DE102007005589A1 - Dichtung für eine Brennstoffzelle und Herstellungsverfahren dafür - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dichtung (6) für eine Brennstoffzelle (B), insbesondere zum Einsatz zwischen einer Bipolarplatte (1) und einer Membran (2), aufweisend ein Kernelement (6.1) und ein das Kernelement (6.1) zumindest teilweise umgebendes Randelement (6.2, 6.2.1 bis 6.2.4), wobei das Kernelement (6.1) härter als das Randelement (6.2, 6.2.1 bis 6.2.4) ist, sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Dichtung (6).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Dichtung für eine Brennstoffzelle, insbesondere zum Einsatz zwischen einer Bipolarplatte und einer Membran, sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen.
  • Für die Erzeugung von elektrischer Energie aus Wasserstoff und Sauerstoff sind beispielsweise Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen (PEMFC) bekannt.
  • Der Aufbau einer herkömmlichen PEMFC-Brennstoffzelle ist unter anderem in der DE 197 13 250 A1 beschrieben. Eine solche Brennstoffzelle weist eine Polymerelektrolyt-Membran (PEM), zwei angrenzende Elektrodenschichten und an die Elektrodenschichten angrenzende Trennplatten mit Fluidkanälen als Fluid-Verteilerstrukturen auf. Die Trennplatten werden auch als Stromabnehmer- oder Bipolarplatten bezeichnet.
  • Bei derartigen Brennstoffzellen hängt der Wirkungsgrad für die Umwandlung von chemischer in elektrische Energie und somit die spezifische Leistung der Brennstoffzellen unter anderem von der Ausführung der Fluid-Verteilerstrukturen der die Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) kontaktierenden Bipolarplatten und dem Zusammenspiel dieser beiden Komponenten ab. Über die Fluid-Verteilerstrukturen werden einerseits die Reaktionsedukte getrennt von beiden Seiten an die Membran herangeführt und andererseits die Reaktionsprodukte und Reaktionswärme abgeführt. Die Reaktionswärme kann insbesondere mit Hilfe von separat durchgeleiteten Kühlmitteln abgeführt werden. Für eine einwandfreie Funktion einer Brennstoffzelle ist eine wirksame Abdichtung der Fluid-Verteilerstrukturen gegeneinander und gegen die Umgebung erforderlich.
  • Brennstoffzellen werden üblicherweise mit elastischen Dichtungen versehen, die aus einem homogenen Werkstoff oder einem Werkstoffgemisch bestehen und in einem Spritzguss-, Siebdruck- oder Einlegeverfahren aufgebracht werden. In der DE 197 13 250 A1 ist zu diesem Zweck ein gas- und flüssigkeitsdichter adhäsiver Verbund der Membran-Elektroden-Anordnung mit den angrenzenden Trennplatten nach Art umlaufender Dichtungen vorgesehen. Dabei kann eine Trennplatte auf der der Membran-Elektroden-Anordnung zugewandten Seite im Bereich des adhäsiven Verbunds mit einer Stützstruktur in Form von Stützrippen versehen sein.
  • Im Stand der Technik sind außerdem Brennstoffzellen mit aus Blech geprägten und gefügten Bipolarplatten bekannt, bei denen die Stege zum Transport eines Kühlmediums als Hohlstege ausgebildet sind. 1 zeigt eine solche Brennstoffzelle im Ausschnitt. Zwischen jeweils zwei Bipolarplatten 1 ist eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA), bestehend aus einer Polymermembran 2 und zwei beidseitig flächig angeordneten Gasdiffusionselektroden 3, angeordnet. Für das Abdichten der zu erzeugenden Fluidräume der Brennstoffzelle gegeneinander und gegebenenfalls gegenüber der Umgebung werden Dichtnuten 5 für Dichtungen vorgesehen.
  • Ein Beispiel einer auf diese Weise abgedichteten Brennstoffzelle zeigt 2. Die Abdichtung ist hier durch zwei gegenüberliegende Dichtungen 6 erfolgt, die unter Verwendung von Endplatten und Zugankern mit der erforderlichen Dichtpresskraft beaufschlagt werden und den betreffenden Fluidraum 4 unter Verformung der Dichtung 6 abdichten. Die Dichtungen 6 können dabei als Einlegedichtungen, durch Aufdosieren oder auch durch ein Einspritzverfahren mit einer Vulkanisierpresse aufgebracht werden.
