DE102005003469B4

DE102005003469B4 - Stranggepresste bipolare Platten, Brennstoffzellen mit diesen sowie ein Verfahren zur Herstellung stranggepresster bipolarer Platten

Info

Publication number: DE102005003469B4
Application number: DE102005003469A
Authority: DE
Inventors: Paul E. Sterling Heights Krajewski; Raja K. Shelby Township Mishra
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2004-01-27
Filing date: 2005-01-25
Publication date: 2010-03-04
Anticipated expiration: 2025-01-26
Also published as: US20050164070A1; DE102005003469A1

Abstract

Brennstoffzelle (70, 98) mit:
einer ersten bipolaren Platte (72) mit Strömungskanälen (74, 76, 78); einer zweiten bipolaren Platte (80) mit Strömungskanälen (82, 84, 86); und
einer zwischen der ersten und zweiten bipolaren Platte (72, 80) ausgebildeten Membran (92), wobei die erste und zweite bipolare Platte (72, 80) stranggepresste bipolare Platten sind, wobei die Strömungskanäle (74, 76, 78; 82, 84, 86) durch einen Strangpressprozess ausgebildet sind.

Description

Diese Erfindung betrifft allgemein bipolare Platten für eine Brennstoffzelle und insbesondere bipolare Platten für eine Brennstoffzelle, die stranggepresst sind, um die verschiedenen Strömungskanäle in den Platten vorzusehen.
Wasserstoff stellt einen sehr attraktiven Brennstoff dar, da er sauber ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Die Kraftfahrzeugindustrie wendet erhebliche Ressourcen bei der Entwicklung von Wasserstoff-Brennstoffzellen als Antriebs- bzw. Energiequelle für Fahrzeuge auf. Derartige Fahrzeuge sind effizienter und erzeugen weniger Emissionen als heutzutage gebräuchliche Fahrzeuge, die Verbrennungsmotoren verwenden.
Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyten dazwischen umfasst. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf, und die Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten, um freie Wasserstoffprotonen und Elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoffprotonen gelangen durch den Elektrolyten an die Kathode. Die Wasserstoffprotonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt hindurchgelangen und werden somit durch eine Last geführt, in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden. Die Arbeit dient dazu, das Fahrzeug anzutreiben.
Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran (PEMFC) sind populäre Brennstoffzellen für Fahrzeuge. Die PEMFC umfasst allgemein eine Protonen leitende Festpolymerelektrolytmembran, wie beispielsweise eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und Kathode umfassen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel, gewöhnlich Platin (Pt), das auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer gemischt ist. Die Kombination aus Anode, Kathode und Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). MEAs sind relativ teuer herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb. Diese Bedingungen umfassen ein richtiges Wassermanagement und eine Befeuchtung, wie auch eine Steuerung von Katalysator schädigenden Bestandteilen, wie beispielsweise Kohlenmonoxid (CO).
Typischerweise werden viele Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel bzw. ”Stack” kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Beispielsweise kann ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Kraftfahrzeug zweihundert gestapelte Brennstoffzellen umfassen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodeneingangsgas als eine Luftströmung auf, die typischerweise mit einem Kompressor durch den Stapel getrieben wird. Es wird jedoch nicht der gesamte Sauerstoff in der Luft von dem Stapel verbraucht, und ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas abgegeben, das Wasser als ein Stapelnebenprodukt enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anodenwasserstoffeingangsgas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
