DE10392474T5

DE10392474T5 - Bipolplattenzusammenbau mit Querschenkeln

Info

Publication number: DE10392474T5
Application number: DE10392474T
Authority: DE
Inventors: Jeffrey A. Rock; Kim Griffith; Pinkhas A. Rapaport
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2002-04-25
Filing date: 2003-04-22
Publication date: 2007-03-29
Anticipated expiration: 2023-04-23
Also published as: CN1647302A; CN100340023C; JP2005522855A; AU2003225103A1; US7081316B2; US20030215692A1; WO2003092105A1; DE10392474B4; JP4417243B2

Abstract

Strömungsfeldplatte zur Verwendung in einer Brennstoffzelle mit einer dünnen Platte, die einen Einlassrand mit einer durch diesen hindurch ausgebildeten Einlasssammelleitung, einen Austragsrand mit einer durch diesen hindurch ausgebildeten Austragssammelleitung und eine erste Hauptseite mit einem darin ausgebildeten Strömungsfeld umfasst, wobei das Strömungsfeld durch eine Vielzahl von Strömungskanälen definiert ist, wobei jeder der Vielzahl von Strömungskanälen umfasst:
einen Einlassschenkel mit einem ersten Längsabschnitt in Fluidverbindung mit der Einlasssammelleitung und einem ersten Querabschnitt;
einen Serpentinenschenkel mit einem ersten Ende in Fluidverbindung mit dem ersten Querabschnitt und einem zweiten Ende; und einen Austragsschenkel mit einem zweiten Querabschnitt in Fluidverbindung mit dem zweiten Ende des Serpentinenschenkels und einem zweiten Längsabschnitt in Fluidverbindung mit der ersten Austragssammelleitung;
wobei die Einlassschenkel von jedem der Vielzahl von Strömungskanälen eine gleiche Länge besitzen, die Serpentinenschenkel von jedem der Vielzahl von Strömungskanälen eine gleiche Länge besitzen und die Austragsschenkel von jedem der Vielzahl von Strömungskanälen eine...

Description

VERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der U.S. Provisional Anmeldung Nr. 60/377,297, die am 30. April 2002 eingereicht wurde und deren Offenbarung hier durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Bipolplattenzusammenbau zur Verwendung in einem Brennstoffzellenstapel und insbesondere eine Strömungsfeldgeometrie mit quer verlaufenden Strömungskanälen benachbart der Einlass- und Austragssammelleitungen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Brennstoffzellensysteme sind zur Verwendung bei Fahrzeugantriebsanlagen als Ersatz für Verbrennungsmotoren wie auch zur Verwendung bei tragbaren wie auch stationären verteilten Stromerzeugungsanwendungen vorgeschlagen worden. Derartige Systeme umfassen typischerweise eine Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran (PEM-Typ), bei der Wasserstoff als der Brennstoff an die Anode und Sauerstoff als das Oxidationsmittel an die Kathode der Brennstoffzelle geliefert wird. PEM-Brennstoffzellen umfassen eine Membranelektrodenanordnung (MEA) mit einer dünnen, protonendurchlässigen, nicht elektrisch leitenden Festpolymerelektrolytmembran, die auf einer ihrer Seiten den Ano denkatalysator und auf der gegenüberliegenden Seite den Kathodenkatalysator umfasst. Eine Vielzahl einzelner Zellen sind üblicherweise miteinander in Reihe angeordnet, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden.
Die MEA ist schichtartig zwischen Lagen aus porösem, gasdurchlässigem, leitendem Material angeordnet, das an die Anoden- und Kathodenseiten der MEA gepresst wird und als (1) die Primärstromkollektoren für die Anode und die Kathode und (2) als mechanische Abstützung für die MEA dient. Die MEA wie auch der Primärstromkollektor werden zwischen einem Paar nicht poröser, elektrisch leitender Metalllagen (d.h. bipolaren Platten) gepresst, die als Sekundärstromkollektoren zum Sammeln des Stromes von den Primärstromkollektoren und zum Leiten von Strom zwischen benachbarten Zellen innerhalb des Stapels dienen. Die bipolare Platte bzw. Bipolplatte umfasst ein Strömungsfeld bzw. Gasverteilerfeld (engl.: "flow field"), das die gasförmigen Reaktanden über die Oberflächen der Anode und Kathode verteilt. Diese Strömungsfelder umfassen allgemein eine Vielzahl von Stegen, die mit dem Primärstromkollektor in Eingriff stehen und dazwischen eine Vielzahl von Strömungskanälen definieren, durch die die gasförmigen Reaktanden zwischen einem Versorgungsverteiler an einem Ende des Kanals und einem Austragsverteiler an dem anderen Ende des Kanals strömen.
