DE102010024316A1 - Seal for a bipolar plate of a fuel cell - Google Patents

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Abstract

Eine Dichtung für wenigstens eine Bipolarplatte (20) einer Brennstoffzelle (10) besteht wenigstens teilweise aus einem Dichtungsmaterial, das zur Abdichtung von Mediumflüssen in der Brennstoffzelle (10) geeignet ist. In die Dichtung (28) ist wenigstens eine reaktionsmediumsleitende Struktur (30) integriert, über die Reaktionsmedien zur Bipolarplatte (20) und/oder von dieser weg geleitet werden können. Eine Baugruppe mit einer Bipolarplatte (20) und einer Dichtung (28) lässt sich herstellen, indem die Dichtung (28) vorübergehend gedehnt und die Bipolarplatte (20) währenddessen in die Dichtung (28) eingeschoben wird. Alternativ kann die Dichtung (28) an die Bipolarplatte (20) angespritzt werden.A seal for at least one bipolar plate (20) of a fuel cell (10) consists at least partially of a sealing material which is suitable for sealing medium flows in the fuel cell (10). At least one structure (30) which conducts the reaction medium is integrated into the seal (28), via which the reaction medium can be directed to and / or away from the bipolar plate (20). An assembly with a bipolar plate (20) and a seal (28) can be produced by temporarily stretching the seal (28) while the bipolar plate (20) is pushed into the seal (28). Alternatively, the seal (28) can be molded onto the bipolar plate (20).

Description

Die Erfindung betrifft eine Dichtung für wenigstens eine Bipolarplatte einer Brennstoffzelle, wobei die Dichtung wenigstens teilweise aus einem Dichtungsmaterial besteht, das zur Abdichtung von Mediumsflüssen (Gas- und/oder Flüssigkeitssrömen) in der Brennstoffzelle geeignet ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Baugruppe für eine Brennstoffzelle mit wenigstens einer Bipolarplatte und einer Dichtung sowie eine Brennstoffzelle mit wenigstens zwei solchen Baugruppen. Die Erfindung betrifft schließlich auch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Baugruppe.The invention relates to a seal for at least one bipolar plate of a fuel cell, wherein the seal at least partially consists of a sealing material which is suitable for sealing medium flows (gas and / or liquid streams) in the fuel cell. The invention further relates to an assembly for a fuel cell having at least one bipolar plate and a gasket and a fuel cell having at least two such assemblies. Finally, the invention also relates to a method for producing such an assembly.

Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler, in denen durch chemische Reaktion zweier Reaktionsmedien, die gasförmig oder flüssig sein können, Strom gewonnen wird. Hierzu wird beispielsweise aus Wasserstoff oder Methanol unter Zugabe von Sauerstoff Strom erzeugt, wobei als Nebenprodukte Wasser, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid entstehen können. Bei der Umwandlung chemischer in elektrische Energie wird jeweils einer der Recktanten reduziert, während der zweite Reaktant oxidiert wird. Im Fall einer Wasserstoffbrennstoffzelle wird an der Anode der Wasserstoff zu H+-Ionen oxidiert. Die Elektronen werden über einen externen Stromkreis an die Kathode geleitet, wobei Arbeit verrichtet werden kann. An der Kathode wird der zweite Reaktant, in diesem Fall Sauerstoff, reduziert. Die H+-Ionen können an Stoffe wie beispielsweise Phosphor- oder Sulfonsäure gebunden werden und so durch eine selektiv ionendurchlässige Membran zur Kathode gelangen. An der Kathode reagieren dann die beiden Reaktionsmedien zu Wasser.Fuel cells are electrochemical energy converters in which electricity is generated by the chemical reaction of two reaction media, which may be gaseous or liquid. For this purpose, for example, electricity is generated from hydrogen or methanol with the addition of oxygen, as by-products water, carbon monoxide and carbon dioxide can arise. In the conversion of chemical into electrical energy, one of the reactants is reduced in each case while the second reactant is oxidized. In the case of a hydrogen fuel cell, the hydrogen is oxidized to H + ions at the anode. The electrons are conducted to the cathode via an external circuit, whereby work can be done. At the cathode, the second reactant, in this case oxygen, is reduced. The H + ions can be bound to substances such as phosphoric or sulfonic acid and thus pass through a selectively ion-permeable membrane to the cathode. At the cathode then react the two reaction media to water.

Im einfachsten Fall besteht eine Brennstoffzelle aus zwei Elektroden und einer Protonenaustauscher-Membran (PEM), welche zwischen den beiden Elektroden angeordnet ist. Eine derartige Einheit wird auch Membran-Elektroden-Einheit (MEA) genannt. Die Elektroden sind meist als Gasdiffusionselektrodent (GDE) ausgebildet, welche aus einer Gasdiffusionsschicht (GDL) und einem katalytischen Material bestehen, in welchem die Oxidation bzw. Reduktion der Recktanten stattfindet.In the simplest case, a fuel cell consists of two electrodes and a proton exchange membrane (PEM), which is arranged between the two electrodes. Such a unit is also called membrane electrode assembly (MEA). The electrodes are usually formed as Gasdiffusionselektrodent (GDE), which consist of a gas diffusion layer (GDL) and a catalytic material in which takes place the oxidation or reduction of the reactants.

Um die Reaktionsmedien auf den flächigen Elektroden möglichst gleichmäßig zu verteilen, ist eine Verteilerstruktur vorgesehen, welche vor der Gasdiffusionsschicht angebracht ist und die auf den so genannten Bipolarplatten aufgebracht und ausgebildet ist.In order to distribute the reaction media as evenly as possible on the planar electrodes, a distributor structure is provided, which is mounted in front of the gas diffusion layer and which is applied and formed on the so-called bipolar plates.

