DE102013021537A1

DE102013021537A1 - Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle und Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102013021537A1
Application number: DE102013021537.4A
Authority: DE
Inventors: Christian Martin Erdmann; Jonas Stoll; Stephen Wade
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2013-12-18
Filing date: 2013-12-18
Publication date: 2015-06-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (1) für eine Brennstoffzelle, umfassend eine Anodenplatte (1.1), eine Kathodenplatte (1.2) und zumindest ein Dichtelement (2). Erfindungsgemäß weisen die Kathodenplatte (1.2) und die Anodenplatte (1.1) miteinander korrespondierende und versatzlos übereinander liegende Materialaussparungen (A) auf und das Dichtelement (2) ist als ein einstückiges homogenes Formteil in einem Spritzgussverfahren hergestellt. Das Dichtelement (2) umfasst einen auf einer der Anodenplatte (1.1) abgewandten Seite der Kathodenplatte (1.2) angeordneten Kathodendichtabschnitt (2.2) und einen auf einer der Kathodenplatte (1.2) abgewandten Seite der Anodenplatte (1.1) angeordneten Anodendichtabschnitt (2.1), wobei der Kathodendichtabschnitt (2.2) und der Anodendichtabschnitt (2.1) jeweils durch die Materialaussparungen (A) hindurchgeführt und einstückig miteinander verbunden sind. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzelle, umfassend zumindest eine solche Bipolarplatte (1) und ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (1) für eine Brennstoffzelle.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, umfassend eine Anodenplatte, eine Kathodenplatte und zumindest ein Dichtelement.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzelle, umfassend zumindest eine solche Bipolarplatte.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, wobei die Bipolarplatte zumindest aus einer Anodenplatte, einer Kathodenplatte und zumindest einem Dichtelement gebildet wird.
Aus der US 2013/0075011 A1 ist ein Dichtelement für eine Brennstoffzelle beschrieben, welches als Verbunddichtung mit einer mehrschichtigen Elastomerkonstruktion ausgebildet ist. Die Verbunddichtung umfasst eine, aus einem einen niedrigen Härtegrad aufweisenden Elastomer gebildete Schicht, welche mit einer dünnen Schutzschicht mit einem abweichenden Härtegrad zum Abdichten einer Bipolarplatte und einer Membran-Elektroden-Anordnung einer Brennstoffzelle beschichtet oder eingekapselt ist. Das Elastomer ist aus Silikon gebildet. Die Schutzschicht ist aus einem Fluorelastomer oder einem Fluorpolymerbestandteil gebildet, welches für eine Verklebung mit dem Elastomer geeignet ist. Zur Erzeugung des Dichtelements werden die Schicht und die Schutzschicht unmittelbar auf der Bipolarplatte oder der Membran-Elektroden-Anordnung entlang eines vorbestimmten Umfangs aufgebracht.
Weiterhin ist aus der US 2006/0142039 A1 eine Teilbaugruppe für eine Brennstoffzelle bekannt, welche eine erste Strömungsfeldplatte mit einer Vielzahl von Befestigungsöffnungen an einer Mehrzahl von Befestigungspositionen umfasst. Weiterhin ist eine zweite Strömungsfeldplatte mit einer Vielzahl von Befestigungsöffnungen an einer Mehrzahl von Befestigungspositionen vorgesehen. Zwischen den beiden Strömungsfeldplatten ist eine Membran-Elektroden-Anordnung mit einer Vielzahl von Befestigungsöffnungen an einer Mehrzahl von Befestigungspositionen angeordnet, wobei die Befestigungsöffnungen der Membran-Elektroden-Anordnung und die Befestigungsöffnungen der ersten Strömungsfeldplatte und zweiten Strömungsfeldplatte Befestigungslöcher bilden. In den Befestigungslöchern werden direkt an der Teilbaugruppe in einem so genannten ”Formed-in-place-Verfahren” aus einem elastomeren Material gebildete In-situ-Befestigungselemente gebildet, wobei das elastomere Material eine volumetrische Verdrängung der In-situ-Befestigungselemente bei einer Kompression der Teilbaugruppe erleichtert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle mit zumindest einem Dichtelement, eine verbesserte Brennstoffzelle und ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte mit zumindest einem Dichtelement anzugeben.