Der Brennstoffzellenstapel umfasst eine Serie bipolarer Platten bzw. Bipolplatten, die zwischen den verschiedenen Membranen in dem Stapel positioniert sind. Für den Kraftfahrzeug-Brennstoffzellenstapel, der oben erwähnt wurde, umfasst der Stapel etwa vierhundert bipolare Platten, die typischerweise aus rostfreiem Stahl bestehen. Die bipolaren Platten umfassen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel. Die bipolaren Platten bestehen aus einem leitenden Material, so dass sie die von den Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität aus dem Stapel herausleiten können. Die bipolaren Platten umfassen auch Strömungskanäle, durch die Kühlfluid und die Anoden- und Kathodenfluide für die elektrochemische Reaktion strömen können, wie es in der Technik gut bekannt ist.
Derzeit wird jede bipolare Platte dadurch ausgebildet, dass zwei separate Platten miteinander verbunden werden, nachdem die Strömungskanäle in den Platten geformt worden sind. Beispielsweise ist es aus den Druckschriften DE 100 41 209 A1 oder DE 195 42 721 A1 bekannt, in stranggepresste bipolare Platten Strömungskanäle durch Einprägen, Einwalzen oder Einpressen herzustellen. Bei einer Technik wird jede separate Platte durch einen Stanz- oder Ätzprozess geformt, um die Kanäle in der Platte zu formen. Die beiden Platten werden anschließend durch Schweißen oder Hartverlöten entlang der Ränder und vorbestimmter Schweißlinien aneinander befestigt, um die Platten zur Bildung der bipolaren Platte zu verbinden und die Kanäle abzudichten. Jedoch ist ein derartiger Stanz-, Schweiß- und/oder Hartlötprozess sehr arbeitsintensiv und muss eine hohe Unversehrtheit der Dichtung vorsehen. Wenn die Unversehrtheit der Dichtung an irgendeiner Stelle entlang der Schweiß- oder Hartlöt naht beeinträchtigt ist und der Strömungskanal leckt, kann der Brennstoffzellenstapel insgesamt nicht mehr verwendet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die durch Leckagen verursachte Ausfallwahrscheinlichkeit einer Brennstoffzelle zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird mit einer Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1, mit einer bipolaren Platte mit den Merkmalen des Anspruchs 11 sowie mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 19 gelöst.
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist eine stranggepresste bipolare Platte für eine Brennstoffzelle offenbart. Die bipolare Platte wird durch einen Strangpressprozess ausgebildet, wobei das Strangpresswerkzeug bzw. die Strangpressform lineare Kanäle in dem Strangpressprofil formt, die die verschiedenen Strömungskanäle in der Platte definieren. Da die bipolare Platte durch den Strangpressprozess geformt wird, ist es nicht erforderlich, dass zwei separate Platten miteinander verbunden werden müssen, um die bipolare Platte zu bilden. Es kann eine Vielzahl verschiedener Formen durch den Strangpressprozess vorgesehen werden, mit denen die Strömungskanäle geformt sein können. Bei einer Ausgestaltung erstrecken sich die Strömungskanäle für das Kühlfluid durch das Zentrum der bipolaren Platten, und die Strömungskanäle für die Anoden- und Kathodenfluide sind an der Außenseite der bipolaren Platte vorgesehen. Ferner kann der Strangpressprozess Ausnehmungen in der Seite der bipolaren Platte formen, um Endkappen zur Befestigung der Platten aneinander aufnehmen zu können. Zusätzlich können die Endkappen Kanäle umfassen, um den Durchfluss der Fluide an die Platten zu steuern, wenn der Brennstoffzellenstapel zusammengebaut ist.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine Draufsicht eines Strangpresssystems zum Strangpressen bipolarer Platten für eine Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
2–6 perspektivische Schnittansichten einer stranggepressten bipolaren Platte gemäß der Erfindung sind;
7 eine perspektivische Schnittansicht einer stranggepressten bipolaren Platte mit ausgenommenen Rändern zur Aufnahme von Seitenkappen gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
8 und 9 perspektivische Schnittansichten einer stranggepressten bipolaren Platte mit im Zentrum befindlichen Kühlströmungskanälen und außen befindlichen Kathoden- und Anodenströmungskanälen gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind;