  • Bei dieser Abdichtung ist nachteilig, dass die Aufrechterhaltung einer konstanten Dichtkraft bei gleichzeitiger Beibehaltung des Verpressungsgrades beziehungsweise der Verpressungshöhe der Membran- Elektroden-Anordnung nicht dauerhaft möglich ist. Dies ist besonders beim Einsatz von Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzellen, beispielsweise mit Polymermembranen auf Basis von Polycaprolacton (PCI), von besonderer Bedeutung, da hier nur bei einer eng vordefinierten Verpressungshöhe optimale Leistungen erzielt werden können. Aufgrund von Ermüdungserscheinungen im Material kann es hier leicht zu einer Veränderung der Verpressungshöhe der Membran-Elektroden-Anordnung kommen. Die resultierende Undichtigkeit der Fluidräume kann zu einer Beschädigung der Membran-Elektroden-Anordnung und zu einer Leistungseinbuße bis hin zur Zerstörung führen.
  • Ein weiteres Beispiel einer gemäß dem Stand der Technik abgedichteten Brennstoffzelle zeigt 3. Hier ist die Dichtung 6 nicht in einer Dichtnut, sondern auf einem Hohlsteg 7 angeordnet. Das hat den ökonomischen Vorteil, dass weniger Dichtungsmaterial benötigt wird. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn aufgrund der Randbedingungen, beispielsweise bei einer Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzelle mit phosphorsäurehaltigen PCI-Membranen, hochwertige und kostenaufwendige Dichtungsmaterialien verwendet werden müssen.
  • Diese Form der Abdichtung hat den Nachteil, dass sich durch plastische Verformung des Hohlsteges 7, auf dem die Dichtung 6 aufgebracht wurde, beispielsweise durch Thermospannungen, äußere mechanische Oberbelastungen und dergleichen, mit der Zeit Undichtigkeiten ergeben können. Das Ziel, über die Blechdicke eine höhere mechanische Stabilität zu erreichen, ist hier gegensätzlich zu dem Ziel, möglichst leichte und materialsparende Bauteile herzustellen.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Dichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die eine dauerhaft definierte Form aufweist und kostengünstig herstellbar ist, sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch eine Dichtung, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, sowie durch ein Verfahren, welches die in Anspruch 10 angegebenen Merkmale aufweist.
  • Die Erfindung umfasst zudem eine Brennstoffzelle gemäß Anspruch 8 und einen Brennstoffzellenstapel gemäß Anspruch 9.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
  • Die Erfindung wird vorzugsweise zur Abdichtung von Fluidräumen einer Brennstoffzelle gegeneinander und gegenüber der Umgebung verwendet, insbesondere bei einer PEM-Brennstoffzelle, besonders bevorzugt bei einer Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzelle. Zweckmäßigerweise wird die Erfindung beim Aufbau von Brennstoffzellenstapeln verwendet.
  • Die erfindungsgemäße Dichtung für eine Brennstoffzelle weist ein Kernelement, das zumindest teilweise von einem Randelement umgeben ist auf, wobei das Kernelement härter als das Randelement ausgebildet ist. Die erfindungsgemäße Dichtung überwindet dabei die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Dichtungen. Durch ein gegenüber dem Randelement härteren Kernelement verformt sich unter einem erforderlichen Druck ausschließlich das Randelement. Dabei kann die Dichtung in einer definierten Form und Größe hergestellt werden. Sie behält auch während des Einsatzes eine definierte Form und Größe dauerhaft bei. Die Dichtung kann über den harten Kern hohe Anpresskräfte dauerhaft aufnehmen und übertragen. Eine Brennstoffzelle kann somit dauerhaft druckdicht abgedichtet werden. Die Dichtung wird vorzugsweise auch als Hartkerndichtung bezeichnet werden.
