DE10107790A1

DE10107790A1 - Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenstack

Info

Publication number: DE10107790A1
Application number: DE2001107790
Authority: DE
Inventors: Christian Leu; Wilhelm Thom; Uwe Schattauer; Matthias Bronold
Original assignee: Heliocentris Energiesysteme GmbH
Current assignee: Heliocentris Energiesysteme GmbH
Priority date: 2001-02-13
Filing date: 2001-02-13
Publication date: 2002-08-22

Abstract

Bei einem Brennstoffzellenstack mit abwechselnd angeordneten Membran-Elektroden-Einheiten und Bipolarplatten bzw. Stromabnehmerplatten ist ein die Membran-Elektroden-Einheit (1) haltendes Rahmenelement (2) beidseitig mit einer integral angeformten oder ausgeformten, elastisch verformbaren umlaufenden Erhöhung als Dichtung (7, 7a) versehen. Das Rahmenelement mit Dichtung ist kostengünstig herstellbar und das Brennstoffzellenstack kann einfach und schnell montiert werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle oder ein Brennstoffzellenstack, bestehend aus einer bzw. meh reren mit Mitteln zur Medienverteilung versehenen, in ei nem Rahmenelement gehaltenen Membran-Elektroden- Einheit(en) mit beidseitig angeordneten Stromableiter platten bzw. bei einem Brennstoffzellenstacks mit zwi schengeschalteten Bipolarplatten, wobei durchgehende Zu fühtungs- und Abführungskanäle jeweils für mindestens ei nen der beiden Reaktanden sowie Dichtungen zwischen Stromableiterplatte/Bipolarplatte und Membran-Elektroden- Einheit vorgesehen sind.

Eine Brennstoffzelle besteht bekanntlich aus einer Mem bran-Elektroden-Einheit mit auf deren beiden Oberflächen vorgesehenen Gasverteilern und beidseitig angeordneten Stromableiterplatten, in deren dem Gasverteiler zugewand ter Oberfläche Fluidkanäle zur Verteilung des jeweiligen Reaktanden ausgebildet sind. Die Zuführung und Abführung der Reaktanden zu bzw. von den Fluidkanälen erfolgt über durch die Membran-Elektroden-Einheit und die Stromablei ter hindurchgehende Zuführungs- und Abführungskanäle. Um eine ausreichend große elektrische Spannung zu erzeugen, werden üblicherweise mehrere Brennstoffzellen zu einem Stack mit zwischengeschalteten Bipolarplatten zum Durchleiten des erzeugten Stroms durch das Brennstoffzel lenstack zusammengefügt. In den Stromableiterplatten so wie den Bipolarplatten sind beidseitig Fluidkanäle für den einen bzw. den anderen Reaktanden vorgesehen.

Ein bei der Herstellung und dem Betrieb von Brennstoff zellen bzw. Brennstoffzellenstacks auftretendes Problem besteht in der gasdichten Abdichtung des Anodenraums auf der einen Seite und des Kathodenraums auf der anderen Seite der Brennstoffzelle.

Bei einer aus der DE 198 29 142 A1 bekannten Abdichtung für ein Brennstoffzellenstack wird ein gasdichter Verbund zwischen einer nicht gerahmten Membran-Elektroden-Einheit und der jeweils benachbarten Bipolarplatte dadurch herge stellt, daß auf den Rand der Membran-Elektroden-Einheit eine Dichtraupe aus einem aushärtbaren Silikon oder einem Epoxidharz aufgetragen wird und anschließend unter Aus härtung des Dichtmaterials mit der Bipolarplatte durch Kleben verbunden wird. Dieses Verfahren ist aufgrund des auf jede einzelne der zudem schwer handhabbaren Membran- Elektroden-Einheiten aufzutragenden Klebstoffes mit einem erheblichen Herstellungsaufwand verbunden.

