CN117981125A - 用于制造密封件的方法、具有密封件的密封组件、燃料电池以及燃料电池堆 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于制造在两个接合配对件之间、优选在燃料电池的双极板(2)与膜电极组件(3)之间的密封件(1)的方法，其中，将至少一个密封材料(4)施加到所述两个接合配对件中的一个接合配对件上。根据本发明，密封件(1)中空地构造或者以填充有填充材料(5)的方式构造，其中，使用相对于外置的密封材料(4)具有较小的硬度、尤其是肖氏硬度的填充材料(5)。此外，本发明涉及一种密封组件、一种具有根据本发明的密封组件的燃料电池以及一种燃料电池堆。
Description
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分所述的用于制造在两个接合配对件之间的密封件的方法。除此之外，本发明涉及一种具有密封件的密封组件，该密封件能够按照根据本发明的方法制造。
密封件布置在两个接合配对件之间，所述接合配对件尤其可以是燃料电池的双极板和膜电极组件。因此，本发明此外涉及一种具有根据本发明的密封组件的燃料电池。除此之外，提出一种具有根据本发明的燃料电池的燃料电池堆。
背景技术
燃料电池包括多个层或叠层，所述层或叠层在燃料电池运行时被不同介质穿流。因此，为了可靠地分离不同介质，将密封件引入到多个层或叠层之间和/或将多个层或叠层介质密封地接合。例如，可以使用弹性体密封件，所述弹性体密封件随后在组装时被压紧。
可以在注塑方法或者分配方法中进行施加密封材料用于构造密封件。在此，在压紧之前，将密封材料施加到相应的接合配对件中的至少一个接合配对件上。对于接下来的压紧而言有利的是，所使用的密封材料是尽可能软的，以便可以稳定地控制压紧的过程。然而，使用软的密封材料同时提高了由此构造的密封件的渗透性，这形成一种缺点。
由DE 10 2007 005 589 A1已知一种用于燃料电池的密封件，该密封件具有核心元件和至少部分地包围该核心元件的边缘元件，其中，该核心元件构造得比该边缘元件硬。因此，在压力下，只有边缘元件变形，而核心元件保持限定的形状和尺寸。此外，较硬的核心元件表现出较少的疲劳现象，使得密封件的形状和尺寸并且因此密封功能也长期保持不变。
发明内容
本发明所涉及的任务是，通过密封件减小渗透性，该密封件至少部分地由软的密封材料制造。通过这种方式应优化燃料电池的介质密封性。
为了解决该任务，提供具有权利要求1的特征的方法以及根据权利要求8的特征的密封组件。本发明的有利的扩展方案能够从相应的从属权利要求中得到。除此之外，给出一种燃料电池以及一种燃料电池堆。
在所提出的用于制造在两个接合配对件之间的密封件的方法中，将至少一个密封材料施加到两个接合配对件中的一个接合配对件上。所述接合配对件尤其可以涉及燃料电池的双极板和膜电极组件。根据本发明，密封件中空地构造或者以填充有填充材料的方式构造。在此，使用相对于外置的密封材料具有较小的硬度、尤其是肖氏硬度的填充材料。
因此，根据所提出的方法所制造的密封件要么是中空的、要么是被填充的。这具有如下优点：该密封件可以由硬的且因此更渗透密封的密封材料制造。另外，被密封材料限界的、用气体或者填充材料填充的空腔能够在接下来对两个接合配对件压紧时实现稳定的、力引导的压紧过程。此外，密封件的公差稳健性提高。
如果密封件布置在燃料电池的双极板与膜电极组件之间，则由于较低的渗透性，在燃料电池的后来的运行中可以实现效率增加。多个相同类型的燃料电池可以连接成燃料电池堆，其中，所提出的用于制造密封件的方法能够实现高效且稳健的堆叠过程。此外，在制造密封件时，可以利用已经存在的或已知的过程，使得在设施技术方面无需进行改变。此外，随着单个的密封件的公差稳健性增加，系统的公差稳健性增加。
为了构造中空的密封件，优选以如下方式将密封材料涂敷到接合配对件上：密封材料——单独地或者与该接合配对件一起——包围一空腔。该空腔以气体填充，其中，这尤其可以是空气。
为了构造被填充的密封件，密封材料可以——必要时与填充材料一起——施加到接合配对件上，使得该密封件完全地或者局部地包围该填充材料。未被密封材料包围的区域优选被该接合配对件覆盖，使得密封件的填充材料后来不与如下介质接触：以该介质加载两个接合配对件之间的中间空间。替代于同时施加密封材料和填充材料，也可以首先将填充材料施加到接合配对件上。然后再将密封材料施加到接合配对件上以及施加到填充材料上。
在该方法中，优选地，使用具有小于30ShA、优选小于20ShA的根据DIN EN ISO 868的肖氏硬度的填充材料。