Ein Bipolplattenzusammenbau wird dadurch gebildet, dass ein Paar Metalllagen zusammengebaut werden, so dass ein funktionales Strömungsfeld auf jeder Seite des Bipolplattenzusammenbaus gebildet wird. Zwischen den Metalllagen wird ein Abstandhalter angeordnet, um ein Innenvolumen zu definieren, das eine Kühlmittelströmung durch den Bipolplattenzusammenbau zulässt. Beispiele derartiger Bipolplattenzusammenbauten sind beschrieben in dem U.S. Patent Nr. 5,776,624, das am 07. Juli 1998 erteilt wurde, und dem U.S. Patent Nr. 6,099,984, die beide auf den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Bipolplattenzusammenbau zur Verwendung in einer PEM-Brennstoffzelle mit einer Anodenplatte und einer Kathodenplatte, die zusammen Strömungsfelder an deren freiliegenden Seiten und ein Kühlmittelvolumen dazwischen definieren. Jedes der Strömungsfelder besitzt einen quer verlaufenden Einlassschenkel in Fluidverbindung mit der Einlasssammelleitung, ein serpentinenartiges Strömungsfeld, das sich von dem querverlaufenden Einlassschenkel erstreckt, und einen querverlaufenden Austragsschenkel in Fluidverbindung mit der Austragssammelleitung. Die Platten definieren ferner einen gewundenen Kühlmittelströmungspfad in dem Kühlmittelvolumen.
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlicher. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung wie auch die spezifischen Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellen, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
ZEICHNUNGSKURZBESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine schematische isometrische Explosionsdarstellung von zwei Zellen eines flüssigkeitsgekühlten PEM-Brennstoffzellenstapels ist;
2 eine Draufsicht der Reaktandenseite der Anodenplatte ist;
3 eine Schnittansicht durch die Anodenplatte bei Linie A von 2 ist;
4 eine Schnittansicht durch die Anodenplatte bei Linie B von 2 ist;
5 eine detaillierte Ansicht der Anodenplatte von Detail C von 2 ist;
6 eine Schnittansicht durch die Anodenplatte bei Linie D von 2 ist;
7 eine Draufsicht des Reaktandenströmungsfeldes der Anodenplatte ähnlich der, die in 2 gezeigt ist, ist und ferner Ausrichtstellen zur Bearbeitung zeigt;
8A eine Schnittansicht durch die Anodenplatte bei Linie E von 7 ist;
8B eine detaillierte Ansicht der Anodenplatte von Detail F von 7 ist;
9 eine Schnittansicht durch die Anodenplatte bei Linie G von 7 ist;
10 eine Draufsicht der Kühlmittelseite der in 2 gezeigten Anodenplatte ist;
11A eine detaillierte Ansicht der Anodenplatte von Detail H von 10 ist;
11B eine Detailansicht der Anodenplatte von Detail I von 10 ist;
12 eine Schnittansicht durch die Anodenplatte bei Linie J von 10 ist;
13 eine Draufsicht der Reaktandenseite der Kathodenplatte ist;
14 eine Schnittansicht durch die Anodenplatte bei Linie K von 13 ist;
15 eine Schnittansicht durch die Anodenplatte bei Linie L von 13 ist;
16 eine Draufsicht des Reaktandenströmungsfeldes der Anodenplatte ähnlich dem in 13 gezeigten ist, die ferner Ausrichtstellen zur Bearbeitung zeigt;
17 eine Schnittansicht durch die Anodenplatte bei Linie M von 16 ist;
18 eine Schnittansicht durch die Anodenplatte bei Linie N von 16 ist;
19 eine Draufsicht der Kühlmittelseite der in 13 gezeigten Anodenplatte ist;
20 eine Schnittansicht durch die Anodenplatte bei Linie O von 19 ist;
21 eine Schnittansicht durch die Anodenplatte bei Linie P von 19 ist;
22 eine Schnittansicht durch die Anodenplatte bei Linie Q von 19 ist;
23 eine Draufsicht der Anodenplatte der zusammengebauten Bipolplattenanordnung ist;
24 eine Schnittansicht durch den Bipolplattenzusammenbau bei Linie R von 23 ist;
25 eine Schnittansicht durch den Bipolplattenzusammenbau bei Linie S von 23 ist;
26 eine Schnittansicht durch den Bipolplattenzusammenbau bei Linie T von 23 ist;
27 eine Schnittansicht durch den Bipolplattenzusammenbau bei Linie U von 23 ist;
28 eine Schnittansicht durch den Bipolplattenzusammenbau bei Linie V von 23 ist;
29 eine Schnittansicht durch den Bipolplattenzusammenbau bei Linie W von 23 ist;
30 eine Schnittansicht durch den Bipolplattenzusammenbau bei Linie X von 23 ist;
31 eine Schnittansicht durch den Bipolplattenzusammenbau bei Linie Y von 23 ist;
32 eine Schnittansicht durch den Bipolplattenzusammenbau bei Linie Z von 23 ist;
33 eine Schnittansicht durch den Bipolplattenzusammenbau bei Linie AA von 23 ist; und
34 eine Detailansicht des Bipolplattenzusammenbaus ist, die von Detail BB von 33 gezeigt ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung oder ihren Gebrauch zu beschränken.
