-
GEBIET DER ERFINDUNG
-
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und insbesondere ein Verfahren zum Erzeugen einer an Ort und Stelle ausgebildeten Dichtung zum Abdichten zwischen Platten des Brennstoffzellensystems.
-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Brennstoffzellensysteme werden zunehmend als Leistungsquelle in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet. Brennstoffzellensysteme wurden zum Beispiel zur Verwendung in Stromverbrauchern wie Fahrzeugen als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen. Ein solches System wird in dem
U.S. Pat. Nr. 7,459,227 der gleichen Anmelderin offenbart, das hierdurch durch Bezugnahme vollumfänglich hierin aufgenommen ist. Brennstoffzellen können auch als ortsfeste Stromaggregate in Gebäuden und Wohnungen sowie als tragbare Energie in Videokameras, Computern und dergleichen verwendet werden. Typischerweise erzeugen die Brennstoffzellen elektrischen Strom, der zum Laden von Batterien oder zum Liefern von Leistung zu einem Elektromotor verwendet wird.
-
Brennstoffzellen sind elektrochemische Vorrichtungen, die einen Brennstoff wie etwa Wasserstoff und ein Oxidationsmittel wie etwa Sauerstoff kombinieren, um elektrischen Strom zu erzeugen. Der Sauerstoff wird typischerweise durch einen Luftstrom zugeführt. Der Wasserstoff und der Sauerstoff führen kombiniert zur Bildung von Wasser. Es können andere Brennstoffe wie etwa zum Beispiel Erdgas, Methanol, Benzin und aus Kohle gewonnene synthetische Brennstoffe verwendet werden.
-
Der von einer Brennstoffzelle eingesetzte Grundprozess ist effizient, im Wesentlichen umweltfreundlich, leise, frei von beweglichen Teilen (mit Ausnahme eines Luftkompressors, Kühlgebläsen, Pumpen und Aktoren) und kann so ausgelegt werden, dass er nur Wärme und Wasser als Nebenprodukte hinterlässt. Der Begriff ”Brennstoffzelle” wird typischerweise verwendet, um abhängig vom Kontext, in dem er verwendet wird, entweder eine einzelne Zelle oder mehrere Zellen zu bezeichnen. Die mehreren Zellen sind typischerweise miteinander gebündelt und so angeordnet, dass sie einen Stapel bilden, wobei die mehreren Zellen gemeinsam in elektrischer Reihe angeordnet sind. Da einzelne Brennstoffzellen zu Stapeln unterschiedlicher Größen zusammengebaut werden können, können Systeme ausgelegt werden, um den erwünschten Energieleistungswert zu erzeugen, was für unterschiedliche Anwendungen Flexibilität der Auslegung. vorsieht.
-
Eine gängige Art von Brennstoffzelle ist als Protonenaustauschmembran(PEM)-Brennstoffzelle bekannt. Die PEM-Brennstoffzelle umfasst drei grundlegende Komponenten: eine Kathode, eine Anode und eine Elektrolytmembran. Die Kathode und Anode umfassen typischerweise einen fein verteilten Katalysator, wie etwa Platin, das auf Kohlenstoffpartikeln gelagert und mit einem Ionomer gemischt ist. Die Elektrolytmembran ist zwischen der Kathode und der Anode sandwichartig eingeschlossen, um eine Membranelektrodeneinheit (MEA, kurz vom engl. Membrane Electrode Assembly) zu bilden. Die MEA ist zwischen porösen Diffusionsmedien (DM) angeordnet. Die DM erleichtern eine Zufuhr von gasförmigen Recktanten, typischerweise der Wasserstoff und der Sauerstoff aus Luft, zu einem aktiven Bereich, der durch die MEA für eine elektrochemische Brennstoffzellenreaktion festgelegt ist. Nicht leitende Dichtscheiben isolieren die verschiedenen Komponenten der Brennstoffzelle elektrisch.
-
Wenn die MEA und die DM miteinander als Einheit zum Beispiel mit anderen Komponenten wie Dichtscheiben und dergleichen laminiert werden, wird die Baugruppe typischerweise als modulare Elektrodeneinheit (UEA, kurz vom engl. Unitized Electrode Assembly) bezeichnet. Die UEA ist zwischen Brennstoffzellenplatten angeordnet, die als Stromabnehmer für die Brennstoffzelle dienen. Die UEA-Komponenten, die zwischen den Brennstoffzellenplatten angeordnet sind, werden typischerweise als ”Soft Goods” (weiche Ware) bezeichnet. Die typische Brennstoffzellenplatte weist einen Einspeisebereich auf, der die gasförmigen Recktanten gleichmäßig zu und zwischen den Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels verteilt. Der Einspeisebereich kann eine breite Spanne aufweisen, die ein Verbinden der Brennstoffzellenplatten z. B. durch Schweißen und ein Verlagern von Strömen zwischen unterschiedlichen Höhen in den verbundenen Platten erleichtert. Der Einspeisebereich umfasst Zufuhröffnungen, die die gasförmigen Recktanten mittels eines in der Brennstoffzellenplatte ausgebildeten Strömungsfelds von einem Zufuhrverteiler zu dem aktiven Bereich der Brennstoffzelle verteilen. Der Einspeisebereich umfasst auch Auslassöffnungen, die die restlichen gasförmigen Reaktanten und Produkte aus dem Strömungsfeld zu einem Abgasverteiler leiten.
