DE102017124447A1

DE102017124447A1 - Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE102017124447A1
Application number: DE102017124447.6A
Authority: DE
Inventors: Richard D. Blakeley; Xi Yang; Siguang Xu; Liang Xi
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-10-20
Filing date: 2017-10-19
Publication date: 2018-04-26
Also published as: CN107968212B; US20180114994A1; US10388969B2; CN107968212A

Abstract

Eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle beinhaltet eine erste Platte mit einer ersten Wulstdichtung und eine zweite Platte mit einer zweiten Wulstdichtung. Die erste Wulstdichtung und die zweite Wulstdichtung sind einander gegenüberliegend angeordnet und erstrecken sich entlang einer Mittellinie. Eine äußere Schweißnaht verbindet die erste Platte und die zweite Platte miteinander und erstreckt sich entlang einer äußeren Bindenaht. Die äußere Bindenaht ist seitlich um einem äußeren Spaltabstand von einer äußeren Seitenkante der ersten und zweiten Wulstdichtung beabstandet. Der äußere Spaltabstand variiert mit einer Position entlang der Mittellinie, um eine Steifigkeit der Wulstdichtungen zu regeln. Die Positionierung der Bindenaht näher an der äußeren Seitenkante erhöht die Steifigkeit der erhöhten Wulstdichtungen in Bereichen mit geringer Steifigkeit, während die Positionierung der Bindenaht weiter von der Seitenkante entfernt die Steifigkeit der erhöhten Wulstdichtungen in Bereichen mit hoher Steifigkeit verringert.

Description

EINLEITUNG
Die Offenbarung bezieht sich allgemein auf eine Bipolarplatte mit einer Wulstdichtung zum Abdichten gegen eine angrenzende Platte und ein Verfahren zur Herstellung derselben.
Brennstoffzellen sind elektrochemische Vorrichtungen, die einen Brennstoff, wie Wasserstoff, und ein Oxidationsmittel, wie Sauerstoff, kombinieren, um Elektrizität zu erzeugen. Der Begriff „Brennstoffzelle“ wird typischerweise verwendet, um sich entweder auf eine einzelne Zelle oder eine Vielzahl von Zellen zu beziehen, abhängig von dem Kontext, in dem sie verwendet wird. Eine Vielzahl von einzelnen Zellen wird typischerweise gebündelt, um einen Stapel mit der Vielzahl von Zellen zu bilden, die üblicherweise in elektrischen Reihen angeordnet sind.
Es können verschiedene Brennstoffzellentypen, wie Phosphorsäure, alkalische, Schmelzkarbonat, Festoxid- und Protonenaustauschmembran (PEM), bereitgestellt werden. Die Grundkomponenten einer PEM-Brennstoffzelle sind zwei Elektroden, die durch einen Polymermembran-Elektrolyten getrennt sind. Jede Elektrode ist einseitig mit einer dünnen Katalysatorschicht beschichtet. Die Elektroden, der Katalysator und die Membran bilden zusammen eine Membranelektrodenanordnung (MEA).
In einer typischen PEM-Brennstoffzelle ist die MEA zwischen „Anoden“- und „Kathoden“-Diffusionsmedien (nachfolgend „DMs“) oder Diffusionsschichten angeordnet, die aus einem nachgiebigen, leitfähigen und gasdurchlässigen Material, wie Kohlenstoffgewebe oder Papier, geformt sind. Die DMs dienen als primäre Stromsammler für die Anode und Kathode und bieten mechanische Unterstützung für die MEA. Die DMs und MEA sind zwischen einem elektronisch leitfähigen Plattenpaar, z. B. Bipolarplatten, gedrückt, die als Sekundärstromsammler dienen, um den Strom von den Primärstromsammlern zu sammeln.
Die Bipolarplatten umfassen typischerweise zwei dünne, gegenüberliegende Bleche. Eines der Bleche definiert einen Strömungsweg auf einer äußeren Oberfläche davon zur Abgabe des Kraftstoffs an die Anode der MEA. Eine äußere Oberfläche des anderen Bleches definiert einen Strömungsweg für das Oxidationsmittel zur Abgabe an die Kathodenseite der MEA. Wenn die Bleche miteinander verbunden sind, können die verbundenen Oberflächen einen Strömungsweg für ein dielektrisches Kühlfluid definieren. Die Platten werden typischerweise aus einem formbaren Metall hergestellt, das eine geeignete Festigkeit, elektrische Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit bereitstellt.
Um ein unerwünschtes Austreten von Fluiden zwischen den Plattenpaaren zu verringern, wird häufig eine Dichtung verwendet. Die Dichtung ist entlang einer Umfangskante der Plattenpaare und/oder um einen Umfang einer durch die Platten verlaufenden Öffnung angeordnet. Die Dichtung kann eine elastomere Dichtung umfassen, oder alternativ können die Metallplatten geformt werden, um eine erhöhte Wulstdichtung zu bilden. Die erhöhte Wulstdichtung kann auf einem ebenen Metallblech angrenzend an eine äußere Kante des Bleches oder angrenzend an eine Kante ausgebildet sein, die eine in dem Blech ausgebildete Öffnung umgibt. Die erhöhte Wulstdichtung kann in dem Metallblech durch einen Stanzvorgang gebildet werden, obwohl andere Verfahren verwendet werden können. Die erhöhte Wulstdichtung kann im Wesentlichen symmetrisch um eine Längsmittellinie der erhöhten Wulstdichtung sein. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die erhöhte Wulstdichtung nicht symmetrisch um die Längsmittellinie sein kann. Die erhöhte Wulstdichtung kann eine allgemein bogenförmige Querschnittsform senkrecht zur Längsmittellinie aufweisen. Die allgemein bogenförmige Querschnittsform der erhöhten Wulstdichtung ergibt eine elastische Reaktion auf eine Last in einer Richtung normal zu dem ebenen Metallblech.
