DE10345147A1

DE10345147A1 - Verfahren zur Herstellung eines Bipolplattenaufbaus

Info

Publication number: DE10345147A1
Application number: DE10345147A
Authority: DE
Inventors: Harold Schlag
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: General Motors LLC
Priority date: 2002-10-09
Filing date: 2003-09-29
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2023-09-30
Also published as: US20040072053A1; US20050202303A1; DE10345147B4; US7009136B2

Abstract

Es ist ein Herstellverfahren vorgesehen, um gepaarte Metallplatten und insbesondere bipolare Platten von Brennstoffzellen unter Verwendung eines Unterdrucks zu verschweißen, um die gepaarten Metallplatten während des Schweißprozesses zusammenzuhalten. Jede bipolare Platte besitzt eine Vielzahl von Kontaktflächen zur Verbindung von gepaarten Metallplatten. Die Kontaktflächen einer ersten Platte sind mit Kontaktflächen einer zweiten Platte passend ausgerichtet. Ein Außenumfang und eine Vielzahl von Reaktandengaskanälen und -durchlässen von jedem Plattenpaar werden abgedichtet, um ein abdichtbares Innenvolumen zu bilden. In dem Innenvolumen wird ein Unterdruck erzeugt, um jedes Plattenpaar an den Kontaktflächen zusammenzuklemmen, und es wird eine Schweißverbindung zwischen zumindest einer Vielzahl der Kontaktflächen ausgebildet. Bevorzugt wird ein Schweißen mittels Laser aufgrund seiner Fähigkeit verwendet, die Kontaktflächen zusammenzuschmelzen, ohne die Platten zu durchlöchern und dadurch den Unterdruck zu verlieren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System, um eine Bipolplattenanordnung zu klemmen und zu schweißen, sowie dessen Produkt.

Brennstoffzellen sind bei einer Vielzahl von Fahrzeuganwendungen wie auch anderen Vorrichtungen als eine Antriebsquelle bzw. Energiequelle vorgeschlagen worden. Ein Beispiel einer Brennstoffzelle ist die Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembram (PEM). Die PEM-Brennstoffzellen umfassen Membranelektrodenanordnungen (MEAs), die einen dünnen protonenleitenden Membranelektrolyten mit einem Anodenelektrodenfilm, der auf einer seiner Seiten ausgebildet ist, und einem Kathodenelektrodenfilm aufweisen, der auf der entgegengesetzten Seite desselben ausgebildet ist. Die MEA kann auch ein Diffusionsmedium zur Verteilung der Reaktandengase über die katalytischen Flächen umfassen. Die Membranelektrodenanordnung ist schichtartig zwischen einem Paar von elektrisch leitenden Bipolplattenelementen angeordnet, die als ein Stromkollektor für die Anode bzw. Kathode der Brennstoffzelle dienen und eine Vielzahl von Stegen und Kanälen in ihren Seiten aufweisen, um die gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle (beispielsweise Wasserstoff und Sauerstoff/Luft) zu verteilen.

Jede bipolare Platte dient als ein elektrischer Leiter zwischen benachbarten Brennstoffzellen und wird mit einem Kühlmittel versorgt, das in einer Vielzahl von internen Wärmetauscherdurchgängen strömt, um Wärme von der Brennstoffzelle zu beseitigen. Die übliche bipolare Platte stellt eine Anordnung dar, die durch Verbinden von zwei separaten Metalltafeln oder -platten aufgebaut ist, die jeweils nach außen weisende Kanäle für Reaktandengas sowie nach innen weisende Kanäle für Kühlmittel besitzen. Um elektrischen Strom zwischen dem Anodenabschnitt einer Zelle und dem Kathodenabschnitt der nächsten benachbarten Zelle in der Brennstoffzelle zu leiten, sind die gepaarten Platten, die jeweils einen Bipolplattenaufbau bilden, mechanisch und elektrisch miteinander verbunden.

In der Technik sind verschiedene Verfahren zur Verbindung bipolarer Platten gut bekannt. Bei einer beispielhaften Anwendung sieht das U.S.-Patent 5,776,624, das auf Neutzler erteilt ist, eine Vielzahl von Stegen vor, die mechanische Verbindungspunkte zwischen Plattenpaaren, die eine bipolare Platte bilden, darstellen. Die Vielzahl von Stegen in der Neutzler-Vorrichtung sind durch einen Hartlötvorgang miteinander verbunden, bei dem das Material, das zum Hartlöten verwendet wird, vorsichtig gesteuert wird, um das unlösliche Metall, das von den hartgelöteten Verbindungen ausgewaschen werden kann, zu begrenzen. Die Hartlöttechnik von Neutzler ist in Bezug auf das elektrische Verbinden benachbarter Platten einer Bipolplattenanordnung effektiv, jedoch ist es schwierig wie auch teuer, eine ausreichende Bindung zwischen den Platten sicherzustellen. Somit besteht Bedarf nach einer Verbesserung, die ein weniger teures als auch in Bezug auf das Material weniger kritisches Verbindungsverfahren vorsieht.