-
Der Stapel, der mehr als einhundert Platten enthalten kann, wird komprimiert und die Elemente werden durch Bolzen durch Ecken des Stapels zusammengehalten und an Rahmen an den Enden des Stapels verankert. Um einem unerwünschten Austreten von Fluiden zwischen den Plattenanordnungen heraus entgegenzuwirken, wird häufig eine Dichtung verwendet. Die Dichtung ist entlang einer Umfangskante der Plattenanordnungen und ausgewählten Bereichen der Strompfade, die in den Platten ausgebildet sind, angeordnet.
-
Wenn die dichtenden Oberflächen gleichmäßig flach und parallel sind, können herkömmliche Dichtungen zwischen Platten genutzt werden. Eine Lösung des Stands der Technik umfasst separate dreidimensionale applikationsspezifische Dichtungen, die eigens geformt sind, um konturierten Flächen zu entsprechen. Solche dreidimensionalen Dichtungen können ganz aus Metall, ganz aus Elastomer oder einer Kombination derselben bestehen. Diese Dichtungen des Stands der Technik können aber unerschwinglich teuer sein. Ferner sind diese Dichtungen bezüglich maßlichen und umweltbedingten Schwankungen empfindlich, was die Verwendung derselben für Serienfertigung unerwünscht macht. Applikationsspezifische Dichtungen erfordern ebenfalls eine hoch präzise Positionierung während eines Herstellungsschritts. Da solche applikationsspezifische Dichtungen nicht an einer der Platten anhaften, kann die Dichtung vor der Kompression und dem ortsfesten Verankern wandern, was das Dichtvermögen nachteilig beeinflusst. Um Wandern zu vermeiden, kann eine Metallscheibe oder -folie hinzugefügt werden, um die applikationsspezifische Dichtung sandwichartig einzuschließen und ausreichend gegen Durchbiegen zu lagern. Die Verwendung von Metallscheiben ist aber unerwünscht, da die Scheiben eine Stärke und Dicke haben müssen, die einem Durchbiegen der Dichtung unter Druck widersteht. Die Scheibe muss auch ausreichend mit der Dichtung verbunden werden, um bei wiederholtem Brennstoffzellenbetrieb ein Ablösen von dieser zu unterbinden. Somit erhöht die Nutzung von Metallscheiben in unerwünschter Weise Komplexität und Kosten der Brennstoffzelle.
-
Neuere Elastomerdichtungsmaterialien machen es möglich, ein fließfähiges Dichtungsmittel direkt auf einer der Platten aufzubringen, im Allgemeinen durch eine automatisch gesteuerte Düse. Die Geometrie der Brennstoffzellenplatten erfordert aber, dass die abgedichteten Fluide einem gewundenen Strompfad durch die Brennstoffzelle folgen. Der gewundene Strompfad umfasst typischerweise offene Flächen, die eine Geschwindigkeit des Stroms von Fluiden verringern, sowie Strompfade verringerter Fläche, die durch Oberflächenmerkmale jeder Platte erzeugt werden, wodurch abzudichtende dreidimensionale Oberflächen eingebracht werden. Solche Oberflächenmerkmale bringen auch abzudichtende Flächen mit unterschiedlichen Dicken ein, wodurch das Abgeben von nicht gleichmäßigen Dicken von Dichtungsmaterial erforderlich wird. Ferner ist die Steuerung von Abgabedüsen, die sich in drei Dimensionen bewegen, schwierig und teuer, und der Prozess des Aufbringens der Dichtung allein mittels Abgabedüsen ist zeitaufwändig und durch die Fließfähigkeit des Dichtmittelmaterials beschränkt. Bei höheren linearen Geschwindigkeiten weist das Dichtungsmittel unerwünschterweise Wellungen und Ziehen auf, was die Aufbringungsdicke verringert. Da die Abgabegeschwindigkeit beschränkt sein muss und aufgrund der komplexen dreidimensionalen Oberflächenmerkmale an dem Brennstoffzellenplattenumfang erfordert der Abgabeprozess einen unannehmbar langen Zeitraum zum Verwirklichen, während dessen das nicht gehärtete Dichtungsmittel unnötig Kontamination ausgesetzt wird. Da ferner das Dichtungsmittel in einem nicht gehärteten Zustand einen gewissen Betrag an Fließfähigkeit aufweist, kann eine längere verstrichene Zeit während des Auftragens von Dichtungsmittel dazu führen, dass sich das Dichtungsmittel vor dem Härten unerwünschterweise bewegt oder die Form ändert, was wiederum die Unversehrtheit der Dichtung nachteilig beeinflusst.