Hinsichtlich der Bipolarplatte wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale, hinsichtlich der Brennstoffzelle durch die im Anspruch 8 angegebenen Merkmale und hinsichtlich des Verfahrens durch die im Anspruch 9 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle umfasst eine Anodenplatte, eine Kathodenplatte und zumindest ein Dichtelement. Erfindungsgemäß weisen die Kathodenplatte und die Anodenplatte miteinander korrespondierende und versatzlos übereinander liegende Materialaussparungen auf und das Dichtelement ist als ein einstückiges homogenes Formteil in einem Spritzgussverfahren hergestellt. Dabei umfasst das Dichtelement einen auf einer der Anodenplatte abgewandten Seite der Kathodenplatte angeordneten Kathodendichtabschnitt und einen auf einer der Kathodenplatte abgewandten Seite der Anodenplatte angeordneten Anodendichtabschnitt. Der Kathodendichtabschnitt und der Anodendichtabschnitt sind jeweils durch die Materialaussparungen hindurchgeführt und einstückig miteinander verbunden.
Die derart ausgebildete Bipolarplatte zeichnet sich in besonders vorteilhafter Weise dadurch aus, dass diese mit einer dauerhaften und zuverlässigen Dichtfunktion innerhalb eines Brennstoffzellenstapels einer Brennstoffzelle anordbar ist. Dabei ist die Abdichtung besonders einfach und kostengünstig erzeugbar und zeichnet sich durch eine besonders hohe Lebensdauer aus. Auch kann aufgrund der Durchführung des Dichtelements durch die Materialaussparungen eine sichere und dauerhafte Positionierung des Dichtelements realisiert werden. Da eine Leistungsfähigkeit einer Brennstoffzelle auch maßgeblich von der Funktion des Dichtelements abhängt und mittels diesem Undichtigkeiten, beispielsweise so genannte Silikon-Lecks und/oder Leckpfade im Dichtelement, vermieden werden, wird eine aus Undichtigkeiten resultierende Leistungsreduzierung der Brennstoffzelle wirkungsvoll vermieden. Dadurch sind besonders leistungsfähige Brennstoffzellen herstellbar.
In einer möglichen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Bipolarplatte ist der Anodendichtabschnitt auf der der Kathodenplatte abgewandten Seite der Anodenplatte als Flachdichtung ausgebildet und somit zu einer optimalen Abdichtung gegenüber einer Anodenseite einer Membran-Elektroden-Anordnung geeignet.
In einer möglichen weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Bipolarplatte weist die Kathodenplatte zumindest eine Auswölbung auf, welche derart ausgebildet ist, dass zwischen der Kathodenplatte im Bereich der Auswölbung und der Anodenplatte ein Hohlraum entsteht, wobei der Kathodendichtabschnitt auf der der Anodenplatte abgewandten Seite der Kathodenplatte im Bereich der Auswölbung angeordnet ist. Eine sich dadurch bildende brückenförmige Erhebung ermöglicht es, dass das Dichtungsmaterial gleichmäßig auf einer Ebene nahezu ohne Dickenunterschiede aufgetragen werden kann. Aufgrund einer daraus resultierenden zumindest nahezu gleichbleibenden Rheologie über den gesamten Dichtbereich wird die Lebensdauer des Dichtelements signifikant erhöht.
Die Auswölbung ist dabei beispielsweise in einem Randbereich der Bipolarplatte außerhalb von so genannten Via-Bereichen, d. h. Ein- und Auslässen zur Medienein- und -ausleitung, ausgebildet, um eine sichere Abdichtung der Bipolarplatte innerhalb der Brennstoffzelle sicherzustellen.
Um eine weitere Erhöhung der Sicherheit und Dauerhaftigkeit der Positionierung des Dichtelements zu realisieren, ist die Auswölbung in einer möglichen Ausgestaltung zumindest in einem Schulterbereich wellenförmig ausgebildet.
Gemäß einer Weiterbildung weist die Auswölbung in einem zwischen zwei Schulterbereichen ausgebildeten Zwischenbereich einen linearen Querschnitt auf.
Dadurch ist das Spritzgussverfahren einfacher durchführbar und es ist am Zwischenbereich eine Flachdichtung erzeugbar, welche auf einer flachen Ebene gleichmäßig aufgetragen werden kann.
