-
GEBIET DER ERFINDUNG
-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Separatorplatte für eine PEM-Brennstoffzelle und ein Herstellungsverfahren für eine Separatorplatte.
-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Brennstoffzellen sind bei vielen Anwendungen als eine Energiequelle verwendet worden. Beispielsweise sind Brennstoffzellen zur Verwendung in elektrischen Fahrzeugantriebsanlagen als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen worden. In Brennstoffzellen vom Typ mit Protonenaustauschmembran (PEM) wird Wasserstoff an die Anode der Brennstoffzelle geliefert und Sauerstoff als das Oxidationsmittel an die Kathode geliefert. PEM-Brennstoffzellen weisen eine Membranelektrodenanordnung (MEA) mit einer dünnen protonendurchlässigen, nicht elektrisch leitenden Festpolymerelektrolytmembran auf, die auf einer Seite den Anodenkatalysator und auf der entgegengesetzten Seite den Kathodenkatalysator aufweist. Die MEA ist schichtartig zwischen einem Paar nicht poröser, elektrisch leitender Elemente oder Separatorplatten angeordnet, die (1) als Stromkollektoren für die Anode und Kathode dienen und (2) geeignete, darin ausgebildete Kanäle und/oder Öffnungen zur Verteilung der gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle über die Oberflächen der jeweiligen Anoden- und Kathodenkatalysatoren enthalten.
-
Der Begriff ”Brennstoffzelle” wird typischerweise dazu verwendet, entweder eine einzelne Zelle oder eine Vielzahl von Zellen (Stapel) abhängig vom Kontext zu bezeichnen. Typischerweise wird eine Vielzahl einzelner Zellen miteinander gebündelt, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden, die gemeinsam in elektrischer Reihe angeordnet werden. Jede Zelle in dem Stapel weist die vorher beschriebene Membranelektrodenanordnung (MEA) auf, und jede derartige MEA liefert ihr Spannungsinkrement. Eine Gruppe benachbarter Zellen in dem Stapel wird als ein Cluster bezeichnet.
-
In PEM-Brennstoffzellen ist Wasserstoff (H2) der Anodenreaktand (d. h. Brennstoff), und Sauerstoff ist der Kathodenreaktand (d. h. Oxidationsmittel). Der Sauerstoff kann entweder in reiner Form (O2) oder als Luft (einer Mischung aus O2 und N2) vorliegen. Die Festpolymerelektrolyte bestehen typischerweise aus Ionentauscherharzen, wie perfluorierter Sulfonsäure. Die Anode/Kathode umfasst typischerweise fein geteilte katalytische Partikel, die oftmals auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem protonenleitenden Harz gemischt sind. Die katalytischen Partikel sind typischerweise teure Edelmetallpartikel. Somit sind diese MEAs relativ teuer herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen, die ein richtiges Wassermanagement und eine richtige Befeuchtung sowie eine Steuerung katalysatorschädigender Bestandteile, wie Kohlenmonoxid (CO) umfassen, für einen effektiven Betrieb.
-
Die elektrisch leitenden Platten, die die MEAs schichtartig anordnen, können eine Gruppierung aus Nuten in deren Seiten enthalten, die ein Reaktandenströmungsfeld zur Verteilung der gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle (d. h. Wasserstoff und Sauerstoff in der Form von Luft) über die Oberflächen der jeweiligen Kathode und Anode definieren. Diese Reaktandenströmungsfelder weisen allgemein eine Vielzahl von Stegen auf, die eine Vielzahl von Strömungskanälen dazwischen definieren, durch die die gasförmigen Reaktanden von einer Versorgungssammelleitung an einem Ende der Strömungskanäle zu einer Austragssammelleitung an dem entgegengesetzten Ende der Strömungskanäle strömen.
-
Bei einer herkömmlichen Separatorplatte sind Durchgänge an festgelegten Bereichen zur Übertragung einer Strömung durch die Ebene der Separatorplatte hindurch definiert. Sobald die Strömung an die gewünschte Fläche der Separatorplatte übertragen ist, übertragen die Stege, die die Strömungskanäle definieren, die Strömung über die Oberfläche der Separatorplatte. Typischerweise sind die Durchgänge an der Separatorplatte an Orten angeordnet, die durch Höhenänderungen verlaufen.