-
Da ferner die Dichtungsperlen komplexen Pfaden um die Platten entlang einer Dichtungsoberfläche folgen, ist es nicht möglich, das Dichtungsmittel als einzige, durchgehende Perle abzugeben. Stattdessen müssen mehrere, nicht durchgehende Perlen von Dichtungsmittel angeordnet werden, um die Wirkungen von Unterbrechungen, Verbindungen, Schnittstellen und/oder Überschneidungen der Perlen zu minimieren. Unterbrechungen zwischen Dichtmittelperlen verringern die Unversehrtheit der Dichtung, während Verbindungen, Schnittstellen und Überschneidungen der Perlen zu einer unnötigen Verschwendung von einem an einer vorgegebenen Stelle aufgetragenem Dichtmittel führen können, was auch entweder die Dichtung selbst oder die Leistung des Brennstoffzellenstapels oder beides nachteilig beeinflussen kann.
-
Daher ist es wünschenswert, eine an Ort und Stelle ausgebildete Dichtungsanordnung sowie ein Verfahren für dessen Auftragen zum Abdichten zwischen Platten eines Brennstoffzellensystems zu erhalten, wobei die Dichtungsanordnung und ihre Herstellung einem Austreten von Fluiden aus dem Brennstoffzellensystem entgegenwirkt, ein Beibehalten einer Sollgeschwindigkeit des Fluidstroms in dem Brennstoffzellensystem erleichtert und weiterhin jede der vorgenannten Schwierigkeiten angeht.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Erfindungsgemäß wurde überraschenderweise ein Verfahren zum Erzeugen einer Dichtungsanordnung zum Abdichten zwischen Platten eines Brennstoffzellensystems entdeckt, wobei der Dichtungsanordnungsaufbau einem Austreten von Fluiden aus dem Brennstoffzellensystem entgegenwirkt, ein Beibehalten einer Sollgeschwindigkeit des Fluidstroms in dem Brennstoffzellensystem erleichtert und mehrere Vorteile vorsieht.
-
Das Verfahren umfasst die Schritte des Abgeben eines fließfähigen Dichtungsmaterials entlang einer Umfangsdichtung einer Brennstoffzellenplatte, die das Dichtungsmaterial benötigt; des Positionierens einer vorgeformten Schablone benachbart zu mindestens einem Abschnitt der Platte, wobei die Schablone vorbestimmte Öffnungen umfasst, die einer zweiten Dichtungsfläche der Platte entsprechen, wobei sich die Öffnungen mit mindestens einem Teil des abgegebenen Dichtungsmaterial gemeinsam erstrecken; des Abgebens des fließfähigen Dichtungsmaterials in die Öffnungen; und des Härtens des fließfähigen Dichtungsmaterials zu einem nicht fließfähigen Zustand.
-
In einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt der Schritt des Abgebens im Wesentlichen linear entlang einer einzigen Achse auf im Wesentlichen flache Abschnitte der Brennstoffzellenplatte.
-
In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens umfasst die vorgeformte Schablone Öffnungen, die einer komplexen Dichtungsfläche der Platte entsprechen, die ein nicht lineares Aufbringen von Dichtungsmaterial benötigt. Bevorzugter umfassen die Öffnungen, die der komplexen Dichtungsfläche entsprechen und diese festlegen, auch eine unterschiedliche Tiefe zum Aufnehmen unterschiedlicher Dicken von Dichtungsmaterial, was eine dritte Dimension zum Steuern des Auftragens des fließfähigen Dichtungsmaterials festlegt. Der Außenumfang der Öffnungen unterschiedlicher Tiefe kann durch Oberflächenmerkmale festlegt sein und diese umfassen, die auf der Unterseite der Schablone ausgebildet sind, wobei die Schablonenoberflächenmerkmale formschlüssig mit entsprechenden Oberflächenmerkmalen auf der Brennstoffzellenplatte greifen, um die Schablone während des Auftragens von Dichtungsmaterial ordnungsgemäß zu positionieren.
-
In einer noch anderen Ausführungsform umfasst eine Platte für eine Brennstoffzelle eine Platte mit einer ersten Oberfläche, einer zweiten Oberfläche und mehreren darin ausgebildeten Sammleröffnungen; ein auf der ersten Oberfläche der Platte ausgebildetes Strömungsfeld, wobei das Strömungsfeld einen Einlassbereich und einen Auslassbereich umfasst, wobei der Einlassbereich und der Auslassbereich Einspeiseflächenkanäle aufweisen, um mit mindestens einer Sammleröffnung Fluidverbindung vorzusehen; und mindestens ein längliches, an Ort und Stelle ausgebildetes, auf der Platte gebildetes Dichtungselement, das ausgelegt ist, um mit einer benachbarten Brennstoffzellenplatte zusammenzuwirken, um dazwischen eine im Wesentlichen fluiddichte Dichtung zu bilden, wobei die aus Dichtungsmaterial gebildete Dichtung unter Verwenden einer Kombination eines linearen Abgabeprozesses und Auftragen unter Verwenden einer Schablone direkt auf der Platte aufgebracht wird.