In einem Brennstoffzellensystem werden meist viele dieser Zellmodule hintereinander geschaltet, wobei man von einem Stapel oder Stack spricht. Dabei sind die Elektroden in Serie verschaltet.In a fuel cell system, many of these cell modules are usually connected in series, one speaks of a stack or stack. The electrodes are connected in series.

Die einzelnen Zellmodule, insbesondere die einzelnen Bipolarplatten, müssen gegeneinander abgedichtet werden, und zwar so, dass es nicht zu einer Vermischung der Reaktionsgase untereinander bzw. mit Reaktionsflüssigkeit kommen kann. Dies wird üblicherweise durch Dichtungen erreicht, die die Bipolarplatten umfangsmäßig umgeben. Das Dichtungsmaterial besteht aus einem Material, welches hinsichtlich der verwendeten Recktanten chemisch beständig ist und den in der Brennstoffzelle herrschenden Temperaturen standhält, welche je nach Ausführungsform etwa zwischen 20° und 200° Celsius liegen, sowie eventuellen mechanischen Belastungen, denen die Brennstoffzelle ausgesetzt ist, gewachsen ist. Es ist bekannt, hierzu als Dichtungsmaterial Elastomere, beispielsweise Fluorkautschuk, einzusetzen.The individual cell modules, in particular the individual bipolar plates, must be sealed against each other, in such a way that it can not come to a mixing of the reaction gases with each other or with reaction liquid. This is usually accomplished by seals surrounding the bipolar plates circumferentially. The sealing material consists of a material which is chemically resistant to the reactants used and withstands the temperatures prevailing in the fuel cell, which, depending on the embodiment, are approximately between 20 ° and 200 ° Celsius, as well as any mechanical stresses to which the fuel cell is exposed is. It is known to use elastomers, for example fluororubber, as sealing material for this purpose.

Die Dichtung kann, wie beispielsweise in der DE 101 60 905 A1 beschrieben, in einem Arbeitsschritt an eine Brennstoffzelle bzw. einen ganzen Stack angespritzt werden.The seal can, as in the DE 101 60 905 A1 be sprayed in one step to a fuel cell or a whole stack.

Um die gasförmigen und/oder flüssigen Recktanten zu den einzelnen Brennstoffzellen zu leiten, sind meist Strukturen für die Medienzufuhr sowie für die Medienableitung direkt in die Bipolarplatten integriert, in der Regel in Form von die Bipolarplatten durchbrechenden Bohrungen. Dies erfordert jedoch ein sehr aufwändiges und damit kostenintensives Herstellungsverfahren.In order to direct the gaseous and / or liquid reactants to the individual fuel cells, structures for the media supply and for the removal of media are usually integrated directly into the bipolar plates, usually in the form of bores breaking through the bipolar plates. However, this requires a very complex and therefore expensive production process.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Aufbau und die Fertigung einer Brennstoffzelle einfacher und kostengünstiger zu gestalten.The object of the invention is to make the construction and production of a fuel cell easier and cheaper.

Dies wird erfindungsgemäß durch eine eingangs genannte Dichtung für eine Bipolarplatte einer Brennstoffzelle erreicht, wobei in der Dichtung wenigstens eine reaktionsmediumsleitende (gas- bzw. flüssigkeitsleitende) Struktur integriert ist, über die Reaktionsmedien (Reaktionsgas bzw. -flüssigkeit) zur Bipolarplatte und/oder von dieser weg geleitet werden können. Durch diese Gestaltung ist es möglich, die Bipolarplatte selbst einfacher auszubilden, insbesondere ohne durchgehende Bohrungen, da derartige reaktionsmediumsleitende Strukturen in die Dichtung übertragen werden können. Im Wesentlichen können alle reaktionsmediumsleitenden Strukturen abgesehen von der Verteilerstruktur auf der Fläche der Bipolarplatte, die für eine flächige gleichmäßige Verteilung der Recktanten an den Elektroden vorgesehen ist, in die Dichtungen verlagert werden. Insbesondere fallen darunter Zu- und Ableitungen der Reaktionsmedien durch den gesamten Stack des Brennstoffzellensystems sowie Anschlüsse (Ports) an die Verteilerstruktur der Bipolarplatten.This is inventively achieved by an initially mentioned seal for a bipolar plate of a fuel cell, wherein in the seal at least one reaction medium conducting (gas or liquid-conducting) structure is integrated, via the reaction media (reaction gas or liquid) to the bipolar plate and / or from this can be routed away. With this configuration, it is possible to make the bipolar plate itself easier, in particular without through holes, since such reaction medium-conducting structures can be transferred into the seal. In essence, all reaction medium-conducting structures, except for the manifold structure, may be displaced into the seals on the surface of the bipolar plate, which is intended for a uniform, even distribution of the reactants on the electrodes. In particular, these include feeds and discharges of the reaction media through the entire stack of the fuel cell system as well as connections (ports) to the distribution structure of the bipolar plates.

Nach einer möglichen Ausführungsform ist die Dichtung wenigstens teilweise elastisch verformbar. Auf diese Weise kann die Dichtung als separates Bauteil vorgefertigt werden und durch vorübergehendes Dehnen der Dichtung die Bipolarplatte in die Dichtung eingeschoben werden.According to a possible embodiment, the seal is at least partially elastically deformable. In this way, the seal as Prefabricated separate component and are inserted by temporarily stretching the seal, the bipolar plate in the seal.

Die Dichtung ist dabei vorzugsweise stets so gestaltet, dass sie wenigstens eine Bipolarplatte umfangsmäßig vollständig umgibt.The seal is preferably always designed so that it surrounds circumferentially completely at least one bipolar plate.

