zu im Vergleich kleinen Partikeln aus expandiertem Graphit führt (kleiner als ungefähr 1 mm). Etwas von dem expandierten Graphit wurde in einem Mischer ungefähr 10 Sekunden zerkleinert, was zu im Vergleich größeren Partikeln aus expandiertem Graphit (größer als ungefähr 1 mm) führt. Die Partikel aus expandiertem Graphit wurden dann von Hand in das Epoxid hineingemischt. Die Mischung wurde bei 150°C (300°F) (Carver Platen Temperature) ungefähr 15 Minuten bei 22 Tonnen in 0,5 mm Scheiben gehärtet.
Erfindungsgemäß hergestellte Separatorplatten 16 besitzen einen im Vergleich höheren Polymergehalt als er bisher erhältlich war. Erfindungsgemäß hergestellte Platten zeigen niedrigere Wasserstoffpermeationsraten. Die Wasserstoffpermeation ist geringer als 0,01 mA/cm² bei 25 psig, 80°C und 0,5 mm). Diese geringe Permeation deutet an, dass die Platten dünner Hergestellt werden können als es bisher möglich war. Korrosionstestdaten für eine simulierte Umgebung einer Brennstoffzelle auf der Kathodenseite bei 80°C und einem Potential von +0,6 V gegenüber einer Ag/AgCl-Elektrode zeigte keinen wesentlichen Anodenstrom (ungefähr 50 nA/cm²). Ferner zeigten die Platten eine geringe Wasseraufnahme (< 1% für 1 Monat bei 90°C). Das Material zeigte auch eine im Vergleich niedrige Viskosität, was zu geringen Druckabfällen für eine Erleichterung der Herstellung führt.
Es wurden Materialzähigkeitstests durchgeführt. Die Ergebnisse der Tests sind in den 7 und 10 gezeigt. 7 zeigt die Ergebnisse unter Benutzung von Epoxid- und PVE-Harzen und 20 Volumen-% expandiertem Graphit. 10 zeigt die Wirkung der Verwendung von Kohlefasern auf PAN-Basis (gemahlen oder zerhackt) auf die Materialzähigkeit. Ferner zeigt 10 die Ergebnisse im Vergleich mit BMC-Material für die bipolare Platte. Es wurde ein Standard-3-Punkt-Biegetest nach ASTM D790 durchgeführt. Das Material zeigte gute Duktilität/Zähigkeit im Vergleich mit einem BMC-Material, das stark mit Kohlenstoff beladen ist. Die Ergebnisse deuten an, dass erfindungsgemäß hergestellte Platten weniger spröde sein würden als jene, die bisher verfügbar waren, und dass sie weniger wahrscheinlich zu Ausschuss führen werden. Wegen der höheren Polymerkonzentration bei der vorliegenden Erfindung zeigen die Daten zusätzlich klar, dass die physikalischen/mechanischen Eigenschaften der Platten leichter zugeschnitten werden können.
Die Wirkung der Beladung mit expandiertem Graphit auf den spezifischen Flächenwiderstand der erfindungsgemäß hergestellten Verbundmaterialien wurde ebenfalls getestet. Die 8, 9 und 11 enthalten jeweils die Ergebnisse der Testdaten. 8 zeigt die Ergebnisse der Tests unter Verwendung eines Verbundes, der aus Epoxid mit den gezeigten Beladungen aus expandiertem Graphit gebildet ist. 9 zeigt die Ergebnisse der Tests unter Verwendung eines Verbundes, der aus PVE und einer. Beladung mit expandiertem Graphit von ungefähr 26% gebildet ist.
11 zeigt die Wirkung des Zusatzes von Kohlefasern auf PAN-Basis (gemahlen oder zerhackt) auf den Widerstand.
Die Testspannvorrichtung umfasste zwei geeignete Elektroden. Geeignete Diffusionsmedien wurden über den Elektroden angeordnet, und die Testmaterialien wurden zwischen den Diffusionsmedien angeordnet. Es wurde eine Druckkraft auf die Spannvorrichtung aufgebracht. Der resultierende Flächenwiderstand wurde an den Diffusionsmedien auf beiden Seiten der Test-Verbundseparatorplatte gemessen. Die Ergebnisse zeigen, dass jede Probe einen spezifischen Flächenwiderstand von weniger als 40 Milliohm·cm² bei Kompressionsdrücken von weniger als oder gleich 200 psi und größer als 25 psi aufwies. Der spezifische Flächenwiderstand ist kleiner als 20 Milliohm·cm² bei Kompressionsdrücken von größer als oder 200 psi.
12 zeigt die Wirkung der Konzentration von expandiertem Graphit auf den Flächenwiderstand. In 12 bezieht sich die Beziehung As-Is auf die Oberfläche der Separatorplatte und gibt die Oberfläche an, wenn sie aus der Form herauskommt. Sie wird nicht abgeschliffen. Die Bezeichnung abgeschliffen bezieht sich auf Abschleifen der Oberfläche der Separatorplatte. Die Bezeichnung Ag CTL bezieht sich auf die Abscheidung einer leitfähigen Verbindungsschicht aus Silber auf die Oberfläche der Separatorplatte.