-
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Die vorstehenden sowie andere Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen für den Fachmann ohne Weiteres aus der folgenden eingehenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform bei Betrachtung im Hinblick auf die Begleitzeichnungen hervor, wobei:
-
1 eine perspektivische Explosionsansicht eines Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellenstapels gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist;
-
2 eine perspektivische Teilansicht einer Brennstoffzellenplatte des in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapels ist;
-
3 eine perspektivische Ansicht einer Brennstoffzellenplatte und einer entsprechenden Schablone gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist;
-
4 eine schematische Ansicht eines ersten Abschnitts einer Dichtung, die unter Verwenden eines erfindungsgemäßen Verfahrens aufgetragen wurde, ist; und
-
5 eine Draufsicht auf eine Dichtung allein ist, die auf eine Brennstoffzellenplatte unter Verwenden eines erfindungsgemäßen Verfahrens aufgetragen ist.
-
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
-
Die folgende eingehende Beschreibung und beigefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und Zeichnungen dienen dazu, einem Fachmann das Herstellen und Nutzen der Erfindung zu ermöglichen, und sollen nicht den Schutzumfang der Erfindung in irgendeiner Weise beschränken. Bezüglich der offenbarten Verfahren sind die dargelegten Schritte beispielhafter Natur und somit ist die Reihenfolge der Schritte nicht erforderlich oder ausschlaggebend.
-
1 ist ein Protonenaustauschmembran(PEM)-Brennstoffzellenstapel 10 mit zwei elektrischen Strom erzeugenden Zellen 12 und 14. Auch wenn ein bipolarer PEM-Brennstoffzellenstapel gezeigt ist, versteht sich, dass andere Brennstoffzellenarten und -konfigurationen verwendet werden können, ohne vom Schutzumfang und Wesen der Erfindung abzuweichen. Es versteht sich auch, dass Brennstoffzellenstapel mit mehr Zellen und Platten verwendet werden können und typischerweise verwendet werden.
-
Der Brennstoffzellenstapel 10 umfasst eine erste modulare Elektrodeneinheit (UEA) 16 und eine zweite UEA 18. Die UEA 16, 18 umfassen eine Membranelektrodeneinheit (MEA) (nicht gezeigt), die zwischen porösen Diffusionsmedien (DM) (nicht gezeigt) angeordnet sind. Es versteht sich, dass die MEA und die DM separate Komponenten sein können, statt kombiniert zu sein, um die UEA zu bilden. Die UEA 16, 18 sind zwischen Brennstoffzellenplatten angeordnet, die als Stromabnehmer für die Brennstoffzelle dienen. Eine elektrisch leitende, flüssigkeitsgekühle Bipolarplattenanordnung 20 ist zwischen der ersten UEA 16 und der zweiten UEA 18 angeordnet. Die erste UEA 16, die zweite UEA 18 und die Bipolarplattenanordnung 20 sind zwischen monopolaren Endplattenanordnungen 22, 24 miteinander gestapelt. In der gezeigten Ausführungsform sind die monopolaren Endplattenanordnungen 22, 24 Bipolarplattenanordnungen, die ausgelegt sind, um als monopolare Endplattenanordnungen zu fungieren. Elektrisch leitende Adapterplatten 25, 25' sind vorgesehen, um mit einer Bipolarplatte zusammenzuwirken, die identisch zu der Bipolarplatte 20 ist, um jede der monopolaren Endplattenanordnungen 22, 24 zu bilden. Es versteht sich, dass auch Endplatten verwendet werden können, die eigens ausgelegt sind, um als Endplatten zu fungieren.
-
Die Bipolarplattenanordnung 20 ist aus einem Paar von Platten 26, 26' gebildet, die in 2 deutlicher gezeigt sind. Jede Platte 26, 26' weist eine erste Oberfläche 28, 28', eine zweite Oberfläche 30, 30' und eine Außenumfangskante 32, 32' auf. Die zweiten Oberflächen 30, 30' der Platten 26, 26' sind in vertikaler Ausrichtung miteinander verbunden, um dazwischen einen Kühlmittelkanäle 34 zu bilden. Die Platten 26, 26' können durch verschiedene Mittel wie etwa zum Beispiel Schweißen oder ein Auftragen eines Klebstoffs verbunden werden. Die Platten 26, 26' werden typischerweise durch einen Schritt des Stanzens aus einem ebenen Blech gebildet, wenngleich nach Bedarf andere Verfahren verwendet werden können.