In 1 ist ein zweizelliger Stapel (d.h. mit einer bipolaren Platte) gezeigt und nachfolgend beschrieben, wobei zu verstehen sei, dass ein typischer Stapel viel mehr derartige Zellen und Bipolplatten aufweist. 1 zeigt einen zweizelligen PEM-Brennstoffzellenstapel 2 mit einem Paar von Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 4, 6, die voneinander durch eine elektrisch leitende, flüssigkeitsgekühlte bipolare Platte 8 getrennt sind. Die MEAs 4, 6 wie auch die bipolare Platte 8 sind zwischen Klemmplatten 10, 12 und monopolaren Endplatten 14, 16 aneinander gestapelt. Die Klemmplatten 10, 12 sind von den Endplatten 14, 16 elektrisch isoliert. Die monopolaren Endplatten 14, 16 wie auch beide Arbeitsseiten der Bipolplatte 8 umfassen eine Vielzahl von Nuten oder Kanälen 18, 20, 22, 24, die ein sogenanntes "Strömungsfeld" definieren, um Brennstoff- und Oxidationsmittelgase (d.h. H₂ und O₂) über die Seite der MEAs 4, 6 zu verteilen. Nichtleitende Dichtungen 26, 28, 30 und 32 sehen Versiegelungen wie auch eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellenstapels vor. Ein für Gas durchlässiges Diffusionsmedium 34, 36, 38, 40 wird an die Elektrodenseiten der MEAs 4, 6 gepresst. Die Endplatten 14 und 16 werden jeweils an das Diffusionsmedium 34, 40 gepresst, während die Bipolplatte 8 an das Diffusionsmedium 36 an der Anodenseite der MEA 4 und an das Diffusionsmedium 38 an der Kathodenseite der MEA 6 gepresst wird. Der Bipolplattenzusammenbau 8 umfasst zwei separate Metallrohlinge, die mit den Strömungsfeldern ausgebildet (d.h. eine Anodenplatte 100 und eine Kathodenplatte 200) und so miteinander verbunden sind, dass dazwischen ein Kühlmittelvolumen definiert wird. Die Metalllagen sind so dünn wie möglich ausgebildet (beispielsweise etwa 0,051 mm–0,51 mm (0,002–0,02 Zoll) dick). Das Formen kann beispielsweise durch Photoätzen (d.h. durch eine photolithographische Maske), durch andere ähnliche chemische Abtragprozesse oder durch geeignete mechanische Bearbeitungs- oder Stanztechniken erreicht werden, wie es in der Technik bekannt ist.
Das Verbinden kann beispielsweise durch Hartlöten, Verschweißen, Diffusionsbonden oder Kleben mit einem leitenden Klebstoff erreicht werden, wie es in der Technik bekannt ist.
Die Anodenplatte 100 wie auch die Kathodenplatte 200 eines Bipolplattenzusammenbaus 8 sind mit einem zentralen aktiven Bereich gezeigt, der den MEAs 36, 38 gegenüberliegt und durch inaktive Bereiche oder Ränder begrenzt ist. Die Anodenplatte 100 besitzt eine erste Arbeitsseite mit einem Anodenströmungsfeld 102, das eine Vielzahl serpentinenartiger Strömungskanäle umfasst, um Wasserstoff über die Anodenseite der MEA, die zu dieser weist, zu verteilen. Ähnlicherweise besitzt die Kathodenplatte 200 eine zweite Arbeitsseite mit einem Kathodenströmungsfeld 202, das eine Vielzahl serpentinenartiger Strömungskanäle umfasst, um Sauerstoff (oftmals in der Form von Luft) über die Kathodenseite der MEA, die zu dieser weist, zu verteilen. Der aktive Bereich der Bipolplatte 8 wird durch zwei inaktive Grenzabschnitte oder Ränder flankiert, die durch diese hindurch ausgebildete Öffnungen 46–56 umfassen. Wenn die Anoden- und Kathodenplatten 100, 200 zusammengestapelt werden, sind die Öffnungen in dem einen Bipolplattenzusammenbau mit gleichen Öffnungen in benachbarten Bipolplattenzusammenbauten ausgerichtet. Andere Komponenten des Brennstoffzellenstapels 2, wie beispielsweise Dichtungen 26–32 wie auch die Membran der MEAs 4, 6 und die monopolaren Platten 14, 16 besitzen auch entsprechende Öffnungen, die mit den Öffnungen in dem Bipolplattenzusammenbau in dem Stapel ausgerichtet sind, und bilden zusammen Sammelleitungen zur Lieferung und Entfernung gasförmiger Reaktanden und flüssigem Kühlmittel zu bzw. von dem Stapel.
