DE102015201129A1 - Dichtung für eine Brennstoffzelle und Brennstoffzelle - Google Patents

Dichtung für eine Brennstoffzelle und Brennstoffzelle Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dichtung (34) für eine Brennstoffzelle (10) mit mehreren Bipolarplatten (13) und mindestens einer Membran-Elektroden-Einheit (12), wobei die Dichtung (34) einen um einen freien Innenraum (42) umlaufenden Dichtungskörper (40) aufweist. Es ist vorgesehen, dass mindestens zwei in den Innenraum (42) weisende Flusssperren (46) einstückig mit dem Dichtungskörper (40) ausgebildet sind, wobei die Flusssperren (46) durch mindestens ein Verbindungselement (48) von dem Dichtungskörper (40) beabstandet angeordnet sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Dichtung für eine Brennstoffzelle und eine Brennstoffzelle.
  • Brennstoffzellen mit Bipolarplatten und einer dazwischen angeordneten Membran-Elektroden-Einheit haben Dichtungen die in einem Dichtungsraum um einen aktiven Bereich der Brennstoffzelle angeordnet sind. Toleranzen in x und y Richtungen sowie die Abmaße der komprimierten Dichtung beeinflussen wie breit der Dichtungsraum definiert ist. Der verbleibende Raum zwischen dem Dichtungsraum und der komprimierten Dichtung kann einen oder mehrere Bypass-Pfade definieren.
  • Für den Fall, dass die Dichtung auf der Membran-Elektroden-Einheit angeordnet wird, kann dieser Bypass-Pfad einen nicht unerheblichen Anteil einnehmen. In einigen Fällen können sogar etwa vierzig Prozent des Gases über diesen Bypass-Pfad strömen. Dieses Problem kann zum Beispiel dazu führen, dass die Stabilität abnimmt, eine größere Empfindlichkeit bei niedrigen stöchiometrischen Verhältnissen besteht, sich das Wasser-Management verschlechtert und/oder sich die optimalen Betriebsbedingungen verändern.
  • Auf den Bipolarplatten in Brennstoffzellen umgeht ein Teil der Gase, in der Regel sind dies Wasserstoff und Luft, die aktive Fläche ohne an der Reaktion teilzunehmen. Diese Bypass-Pfade verringern den Druckverlust der Strömung im Flussfeld.
  • DE 11 2005 002 035 T5 schlägt eine Dichtungskonfiguration vor, mit welcher Bypassbereiche reduziert werden. Dazu sind beidseitig einer Membran-Elektroden-Anordnung zwischen dieser und angrenzenden Bipolarplatten Unterabdichtungen angeordnet. Innerhalb der Membran-Elektroden-Anordnung ist ein elastomeres Dichtungselement vorgesehen, welches einzelne Lagen der Membran-Elektroden-Anordnung aufspreizt. Durch das Aufspreizen wird eine Querschnittsfläche des Bypasses reduziert.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den Bypass-Strom bei einer Brennstoffzelle zu reduzieren.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Dichtung nach Anspruch 1 beziehungsweise einer Brennstoffzelle gemäß Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Die erfindungsgemäße Dichtung für eine Brennstoffzelle mit mehreren Bipolarplatten und mindestens einer Membran-Elektroden-Einheit, wobei die Dichtung um einen freien Innenraum umlaufenden Dichtungskörper aufweist, umfasst mindestens zwei in den Innenraum weisende Flusssperren, die einstückig mit dem Dichtungskörper ausgebildet sind, wobei die Flusssperre mindestens ein Verbindungselement von dem Dichtungskörper beabstandet angeordnet sind.
  • Diese Dichtung hat den Vorteil, dass die Flusssperren den hydraulischen Querschnitt verringern und somit den Bypass-Strom reduzieren. Der Querschnitt des Bypass-Pfades kann um mehr als 80 Prozent verringert werden. Dadurch dass die Flusssperren weitgehend unabhängig von der eigentlichen Dichtung sind haben sie nur minimalen Einfluss auf die Kompression oder Deformation der Dichtung, wenn sie komprimiert wird. Die Beabstandung der Flusssperren von dem Dichtungskörper erlauben somit eine ungestörte Kompression beziehungsweise Ausdehnung des Dichtungskörpers. Bei diesem Design ist ein Zwischenraum zwischen dem Dichtungskörper, auch in seinem erwarteten Ausdehnungszustand, und den Flusssperren vorhanden. Dies verhindert das Auftreten einer hydraulischen Blockade. Zudem ist von Vorteil, dass der Dichtungskörper und die Flusssperren in einem einzigen Verfahren oder Verfahrensschritt wie zum Beispiel Flüssig-Spritzguss (LIM, liquid injection molding) gefertigt werden können. Dies erlaubt vorteilhafterweise geringe Toleranzen.