-
Jede Platte 26, 26' umfasst ein Strömungsfeld 36, das jeweils an der ersten Oberfläche 28, 28' gebildet ist. 2 zeigt das in der Platte 26 ausgebildete Strömungsfeld 36. Es versteht sich, dass die Platte 26' ein Strömungsfeld an der ersten Oberfläche 28' umfasst, das die gleichen strukturellen Aspekte wie das Strömungsfeld 36 aufweist, das an der ersten Oberfläche 28 der Platte 26 ausgebildet ist. Das Strömungsfeld 36 verteilt über die jeweiligen Flächen der UEA 16, 18 einen Brennstoff und ein Oxidansgas zu den Zellen 12, 14. Die Platten 26, 26' umfassen Sammleröffnungen 40, 40', die darin ausgebildet sind, um einen Einlass für den Wasserstoff und den Sauerstoff zu den Zellen 12, 14 vorzusehen. Einspeiseflächenkanäle 50 sind in dem Einlassbereich 38 ausgebildet, um Fluidverbindung zwischen der Sammleröffnung 40 und dem Strömungsfeld 36 vorzusehen. Ferner ist in den Platten 26, 26' eine Sammleröffnung 42 ausgebildet, um einen Einlass für das Kühlmittel zu dem Kanal 34 vorzusehen. Die Platten 26, 26' umfassen Sammleröffnungen 46, 46', die darin ausgebildet sind, um einen Auslass für den Wasserstoff und den Sauerstoff von den Zellen 12, 14 vorzusehen. Einspeiseflächenkanäle 52 sind in dem Auslassbereich 44 ausgebildet, um Fluidverbindung zwischen der Sammleröffnung 46 und dem Strömungsfeld 36 vorzusehen. Ferner ist in den Platten 26, 26' eine Sammleröffnung 48 ausgebildet, um einen Auslass für das Kühlmittel aus dem Kanal 34 vorzusehen.
-
In den Platten 26, 26' können (nicht gezeigte) Strömungskanäle vorgesehen sein, um Fluidverbindung mit dem Kühlmittelkanal 34 und den jeweiligen Sammleröffnungen 42, 48 vorzusehen. In den Platten 26, 26' können alternativ (nicht gezeigte) Öffnungen benachbart zu den Sammleröffnungen 42, 48 vorgesehen sein, um Fluidverbindung mit dem Kühlmittelkanal 34 und den jeweiligen Sammleröffnungen 42, 48 vorzusehen. Es versteht sich, dass sowohl die Strömungskanäle als auch die Öffnungen in den Platten 26, 26' ausgebildet sein können, um Fluidverbindung zwischen dem Kühlmittelkanal 34 und den jeweiligen Sammleröffnungen 42, 48 vorzusehen.
-
Jede der Plattenanordnungen 20, 22, 24 umfasst mindestens eine Umfangsdichtung, die als länglicher Vorsprung an mindestens einer der Außenflächen derselben ausgebildet ist. Der Klarheit halber wird unter Bezug auf 2 nur eine Umfangsdichtung 80 beschrieben, die an einer Bipolarplattenanordnung 20 und mindestens einer der Platten 26, 26' angebracht ist, die die Bipolarplattenanordnung 20 umfassen. Es versteht sich, dass die Umfangsdichtung 80 an beliebigen oder allen Platten und Plattenanordnungen des Brennstoffzellenstapels 10 aufgetragen werden kann.
-
Die Umfangsdichtung 80 umfasst einen Außenumfangsabschnitt 82, der die Außenumfangskante 32 der Platte 26 im Wesentlichen umschreibt. Die Umfangsdichtung 80 umfasst auch Innenabschnitte 84 benachbart zu mindestens einer der Sammleröffnungen 40, 40', 42, 46, 46', 48 und diese umschreibend. In einer Ausführungsform umschreibt der Innendichtungsabschnitt 84 alle die vorstehend erwähnten Sammleröffnungen 40, 40', 42, 46, 46', 48.
-
Es versteht sich, dass die Sammleröffnungen 40, 40', 42, 46, 46' und 48 von jeder erwünschten Querschnittkonfiguration sein können, die für den effizienten Betrieb der Brennstoffzelle erforderlich ist, wenngleich die verschiedenen Sammleröffnungen 40, 40', 42, 46, 46', 48 in 2 mit im Wesentlichen ovalem Querschnitt gezeigt sind. Analog können die Außenumfangskanten 32, 32' der Platten 26, 26' von jeder erwünschten Querschnittkonfiguration sein. Dadurch hängt die Form der Umfangsdichtung 80, die den Außenumfangsabschnitt 82 und den Innenabschnitt 84 umfasst, von dem Querschnitt und der Form der gesamten Brennstoffzelle, einschließlich der der Plattenanordnung 22 und der jeweiligen Sammleröffnungen 40, 40', 42, 46, 46', 48 ab. Wenn die Umfangsform der Platten 26, 26' und der Sammleröffnungen 40, 40', 42, 46, 46', 48 komplexer werden, wird es weniger effizient, die Umfangsdichtung 80 als separat ausgebildete applikationsspezifische Dichtung zu erzeugen, und es wird schwieriger, die Umfangsdichtung 80 während des Herstellungsprozesses an den Platten 26, 26' ordnungsgemäß und präzis zu positionieren.
-
Die vorliegende Erfindung nutzt eine an Ort und Stelle ausgebildete Dichtung als Teil des Herstellungsprozesses, um das die Umfangsdichtung 80 bildende Material nach Bedarf direkt und präzis zu positionieren. Typischerweise werden solche an Ort und Stelle ausgebildete Dichtungen als viskose Flüssigkeit aufgetragen, die später einem Härtungsprozess unterzogen wird. Der Härtungsprozess kann Wärme, Anwenden von Ultraviolett-Licht oder jeder andere geeignete Härtungsprozess sein.