Die erhöhte Wulstdichtung wird gegen eine angrenzende Platte zusammengedrückt, um eine Abdichtung gegen die angrenzende Platte zu bilden. Wenn Abschnitte der erhöhten Wulstdichtung eine hohe Steifigkeit aufweisen und andere eine geringere Steifigkeit aufweisen, können die Bereiche mit hoher Steifigkeit der erhöhten Wulstdichtung verhindern, dass die unteren Steifigkeitsbereiche der erhöhten Wulstdichtung eine dichte Abdichtung formen. Dementsprechend sollten die erhöhten Wulstdichtungen eine gleichförmige Steifigkeit in allen Abschnitten der erhöhten Wulstdichtung aufweisen, um eine dichte Abdichtung um den gesamten Umfangsrand der Platten und/oder um den gesamten Umfang der angrenzenden Öffnung zu bilden.
ZUSAMMENFASSUNG
Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet das Bilden einer ersten Platte, um eine erste Wulstdichtung zu beinhalten, die sich entlang einer Mittellinie erstreckt. Die erste Wulstdichtung beinhaltet eine erste innere Seitenkante und eine erste äußere Seitenkante. Die erste Platte ist gegen eine zweite Platte positioniert. Die erste Platte wird an der zweiten Platte entlang einer äußeren Bindenaht verschweißt. Die äußere Bindenaht ist seitlich von der ersten äußeren Seitenkante um einen äußeren Spaltabstand beabstandet. Der äußere Spaltabstand variiert mit einer Position entlang der Mittellinie, um eine Steifigkeit der ersten Wulstdichtung zu regeln.
In einem Aspekt des Verfahrens ist die äußere Bindenaht relativ zu der ersten äußeren Seitenkante positioniert, um einen ersten Wert für den äußeren Spaltabstand in einem ersten Bereich der ersten Wulstdichtung zu definieren, um eine erste Steifigkeit zu schaffen. In einem anderen Aspekt des Verfahrens ist die äußere Bindenaht relativ zu der ersten äußeren Seitenkante positioniert, um einen zweiten Wert für den äußeren Spaltabstand in einem zweiten Bereich der ersten Wulstdichtung zu definieren, um eine zweite Steifigkeit zu schaffen. Der erste Wert des äußeren Spaltabstandes ist kleiner als der zweite Wert des äußeren Spaltabstandes, wobei die erste Steifigkeit im Wesentlichen der zweiten Steifigkeit entspricht.
In einem anderen Aspekt des Verfahrens umfasst das Bilden der ersten Platte, um die erste Wulstdichtung einzuschließen, das Bilden der ersten Wulstdichtung, um eine Endlosschleife zu definieren, die mindestens einen Eckabschnitt und mindestens einen im Wesentlichen linearen Abschnitt aufweist, wobei der erste Bereich der mindestens eine im Wesentlichen lineare Abschnitt der ersten Wulstdichtung ist und der zweite Bereich der mindestens eine Eckabschnitt der ersten Wulstdichtung ist.
In einem anderen Aspekt des Verfahrens ist die äußere Bindenaht näher an der ersten äußeren Seitenkante angeordnet, um den äußeren Spaltabstand zu verringern und die Steifigkeit der ersten Wulstdichtung in einem ersten Bereich zu erhöhen, um eine erste Steifigkeit der ersten Wulstdichtung zu erreichen. In einem anderen Aspekt des Verfahrens ist die äußere Bindenaht weiter von der ersten äußeren Seitenkante entfernt, um den äußeren Spaltabstand zu vergrößern und die Steifigkeit der ersten Wulstdichtung in einem zweiten Bereich zu verringern, um eine zweite Steifigkeit der ersten Wulstdichtung zu erreichen, wobei die erste Steifigkeit im Wesentlichen gleich der zweiten Steifigkeit ist.
In einem anderen Aspekt des Verfahrens ist die zweite Platte so ausgebildet, dass sie eine zweite Wulstdichtung beinhaltet, die sich entlang der Mittellinie erstreckt und eine zweite innere Seitenkante und eine zweite äußere Seitenkante aufweist. In einem anderen Aspekt des Verfahrens beinhaltet das Positionieren der ersten Platte gegen die zweite Platte das Positionieren der ersten Platte gegen die zweite Platte, sodass die erste Wulstdichtung und die zweite Wulstdichtung einander gegenüberliegend angeordnet sind und sich voneinander weg erstrecken, um dazwischen einen Kanal zu bilden. Die erste innere Seitenkante und die zweite innere Seitenkante fluchten miteinander und die erste äußere Seitenkante und die zweite äußere Seitenkante fluchten miteinander.
In einem anderen Aspekt des Verfahrens wird die erste Platte mit der zweiten Platte entlang einer inneren Bindenaht verschweißt. Die innere Bindenaht ist seitlich von der ersten inneren Seitenkante um einen inneren Spaltabstand beabstandet. Der innere Spaltabstand variiert mit der Bewegung entlang der Mittellinie, um die Steifigkeit der ersten Wulstdichtung zu regeln. In einem anderen Aspekt des Verfahrens sind der innere Spaltabstand und der äußere Spaltabstand an jeder Stelle entlang der Mittellinie im Wesentlichen gleich.