Es ist möglich, die Dichtung so auszubilden, dass sie mehrere, insbesondere zwei, übereinander gestapelte Bipolarplatten oder auch den gesamten Stack der Brennstoffzelle aufnimmt. Vorzugsweise ist jedoch eine Dichtung pro Bipolarplatte vorgesehen, wobei vorteilhaft die Dichtung jeweils um ein solches Maß höher ausgebildet ist als die Bipolarplatte selbst, dass zwischen zwei Dichtungen ein dicht umschlossener Hohlraum ausgebildet ist, in dem eine Membran-Elektroden-Einheit aufgenommen werden kann.It is possible to design the seal in such a way that it accommodates a plurality of, in particular two, bipolar plates stacked on top of one another or else the entire stack of the fuel cell. Preferably, however, a seal per bipolar plate is provided, wherein advantageously the seal is designed in each case to such a degree higher than the bipolar plate itself, that between two seals a tightly enclosed cavity is formed, in which a membrane-electrode unit can be accommodated.

Als Dichtungsmaterial, das den genannten Anforderungen genügt, eignet sich beispielsweise ein Fluorkautschuk (FKM), wie er etwa unter dem Handelsnamen Viton® erhältlich ist.As a sealing material that meets the requirements mentioned, for example, a fluororubber (FKM), as it is available for example under the trade name Viton ® .

Es ist möglich, die reaktionsmediumsleitende Struktur durch wenigstens teilweise durch Aussparungen im Dichtungsmaterial selbst auszubilden. In diesem Fall besteht die Dichtung im Wesentlichen aus Dichtungsmaterial, und die reaktionsmediumsleitende Struktur bildet einen oder mehrere Hohlräume im Dichtungsmaterial, wobei die Aussparungen sowohl als durchgehende Öffnungen senkrecht zur von der Dichtung umschlossenen Fläche als auch als Kanäle im Dichtungsmaterial parallel zur Fläche ausgebildet sein können. Dies bietet den Vorteil, dass die Dichtung einstückig, zum Beispiel als Spritzgussteil, hergestellt werden kann.It is possible to form the reaction medium-conducting structure at least partially by recesses in the sealing material itself. In this case, the seal consists essentially of sealing material, and the reaction medium conducting structure forms one or more voids in the sealing material, which recesses may be formed both as through openings perpendicular to the area enclosed by the seal and as channels in the sealing material parallel to the area. This offers the advantage that the seal can be made in one piece, for example as an injection molded part.

Es ist aber auch möglich, die reaktionsmediumsleitende Struktur wenigstens teilweise durch eine starre Stützstruktur zu bilden, die in das Dichtungsmaterial eingebettet ist, wobei die Stützstruktur vorzugsweise vollständig in das Dichtungsmaterial – eingebettet ist. Auf diese Weise lassen sich komplexere reaktionsmediumsleitende Strukturen verwirklichen, und die Stabilität der reaktionsmediumsleitenden Strukturen erhöht sich. Auch eine derartige Dichtung kann als separates Spritzgussteil gefertigt werden. Dabei wird die vorgefertigte Stützstruktur in das Spritzgusswerkzeug eingelegt und dann mit dem Dichtungsmaterial umspritzt.But it is also possible to form the reaction medium-conducting structure at least partially by a rigid support structure which is embedded in the sealing material, wherein the support structure is preferably completely embedded in the sealing material -. In this way, more complex reaction medium-conducting structures can be realized, and the stability of the reaction medium-conducting structures increases. Also, such a seal can be manufactured as a separate injection molded part. In this case, the prefabricated support structure is inserted into the injection mold and then encapsulated with the sealing material.

Die reaktionsmediumsleitende Struktur kann mehrere strömungsmäßig voneinander getrennte Kanäle aufweisen. Diese Kanäle können zur Zu- und Ableitung der Reaktionsmedien verwendet werden. In diesem Fall ist vorzugsweise wenigstens ein Kanal pro Stirnseite der Dichtung, besser zwei Kanäle pro Seite, vorgesehen, sodass jeweils ein separater Kanal für die Zu- und Ableitung jedes der Reaktionsmedien zur Verfügung steht. Durch die strikte und vollständige Trennung der Kanäle ist sichergestellt, dass es nicht zu einer Vermischung der Reaktionsmedien kommt.The reaction medium-conducting structure may have a plurality of fluidly separated channels. These channels can be used to supply and discharge the reaction media. In this case, preferably at least one channel per end face of the seal, better two channels per side, provided, so that in each case a separate channel for the supply and discharge of each of the reaction media is available. The strict and complete separation of the channels ensures that mixing of the reaction media does not occur.

Die reaktionsmediumsleitende Struktur kann selbstverständlich auch auf geeignete andere Art und Weise realisiert sein.The reaction medium-conducting structure can of course also be realized in a suitable other way.

Die Erfindung schafft auch eine Baugruppe für eine Brennstoffzelle, mit wenigstens einer Bipolarplatte und einer Dichtung, wie sie gerade beschrieben wurde.The invention also provides an assembly for a fuel cell having at least one bipolar plate and a gasket as just described.

Vorzugsweise ist die Bipolarplatte durch die Dichtung im Randbereich umfangsmäßig vollständig umschlossen. Dabei weist die Bipolarplatte wenigstens auf einer Seite vorteilhaft einen Zugangsbereich einer Reaktionsmediumsverteilerstruktur (Gas- bzw. Flüssigkeitsverteilerstruktur) auf, der durch die Dichtung abgedichtet ist.Preferably, the bipolar plate is circumferentially completely surrounded by the seal in the edge region. In this case, the bipolar plate advantageously has at least on one side an access region of a reaction medium distributor structure (gas or liquid distributor structure), which is sealed by the seal.