Die DE 199 10 487 C1 beschreibt eine elektrochemische Brennstoffzelle, bei der an die Bipolarplatten ange spritzte Dichtelemente die Abdichtung des mit der rahmen losen Membran-Elektroden-Einheit gebildeten Anodenraums bzw. Kathodenraums bewirken sollen. Die Herstellung der Bipolarplatten wird in zwei unmittelbar aufeinanderfol genden Schritten durchgeführt, indem in einem Werkzeug zunächst die aus Metall oder Graphit bestehende Bipolar platte mit den in diese eingeformten Fluidkanälen und - gegebenenfalls - Nuten für die Aufnahme einer Dichtung hergestellt wird und das Dichtelement anschließend in demselben Werkzeug entweder an eine ebene Fläche ange formt oder nach dem Zurückziehen eines eine Dichtungsnut formenden Stempels in die freigegebene Nut eingespritzt wird. Für dieses zweistufige Verfahren zur Herstellung der Bipolarplatten werden komplizierte Werkzeuge benö tigt. Außerdem ist eine ausreichende Dichtwirkung aufgrund des geringen Gegendrucks an der Membran-Elektroden- Einheit nicht oder nur mit einem auf die Endplatten der Brennstoffzelle aufgebrachten hohen Preßdruck gewährlei stet. Aufgrund des unterschiedlichen Dehnungsverhaltens des Dichtungsmaterials und der Membran-Elektroden-Einheit oder wegen des hohen Anpreßdrucks kann das Membranmateri al beschädigt werden und es können Undichtigkeiten auf treten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Ab dichtung für eine Brennstoffzelle oder ein Brennstoffzel lenstack der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die eine schnelle und kostengünstige Fertigung und eine einfache Montage ermöglicht und auch bei größerem Anpreßdruck ohne Beeinträchtigung des Membranmaterials eine ausreichende Dichtwirkung aufweist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten Brennstoff zelle bzw. eines unter Verwendung von Bipolarplatten her gestellten Brennstoffzellenstacks gelöst.

Der Grundgedanke der Erfindung liegt in der Verwendung eines mit der Membran-Elektroden-Einheit verbundenen Rah menelements, an dessen zu den benachbarten Stromabnehmer platten bzw. Bipolarplatten weisende Oberflächen als Dichtung einstückig eine umlaufende, elastisch ausgebil dete Erhöhung angeformt oder aus dieser ausgeformt ist.

Eine derart in das Rahmenelement integrierte Dichtung kann mit geringem Zeit- und Kostenaufwand hergestellt werden und ist hat gleichzeitig einen erheblich verrin gerten Montageaufwand bei der Herstellung von Brennstoff zellenstacks zu Folge, da die Membran-Elektroden- Einheiten und die Bipolarplatten bzw. Stromabnehmerplat ten problemlos aneinandergefügt werden können. Außerdem wird eine gute Dichtwirkung erzielt, da die aus dem Rah menmaterial gebildete oder an diesem angeformte stabile Dichtung mit vergleichsweise hohem Druck an die benach barte Bipolar- bzw. Stromabnehmerplatte angepreßt werden kann, und zwar ohne die Gefahr einer Beschädigung der Membran-Elektroden-Einheit.

Aus den Unteransprüchen und der unten wiedergegebenen Er läuterung eines Ausführungsbeispiels ergeben sich weitere Merkmale und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Beispielsweise kann die mit dem Rahmenelement integral ausgebildete Erhöhung durch Spritzgießen, Prägen oder ähnliche bekannte Formgebungsverfahren hergestellt wer den. Sie kann bei einem zweiteiligen, durch einen spezi fischen Kleber verbundenen Rahmenelement zum Beispiel so aus dem jeweiligen Rahmenteil ausgeformt sein, daß auf der Rückseite der Erhöhung in dem Rahmenelement eine Ver tiefung entsteht.

Die für die Dichtwirkung erforderliche Elastizität der angeformten oder ausgeformten Erhöhung wird durch die Verwendung eines Rahmenmaterials mit elastischen Eigen schaften und zusätzlich durch die Querschnittsform der Erhöhung bewirkt.