Bei der in den Figuren gezeigten Ausführungsform bildet eine Öffnung 46 in einer Serie gestapelter Platten eine Lufteinlasssammellei tung, eine Öffnung 48 in der Serie der gestapelten Platten bildet eine Luftauslasssammelleitung, eine Öffnung 50 in einer Serie gestapelter Platten bildet eine Wasserstoffeinlasssammelleitung, Öffnungen 52 in einer Serie von gestapelten Platten bilden eine Wasserstoffauslasssammelleitung, eine Öffnung 54 in einer Serie von gestapelten Platten bildet eine Kühlmitteleinlasssammelleitung und eine Öffnung 56 in einer Serie gestapelter Platten bildet eine Kühlmittelauslasssammelleitung. Eine Einlassverrohrung 58, 60 sowohl für Sauerstoff bzw. Luft als auch Wasserstoff stehen in Fluidverbindung mit den Einlasssammelleitungen 46 bzw. 50. Gleichermaßen steht eine Austragsverrohrung 62, 64 für sowohl den Wasserstoff als auch den Sauerstoff bzw. die Luft in Fluidverbindung mit den Austragssammelleitungen 48 bzw. 52. Eine zusätzliche Verrohrung 66, 68 ist ebenfalls vorgesehen, um flüssiges Kühlmittel an die Kühlmitteleinlasssammelleitung 54 zu liefern und Kühlmittel von der Kühlmittelauslasssammelleitung 56 wieder zu entfernen.
In den 2–6 ist ein Anodenplatte 100 mit einem Anodenströmungsfeld 102 gezeigt, das in ihrer Seite ausgebildet ist. Eine Dichtungsnut 104 erstreckt sich um den Umfang der Anodenplatte 100 und zwischen dem Strömungsfeld 102 und den Sammelleitungen 46–56, die in der bipolaren Platte ausgebildet sind. Das Strömungsfeld 102 besteht aus einer Serie von Strömungskanälen 106 mit einem Einlassschenkelabschnitt 108, einem Serpentinenabschnitt 110 und einem Austragsschenkelabschnitt 112. Wie bei der derzeit bevorzugten Ausführungsform gezeigt ist, umfasst das Anodenströmungsfeld 102 vierundzwanzig Strömungskanäle. Die Geometrie jedes Strömungskanals 106 ist derart, dass die Gesamtlänge jedes Strömungskanals im Wesentlichen gleich ist.
Der Einlassschenkel 108 für jeden Strömungskanal ist geringfügig anders ausgebildet, um zu ermöglichen, dass die Strömung von der Anodeneinlasssammelleitung 50, die entlang des unteren Seitenrandes der Anodenplatte 100 angeordnet ist, durch den Einlassschenkelabschnitt 108 in den Serpentinenschenkelabschnitt 110 geführt werden kann. Beispielsweise umfasst der unterste Kanal 114 (wie in 2 gezeigt ist) einen Einlassschenkelabschnitt 108 mit einem relativ langen Längsschnitt bzw. Längsprofil und einem relativ kurzen Querschnitt, das zu dem serpentinenartigen Strömungsabschnitt 110 führt. Im Gegensatz dazu umfasst der oberste Strömungskanal 116 (wie in 2 gezeigt ist) einen relativ langen Querschnitt, der sich direkt zu dem serpentinenartigen Abschnitt 110 erstreckt. Der serpentinenartige Strömungskanal 110 umfasst ein Paar serpentinenartiger Kanäle, die entlang des Strömungspfades in Reihe angeordnet sind. Die Länge der serpentinenartigen Abschnitte 110 für jeden Strömungskanal ist gleich.