Diese Gestaltungen haben den Vorteil, dass die Bipolarplatte bohrungsfrei ausgebildet sein kann und somit insbesondere keine senkrecht und parallel zur Fläche der Bipolarplatte ausgerichteten Durchgangsbohrungen zur Versorgung der Brennstoffzellen mit Reaktionsmedien aufweisen muss.These designs have the advantage that the bipolar plate can be formed bore-free and thus in particular must have no perpendicular and parallel to the surface of the bipolar plate aligned through holes for supplying the fuel cells with reaction media.

Zur Herstellung der Baugruppe ist es gemäß einem ersten Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, die Bipolarplatte in die (separat vorgefertigte) Dichtung einzupassen, indem die Dichtung vorübergehend gedehnt und die Bipolarplatte währenddessen in die Dichtung eingeschoben wird.To produce the assembly, it is provided according to a first aspect of the method according to the invention to fit the bipolar plate in the (separately prefabricated) seal by the seal is temporarily stretched and the bipolar plate is thereby inserted into the seal.

Gemäß einem zweiten Aspekt ist die Herstellung der Baugruppe dadurch möglich, dass die Dichtung an die Bipolarplatte angespritzt wird, wobei die reaktionsmediumsleitende Struktur beim Spritzen in der Dichtung erzeugt wird.According to a second aspect, the manufacture of the assembly is possible by injecting the seal against the bipolar plate, wherein the reaction medium-conducting structure is produced during injection in the seal.

Wenn eine starre Stützstruktur vorgesehen ist, die wenigstens einen Teil der reaktionsmediumsleitenden Struktur bildet, wird vorzugsweise diese Stützstruktur beim Anspritzen der Dichtung in das Dichtungsmaterial eingebettet, sodass auch in diesem Fall das Herstellen der Dichtung in einem einzigen Arbeitsgang erfolgen kann.If a rigid support structure is provided, which forms at least part of the reaction medium-conducting structure, this support structure is preferably embedded in the sealing material during injection of the seal, so that in this case too, the production of the seal can take place in a single operation.

Wenigstens zwei der oben beschriebenen Baugruppen lassen sich zu einer Brennstoffzelle kombinieren, wobei die Baugruppen erfindungsgemäß so übereinander angeordnet sind, dass die reaktionsmediumsleitenden Strukturen der einzelnen Dichtungen gemeinsame durchgehende reaktionsmediumsleitende Strukturen bilden. Auf diese Weise entsteht für den gesamten Stack ein durchgehendes Leitsystem für die Reaktionsmedien, sowohl zur Zuleitung als auch zur Ableitung, zu jeder einzelnen Bipolarplatte und somit zu jeder einzelnen Brennstoffzelle.At least two of the assemblies described above can be combined to form a fuel cell, wherein the assemblies are arranged according to the invention one above the other so that the reaction medium-conducting structures of the individual seals form common continuous reaction medium-conducting structures. In this way, for the entire stack, a continuous control system for the reaction media, both to the supply and to the discharge, to each one Bipolar plate and thus to every single fuel cell.

Die Dichtungen sind dabei vorteilhaft so angeordnet, dass das Dichtungsmaterial der einzelnen Dichtungen entlang des gesamten Umfangs der Bipolarplatte mit dieser in Kontakt ist. Auf diese Weise werden keine weiteren Dichtungen in der Brennstoffzelle bzw. dem Brennstoffzellensystem mit mehreren Bipolarplatten benötigt.The seals are advantageously arranged so that the sealing material of the individual seals along the entire circumference of the bipolar plate is in contact with this. In this way, no further seals in the fuel cell or the fuel cell system with multiple bipolar plates are needed.

Es ist auch denkbar, Dichtungen an die Brennstoffzelle anzuspritzen, die sich in axialer Richtung über mehrere Bipolarplatten oder sogar über den gesamten Stack erstrecken.It is also conceivable to inject gaskets on the fuel cell, which extend in the axial direction over a plurality of bipolar plates or even over the entire stack.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigen:Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description of several embodiments with reference to the accompanying drawings. In these show:

1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle in einer Explosionsdarstellung; 1 a schematic view of a fuel cell according to the invention in an exploded view;

2 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Baugruppe aus einer Bipolarplatte und einer Dichtung; 2 a schematic view of an assembly according to the invention of a bipolar plate and a seal;

3 eine schematische Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Baugruppe in einem Bereich ohne reaktionsmediumsleitende Strukturen; 3 a schematic sectional view through an assembly according to the invention in an area without reaction medium-conducting structures;

4 eine schematische Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Baugruppe in einem Bereich einer reaktionsmediumsleitenden Struktur; 4 a schematic sectional view through an assembly according to the invention in a region of a reaction medium-conducting structure;

5 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Baugruppe gemäß einer weiteren Ausführungsform, mit einer Stützstruktur, in einem Bereich ohne reaktionsmediumsleitende Strukturen; 5 a schematic sectional view of an assembly according to the invention according to another embodiment, with a support structure, in a region without reaction medium-conducting structures;

6 eine schematische Schnittansicht der Baugruppe in 5 in einem Bereich mit einer reaktionsmediumsleitenden Struktur; 6 a schematic sectional view of the assembly in 5 in an area with a reaction medium conducting structure;

7 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle mit zwei erfindungsgemäßen Baugruppen; 7 a schematic sectional view of a fuel cell according to the invention with two assemblies according to the invention;

8 eine schematische perspektivische Ansicht eines Abschnitts einer Bipolarplatte einer erfindungsgemäßen Baugruppe; und 8th a schematic perspective view of a portion of a bipolar plate of an assembly according to the invention; and

9 eine schematische perspektivische Ansicht einer Stützstruktur zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Dichtung und einer erfindungsgemäßen Baugruppe. 9 a schematic perspective view of a support structure for use in a seal according to the invention and an assembly according to the invention.