Um das Auswaschproblem, das oben beschrieben ist, zu begrenzen, werden hartgelötete Verbindungen zwischen den Platten einer Bipolplattenanordnung durch geschweißte Verbindungen ersetzt. Um den erforderlichen Kontakt von Metall zu Metall für das Schweißen beizubehalten wie auch sicherzustellen, dass der richtige Schweißspalt vorgese hen wird, werden gewöhnlich externe Druckplatten dazu verwendet, die Platten zusammenzuklemmen und diese während der Zeitdauer, während der das Schweißen erfolgt, physikalisch zu halten. In Bezug auf das Schweißverfahren mit Druckplatten existieren verschiedene Nachteile. Zunächst muss in der Druckplatte bzw. den Druckplatten eine Vielzahl von Öffnungen oder Zugriffslöchern enthalten sein, um einen Zugang für den Schweißbrenner sowie Schweißstrahl (beispielsweise Laserschweißen) für einen Kontakt mit den gewünschten Oberflächen der Platten vorzusehen. Diese Öffnungen erhöhen die Kosten sowie die Komplexität zum Schweißen bipolarer Platten und insbesondere komplexer Kanal- und Steggeometrien von bipolaren Platten. Eine Druckplatte, die für eine komplexe Geometrie von Kanälen und Stegen vorbereitet ist, kann allgemein nur für diese eine Konstruktion allein verwendet werden, was eine Vielzahl von Druckplattenkonstruktionen bzw. -gestaltungen erfordert, um verschiedene Gestaltungen bipolarer Platten anpassen zu können. Dies mindert die Möglichkeit, einen bestimmten Satz von Druckplatten zum Schweißen von mehr als einer Bipolplattengestaltung zu verwenden, da die Anordnung von Öffnungen in einer Druckplatte stark von der Gestaltung der Kanäle und Stege an den einzelnen Platten, die jede bipolare Platte bilden, abhängig ist.

Ein anderer Nachteil des Schweißverfahrens mit Druckplatten resultiert aus dem Kontaktdruck benachbart der einzelnen Schweißstellen, der verloren geht, wenn die Schweißöffnungen selbst vorgesehen werden. Der Druck, der erforderlich ist, um einen Zwischenraum zum Schweißen beizubehalten, ist nicht groß. Jedoch können lokalisierte Spalte zwischen den gepaarten Platten, die die Bipolplatten bilden, auftreten, wenn die Öffnungen zum Schweißen keine ausreichende Kraft vorsehen, um die gepaarten Platten in Kontakt für das Schweißen zu halten.

Ein weiterer Nachteil des Schweißverfahrens mit Druckplatten resultiert daraus, dass die Plattendicke der Druckplatte den Schweißkopfabstand von den geschweißten Oberflächen erhöht. Bei einer Laserschweißanwendung erfordert eine Erhöhung dieses Abstandes normalerweise den Zusatz einer speziellen Linse mit einer längeren Brennweite und einem kleineren Arbeitswinkel, was die Kosten eines derartigen Systems erhöht. Auch kann dies einen kleineren Prozentsatz von akzeptablen Schweißverbindungen zur Folge haben.

Es besteht daher ein Bedarf, ein Verfahren sowie ein System zum Klemmen und Schweißen von Plattenpaaren zur Bildung bipolarer Platten vorzusehen, die den Bedarf nach Druckplatten und daher die Kosten, den Aufwand sowie die Begrenzungen der Druckplattenkonstruktion beseitigen. Es besteht auch ein weiterer Bedarf, ein Verfahren und ein System zum Klemmen und Schweißen bipolarer Platten vorzusehen, bei denen das Auftreten lokalisierter Spalte zwischen Plattenpaaren verringert bzw. anpasst wird, um ein Verbinden von bipolaren Platten zu verbessern.

Gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Verbindung von Brennstoffzellenplatten vorgesehen. Ein Paar aus Platten, die eine bipolare Platte bilden und jeweils eine Vielzahl von Kontaktflächen besitzen, sind bezüglich des Umfangs ausgerichtet und um den Umfang des Plattenpaares abgedichtet. Es wird ein Unterdruck (Vakuum) zwischen dem Plattenpaar erzeugt, der die beiden Platten an den Kontaktflächen aneinander in einen Kontakt von Metall zu Metall zieht. Die Platten werden dann an den Kontaktflächen miteinander verschweißt. Ein Laserschweißprozess ist bevorzugt, um die Kontaktflächen der bipolaren Platte aneinander zu schweißen, da der Laserprozess ein Schmelzen der Kontaktflächen ohne ein Durchlöchern der Platte bzw. der Platten und somit ohne einen Verlust des Unterdrucks zulässt.

Bei einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht ein Verfahren zum Klemmen und Schweißen von Brennstoffzellenplatten Paare von Platten mit Kontaktflächen und Außenumfängen vor, die so abgedichtet werden, dass dazwischen ein Innenvolumen gebildet wird. Anschließend wird eine Vakuumpumpe betätigt, um einen Unterdruck in dem Innenvolumen zu bilden. Anschließend wird eine Schweißvorrichtung betätigt, um die Kontaktflächen miteinander zu verbinden. Der Unterdruck wird anschleißend entlastet.