-
Bei normalem Auftragen wird das viskose Dichtungsmaterial mittels einer Abgabedüse oder einer anderen Auftragungsspitze aufgetragen. Wie in 2 ersichtlich erfordert ferner die Geometrie der Plattenanordnung 22, insbesondere der Einspeiseflächenkanäle 50, 52, dass die abgedichteten Fluide einem gewundenen Strompfad durch die Brennstoffzelle folgen. Der gewundene Strompfad umfasst typischerweise offene Flächen, die eine Geschwindigkeit des Stroms der Fluide verringern, sowie Strompfade verringerter Fläche, die durch Oberflächenmerkmale 122, 124 jeder Platte erzeugt werden, wodurch abzudichtende dreidimensionale Oberflächen eingebracht werden. Die Oberflächenmerkmale 122, 124 bringen auch abzudichtende Flächen mit unterschiedlichen Dicken ein, wodurch das Abgeben nicht gleichmäßiger Dicken von Dichtungsmaterial erforderlich wird, die vor allem die Verteiler 40, 46 umschreiben. Die Steuerung von Abgabedüsen, die sich entlang mehrerer Achsen bewegen, ist sowohl schwierig als auch teuer, und der Prozess des Aufbringens der Dichtung allein mittels Abgabedüsen ist zeitaufwändig und durch die Fließfähigkeit des Dichtungsmaterials beschränkt. Bei höheren linearen Geschwindigkeiten (z. B. über 20 Millimeter pro Sekunde für 0,1 bis 0,2 Millimeter breite Perlen) weist das Dichtmittel unerwünschte Wellungen und Ziehen auf, was die Aufbringungsdicke und die Dichtungsqualität verringert. Das Verlangsamen des Abgabeprozesses führt zu einem unannehmbar langen Zeitraum zum Auftragen des Dichtmittelmaterials, während dessen das ungehärtete Dichtmittel unnötig Kontamination oder vorzeitigem Trocknen oder Verformung aufgrund des Bewegens, Einsackens oder Änderns der Form des ungehärteten Dichtungsmaterials vor dem Härten ausgesetzt ist. Es wurde festgestellt, dass die zum Abgeben von Dichtungsmaterial erforderliche Mindestzeit allein unter Verwenden von Abgabedüsen bei etwa 45 Sekunden pro Platte liegt.
-
Da zudem die Umfangsdichtung 80 einem komplexen Pfad mit mehreren Achsen um die Platte 26 entlang einer Dichtungsoberfläche folgt, ist es nicht realisierbar, das Dichtmittel als einzige, durchgehende Perle abzugeben. Stattdessen müssen mehrere, nicht durchgehende Perlen von Dichtmittel so angeordnet werden, dass die Wirkungen von Dichtungsdicke, Unterbrechungen, Verbindungen, Schnittstellen und/oder Überschneidungen der Perlen, vor allem in der Nähe der Sammleröffnungen 40, 40', 42, 46, 46', 48, minimiert werden. Unterbrechungen zwischen Dichtmittelperlen verringern die Unversehrtheit der Dichtung, während Verbindungen, Schnittstellen und Überschneidungen der Perlen zu einer unnötigen Verschwendung von einem an einer vorgegebenen Stelle aufgetragenem Dichtmittel führen können, was auch entweder die Dichtung selbst oder die Leistung des Brennstoffzellenstapels oder beides nachteilig beeinflussen kann.
-
Es wurde festgestellt, dass die Umfangsdichtung 80 im Wesentlichen lineare Teilstücke 90, 92 umfasst, die mit nicht linearen Teilstücken (oder Eckstücken) 94 verschränkt sind. Ferner umfasst die Umfangsdichtung 80 komplexe Teilstücke 96, die die Sammleröffnungen 40, 40', 42, 46, 46', 48 umschreiben, die vorgegeben durch die Dichtungsgeometrie die Eckteilstücke 94 überschneiden, mit diesen verschränkt oder verbunden sein können, aber nicht sein müssen. Die komplexen Teilstücke 96 müssen auch die Einspeiseflächenkanäle 50, 52 benachbart jeweils zu den Sammleröffnungen 40, 46 abdichten. Die Einspeiseflächenkanäle 50, 52 stellen dreidimensionale Dichtungsoberflächen dar, wobei die Fläche zwischen benachbarten Oberflächenmerkmalen 122, 124 mehr Dichtmittelmaterial erfordert, um dazwischen etwaige Lücken oder Kanäle zu füllen. Somit würde ein Abgabeschritt erfordern, dass sich Abgabedüsen im Fall des Eckteilstücks 94 entlang mindestens zwei Achsen oder im Fall der komplexen Teilstücke 96 sogar entlang drei Achsen bewegen. Eine solche mehrachsige Steuerung einer Abgabedüse ist sowohl schwierig als auch teuer. Ferner würde das Verbinden des Dichtungsmaterials des Eckteilstücks 94 mit den komplexen Teilstücken 96 und ferner das Verbinden mit den linearen Teilstücken 90, 92 zu einer unannehmbar großen Anzahl von Verbindungen, Schnittstellen und Überschneidungen der Perlen führen, was sowohl Dichtungsmaterial verschwendet als auch die Unversehrtheit der Umfangsdichtung 80 möglicherweise nachteilig beeinflusst.