1 zeigt eine Brennstoffzelle 10, die mit gasförmigen oder flüssigen Recktanten, hier Wasserstoff und Sauerstoff, betrieben wird. 1 shows a fuel cell 10 which is operated with gaseous or liquid reactants, here hydrogen and oxygen.

Die Brennstoffzelle 10 hat eine ionenselektive Protonenaustauscher-Membran 12, die zwischen zwei als Gasdiffusionselektroden (GDE) ausgebildeten Elektroden 14 angeordnet ist. Diese bestehen jeweils aus einer Gasdiffusionsschicht (GDL) 15 und einem katalytischen Material 16. Im katalytischen Material 16 werden die jeweiligen Reaktionsmedien reduziert bzw. oxidiert. Die gerade beschriebenen Bauteile bilden eine, Membran-Elektroden-Einheit (MEA) 18, die wiederum zwischen zwei Bipolarplatten 20 angeordnet ist. Jede der Bipolarplatten 20 weist Reaktionsmediumsverteilerstrukturen (Gas- bzw. Flüssigkeitsverteilerstrukturen) 22 auf, wobei jeweils eine Reaktionsmediumsverteilerstruktur 22 auf der Oberseite und auf der Unterseite jeder Bipolarplatte 20 vorgesehen ist, die strömungsmäßig nicht miteinander in Kontakt stehen.The fuel cell 10 has an ion selective proton exchange membrane 12 between two electrodes designed as gas diffusion electrodes (GDE) 14 is arranged. These each consist of a gas diffusion layer (GDL) 15 and a catalytic material 16 , In the catalytic material 16 the respective reaction media are reduced or oxidized. The components just described form a membrane-electrode unit (MEA) 18 , in turn, between two bipolar plates 20 is arranged. Each of the bipolar plates 20 has reaction medium distribution structures (gas or liquid distribution structures) 22 on, wherein in each case a reaction medium distribution structure 22 on the top and bottom of each bipolar plate 20 is provided, which are not fluidly in contact with each other.

Die Elektroden 14 sind bevorzugt so ausgebildet, dass sie sich nur über die Reaktionsmediumsverteilerstruktur 22 erstrecken und damit eine etwas kleinere Fläche als die Bipolarplatten 20 aufweisen.The electrodes 14 are preferably designed so that they only through the reaction medium distribution structure 22 extend and thus a slightly smaller area than the bipolar plates 20 exhibit.

Die Reaktionsmediumsverteilerstruktur 22 auf der Oberseite der in 1 unteren Bipolarplatte 20 leitet dabei den einen Recktanten (hier beispielsweise Wasserstoff) zu der als Anode fungierenden Elektrode 14 der Brennstoffzelle 10, während die Reaktionsmediumsverteilerstruktur 22 auf der Unterseite der in 1 oberen Bipolarplatte 20 den zweiten Recktanten (Sauerstoff) zu der als Kathode fungierenden Elektrode 14 der Brennstoffzelle 10 leitet.The reaction medium distribution structure 22 on the top of the in 1 lower bipolar plate 20 leads the one reactant (here, for example, hydrogen) to the anode acting as an electrode 14 the fuel cell 10 while the reaction medium distribution structure 22 on the bottom of the in 1 upper bipolar plate 20 the second reactant (oxygen) to the electrode functioning as a cathode 14 the fuel cell 10 passes.

Die Reaktionsmediumsverteilerstruktur 22 der Bipolarplatte 20 ist in 8 näher dargestellt. Sie besteht aus vielen nebeneinander verlaufenden, in der Fläche der Bipolarplatte 20 ausgebildeten Gräben, die das Reaktionsmedium auf der Fläche der Bipolarplatte 20 verteilen und so flächig und gleichmäßig zur Elektrode 14 leiten. Die einzelnen Gräben der Reaktionsmediumsverteilerstruktur 22 laufen an entgegengesetzten Stirnseiten 24 der Bipolarplatte 20 zu Zugangsbereichen 26 zusammen, sodass eine durchgehende Strömungsverbindung von einem Zugangsbereich 26 auf der einen Stirnseite 24 zum gegenüberliegenden Zugangsbereich 26 an der gegenüberliegenden Stirnseite 24 gebildet ist.The reaction medium distribution structure 22 the bipolar plate 20 is in 8th shown in more detail. It consists of many juxtaposed, in the surface of the bipolar plate 20 formed trenches that contain the reaction medium on the surface of the bipolar plate 20 distribute and so evenly and evenly to the electrode 14 conduct. The individual trenches of the reaction medium distribution structure 22 run on opposite ends 24 the bipolar plate 20 to access areas 26 together, so that a continuous flow connection from an access area 26 on the one end 24 to the opposite access area 26 on the opposite front side 24 is formed.

Im gezeigten Beispiel sind an der gleichen Stirnseite 24 der Bipolarplatte 20 ein Zugangsbereich 26 für die Reaktionsmediumsverteilerstruktur 22 auf der Oberseite und ein Zugangsbereich 26 für die Reaktionsmediumsverteilerstruktur 22 auf der Unterseite der Bipolarplatte 20 vorgesehen, wobei die beiden Zugangsbereiche 26 mit Abstand zueinander nebeneinander an der Stirnseite 24 angeordnet sind. Dies ist beispielhaft in 1 schematisch angedeutet. Die Pfeile entlang der Reaktionsmediumsverteilerstruktur 22 verdeutlichen dabei die Flussrichtung des jeweiligen Reaktionsmediums.In the example shown are on the same front page 24 the bipolar plate 20 an access area 26 for the reaction medium distribution structure 22 on the top and an access area 26 for the reaction medium distribution structure 22 on the bottom of the bipolar plate 20 provided, the two access areas 26 at a distance from each other next to each other at the front 24 are arranged. This is exemplary in 1 indicated schematically. The arrows along the reaction medium distribution structure 22 illustrate the flow direction of the respective reaction medium.

