DE102007008212B4

DE102007008212B4 - Verfahren zum Herstellen eines Plattenelements

Info

Publication number: DE102007008212B4
Application number: DE102007008212A
Authority: DE
Inventors: Steven J. Spencer
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-02-24
Filing date: 2007-02-20
Publication date: 2010-11-11
Anticipated expiration: 2027-02-21
Also published as: DE102007008212A1; US7855031B2; US20070200277A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer Serie von Plattenelementen (100, 200) für Bipolarplatten, die für eine Brennstoffzelle spezifiziert sind, die einen zusammengebauten Stapel einer Vielzahl derartiger Bipolarplatten umfasst; wobei jede Bipolarplatte zwei derartige Plattenelemente (100, 200) umfasst, wobei jedes der beiden Plattenelemente (100, 200) zwei entgegengesetzte Plattenflächen mit Gasströmungsdurchgängen (gemeinsam 102, 202), die an einer Fläche ausgebildet sind, und Kühlmittelströmungsdurchgängen (gemeinsam 302), die an der anderen Fläche ausgebildet sind, aufweist, wobei die Plattenelemente (100, 200) mit einem Kühlmitteleinlass (54) und einem Kühlmittelauslass (56) ausgebildet sind und so anbringbar sind, dass Kühlmittelströmungsflächen in zueinander weisender Beziehung stehen, um Kühlmittelströmungsdurchgänge (302) zu definieren; wobei das Verfahren umfasst, dass:
eine Plattenkonfiguration in einer Metalltafel für eine Serie der Plattenelemente (100, 200) aufeinander folgend geprägt wird, wobei jede Plattenkonfiguration eine Vielzahl geprägter Kühlmittelströmungsbegrenzungselemente (152, 158) an einem Kühlmitteleinlass (54) und/oder an einem Kühlmittelauslass (56) zum Einstellen der Kühlmittelströmung enthält, wobei die geprägten Kühlmittelströmungsbegrenzungselemente (152,...

Description

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der provisorischen Anmeldung 60/776,500 mit dem Titel ”Unipolar Fuel Cell Plate Design”, die am 24. Februar 2006 eingereicht wurde und hier durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft die Konstruktion von Bipolarplatten für Brennstoffzellen und Verfahren zur Herstellung derartiger Platten. Insbesondere betrifft diese Erfindung Konstruktionsmerkmale derartiger Platten, die die Strömung von Kühlmittel hindurch und zwischen diesen in verschiedenen Gebieten eines Brennstoffzellenstapels beeinflussen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die U.S. Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer US 2004/0209150 A1 datiert auf den 21. Oktober 2004 und mit dem Titel ”Stamped Fuel Cell Bipolar Plate” beschreibt eine Anordnung baulicher und funktioneller Elemente, die in einer Brennstoffzelle für gasförmigen Brennstoff (beispielsweise Wasserstoff)/gasförmiges Oxidationsmittel (Luft) verwendet sind. Die Elemente für viele elektrochemische Zellen werden gestapelt, um eine Multizellenanordnung zur Erzeugung von elektrischer Leistung bei einem festgelegten elektrischen Strom und einem festgelegten elektrischen Potential (Spannung) zu bilden.
Die Innenzellen der gestapelten Anordnung umfassen eine Seite von jeder von zwei gegenüberliegenden Bipolarplatten. Die zueinander weisenden Bipolarplatten umschließen Zellenelemente, die eine Protonenaustauschmembranelektrodenanordnung, Abdichtungen, Gasdiffusionsmedien und dergleichen umfassen. Jede Bipolarplatte ist aus zwei gleich geformten Platten in einer Seite an Seite liegenden Anordnung ausgebildet, die Gasströmungsdurchgänge an ihren Außenseiten und Innenkühlmitteldurchgänge aufweisen, die durch ihre entgegengesetzten und zueinander weisenden Seiten definiert sind. Eine Seite einer ersten Bipolarplatte sieht Durchgänge für die Strömung von Wasserstoff zu der Anodenseite der Membranelektrodenanordnung vor, und eine Seite einer zweiten entgegengesetzten Bipolarplatte sieht Durchgänge für die Strömung von Luft an die Kathodenseite der Membranelektrodenanordnung vor. Wärme wird beim Betrieb des Stapels von Zellen erzeugt, und eine Kühlmittelströmung durch das Innere der Bipolarplatten wird dazu verwendet, den Stapel, insbesondere die Innenzellen des Stapels zu kühlen.
Die Platten werden typischerweise aus einer dünnen, allgemein rechtwinkligen Tafel aus Metall gestanzt bzw. geprägt, und bevorzugt besitzt jede Tafel generell die gleiche Form. Entgegengesetzte Ränder an den kurzen Seiten jeder rechtwinkligen Tafel sind jeweils für den Einlass und Austritt von Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel geformt. Der Zentralabschnitt jeder Tafel ist mit sich ausbreitenden Kanälen für die Gasströmung von dem Einlass, Kanälen für eine verteilte Strömung von Gas über die Membran und konvergierenden Kanälen zum Lenken von Gas an den Austritt geformt. Wenn zwei derartige Tafeln geeignet verbunden sind, wobei Gasströmungsdurchgänge nach außen weisen, um eine Bipolarplatte zu bilden, sehen die entgegengesetzten Seiten der geprägten Tafeln strömungssteuernde Durchgänge für das Kühlmittel vor.