Bei einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verbindungssystem für bipolare Platten Platten mit einer Vielzahl von Kühlmittelöffnungen, Kühlmittelkanälen sowie Stegen. An einer der Kühlmittelöffnungen wird für jede Platte eines Plattenpaares ein Vakuumbefestigungspunkt ausgebildet, um für eine Befestigung einer Vakuumpumpe zu sorgen. Ein durch die Vakuumpumpe gebildeter Unterdruck zwischen den Platten zieht die Platten zum Verschweißen an den Kontaktflächen aneinander, die durch die Kreuzungsstellen von benachbarten Stegpaaren zwischen den Platten definiert sind. Eine Schweißverbindung verbindet anschließend, die Platten an den gewünschten Kontaktflächen.

Bei einer noch weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein vakuumunterstütztes Schweißsystem, dass die Außenumfänge von jeder eines Paares von Platten unter Verwendung einer temporären Dichtung abdichtbar sind. In dem Innenvolumen zwischen den Platten wird ein Unterdruck erzeugt. Es wird eine Vielzahl von Kontaktflächen miteinander verschweißt. Die temporäre Dichtung wird im Anschluss an die anfängliche Verschweißung der Kontaktflächen zwischen jeder der Platten entfernt. Der Außenumfang wird dann durch Verschweißen dauerhaft abgedichtet.

Durch die Verwendung eines Unterdrucks, um Platten, die eine Bipolplattenanordnung bilden, zum Verschweißen temporär zu halten, hat die vorliegende Erfindung eine Vielzahl von Vorteilen zur Folge. Kühlmittelkanäle sind allgemein über einen Hauptabschnitt der Oberfläche jeder Platte, die ein Plattenpaar bildet, vorgesehen. Jeder der Kühlmittelkanäle ist allgemein derart verbunden, dass ein an einer Öffnung oder einem Abschnitt eines Kühlmittelkanals erzeugter Unterdruck einen Unterdruck über die gesamten Innenflächen des Plattenpaars erzeugt. Der Unterdruck zieht die gesamten zueinander weisenden Oberflächen von jeder der Platten aneinander, so dass keine mechanische äußere Druckplatte erforderlich ist. Durch Verwendung des Unterdrucks können beliebige Geometrien von Kühlmittelkanälen, Übertragungskanälen für Reaktandengas und/oder Schweißstegen bzw. Kontaktflächen angepasst werden. Alles was dazu erforderlich ist, ist ein einfacher Verbindungspunkt zwischen einer Vakuumpumpe und den Paaren von Platten.

Aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung werden weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung offensichtlich. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung sowie die spezifischen Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, nur zu Veranschaulichungszwecken und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.

Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine perspektivische Ansicht ist, die eine bevorzugte Ausführungsform eines vakuumunterstützten Schweißsystems für bipolare Platten der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 eine perspektivische Explosionsansicht der Bipolplattenanordnung der vorliegenden Erfindung ist;
3 eine teilweise Schnittansicht entlang eines Schnittes 3 von 1 ist, die einen Laserschweißstrahl zeigt, der nebeneinander liegende Kontaktflächen zwischen gepaarten Platten verschmilzt, um eine Bipolplattenanordnung zu bilden; und
4 eine teilweise Schnittansicht entlang eines Schnittes 4 von 2 ist, in der eine Trennplatte, die zwischen Plattenpaaren positioniert ist, sowie ein zulässiger Schweißspalt zwischen den Kontaktflächen jeder Platte und der Trennplatte gezeigt ist.
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform ist lediglich beispielhaft und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, die Anwendung oder ihren Gebrauch zu beschränken.
In 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer Bipolplattenanordnung 10 der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Bipolplattenanordnung 10 umfasst eine erste Platte 12 und eine zweite Platte 14. Auf der ersten Platte 12 ist eine Vielzahl von Stegen 16 zu erkennen. Die Vielzahl von Stegen ist durch eine Vielzahl von Kanälen 18 getrennt. Die zweite Platte 14 umfasst ebenfalls sowohl eine Vielzahl von Stegen als auch Kanälen (nicht gezeigt). Die Kanäle 18 bilden ein Gasverteilerfeld (flow field) zum Transport eines Reaktandengases über die Fläche der ersten Platte 12. Eine Vielzahl von Durchlässen 20 für den Kühlmittel durchfluss sieht entweder einen Einlass oder einen Auslass für Kühlmittel vor, das einzelne Platten der Bipolplattenanordnung 10 durchfließt. Die beiden Platten 12, 14 der Bipolplattenanordnung 10 sind jeweils an einem mit Flansch versehenen Bereich 22 verbunden, der um einen Umfang der einzelnen ersten Platte 12 bzw. der zweiten Platte 14 definiert ist. Die Geometrie der Kanäle 18 ist als serpentinenförmige Durchfluss- bzw. Verteilerkanäle dargestellt, die in einer gespiegelten Gestaltung angeordnet sind. Jedoch ist es für Fachleute offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf eine spezifische Verteilerfeldgestaltung beschränkt ist sondern ebenfalls Anwendung auf Bipolplatten mit ähnlichen Gestaltungen unabhängig von der Verteilerfeldgeometrie besitzt.
Bei der gezeigten beispielhaften Ausführungsform wird, um die erste Platte 12 mit der zweiten Platte 14 zu verbinden, der mit Flansch versehene Bereich 22 dauerhaft unter Verwendung einer Schweißverbindung abgedichtet. Der mit Flansch versehene Bereich 22 kann auch temporär abgedichtet werden, wie unten unter Bezugnahme auf 2 beschrieben ist. Die verbleibenden Durchlässe 20 für Kühlmitteldurchfluss werden temporär abgedeckt, um das zwischen den Platten 12, 14 definierte Innenvolumen abzudichten. Einer der Durchlässe 20 für Kühlmitteldurchfluss wird als ein Vakuumbefestigungspunkt verwendet. Eine Vakuumpumpe 24 wird durch einen Vakuumschlauch 26 mit einem der vorher beschriebenen Durchlässe 20 für Kühlmitteldurchfluss verbunden. Die Durchlässe 28, die eine Eintritts- oder Austrittsströmung für Reaktandengas(e) vorsehen, werden ebenfalls für diesen Schweißvorgang abgedichtet, wenn die Durchlässe 28 eine Grenze des Kühlmittelbereiches bilden. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform sind die Platten 12, 14 an dem mit Flansch versehenen Bereich 22 und an den Durchlässen 28 abgedichtet bzw. verbunden, um sowohl eine Bildung eines Unterdrucks zwischen den Platten 12, 14 zu ermöglichen, wie auch eine nachfolgende Vermischung von Wasserstoff mit Luft (d.h. den normalen Reaktandengasen) zu verhindern.
Die Vakuumpumpe 24 wird betätigt, um einen Unterdruck in einem inneren Kühlmittelbereich zwischen der ersten Platte 12 und der zweiten Platte 14 zu erzeugen und damit die erste Platte 12 wie auch die zweite Platte 14 an einer Vielzahl von Kontaktflächen, die zum Verschmelzen der beiden Platten 12, 14 verwendet werden, in Kontakt von Metall zu Metall zu ziehen. Wie am besten in 3 gezeigt ist, sind die Kontaktflächen an den Innenseiten der Platten 12, 14 definiert. Nachdem ein Unterdruck zwischen der ersten Platte 12 und der zweiten Platte 14 ausgebildet ist, verschmilzt eine Schweißvorrichtung 30 die erste Platte 12 an einer Vielzahl der Kontaktflächen mit der zweiten Platte 14. Wenn eine temporäre Dichtung an dem mit Flansch versehenen Umfangsbereich 22 verwendet wird, wird die temporäre Dichtung anschließend entfernt, und es wird eine dauerhafte Schweißverbindung um den mit Flansch versehenen Bereich 22 herum ausgebildet.