Jede der Bipolarplatten 20 ist von einer elastischen, ringförmigen Dichtung 28 umfangsmäßig vollständig umgeben. Die Dichtung 28 enthält ein elastisches, dehnbares Dichtungsmaterial, beispielsweise einen Fluorkautschuk, das den Reaktionsmedien gegenüber inert ist und den Temperaturbedingungen einer Brennstoffzelle sowie den mechanischen Anforderungen in der Umgebung der Brennstoffzelle 10 Wiederstehen kann.Each of the bipolar plates 20 is of an elastic, annular seal 28 completely surrounded circumferentially. The seal 28 contains an elastic, stretchable sealing material, for example a fluororubber, which is inert to the reaction media and the temperature conditions of a fuel cell and the mechanical requirements in the vicinity of the fuel cell 10 Can stand.

In der Dichtung 28 sind mehrere, voneinander getrennte reaktionsmediumsleitende Strukturen 30 ausgebildet, durch die die einzelnen Reaktionsmedien zu den Reaktionsmediumsverteilerstrukturen 22 der Bipolarplatten 20 geführt und von diesen wieder abgeleitet werden. Bei dem in 1 gezeigten Beispiel weisen die reaktionsmediumsleitenden Strukturen 30 insgesamt vier separate Kanäle 31 auf, wobei jeweils zwei der Kanäle 31 nebeneinander an jeder Stirnseite 24 der Bipolarplatte 20 vorgesehen sind. Jeder der Kanäle 31 weist im Bereich des Zugangsbereichs 26 eine Zuleitung 32 auf (siehe 2), die in direkter Strömungsverbindung mit dem Zugangsbereich 26 und damit mit der Reaktionsmediumsverteilerstruktur 22 auf der Bipolarplatte 20 steht.In the seal 28 are multiple, separate reaction medium-conducting structures 30 formed, through which the individual reaction media to the reaction medium distribution structures 22 the bipolar plates 20 be guided and derived from these again. At the in 1 Example shown, the reaction medium-conducting structures 30 a total of four separate channels 31 on, in each case two of the channels 31 next to each other at each end 24 the bipolar plate 20 are provided. Each of the channels 31 points in the area of the access area 26 a supply line 32 on (see 2 ), which are in direct flow communication with the access area 26 and thus with the reaction medium distribution structure 22 on the bipolar plate 20 stands.

In den 3 bis 6 sind in zwei verschiedenen Ausführungsformen unterschiedliche Möglichkeiten zur Ausbildung der reaktionsmediumsleitenden Strukturen 30 und der Dichtungen 28 dargestellt.In the 3 to 6 are in two different embodiments different ways to form the reaction medium-conducting structures 30 and the seals 28 shown.

Jeweils eine Bipolarplatte 20 und eine diese umgebende Dichtung 28 bilden eine Baugruppe 100 (vgl. 2).One bipolar plate each 20 and a surrounding gasket 28 form an assembly 100 (see. 2 ).

In der Ausführungsform nach den 3 und 4 besteht die Dichtung 28 im Wesentlichen aus dem elastischen Dichtungsmaterial, wobei die reaktionsmediumsleitenden Strukturen 30 inklusive der Kanäle 31 und der Zuleitungen 32 durch Aussparungen im Dichtungsmaterial selbst realisiert sind.In the embodiment of the 3 and 4 is the seal 28 essentially of the elastic sealing material, wherein the reaction medium-conducting structures 30 including the channels 31 and the supply lines 32 are realized by recesses in the sealing material itself.

Im Ausführungsbeispiel der 5 und 6 sind die reaktionsmediumsleitenden Strukturen 30 im Wesentlichen in einer Stützstruktur 34 aus einem starren Material realisiert und sind in das weichere, elastische Dichtungsmaterial der Dichtung 28 in diesem Fall vollständig eingebettet. In diesem Beispiel besteht die Stützstruktur 34 aus einem vorgefertigten Kunststoffspritzgussteil mit zwei großen Durchgangsöffnungen, die zwei sich senkrecht zur Fläche der Bipolarplatte 20 erstreckende Kanäle 31 bilden, so wie einer Reihe von nebeneinander angeordneten Röhren, die die Zuleitung 32 bilden (siehe 9) und die auf die Gräben der Reaktionsmediumsverteilerstruktur 22 in der Bipolarplatte 20 im Bereich des Zugangsbereichs 26 abgestimmt sind.In the embodiment of 5 and 6 are the reaction medium-conducting structures 30 essentially in a support structure 34 made of a rigid material and are in the softer, elastic sealing material of the seal 28 completely embedded in this case. In this example, the support structure exists 34 from a prefabricated plastic injection molded part with two large through holes, the two perpendicular to the surface of the bipolar plate 20 extending channels 31 form, as a series of juxtaposed tubes, the supply line 32 form (see 9 ) and those on the trenches of the reaction medium distribution structure 22 in the bipolar plate 20 in the area of the access area 26 are coordinated.

Jeweils eine Stützstruktur 34 dieser Art ist auf jeder der Stirnseiten 24 der Bipolarplatte 20 vorgesehen. Im hier gezeigten Beispiel sind die Stützstrukturen 34 jeweils vollständig vom Dichtungsmaterial umschlossen, wie in den 5 und 6 dargestellt ist. Es wäre aber auch möglich, eine oder beide Stützstrukturen 34 abschnittsweise aus dem Dichtungsmaterial herausragen zu lassen.Each a support structure 34 this type is on each of the front ends 24 the bipolar plate 20 intended. In the example shown here are the support structures 34 each completely enclosed by the sealing material, as in the 5 and 6 is shown. But it would also be possible to have one or both support structures 34 partially protrude from the sealing material.