Die Erhöhung auf der Oberfläche des Rahmenelements ist umlaufend am Rand sowie jeweils um die Öffnungen des Zu führungs- und Abführungskanals des jeweils einen bzw. anderen Reaktanden herum ausgebildet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine in einem Rahmenelement gehaltene Membran-Elektroden-Einheit mit einer an dem Rahmenelement beidseitig einstückig ange formten, umlaufenden Dichtung, die auch um die Öffnung des Zuführungskanals und des Abführungs kanals für den Reaktanden geführt ist; und

Fig. 2 eine auseinandergezogene Schnittdarstellung ei nes Teils eines Brennstoffzellenstacks, beste hend aus einer zwischen zwei Bipolarplatten an geordneten Membran-Elektroden-Einheit mit an de ren Rahmenelement angeformten Dichtungen.

Die Membran-Elektroden-Einheit 1 ist in einem Rahmenele ment 2 gehalten und beidseitig mit einem Gasverteiler 3 versehen. An beiden Seiten der Membran-Elektroden-Einheit 1 sind Bipolarplatten 4 angeordnet, die in dem fertig montierten Brennstoffzellenstack am Rahmenelement 2 der Membran-Elektroden-Einheit 1 abdichtend anliegen. In dem Rahmenelement 2 und den Bipolarplatten 4 sind Zuführungs kanäle 5 und Abführungskanäle 5a für den ersten Reaktand (z. B. Wasserstoff) und Zuführungskanäle 6 und Abführungs kanäle 6a für den zweiten Reaktand (z. B. Luft) ausgebil det. An das Rahmenelement 2 der Membran-Elektroden-Ein heit 1 ist auf beiden Seiten eine am Rand umlaufende Dichtung 7, 7a angeformt. Diese Dichtungen 7, 7a um schließen außerdem auf der einen Seite des Rahmenelements 2 die Öffnungen des Zuführungs- und des Abführungskanals 5, 5a des ersten Reaktanden und auf der anderen Seite des Rahmenelements 2 die Öffnungen des Zuführungs- und des Abführungskanals 6, 6a des zweiten Reaktanden. Die Zu- und Abführungskanäle 5, 5a; 6, 6a sind durch alle Rah menelemente, Bipolarplatten sowie die Anodenplatte samt Endplatte und/oder die Kathodenplatte samt Endplatte des Brennstoffzellenstacks (jeweils nicht dargestellt) hin durchgeführt. Über die beiden Endplatten sind die einzel nen Teile des Brennstoffzellenstacks üblicherweise mit Hilfe von Spannelementen, zum Beispiel Schraubenbolzen mit Muttern (nicht dargestellt), verspannt, um den erfor derlichen Preßdruck auf die Dichtungen und damit die ge wünschte Dichtwirkung zu erzielen. Die Rahmenelemente 2 sind zweiteilig ausgebildet, und zwar aus zwei an den einander zugewandten Oberflächen mit Hilfe eines Schmelz klebers miteinander verklebten Rahmenteilen (nicht darge stellt), zwischen denen die Membran-Elektroden-Einheit 1 gehalten ist. Die Rahmenteile mit den Dichtungen 7, 7a werden in einem Formwerkzeug in einem einzigen Verfah rensschritt hergestellt. Die für die Dichtwirkung erfor derliche Elastizität der Dichtung wird sowohl durch die Auswahl eines geeigneten Rahmenmaterials als auch durch die Querschnittsform der Dichtung erzielt. Aufgrund der Tatsache, daß das Rahmenelement 2 mit integrierter Dich tung 7, 7a und die Bipolarplatte 4 unmittelbar aneinan derstoßen, kann ein für die notwendige Dichtwirkung aus reichender Anpreßdruck, das heißt, Gegendruck der Bipo larplatte 4 auf die angeformte Dichtung 7, 7a, aufge bracht werden, ohne daß die Membran-Elektroden-Einheit 1 zerstört werden kann und der Dichteffekt beeinträchtigt wird. Im Ausführungsbeispiel ist die Dichtung 7, 7a als einstückig angeformter ovaler, elastischer Dichtstrang dargestellt, der diese Form - ausgehend von einem ur sprünglich runden Strang - jedoch erst unter der Wirkung des Anpreßdrucks in dem montierten Brennstoffzellenstack einnimmt und somit eine breite elastische Dichtfläche an der angrenzenden Bipolarplatte 4 bildet. Die Quer schnittsfläche der Dichtung 7, 7a kann selbstverständlich auch jede andere, eine elastische Verformung und damit eine gute Abdichtung bewirkende Form aufweisen, bei spielsweise als Dichtlippe ausgebildet sein. Das Rah menelement mit integrierter Dichtung hat darüber hinaus aber noch den wesentlichen Vorteil, daß die Brennstoff zelle oder das Brennstoffzellenstack auf einfache Weise und schnell montiert werden kann, da die Rahmenelemente mit den integrierten Dichtungen gut handhabbar sind und das aufwendige Auftragen der Dichtung entfällt.