Wie in 2 gezeigt ist, umfasst eine Bipolplattenanordnung 34 ferner eine optionale Abstandhalterplatte 32, die zwischen einer ersten Platte 36 und einer zweiten Platte 38 angeordnet ist, mit zusätzlichen Durchflusswegen für Kühlmittel dazwischen. Wenn die Abstandhalterplatte 32 oder ein ähnliches Element zwischen den Platten 36, 38 positioniert wird, muss jede Platte des Paars mit der Abstandhalterplatte 32 verschweißt werden, wie am besten in 4 gezeigt ist. Eine Vielzahl von Kühlmittelöffnungen 40 ist in der Abstandhalterplatte 32 angeordnet, um sicherzustellen, dass eine vollständig turbulente Strömung an Kühlmittel zwischen den beiden Platten 36, 38 vorhanden ist. Es ist auch eine Vielzahl von Reaktandengasdurchlässen 42 gezeigt, die Einlässe oder Ausläs se für eine Reaktandengasströmung für jeden einer Vielzahl von Kanälen 44 vorsehen, die in der Fläche der Platten 36, 38 ausgebildet sind.
Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform ist, um die Bipolplattenanordnung 34 zu bilden, ein Flansch 46 der ersten Platte mit einem Flansch 48 der zweiten Platte ausgerichtet, wobei die beiden Flansche bevorzugt verschweißt werden. Alle Schnittstellenbereiche zwischen Reaktandengaskanälen oder -durchlässen und dem Kühlmittelvolumen werden in ähnlicher Weise verschweißt. Die geschweißten Verbindungen können durch ein beliebiges Schweißverfahren gebildet werden, vorausgesetzt, dass die permanente Dichtung das Kühlmittelvolumen wie auch die Plattenumfänge umgibt. Wenn eine temporäre Verbindung zwischen dem Flansch 46 der ersten Platte und dem Flansch 48 der zweiten Platte ausgebildet wird, wird eine Dichtung 50 zwischen dem Flansch 46 der ersten Platte und dem Flansch 48 der zweiten Platte angeordnet und die beiden Platten 36, 38 werden aneinander gestoßen. Alle Schnittstellenbereiche zwischen Reaktandengaskanälen oder -durchlässen und dem Kühlmittelvolumen werden ähnlicherweise abgedichtet. Die Dichtung 50 und die Schnittstellendichtungen können ein Dichtungselement oder ein geeignet entfernbares Dichtungsmittel oder eine Dichtungswulst (nicht gezeigt) sein. Beispielhafte entfernbare Dichtungsmittel umfassen Epoxydharze und ähnliche Klebstoffe. Wie unter Bezugnahme auf 1 beschrieben ist, wird ein Unterdruck gebildet, und die Kontaktflächen der Bipolplattenanordnung 34 werden verschmolzen. Ähnlich der Bipolplattenanordnung 10 zeigt 2 eine Vielzahl von Stegen 52 zwischen den Kanälen 44 und eine Vielzahl von Durchlässen 54 für Kühlmitteldurchfluss.
In 3 ist der teilweise Querschnitt 3 von 1 detaillierter dargestellt. Die erste Platte 12 umfasst die Vielzahl von Kanälen 18 an einer Außenfläche 56 und eine Vielzahl von Kühlmittelkanälen 58. Die zweite Platte 14 ist ähnlich ausgebildet. Die Nuten 18 und die Kühlmittelkanäle 58 sind allgemein nacheinander über den Querschnitt jeder Platte 12, 14 angeordnet. Der in den Kühlmittelkanälen 58 gebildete Unterdruck zieht die erste Platte 12 in physikalischen Kontakt mit der zweiten Platte 14. Ein Laserstrahl 60 ist mit einer Basis von einem der Kanäle 18 ausgerichtet gezeigt. Der Laserstrahl 60 bildet eine Schweißzone oder einen Schmelzbereich 62 zwischen aneinander stoßenden Kontaktflächen 64 von beiden Platten 12, 14. Die Vielzahl von Kühlmittelkanälen 58 bildet somit ein Kühlmittelverteilerfeld bzw. Kühlmitteldurchflussfeld zwischen der ersten Platte 12 und der zweiten Platte 14.
In 4 ist der teilweise Querschnitt 4 von 2 detaillierter dargestellt. Die Abstandhalterplatte 32 trennt die erste Platte 36 von der zweiten Platte 38. 4 zeigt ferner einen zulässigen Zwischenraumspalt "A" zwischen einer Kontaktfläche 66 der ersten Platte 36 und einer ersten Fläche 68 der Abstandhalterplatte. Der zulässige Zwischenraumspalt "A" ist auch zwischen der zweiten Platte 38 und der Abstandhalterplatte 32 gezeigt. Der in jedem einer Vielzahl von Kühlmittelkanälen 70 gebildete Unterdruck zieht die erste Platte 36 an den Kontaktflächen in physikalischen Kontakt mit der Abstandhalterplatte 32. Ein Laserstrahl 72 wirkt ähnlich dem Laserstrahl 60 (in 3 gezeigt), wodurch eine Vielzahl von Schmelzbereichen 74 gebildet wird. Ähnlicherweise zieht der Unterdruck, der in einer Vielzahl von Kühlmittelkanälen 76 der zweiten Platte 38 gebildet wird, die zweite Platte 38 entlang einer zweiten Fläche 78 der Abstandhalterplatte und einer Vielzahl von Kontaktflächen 80 der zweiten Platte 38 in physikalischen Kontakt. Ein Laserstrahl 82 erzeugt jeden einer Vielzahl von Schmelzbereichen 84. Beide Schmelzbereiche 74, 84 unterscheiden sich von dem Schmelzbereich 62, der in 3 gezeigt ist, durch das Volumen an geschmolzenem Material zwischen den Platten hauptsächlich infolge des zulässigen Zwischenraumspalts "A".