Der Austrittsschenkelabschnitt 112 des Strömungskanals 106 ist für einen gegebenen Strömungskanal invers zu dem entsprechenden Einlassschenkelabschnitt 108 angeordnet, um zu ermöglichen, dass die Strömung von dem Austrittsschenkelabschnitt 112 zu der Anodenaustrittssammelleitung 52 geführt werden kann, die entlang des oberen Seitenrandes der Anodenplatte 100 angeordnet ist. Beispielsweise umfasst der Austrittsschenkelabschnitt 112 des Strömungskanals 114 einen quer verlaufenden Schenkelabschnitt, der sich von der Anodenaustragssammelleitung zu dem serpentinenartigen Strömungskanal 110 auf eine Weise erstreckt, die ähnlich zu der ist, die vorher unter Bezugnahme auf den Einlassschenkelabschnitt für den Strömungskanal 116 beschrieben ist. Umgekehrt umfasst der Auslassschenkelabschnitt 112 des Strömungskanals 116 einen relativ kurzen quer verlaufenden Schenkelabschnitt, der sich von dem Serpentinenabschnitt zu einem relativ langen Längsabschnitt erstreckt, der sich von dem quer verlaufenden Abschnitt zu der Anodenabgassammelleitung auf eine Weise erstreckt, die ähnlich zu der ist, die vorher unter Bezugnahme auf den Einlassschenkelabschnitt 108 des Strömungskanals 114 beschrieben wurde. Auf diese Weise ist die Summe der Länge des quer verlaufenden Einlassschenkels und des quer verlaufenden Austragsschenkels für jeden Strömungskanal gleich. Ähnlicherweise ist die Summe der Länge des längs verlaufenden Einlassschenkels und des längs verlaufenden Austragsschenkels für jeden Strömungskanal gleich. Diese Gestaltung dient der Funktion, dass eine Strömungsfeldgeometrie vorgesehen wird, bei der jeder der Strömungskanäle im Wesentlichen die gleiche Länge besitzt, während gleichzeitig die Reaktandengase von einer einzelnen gemeinsamen Einlasssammelleitung 50 zu einer einzelnen gemeinsamen Austragssammelleitung 52 verteilt werden.
Wie in 5 gezeigt ist, umfasst das Anodenströmungsfeld 102 für die innersten Austragsschenkel 112 ferner ein Gruppierung aus Strömungsunterbrechern 118. Diese Strömungsunterbrecher 118 erlauben eine Verteilung von Reaktandengasen in einem engen Übergangsbereich, der ansonsten einen großen Druckabfall erzeugen würde. Somit werden die Strömungsbegrenzungen lokal verringert, um den Druckabfall in den mittleren Austragsschenkeln 112 zu steuern. Ein ähnliches Gruppierung aus Strömungsunterbrechern ist für die innersten Einlassschenkel 108 ausgebildet, wie in 2 zu sehen ist.
Wie in den 7 bis 9 gezeigt ist, umfasst die Anodenplatte 100 ferner bestimmte Ausrichtmerkmale, um die Herstellung des Brennstoffzellenstapels 2 zu erleichtern. Genauer sind Bearbeitungszugabelaschen (engl.: "machining allowance tabs") 120 um den Umfang der Anodenplatte 100 herum ausgebildet. Die Bearbeitungszugabelaschen 120 sind in der Anodenplatte 100 ausgebildet und positionieren die Anodenplatte 100 während der Bearbeitung des Anodenströmungsfeldes 102 geeignet. Sobald das Anodenströmungsfeld 102 in der Platte 100 ausge bildet worden ist, werden Bezugsstifte 122, 124 (wie in den 7 bis 9 zu sehen sind) an der Spanneinrichtung (nicht gezeigt) vorgesehen, um die Anodenplatte 100 zu endgültigen Bearbeitung richtig zu positionieren. Genauer wird der Bezugsstift 122 innerhalb eines Serpentinenabschnitts 110 eines Referenzströmungskanals 126 angeordnet und ein Bezugsstift 124 innerhalb des quer verlaufenden Schenkels eines Austragsschenkelabschnittes 112 des Referenzströmungskanals angeordnet. Somit wird eine genaue Kontrolle und verbesserte Wiederholbarkeit für die Herstellung der Anodenplatte 100 erreicht. Die Anodenplatte 100 umfasst auch bestimmte Merkmale, um eine richtige Orientierung und Ausrichtung der MEAs sicherzustellen. Genauer wird eine abgeschrägte Ecke 126 benachbart des Anodenströmungsfeldes 102 gebildet, um ein asymmetrisches Merkmal zur Orientierung der MEA vorzusehen. Ähnlicherweise dient der Anschluss 128, der sich von dem Umfang der Anodenplatte 100 erstreckt, als ein Orientierungsmerkmal.