-
Bei der vorliegenden Erfindung werden die linearen Teilstücke 90, 92 unter Verwenden der Abgabedüsen 116, die sich im Allgemeinen entlang einer einzigen Achse bewegen, wie in 4 gezeigt ist, auf den Umfang der Platte 26 aufgetragen. Da die Dichtungsoberfläche 98 benachbart zu der Außenumfangskante 32 unter den linearen Dichtungsteilstücken 90, 92 im Wesentlichen merkmalslos ist, kann das Dichtungsmaterial bei einer im Allgemeinen konstanten Geschwindigkeit und Auftragsrate aufgetragen werden. Da ferner die geraden Teilstücke 90, 92 im Allgemeinen parallel zueinander sind, können die linearen Teilstücke 90, 92 durch parallele Abgabedüsen 116, die sich entlang einer einzigen Achse in einer einzigen Richtung bei einer im Wesentlichen konstanten Geschwindigkeit bewegen, im Wesentlichen gleichzeitig aufgetragen werden, wodurch ein präzises und schnelles Auftragen genutzt wird.
-
Die nicht linearen Teilstücke 94 und die komplexen Teilstücke 90 werden durch Positionieren einer Schablone oder Matrize 100 über den abzudichtenden Flächen und Auftragen von Dichtungsmaterial auf Öffnungen 102 in der Schablone aufgetragen, wie in 3 gezeigt ist. Die Unterseitenfläche 104 der Schablone 100 umfasst Oberflächenmerkmale 106, die ausgelegt sind, um mit an der Platte 20 ausgebildeten Oberflächenmerkmalen 122, 124 formschlüssig zu greifen. Die Oberflächenmerkmale 106 der Schablone 100 unterstützen auch das ordnungsgemäße Positionieren der Schablone 100 präzis auf der Oberfläche der Platte 26. Durch Kombinieren von einachsigen Abgabedüsen mit einer mehrachsigen Schablone kann eine wirtschaftliche, nicht verschwenderische und schnelle Umfangsdichtung 80 präzis auf der Brennstoffzellenplatte 20 aufgebracht werden.
-
Die Schablone 100 umfasst längliche Öffnungen 108 zum Aufnehmen von Dichtungsmaterial. Das Dichtungsmaterial kann in herkömmlicher Weise in die Öffnungen 102, 108 aufgetragen werden, einschließlich zum Beispiel mit einem Abstreif- oder Einspritzprozess. Die Öffnungen 108 sind an Stellen positioniert, die den nicht linearen Teilstücken 94 und den komplexen Teilstücken 96 der Umfangsdichtung 80 entsprechen, und können entweder den Außenumfangsabschnitten 82 oder den Innenumfangsabschnitten 84 oder beiden entsprechen. Wenn das Dichtungsmaterial aufgetragen wird, um die Öffnungen 102, 108 zu füllen, wird das Dichtungsmaterial auf die Oberfläche der Platte 26 aufgebracht, so dass es die Sammleröffnungen 40, 40', 42, 46, 46', 48 umschreibt und bei Bedarf auch die Dichtung um den Dichtung der Platte 26 entlang der Eckteilstücke 94 oder wo erwünscht fertigstellt. Sobald das Dichtungsmaterial aufgetragen ist, kann wie in 5 gezeigt eine überschneidende Grenzfläche 110 bei einer beschränkten Anzahl von vorbestimmten Stellen entlang der Umfangsdichtung 80 vorhanden sein, um die Dichtung des linearen Teilstücks 90 mit dem nicht linearen Teilstück 94 zu verschränken. Es sollten keine weiteren Überschneidungen notwendig sein, um eine komplette Umfangsdichtung zu verwirklichen. Das Beschränken von Überschneidungen steigert die Unversehrtheit der Umfangsdichtung 80, während ein verschwenderisches Auftragen von Dichtungsmaterial eliminiert wird. Durch Auftragen der linearen Teilstücke 90, 92 mit den Abgabedüsen 116 und dann Auftragen des Dichtmittelmaterials an Stellen, die den nicht linearen Teilstücken 94 und den komplexen Teilstücken 96 der Umfangsdichtung 80 entsprechen, werden ferner eine signifikante Anzahl an Verbindungen, Schnittstellen und Überschneidungen der Perlen vollständig vermieden, was Dichtmittelmaterial spart und die Unversehrtheit der Umfangsdichtung 80 sicherstellt.