尤其是，可以使用另外的密封材料、例如硅酮作为填充材料。这能够实现使用常规的密封材料作为填充材料，所述常规的密封材料本身的渗透密封性不足，然而该密封材料被根据所提出的方法所制造的密封件的外置的密封材料保护以防与介质接触。
也可以使用泡沫材料或者形成泡沫的材料作为填充材料。在这种情况下，可以通过填充材料的相应的结构调设出相对较低的硬度。在这种情况下，该结构具有多个气体填充的空腔，使得中空地构造的密封件的方案可以重复多次。
优选地，使用三元乙丙橡胶(EPDM)、氟橡胶(FKM)或者热塑性弹性体(TPE)作为外置的密封材料。这些密封材料的硬度是足够的并且因此渗透密封性是足够的，使得能够实现高的气体密封性。然而，这种类型的密封材料的相对较高的硬度限制公差补偿的可能性，使得相对于公差的稳健性下降。EPDM的肖氏硬度例如为大约40-50ShA。因此，该密封材料的刚性大约是硅酮的刚性的四倍。
在根据本发明的方法中，通过下述方式解决高气体密封性与高公差稳健性之间的目标冲突：密封件中空地构造或者被填充地构造，其中，使用相对于该密封件的外置的密封材料较软的填充材料用于填充。因此，通过不同硬度的材料的适合的材料配对，可以实现优化的密封件。例如，可以制造具有软的、被发泡的核心和硬的、气体密封的外壳的密封件。
根据本发明的一种优选的实施方式，在印刷方法中、例如借助模板印刷，在注塑方法中或者在分配方法中，施加密封材料和/或填充材料。这些方法是快速且精确的，使得其尤其适合用于燃料电池和燃料电池堆的大批量生产。
另外提出，成束条地施加密封材料和/或填充材料。成束条的施加导致构造密封束条，该密封束条的走向可以以优化的方式适配于待密封的轮廓。如果将密封材料和填充材料——在时间上彼此错开地——成束条地施加到接合配对件上，则优选地，首先施涂填充材料，然后施加密封材料，使得密封材料完全覆盖填充材料。
除此之外为了解决开头提到的任务所提出的密封组件具有布置在两个接合配对件之间、优选布置在燃料电池的双极板与膜电极组件之间的密封件。根据本发明，该密封件中空地构造或者填充有填充材料，其中，该填充材料相对于密封件的外置的密封材料具有较小的硬度、尤其是肖氏硬度。
基于该中空地或者被填充地构造的密封件，所提出的密封组件具有高气体密封性以及同时具有高公差稳健性，即两个通常相互矛盾的特性。
优选地，所提出的密封组件的密封件根据先前描述的方法中的一种方法来制造，使得实现伴随根据本发明的方法产生的优点。尤其是，如果例如使用印刷方法、注塑方法或者分配方法来施加密封材料和/或填充材料，则可以快速且精确地制造密封件。除此之外，尤其是先前结合根据本发明的方法所描述的密封材料和/或填充材料适合用于制造该密封件。
如果密封组件的密封件被填充地构造，则该填充材料优选具有小于30ShA、优选小于20ShA的根据DIN EN ISO 868的肖氏硬度。尤其是，填充材料可以是另外的密封材料、例如硅酮和/或可以是泡沫材料。优选地，外置的密封材料是三元乙丙橡胶(EPDM)、氟橡胶(FKM)或者热塑性弹性体(TPE)。通过适合的材料配对，可以不仅在渗透性方面、还在公差稳健性方面优化该密封件。
另外，提出一种用于燃料电池堆的燃料电池，该燃料电池具有根据本发明的密封组件。在此，该密封件布置在燃料电池的双极板与膜电极组件之间，用于密封能够以介质加载的空间。该介质尤其可以是反应气体、例如氢气或者空气。借助中空地或者被填充地构造的密封件，可以以介质密封的方式接合双极板和膜电极组件。根据本发明的密封组件具有高气体密封性以及高公差稳健性。高气体密封性提高燃料电池的效率。
除此之外，提出一种具有至少一个根据本发明的燃料电池的燃料电池堆。至少一个根据本发明的燃料电池的高效率也转移到燃料电池堆的效率上。
附图说明
下面根据附图更详细地阐述本发明的有利的实施方式。这些附图示出：
图1带有密封件的、被边缘增强的膜电极组件的简化剖视图，该密封件按照根据本发明的方法制造，和
图2带有密封件的双极板的简化剖视图，该密封件按照根据本发明的方法制造。
具体实施方式
从图1中能够得知密封件1，该密封件布置在膜电极组件3的边缘增强部6上，用于制造燃料电池。借助密封件1，膜电极组件3可以与另外的接合配对件、例如双极板(未示出)以介质密封的方式接合。密封件1具有由填充材料5构成的填充物，该填充材料被密封材料4包围。密封材料4具有比填充材料5大的硬度、尤其是肖氏硬度，并且因此特别气体密封或渗透密封。填充材料5的较小的硬度有助于密封件1的公差稳健性。