Zur Erhöhung einer mechanischen Stabilität der Bipolarplatte weist die Anodenplatte zumindest an einer der Kathodenplatte zugewandten Seite, insbesondere im Bereich der Auswölbung der Kathodenplatte, einen wellenförmigen Querschnitt auf.
Dabei verlaufenen die Wellen insbesondere quer zu einer Längsausdehnung des zwischen der Auswölbung der Kathodenplatte und der Anodenplatte erzeugten Hohlraums.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle umfasst zumindest eine erfindungsgemäße Bipolarplatte oder eine Ausgestaltung derselben und zeichnet sich somit aufgrund der besonders guten Dichtheit eine hohe Leistungsfähigkeit aus.
In einem Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle wird die Bipolarplatte zumindest aus einer Anodenplatte, einer Kathodenplatte und zumindest einem Dichtelement gebildet. Erfindungsgemäß werden in die Kathodenplatte und die Anodenplatte miteinander korrespondierende und versatzlos übereinander liegende Materialaussparungen eingebracht und das Dichtelement wird als ein einstückiges homogenes Formteil in einem Spritzgussverfahren hergestellt. Dabei wird das Dichtelement mit einem auf einer der Anodenplatte abgewandten Seite der Kathodenplatte angeordneten Kathodendichtabschnitt und einem auf einer der Kathodenplatte abgewandten Seite der Anodenplatte angeordneten Anodendichtabschnitt gebildet, wobei der Kathodendichtabschnitt und der Anodendichtabschnitt jeweils durch die Materialaussparungen hindurchgeführt und einstückig miteinander verbunden werden.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es in besonders einfacher Weise und mit besonders geringen Kosten möglich, die Bipolarplatte mit einem dauerhaften und zuverlässigen Dichtelement herzustellen, wobei sich das Dichtelement aufgrund der Durchführung durch die Materialaussparungen durch eine sichere und dauerhafte Positionierung des Dichtelements auszeichnet.
Gemäß einer möglichen Weiterbildung des Verfahrens wird das Dichtelement in dem Spritzgussverfahren unmittelbar an der Bipolarplatte, d. h. in einem In-situ-Spritzgussverfahren, erzeugt. Dadurch kann das Dichtelement direkt an der jeweiligen Bipolarplatte erzeugt werden, wodurch auch bei toleranzbedingten Unterschieden in der Ausführung bei verschiedenen Bipolarplatten stets die gleiche hohe Dichteigenschaft erzeugt werden kann.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Bipolarplatte mit einem Dichtelement,
2 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts der Bipolarplatte gemäß 1,
3 schematisch einen Querschnitt des eines Ausschnitts der Bipolarplatte gemäß 2, und
4 schematisch einen Längsschnitts eines Ausschnitts einer Anodenplatte der Bipolarplatte gemäß 1.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In den 1 bis 4 sind ein mögliches Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte 1 für eine Brennstoffzelle und Ausschnitte der Bipolarplatte in unterschiedlichen Darstellungen gezeigt. Die Bipolarplatte 1 umfasst mehrere Dichtelemente 2, eine Anodenplatte 1.1 und eine Kathodenplatte 1.2.
Innerhalb der nicht gezeigten Brennstoffzelle ist jeweils eine Bipolarplatte 1 zwischen zwei nicht gezeigten Membran-Elektroden-Anordnungen angeordnet, wobei die Dichtelemente 2 zu einer fluiddichten Abdichtung der Bipolarplatte 1 zu den Membran-Elektroden-Anordnungen vorgesehen ist.
Die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle hängt maßgeblich auch von der Funktion der Dichtelemente 2 ab. Treten Undichtigkeiten, beispielsweise so genannte Silikon-Lecks und/oder Leckpfade in den Dichtelementen 2, auf, können diese zu einer reduzierten Leistung der Brennstoffzelle führen.
Zur Realisierung einer zuverlässigen und einfach herstellbaren Dichtfunktion wird das Dichtelement 2 als ein einstückiges homogenes Formteil in einem In-situ-Spritzgussverfahren unmittelbar an der Bipolarplatte 1 erzeugt.