In den 10 bis 12 ist die Kühlmittelseite der Anodenplatte 100 gezeigt. Wie in 10 zu sehen ist, ist ein Kühlmittelströmungsfeld 130 an der Seite der Anodenplatte 100 ausgebildet, die dem Anodengasströmungsfeld 102 gegenüberliegt. Die Kühlmittelkanäle für die Seitenabschnitte 132, 134 des Kühlmittelströmungsfeldes 130 umfassen querverlaufende Einlassschenkel 136 bzw. 138 und querverlaufende Austragsschenkelabschnitte 140 bzw. 142. Längsverlaufende Strömungskanäle 143 erstrecken sich allgemein entlang der Länge des Kühlmittelströmungsfeldes 130 und stehen in Fluidverbindung mit den Einlassschenkeln 136, 138 und den Austragsschenkeln 140, 142. Wie in 11A gezeigt ist, umfasst der mittlere Abschnitt 144 getrennte Strömungsunterbrecher 146 benachbart der Einlasssammelleitung 54 und der Austragssammelleitung 56. Das Kühlmittelströmungsfeld 130 umfasst ferner bestimmte Merkmale zur Verringerung des Gewichtes der Platte, um die Gesamtmasse der Anodenplatte 100 zu reduzieren. Genauer wird Plattenmaterial von der Kühlmittelseite der Anodenplatte 100 entfernt, an der eine zu große Dicke besteht. Wie in den 4, 10 und 11B zu sehen ist, wird Plattenmaterial von der Kühlmittelseite der Anodenplatte 100 entfernt, die ihrer Reaktandenseite gegenüberliegt. Wie am besten in 10 zu sehen ist, werden derartige Merkmale zur Verringerung des Gewichtes hauptsächlich in den sich längs erstreckenden Schenkeln 143 des Kühlmittelströmungsfeldes 130 ausgebildet. Genauer besitzt jede der sich in Längsrichtung erstreckenden Strömungskanäle 143 eine darin ausgebildete Nut 148, um die Tiefe des Kanals lokal zu erhöhen, wodurch die Anodenplatte 100 lokal ausgedünnt und ihre Gesamtmasse verringert wird.
Wie ferner in 10 zu sehen ist, sieht ein Einlassverteiler 150 für Anodengas, der in der Kühlmittelseite der Anodenplatte 100 ausgebildet ist, eine Fluidverbindung von der Einlasssammelleitung 46 für Anodengas durch einen Anodeneinlassdurchlass 151 in der Anodenplatte 100 zu dem Strömungsfeld 102 für Anodengas vor. Ähnlicherweise sieht der Anodenaustragsverteiler 152, der in der Kühlmittelseite der Anodenplatte 100 benachbart des Austragsverteilers 48 für Anodengas ausgebildet ist, eine Fluidverbindung von dem Strömungsfeld 102 für Anodengas durch einen Anodenaustragsdurchlass 153 in der Anodenplatte 100 zu der Austragssammelleitung 48 für Anodengas vor. Auf ähnliche Art und Weise sieht der Einlassverteiler 154 für Kathodengas, der in der Kühlmittelseite der Anodenplatte 100 ausgebildet ist, eine Fluidverbindung von der Einlasssammelleitung 46 für Kathodengas durch einen Kathodeneinlassdurchlass, der in der Kathodenplatte 200 ausgebildet ist, vor. Der Austragsverteiler 156 für Kathodengas sieht eine Fluidverbindung von dem Kathodenströmungsfeld 202 durch einen in der Kathodenplatte 200 ausgebildeten Kathodenaustragsdurchlass zu der Kathodenaustragssam melleitung 48 vor. Ähnlicherweise sind der Kühlmitteleinlassverteiler 158 und der Kühlmittelaustragsverteiler 160 benachbart der Einlasssammelleitung 54 für Kühlmittel und der Austragssammelleitung 56 für Kühlmittel ausgebildet und sehen eine Fluidverbindung zwischen den Sammelleitungen 54, 56 und dem Kühlmittelvolumen 300 vor.