  • Es kann vorgesehen sein, dass zwei Flusssperren mittig an Längsseiten des Dichtungskörpers angeordnet sind. Idealer weise sind die Flusssperren dort angeordnet, wo Bypass-Ströme auftreten oder wo sie besonders intensiv sind. Dort verringern die Flusssperren den hydraulischen Durchmesser.
  • Es kann vorgesehen sein, dass mindestens vier Flusssperren an Längsseiten des Dichtungskörpers angeordnet sind. Dies erhöht vorteilhaft die Redundanz, falls einzelne Flusssperren beschädigt oder nicht richtig ausgebildet worden sind. Darüber hinaus wird die Gefahr einer hydraulischen Blockade verringert.
  • Der Dichtungskörper und/oder die Flusssperren können wenigstens teilweise aus einem Elastomer, wie zum Beispiel Silikon, bestehen. Dies hat unter anderem den Vorteil, dass die Erzeugung der Flusssperren direkt in den Herstellungsprozess der Dichtung integriert werden kann. Darüber hinaus erfüllt eine Elastomer- oder Silikondichtung alle Anforderungen und kann Fertigungstoleranzen der Bipolarplatten und/oder Toleranzen bei der Bildung des Plattenstapels ausgleichen.
  • Die Flusssperren können leichter kompressibel, zum Beispiel flacher, sein oder besonders ausgeformt sein als der Dichtungskörper. Somit behindern die Flusssperren die Kompression der Dichtungskörper nicht, da der Dichtungskörper zuerst komprimiert wird.
  • Die Flusssperre kann einen dem Dichtungskörper zugewandten Grundkörper und mindestens einen an dem Grundkörper angeordneten Flächenkörper aufweisen, wobei der Flächenkörper flacher ist als der Grundkörper. Dieses Design erlaubt, dass die Grundkörper der Flusssperren in dem Dichtungsraum angeordnet sind und dass die Flächenkörper der Flusssperren in Zwischenräumen zwischen einer Bipolarplatte und der Membran-Elektroden-Einheit angeordnet sein können. Somit wird der hydraulische Querschnitt des Bypass-Pfades erheblich reduziert. Zudem behindern die Flusssperren die Kompression der Dichtungskörper nicht.
  • Der Flächenkörper kann mehrere, in den Innenraum weisende, erhöhte Rippen aufweisen. Diese Rippen erlauben eine gute Kompression und Ausdehnung was zu einer besseren Blockadewirkung führt.
  • Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle mit zwei Bipolarplatten und einer dazwischen angeordneten Membran-Elektroden-Einheit, wobei zwischen einer Bipolarplatte und der Membran-Elektroden-Einheit ein um einen aktiven Bereich der Brennstoffzelle umlaufender Dichtungsraum für eine Dichtung vorgesehen ist, umfasst eine zuvor beschriebene Dichtung, die in dem Dichtungsraum angeordnet ist. Es gelten die gleichen Vorteile und Modifikationen wie zuvor beschrieben.
  • Eine Dichtung kann an beiden Seiten der Membran-Elektroden-Einheit angeordnet sein. So werden vorteilhafterweise die Bypass-Kanäle sowohl an der Oberseite als auch an der Unterseite der Membran-Elektroden-Einheit in ihrem hydraulischen Querschnitt reduziert.
  • Die Grundkörper der Flusssperren können in dem Dichtungsraum angeordnet sein und die Flächenkörper der Flusssperren können in Zwischenräumen zwischen einer Bipolarplatte und der Membran-Elektroden-Einheit angeordnet sein. Dies erlaubt eine erhebliche und gezielte Verringerung des hydraulischen Querschnitts nicht nur in dem Dichtungsraum.
  • Die Höhen des Dichtungskörpers und der Flusssperren sind derart gemessen, dass der eingelegte Dichtungskörper und die eingelegten Flusssperren zwischen einer Bipolarplatte und der Membran-Elektroden-Einheit komprimiert sind. Dies garantiert eine gute Abdichtung im Bereich der Flusssperren, sodass der hydraulische Querschnitt des Bypass-Pfades effizient verringert wird.
  • Die komprimierten Flusssperren können jeweils von dem Dichtungskörper beabstandet sein. Somit ist auch im komprimierten Zustand zwischen den Flusssperren und dem Dichtungskörper ein Zwischenraum vorhanden, der eine ungestörte Ausdehnung des Dichtungskörpers erlaubt.
  • Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Draufsicht auf die Membran-Elektroden-Einheit einer Brennstoffzelle;
  • 2 eine beispielhafte Darstellung von Bypass-Pfaden der Brennstoffzelle;
  • 3 eine räumliche Darstellung einer Dichtung für eine Brennstoffzelle;
  • 4 eine räumliche Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Flusssperre;
  • 5 eine räumliche Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Flusssperre;
  • 6 eine Schnittdarstellung einer komprimierten Dichtung, und
  • 7 ein Diagramm darstellend Verläufe des Anoden-Druckabfalls;
  • 1 zeigt einen Teil einer Brennstoffzelle 10. Insbesondere ist eine Membran-Elektroden-Einheit 12 in Aufsicht auf eine ihrer Flachseiten dargestellt. Die Membran-Elektroden-Einheit 12 weist eine katalytisch beschichtete Membran 14 auf. Im dargestellten Beispiel besitzt die katalytisch beschichtete Membran 14 eine sechseckförmige Kontur. Innerhalb dieser sechseckförmigen Kontur ist ein aktiver Bereich 16 angeordnet, welcher durch eine unterbrochene Linie angedeutet ist. Außerhalb des aktiven Bereichs 16 weist die katalytisch beschichtete Membran 14 inaktive Bereiche 18 auf. Der aktive Bereich 16 ist dadurch gekennzeichnet, dass im Einbauzustand der Membran-Elektroden-Einheit 12 in einen Brennstoffzellenstapel in diesem Bereich die Brennstoffzellenreaktionen an der Anode und Kathode stattfinden und somit Elektrizität erzeugt wird. Die inaktiven Bereiche 18 dienen hingegen anderen Funktionen, beispielsweise der Zuführung der Betriebsmedien zu dem aktiven Bereich 16. Idealerweise ist die Polymerelektrolytmembran 14 lediglich im aktiven Bereich 16 mit katalytische Beschichtungen beschichtet.
  • Die Membran-Elektroden-Einheit 12 umfasst verschiedene Durchgangsöffnungen 20 bis 30, welche der Zu- und Abführung der verschiedenen Betriebsmedien dienen. So dient ein erster Anodenport 20 der Zuführung des Anodenbetriebsgases zu Kathoden des Brennstoffzellenstapels und ein gegenüberliegender zweiter Anodengasport 22 der Abführung des Anodenbetriebsgases. Desgleichen dient ein erster Kathodenport 24 der Zuführung eines Kathodenbetriebsgases an Kathoden des Brennstoffzellenstapels und ein gegenüberliegender zweiter Kathodenport 26 der Abführung des Kathodenbetriebsgases. Schließlich dient ein erster Kühlmittelport 28 der Zuführung eines Kühlmittels zu internen Kühlmittelkanälen der Bipolarplatten und ein gegenüberliegender zweiter Kühlmittelport 30 der Abführung des Kühlmittels. Die im Einzelnen nicht dargestellten Bipolarplatten weisen einen im Wesentlichen gleichen Zuschnitt wie die dargestellten Membran-Elektroden-Einheiten 12 auf, insbesondere korrespondierende Ports. Auf diese Weise werden im gestapelten Zustand der Membran-Elektroden-Einheiten 12 und der Bipolarplatten Betriebsmittelhauptkanäle ausgebildet, welche den Brennstoffzellenstapel in seiner Stapelrichtung, die aus der papierebene herauszeigt, durchsetzen. Die Anoden- und Kathodenports 20 bis 26 sind über offene Verteilerkanäle der im Stapel angrenzenden Bipolarplatten mit entsprechenden Anoden- bzw. Kathodenkanälen der Bipolarplatten fluidführend verbunden. Die Kühlmittelports 28 und 30 sind mit internen Kühlmittelkanälen der Bipolarplatten verbunden. Die die Ports 20 bis 30 und die Anoden- bzw. Kathodenkanäle des aktiven Bereich 20 verbindenden Verteilerkanalstrukturen verlaufen in den inaktiven Bereichen 18.
  • Zur mechanischen Abstützung ist die Membran 14 üblicherweise beidseitig von jeweils einer Stützschicht 32 eingefasst, welche die Membran 14 an ihren Randbereichen umschließt. Optional kann sich die Membran 14 auch über die gesamte Fläche der Membran-Elektroden-Einheit 12 erstrecken und an ihren Randbereichen mit Stützschichten 32 laminiert sein. Ferner sind in 2 Dichtungen 34 erkennbar, welche die Betriebsmitteldurchgangsöffnungen 20 bis 30 sowie die katalytisch beschichtete Membran 14 einfassen, um diese nach außen abzudichten. Optional können die Dichtungen 34 statt auf der Membran-Elektroden-Einheit 12 auf den Bipolarplatten oder auf beiden angeordnet sein.