为了制造图1的密封件1，可以首先将填充材料5施加到膜电极组件3的边缘增强部6上。该施加可以例如在印刷方法、注塑方法或者分配方法中实现。在已施加填充材料5之后，可以在该填充材料上施涂密封材料4，使得密封材料4完全覆盖填充材料5。接下来，可以将另外的接合配对件放置到膜电极组件3上。然后，通过压紧，建立两个接合配对件的介质密封的连接。
从图2中能够得知具有密封材料4和填充材料5的另外的密封件1，其中，与图1的密封件1类似，填充材料5具有比密封材料4小的硬度、尤其是肖氏硬度。就这方面而言，借助图2的密封件1，实现与借助图1的密封件1相同的优点。尤其是，可以将两个接合配对件介质密封地接合。
在图2中，密封件1布置在双极板2上，使得双极板2构成第一接合配对件。双极板2包括至少一个金属板2.1，该金属板被压制，用于构造冷却通道7。金属板2.1将冷却通道7与能够以第一反应气体、更确切地说以氢气(H2)加载的区域8分开。通过双极板2的另外的金属板2.2，冷却通道7与能够以作为另外的反应气体的氧气(O2)加载的区域9分开。密封件1布置在金属板2.2上，使得当双极板2与膜电极组件(未示出)连接、优选压紧时，借助密封件1将区域9气体密封地向外封闭。包括密封材料4以及填充材料5的另外的密封件1可以布置在双极板2的对置的侧上或布置在金属板2.1上，使得区域8也被向外密封。在此，接合配对件也可以是膜电极组件3，使得双极板2布置在两个膜电极组件3之间，例如用于构造包括多个燃料电池的燃料电池堆。
Claims (13)
1.一种用于制造在两个接合配对件之间、优选在燃料电池的双极板(2)与膜电极组件(3)之间的密封件(1)的方法，其中，将至少一个密封材料(4)施加到所述两个接合配对件中的一个接合配对件上，
其特征在于，所述密封件(1)中空地构造或者以填充有填充材料(5)的方式构造，其中，使用相对于外置的密封材料(4)具有较小的硬度、尤其是肖氏硬度的填充材料(5)。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，使用具有小于30ShA、优选小于20ShA的根据DIN EN ISO 868的肖氏硬度的填充材料(5)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，使用另外的密封材料、例如硅酮作为填充材料(5)。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，使用泡沫材料或者形成泡沫的材料作为填充材料(5)。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，使用三元乙丙橡胶(EPDM)、氟橡胶(FKM)或者热塑性弹性体(TPE)作为外置的密封材料(4)。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，在印刷方法中、例如借助模板印刷，在注塑方法中或者在分配方法中，施加所述密封材料(4)和/或所述填充材料(5)。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，成束条地施加所述密封材料(4)和/或所述填充材料(5)。
8.一种密封组件，所述密封组件具有布置在两个接合配对件之间、优选布置在燃料电池的双极板(2)与膜电极组件(3)之间的密封件(1)，
其特征在于，所述密封件(1)中空地构造或者填充有填充材料(5)，其中，所述填充材料(5)相对于所述密封件(1)的外置的密封材料(4)具有较小的硬度、尤其是肖氏硬度。
9.根据权利要求8所述的密封组件，
其特征在于，所述填充材料(5)具有小于30ShA、进一步优选小于20ShA的根据DINENISO 868的肖氏硬度。
10.根据权利要求8或者9所述的密封组件，
其特征在于，所述填充材料(5)是另外的密封材料、例如硅酮和/或是泡沫材料。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的密封组件，
其特征在于，所述外置的密封材料(4)是三元乙丙橡胶(EPDM)、氟橡胶(FKM)或者热塑性弹性体(TPE)。
12.一种用于燃料电池堆的燃料电池，所述燃料电池具有根据权利要求8至11中任一项所述的密封组件，其中，所述密封件(1)布置在所述燃料电池的双极板(2)与膜电极组件(3)之间，用于密封能够以介质加载的空间。
13.一种燃料电池堆，所述燃料电池堆具有至少一个根据权利要求12所述的燃料电池。
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