Wie es aus den Testdaten ersichtlich ist, können ein- und zweiteilige bipolare Separatorplatten unter Verwendung des oben beschriebenen Materials hergestellt werden. Derartige Separatorplatten können relativ dünn, kleiner als 2 mm, hergestellt werden. Sie sind leicht und besitzen eine Dichte von weniger als 1,4 g/cm³. Derartige Platten haben auch eine gute thermische und elektrische Leitfähigkeit. Die Platten sind zäh und können zu reduziertem Ausschuss in Bezug auf gegenwärtig existierende Platten, insbesondere während der Ausformungs-, Verpackungs-, Verbindungs- und Stapelungsarbeitsabläufen führen.
Zusammengefasst sind eine Verbundseparatorplatte zur Verwendung in einem Brennstoffzellenstapel und ein Herstellungsverfahren vorgesehen. Die Verbundseparatorplatte besteht aus Polymer und umfasst expandierten Graphit, der in dem ganzen Polymermaterial verteilt ist. Der expandierte Graphit stellt einen elektrisch leitenden Weg durch die Separatorplatte hindurch bereit. Das Verfahren umfasst den Schritt, dass der expandierte Graphit in das Polymermaterial gemischt oder eingestreut wird, und dass der expandierte Graphit während des Pressformens der Separatorplatte komprimiert wird.

Claims

Verbundseparatorplatte zur Verwendung in einem Brennstoffzellenstapel (10) von der Art mit einer ersten Oberfläche (66) und einer zweiten Oberfläche (68), die von der ersten Oberfläche (66) abgewandt ist, wobei die Verbundseparatorplatte (16) ein Polymermaterial (82) und expandierten Graphit (80), der in dem Polymermaterial (82) verteilt ist, umfasst.
Verbundseparatorplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der expandierte Graphit (80) zwischen ungefähr 10 Volumen-% und ungefähr 50 Volumen-% umfasst.
Verbundseparatorplatte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der expandierte Graphit (80) zwischen ungefähr 20 Volumen-% und 35 Volumen-% umfasst.
Verbundseparatorplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der expandierte Graphit (80) in Partikelgrößen zwischen ungefähr 0,4 und 3,0 Millimetern vorliegt.
Verbundseparatorplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der expandierte Graphit (80) in Partikelgrößen von größer als 10% der abschließenden Plattendicke vorliegt.
Verbundseparatorplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens etwas von dem expandierten Graphit (80) sich von der ersten Oberfläche (66) bis zur zweiten Oberfläche (68) erstreckt.
Verbundseparatorplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymermaterial (82) aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus warm härtenden und thermoplastischen Polymeren besteht.
Verbundseparatorplatte nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymermaterial (82) aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Epoxid, Polyvinylester, Polyester, Polypropylen und Polyvinylidenfluorid besteht.
Verbundseparatorplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der expandierte Graphit (80) komprimierbar ist.
Verbundseparatorplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der expandierte Graphit (80) porös ist.
Verbundseparatorplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte ferner ein Füllmaterial umfasst, das in dem Polymermaterial (82) verteilt ist.
Verbundseparatorplatte nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Glasfasern, Metallfasern, Faserbündeln (cotton flock), Kohlefasern auf Polyacrylnitrilbasis (PAN-Basis) und Polymer- und Metallnetz besteht.
Verbundseparatorplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte eine Wasserstoffpermeation von weniger als 0,01 mAmp/cm² bei 25 psig, 80°C und 0,5 mm) aufweist.
Verbundseparatorplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundseparatorplatte eine Schicht aus leitfähigem Material umfasst, die über der ersten Oberfläche (66) angeordnet ist, wobei die Schicht aus leitfähigem Material mit dem expandierten Graphit (80) in Kontakt steht.
Verbundseparatorplatte nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das leitfähige Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Gold, Silber, Platin, Kohlenstoff, Palladium, Rhodium und Ruthenium besteht.
Verbundseparatorplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte einen spezifischen Flächenwiderstand von weniger als 40 Milliohm·cm² bei Kompressionsdrücken von weniger als oder gleich 200 psi und größer als 25 psi aufweist.
Verbundseparatorplatte nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte einen spezifischen Flächenwiderstand von weniger als 20 Milliohm·cm² bei Kompressionsdrücken von größer als oder gleich 200 psi aufweist.
Verbundseparatorplatte zur Verwendung in einem Brennstoffzellenstapel (10) von der Art mit einer ersten Oberfläche (66) und einer zweiten Oberfläche (68), die von der ersten Oberfläche (66) abgewandt ist, wobei die Verbundseparatorplatte (16) ein Polymermaterial (82) und ein komprimierbares leitfähiges Material (80), das in dem Polymermaterial (82) verteilt ist, umfasst.
Verbundseparatorplatte nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das komprimierbare Material zwischen ungefähr 10 Volumen-% und ungefähr 50 Volumen-% umfasst.