10 eine perspektivische ausgebrochene Schnittansicht einer Brennstoffzelle in Explosionsdarstellung mit stranggepressten bipolaren Platten gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist; und
11 eine Schnittansicht einer Brennstoffzelle mit stranggepressten bipolaren Platten und Seitenkappen gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf eine stranggepresste bipolare Platte für Brennstoffzellen gerichtet ist, ist lediglich beispielhaft und nicht dazu bestimmt, die Erfindung oder ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
Die vorliegende Erfindung ist auf stranggepresste bipolare Platten für einen Brennstoffzellenstapel gerichtet. 1 zeigt eine repräsentative Draufsicht einer Strangpressvorrichtung 10 mit einer Strangpressform 12 zum Formen der bipolaren Platten. Ein geeignetes Metall wird in der Vorrichtung 10 erhitzt und mittels eines Pressstempels 14 durch die Strangpressform 12 gepresst, um durch einen Strangpressprozess, der in der Technik gut bekannt ist, einen (stranggepressten) Strang 16 zu bilden. Der Strang 16 umfasst durch die Strangpressform 12 ausgebildete lineare oder unidirektionale Strömungskanäle für eine bestimmte Bipolplattengestaltung, wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist. Ein Messer 18 schneidet für jede separate bipolare Platte für einen Brennstoffzellenstapel den Strang 16 in Abschnitte 20, die später bearbeitet und geformt werden, wie hier beschrieben ist. Da die bipolaren Platten durch einen Strangpressprozess geformt werden, ist es nicht erforderlich, dass zwei separate Platten miteinander verbunden werden müssen, um jede bipolare Platte zu bilden, wie es nach dem Stand der Technik erforderlich ist. Daher ist weniger Arbeit erforderlich, um die Platten herzustellen.
Die Strangpressvorrichtung 10 kann eine beliebige Strangpressvorrichtung sein, die für die hier beschriebenen Aufgaben geeignet ist, wobei viele in der Technik bekannten Vorrichtungen dafür einsetzbar sind. Das Metall kann ein beliebiges leitendes Metall sein, das für eine bipolare Platte geeignet und zum Strangpressen einsetzbar ist. Bei einer Ausführungsform ist das Metall Aluminium, wobei jedoch auch andere Metalle, wie beispielsweise Magnesium, rostfreier Stahl, Titan, etc. verwendet werden können.
Die Strangpressform 12 und die Strangpressvorrichtung 10 können eine beliebige gewünschte Gestaltung von Strömungskanälen in der bipolaren Platte für einen bestimmten Brennstoffzellenstapel formen. Das einzige Erfordernis für den Strangpressprozess besteht darin, dass die darin ausgebildeten Strömungskanäle aufgrund der Beschränkungen des Strangpressprozesses linear sind. Die 2–6 zeigen repräsentative Beispiele verschiedener Gestaltungen für die Strömungskanäle in den bipolaren Platten der Erfindung. Insbesondere stellt 2 eine weggebrochene perspektivische Ansicht einer stranggepressten bipolaren Platte 26 mit quadratischen Strömungskanälen 28 dar, die in Reihe ausgerichtet sind. 3 ist eine weggebrochene perspektivische Ansicht einer stranggepressten bipolaren Platte 30 mit abwechselnden trapezförmigen Strömungskanälen 32. 4 ist eine weggebrochene perspektivische Ansicht einer stranggepressten bipolaren Platte 34 mit zylindrischen Strömungskanälen 36, wobei alle Strömungskanäle 36 den gleichen Durchmesser besitzen. 5 ist eine weggebrochene perspektivische Ansicht einer stranggepressten bipolaren Platte 38 mit zylindrischen Strömungskanälen 40, wobei die Strömungskanäle 40 verschiedene Durchmesser besitzen. 6 ist eine weggebrochene perspektivische Ansicht einer stranggepressten bipolaren Platte 42 mit Strömungskanälen 44, die mit einem sinusförmigen Verlauf 24 geformt sind. Bei diesen Ausführungsformen sind die Strömungskanäle 28, 32, 36, 40 und 44 für ein Kühlfluid vorgesehen.