Der zulässige Zwischenraumspalt "A" ist in 4 gezeigt, kann jedoch auch zwischen den Platten 12, 14 von 3 vorkommen. Der zulässige Zwischenraumspalt "A" variiert abhängig von einer Vielzahl von Bedingungen. Diese Bedingungen umfassen die Dicke der Platten 12, 14 und 36, 38, die Dicke sowie Flachheit der Abstandhalterplatte 32, das Material der Platten 12, 14 und 36, 38 und der Abstandhalterplatte 32, den Typ sowie der Energie der verwendeten Schweißausrüstung sowie die verwendeten Schweißgeschwindigkeit. Ein beispielhafter Abmessungsbereich für den zulässigen Zwischenraumspalt "A" liegt zwischen 0 und etwa 20% der Materialdicke, wobei dies für eine beispielhafte Materialdicke von 0,1 mm ein Maß von 0 bis etwa 0,02 mm bedeutet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Komplexität wie auch Geometrie verschiedener Verteilerfelder und somit Kontaktflächen mit Laser- sowie anderen Schweißverfahren unter Verwendung eines Unterdrucks angepasst werden, der durch die Systeme wie auch Verfahren der vorliegenden Erfindung gebildet wird. Das verwendete Schweißsystem kann leicht programmiert werden, um ein kompliziertes Muster von Schweißzonen zu bilden, das in einem automatisierten Prozess wiederholt reproduzierbar ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der Unterdruck zwischen den Platten 12, 14 und 36, 38 über einen Bereich von Drücken zwischen etwa 200 Gramm/Quadratzentimeter (g/cm²) bis zu etwa 800 g/cm² gebildet. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann ein beliebiger Unterdruck (definiert als ein Absolutdruck unterhalb atmosphärischem Druck) abhängig von der Geometrie der Platten verwendet werden. In einem beispielhaften Fall wird infolge einer teilweisen Evakuierung des Innenvolumens auf etwa 200 g/cm² eine externe Klemmkraft von etwa 800 g/cm² erzeugt – die Differenz zwischen atmosphärischem Druck (etwa 1000 g/cm²), der auf die Außenfläche der Platten wirkt, und 200 g/cm², die auf die Innenfläche wirken. Dies erzeugt eine Kraft von etwa 800 Gramm/Quadratzentimeter oder größer, um die Platten 12, 14 zusammen zu halten. Für eine beispielhafte Bipolplattenanordnung 10 mit einer Oberfläche von etwa 800 cm² beträgt die Klemmkraft, die auf die Platten 12, 14 ausgeübt wird, bei 200 g/cm² absolut in etwa 640 kg.
Durch Überwachung des Unterdrucks gibt die Zeitdauer, die erforderlich ist, um den Anfangskontakt zwischen einem Paar von Platten zu bilden, die Zuverlässigkeit der Umfangsdichtung an. Der Unterdruck wird aufrechterhalten, bis ein Eingriffszustand zwischen den beiden Platten erreicht ist. Der Eingriffszustand wird als Kontakt oder akzeptabler Schweißzwischenraum zwischen zumindest einer Kontaktfläche von jeder der beiden Platten in einer aneinander stoßenden Anordnung für das Schweißen definiert. Der Eingriffszustand wird durch den Unterdruck für eine Zeitdauer aufrechterhalten, die ausreichend ist, um zumindest eine Schweißverbindung zu bilden. Es wird erwartet, dass ein Absolutdruck von etwa 500 g/cm² ausreichend ist, um die Kraft zu erzeugen, die erforderlich ist, um gemeinsame Plattenpaare abzudichten. Anschließend können Vakuumänderungen als einen Hinweis auf Durchlöcherungen in der Platte bzw. den Platten überwacht werden.
Der zwischen den Platten gebildete Unterdruck ist normalerweise dazu in der Lage, die Platten in engen Kontakt zu ziehen, einschließlich von Bereichen mit geringfügigen Defekten in den Platten (beispielsweise Flachheit oder unvollständig/unrichtig ausgebildete Stege oder Kanäle). Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann der Unterdruck geändert werden, um eine Plattengeometrie anzupassen. Ein Verlust des Unterdrucks während des Schweißprozesses gibt an, dass ein Loch in der Platte, auf die der Laserstrahl angewendet wird, ausgebildet ist. Dieser Hinweis liefert den Vorteil einer Qualitätsüberprüfung, da ein Loch die Funktion der bipolaren Platte in der Brennstoffzelle zunichte macht. Es sind zu 100% geschweißte Kontaktoberflächen erwünscht, wo es möglich ist, jedoch machen insbesondere komplexe Platten/Nuten-Geometrien zu 100% geschweißte Kontaktflächen vom Produktstandpunkt her unpraktisch. Daher müssen nicht 100% der Kontaktflächen zwischen verbundenen Platten verschmolzen werden, um bipolare Platten unter Verwendung der Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung zu bilden.
Bei einer noch weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann anstelle des Unterdrucks, der in dem Kühlmittelvolumen zwischen den beiden Platten, die eine Bipolplattenanordnung bilden, entwickelt wird, ein Außendruck dazu verwendet werden, die beiden Platten in engen Kontakt zum Schweißen bzw. Abdichten zu bringen. Bei einer beispielhaften Anwendung kann der Außendruck erzeugt werden, indem die abgedichtete Bipolplattenanordnung in einer Druckkammer angeordnet wird, in der ein erhöhter Außendruck vorgesehen wird. Eine Druckablassleitung (anstelle des Vakuumschlauches 26 von 1) ist mit der Außenseite der Druckkammer verbunden, um das Innenvolumen des Gases abzulassen (beispielsweise Luft oder Schweißgas der Druckkammer), so dass der Außendruck die beiden Platten in engen Kontakt zum Schweißen der Kontaktflächen drückt.