-
Ein Verfahren zur Herstellung der Separatorplatte umfasst, dass die Höhenänderungen oder Stege bei einem Prägebetrieb geformt werden. Anschließend werden die Durchgänge an den gewünschten Orten in der geprägten Platte ausgebildet. Der Prozess zum Ausbilden von Durchgängen in einer Platte, die vorgeformte Höhenänderungen aufweist, kann schwierig und teuer sein.
-
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Die vorliegende Erfindung sieht eine Separatorplatte für eine PEM-Brennstoffzelle vor mit einem Plattenelement, einer Serie von ersten Stützelementen, die von einer planaren Fläche des Plattenelements wegführen, einem U-förmigen zweiten Stützelement, das von der planaren Fläche des Plattenelements wegführt, einer Serie von dritten Stützelementen, die von der planaren Fläche des Plattenelements wegführen, und einem U-förmigen vierten Stützelement, das von der planaren Fläche des Plattenelements wegführt, wobei von der Basis des Us eine Vielzahl von Fingerabschnitten ausgeht. Die planare Fläche weist eine Einlassöffnung für ein Reaktandengas und eine Auslassöffnung für das Reaktandengas auf. Die Einlassöffnung ist von der Serie von ersten Stützelementen und dem U-förmigen zweiten Stützelement umgeben. Die Auslassöffnung ist von der Serie von dritten Stützelementen und dem U-förmigen vierten Stützelement umgeben. Die Fingerabschnitte des vierten Stützelements weisen zu der Auslassöffnung hin.
-
Ferner ist ein Verfahren zum Herstellen der vorstehend beschriebenen Separatorplatte für eine PEM-Brennstoffzelle vorgesehen. Es wird eine Tafel aus leitendem Material bereitgestellt, die eine erste Ebene definiert. Ferner werden zumindest ein Schlitz und eine Vielzahl von Stegen in der Tafel ausgebildet. Die Stege verlaufen von der ersten Ebene zu einer von der ersten Ebene beabstandeten koplanar verlaufenden zweiten Ebene. Einer der Stege weist eine Außengrenze auf, die benachbart zu dem zumindest einen Schlitz verläuft. Der zumindest eine Schlitz definiert eine Öffnung im Wesentlichen quer zu der ersten und zweiten Ebene. Das Ausbilden des zumindest einen Schlitzes und der Vielzahl von Stegen in der Tafel wird gleichzeitig unter Verwendung eines Schlitzvorgangs und eines Formvorgangs ausgeführt.
-
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
-
1 eine Schnittansicht eines Abschnitts eines beispielhaften Brennstoffzellenstapels ist;
-
2A eine teilweise perspektivische Ansicht einer Separatorplatte ist, die einen ersten Sammelleitungsabschnitt zeigt;
-
2B eine teilweise perspektivische Ansicht der Separatorplatte von 2A ist, die einen zweiten Sammelleitungsabschnitt zeigt;
-
3 eine detaillierte perspektivische Ansicht eines Einlassbereiches der Separatorplatte von 2A ist;
-
4 eine detaillierte perspektivische Ansicht eines Auslassbereiches der Separatorplatte von 2B ist;
-
5 eine teilweise perspektivische Ansicht einer Separatorplatte ist; und
-
6 eine Draufsicht der Einlass- oder Auslassöffnungen gemäß zusätzlicher Merkmale ist.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
In 1 ist ein Schnitt eines Abschnitts eines Brennstoffzellenstapels 10 gezeigt. Der Brennstoffzellenstapel 10 weist eine Serie von Brennstoffzellen 12 auf. Jede Brennstoffzelle 12 weist eine Membranelektrodenanordnung (MEA) 14 auf, die zwischen Separatorplatten 16 schichtartig angeordnet ist. Diffusionsmedien 18 sind zwischen der MEA 14 und jeder der Separatorplatten 16 angeordnet. Ein Anodenreaktand (d. h. Wasserstoff) und ein Kathodenreaktand (d. h. Sauerstoff) werden durch die Separatorplatten 16 zur Reaktion über der MEA 14 verteilt.