Die Dichtung 28 kann ein separates, vorgefertigtes Bauteil sein, in das die Bipolarplatte 20 eingesetzt wird. Zu diesem Zweck wird die Dichtung 28 temporär so weit gedehnt, dass die Bipolarplatte 20 in den von der Dichtung 28 gebildeten Ring eingeschoben werden kann.The seal 28 may be a separate, prefabricated component into which the bipolar plate 20 is used. For this purpose, the seal 28 temporarily stretched so far that the bipolar plate 20 in the of the seal 28 formed ring can be inserted.

In diesem Fall kann die Dichtung 28 als Spritzgussteil vorgefertigt werden. Dies gilt sowohl für den Fall, dass die reaktionsmediumsleitenden Strukturen 30 direkt im Dichtungsmaterial ausgebildet sind als auch für den Fall, dass die reaktionsmediumsleitenden Strukturen 30 durch eine Stützstruktur 34 gebildet sind.In this case, the seal 28 be prefabricated as an injection molded part. This applies both in the case that the reaction medium-conducting structures 30 are formed directly in the sealing material as well as in the event that the reaction medium-conducting structures 30 through a support structure 34 are formed.

Die Dichtung 28 kann jedoch alternativ auch an die Bipolarplatte 20 angespritzt werden. Zu diesem Zweck wird die Bipolarplatte 20 in ein Spritzwerkzeug gelegt, und die Dichtung 28 wird um den Rand der Bipolarplatte 20 angespritzt.The seal 28 Alternatively, however, it can also be applied to the bipolar plate 20 be sprayed. For this purpose, the bipolar plate 20 placed in an injection mold, and the seal 28 is around the edge of the bipolar plate 20 molded.

Für den Fall, dass eine oder mehrere Stützstrukturen 34 vorgesehen sein sollen, werden diese zusammen mit der Bipolarplatte 20 in das Spritzgusswerkzeug eingelegt, sodass sich die Stützstrukturen 34 an den gewünschten Stellen befinden, in diesem Beispiel so, dass die die Zuleitung 32 bildenden Röhren in den Zugangsbereich 26 der Bipolarplatte 20 eingepasst sind. Anschließend werden die Bipolarplatte 20 und die Stützstrukturen 34 gleichzeitig mit dem Dichtungsmaterial umspritzt, um die Dichtung 28 herzustellen. Die Baugruppe 100 aus Bipolarplatte 20 und Dichtung 28 wird dann gemeinsam aus dem Spritzgusswerkzeug entnommen (nicht dargestellt).In the event that one or more support structures 34 should be provided, these together with the bipolar plate 20 inserted into the injection mold, so that the support structures 34 located in the desired places, in this example so that the the supply line 32 forming tubes in the access area 26 the bipolar plate 20 are fitted. Subsequently, the bipolar plate 20 and the support structures 34 encapsulated simultaneously with the sealing material around the seal 28 manufacture. The assembly 100 from bipolar plate 20 and seal 28 is then removed together from the injection molding tool (not shown).

Natürlich ist es möglich, verschiedene Ausführungsformen zu kombinieren und etwa einen Teil der reaktionsmediumsleitenden Struktur 30 direkt im Dichtungsmaterial auszubilden, während andere Teile der reaktionsmediumsleitenden Struktur 30 durch Stützstrukturen 34 gebildet sind.Of course, it is possible to combine various embodiments and about a part of the reaction medium-conducting structure 30 form directly in the sealing material, while other parts of the reaction medium-conducting structure 30 through support structures 34 are formed.

Um einen Stack von Brennstoffzellen 10 zu erhalten, werden mehrere Baugruppen 100 aufeinandergestapelt, wobei zwischen zwei Bipolarplatten 20 jeweils eine Membran-Elektroden-Einheit 18 gelegt wird. Diese Anordnung ist in 7 dargestellt. Die reaktionsmediumsleitenden Strukturen 30 bilden dabei durchgehende Kanäle 31, die die einzelnen Reaktionsmediumsverteilerstruktur 22 der jeweiligen Bipolarplatte 20 mit dem jeweiligen Reaktionsmedium versorgen. Da die Dichtungen 28 die jeweilige Bipolarplatte 20 vollständig umschließen und so ausgebildet sind, dass sie höher sind als die Bipolarplatte und somit einen Zwischenraum zwischen den Bipolarplatten 20 umschließen, in dem die Membran-Elektroden-Einheit 18 vollständig aufgenommen ist, werden keine weiteren Dichtungen zur Abdichtung der Brennstoffzelle benötigt. Selbstverständlich ist diese Anordnung auch mit Baugruppen aus den 5 und 6 mit Stützstrukturen 34 möglich.To get a stack of fuel cells 10 to get, are several assemblies 100 stacked on each other, being between two bipolar plates 20 one membrane electrode unit each 18 is placed. This arrangement is in 7 shown. The reaction medium-conducting structures 30 form while continuous channels 31 containing the individual reaction medium distribution structure 22 the respective bipolar plate 20 provide with the respective reaction medium. Because the seals 28 the respective bipolar plate 20 completely enclose and are formed so that they are higher than the bipolar plate and thus a gap between the bipolar plates 20 enclose, in which the membrane-electrode unit 18 is completely absorbed, no further seals are required to seal the fuel cell. Of course, this arrangement is also with modules from the 5 and 6 with support structures 34 possible.

Es ist auch möglich, die Dichtung so auszubilden, dass sie mehrere Bipolarplatten aufnehmen kann (nicht dargestellt), bis hin zum gesamten Stack der Brennstoffzelle. Diese Ausbildung ist auch denkbar, wenn die Dichtung an die Bipolarplatten angespritzt wird.It is also possible to form the seal so that it can accommodate a plurality of bipolar plates (not shown), up to the entire stack of the fuel cell. This training is also conceivable when the seal is molded onto the bipolar plates.