Es ist auch ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle vorgesehen. Das Verfahren umfasst das Bilden einer ersten Platte, um eine erste Wulstdichtung zu beinhalten, die sich entlang einer Mittellinie erstreckt und eine erste innere Seitenkante und eine erste äußere Seitenkante aufweist. Eine zweite Platte ist so ausgebildet, dass sie eine zweite Wulstdichtung beinhaltet, die sich entlang der Mittellinie erstreckt und eine zweite innere Seitenkante und eine zweite äußere Seitenkante aufweist. Die erste Platte ist gegen die zweite Platte positioniert, sodass die erste Wulstdichtung und die zweite Wulstdichtung einander gegenüberliegend angeordnet sind und sich voneinander weg erstrecken, um dazwischen einen Kanal zu bilden. Die erste innere Seitenkante und die zweite innere Seitenkante fluchten miteinander und die erste äußere Seitenkante und die zweite äußere Seitenkante fluchten miteinander. Die erste Platte wird an der zweiten Platte entlang einer äußeren Bindenaht verschweißt. Die äußere Bindenaht ist seitlich von der ersten äußeren Seitenkante beabstandet und die zweite äußere Seitenkante um einen äußeren Spaltabstand. Der äußere Spaltabstand variiert mit einer Position entlang der Mittellinie, um eine Steifigkeit der ersten Wulstdichtung und der zweiten Wulstdichtung zu regeln.
Bei einem Aspekt des Verfahrens ist die äußere Bindenaht relativ zu der ersten äußeren Seitenkante und der zweiten äußeren Seitenkante positioniert, um einen ersten Wert für den äußeren Spaltabstand in einem im Wesentlichen linearen Abschnitt der ersten Wulstdichtung zu bilden, um eine erste Steifigkeit zu schaffen. In einem anderen Aspekt des Verfahrens ist die äußere Bindenaht relativ zu der ersten äußeren Seitenkante und der zweiten äußeren Seitenkante positioniert, um einen zweiten Wert für den äußeren Spaltabstand in einem Eckabschnitt der ersten Wulstdichtung zu definieren, um eine zweite Steifigkeit zu schaffen. Der erste Wert des äußeren Spaltabstandes ist kleiner als der zweite Wert des äußeren Spaltabstandes, wobei die erste Steifigkeit im Wesentlichen der zweiten Steifigkeit entspricht.
In einem anderen Aspekt des Verfahrens wird die erste Platte mit der zweiten Platte entlang einer inneren Bindenaht verschweißt. Die innere Bindenaht ist seitlich von der ersten inneren Seitenkante beabstandet und die zweite innere Seitenkante um einen inneren Spaltabstand. Der innere Spaltabstand variiert mit der Bewegung entlang der Mittellinie, um die Steifigkeit der ersten Wulstdichtung und der zweiten Wulstdichtung zu regeln.
Eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle ist ebenfalls vorgesehen. Die Bipolarplatte beinhaltet eine erste Platte mit einer darin ausgebildeten ersten Wulstdichtung. Die erste Wulstdichtung erstreckt sich entlang einer Mittellinie und weist eine erste innere Seitenkante und eine erste äußere Seitenkante auf. Eine zweite Platte ist gegen die erste Platte positioniert. Eine äußere Schweißnaht verbindet die erste Platte und die zweite Platte miteinander und erstreckt sich entlang einer äußeren Bindenaht. Die äußere Bindenaht ist seitlich von der ersten äußeren Seitenkante um einen äußeren Spaltabstand entlang der Mittellinie beabstandet. Der äußere Spaltabstand variiert mit einer Position entlang der Mittellinie, um eine Steifigkeit der ersten Wulstdichtung zu regeln.
In einem Aspekt der Bipolarplatte enthält die zweite Platte eine zweite Wulstdichtung, die darin ausgebildet ist. Die zweite Wulstdichtung erstreckt sich entlang der Mittellinie und weist eine zweite innere Seitenkante und eine zweite äußere Seitenkante auf. Die erste innere Seitenkante und die zweite innere Seitenkante fluchten miteinander und die erste äußere Seitenkante und die zweite äußere Seitenkante fluchten miteinander.
In einem anderen Aspekt der Bipolarplatte verbindet eine innere Schweißnaht die erste Platte und die zweite Platte miteinander und erstreckt sich entlang einer inneren Bindenaht. Die innere Bindenaht ist seitlich von der ersten inneren Seitenkante einen inneren Spaltabstand entlang der Mittellinie beabstandet. Der innere Spaltabstand variiert mit der Position entlang der Mittellinie, um die Steifigkeit der ersten Wulstdichtung zu steuern.
In einem anderen Aspekt der Bipolarplatte umfasst die erste Wulstdichtung einen ersten Bereich, der sich entlang der Mittellinie erstreckt, wobei der Spaltabstand innerhalb des ersten Bereichs im Wesentlichen gleich einem ersten Wert ist, um eine erste Steifigkeit der ersten Wulstdichtung zu erreichen. In einem anderen Aspekt der Bipolarplatte umfasst die erste Wulstdichtung einen zweiten Bereich, der sich entlang der Mittellinie erstreckt, wobei der Spaltabstand innerhalb des zweiten Bereichs im Wesentlichen gleich einem zweiten Wert ist, um eine zweite Steifigkeit der ersten Wulstdichtung zu erreichen. Die erste Steifigkeit und die zweite Steifigkeit sind etwa gleich. In einem anderen Aspekt der Bipolarplatte ist der erste Bereich ein im Wesentlichen linearer Abschnitt der ersten Wulstdichtung und der zweite Bereich ist ein Eckabschnitt der ersten Wulstdichtung, wobei der erste Wert des Spaltabstandes kleiner als der zweite Wert des Spaltabstandes ist.
