DE102008028117A1

DE102008028117A1 - Anordnung für eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102008028117A1
Application number: DE102008028117A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dr. Geiss; Lars Gerding; Volker Senne
Original assignee: Carl Freudenberg KG
Current assignee: Carl Freudenberg KG
Priority date: 2008-06-13
Filing date: 2008-06-13
Publication date: 2009-12-17
Also published as: WO2009149907A1; EP2286483A1

Abstract

Anordnung (1) für eine Brennstoffzelle, umfassend zumindest ein flächiges Bauteil (2) und ein Dichtelement (3), wobei das Dichtelement (3) formschlüssig an dem Bauteil (2) befestigt ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Anordnung für eine Brennstoffzelle, umfassend zumindest ein flächiges Bauteil und ein Dichtelement.
Stand der Technik
Brennstoffzellen bestehen aus einer Aneinanderreihung von einzelnen Zellen. Diese bilden einen so genannten Stack oder Zellstapel, in den häufig noch zusätzliche Komponenten zur Kühlung integriert werden. Ein Stack kann dabei aus bis zu 500 einzelnen Zellen bestehen. Eine Zelle zeichnet sich durch einen schichtweisen Aufbau aus, wobei eine Zelle aus einer Anordnung von Bipolarplatten mit Gasverteilerstruktur, zwei Gasdiffusionsschichten und einer Reaktionsschicht in Form einer katalysierten Membran besteht. Jeweils zwei Gasdiffusionsschichten umgeben dabei die Reaktionsschicht und bilden eine Membran-Elektroden-Anordnung. Zur Vermeidung von Leckagen ist die Membran-Elektroden-Anordnung oder die Bipolarplatte mit einer Dichtung ausgerüstet, wie sie beispielsweise aus der WO 2003/100894 A2 bekannt ist. Die Dichtungen können direkt mittels Spritzgießen auf der Bipolarplatte oder der Gasdiffusionsschicht befestigt werden. Dabei kann die Dichtung auch so ausgebildet sein, dass die Dichtung die Membran, die zwischen den Gasdiffusionsschichten angeordnet ist, an deren Kante dichtend umschließt. Es sind auch Dichtungen bekannt, die lose, also ohne stoffschlüssigen Verbund zwischen den Bipolarplatten angeordnet sind, beidseitig auf der Membran anliegen und diese abdichten. Bei den vorgenannten Dichtungen müssen die abzudichtenden Bauteile einer Zelle ausgerichtet werden, wobei insbesondere lose Dichtungen schwierig zu positionieren sind.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Dichtelement für eine Anordnung einer Brennstoffzelle bereit zu stellen, welche einfacher zu positionieren ist und welche einfach herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die Unteransprüche Bezug.
Zur Lösung der Aufgabe ist das Dichtelement formschlüssig an dem Bauteil befestigt. Dadurch ist es möglich, das Dichtelement vorzumontieren und gleichzeitig das Dichtelement verliersicher an dem Bauteil zu befestigen. Dabei ist es insbesondere nicht erforderlich, das Dichtelement stoffschlüssig an dem Bauteil zu befestigen. Weitere Maßnahmen zur Sicherstellung der Position des Dichtelementes während der Montage können entfallen. Das Dichtelement und das Bauteil werden unabhängig voneinander erzeugt, wodurch beispielsweise Beschädigungen des Bauteiles durch eine hohe Herstellungstemperatur des Dichtelementes ausgeschlossen sind. Vorteilhafterweise umgreift das Dichtelement die umlaufende Kante des Bauteils und erstreckt sich zumindest abschnittsweise auf die Ober- und Unterseite des Bauteiles, um dadurch einen Formschluss zu erzeugen. Diese Ausgestaltung eignet sich insbesondere dann, wenn mehrere Bauteile durch das Dichtelement gebündelt werden sollen, wobei das Dichtelement in diesem Fall die beiden äußeren Bauteile umschließt. Zur Montage wird das Dichtelement gedehnt und über die äußere Kante des Bauteiles gespannt, so dass das Dichtelement die Ober- und Unterseite sowie die umlaufende Kante des Bauteiles umschließt und dadurch an dem Bauteil formschlüssig fixiert ist. Das Dichtelement kann so ausgebildet sein, dass es die Ober- und Unterseite des Bauteiles nur abschnittsweise umschließt, wobei das Dichtelement das Bauteil vorzugsweise an dessen Ecken umschließt, da dort die größten Spannungen und Rückstellkräfte zu erwarten sind. Das Dichtelement kann aber auch so ausgebildet sein, dass es das Bauteil über den Umfang gleichermaßen umschließt.