In den 13–22 ist eine Kathodenplatte 200 gezeigt. Die Kathodenplatte 200 umfasst ein darin ausgebildetes Kathodenströmungsfeld 202. Wie gezeigt ist, umfasst das Kathodenströmungsfeld 202 vierundzwanzig darin ausgebildete Strömungskanäle. Jeder Strömungskanal umfasst einen Einlassschenkelabschnitt 208, einen Serpentinenabschnitt 210 und einen Austragsschenkelabschnitt 212. Der Einlassschenkelabschnitt 208 steht über den Kathodeneinlassdurchlass 155 in Fluidverbindung mit dem Kathodenverteiler 154. Der Austragsschenkelabschnitt 212 steht über den Kathodenaustragsdurchlass 157 in Fluidverbindung mit dem Kathodenaustragsverteiler 156. Das Kathodenströmungsfeld 202 ist, während es nicht identisch mit dem Anodenströmungsfeld 102 ist, hinsichtlich der Konstruktion mit einer gewissen Abweichung dazwischen ähnlich, wie aus einem Vergleich der 2 und 13 und der oben unter Bezugnahme auf das Anodenströmungsfeld 102 vorgesehenen Beschreibung offensichtlich wird.
In den 23–34 ist der Bipolplattenzusammenbau 8 gezeigt. Der Bipolplattenzusammenbau 8 umfasst eine Anodenplatte 100 und eine Kathodenplatte 200, die derart angeordnet sind, dass die Kühlmittelströmungsfelder 130, 230 in einer benachbarten, zueinander weisenden Beziehung positioniert sind, um ein Kühlmittelvolumen 300 dazwischen zu bilden. Wie in den 24–26 gezeigt ist, sind die in der Kühlmittelseite der Anoden- und Kathodenplatten 100, 200 ausgebildeten Einlass- und Austragsverteiler ausgerichtet, um Einlassverteiler zu bilden und damit Reaktandengase von der jeweiligen Sammelleitung an das jeweilige Strömungsfeld 102, 202 und Kühlmittel von der Kühlmittelsammelleitung an die Kühlmittelströmungsfelder 130, 230 zu leiten.
Die Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur, und somit sind Abwandlungen, die nicht vom Schutzumfang der Erfindung abweichen, als innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung befindlich anzusehen. Derartige Abwandlungen sind nicht als Abweichung vom Schutzumfang der Erfindung anzusehen.
Zusammenfassung
Ein Bipolplattenzusammenbau (8) zur Verwendung in einer PEM-Brennstoffzelle (2) umfasst eine Anodenplatte (100) und eine Kathodenplatte (200), die gemeinsam Strömungsfelder (102, 202) an ihren freiliegenden Seiten wie auch ein Kühlmittelvolumen (300) dazwischen definieren. Jedes der Strömungsfelder (102, 202) umfasst einen Quereinlassschenkel (136, 138) in Fluidverbindung mit der Einlasssammelleitung (54), ein Serpentinenströmungsfeld (110), das sich von dem Quereinlassschenkel (136, 138) erstreckt, und einen Queraustragsschenkel (140, 142) in Fluidverbindung mit der Austragssammelleitung (56). Die Platten definieren ferner einen gewundenen Kühlmittelströmungspfad (130, 230) in dem Kühlmittelvolumen (300).

Claims

Strömungsfeldplatte zur Verwendung in einer Brennstoffzelle mit einer dünnen Platte, die einen Einlassrand mit einer durch diesen hindurch ausgebildeten Einlasssammelleitung, einen Austragsrand mit einer durch diesen hindurch ausgebildeten Austragssammelleitung und eine erste Hauptseite mit einem darin ausgebildeten Strömungsfeld umfasst, wobei das Strömungsfeld durch eine Vielzahl von Strömungskanälen definiert ist, wobei jeder der Vielzahl von Strömungskanälen umfasst: einen Einlassschenkel mit einem ersten Längsabschnitt in Fluidverbindung mit der Einlasssammelleitung und einem ersten Querabschnitt; einen Serpentinenschenkel mit einem ersten Ende in Fluidverbindung mit dem ersten Querabschnitt und einem zweiten Ende; und einen Austragsschenkel mit einem zweiten Querabschnitt in Fluidverbindung mit dem zweiten Ende des Serpentinenschenkels und einem zweiten Längsabschnitt in Fluidverbindung mit der ersten Austragssammelleitung; wobei die Einlassschenkel von jedem der Vielzahl von Strömungskanälen eine gleiche Länge besitzen, die Serpentinenschenkel von jedem der Vielzahl von Strömungskanälen eine gleiche Länge besitzen und die Austragsschenkel von jedem der Vielzahl von Strömungskanälen eine gleiche Länge besitzen.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 1, wobei jeder der Serpentinenschenkel einen ersten Serpentinenkanal mit einem Einlass in Fluidverbindung mit dem ersten Querabschnitt des Einlassschenkels und einen zweiten Serpentinenkanal mit einem Einlass in Fluidverbindung mit einem Austrag des ersten Serpentinenkanals und einem Austrag in Fluidverbindung mit dem zweiten Querabschnitt des Austragsschenkels umfasst.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 2, wobei der erste und zweite Serpentinenkanal von jedem der Serpentinenschenkel gleiche Länge besitzen.