In der Anordnung eines Brennstoffzellenstapels ist jede Bipolarplatte dazu bestimmt, ein Teil von zwei benachbarten Zellen zu bilden, eine Zelle an jeder Außenseite der Bipolarplatte. Eine Außenseite einer Bipolarplatte sieht eine Anodenplatte für eine Zelle vor, und die andere Außenseite sieht eine Kathodenplatte für die benachbarte Zelle vor. Jedoch besitzen die Bipolarplatten an den Enden des Stapels keine Zellen an ihren Außenplattenflächen. Demgemäß sind diese Platten manchmal als Unipolarplatten bezeichnet. Obwohl Unipolarplatten denselben Aufbau wie Bipolarplatten besitzen, müssen sie nicht unbedingt den Kühlmitteldurchfluss erfordern, der durch den Bipolarplattenaufbau ermöglicht wird. Die Bipolarplatten in Richtung dem Ende des Stapels müssen ebenfalls nicht unbedingt hohe Kühlmitteldurchflüsse erfordern.
Wenn es möglich ist, ist es bevorzugt, einen einzelnen Satz von Präge- bzw. Stanzwerkzeugen zur Formung jeder der Metalltafeln zu verwenden, die in Paaren zur Herstellung von Bipolarplatten verwendet werden. Jedoch bedeutet dies, dass die Kühlmittelströmung in jeder Bipolarplatte ungeachtet ihrer schließlichen Position in einem Stapel aus Platten gleich sein kann. Es ist erwünscht, einen Weg zum Ändern einer Kühlmittelströmung in gewählten Bipolar-(oder Unipolar-)Platten zu haben, ohne dass zusätzliche Präge- bzw. Stanzwerkzeuge erforderlich sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die dünnen Metallanoden- und -kathodenplatten, die verbunden sind, um Bipolarplatten zu bilden, enthalten geprägte Merkmale für den Einlass, die Querströmung und den Austrag von Brennstoff oder Oxidationsmittel und Kühlmittel. Geprägte Sammelleitungsabschnitte in den Anoden- und Kathodenplatten sorgen für eine Zufuhr und eine Entfernung dieser Ströme, und die Strömung dieser Ströme in jeder Zelle ist durch eine Anord nung von Bipolarplatten definiert. Diese Erfindung ist auf geprägte Merkmale in den Platten gerichtet, die die Strömung von Kühlmittel beeinflussen.
Derzeit wird jede Tafel mit erhöhten Oberflächenmerkmalen geprägt, die dazu verwendet werden, eine Kühlmittelströmung zu begrenzen oder zu lenken, die zwischen zueinander weisenden Oberflächen der beiden Tafeln einer Bipolarplatte definiert ist. Diese Kühlmittelströmungssteuermerkmale sind so ausgebildet, um für eine geeignete Kühlmittelströmung in den inneren Abschnitten des Stapels aus Zellen zu sorgen. Jedoch können diese geprägten Strömungssteuermerkmale einen zu hohen Kühlmitteldurchfluss in Endabschnitten des Stapels zulassen, die nicht so viel prozesserzeugter Wärme ausgesetzt sind oder diese halten. Die Wärmeerzeugung pro Platte ist in den Endabschnitten geringer, da die letzte Platte die volle Kühlmittelströmung aufweist, jedoch nur eine Hälfte der Wärme, die mit einer Membranelektrodenanordnung nur auf einer Seite erzeugt wird. Es ist erwünscht, zusätzliche Kühlmittelströmungsbegrenzungen zu haben, die in den Kühlmittelsammelleitungsabschnitten von Bipolar- oder Unipolarplatten angeordnet werden können, die in Gebieten mit inhärent geringerer Wärmeerzeugung oder -rückhaltung eines Brennstoffzellenstapels angeordnet sind.
Gemäß dieser Erfindung ist eine Prägewerkzeugausstattung zur Formung von Kühlmitteldurchflussbegrenzungen in Bipolarplattentafeln für die die niedrigste zu erwartende Betriebstemperatur aufweisenden Gebiete eines festgelegten Stapels aus Zellen vorgesehen. Dies vereinfacht Prägewerkzeuganforderungen. Anschließend werden in Tafeln für Platten, die höhere Kühlraten (und höhere Kühlmitteldurchflüsse) erfordern, die geprägten Begrenzungen separat nach dem Prägen entfernt. Dies bedeutet, dass für den größten Teil der geprägten Tafeln die zusätzlichen Kühlmittelströ mungsbegrenzer entfernt sind, da bei einem typischen Brennstoffzellenstapel der größte Teil der Bipolarplatten in einem Gebiet mit höherer Wärmeerzeugung liegt (idealerweise besitzen alle Zellen dieselbe Temperatur, so dass die Kühlmittelströmung so zugeschnitten wird, dass sie zu der Wärmeerzeugung und dem Wärmeverlust pro Platte passt). Dies erfordert keinen zusätzlichen Bearbeitungsschritt, da die Sammelleitungsöffnung irgendwie aus allen Platten geschnitten werden muss, so dass der Zurichtvorgang für die Sammelleitung dieser Zellen auch ungewollte zusätzliche Kühlmittelströmungsbegrenzer entfernt.
Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung zur Herstellung der Bipolarplatten können Gebiete des Ausgangstafelmetalls durchstochen oder herausgeschnitten werden, wo die zusätzlichen Strömungsbegrenzer ansonsten durch das Prägewerkzeug geformt wären.
Zusätzliche Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden aus den folgenden detaillierteren Beschreibungen bevorzugter Ausführungsformen offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Draufsicht des Strömungsfeldes, das in der Hauptseite einer Anodenplatte in einer Bipolarplattenanordnung ausgebildet ist.
2 ist eine Draufsicht des Strömungsfeldes, das in der Hauptseite einer Kathodenplatte in einer Bipolarplattenanordnung ausgebildet ist.
3 ist eine Draufsicht, die die Kontaktbereiche an der Schnittstelle zwischen der in 1 gezeigten Anodenplatte und der in 2 gezeigten Kathodenplatte zeigt.
4 ist eine Draufsicht eines Bruchstücks einer geprägten Platte für eine Bipolarplatte. Diese bruchstückhafte Ansicht zeigt das Kühlmittelaustrittssammelleitungsgebiet der Platte mit festgelegten Kühlmittelströmungsbegrenzungsmerkmalen, die für eine Separatorplatte in einem Gebiet mit hoher Wärmeerzeugung eines Brennstoffzellenstapels geeignet sind.
5 ist eine Draufsicht (mit Schnitten 5A-5A und 5B-5B) eines Bruchstücks einer geprägten Platte für eine Bipolarplatte. Diese bruchstückhafte Ansicht zeigt das Kühlmittelaustrittssammelleitungsgebiet der Platte und zeigt hinzugefügte Kühlmittelströmungsbegrenzungsmerkmale, die für eine Separatorplatte in einem Gebiet mit einem Betrieb bei niedrigerer Temperatur eines Brennstoffzellenstapels geeignet sind. Der Schnitt 5A-5A ist als 5A dargestellt und der Schnitt 5B-5B ist als 5B dargestellt.
6 ist eine Draufsicht eines Bruchstücks einer geprägten Platte für eine Bipolarplatte. Diese bruchstückhafte Ansicht zeigt das Kühlmittelaustrittssammelleitungsgebiet der Platte und zeigt ein geprägtes Gebiet mit hinzugefügten Kühlmittelströmungsbegrenzungsmerkmalen, die über das Prägen für gewählte Platten zugerichtet bzw. zurechtgeschnitten werden können, die eine weniger begrenzte Kühlmittelströmung erfordern. Das Gebiet des Prägens, das entfernt werden kann, befindet sich innerhalb gestrichelter Linien.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die U.S. Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer US 2004/0209150 beschreibt Verbesserungen bei geprägten Brennstoffzellenbipolarplattenkonstruktionen. Die Erfindung ist auf den Anmelder dieser Erfindung übertragen und die Offenbarung dieser Veröffentlichung ist in dieser Anmeldung durch Bezugnahme für die Zwecke ihrer Beschreibung der Elemente eines Brennstoffzellenstapels und die Art und Weise des Aufbaus der Bipolarplatten eingeschlossen. Die Ausführung dieser Erfindung wird durch Bezug auf geprägte Bipolarplattenaufbauten dargestellt, die in der veröffentlichten Anmeldung gezeigt sind. Jedoch ist die Ausführung der Erfindung nicht auf die gezeigte Plattenkonstruktion und den gezeigte Plattenaufbau begrenzt.
1 ist eine Draufsicht einer Anodenplatte 100, die zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle mit einer Kathodenplatte (200 in 2) verbunden ist. Die Anodenplatte 100 besitzt ein Strömungsfeld 102 für einen gasförmigen Brennstoff, wie Wasserstoff. Die Anodenplatte wird durch einen Präge- bzw. Stanzvorgang aus einer dünnen Tafel aus Aluminium, rostfreiem Stahl oder einem anderen geeigneten Metall geformt, und die einzelne Anodenplatte 100 wird aus einer geprägten Tafel zugerichtet bzw. zurechtgeschnitten. Die entgegengesetzte Seite des Anodenströmungsfeldes sieht Elemente zum Lenken der Strömung von Kühlmittel durch das Innere der Bipolarplatte vor.