Dementsprechend wird die Lage oder der Abstand der Bindenaht relativ zu der äußeren Seitenkante der erhöhten Wulstdichtung geregelt und variiert, um die Steifigkeit der erhöhten Wulstdichtung zu steuern. Auf diese Weise kann die Steifigkeit der erhöhten Wulstdichtung so geregelt werden, dass sie durch alle Abschnitte der erhöhten Wulstdichtungen allgemein gleichmäßig ist, wodurch eine dichte Abdichtung über alle Abschnitte der erhöhten Wulstdichtungen gewährleistet wird.
Die vorstehenden Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Lehren, lassen sich leicht aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der besten Durchführungsarten der Lehren ableiten, wenn diese in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen betrachtet werden.
Figurenliste

1 ist eine schematische Draufsicht auf eine Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel.
2 ist eine schematische, fragmentarische Querschnittsansicht der Bipolarplatte, die einen Querschnitt der erhöhten Wulstdichtung zeigt.
3 ist eine schematische, fragmentarische Draufsicht auf die Bipolarplatte, die eine erhöhte Wulstdichtung um eine Öffnung in der Bipolarplatte zeigt.
4 ist eine schematische, fragmentarische Querschnittsansicht der Bipolarplatte, die einen Querschnitt der erhöhten Wulstdichtung zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Fachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass Begriffe, wie „über“, „unter“, „nach oben“, „nach unten“, „oben“, „unten“ usw., beschreibend für die Figuren verwendet werden und keine Einschränkungen des Umfangs der durch die beigefügten Patentansprüche definierten Offenbarung darstellen. Weiterhin können die Lehren hierin in Bezug auf die funktionalen bzw. logischen Blockkomponenten bzw. verschiedene Verarbeitungsschritte beschrieben sein. Es ist zu beachten, dass derartige Blockkomponenten aus einer beliebigen Anzahl von Hardware, Software- und/oder Firmware-Komponenten aufgebaut sein können, die konfiguriert sind, um die spezifizierten Funktionen auszuführen.
Bezüglich der Figuren, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile für die verschiedenen Ansichten kennzeichnen, wird im Allgemeinen bei 20 eine Bipolarplatte dargestellt. Die Bipolarplatte 20 ist zur Verwendung in einer Brennstoffzelle oder einem Brennstoffzellenstapel konfiguriert, wie dies in der Technik bekannt ist. Die Besonderheiten der Brennstoffzelle sind nicht relevant für die Lehren dieser Offenbarung und werden daher hierin nicht ausführlich beschrieben.
Unter Bezugnahme auf 1 umfasst die Bipolarplatte 20 eine äußere Umfangskante 22 und definiert eine Vielzahl von Öffnungen 24, die sich durch die Bipolarplatte 20 erstrecken. Eine erhöhte Wulstdichtung 26 ist angrenzend an die äußere Umfangskante 22 der Bipolarplatte 20 sowie angrenzend an einen Umfang jeder der Öffnungen 24 angeordnet. Die in 1 gezeigten erhöhten Wulstdichtungen 26 werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die 2 und 3 näher beschrieben. Während die nachfolgende ausführliche Beschreibung nur auf eine einzelne erhöhte Wulstdichtung 26 verweist, ist zu erkennen, dass die nachfolgende detaillierte Beschreibung und die in den 2 und 3 gezeigten exemplarischen Ausführungsformen für alle in 1 gezeigten erhöhten Wulstdichtungen 26 gelten.
Unter Bezugnahme auf 2 und 4 beinhaltet die Bipolarplatte 20 eine Anodenplatte, im Folgenden als die erste Platte 28 bezeichnet, und eine Kathodenplatte, im Folgenden als die zweite Platte 30 bezeichnet. Die erste Platte 28 und die zweite Platte 30 sind flach gegeneinander angeordnet. Jede der ersten Platte 28 und der zweiten Platte 30 umfassen im Allgemeinen ebene Platten. Wie in 2 und 4 gezeigt, beinhaltet die erste Platte 28 eine darin ausgebildete erste Wulstdichtung 32 und die zweite Platte 30 beinhaltet eine zweite Wulstdichtung 34, die darin ausgebildet ist. Die erste Wulstdichtung 32 und die zweite Wulstdichtung 34 sind einander gegenüberliegend angeordnet und erstrecken sich voneinander weg, aus den Ebenen der ersten Platte 28 bzw. der zweiten Platte 30 heraus. Die erste Wulstdichtung 32 und die zweite Wulstdichtung 34 wirken zusammen, um die erhöhte Wulstdichtung 26 zu bilden. Während die in den FIGUREN gezeigte und hierin beschriebene exemplarische Ausführungsform sowohl die erste Platte 28 als auch die zweite Platte 30 mit einer Wulstdichtung, d. h. der ersten Wulstdichtung 32 und der zweiten Wulstdichtung 34 beinhaltet, so ist zu verstehen, dass die Lehren dieser Offenbarung auf eine Bipolarplatte 20 angewendet werden können, in der nur eine der Platten eine darin ausgebildete Wulstdichtung aufweist.
Die erste Wulstdichtung 32 beinhaltet eine erste innere Seitenkante 36 und eine erste äußere Seitenkante 38. Die zweite Wulstdichtung 34 beinhaltet eine zweite innere Seitenkante 40 und eine zweite äußere Seitenkante 42. Die erste innere Seitenkante 36 und die zweite innere Seitenkante 40 sind im Allgemeinen miteinander und einander gegenüberliegend angeordnet. In ähnlicher Weise sind die erste äußere Seitenkante 38 und die zweite äußere Seitenkante 42 im Allgemeinen miteinander und einander gegenüberliegend angeordnet.