-
In einem Fall werden die Separatorplatten 16 als eine Bipolarplatte 20 kombiniert. Jede Bipolarplatte 20 weist eine Anodenseparatorplatte 16a und eine Kathodenseparatorplatte 16c auf. Die Anodenseparatorplatte 16a besitzt eine Anodenseite 22 und eine Kühlmittelseite 24a. In der Anodenseite 22 ist ein Anodenströmungsfeld 26 ausgebildet, und in der Kühlmittelseite 24a ist ein Teil-Kühlmittelströmungsfeld 28a ausgebildet. Die Kathodenseparatorplatte 16c weist eine Kathodenseite 30 und eine Kühlmittelseite 24c auf. In der Kathodenseite 30 ist ein Kathodenströmungsfeld 32 ausgebildet, und in der Kühlmittelseite 24c ist ein Teil-Kühlmittelströmungsfeld 28c ausgebildet. Die Anodenseparatorplatte 16a und die Kathodenseparatorplatte 16c sind so aneinander gestapelt, dass die Kühlmittelseiten 24a und 24c benachbart zueinander liegen. Die Teil-Kühlmittelströmungsfelder 28a und 28c der Kühlmittelseiten 24a und 24c sind so ausgerichtet, um Fluidkanäle zu bilden, die eine Strömungsfeldgeometrie besitzen.
-
Wie es derzeit bevorzugt ist, sind die Anoden- und Kathodenplatten 16a und 16c Metalltafeln, bevorzugt rostfreier Stahl, die durch einen Präge- und Formvorgang geformt werden können, wie detaillierter beschrieben ist. Für den Fachmann ist offensichtlich, dass andere geeignete Materialien und Herstellprozesse für die Anoden- und Kathodenplatten 16a und 16c verwendet werden können.
-
Mit weiterer Bezugnahme auf 1 und ferner einer Bezugnahme auf die 2A–4 wird die Anodenplatte 16a der Bipolarplatte 20 detaillierter beschrieben. Mit besonderer Bezugnahme auf 2A umfasst die Anodenplatte 16a eine Einlasssammelleitung 40 für ersten Reaktand zur Verteilung eines ersten Reaktanden über die Bipolarplatte 20. Eine Einlasssammelleitung 42 für zweiten Reaktand ist an der Anodenplatte 16A zur Verteilung eines zweiten Reaktanden über die Bipolarplatte 20 angeordnet. Eine Kühlmitteleinlasssammelleitung 44 steht in Fluidverbindung mit den Kühlmittelströmungsfeldern 28a und 28c.
-
Unter besonderer Bezugnahme auf 2B umfasst die Anodenplatte 16a eine Auslasssammelleitung 50 für ersten Reaktand zum Austrag des ersten Reaktanden, eine Auslasssammelleitung 52 für zweiten Reaktand zum Austrag des zweiten Reaktanden und eine Kühlmittelauslasssammelleitung 54 zum Austrag von Kühlmittel.
-
Die Anodenplatte 16a ist derart ausgebildet, dass sie das Anodenreaktandengas durch die Einlassöffnung oder -öffnungen 60 aufnimmt, die an einem Einlassbereich 62 in der Anodenplatte 16a ausgebildet ist/sind (3). Die Einlassöffnungen 60 sind in einem allgemein linearen Muster entlang der Anodenplatte 16a angeordnet. Ähnlicherweise umfasst die Anodenplatte 16a Auslassöffnungen 70, die an einem Auslassbereich 72 in der Anodenplatte 16a ausgebildet sind (4). Die Auslassöffnung oder -öffnungen 70 sind in einem allgemein linearen Muster entlang der Anodenplatte 16a angeordnet. Das Anodenströmungsfeld 26, das an der Anodenseite 22 angeordnet ist, dient dazu, das Anodenreaktandengas von dem Einlassbereich 62 an den Auslassbereich 72 zu übertragen. Die Öffnungen 60 und/oder 70 können auch in einem versetzten Muster angeordnet oder über ihre Nebenachse ausgerichtet sein. Beispielsweise sind, wie in 6 gezeigt ist, die Einlassöffnungen 60' in einem Einlassbereich 62' versetzt gezeigt.