Diese Erfindung betrifft Sammelleitungsabschnitte der geprägten Platten. In 1 besitzt ein Einlassrand 104 der Anodenplatte 100 ein Paar von seitlichen Einlasssammelleitungen 46 und 50, die durch Zurichten bzw. Zurechtschneiden dieses Gebiets der geprägten Platte 100 ausgebildet sind. Die darüber liegenden Sammelleitungen 46, 50 einer Vielzahl gestapelter Bipolarplatten sehen separate Verteilerdurchgänge in dem Stapel für die Strömung von gasförmigem Brennstoff bzw. Luft an jede Bipolarplatte vor. Die Anodenplatte 100 besitzt auch eine mittlere Einlasssammelleitung 54 zur Aufnahme und zum Zuführen von Kühlmittel in die Bipolarplatte.
Ähnlicherweise besitzt der Austragsrand 106 der Anodenplatte 100 ein Paar seitlicher Austragssammelleitungen 48, 52 zum Transport von Anodenabfluss bzw. Kathodenabfluss durch den Brennstoffzellenstapel, und eine mittlere Austragssammelleitung 56 zum Transport von Kühlmittel durch den Brennstoffzellenstapel.
Das Anodengas tritt an der Anodeneinlassammelleitung 50 ein und tritt an der Anodenaustragssammelleitung 52 aus. Die anderen geprägten Merkmale der in 1 gezeigten Anodenplatte 100 zwischen den Einlass- und Auslasssammelleitungsabschnitten sind Anodengasströmungsdurchgänge, die das Anodengas über die Anodenfläche einer Membranelektrodenanordnung verteilen. Die gerichteten und gewellten Kanäle (beispielsweise 108, 110, 112 und 114) des Anodenströmungsfeldes 102 nahe der Einlasssammelleitung 50 nehmen das Anodengas auf und verteilen es über die Seite des Anodenströmungspfades und lenken es durch die Kanäle 116, die das Anodengas über die Seite der Elektrolytmembran der Zellen verteilen. Die gerichteten und gewellten Kanäle an dem Austragsende des Anodenfeldes (118, 120, 122 und 124) nehmen das Anodengas auf und lenken es über die Seite dieser Anodenplatte an die Austragssammelleitung 52.
2 sieht eine Draufsicht der Kathodenplatte 200 für eine Bipolarplattenanordnung vor. Die Kathodenplatte 200 zeigt das Kathodenströmungsfeld 202, das in der Arbeitsseite der Kathodenplatte 200 geprägt ist. Wie in 2 zu sehen ist, besitzt der Einlassrand 204 der Kathodenplatte 200 (wie die Anodenplatte 100) ein Paar seitlicher Einlasssammelleitungen 46 und 50, um Kathodengas bzw. Anodengas durch den Brennstoffzellenstapel zu transportieren, und eine mittlere Einlasssammelleitung 54, um ein Kühlmittel durch den Stapel zu transportieren. Entsprechend besitzt der Austragsrand 206 ein Paar seitlicher Austragssammelleitungen 48, 52 zum Transport von Anodenabfluss bzw. Kathodenabfluss durch den Brennstoffzellenstapel, und eine mittlere Austragssammelleitung 56 zum Transport von Kühlmittel durch den Brennstoffzellenstapel.
Wiederum verteilen die Strömungskanäle in der Kathodenplatte 200 Einlasskathodengas von der Kathodeneinlasssammelleitung 46 in ein Kathodenströmungsfeld 202 über die Seite der Platte 200 und über eine Membranelektrodenanordnung und nehmen dann das Gas an dem anderen Ende der Kathodenplatte 200 wieder auf und führen dieses an die Kathodenaustragssammelleitung bei 48. Die gerichteten und gewellten Kanäle (beispielsweise 208, 210, 212 und 214) des Kathodenstromungsfeldes 202 nahe der Einlasssammelleitung 46 nehmen das Kathodengas auf und verteilen es über die Seite des Kathodenströmungspfades und lenken es durch Kanäle 216, die das Anodengas über die Seite der Elektrolytmembran der Zellen verteilen. Die gerichteten und gewellten Kanäle an dem Austragsende des Kathodenfeldes (218, 220, 222 und 224) nehmen das Kathodengas auf und lenken es über die Seite dieser Kathodenplatte an die Austragssammelleitung 48.
Die elektrochemischen Reaktionen, die in den verschiedenen Zellen des Stapels stattfinden, erzeugen Wärme, und es muss ein Kühlmittel durch jede Bipolarplatte gepumpt werden, um die Temperatur in jeder Zelle zu steuern. Diese Erfindung ist auf das Management einer Kühlmittelströmung durch jede Bipolarplatte gerichtet. Wie beschrieben ist, wird jede Bipolarplatte dadurch ausgebildet, dass eine Anodenplatte 100 und eine Kathodenplatte 200 miteinander verbunden werden, so dass ihre Strömungsfelder 102, 202 an den Außenseiten der verbundenen Platten liegen. Die Formen der Platten sind komplementär, so dass sie so orientiert werden können, dass ihre jeweiligen Brennstoffgas-, Luft- und Kühlmittelsammelleitungsabschnitte in jeder Bipolarplatte übereinander liegen. Dann bilden, wenn die Bipolarplatten gestapelt sind, die übereinander liegenden Sammelleitungen separate Verteilervolumen für ihre jeweiligen Fluide. Mit anderen Worten liegen die Sammelleitungsabschnitte 46, 50 und 54 der Anodenplatte 100 über den Sammelleitungsabschnitten 46, 50 und 54 der Kathodenplatte 200 in jeder Bipolarplatte, usw.