Unter Bezugnahme auf 3 erstreckt sich die erste Wulstdichtung 32 entlang einer Mittellinie 44. Obwohl nicht explizit in 3 gezeigt ist, sollte erkannt werden, dass sich die zweite Wulstdichtung 34 auch entlang der Mittellinie 44 erstreckt.
Die erste Wulstdichtung 32 und/oder die zweite Wulstdichtung 34 können in der ersten Platte oder der zweiten Platte jeweils durch einen Stanzvorgang gebildet werden, obwohl andere Verfahren verwendet werden können. Die erhöhte Wulstdichtung 26 kann im Wesentlichen symmetrisch um die Längsmittellinie 44 der erhöhten Wulstdichtung 26 sein. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die erhöhte Wulstdichtung 26 nicht symmetrisch um die Längsmittellinie 44 sein kann. Sowohl die erste Wulstdichtung 32 als auch die zweite Wulstdichtung 34 können eine im Wesentlichen bogenförmige Querschnittsform senkrecht zur Längsmittellinie 44 aufweisen, sodass die erhöhte Wulstdichtung 26 eine im Wesentlichen elliptische Querschnittsform senkrecht zur Längsmittellinie 44 aufweist. Die allgemein bogenförmige Querschnittsform der ersten Wulstdichtung 32 und der zweiten Wulstdichtung 34 ergibt eine elastische Reaktion auf eine Last in einer Richtung normal zu der Bipolarplatte 20. Die erhöhte Wulstdichtung 26, die sowohl die erste Wulstdichtung 32 als auch die zweite Wulstdichtung 34 beinhaltet, kann jede gewünschte Querschnittsform aufweisen.
Die erste Platte 28 und die zweite Platte 30 sind miteinander verschweißt. Wie in 3 gezeigt ist, enthält die Bipolarplatte 20 eine äußere Schweißnaht 46 und eine innere Schweißnaht 48, die die erste Platte 28 und die zweite Platte 30 miteinander verbindet. Die äußere Schweißnaht 46 erstreckt sich entlang einer äußeren Bindenaht 50. Die innere Schweißnaht 48 erstreckt sich entlang einer inneren Bindenaht 52. Während 3 die Bipolarplatte 20 zeigt, die sowohl die innere Schweißnaht 48 als auch die äußere Schweißnaht 46 enthält, sollte erkannt werden, dass die Bipolarplatte 20 nur eine der inneren Schweißnaht 48 oder der äußeren Schweißnaht 46 umfassen kann in Abhängigkeit von der relativen Position der erhöhten Wulstdichtung 26 zur Öffnung 24 oder Kante der Bipolarplatte 20, die sich abdichtet. Wie in 3 gezeigt, kann beispielsweise die Bipolarplatte 20 nur die äußere Bindenaht 50 beinhalten und kann die innere Bindenaht 52 nicht enthalten.
Die äußere Bindenaht 50 ist seitlich von der ersten äußeren Seitenkante 38 und der zweiten äußeren Seitenkante 42 um einen äußeren Spaltabstand 54 entlang der Mittellinie 44 beabstandet. Der äußere Spaltabstand 54 variiert mit einer Position entlang der Mittellinie 44. Die innere Bindenaht 52 ist seitlich von der ersten inneren Seitenkante 36 und der zweiten inneren Seitenkante 40 um einen inneren Spaltabstand 56 entlang der Mittellinie 44 beabstandet. Der innere Spaltabstand 56 variiert mit einer Position entlang der Mittellinie 44. Der äußere Spaltabstand 54 und der innere Spaltabstand 56 werden mit ihrer Position entlang der Mittellinie 44 verändert, um eine Steifigkeit der ersten Wulstdichtung 32 und der zweiten Wulstdichtung 34 zu regeln. Wie hierin verwendet, kann der Begriff „Steifigkeit“ als das Ausmaß oder die Höhe des Widerstands gegen Verformung in Reaktion auf eine angelegte Kraft 58 (in 2 und 4 dargestellt) definiert werden, die normal zu einer Bezugsebene 60 der ersten Platte 28 und der zweiten Platte 30 gerichtet ist.
Um eine gute Abdichtung zu erzielen, muss die erhöhte Wulstdichtung 26 auf die aufgebrachte Kraft 58 reagieren, indem eine resultierende Dichtkraft 62 (in den 2 und 4 dargestellt) bereitgestellt wird, die gleichmäßig über die gesamte Länge der erhöhten Wulstdichtung 26 verteilt wird. Wenn ein Abschnitt der erhöhten Wulstdichtung 26 eine höhere Steifigkeit aufweist als ein anderer Abschnitt der erhöhten Wulstdichtung 26, dann wird der höhere Steifigkeitsabschnitt der erhöhten Wulstdichtung 26 eine höhere Dichtkraft bereitstellen, während der niedrigere Steifigkeitsabschnitt der erhöhten Wulstdichtung 26 eine geringere Dichtkraft bereitstellen wird. Dementsprechend ist es wichtig, die Steifigkeit der erhöhten Wulstdichtung 26 entlang der gesamten Länge der erhöhten Wulstdichtung 26 einheitlich zu machen, um eine gleichmäßige Dichtkraft entlang der gesamten Länge der erhöhten Wulstdichtung 26 bereitzustellen.