Verbundseparatorplatte nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das komprimierbare Material zwischen ungefähr 20 Volumen-% und 35 Volumen-% umfasst.
Verbundseparatorplatte nach einem der Ansprüche 18–20, dadurch gekennzeichnet, dass das komprimierbare Material expandierten Graphit (80) umfasst.
Verbundseparatorplatte nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der expandierte Graphit (80) in Partikelgrößen zwischen ungefähr 0,4 und 3,0 Millimetern vorliegt.
Verbundseparatorplatte nach einem der Ansprüche 18–22, dadurch gekennzeichnet, dass das komprimierbare Material in Partikelgrößen von größer als 10% der abschließenden Plattendicke vorliegt.
Verbundseparatorplatte nach einem der Ansprüche 18–23, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest etwas von dem komprimierbaren Material sich von der ersten Oberfläche (66) bis zur zweiten Oberfläche (68) erstreckt.
Verbundseparatorplatte nach einem der Ansprüche 18–24, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymermaterial (82) aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus warm härtenden und thermoplastischen Polymeren besteht.
Verbundseparatorplatte nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymermaterial (82) aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Epoxid, Polyvinylester, Polyester, Polypropylen und Polyvinylidenfluorid besteht.
Verbundseparatorplatte nach einem der Ansprüche 18–26, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte ferner ein Füllmaterial umfasst, das in dem Polymermaterial (82) verteilt ist.
Verbundseparatorplatte nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Glasfasern, Metallfasern, Faserbündeln (cotton flock), Kohlefasern auf Polyacrylnitrilbasis (PAN-Basis) und Polymer- und Metallnetz besteht.
Verbundseparatorplatte nach einem der Ansprüche 18–28, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte eine Wasserstoffpermeation von weniger als 0,01 mAmp/cm² bei 25 psig, 80°C und 0,5 mm) aufweist.
Verbundseparatorplatte nach einem der Ansprüche 21–29, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundseparatorplatte (16) eine Schicht aus leitfähigem Material umfasst, die über der ersten Oberfläche (66) angeordnet ist, wobei die Schicht aus leitfähigem Material mit dem expandierten Graphit (80) in Kontakt steht.
Verbundseparatorplatte nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass das leitfähige Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Gold, Silber, Platin, Kohlenstoff, Palladium, Rhodium und Ruthenium besteht.
Verbundseparatorplatte nach einem der Ansprüche 18–31, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte (16) einen spezifischen Flächenwiderstand von weniger als 40 Milliohm·cm² bei Kompressionsdrücken von weniger als oder gleich 200 psi und größer als 25 psi aufweist.
Verbundseparatorplatte nach einem der Ansprüche 18–32, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte (16) einen spezifischen Flächenwiderstand von weniger als 20 Milliohm·cm² bei Kompressionsdrücken von größer als oder gleich 200 psi aufweist.
Verfahren zum Herstellen einer Verbundseparatorplatte für eine Brennstoffzelle mit den Schritten, dass: expandierter Graphit (80) in Partikeln vorbereitet wird, der expandierte Graphit (80) in einem Polymerharz (82) verteilt wird, das Harz (82) und die Graphitpartikel (80) pressgeformt werden, um die Separatorplatte (16) zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass der expandierte Graphit (80) durch Mischen in das Polymerharz (82) verteilt wird.
Verfahren nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass der expandierte Graphit (80) durch Einstreuen in das Polymerharz (82) verteilt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 34–36, dadurch gekennzeichnet, dass der expandierte Graphit (80) zwischen ungefähr 10 Volumen-% und ungefähr 50 Volumen-% der Platte (16) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 34–37, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel aus expandiertem Graphit (80) vorbereitet werden, indem expandierter Graphit (80) auf Partikelgrößen zwischen ungefähr 0,4 und 3,0 mm zermahlen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 34–38, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel aus expandiertem Graphit (80) gesiebt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 34–39, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel aus expandiertem Graphit (80) vorbereitet werden, indem der expandierte Graphit (80) auf Partikelgrößen gemahlen wird, die größer als 10% der abschließenden Plattendicke sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 34–40, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymerharz aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Epoxid, Polyvinylester, Polyester, Polypropylen und Polyvinylidenfluorid besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 34–41, gekennzeichnet durch den Schritt, dass ein Füllmaterial in dem Polymerharz verteilt wird.
Verfahren nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Glasfasern, Metallfasern, Faserbündeln (cotton flock), Kohlefasern auf Polyacrylnitrilbasis (PAN-Basis) und Polymer- und Metallnetz besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 34–43, gekennzeichnet durch den Schritt, dass ein Teil des Polymerharzes von mindestens einem Teil einer Oberfläche (66, 68) der Separatorplatte (16) entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil des Polymerharzes durch Abschleifen mindestens eines Teils einer Oberfläche (66, 68) der Separatorplatte (16) entfernt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 34–45, gekennzeichnet durch den Schritt, dass eine leitfähige Verbindungsschicht auf zumindest einem Teil der Separatorplatte (16) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Verbindungsschicht aus der Dampfphase auf mindestens einen Teil der Separatorplatte (16) abgeschieden wird.