-
Die Innenflächen 112, die die Öffnungen 102, 108 festlegen, werden so behandelt oder ausgebildet, dass ungehärtetes Dichtungsmaterial nicht an der Schablone 100 anhaftet, wodurch das Dichtungsmaterial an Ort und Stelle an der Platte 26 bleiben kann, sobald die Schablone entfernt wird. Die Innenflächen 112 in den Öffnungen 102, 108 können auch so ausgebildet werden, dass sie der aufgetragenen Dichtung nach Bedarf eine bestimmte Querschnittgeometrie oder Perlenform verleihen und als Sperre dienen, um ein axiales Strömen des Dichtungsmaterials während des Auftragens desselben zu verhindern, wodurch ein beschränktes und präzises Aufbringen des Dichtungsmaterials auf die Brennstoffzellenplatte 20 sichergestellt wird.
-
Die Oberflächenmerkmale 106 der Schablone 100 erzeugen bei formschlüssigem Eingriff mit entsprechenden Oberflächenmerkmalen 122, 124 der Platte 26 eine Öffnung variabler Tiefe, die erforderlich ist, damit mehr Dichtmittelmaterial etwaige Lücken oder Kanäle (z. B. in den Strömungsfeldern 50, 52) in der Oberfläche der Platte 26 füllen kann, um ein Austreten von Fluid daraus zu verhindern. Somit können die Oberflächenmerkmale 106 der Schablone 100 ausgelegt sein, um beliebige erforderliche dreidimensionale Aspekte der Dichtungsoberfläche aufzunehmen.
-
Weiterhin wurde festgestellt, dass eine Kombination der Abgabedüsen 116 und der Schablone 100 einem Verfahren überlegen ist, das allein auf eine große Schablone setzt, um Dichtmittelmaterial zum Bilden der Gesamtheit der Umfangsdichtung 80 aufzubringen. Zunächst würde sich eine solche große Schablone von der Größe mit der Platte 26 zumindest gemeinsam erstrecken müssen, was sie schwierig zu handhaben macht. Zum anderen würde das Dichtmittelmaterial auf eine große Fläche auf einer Außenfläche der großen Schablone aufgetragen werden müssen, um etwaige Öffnungen darin zu füllen. Das Auftragen von Dichtmittelmaterial auf die große Außenfläche einer großen Schablone ist ein verschwenderisches Auftragen von Dichtmittelmaterial. Ferner unterliegt die große Fläche von ungehärtetem Dichtmittel auf der Außenfläche der großen Schablone Kontamination und vorzeitigem Härten oder Trocknen des Materials, was zu unzureichendem Auftragen der Umfangsdichtung 80 während eines Herstellungsprozesses führen kann.
-
Bei einem bevorzugten Auftragsverfahren wird das Dichtungsmaterial zuerst durch parallele Abgabedüsen 116, die sich bei einer im Wesentlichen konstanten Geschwindigkeit und bei einer im Wesentlichen konstanten Auftragsrate bewegen, im Allgemeinen entlang einer ersten Achse abgegeben, die den linearen Teilstücken 90, 92 entspricht. Das Abgeben kann gleichzeitig an jedem der linearen Teilstücke 90, 92 erfolgen, wie in 4 gezeigt ist. Kurz danach und vor dem Härtungsprozess wird die Schablone 100 benachbart zu der Platte 26 positioniert, so dass die Oberflächenmerkmale 106 der Schablone 100 formschlüssig mit den Oberflächenmerkmalen 122, 124 der Platte 26 greifen. Ein solcher formschlüssiger Eingriff stellt eine ordnungsgemäße Positionierung der Schablone 100 sicher und stellt dadurch ein ordnungsgemäßes Auftragen der Umfangsdichtung 80 sicher. Das Dichtungsmaterial wird an den Öffnungen 102, 108 in der Schablone 100 so aufgetragen, dass es die Öffnungen 102, 108 ohne Leerstellen oder Fehlerstellen mit Dichtungsmaterial füllt. Es kann ein beliebiges Verfahren verwendet werden, um das Dichtungsmaterial an den Schablonenöffnungen aufzutragen. Es hat sich aber gezeigt, dass ein Abstreif- oder anderes Wischauftragen des Dichtungsmaterials die Fläche von ungehärtetem Dichtungsmaterial minimiert, die an der Außenfläche 114 der Schablone 100 während des Auftragsprozesses vorhanden ist. Das Minimieren der Fläche des aufgetragenen Dichtungsmaterials minimiert auch das Potential von Kontamination des Dichtungsmaterials vor dem Härten.
-
Sobald das Dichtungsmaterial ordnungsgemäß aufgetragen wurde, um die Öffnungen 102, 108 der Schablone 100 zu füllen, wird die Schablone 100 entfernt und die gesamte, an Ort und Stelle ausgebildete Dichtung durchläuft einen geeigneten Härtungsprozess. Zu beachten ist, dass der Härtungsprozess kein Entfernen der Schablone erfordern muss. Es hat sich aber gezeigt, dass die Schablone während des Härtungsprozesses nicht an Ort und Stelle bleiben muss.
-
Der vorstehenden Beschreibung kann ein Durchschnittsfachmann mühelos die wesentlichen Eigenschaften dieser Erfindung entnehmen und kann ohne Abweichen vom Wesen und Schutzumfang derselben verschiedene Änderungen und Abwandlungen an der Erfindung vornehmen, um diese an verschiedene Einsatzmöglichkeiten und Bedingungen anzupassen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