Die druckgestützten Schweißmontagesysteme und -verfahren der vorliegenden Erfindung für bipolare Platten bieten verschiedene Vorteile an. Es kann eine komplexe Vielzahl von Kontaktflächen zwischen benachbarten Platten verschweißt werden. Ein Unterdruck, der zwischen den Platten erzeugt wird, klemmt die Platten ausreichend in einer Kon taktposition von Metall zu Metall (oder innerhalb einer akzeptablen Zwischenraumabmessung) für das Schweißen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform besitzt ein Laserschweißkopf einen vollständigen Zugang zu jeder der Kontaktflächen zum Schweißen, da eine Druckplatte, die bisher in der Technik bekannt war, nicht benötigt wird, wenn der Unterdruck dazu verwendet wird, die einzelnen Platten in Kontakt zu ziehen. Durch Verwendung eines existierenden Kühlmitteldurchlasses kann der Verbindungspunkt für Unterdruck für eine gewählte Platte des Zusammenbaus der bipolaren Platten leicht positioniert werden. Der Kühlmitteldurchlass sieht daher einen leichten Zugang zu dem Innenvolumen vor, so dass der Unterdruck ein ausreichendes Klemmen über einen Großteil der Kontaktflächen zum Schweißen zwischen den Platten sicherstellt.
Die Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und somit sind Abwandlungen, die nicht von der Idee der Erfindung abweichen, in dem Schutzumfang der Erfindung enthalten. Beispielsweise ist Laserschweißen als ein bevorzugtes Schweißverfahren beschrieben. Es können jedoch auch andere Schweißverfahren, wie beispielsweise Punktschweißen, verwendet werden. Für ein Schweißverfahren, das eine Inertgasatmosphäre erfordert, kann das System und das Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden, vorausgesetzt, dass die Vakuumquelle (beispielsweise Vakuumpumpe) entfernt von der Inertgas-Arbeitsumhüllung verbunden ist. Der mit Flansch versehene Umfang der Paare von Platten und die Durchlässe von jedem der Paare von Platten können ebenfalls vor dem Aufbringen des Unterdrucks gekrümmt werden. Durchlässe für Kühlmitteldurchfluss sind als der Verbindungspunkt zur Vakuumpumpenverbindung beschrieben. Es sind jedoch auch andere Geometrien bipolarer Platten mit alternativen Durchlässen zur Verbindung mit einer Vakuumpumpe möglich.
Zusammengefasst ist ein Herstellverfahren vorgesehen, um gepaarte Metallplatten und insbesondere bipolare Platten von Brennstoffzellen unter Verwendung eines Unterdrucks zu verschweißen, um die gepaarten Metallplatten während des Schweißprozesses zusammen zu halten. Jede bipolare Platte besitzt eine Vielzahl von Kontaktflächen zur Verbindung von gepaarten Metallplatten. Die Kontaktflächen einer ersten Platte sind mit Kontaktflächen einer zweiten Platte passend ausgerichtet. Ein Außenumfang und eine Vielzahl von Reaktandengaskanälen und -durchlässen von jedem Plattenpaar werden abgedichtet, um ein abdichtbares Innenvolumen zu bilden. In dem Innenvolumen wird ein Unterdruck erzeugt, um jedes Plattenpaar an den Kontaktflächen zusammen zu klemmen, und es wird eine Schweißverbindung zwischen zumindest einer Vielzahl der Kontaktflächen ausgebildet. Bevorzugt wird ein Schweißen mittels Laser aufgrund seiner Fähigkeit verwendet, die Kontaktflächen zusammen zu schmelzen, ohne die Platten zu durchlöchern und dadurch den Unterdruck zu verlieren.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Bipolplattenanordnung (10), mit den Schritten, dass: ein Paar Metallplatten (12, 14) nebeneinander liegend vorgesehen wird, so dass ein Innenvolumen sowie eine Vielzahl von Kontaktflächen dazwischen definiert wird, wobei jede Platte (12, 14) eine Vielzahl von darin ausgebildeten Kanälen (18) besitzt; ein Unterdruck in dem Innenvolumen erzeugt wird, um das Paar von Metallplatten (12, 14) aneinander zu ziehen; und das Paar von Metallplatten (12, 14) zumindest an einer Stelle der Vielzahl von Kontaktflächen miteinander verschmolzen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt zum Verschmelzen umfasst, dass das Paar von Metallplatten (12, 14) unter Verwendung eines Schweißprozesses verschweißt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, ferner umfassend, dass das Paar von Metallplatten (12, 14) unter Verwendung eines Laserschweißprozesses verschweißt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass vor dem Vakuumerzeugungsschritt zwischen dem Paar von Metallplatten (12, 14) um einen mit Flansch versehenen Umfang (22) derselben herum sowie an Durchlässen (20) der Platten (12, 14) eine Dichtung ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schritt zum Ausbilden der Abdichtung zwischen dem Paar von Metallplatten (12, 14) umfasst, dass zumindest ein temporäres Dichtungsmaterial an dem mit Flansch versehenen Umfang (22) zwischen den Platten (12, 14) und an den Durchlässen (20) der Platten (12, 14) angebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 5, ferner mit den Schritten, dass: das temporäre Dichtungsmaterial entfernt wird, nachdem die Metallplatten (12, 14) miteinander verschmolzen sind, und der mit Flansch versehene Umfang (22) der Metallplatten (12, 14) verschmolzen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schritt zum Ausbilden der Dichtung zwischen dem Paar von Metallplatten (12, 14) umfasst, dass der Umfang von jeder der Metallplatten (12, 14) um ihren mit Flansch versehenen Umfang (22) herum verschweißt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schritt zum Ausbilden der Dichtung zwischen dem Paar von Metallplatten (12, 14) umfasst, dass eine Dichtungswulst an dem mit Flansch versehenen Umfang (22) zwischen den Platten (12, 14) und an den Durchlässen (20) der Platten (12, 14) vorgesehen wird.