Unter Bezugnahme auf die 2 und 4 können der innere Spaltabstand 56 und der äußere Spaltabstand 54 variiert werden, um die Steifigkeit der erhöhten Wulstdichtung einschließlich der ersten Wulstdichtung und der zweiten Wulstdichtung zu regeln. Wie in 4 gezeigt, wird durch Positionieren der inneren Bindenaht 52 und der äußeren Bindenaht 50 weiter entfernt von den Seitenkanten der erhöhten Wulstdichtung 26, wodurch der Spaltabstand erhöht wird, die Steifigkeit der erhöhten Wulstdichtung 26 verringert. Im Gegensatz dazu, wie in 2 gezeigt, wird durch Positionieren der inneren Bindenaht 52 und der äußeren Bindenaht 50 näher an den Seitenkanten der erhöhten Wulstdichtung 26, wodurch der Spaltabstand verringert wird, die Steifigkeit der erhöhten Wulstdichtung 26 erhöht. Dementsprechend können in hohen Steifigkeitsabschnitten die äußere Bindenaht 50 und die innere Bindenaht 52 weiter von den Seitenkanten der erhöhten Wulstdichtung 26 entfernt angeordnet sein, um die Steifigkeit der erhöhten Wulstdichtung 26 zu verringern, und in den unteren Steifigkeitsabschnitten können die äußere Bindenaht 50 und die innere Bindenaht 52 näher an den Seitenkanten der erhöhten Wulstdichtung 26 angeordnet sein, um die Steifigkeit der erhöhten Wulstdichtung 26 zu erhöhen. Dabei kann die Steifigkeit der erhöhten Wulstdichtung 26 entlang der Länge der erhöhten Wulstdichtung 26 geregelt werden, um einheitlich zu sein.
Unter Bezugnahme auf 3 bildet die erhöhte Wulstdichtung 26 eine allgemein rechteckige Form mit abgerundeten Ecken. Die erhöhte Wulstdichtung 26, die sowohl die erste Wulstdichtung 32 in der ersten Platte 28 als auch die zweite Wulstdichtung 34 in der zweiten Platte 30 beinhaltet, beinhaltet mindestens einen ersten Bereich 64, der sich entlang der Mittellinie 44 erstreckt, und mindestens einen zweiten Bereich 66 sich entlang der Mittellinie 44 erstrecken. Die ersten Bereiche 64 sind allgemein mit Bereichen der erhöhten Wulstdichtung 26 verbunden, die eine geringere Steifigkeit aufweisen. Die zweiten Bereiche 66 sind allgemein mit Bereichen der erhöhten Wulstdichtung 26 verbunden, die eine höhere Steifigkeit aufweisen. Wie in 3 gezeigt und, wie hierin beschrieben, enthält der erste Bereich 64 die im Wesentlichen linearen Abschnitte der im Allgemeinen rechteckig geformten erhöhten Wulstdichtung 26, und der zweite Bereich 66 enthält die allgemeinen Eckabschnitte der im Allgemeinen rechteckig geformten erhöhten Wulstdichtung 26. Es sollte erkannt werden, dass, wenn die Endlosschleife der erhöhten Wulstdichtung 26 so ausgebildet ist, dass sie eine andere Form als die in der exemplarischen Ausführungsform gezeigte im Wesentlichen rechteckige Form aufweist, dann können die ersten Bereiche 64 und die zweiten Bereiche 66 anders definiert werden, als sie hierin beschrieben sind.
Unter Bezugnahme auf 3 sind der äußere Spaltabstand 54 und der innere Spaltabstand 56 innerhalb des ersten Bereichs 64 im Wesentlichen gleich einem ersten Wert, um eine erste Steifigkeit der erhöhten Wulstdichtung 26 zu erreichen, die die erste Wulstdichtung 32 und die zweite Wulstdichtung 34 beinhaltet. Der äußere Spaltabstand 54 und der innere Spaltabstand 56 innerhalb des zweiten Bereichs 66 sind im Wesentlichen gleich einem zweiten Wert, um eine zweite Steifigkeit der erhöhten Wulstdichtung 26 zu erreichen, die die erste Wulstdichtung 32 und die zweite Wulstdichtung 34 beinhaltet. Der erste Wert des Spaltabstandes ist kleiner als der zweite Wert des Spaltabstandes, sodass die erste Steifigkeit und die zweite Steifigkeit annähernd gleich sind.
Ein Verfahren zur Herstellung der oben beschriebenen Bipolarplatte 20 ist ebenfalls vorgesehen. Das Verfahren umfasst das Bilden der ersten Platte 28, um die erste Wulstdichtung 32 einzuschließen. Die erste Platte 28 kann in jeder geeigneten Weise ausgebildet sein. So kann beispielsweise die erste Platte 28 mit einer Stanzpresse oder einer anderen ähnlichen Vorrichtung ausgebildet sein. Die erste Platte 28 ist so ausgebildet, dass sich die erste Wulstdichtung 32 entlang der Mittellinie 44 erstreckt und die erste innere Seitenkante 36 und die erste äußere Seitenkante 38 aufweist. Die erste Wulstdichtung 32 kann so ausgebildet sein, dass sie sich von der Ebene der ersten Platte 28 nach außen erstreckt und eine Endlosschleife definiert, die eine allgemein rechteckige Form mit mindestens einem Eckabschnitt und mindestens einem im Wesentlichen linearen Abschnitt definiert.
Die zweite Platte 30 ist so ausgebildet, dass sie die zweite Wulstdichtung 34 beinhaltet. Die zweite Platte 30 kann in jeder geeigneten Weise ausgebildet sein. So kann beispielsweise die zweite Platte 30 mit einer Prägepresse oder einer anderen ähnlichen Vorrichtung ausgebildet sein. Die zweite Platte 30 ist so ausgebildet, dass sich die zweite Wulstdichtung 34 entlang der Mittellinie 44 erstreckt und die zweite innere Seitenkante 40 und die zweite äußere Seitenkante 42 aufweist. Die zweite Wulstdichtung 34 kann so ausgebildet sein, dass sie sich von der Ebene der zweiten Platte 30 nach außen erstreckt und eine Endlosschleife definiert, die eine allgemein rechteckige Form mit mindestens einem Eckabschnitt und mindestens einem im Wesentlichen linearen Abschnitt definiert.