Bezugszeichenliste

1

Membran-Elektroden-Einheit

2

Rahmenelement (zweiteilig verklebt)

3

Gasverteiler

4

Bipolarplatten

5

,

5

a Zuführungs- und Abführungskanäle für ersten Re aktand

6

,

6

a Zuführungs- und Abführungskanäle für zweiten Re aktand

7

,

7

a Dichtung

Claims

1. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenstack, bestehend aus einer bzw. mehreren, mit Mitteln zur Medienver teilung versehenen, in einem Rahmenelement gehaltenen Membran-Elektroden-Einheit(en) mit beidseitig ange ordneten Stromableiterplatten bzw. bei einem Brenn stoffzellenstack mit zwischengeschalteten Bipolar platten, wobei durchgehende Zuführungs- und Abfüh rungskanäle jeweils für mindestens einen der beiden Reaktanden sowie Dichtungen zwischen Stromableiter platte/Bipolarplatte und Membran-Elektroden-Einheit vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Rahmenelement (2) als Dichtung (7, 7a) an beiden Sei tenflächen umlaufende, elastisch verformbare Erhöhun gen integral angeformt oder ausgeformt sind.

2. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenstack nach An spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rahmenele ment mit den angeformten oder ausgeformten Dichtungen (7, 7a) einstückig durch Spritzen, Prägen, Pressen oder ein ähnliches Formgebungsverfahren hergestellt ist.

3. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenstack nach An spruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rah menelement (2) aus zwei flächigen, durch Kleben mit einander verbundenen Einzelteilen mit an jeweils ei ner Seitenfläche angeformter oder ausgeformter Dich tung (7, 7a) besteht.

4. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenstack nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rahmenelement (2) mit integrierter Dichtung (7, 7a) aus einem elastisch verformbaren Material be steht.

5. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenstack nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (7, 7a) gegenüber dem Rahmenelement (2) aus einem anderen, in demselben Werkzeug nach dem Ziehen eines Schiebers in Einem zweiten Formgebungs schritt angespritzten höherelastischen Dichtungsmate rial besteht.

6. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenstack nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (7, 7a) eine biegeelastische Quer schnittsform aufweist.

7. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenstack nach An spruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die umlaufende Dichtung (7, 7a) mit mindestens einer elastischen Dichtungslippe ausgebildet ist.

8. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenstack nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die in das Rahmenelement (2) integrierte Dichtung (7, 7a) beidseitig um den Rand des Rahmenelements (2) und auf der einen Seite um die Öffnungen für den Zufüh rungs- und den Abführungskanal des einen Reaktanden und auf der anderen Seite um die Öffnung für den Zu führungs- und Abführungskanal für den anderen Reak tanden herum verläuft.