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner mit den Schritten, dass: die Dichtungswulst entfernt wird, nachdem die Metallplatten (12, 14) miteinander verschmolzen sind, und der mit Flansch versehene Umfang (22) der Metallplatten (12, 14) verschmolzen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt zum Verschmelzen des Paares von Metallplatten (12, 14) umfasst, dass Dichtungsflansche zusammengefalzt werden, die um einen Umfang von jeder des Paares von Metallplatten (12, 14) und die Durchlässe von jeder des Paares von Metallplatten (12, 14) ausgebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit dem Schritt, dass zumindest eine Abstandhalterplatte (32) zwischen dem Paar von Metallplatten (36, 38) in dem Innenvolumen positioniert wird, so dass die Vielzahl von Kontaktflächen zwischen jeder des Paares von Metallplatten (36, 38) und der zumindest einen Abstandhalterplatte (32) ausgebildet ist.
Verfahren zum Schweißen von Brennstoffzellenplatten mit den Schritten, dass: zwei Platten (12, 14) in einer benachbarten Beziehung angeordnet werden, um eine bipolare Platte (10) zu bilden, die ein Innenvolumen aufweist, wobei jede Platte (12, 14) einen Außenumfang (22) sowie eine Vielzahl von Kontaktflächen in dem Innenvolumen besitzt; die bipolare Platte (10) an einer Verbindungsstelle abgedichtet wird, die zwischen den beiden Platten (12, 14) an dem Außenumfang (22) jeder Platte (12, 14) gebildet wird; ein Unterdruck in dem Innenvolumen mit einer Vakuumpumpe gebildet wird; und zumindest eine der Kontaktflächen von jeder der beiden Platten (12, 14) miteinander verschmolzen wird.
Verfahren nach Anspruch 12, ferner mit dem Schritt, dass der Unterdruck aufrechterhalten wird, bis ein Eingriffszustand zwischen der Vielzahl von Kontaktflächen erreicht ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt zum Verschmelzen umfasst, dass eine Verbindungsstelle zwischen zumindest einem benachbarten Paar der Vielzahl von Kontaktflächen verschweißt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Schritt zum Verschweißen umfasst, dass die beiden Platten (12, 14) mit einem Laserschweißprozess miteinander verschweißt werden.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt zum Abdichten umfasst, dass eine temporäre Dichtung zwischen den Außenumfängen (22) der beiden Platten (12, 14) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend, dass: der Unterdruck entfernt wird, nachdem die zumindest eine der Kontaktflächen von jeder der beiden Platten (12, 14) verschmolzen ist; und die Außenumfänge (22) der beiden Platten (12, 14) verschweißt werden.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt zum Ausbilden des Unterdrucks umfasst, dass ein Absolutdruck in dem Innenvolumen auf einen Druck abgesenkt wird, der kleiner als oder gleich etwa 800 Gramm pro Quadratzentimeter ist.
Verfahren nach Anspruch 12, ferner mit dem Schritt, dass zumindest eine Abstandhalterplatte (32) zwischen den beiden Platten (36, 38) in dem Innenvolumen positioniert wird, so dass die Vielzahl von Kontaktflächen zwischen jeder der beiden Platten (36, 38) und der zumindest einen Abstandhalterplatte (32) gebildet wird.
Bipolplattenanordnung mit: einer ersten Platte (12), die eine Innenseite der ersten Platte (12) und eine Außenseite der ersten Platte (12) besitzt, wobei die Innenseite der ersten Platte (12) eine Vielzahl von darin ausgebildeten Durchflusskanälen (20) für Kühlmittel aufweist, und die Außenseite der ersten Platte (12) eine Vielzahl von darin ausgebildeten Durchflusskanälen (18) für Reaktandengas aufweist; einer zweiten Platte (14) mit einer Innenfläche der zweiten Platte (14) und einer Außenfläche der zweiten Platte (14), wobei die Innenfläche der zweiten Platte (14) eine Vielzahl von darin ausgebildeten Durchflusskanälen (20) für Kühlmittel aufweist und die Außenfläche der zweiten Platte (14) eine Vielzahl von darin ausgebildeten Durchflusskanälen (18) für Reaktandengas aufweist, wobei die Innenflächen der ersten und zweiten Platten (12, 14) in einer benachbart zueinander weisenden Beziehung positioniert sind; zumindest einer abdichtbaren Verbindung, die zwischen den ersten und zweiten Platten (12, 14) angeordnet ist, um ein Innenvolumen von verbundenen Kühlmitteldurchflusskanälen (20) dazwischen zu definieren; wobei das Innenvolumen einen Innendruck darin aufweist, der geringer als ein Außendruck ist, der die ersten und zweiten Platten (12, 14) umgibt, um die ersten und zweiten Platten (12, 14) aneinander zu ziehen und damit mehrere Kontaktflächen dazwischen zu bilden, und einer Schweißzone, die an einer Vielzahl der Kontaktflächen ausgebildet ist.
Bipolplattenanordnung nach Anspruch 20, mit zumindest einer Abstandhalterplatte (32), die zwischen den beiden Platten (36, 38) in dem Innenvolumen angeordnet ist, so dass die Vielzahl von Kontakt flächen zwischen jeder der beiden Platten (36, 38) und der zumindest einen Abstandhalterplatte (32) ausgebildet ist.