Vor dem Aufbringen des Dichtelements 2 werden in die Kathodenplatte 1.2 und die Anodenplatte 1.1 miteinander korrespondierende und versatzlos übereinander liegende Materialaussparungen A eingebracht, wobei die Materialaussparungen A zur Fixierung, Befestigung und Durchführung des Dichtelements 2 vorgesehen sind. Die Materialaussparungen A, welche so genannte Ankerlöcher für das Dichtelement 2 bilden und zu dessen Befestigung dienen, sind insbesondere in regelmäßigen Abständen außerhalb von Ein- und Auslässen 3 bis 8 zur Medienein- und -ausleitung, d. h. so genannten Via- oder Portbereichen, angeordnet.
Das Dichtelement 2 wird mit einem auf einer der Anodenplatte 1.1 abgewandten Seite der Kathodenplatte 1.2 angeordneten Kathodendichtabschnitt 2.2 und einem auf einer der Kathodenplatte 1.2 abgewandten Seite der Anodenplatte 1.1 angeordneten Anodendichtabschnitt 2.1 gebildet, wobei der Kathodendichtabschnitt 2.2 und der Anodendichtabschnitt 2.1 jeweils durch die Materialaussparungen A hindurchgeführt und einstückig miteinander verbunden werden.
Während des Aufbringens des Dichtelements 2 werden die Anodenplatte 1.1 und die Kathodenplatte 1.2 in Bereichen B1, B2 komprimiert, d. h. vorgespannt.
Um eine optimale Abdichtung zu erzielen und einen Höhenunterschied zu den Ein- und Auslässen 3 bis 8 zu realisieren, weist die Kathodenplatte 1.2 eine dreidimensional geformte Oberfläche auf. Hierbei weist die Kathodenplatte 1.2 im Bereich der Dichtelemente 2 jeweils Auswölbungen AW auf, welche so genannte Dichtungsbrücken bilden, wobei zwischen der Kathodenplatte 1.2 im Bereich der Auswölbungen AW und der Anodenplatte 1.1 Hohlräume H entstehen. Dabei ist der Kathodendichtabschnitt 2.2 auf der der Anodenplatte 1.1 abgewandten Seite der Kathodenplatte 1.2 im Bereich der Auswölbung AW angeordnet.
In einem Bereich neben den Hohlräumen H sind die Anodenplatte 1.1 und Kathodenplatte 1.2 insbesondere stoffschlüssig, im dargestellten Ausführungsbeispiel mittels Schweißnähten S1, S2, miteinander verbunden. In den Bereichen der Ein- und Auslässen 3 bis 8 weist die Kathodenplatte 1.2 insbesondere keine Auswölbung AW auf, um eine Medienein- und -ausleitung zu ermöglichen.
Für eine formschlüssige Anordnung des Dichtelements an der Kathodenplatte 1.2 sind Schulterbereiche der Auswölbung AW wellenförmig ausgebildet. In einem zwischen den Schulterbereichen ausgebildeten Zwischenbereich weist die Auswölbung AW einen linearen Querschnitt auf, so dass sich eine flache Oberfläche bildet.
Der Kathodendichtabschnitt 2.2 weist in diesem Zwischenbereich eine Auswölbung auf, welche sich im dargestellten Ausführungsbeispiel durch einen halbkreisförmigen Querschnitt auszeichnet. In nicht dargestellten weiteren Ausführungsbeispielen sind abweichende Formen und Querschnitte des Kathodendichtabschnitts 2.2 vorgesehen.
Der Anodendichtabschnitt 2.1 ist auf der der Kathodenplatte 1.2 abgewandten Seite der Anodenplatte 1.1 im dargestellten Ausführungsbeispiel als Flachdichtung ausgebildet. Zur fluiddichten Verbindung mit einer Anodenseite der angrenzenden Membran-Elektroden-Anordnung ist der Anodendichtabschnitt 2.1 unmittelbar an der Anodenseite der Membran-Elektroden-Anordnung oder wie im dargestellten Ausführungsbeispiel an einem Dichtelement 9 der Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet.
Um im Bereich der Auswölbung AW eine Steifigkeit der Bipolarplatte 1 zu erhöhen, ist die Anodenplatte 1.1 zumindest in diesem Bereich an einer der Kathodenplatte 1.2 zugewandten Seite wellenförmig ausgebildet, wobei die Wellen quer zur Längsausdehnung des Hohlraums H verlaufen.