  • Zum Vergleich der Härten des Kernelements und des Randelements kann im Sinne der Erfindung prinzipiell jede Härteskala dienen. Besonders bevorzugt für diesen Zweck ist die Verwendung der Shore-Härteskala. Die Shore-Härte, benannt nach Albret Shore, ist ein Werkstoffkennwert für Elastomere und Kunststoffe und ist in der Norm DIN 53505 festgelegt. Vorzugsweise weist das Material des Kernelements eine höhere Shore-Härte als das Material des Randelements auf. Beispielsweise ist das Randelement aus einem elastisch verformbaren Kunststoff mit einer Shore-A-Härte gebildet. Insbesondere ist das Material des Randelements ein Elastomer, das welch, elastisch verformbar und formfest ist. Als Elastomer wird insbesondere ein Polymer-, ein Polyurethan- o. ä. Werkstoff verwendet. Als Material für das Randelement ist insbesondere FUM oder Viton vorgesehen.
  • Das härtere Kernelement ist aus einem Kunststoff mit einer höheren Shore-Härte, z. B. einem höheren Shore-A-Wert oder einer höheren Shore-B-Härte, gebildet. Als Material für das Kernelement ist insbesondere Kartonmaterial, beispielsweise wie bei einer Papierdichtung, Kork, Delrin oder Peek vorgesehen.
  • Zweckmäßigerweise kann das Randelement chemisch inert ausgebildet sein, um eine Reaktion mit der Außenschicht und damit eine Beschädigung der Dichtung zu vermeiden.
  • Vorzugsweise besteht das Randelement aus einem elastischen Material. Dies ermöglicht eine gute Abdichtungswirkung, insbesondere durch den Ausgleich von Unebenheiten. Als elastisches Material wird insbesondere ein elastisch verformbares Material, das welch und formfest ist, z. B. ein Polymer oder ein Polyurethan, verwendet.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Kernelement ein größeres Volumen als das Randelement auf. Diese Ausgestaltung ist zum einen ökonomisch vorteilhaft, da das Material für das Randelement in der Regel kostenaufwendiger ist. Zum anderen kann die Dichtung umso stärkere Anpresskräfte aufnehmen, je größer der Anteil des harten Kernelements am Volumen der Dichtung ist.
  • In einer besonderen Ausführungsform umgibt das Randelement das Kernelement vollständig. Dadurch kann ein Kontakt des Kernelements mit einem mit der Dichtung in Berührung stehendem Fluid vermieden werden. Das Kernelement bildet somit einen innen liegenden Kern. Insbesondere kann so ein kostengünstiges, möglicherweise chemisch empfindliches Material für das Kernelement verwendet werden.
  • In einer anderen Ausführungsform ist das Randelement an zumindest zwei sich gegenüberliegenden Seitenflächen des Kernelements angeordnet und umgibt dieses teilweise. Mit anderen Worten: Das Randelement ist an einer ersten Seitenfläche des Kernelements und an einer zweiten Seitenfläche des Kernelements, die der ersten Seitenfläche gegenüber liegt, angeordnet. So kann der Materialbedarf für den Randkörper oder für das Randelement reduziert werden. Vorzugsweise werden die seitlichen Randelemente an denjenigen äußeren Seitenflächen des Kernelements angeordnet, die mit Fluiden in Kontakt stehen. Hierzu sind die äußeren seitlichen Randelemente chemisch inert ausgeführt.
  • In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist das Kernelement chemisch inert ausgebildet. Dadurch können diejenigen Seitenflächen, die nicht mit den Randelementen versehen sind, mit einer Membran direkt in Kontakt stehen. Die mit den Randelementen versehenen äußeren Seitenflächen des Kernelements dichten die Fluidräume ab. Hierdurch kann eine höhere Druckdichtheit erzielt werden. Zweckmäßigerweise ist das Kernelement härter als die seitlichen äußeren Randelemente. Vorzugsweise werden die seitlichen Randelemente aus ein- und demselben Material hergestellt. Je nach Art des sich an das seitliche Randelement anschließenden Fluidraumes können die jeweiligen Randelemente auch aus verschiedenartigem Material sein.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Dichtung für eine Brennstoffzelle sieht vor, dass ein Kernelement zumindest teilweise mit einem Material für ein Randelement umgeben wird, wobei das Randelement nach Aushärten dessen Materials weniger hart ist als das Kernelement. In verschiedenen Ausgestaltungen kann das Kernelement in einem Spritzgussverfahren zumindest teilweise mit dem Material des Randelements überzogen, in einem Siebdruckverfahren zumindest teilweise mit dem Material des Randelements bedruckt, in einem Tauchverfahren zumindest teilweise in das Material des Randelements eingetaucht oder in eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle eingelegt und zumindest teilweise mit dem verflüssigten Material des Randelements benetzt werden.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
  • 4 schematisch eine Dichtung mit vollständig umschlossenem Kern,
  • 5 schematisch eine Dichtung mit an den Dichtflächen teilweise umschlossenem Kern, und
  • 6 schematisch eine Dichtung mit an den angrenzenden Fluidräumen teilweise umschlossenem Kern.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • In 4 ist ein Ausschnitt aus einer Brennstoffzelle B mit einer erfindungsgemäßen Dichtung 6 dargestellt. Der übrige Aufbau der Brennstoffzelle B entspricht mit einer Bipolarplatte 1, einer Membran 2, Elektroden 3 und Fluidräumen 4 dem Stand der Technik. Auch die Hohlstege 7 der Bipolarplatten 1 sind in bekannter Weise als Fluidkanäle verwendbar, beispielsweise zur Kühlung.