Sobald die erste Platte 28 und die zweite Platte 30 ausgebildet sind, um die erste Wulstdichtung 32 und die zweite Wulstdichtung 34 zu definieren, sind die erste Platte 28 und die zweite Platte 30 flach gegeneinander positioniert, sodass angrenzende ebene Flächen der ersten Platte 28 und der zweiten Platte 30 in aneinanderstoßenden Eingriff miteinander angeordnet sind und parallel zu der Bezugsebene 60 angeordnet sind. Die erste Platte 28 und die zweite Platte 30 sind so aneinander angrenzend angeordnet, dass die erste Wulstdichtung 32 und die zweite Wulstdichtung 34 einander gegenüberliegend angeordnet sind und sich voneinander weg erstrecken, um dazwischen einen Kanal zu bilden. Die erste innere Seitenkante 36 und die zweite innere Seitenkante 40 fluchten miteinander. Ähnlich fluchten die erste äußere Seitenkante 38 und die zweite äußere Seitenkante 42 miteinander.
Sobald die erste Platte 28 und die zweite Platte 30 relativ zueinander positioniert sind, werden die erste Platte 28 und die zweite Platte 30 miteinander verschweißt. Die erste Platte 28 und die zweite Platte 30 können entlang der äußeren Bindenaht 50 und/oder der inneren Bindenaht 52 miteinander verschweißt sein. Wie oben beschrieben, ist die äußere Bindenaht 50 seitlich von der ersten äußeren Seitenkante 38 und der zweiten äußeren Seitenkante 42 um einen äußeren Spaltabstand 54 beabstandet. Der äußere Spaltabstand 54 variiert mit einer Position entlang der Mittellinie 44, um die Steifigkeit der ersten Wulstdichtung 32 und der zweiten Wulstdichtung 34 zu regeln. Ähnlich ist die innere Bindenaht 52 seitlich von der ersten inneren Seitenkante 36 und der zweiten inneren Seitenkante 40 um einen inneren Spaltabstand 56 beabstandet. Der innere Spaltabstand 56 variiert mit einer Position entlang der Mittellinie 44, um die Steifigkeit der ersten Wulstdichtung 32 und der zweiten Wulstdichtung 34 zu regeln. In einigen Ausführungsformen können der innere Spaltabstand 56 und der äußere Spaltabstand 54 im Wesentlichen an jeder Stelle entlang der Mittellinie 44 gleich sein. In anderen Ausführungsformen sind der innere Spaltabstand 56 und der äußere Spaltabstand 54 an jeder Stelle entlang der Mittellinie 44 wesentlich voneinander verschieden.
Die äußere Bindenaht 50 kann näher an der ersten äußeren Seitenkante 38 und der zweiten äußeren Seitenkante 42 angeordnet sein, um den äußeren Spaltabstand 54 zu verringern und die Steifigkeit der ersten Wulstdichtung 32 und der zweiten Wulstdichtung 34 in dem ersten Bereich 64 der erhöhten Wulstdichtung 26 zu erhöhen, um die erste Steifigkeit der ersten Wulstdichtung 32 zu erzielen. Als solches kann die äußere Bindenaht 50 relativ zu der ersten äußeren Seitenkante 38 und der zweiten äußeren Seitenkante 42 positioniert sein, um einen ersten Wert für den äußeren Spaltabstand 54 in dem ersten Bereich 64 der ersten Wulstdichtung 32 zu bilden, um die erste Steifigkeit zu schaffen.
Die äußere Bindenaht 50 kann weiter von der ersten äußeren Seitenkante 38 und der zweiten äußeren Seitenkante 42 entfernt sein, um den äußeren Spaltabstand 54 zu vergrößern und die Steifigkeit der ersten Wulstdichtung 32 und der zweiten Wulstdichtung 34 in dem zweiten Bereich 66 der erhöhten Wulstdichtung 26 zu verringern, um die zweite Steifigkeit der ersten Wulstdichtung 32 zu erzielen. Als solches kann die äußere Bindenaht 50 relativ zu der ersten äußeren Seitenkante 38 und der zweiten äußeren Seitenkante 42 positioniert sein, um den zweiten Wert für den äußeren Spaltabstand 54 in dem zweiten Bereich 66 der ersten Wulstdichtung 32 zu definieren, um die zweite Steifigkeit zu schaffen. Der erste Wert des äußeren Spaltabstandes 54 kann kleiner als der zweite Wert des äußeren Spaltabstandes 54 sein, sodass die erste Steifigkeit im Wesentlichen der zweiten Steifigkeit entspricht.
Die innere Bindenaht 52 kann näher an der ersten inneren Seitenkante 36 und der zweiten inneren Seitenkante 40 angeordnet sein, um den inneren Spaltabstand 56 zu verringern und die Steifigkeit der ersten Wulstdichtung 32 und der zweiten Wulstdichtung 34 in dem ersten Bereich 64 der erhöhten Wulstdichtung 26 zu erhöhen, um die erste Steifigkeit der ersten Wulstdichtung 32 zu erzielen. Als solches kann die innere Bindenaht 52 relativ zu der ersten inneren Seitenkante 36 und der zweiten inneren Seitenkante 40 positioniert sein, um eine ersten Wert für den inneren Spaltabstand 56 im ersten Bereich 64 der ersten Wulstdichtung 32 zu definieren, um die erste Steifigkeit zu schaffen.