3 zeigt das Kühlmittelströmungsfeld 302, das aus den sich berührenden entgegengesetzten geprägten Merkmalen der Anodenplatte 100 und der Kathodenplatte 200 resultiert. Das Kühlmittelströmungsfeld 302 besitzt einen Einlassrand 304 und einen Austragsrand 306. Das Kühlmittelströmungsfeld 302 umfasst auch eine Gruppierung diskreter Strömungsunterbrecher 308 benachbart des Kühlmitteleinlassverteilers 54. Die Kühlmittelströmungsunterbrecher sind an der Schnittstelle der Anodeneinlassschenkel 108 (1) und Kathodeneinlassschenkel 208 (2) ausgebildet. Ähnlicherweise ist ein Satz von Strömungsunterbrechern 310 benachbart der Kühlmittelaustragssammelleitung 56 an der Schnittstelle der Anodenaustragsschenkel 118 und der Kathodenaustragsschenkel 218 ausgebildet. Das Kühlmittelströmungsfeld 302 umfasst ferner eine Viel zahl paralleler Strömungskanäle 312, die zwischen dem Einlassrand 304 und dem Austragsrand 306 angeordnet sind und an der Schnittstelle der Serpentinenschenkel 116 und der Serpentinenschenkel 216 definiert sind.
Kühlmittel tritt von der Kühlmitteleinlasssammelleitung 54 ein und wird um Strömungsunterbrecher 308 in die Kühlmittelströmungskanäle 312 gelenkt (wie durch den Richtungspfeil 314 gezeigt ist). Wenn das Kühlmittel die andere Seite des Kühlmittelströmungsfeldes 302 erreicht, strömt es zwischen Strömungsunterbrechern 310 in der Richtung 316 und verlässt das Strömungsfeld 302 an der Kühlmittelaustragssammelleitung 56. Das Kühlmittelströmungsfeld 302 beeinflusst die Wärmeübertragungsrate durch die Anodenplatte 100 und Kathodenplatte an das Kühlmittel und somit die Temperatur in jeder Zelle. Strömungsbegrenzer in den Kühlmitteleinlasssammelleitungen 54 und/oder Kühlmittelauslasssammelleitungen 56 beeinflussen auch die Strömungsrate des Kühlmittels und den Wärmetransfer an dieses. Diese Erfindung betrifft die Ausbildung ergänzender Strömungsbegrenzer in Kühlmittelsammelleitungsgebieten 54, 56 der geprägten Platten 100, 200, um eine Variation der Kühlmittelströmung in verschiedenen Bipolar- und Unipolarplatten des Brennstoffzellenstapels zu ermöglichen.
Einige Strömungsbegrenzer (nicht beziffert) sind in Gebieten 54 und 56 der Darstellung des Kühlmittelströmungsfeldes in 3 gezeigt. Diese Elemente sind typischerweise ausgebildet, um eine Strömung von Kühlmittel von dem Kühlmittelverteiler in den Stapel zu und durch jede Bipolarplatte zu steuern. Derzeit sind Kühlmittelsammelleitungen 54 und 56 mit einer minimalen Anzahl von Strömungsbegrenzern versehen, so dass eine ausreichende Kühlströmung zum Kühlen der Gebiete mit der höchsten Temperatur des Brennstoffzellenstapels vorhanden ist. Wenn eine andere Kühlrate in Unipolarplatten oder bestimmten Bipolarplatten ge wünscht ist, ist es notwendig, andere Platten mit zusätzlichen Kühlmittelströmungsbegrenzern auszubilden. Dies erfordert ein anderes Werkzeug für diese anderen Platten. Die Aufgabe und der Vorteil dieser Erfindung bestehen darin, derartige Begrenzungen mit der Verwendung einer gemeinsamen Prägewerkzeugausstattung für alle Anoden- und Kathodenplatten, die die Bipolarplatten in einem Brennstoffzellenstapel ausmachen, zu formen.