  • Erfindungsgemäß sind die Dichtungen 6 als Hartkerndichtungen ausgeführt, die im Querschnitt aus einem voluminösen, kostengünstigen, mechanisch stabilen Kernelement 6.1 als Kern und einem hochwertigen Randkörper oder Randelement 6.2 als Randbereich mit geringerem Volumen und wesentlich geringerer Härte bestehen. Um gegen hohe thermische und chemische Belastungen zu bestehen, sind die thermisch beständigen Kernelemente 6.1 im Querschnitt jeweils vollumfänglich von den Randelementen 6.2 aus hochwertigem und thermisch stabilem und chemisch inertem Material, z. B. einem Elastomer oder Viton, geringerer Shore-Härte umgeben. Das Randelement 6.2 kann plastisch oder elastisch verformbar sein. Das Kernelement 6.1 einer Dichtung 6 muss selbst nicht aus chemisch inertem Material bestehen. Das Kernelement 6.1 weist aber eine höhere Shore-Härte auf als das Randelement 6.2 und ist beispielsweise aus einem Thermoplast oder Polyethylen hergestellt.
  • 5 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der die Membran-Elektroden-Anordnung der Brennstoffzelle B definiert verpresst werden soll.
  • Die Dichtungen 6 sind in diesem Fall beispielhaft im Bereich der Fluidräume 4 weniger stark chemisch belastet. Das kostengünstige, harte Material des Kernelements 6.1 einer Dichtung 6 ist dadurch der chemischen Beanspruchung gewachsen. Aus ökonomischen Gründen kann daher, wie gezeigt, lediglich ein Teil des Kernelements 6.1 vom Randelement 6.2 umgeben sein. Bevorzugt ist das Kernelement 6.1 im Bereich einer ersten Dichtfläche F1 mit einem seitlichen Randelement 6.2.1 als flexiblem Randbereich versehen. Entsprechend ist das Kernelement 6.1 an der gegenüberliegenden zweiten Dichtfläche F2 mit einem weiteren seitlichen Randelement 6.2.2 als weiterem flexiblem und elastischem Randbereich versehen. Die beiden seitlichen Randelemente 6.2.1 und 6.2.2 bestehen aus demselben Material. Liegt eine hohe chemische Belastung des Kernelements 6.1 im Bereich der Fluidräume 4 vor, so kann dieser vorteilhafterweise aus einem chemisch inerten Material bestehen.
  • In 6 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, bei der die Membran-Elektroden-Anordnung der Brennstoffzelle B mit hoher Genauigkeit definiert verpresst werden muss. Die Dichtungen 6 müssen beispielhaft im Bereich der Dichtflächen F1, F2 lediglich einer geringen chemischen Belastung standhalten, sind aber im Bereich der Fluidräume 4 einer hohen chemischen Belastung ausgesetzt. Das Kernelement 6.1 einer Dichtung 6 kann der Belastung im Bereich der Dichtflächen F1, F2 ausgesetzt sein ohne beschädigt zu werden. Daher ist das Kernelement 6.1 vorteilhafterweise lediglich an der den Fluidräumen 4 zugewandten Seitenfläche mit entsprechend elastischen und chemisch inerten Randelementen 6.2.3 versehen. Die gegenüberliegenden Seitenflächen sind mit kostengünstigen elastischen Randelementen 6.2.4 versehen. Der aus dem Kernelement 6.1 bestehende Kernbereich ist aus einem besonders steifen Material hergestellt.
