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Die
Erfindung betrifft eine Dichtung für eine Brennstoffzelle,
insbesondere zum Einsatz zwischen einer Bipolarplatte und einer
Membran, sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen.
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Für
die Erzeugung von elektrischer Energie aus Wasserstoff und Sauerstoff
sind beispielsweise Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen (PEMFC) bekannt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Erfindung umfasst zudem eine Brennstoffzelle gemäß Anspruch
8 und einen Brennstoffzellenstapel gemäß Anspruch
9.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen
Ansprüche.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zweckmäßigerweise
kann das Randelement chemisch inert ausgebildet sein, um eine Reaktion mit
der Außenschicht und damit eine Beschädigung der
Dichtung zu vermeiden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Darin zeigen:
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4 schematisch
eine Dichtung mit vollständig umschlossenem Kern,
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5 schematisch
eine Dichtung mit an den Dichtflächen teilweise umschlossenem
Kern, und
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6 schematisch
eine Dichtung mit an den angrenzenden Fluidräumen teilweise
umschlossenem Kern.
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Einander
entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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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.
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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.
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5 zeigt
eine weitere Ausführungsform, bei der die Membran-Elektroden-Anordnung
der Brennstoffzelle B definiert verpresst werden soll.
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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.
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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.
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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.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19713250
A1 [0003, 0005]