Zusätzlich zu den Kühlströmungskanälen in der stranggepressten bipolaren Platte kann der Strangpressprozess auch ausgenommene Ränder in der Platte formen, die eine Struktur zur Befestigung der benachbarten Platten in dem Stapel aneinander vorsehen. 7 ist eine weggebrochene perspektivische Ansicht einer stranggepressten bipolaren Platte 46 mit Ausnehmungen 48 für diesen Zweck. Die Ausnehmungen 48 dienen auch dazu, die Metallmenge in der Platte 46 zur Verringerung des Gewichts des Brennstoffzellenstapels zu verringern. Bei dieser Gestaltung sind die Strömungskanäle 50 quadratisch.
Die 8 und 9 zeigen stranggepresste bipolare Platten 52 bzw. 54, die ähnlich der bipolaren Platte 46 ausgebildet sind. Jedoch sind bei dieser Gestaltung die Anodenströmungskanäle 56 und 58 und Kathodenströmungskanäle 60 und 62 in die bipolaren Platten 52 bzw. 54 stranggepresst, wie gezeigt ist. Die Anodenströmungskanäle 56 und 58 sind an der Anodenseite der Platten 52 und 54 geformt, so dass sie zu der Anodenseite der Membran in dem Stapel weisen. Ähnlicherweise sind die Kathodenströmungskanäle 60 und 62 an der Kathodenseite der Platten 52 und 54 geformt, so dass sie zu der Kathodenseite der Membran in dem Stapel weisen. Die bipolare Platte 52 umfasst quadratische Kühlströmungskanäle 64, und die bipolare Platte 54 umfasst rechtwinklige Kühlströmungskanäle 66. Die bipolare Platte 52 besitzt eine Gestaltung, die eine Kühlung durch das Zentrum der Platte 52 optimiert, und die bipolare Platte 54 besitzt eine Gestaltung, die die Anoden- und Kathodenströmungskanäle 58 und 62 optimiert.
10 ist eine weggebrochene perspektivische Schnittansicht einer Brennstoffzelle 70 in Explosionsdarstellung mit einem Brennstoffzellenaufbau, der stranggepresste bipolare Platten der Erfindung verwendet. Insbesondere umfasst die Brennstoffzelle 70 eine obere bipolare Platte 72 mit zylindrischen Kühlströmungskanälen 74, Anodenströmungskanälen 76, Kathodenströmungskanälen 78 und ausgenommenen Rändern 88. Ähnlicherweise umfasst die Brennstoffzelle 70 eine untere bipolare Platte 80 mit zylindrischen Kühlströmungskanälen 82, Anodenströmungskanälen 84, Kathodenströmungskanälen 86 und ausgenommenen Rändern 90.
Benachbart der bipolaren Platte 72 ist eine Diffusionsmediumlage 94 positioniert, und benachbart der bipolaren Platte 80 ist eine Diffusionsmediumlage 96 positioniert, wie es in der Technik gut bekannt ist. Zwischen den Diffusionsmediumlagen 94 und 96 ist eine Zellenmembran 92 positioniert. Die Anodenströmungskanäle sind Teil der Anodenseite einer Brennstoffzelle, die auf den oberen Teil der Brennstoffzelle 70 gestapelt ist, und die Kathodenströmungskanäle 86 sind Teil der Kathodenseite einer Brennstoffzelle, die unter die Brennstoffzelle 70 gestapelt ist.
11 ist eine Schnittansicht einer Brennstoffzelle 98 ähnlich der Brennstoffzelle 70, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen. Bei dieser Konstruktion umfasst die obere bipolare Platte 72 quadratische Kühlkanäle 100, und die untere bipolare Platte 80 umfasst quadratische Kühlkanäle 102. Zusätzlich nehmen die ausgenommenen Ränder 88 und die ausgenommenen Ränder 90 Endkappen 106 auf. Bei einer Ausführungsform bestehen die Endkappen 106 aus einem Metall- oder Polymermaterial und besitzen Fluidkanäle 108, um die Strömung der Fluide zu den Platten 72 und 80 zu steuern.
Zusammengefasst ist eine stranggepresste bipolare Platte für eine Brennstoffzelle vorgesehen. Die bipolare Platte wird durch einen Strangpressprozess hergestellt, so dass die Strangpressform lineare Kanäle in dem Strangpressprofil für die Strömungskanäle in der Platte formt. Für die Strömungskanäle kann eine Vielzahl verschiedener Formen vorgesehen sein. Bei einer Ausgestaltung erstrecken sich die Strömungskanäle für das Kühlfluid durch das Zentrum der bipolaren Platte, und die Strömungskanäle für die Anoden- und Kathodenfluide sind an der Außenseite der bipolaren Platte vorgesehen. Ferner können die Seiten der bipolaren Platte mit einer Ausnehmung ausgebildet werden, um Endkappen zur Befestigung der Platten aneinander aufnehmen zu können. Zusätzlich kann die Endkappe Strömungskanäle umfassen, um die Strömung der Fluide an die Platten zu steuern, wenn der Brennstoffzellenstapel zusammengebaut ist.