-
Mit spezieller Bezugnahme auf 3 wird nun der Anodeneinlassbereich 62 detaillierter beschrieben. Der Anodeneinlassbereich 62 umfasst eine Serie erster Stützelemente 80, die in einem allgemein linearen Muster benachbart der Einlassöffnungen 60 angeordnet sind. Die Serie erster Stützelemente 80 führt von einer allgemein planaren ersten Fläche 82 der Anodenseite 22 weg und endet an einer allgemein planaren zweiten Fläche 84. Die erste Fläche 82 und die zweite Fläche 84 definieren eine erste und eine zweite Ebene A bzw. B, die voneinander beabstandet sind. Ein zweites Stützelement 90 führt von der planaren ersten Fläche 82 der Anodenseite 22 weg und endet an einer zweiten Fläche 94. Die jeweiligen zweiten Flächen 84 und 94 der ersten Stützelemente 80 und des zweiten Stützelements 90 sind im Wesentlichen koplanar. Wie gezeigt ist, sind die Einlassöffnungen 60 zwischen der Serie erster Stützelemente 80 und dem zweiten Stützelement 90 angeordnet. Die Einlassöffnungen 60 sind an der ersten planaren Fläche 82 der Anodenseite 22 oder in einer Fläche einer mittleren Ebene zwischen den ersten planaren und zweiten planaren Flächen 82 und 84 ausgebildet.
-
Nun wird unter Bezugnahme auf 4 der Anodenauslassbereich 72 detaillierter beschrieben. Der Anodenauslassbereich 72 umfasst eine Serie dritter Stützelemente 100, die in einem allgemein linearen Muster benachbart der Auslassöffnungen 70 angeordnet sind. Die Serie dritter Stützelemente 100 führt von der allgemein planaren ersten Fläche 82 der Anodenseite 22 weg und endet an einer zweiten Fläche 104, die koplanar zu der zweiten Ebene B ist. Ein viertes Stützelement 110 führt von der planaren ersten Fläche 82 der Anodenseite 22 weg und endet an einer zweiten Fläche 114. Das vierte Stützelement 110 ist ferner durch eine Vielzahl von Fingerabschnitten 118 definiert. Die jeweilige zweite Fläche 104 und 114 der dritten Stützelemente 100 und des vierten Stützelements 110 sind im Wesentlichen koplanar. Wie gezeigt ist, sind die Auslassöffnungen 70 zwischen der Serie dritter Stützelemente 100 und dem vierten Stützelement 110 angeordnet. Die Auslassöffnungen 70 sind an der ersten planaren Fläche 82 der Anodenseite 22 oder in einer Fläche einer mittleren Ebene zwischen den ersten planaren und zweiten planaren Flächen 82 und 84 ausgebildet.
-
Nun wird unter Bezugnahme auf 3 der Betrieb des Anodeneinlassbereiches 62 beschrieben. Im Betrieb dient das zweite Stützelement 90 an dem Anodeneinlassbereich 62 dazu, Reaktandengas in einer ersten, zweiten und dritten Richtung D1, D2 und D3 zu begrenzen, wenn das Reaktandengas aufwärts durch die Einlassöffnungen 60 (bei Betrachtung von 3) geführt wird, und das Reaktandengas in einer vierten Richtung D4 in Richtung der Serie erster Stützelemente 80 zu beeinflussen. Weiter definiert das zweite Stützelement 90 eine allgemein U-förmige Wand, die eine Begrenzung herstellt, die das Reaktandengas zu einem Durchgang in Richtung der Bereiche des geringsten Widerstandes (in der Richtung D4) oder der Bereiche zwischen der Serie erster Stützelemente 80 treibt. Auf diese Weise wird das Reaktandengas in Richtung des Anodenströmungsfeldes 26 gelenkt.
-
Bezug nehmend auf 4 wird nun der Betrieb des Anodenauslassbereiches 72 beschrieben. Im Betrieb dient das vierte Stützelement 110 an dem Anodenauslassbereich 72 dazu, Reaktandengas in der vierten Richtung D4 zu begrenzen, wenn das Reaktandengas aus dem Anodenströmungsfeld 26 und zwischen die dritte Serie von Stützelementen 100 geführt wird.