4 ist eine bruchstückhafte Ansicht einer Anodenplatte, die die Kühlmittelauslasssammelleitung 56 ähnlich der der Anodentafel 100 in 1 zeigt. Dieselben Auslasssammelleitungsmerkmale würden auch in der Kathodentafel 200 existieren. 4 zeigt die obere Fläche der Anodentafel 100 mit Anodenströmungsfeldmerkmalen 150 zum Lenken von Anodengas an die Anodenauslasssammelleitung, die in dieser Ansicht nicht gezeigt ist. In einer Bipolarplatte würde die Anodentafel 100 über einer geeignet orientierten identischen Tafel liegen, die als eine Kathodentafel dient (in dieser Ansicht nicht sichtbar). Hierbei ist die Anodentafel 100 geprägt worden, um Kühlmittelströmungsbegrenzer 152 zu enthalten, die von ihrer Oberseite (in dieser Ansicht) an der Auslasskühlmittelsammelleitung 56 abgesenkt sind. Die Kühlmittelströmungsbegrenzer 152 an der Anodenplatte 100 würden mit gleichen Begrenzungen in Kontakt stehen, die an der Rückseite einer zu dieser weisenden Kathodenplatte ausgebildet sind, um die Strömung von Kühlmittel in den zugerichteten und geöffneten Verteilerabschnitt 154 der Anodenplatte 100 zu steuern. Richtungspfeile zwischen den Kühlmittelströmungsbegrenzern 152 zeigen die Strömungsrichtung und die Pfade der Kühlmittelströmung, die in den geöffneten Verteilerabschnitt 154 eintreten. Die gestrichelte Linie 160 an den Köpfen der Richtungspfeile in 4 repräsentiert eine Strömungsfront des Kühlmittelstromes durch die Kanäle 162 zwischen den Begrenzern 152 und in den Verteiler 154. Der Außenrand 156 der Anodenplatte 100 ist geeignet mit einem darunter liegenden gleichen Rand der Kathodenplatte verbunden. Somit tritt Kühlmittel von den Kühlmittelströmungsfeldern zwischen der Anodenplatte 100 und einer darunter liegenden Kathodenplatte durch Kanäle 162 um Strömungsbegrenzer 152 und in den offenen Verteilerabschnitt 154 ein, der in dem Bipolarplattenstapel vorgesehen ist.
Das Kühlmittelströmungsfeld, das Strömungsbegrenzer 152 in der Kühlmittelauslasssammelleitung 56 aufweist, sieht eine geeignete Kühlmittelströmung für die Hochtemperaturgebiete in der Mitte des Stapels vor. In den Kühlmitteleinlasssammelleitungen 54 können gleiche oder verschiedene Kühlmittelströmungsbegrenzer ausgebildet werden (1, 2 und 3). Jedoch ist es für unipolare Endplatten und für Bipolarplatten in Richtung dem Ende des Stapels oftmals erwünscht, einen geringeren Kühlmitteldurchfluss zu haben, da diese Abschnitte des Stapels normalerweise nicht so viel Kühlung erfordern. Demgemäß sieht diese Erfindung vor, dass zusätzliche Strömungsbegrenzermerkmale während des Prägens der Metalltafel ausgebildet werden. Eine Darstellung derartiger zusätzlicher Kühlmittelströmungsbegrenzer ist in 5 vorgesehen.
Wie in 5 gezeigt ist, ist ein zusätzliches Blech in dem Abschnitt der Austrittssammelleitung 56 der geprägten Anodentafel 100 (und gleichermaßen in der darunter liegenden Kathodentafel, nicht gezeigt) enthalten. Zusätzlich sind Kühlmittelströmungsbegrenzer 158 (zwei als ein Beispiel dargestellt) in der Anodentafel 100 quer zu dem Kühlmittelströmungspfad in das offene Verteilergebiet 154 der Bipolarplatte geformt worden. Der Schnitt 5A-5A von 5 verläuft durch die ursprünglichen Strömungsbegrenzer 152 und zeigt (in 5A), wie der Kühlmittelströmungspfad (die Richtung der Strömungsfront 160 in 4) durch Strömungsbegrenzer 152 begrenzt ist. Das Kühlmittel strömt durch Kanäle 162 zwischen den Begrenzern 152 und dann um die Begrenzer 158 herum. Entsprechend zeigt der Schnitt 5B-5B (in 5B) die wesentliche zusätzliche Begrenzung des Strömungspfades für Kühlmittel, die durch Strömungsbegrenzer 158 vorgesehen wird, die jeder der Anoden- und Kathodenplatten, die die Bipolarplatte bilden, hinzugefügt worden sind. Die Größe, die Form und die Orientierung (bevorzugt quer zu der Kühlmittelströmung) dieser zusätzlichen Strömungsbegrenzer 158 wird bestimmt, um einen geeigneten zusätzlichen Widerstand für die Kühlmittelströmung vorzusehen. Somit wird die Kühlmittelströmung reduziert, so dass die Wärmeentfernung von den Unipolarplatten und den Bipolarplatten in einem Gebiet mit niedrigerer Temperatur des Stapels angemessen reduziert wird. In der Praxis dieser Erfindung wird ein Werkzeug vorgesehen, um Strömungsbegrenzer 158 an Einlass- und Auslasssammelleitungsabschnitten aller geprägten Platten für Bipolar- oder Unipolarplattenanordnung zu bilden. Dann werden die Strömungsbegrenzer von den Platten, die für Gebiete mit höherer Temperatur des Stapels bestimmt sind, gleichzeitig damit entfernt, dass andere Zurichtbetriebsabläufe an dem Tafelmetall ausgeführt werden.