Claims

Brennstoffzelle (70, 98) mit: einer ersten bipolaren Platte (72) mit Strömungskanälen (74, 76, 78); einer zweiten bipolaren Platte (80) mit Strömungskanälen (82, 84, 86); und einer zwischen der ersten und zweiten bipolaren Platte (72, 80) ausgebildeten Membran (92), wobei die erste und zweite bipolare Platte (72, 80) stranggepresste bipolare Platten sind, wobei die Strömungskanäle (74, 76, 78; 82, 84, 86) durch einen Strangpressprozess ausgebildet sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Strömungskanäle (74, 76, 78; 82, 84, 86) in der ersten und zweiten bipolaren Platte (72, 80) als quadratische, rechtwinklige, trapezförmige, runde, sinusförmige und/oder elliptisch geformte Strömungskanäle ausgebildet sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Strömungskanäle (74, 76, 78; 82, 84, 86) Strömungskanäle (74; 82) für ein Kühlfluid umfassen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 3, wobei die Strömungskanäle (74, 76, 78; 82, 84, 86) durch einen Mittelabschnitt der ersten und zweiten bipolaren Platte (72, 80) verlaufen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Strömungskanäle (74, 76, 78; 82, 84, 86) Anodenströmungskanäle (76, 84) und Kathodenströmungskanäle (78, 86) umfassen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 5, wobei die Anoden- und Kathodenströmungskanäle (76, 84; 78, 86) an Außenrändern der ersten und zweiten bipolaren Platte (72, 80) vorgesehen sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die erste und zweite bipolare Platte (72, 80) ausgenommene Ränder (88, 90) umfassen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 7, ferner mit Endplatten (106), die in den ausgenommenen Rändern (88, 90) positioniert sind, um die erste und zweite bipolare Platte (72, 80) aneinander zu befestigten.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die erste und zweite bipolare Platte (72, 80) stranggepresste Aluminiumplatten sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffzelle (70, 98) für eine Kraftfahrzeuganwendung bestimmt ist.
Bipolare Platte (26, 30, 34, 38, 42, 46, 52, 54) für eine Brennstoffzelle, wobei die bipolare Platte (26, 30, 34, 38, 42, 46, 52, 54) eine Serie von Strömungskanälen (28, 32, 36, 40, 44, 50, 56, 60, 64, 58, 62, 66) umfasst, die durch die Platte (26, 30, 34, 38, 42, 46, 52, 54) verlaufen, wobei die bipolare Platte (26, 30, 34, 38, 42, 46, 52, 54) eine stranggepresste bipolare Platte (26, 30, 34, 38, 42, 46, 52, 54) ist und die Strömungskanäle (28, 32, 36, 40, 44, 50, 56, 60, 64, 58, 62, 66) durch einen Strangpressprozess geformt sind.
Bipolare Platte nach Anspruch 11, wobei die Strömungskanäle (28, 32, 36, 40, 44, 50, 56, 60, 64, 58, 62, 66) als quadratische, rechtwinklige, trapezförmige, runde, sinusförmige und/oder elliptisch geformte Strömungskanäle ausgebildet sind.
Bipolare Platte nach Anspruch 11, wobei die Strömungskanäle (28, 32, 36, 40, 44, 50, 56, 60, 64, 58, 62, 66) Strömungskanäle (28, 32, 36, 40, 44, 50, 64, 66) für ein Kühlfluid umfassen.
Bipolare Platte nach Anspruch 11, wobei die Strömungskanäle (28, 32, 36, 40, 44, 50, 56, 60, 64, 58, 62, 66) Anodenströmungskanäle und Kathodenströmungskanäle (56, 60, 58, 62) umfassen.
Bipolare Platte nach Anspruch 11, wobei die Strömungskanäle (28, 32, 36, 40, 44, 50, 64, 66) durch einen Mittelabschnitt der Platte (26, 30, 34, 38, 42, 46, 52, 54) verlaufen.
Bipolare Platte nach Anspruch 11, wobei die Strömungskanäle (56, 60, 58, 62) an Außenrändern der Platte (52, 54) vorgesehen sind.
Bipolare Platte nach Anspruch 11, ferner mit ausgenommenen Rändern (48).
Bipolare Platte nach Anspruch 11, wobei die Platte (26, 30, 34, 38, 42, 46, 52, 54) eine stranggepresste Aluminiumplatte ist.
Verfahren zum Herstellen einer bipolaren Platte (20) für eine Brennstoffzelle, wobei das Verfahren umfasst, das: eine Strangpressvorrichtung (10, 12) vorgesehen wird; ein Strang (16) eines Metalls durch die Strangpressvorrichtung (10, 12) stranggepresst wird, so dass der Strang (16) durch diesen hindurch verlaufende Strömungskanäle umfasst, und der Strang (16) geschnitten wird, um die bipolare Platte (20) mit Strömungskanälen zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Strangpressen des Stranges (16) umfasst, dass die Strömungskanäle durch einen Mittelabschnitt des Strangs und/oder Ränder des Strangs geformt werden.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Strangpressen des Stranges (16) umfasst, dass Ausnehmungen in Seitenrändern des Stranges geformt werden.