Bezugszeichenliste

1: Bipolarplatte
1.1: Anodenplatte
1.2: Kathodenplatte
2: Dichtelement
2.1: Anodendichtabschnitt
2.2: Kathodendichtabschnitt
3 bis 5: Einlass
6 bis 8: Auslass
9: Dichtelement
A: Materialaussparung
AW: Auswölbung
B1, B2: Bereich
H: Hohlraum
S1, S2: Schweißnaht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2013/0075011 A1 [0004]
US 2006/0142039 A1 [0005]

Claims

Bipolarplatte (1) für eine Brennstoffzelle, umfassend eine Anodenplatte (1.1), eine Kathodenplatte (1.2) und zumindest ein Dichtelement (2), dadurch gekennzeichnet, – dass die Kathodenplatte (1.2) und die Anodenplatte (1.1) miteinander korrespondierende und versatzlos übereinander liegende Materialaussparungen (A) aufweisen und – dass das Dichtelement (2) als ein einstückiges homogenes Formteil in einem Spritzgussverfahren hergestellt ist, – wobei das Dichtelement (2) einen auf einer der Anodenplatte (1.1) abgewandten Seite der Kathodenplatte (1.2) angeordneten Kathodendichtabschnitt (2.2) und einen auf einer der Kathodenplatte (1.2) abgewandten Seite der Anodenplatte (1.1) angeordneten Anodendichtabschnitt (2.1) umfasst, – wobei der Kathodendichtabschnitt (2.2) und der Anodendichtabschnitt (2.1) jeweils durch die Materialaussparungen (A) hindurchgeführt und einstückig miteinander verbunden sind.
Bipolarplatte (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodendichtabschnitt (2.1) auf der der Kathodenplatte (1.2) abgewandten Seite der Anodenplatte (1.1) als Flachdichtung ausgebildet ist.
Bipolarplatte (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenplatte (1.2) zumindest eine Auswölbung (AW) aufweist, welche derart ausgebildet ist, dass zwischen der Kathodenplatte (1.2) im Bereich der Auswölbung (AW) und der Anodenplatte (1.1) ein Hohlraum (H) entsteht, wobei der Kathodendichtabschnitt (2.2) auf der der Anodenplatte (1.1) abgewandten Seite der Kathodenplatte (1.2) im Bereich der Auswölbung (AW) angeordnet ist.
Bipolarplatte (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswölbung (AW) zumindest in einem Schulterbereich wellenförmig ausgebildet ist.
Bipolarplatte (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswölbung (AW) in einem zwischen zwei Schulterbereichen ausgebildeten Zwischenbereich einen linearen Querschnitt aufweist.
Bipolarplatte (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenplatte (1.1) zumindest an einer der Kathodenplatte (1.2) zugewandten Seite einen wellenförmigen Querschnitt aufweist.
Bipolarplatte (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der wellenförmige Querschnitt der Anodenplatte (1.1) im Bereich der Auswölbung ()der Kathodenplatte (1.2) ausgebildet ist.
Brennstoffzelle, umfassend zumindest eine Bipolarplatte (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (1) für eine Brennstoffzelle, wobei die Bipolarplatte (1) zumindest aus einer Anodenplatte (1.1), einer Kathodenplatte (1.2) und zumindest einem Dichtelement (2) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, – dass in die Kathodenplatte (1.2) und die Anodenplatte (1.1) miteinander korrespondierende und versatzlos übereinander liegende Materialaussparungen (A) eingebracht werden und – dass das Dichtelement (2) als ein einstückiges homogenes Formteil in einem Spritzgussverfahren hergestellt wird, – wobei das Dichtelement (2) mit einem auf einer der Anodenplatte (1.1) abgewandten Seite der Kathodenplatte (1.2) angeordneten Kathodendichtabschnitt (2.2) und einem auf einer der Kathodenplatte (1.2) abgewandten Seite der Anodenplatte (1.1) angeordneten Anodendichtabschnitt (2.1) gebildet wird, – wobei der Kathodendichtabschnitt (2.2) und der Anodendichtabschnitt (2.1) jeweils durch die Materialaussparungen (A) hindurchgeführt und einstückig miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (2) in dem Spritzgussverfahren unmittelbar an der Bipolarplatte (1) erzeugt wird.