6 zeigt, wie die zusätzlichen geprägten Kühlmittelströmungsbegrenzer 158 durch Schneiden oder Zurichten von Metall innerhalb der gestrichelten Linien von der geformten Anodenplatte 100 entfernt werden können, wenn die Platte dazu bestimmt ist, in einer Bipolarplatte verwendet zu werden, in der die höhere Kühlmittelströmung erforderlich ist. Obgleich das gemeinsame Werkzeug beim Prägen aller Platten verwendet wird, werden die zusätzlichen Merkmale (wie Kühlmittelströmungsbegrenzer 158) einfach zugerichtet bzw. zurechtgeschnitten, wenn das Verteilergebiet 154 aus den jeweiligen Anoden- und Kathodenplatten zugerichtet wird.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann das Blech, das Gebiete des Verteilers 154 bildet, die potentielle zusätzliche Kühlmittel strömungsbegrenzungsgebiete aufweisen, aus einer Tafel zugerichtet werden, bevor der Prägebetrieb durchgeführt wird. Anschließend ist während des Prägens kein Tafelmaterial für die Ausbildung der zusätzlichen Merkmale 158 vorhanden.
Während die Erfindung in Bezug auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden ist, sei angemerkt, dass andere Formen der Erfindung leicht vom Fachmann angepasst werden können. Demgemäß ist der Schutzumfang der Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen begrenzt.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Serie von Plattenelementen (100, 200) für Bipolarplatten, die für eine Brennstoffzelle spezifiziert sind, die einen zusammengebauten Stapel einer Vielzahl derartiger Bipolarplatten umfasst; wobei jede Bipolarplatte zwei derartige Plattenelemente (100, 200) umfasst, wobei jedes der beiden Plattenelemente (100, 200) zwei entgegengesetzte Plattenflächen mit Gasströmungsdurchgängen (gemeinsam 102, 202), die an einer Fläche ausgebildet sind, und Kühlmittelströmungsdurchgängen (gemeinsam 302), die an der anderen Fläche ausgebildet sind, aufweist, wobei die Plattenelemente (100, 200) mit einem Kühlmitteleinlass (54) und einem Kühlmittelauslass (56) ausgebildet sind und so anbringbar sind, dass Kühlmittelströmungsflächen in zueinander weisender Beziehung stehen, um Kühlmittelströmungsdurchgänge (302) zu definieren; wobei das Verfahren umfasst, dass: eine Plattenkonfiguration in einer Metalltafel für eine Serie der Plattenelemente (100, 200) aufeinander folgend geprägt wird, wobei jede Plattenkonfiguration eine Vielzahl geprägter Kühlmittelströmungsbegrenzungselemente (152, 158) an einem Kühlmitteleinlass (54) und/oder an einem Kühlmittelauslass (56) zum Einstellen der Kühlmittelströmung enthält, wobei die geprägten Kühlmittelströmungsbegrenzungselemente (152, 158) eine Anzahl und Form zur Begrenzung einer Kühlmittelströmung aufweisen, um einen Betrieb eines Plattenelements zu ermöglichen, das für eine Bipolarplatte bestimmt ist, die in dem Stapel bei einer ersten Kühlmittelströmungsanforderung angeordnet werden soll; und gewählte Kühlmittelströmungsbegrenzungselemente (158) von diesen Prägungen zur Verwendung in einem gewählten Plattenelement (100, 200) entfernt werden, das für eine Bipolarplatte bestimmt ist, die in dem Stapel bei einer zweiten Kühlmittelströmungsanforderung angeordnet werden soll, die höher als die erste Kühlmittelströmungsanforderung ist.
Verfahren zum Herstellen eines Plattenelements für eine Bipolarplatte nach Anspruch 1, wobei die gewählten Kühlmittelbegrenzungsströmungselemente (158) nur von dem Kühlmitteleinlass (54) entfernt werden.
Verfahren zum Herstellen eines Plattenelements für eine Bipolarplatte nach Anspruch 1, wobei die gewählten Kühlmittelbegrenzungsströmungselemente (158) von dem Kühlmitteleinlass (54) und dem Kühlmittelauslass (56) entfernt werden.