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 1, wobei eine Summe der Länge des ersten Querabschnittes und der Länge des zweiten Querabschnittes für jeden der Strömungskanäle gleich ist.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 4, wobei eine Summe der Länge des ersten Längsabschnittes und der Länge des zweiten Längsabschnittes für jeden der Strömungskanäle gleich ist.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 1, ferner mit einer Vielzahl von Einlassverteilern, die in einer zweiten, der ersten Hauptseite gegenüberliegenden Hauptseite ausgebildet sind, und einem durch den Einlassrand hindurch ausgebildeten Einlassdurchlass, um eine Fluidverbindung von der Einlasssammelleitung zu dem Strömungsfeld vorzusehen.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 6, ferner mit einer Vielzahl von Austragsverteilern, die in der zweiten Hauptseite ausgebildet sind, und einem Austragsdurchlass, der durch den Austragsrand hindurch ausgebildet ist, um eine Fluidverbindung von dem Strömungsfeld zu der Austragssammelleitung vorzusehen.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 1, wobei das Strömungsfeld ferner eine Übergangszone umfasst, die zwischen der Einlasssammelleitung und zumindest einem Abschnitt der Einlassschenkel angeordnet ist, wobei die Übergangszone eine Gruppierung aus Strömungsunterbrechern aufweist.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 1, wobei das Strömungsfeld ferner eine Übergangszone umfasst, die zwischen dem zumindest einen Abschnitt der Austragsschenkel und der Austragssammelleitung angeordnet ist, wobei die Übergangszone eine Gruppierung aus Strömungsunterbrechern umfasst.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 1, ferner mit einem zweiten Strömungsfeld, das in einer zweiten, der ersten Hauptseite gegenüberliegenden Hauptseite der dünnen Platte ausgebildet ist, wobei das zweite Strömungsfeld eine Vielzahl von darin ausgebildeten längs verlaufenden Strömungskanälen, eine Vielzahl von quer verlaufenden Einlassschenkeln, die eine Fluidverbindung von einer zweiten Einlasssammelleitung, die in dem Einlassrand ausgebildet ist, und der Vielzahl von längs verlaufenden Strömungskanälen vorsieht, und eine Vielzahl von quer verlaufenden Austragsschenkeln umfasst, die eine Fluidverbindung von der Vielzahl von längs verlaufenden Strömungskanälen zu einer zweiten Austragssammelleitung, die in dem Austragsrand ausgebildet ist, vorsieht.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 10, ferner mit einer Vielzahl von in der zweiten Hauptseite ausgebildeten Einlassverteilern, um eine Fluidverbindung von der zweiten Einlasssammelleitung zu dem zweiten Strömungsfeld vorzusehen.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 10, ferner mit einer Vielzahl von in der zweiten Hauptseite ausgebildeten Austragsverteilern, um eine Fluidverbindung von dem zweiten Strömungsfeld zu der zweiten Austragssammelleitung vorzusehen.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 10, wobei das zweite Strömungsfeld ferner eine Gruppierung getrennter Strömungsunterbrecher benachbart der zweiten Einlasssammelleitung umfasst.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 10, wobei das zweite Strömungsfeld ferner eine Gruppierung getrennter Strömungsunterbrecher benachbart der zweiten Austragssammelleitung umfasst.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 10, wobei jeder der Vielzahl von längs verlaufenden Strömungskanälen eine darin ausgebildete Nut besitzt, um lokal dessen Tiefe zu erhöhen.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 1, ferner mit zumindest einer Bearbeitungszugabelasche, die an einem Umfang der dünnen Platte ausgebildet ist.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 1, ferner mit einem Referenzpunkt, der in dem Strömungsfeld zur Aufnahme eines Bezugsstiftes ausgebildet ist.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 17, wobei der Referenzpunkt einen ersten Referenzströmungskanal, der in einem der Serpentinenschenkel vorgesehen ist, und einen zweiten Referenzströmungskanal umfasst, der in zumindest einem der Einlassschenkel und der Auslassschenkel vorgesehen ist, wobei der erste Referenzströmungskanal im Wesentlichen rechtwinklig zu dem zweiten Referenzströmungskanal angeordnet ist.
Strömungsfeldplatte nach Anspruch 1, ferner mit einer abgeschrägten Ecke, die in der dünnen Platte benachbart des Strömungsfeldes ausgebildet ist.