Das Dichtelement kann im Wesentlichen U-förmig ausgebildet sein. Ein derartiges Dichtelement weist drei Schenkel auf, ein Schenkel der sich über die Kante des Bauteiles erstreckt und zwei weitere Schenkel die die Ober- und Unterseite des Bauteils teilweise überdecken. Die weiteren Schenkel liegen damit dichtend an der Ober- und Unterseite des Bauteiles an und dichten gleichzeitig das Bauteil gegenüber einem anderen Bauteil ab. So kann das Dichtelement beispielsweise eine Bipolarplatte auf dessen Ober- und Unterseite überdecken und gleichzeitig eine auf der Ober- oder Unterseite positionierte Membran und/oder Gasdiffusionsschicht an deren Kanten in Richtung der Umgebung abzudichten. Hierbei ist insbesondere vorteilhaft, dass sich der Formschluss an dem Bauteil allein schon durch die U-förmige Gestalt des Dichtelemtes ergibt. Formschlusselemente, wie Vertiefungen oder Nuten in dem Bauteil können entfallen.
Das Dichtelement kann in Querrichtung zumindest abschnittsweise geteilt sein. Dazu kann das Dichtelement etwa mittig einen Schlitz aufweisen, der sich über wenigstens eine und teilweise über die beiden benachbarten Kanten erstreckt. Dadurch kann das Dichtelement wie ein Buch aufgeklappt werden und besonders einfach auf das Bauteil montiert werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Dichtelement im Bereich der sich durch den Schlitz ergebenden Innenseiten zumindest ein Formschlusselement auf. Dieses Formschlusselement kann eine Schwalbenschwanzgeometrie oder eine anders geartete Hinterschnittgeometrie sein. Zur Montage wird das Dichtelement aufgeklappt und anschließend mittels der Formschlusselemente wieder verschlossen, so dass das Dichtelement sicher und verliersicher auf dem Bauteil fixiert ist. Bei dieser Ausführung ist das Dichtelement besonders einfach montierbar und gleichzeitig sicher an dem Bauteil fixiert.
Das Dichtelement kann auf zumindest einer Außenseite mit einer Profilierung versehen sein. Die Profilierung kann aus einer oder mehreren umlaufenden Erhebungen in verschiedensten Querschnitten bestehen. Die Profilierung verbessert durch die vergrößerte Flächenpressung die Dichtwirkung gegenüber den angrenzenden Bauteilen.
Das Bauteil kann als Bipolarplatte ausgebildet sein. Bipolarplatten bestehen aus einem festen Material, beispielsweise Metall oder Graphit und sind meist mit ein- oder beidseitig mit einer Struktur versehen, durch die das Reaktionsgas und gegebenenfalls ein Kühlmedium flächig verteilt wird. Metallische Bipolarplatten können eine glatte Oberfläche aufweisen und zur Verteilung der Medien wird ein Drahtgewebe eingesetzt, welches die Struktur auf einer metallischen Bipolarplatte bildet. Diese Strukturen müssen gegenüber der Umgebung abgedichtet werden, wobei zur Abdichtung Dichtelemente vorgesehen sind, die entweder durch Direktintegration stoffschlüssig mit der Bipolarplatte verbunden sind oder lose positioniert werden. Lose Dichtelemente werden insbesondere dann eingesetzt, wenn eine Direktintegration zu aufwendig ist, wobei lose Dichtelemente jedoch schwierig zu positionieren sind. Das erfindungsgemäße Dichtelement ist aufgrund der formschlüssigen Fixierung jedoch besonders einfach zu positionieren, so dass insbesondere auch metallische Bipolarplatten mit den darauf fixierten Dichtelementen einfach zu montieren sind.
Das Dichtelement kann mehrere Bauteile zu einem Modul fixieren. Weitere Bauteile die durch das erfindungsgemäße Dichtelement fixiert werden können sind insbesondere Gasdiffusionsschichten, Gasdiffusionselektroden, schaumförmige Gasverteiler. Ein Modul, in welchem mehrere Bauteile durch das Dichtelement fixiert sind, kann beispielsweise die folgenden Bauteile der Reihe nach enthalten: eine Gasdiffusionsschicht einer ersten Zelle, eine Bipolarplatte einer ersten Zelle, eine Kühlplatte zwischen der ersten und der zweiten Zelle, eine Bipolarplatte einer zweiten Zelle und eine Gasdiffusionsschicht einer zweiten Zelle. Das Modul umfasst demnach Bipolarplatten und Gasdiffusionslagen benachbarter Zellen. Zur Montage der Brennstoffzelle werden abfolgend jeweils ein Modul umfassend die oben genannten Bauteile und eine Membran aufeinander geschichtet und miteinander verbunden. Durch das Dichtelement werden eine Vielzahl von Bauteilen positionsgenau aneinander fixiert, so dass sich die Montage einer Brennstoffzelle vereinfacht.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Einige Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Anordnung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen, jeweils schematisch:
1 eine Anordnung mit einem U-förmigen Dichtelement;
2 eine Anordnung mit einem geteilten Dichtelement;
3 eine Anordnung mit einem Modul durch ein Dichtelement fixiert.
Ausführung der Erfindung
1 zeigt eine Anordnung 1 für eine Brennstoffzelle, bestehend aus einem flächigen Bauteil 2, welches in dieser Ausführung eine metallische Bipolarplatte ist und ein Dichtelement 3 aus elastomerem Werkstoff beispielsweise FKM, EPDM oder Silikon welches formschlüssig an dem Bauteil 2 befestigt ist. Für den Formschluss ist das Dichtelement U-förmig ausgebildet und umgreift die umlaufende Kante 4 des Bauteils 2 umgreift und erstreckt sich auf den Randbereich der Ober- und Unterseite 5, 6 des Bauteiles 2. Das Dichtelement 3 ist auf zumindest einer Außenseite 9 mit einer Profilierung 10 versehen. Zur Montage wird das Dichtelement 3 gedehnt und über die Kante 4 des Bauteiles 2 gezogen.
2 zeigt eine Anordnung gemäß 1, wobei das Dichtelement 3 in dieser Ausführung in Querrichtung etwa mittig so geteilt ist, dass eine Kante 14 des Dichtelementes vollständig geschlitzt und die zu dieser Kante 14 benachbarten Kanten 13 teilweise geschlitzt sind, so dass das Dichtelement 3 aufklappbar ist. Das Dichtelement 3 weist im Bereich der sich durch den Schlitz 7 ergebenden Innenseiten 8 ein Formschlusselement 9 auf. Das Formschlusselement besteht aus einer umlaufenden Hinterschnittgeometrie. Zur Montage wird das Dichtelement 3 aufgeklappt, das Bauteil 2 eingeschoben und anschließend wird das Dichtelement 3 mittels der Formschlusselemente 9 verschlossen. In Ausführungen ohne Formschlusselement 9 erfolgt der Verschluss durch adhäsives Verbinden der beiden einander berührenden Flächen des Dichtelementes 3. In diesem Fall eignen sich insbesondere Werkstoffe aus Polyolefin für das Dichtelement 3, da diese Werkstoffe über eine besonders gute adhäsive Eigenschaften.
3 zeigt ein Modul 11, umfassend mehrere Bauteile 2, nämlich eine Gasdiffusionsschicht 15 einer ersten Zelle 12', eine Bipolarplatte 16 einer ersten Zelle 12', eine Kühlplatte 17, eine Bipolarplatte 16 einer zweiten benachbarten Zelle 12'' und eine Gasdiffusionsschicht 15 einer zweiten Zelle 12''. Diese Bauteile 2 werden durch ein U-förmig ausgebildetes Dichtelement 3 zu einem Modul 11 fixiert. Dazu werden die äußeren Bauteile 2 des Moduls, hier die Bipolarplatten 16 und die Gasdiffusionsschichten 15 von dem Dichtelement umgriffen. Zur Montage der Brennstoffzelle werden mehrere Module 11 übereinander geschichtet, wobei zwischen jedes Modul 11 eine Membran 18 positioniert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 2003/100894 A2 [0002]

Claims

Anordnung (1) für eine Brennstoffzelle, umfassend zumindest ein flächiges Bauteil (2) und ein Dichtelement (3), dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (3) formschlüssig an dem Bauteil (2) befestigt ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (3) die umlaufende Kante (4) des Bauteils (2) umgreift und sich zumindest abschnittsweise auf die Ober- und Unterseite (5, 6) des Bauteiles (2) erstreckt.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (3) im Wesentlichen U-förmig ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (3) in Querrichtung zumindest abschnittsweise geteilt ist.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (3) im Bereich der sich durch den Schlitz (7) ergebenden Innenseiten (8) zumindest ein Formschlusselement (9) aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (3) auf zumindest einer Außenseite (9) mit einer Profilierung (10) versehen ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (2) als Bipolarplatte ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (3) mehrere Bauteile (2) zu einem Modul (11) fixiert.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul (11) zwei Bipolarplatten benachbarter Zelle (12) umfasst.
Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul (11) Bipolarplatten und Gasverteilerstrukturen umfasst.
Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul (11) ferner zwei Gasdiffusionslagen umfasst.