Verfahren zum Herstellen einer Serie von Plattenelementen für Bipolarplatten, die für eine Brennstoffzelle spezifiziert sind, die einen zusammengebauten Stapel einer Vielzahl derartiger Bipolarplatten aufweist; wobei jede Bipolarplatte zwei derartige Plattenelemente umfasst, wobei jedes der beiden Plattenelemente zwei entgegengesetzte Plattenflächen mit Gasströmungsdurchgängen, die an einer Fläche ausgebildet sind, und Kühlmittelströmungsdurchgängen, die an der anderen Fläche ausgebildet sind, aufweist, wobei die Plattenelemente mit einem Kühlmitteleinlass und einem Kühlmittelauslass ausgebildet sind und in einer Bipolarplatte anbringbar sind, wobei Kühlmittelströmungsflächen in zueinander weisender Beziehung stehen, um Kühlmittelströmungsdurchgänge zu definieren, wobei das Verfahren umfasst, dass: Werkzeuge zum aufeinander folgenden Prägen einer Plattenkonfiguration in einer Metalltafel für eine Serie der Plattenelemente vorgesehen werden, wobei jede Plattenkonfiguration eine Vielzahl geprägter Kühlmittelströmungsbegrenzungselemente an einem Kühlmitteleinlass und an einem Kühlmittelauslass zur Steuerung der Kühlmittelströmung enthalten soll, wobei die geprägten Kühlmittelströmungsbegrenzungselemente eine Anzahl und Form zur Begrenzung einer Kühlmittelströmung aufweisen, um einen Betrieb eines Plattenelements zu ermöglichen, das für eine Bipolarplatte bestimmt ist, die in dem Stapel bei einer ersten Kühlmittelströmungsanforderung angeordnet werden soll; Plattenkonfigurationen in einer oder mehreren Metalltafeln für eine Serie der Plattenelemente aufeinander folgend geprägt werden; und entweder (a) gewählte Kühlmittelströmungsbegrenzungselemente von diesen Prägungen zur Verwendung in einem gewählten Plattenelement entfernt werden, das für eine Bipolarplatte bestimmt ist, die in dem Stapel bei einer zweiten Kühlmittelströmungsanforderung angeordnet werden soll, die höher als die erste Kühlmittelströmungsanforderung ist; oder vor dem Prägen (b) jeder Abschnitt der Metalltafel entfernt wird, in dem ein gewähltes Kühlmittelströmungsbegrenzungselement durch einen derartigen Prägeschritt in einem gewählten Plattenelement gebildet ist, das für eine Bipolarplatte bestimmt ist, die in dem Stapel bei einer zweiten Kühlmittelströmungsanforderung angeordnet werden soll, die höher als die erste Kühlmittelströmungsanforderung ist.
Verfahren zum Herstellen einer Serie von Plattenelementen für Bipolarplatten nach Anspruch 4(a), wobei das Kühlmittelströmungsbegrenzungselement von sowohl dem Kühlmitteleinlass als auch -auslass oder von nur dem Kühlmitteleinlassteil der Prägung entfernt wird.
Verfahren zum Herstellen einer Serie von Plattenelementen für Bipolarplatten nach Anspruch 4(b), bei dem der Abschnitt der Metalltafel für ein Kühlmittelströmungsbegrenzungselement von sowohl dem Kühlmitteleinlass als auch -auslass oder nur von dem Kühlmitteleinlassteil der Prägung entfernt wird.
Verfahren zum Herstellen einer Serie von Blechplattenelementen für einen Brennstoffzellenstapel aus Bipolarplatten, wobei das Verfahren umfasst, dass: Werkzeuge für ein aufeinander folgendes Prägen einer Plattenelementkonfiguration in einer Metalltafel für eine Serie der Plattenelemente vorgesehen werden, wobei die Werkzeuge so ausgebildet sind, um Kühlmittelströmungsbegrenzungselemente in der Tafel für die geringsten Kühlanforderungen einer Bipolarplatte in dem Stapel zu bilden; Plattenkonfigurationen in einer oder mehreren Metalltafeln für eine Serie der Plattenelemente aufeinander folgend geprägt werden; und entweder (a) gewählte Kühlmittelströmungsbegrenzungselemente von diesen Prägungen zur Verwendung in einem gewählten Plattenelement entfernt werden, das für eine Bipolarplatte bestimmt ist, die in dem Stapel bei einer zweiten Kühlmittelströmungsanforderung angeordnet werden soll, die höher als die niedrigste Kühlmittelströmungsanforderung ist; oder vor dem Prägen (b) jeder Abschnitt der Metalltafel entfernt wird, in dem ein gewähltes Kühlmittelströmungsbegrenzungselement durch einen derartigen Prägeschritt in einem gewählten Plattenelement geformt ist, das für eine Bipolarplatte bestimmt ist, die in dem Stapel bei einer zweiten Kühlmittelströmungsanforderung angeordnet werden soll, die höher als die niedrigste Kühlmittelströmungsanforderung ist.
Verfahren zum Herstellen einer Serie von Plattenelementen für Bipolarplatten nach Anspruch 7(a), wobei das Kühlmittelströmungsbegrenzungselement von sowohl den Kühlmitteleinlass- als auch -auslassabschnitten der Prägung oder nur von dem Kühlmitteleinlassabschnitt entfernt wird.
Verfahren zum Herstellen einer Serie von Plattenelementen für Bipolarplatten nach Anspruch 7(b), wobei der Abschnitt der Metalltafel für das Kühlmittelströmungsbegrenzungselement von sowohl den Kühlmitteleinlass- als auch -auslassabschnitten der Prägung oder nur von dem Kühlmitteleinlassabschnitt entfernt wird.