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Claims (15)

Dichtung für wenigstens eine Bipolarplatte (20) einer Brennstoffzelle (10), wobei die Dichtung (28) wenigstens teilweise aus einem Dichtungsmaterial besteht, das zur Abdichtung von Mediumsflüssen in der Brennstoffzelle (10) geeignet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in die Dichtung (28) wenigstens eine reaktionsmediumsleitende Struktur (30) integriert ist, über die Reaktionsmedien zur Bipolarplatte (20) und/oder von dieser weg geleitet werden können.Seal for at least one bipolar plate ( 20 ) a fuel cell ( 10 ), the seal ( 28 ) at least partially consists of a sealing material which is used to seal medium flows in the fuel cell ( 10 ), characterized in that in the seal ( 28 ) at least one reaction medium-conducting structure ( 30 ) is integrated, via the reaction media to the bipolar plate ( 20 ) and / or can be routed away from it. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (28) wenigstens teilweise elastisch verformbar ist.Seal according to claim 1, characterized in that the seal ( 28 ) is at least partially elastically deformable. Dichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungsmaterial ein Elastomer ist.Seal according to claim 1 or 2, characterized in that the sealing material is an elastomer. Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die reaktionsmediumsleitende Struktur (30) wenigstens teilweise durch Aussparungen im Dichtungsmaterial selbst gebildet ist.Seal according to one of the preceding claims, characterized in that the reaction medium-conducting structure ( 30 ) is at least partially formed by recesses in the sealing material itself. Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die reaktionsmediumsleitende Struktur (30) wenigstens teilweise in einer starren Stützstruktur (34) gebildet ist, die, vorzugsweise vollständig, in das Dichtungsmaterial eingebettet ist.Seal according to one of the preceding claims, characterized in that the reaction medium-conducting structure ( 30 ) at least partially in a rigid support structure ( 34 ), which, preferably completely, is embedded in the sealing material. Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die reaktionsmediumsleitende Struktur (30) mehrere strömungstechnisch voneinander getrennte Kanäle (31) aufweist.Seal according to one of the preceding claims, characterized in that the reaction medium-conducting structure ( 30 ) several fluidically separated channels ( 31 ) having. Baugruppe für eine Brennstoffzelle, mit wenigstens einer Bipolarplatte (20) und einer Dichtung (28) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Assembly for a fuel cell, with at least one bipolar plate ( 20 ) and a seal ( 28 ) according to any one of the preceding claims. Baugruppe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (20) wenigstens auf einer Seite einen Zugangsbereich (26) einer Reaktionsmediumsverteilerstruktur (22) aufweist, der durch die Dichtung (28) abgedichtet ist, wobei die Dichtung (28) die Bipolarplatte (20) im Randbereich vorzugsweise vollständig umschließt.An assembly according to claim 7, characterized in that the bipolar plate ( 20 ) at least on one side an access area ( 26 ) a reaction medium distribution structure ( 22 ), which passes through the seal ( 28 ) is sealed, the seal ( 28 ) the bipolar plate ( 20 ) preferably completely encloses in the edge region. Baugruppe nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (20) bohrungsfrei ist.An assembly according to claim 7 or 8, characterized in that the bipolar plate ( 20 ) is borehole-free. Baugruppe nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (28) ein separates, vorgefertigtes Bauteil ist.Assembly according to one of claims 7 to 9, characterized in that the seal ( 28 ) is a separate, prefabricated component. Baugruppe nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (28) ein an die Bipolarplatte (20) angespritztes und auf diese Weise mit der Bipolarplatte (20) verbundenes Bauteil ist.Assembly according to one of claims 7 to 10, characterized in that the seal ( 28 ) to the bipolar plate ( 20 ) and in this way with the bipolar plate ( 20 ) is connected component. Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (20) in die Dichtung (28) eingepasst wird, indem die Dichtung (28) vorübergehend gedehnt und die Bipolarplatte (20) währenddessen in die Dichtung (28) eingeschoben wird.Method for producing an assembly according to claim 10, characterized in that the bipolar plate ( 20 ) in the seal ( 28 ) is fitted by the seal ( 28 ) and the bipolar plate ( 20 ) while in the seal ( 28 ) is inserted. Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (28) an die Bipolarplatte (20) angespritzt wird, wobei die reaktionsmediumsleitende Struktur (30) beim Spritzen in der Dichtung (28) erzeugt wird.Method for producing an assembly according to claim 11, characterized in that the seal ( 28 ) to the bipolar plate ( 20 ), wherein the reaction medium-conducting structure ( 30 ) when spraying in the seal ( 28 ) is produced. Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (28) an die Bipolarplatte (20) angespritzt wird, wobei eine starre Stützstruktur (34), die zumindest den wesentlichen Teil der reaktionsmediumsleitenden Struktur (30) bildet, beim Anspritzen der Dichtung (28) in das Dichtungsmaterial eingebettet wird.Method for producing an assembly according to claim 11, characterized in that the seal ( 28 ) to the bipolar plate ( 20 ), wherein a rigid support structure ( 34 ) which comprise at least the essential part of the reaction medium-conducting structure ( 30 ), when the gasket ( 28 ) is embedded in the sealing material. Brennstoffzelle mit wenigstens zwei Baugruppen nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Baugruppen übereinander angeordnet sind und die reaktionsmediumsleitenden Strukturen (30) der einzelnen Dichtungen (28) gemeinsame durchgehende reaktionsmediumsleitende Strukturen bilden.Fuel cell with at least two assemblies according to one of claims 7 to 11, characterized in that the assemblies are arranged one above the other and the reaction medium-conducting structures ( 30 ) of the individual seals ( 28 ) form common continuous reaction medium-conducting structures.
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