  • Diese Ausführungsform ermöglicht bei geeigneter Abstimmung der Abmessungen der Körper des Kernelements 6.1 und der zugehörigen Randelemente 6.2.1, 6.2.2 bzw. 6.2.3, 6.2.4 eine definierte Höhenverpressung der Membran-Elektroden-Anordnung mit hoher Genauigkeit bei gleichzeitig kostengünstiger und guter Abdichtungswirkung der Fluidräume 4 der Brennstoffzelle B gegeneinander und gegen die Umgebung.
  • Die Herstellung der erfindungsgemäßen Dichtung 6 ist insbesondere mittels Spritzgussverfahren bzw. Siebdruckverfahren mit dem Kern als bedruckbarem Material, mittels Tauchverfahren mit Eintauchen des Kerns oder über hybride Verfahren mit Einlegen des Kerns in die Bipolarplatte 1 und anschließender Benetzung mit einem flüssigen Material für das Randelement 6.2 bzw. 6.2.1, 6.2.2 bzw. 6.2.3, 6.2.4 und Verbauung eines Brennstoffzellenstapels im nassen Zustand möglich.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 19713250 A1 [0003, 0005]

Claims (14)

  1. Dichtung (6) für eine Brennstoffzelle (B), insbesondere zum Einsatz zwischen einer Bipolarplatte (1) und einer Membran (2), aufweisend ein Kernelement (6.1) und ein das Kernelement (6.1) zumindest teilweise umgebendes Randelement (6.2, 6.2.1 bis 6.2.4), wobei das Kernelement (6.1) härter als das Randelement (6.2, 6.2.1 bis 6.2.4) ist.
  2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Randelement (6.2, 6.2.1 bis 6.2.4) chemisch inert ausgebildet ist.
  3. Dichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Randelement (6.2, 6.2.1 bis 6.2.4) aus einem elastischen Material gebildet ist.
  4. Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernelement (6.1) ein größeres Volumen als das Randelement (6.2, 6.2.1 bis 6.2.4) aufweist.
  5. Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Randelement (6.2) das Kernelement (6.1) vollständig umgibt.
  6. Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Randelement (6.2.1, 6.2.2 bzw. 6.2.3, 6.2.4) an zumindest zwei sich gegenüberliegenden Seitenflächen des Kernelements (6.1) angeordnet ist und dieses teilweise umgibt.
  7. Dichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernelement (6.1) chemisch inert ausgebildet ist.
  8. Brennstoffzelle mit einer Membran (2), zwei beidseitig der Membran (2) angeordneten Elektroden (3), zumindest einer mit einer der Elektroden (3) kontaktierten Bipolarplatte (1) und einer zwischen der Bipolarplatte (1) und der Membran (2) angeordneten Dichtung (6), wobei die Dichtung (6) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist.
  9. Brennstoffzellenstapel mit mehreren Brennstoffzellen (B), die gemäß Anspruch 8 aufgebaut sind.
  10. Verfahren zum Herstellen einer Dichtung (6) für eine Brennstoffzelle (B), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein Kernelement (6.1) zumindest teilweise von einem Material eines Randelements (6.2, 6.2.1 bis 6.2.4) umgeben wird, wobei das Material des Randelements (6.2, 6.2.1 bis 6.2.4) nach Aushärtung weniger hart als das Material des Kernelements (6.1) ist.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernelement (6.1) in einem Spritzgussverfahren zumindest teilweise mit dem Material des Randelements (6.2, 6.2.1 bis 6.2.4) überzogen wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernelement (6.1) in einem Siebdruckverfahren zumindest teilweise mit dem Material des Randelements (6.2, 6.2.1 bis 6.2.4) bedruckt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernelement (6.1) zumindest teilweise in das Material des Randelements (6.2, 6.2.1 bis 6.2.4) eingetaucht wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernelement (6.1) in eine Bipolarplatte (1) für eine Brennstoffzelle (B) eingelegt und zumindest teilweise mit dem in flüssiger Form vorliegenden Material des Randelements (6.2, 6.2.1 bis 6.2.4) benetzt wird.
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