Die innere Bindenaht 52 kann weiter von der ersten inneren Seitenkante 36 und der zweiten inneren Seitenkante 40 entfernt angeordnet sein, um den inneren Spaltabstand 56 zu vergrößern und die Steifigkeit der ersten Wulstdichtung 32 und der zweiten Wulstdichtung 34 in dem zweiten Bereich 66 der erhöhten Wulstdichtung 26 zu verringern, um die zweite Steifigkeit der ersten Wulstdichtung 32 zu erzielen. Als solches kann die innere Bindenaht 52 relativ zu der ersten inneren Seitenkante 36 und der zweiten inneren Seitenkante 40 positioniert sein, um den zweiten Wert für den inneren Spaltabstand 56 in dem zweiten Bereich 66 der ersten Wulstdichtung 32 zu definieren, um die zweite Steifigkeit zu schaffen. Der erste Wert des inneren Spaltabstandes 56 kann kleiner als der zweite Wert des inneren Spaltabstandes 56 sein, sodass die erste Steifigkeit im Wesentlichen der zweiten Steifigkeit entspricht.
Die ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren unterstützen und beschreiben die Offenbarung, während der Umfang der Offenbarung jedoch einzig und allein durch die Patentansprüche definiert wird. Während einige der besten Modi und andere Ausführungsformen zur Umsetzung der beanspruchten Lehren im Detail beschrieben werden, existieren verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen zur Umsetzung der Offenbarung, die in den hinzugefügten Ansprüchen definiert sind.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, das Verfahren umfassend: das Bilden einer ersten Platte, um eine erste Wulstdichtung zu beinhalten, die sich entlang einer Mittellinie erstreckt und eine erste innere Seitenkante und eine erste äußere Seitenkante aufweist; das Positionieren der ersten Platte gegen eine zweite Platte; das Verschweißen der ersten Platte mit der zweiten Platte entlang einer äußeren Bindenaht; worin die äußere Bindenaht seitlich von der ersten äußeren Seitenkante um einen äußeren Spaltabstand beabstandet ist; und worin der äußere Spaltabstand mit einer Position entlang der Mittellinie variiert, um eine variable Steifigkeit der ersten Wulstdichtung entlang der Mittellinie festzulegen.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Positionieren der äußeren Bindenaht relativ zu der ersten äußeren Seitenkante, um einen ersten Wert für den äußeren Spaltabstand in einem ersten Bereich der ersten Wulstdichtung zu bilden, um eine erste Steifigkeit zu schaffen.
Verfahren nach Anspruch 2, ferner umfassend das Positionieren der äußeren Bindenaht relativ zu der ersten äußeren Seitenkante, um einen zweiten Wert für den äußeren Spaltabstand in einem zweiten Bereich der ersten Wulstdichtung zu definieren, um eine zweite Steifigkeit bereitzustellen, worin der erste Wert des äußeren Spaltabstandes kleiner als der zweite Wert des äußeren Spaltabstandes ist und worin die erste Steifigkeit im Wesentlichen der zweiten Steifigkeit entspricht.
Verfahren nach Anspruch 3, worin das Bilden der ersten Platte, um die erste Wulstdichtung zu beinhalten, das Bilden der ersten Wulstdichtung beinhaltet, um eine Endlosschleife zu definieren, die mindestens einen Eckabschnitt und mindestens einen im Wesentlichen linearen Abschnitt aufweist, worin der erste Bereich der mindestens eine im Wesentlichen lineare Abschnitt der ersten Wulstdichtung ist und der zweite Bereich der mindestens eine Eckabschnitt der ersten Wulstdichtung ist.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Positionieren der äußeren Bindenaht näher an der ersten äußeren Seitenkante, um den äußeren Spaltabstand zu verringern und die Steifigkeit der ersten Wulstdichtung in einem ersten Bereich zu erhöhen, um eine erste Steifigkeit der ersten Wulstdichtung zu erzielen.
Verfahren nach Anspruch 5, ferner umfassend das Positionieren der äußeren Bindenaht weiter von der ersten äußeren Seitenkante entfernt, um den äußeren Spaltabstand zu vergrößern und die Steifigkeit der ersten Wulstdichtung in einem zweiten Bereich zu verringern, um eine zweite Steifigkeit der ersten Wulstdichtung zu erreichen worin die erste Steifigkeit im Wesentlichen der zweiten Steifigkeit entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Bilden der zweiten Platte, um eine zweite Wulstdichtung zu beinhalten, die sich entlang der Mittellinie erstreckt und eine zweite innere Seitenkante und eine zweite äußere Seitenkante aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, worin das Positionieren der ersten Platte gegen die zweite Platte ferner definiert ist als Positionieren der ersten Platte gegen die zweite Platte, sodass die erste Wulstdichtung und die zweite Wulstdichtung einander gegenüberliegend angeordnet sind und sich voneinander weg erstrecken, um einen Kanal dazwischen zu bilden, worin die erste innere Seitenkante und die zweite innere Seitenkante miteinander fluchten und die erste äußere Seitenkante und die zweite äußere Seitenkante miteinander fluchten.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Verschweißen der ersten Platte mit der zweiten Platte entlang einer inneren Bindenaht, worin die innere Bindenaht seitlich von der ersten inneren Seitenkante um einen inneren Spaltabstand beabstandet ist, worin der innere Spaltabstand mit Bewegung entlang der Mittellinie variiert, um die Steifigkeit der ersten Wulstdichtung zu regeln.
Verfahren nach Anspruch 9, worin der innere Spaltabstand und der äußere Spaltabstand an jeder Stelle entlang der Mittellinie im Wesentlichen gleich sind.