-
Ferner definiert das vierte Stützelement 110 eine allgemein U-förmige Wand, die eine Begrenzung (in den Richtungen D2, D3 und D4) herstellt, die das Reaktandengas zu einem Durchgang in Richtung der Bereiche des geringsten Widerstandes oder abwärts durch die Auslassöffnung oder -öffnungen 70 treibt.
-
Die Anodenplatte 20a besteht aus einer Metalltafel, wie beispielsweise rostfreiem Stahl. Das Strömungsfeld 26 und die jeweiligen Stützelemente 80, 90, 100 und 110 werden in der Metalltafel mit einem Metallformvorgang geformt, wie einem Prägen oder einem beliebigen anderen geeigneten Prozess zum Formen von Blech. Sobald das gewünschte Strömungsfeld und die gewünschten Stützelemente in der Metalltafel geformt sind, werden die Einlass- und Auslassöffnungen 60 und 70 in den jeweiligen Einlass- und Auslassbereichen 62 bzw. 72 gelocht. Dies kann gleichzeitig oder nacheinander oder sogar in der umgekehrten Reihenfolge, Lochen, dann Formen, durchgeführt werden. Die Einlass- und Auslassöffnungen 60 und 70 werden durch einen beliebigen geeigneten Herstellprozess geformt, wie beispielsweise Laserschneiden. Die Anodenplattenkonfiguration bietet eine günstige planare Arbeitsfläche (planare Fläche A der Anodenseite 22) zum Formen der Öffnungen 60 und 70. Genauer werden die jeweiligen Öffnungen 60 und 70 ausschließlich durch die planare Fläche A gebildet, und es ist nicht erforderlich, dass diese durch irgendwelche Höhenänderungen verlaufen, die an der Anodenplatte 20a ausgebildet sind, wie die Höhenänderungen in Verbindung mit den Stützelementen 80, 90, 100 und 110.
-
Bezug nehmend auf 5 ist eine Separatorplatte 200 gemäß einer weiteren Ausführungsform gezeigt. Die Separatorplatte 200 umfasst einen Einlassbereich 210, der eine erste Stützstruktur 212 aufweist, und ein Strömungsfeld 220, das durch Stege 222 definiert ist. Die erste Stützstruktur 212 enthält einen Durchgang 216 an einem Vorderrand zur Übertragung von Reaktandengas durch diesen und in Richtung des Strömungsfeldes 220. Es sei angemerkt, dass die erste Stützstruktur 212 auch an einem Auslassbereich enthalten sein kann und ein Durchgang daran zur Übertragung von Reaktandengas aus einem Strömungsfeld und weg von der Platte 200 enthalten sein kann.
-
Es wird nun das Formen der Separatorplatte 200 beschrieben. Der Durchgang 216 wird anfänglich in einer dünnen Metalltafel durch einen beliebigen geeigneten Herstellschritt, wie beispielsweise Laserschneiden, geformt. Die Stege 222 des Strömungsfeldes 220 und die jeweilige Stützstruktur werden anschließend in der Metalltafel während eines Metallformvorganges geformt, wie Prägen oder einem anderen geeigneten Prozess zum Formen von Blech. Die Erzeugung des geschnittenen Schlitzes und das Formen der Stützstruktur erfolgt gleichzeitig unter Verwendung eines Schlitzvorganges und eines Formvorganges.
-
Für den Fachmann wird aus der vorhergehenden Beschreibung offensichtlich, dass die breiten Lehren der vorliegenden Erfindung in einer Vielzahl von Formen ausgeführt werden können. Beispielsweise kann, während die Beschreibung hier auf einen Einlass- und Auslassbereich einer Anodenplatte gerichtet ist, dasselbe auf eine beliebige Separatorplatte angewendet werden, die in einer Brennstoffzelle enthalten ist, wie beispielsweise eine Kathodenplatte. Ähnlicherweise können die Einlassmerkmale als Auslassmerkmale verwendet werden und umgekehrt. Überdies können, während die Einlass- und Auslassöffnungen 60 und 70 in einem linearen Muster angeordnet gezeigt sind, andere Muster verwendet werden, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, versetzt.