  • 2 zeigt in ähnlicher Darstellung wie 1 die Membran-Elektroden-Einheit 12. Die Dichtung 34 ist in einem Dichtungsraum 36 angeordnet. Der Dichtungsraum 36 umgibt den aktiven Bereich 16 der Brennstoffzelle 10. Der Dichtungsraum 36 ist vorzugsweise in den Bipolarplatten ausgebildet. Da die Dichtung 34 den Dichtungsraum 36 zum Beispiel aufgrund von Fertigungstoleranzen nicht vollständig ausfüllt, entstehen Bypass-Pfade 38 durch welche Fluide fließen anstatt durch den aktiven Bereich 16 zu fließen. Die Bypass-Pfade 38 verlaufen an Längsseiten der Membran-Elektroden-Einheit 12 beziehungsweise der Brennstoffzelle 10 ausgehende von einer Querseite hin zur Mitte.
  • In 3 ist die Dichtung 34 detailliert dargestellt. Die Dichtung 34 umfasst einen Dichtungskörper 40. Der Dichtungskörper 40 hat eine im Wesentlichen rechteckige Form, die mit der Form der Membran-Elektroden-Einheit 12 korrespondiert. Die genaue Kontur des Dichtungskörpers 40 entspricht der Kontur des Dichtungsraumes 36. Der Dichtungskörper 40 umschließt einen freien Innenraum 42 dessen Abmessungen im Wesentlichen den Abmessungen der Membran 14 entsprechen. Ferner umfasst der Dichtungskörper 40 optionale Außenbereiche 44, welche mit den Durchgangsöffnungen 20 bis 30 korrespondieren.
  • An Längsseiten des Dichtungskörpers 40 sind Flusssperren 46 angeordnet, welche in den Innenraum 42 weisen oder hinein ragen. Es sind zwölf Flusssperren 46 vorgesehen, sechs auf jeder Längsseite des Dichtungskörpers 40. Die Flusssperren 46 sind äquidistant voneinander beabstandet. Die Flusssperren 46 sind einstückig mit dem Dichtungskörper 40 ausgebildet. Beispielsweise wird die gesamte Dichtung 34, also der Dichtungskörper 40 und die Flusssperren 46, in einem gemeinsamen Flüssig-Spritzguss-Vorgang oder einer Flüssigsilikonverarbeitung hergestellt. Entsprechend besteht die gesamte Dichtung 34 aus einem Elastomer wie zum Beispiel einem Silikon.
  • Die Flusssperren 46 bilden Blockadekörper oder Elastomersperren für den Bypass-Kanal oder Bypass-Pfad 38. Die Flusssperren 46 sind rechtwinklig zu dem Bypass-Pfad 38 ausgebildet.
  • In 4 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Flusssperre 46 detailliert dargestellt. Mittels zweier Verbindungselemente 48 ist die Flusssperre 46 an dem Dichtungskörper 40 befestigt. Alternativ kann auch ein Verbindungselement vorgesehen sein, das sich über die ganze Länge der Flusssperre 46 erstreckt oder lediglich über einen Teil der Länge der Flusssperre 46. Weiter kann vorgesehen sein, mehr als zwei Verbindungselemente vorzusehen. Beispielsweise können drei oder vier Verbindungselemente vorgesehen sein. Vorzugsweise jedoch ist die Anzahl der Verbindungselemente und deren Abmessung minimiert, um das Ausdehnungsverhalten des Dichtungskörpers 40 während der Kompression der Dichtung 34 möglichst gering zu beeinflussen. Aus diesem Grund ist die Flusssperre 46 mittels der Verbindungselemente 48 beabstandet von dem Dichtungskörper 40 angeordnet, sodass ein Zwischenraum 50 zwischen dem Dichtungskörper 40 und der Flusssperre 46 gebildet ist. Der Zwischenraum 50 ist derart bemessen, dass sich der Dichtungskörper 40 in Richtung des Innenraums 42, das heißt in Richtung der Flusssperre 46 ausdehnen kann, ohne dass der Dichtungskörper 40 in seiner Ausdehnung behindert wird. Vorzugsweise ist der Zwischenraum auch dann vorhanden, wenn der Dichtungskörper 40 expandiert ist.
  • Die Flusssperre 46 besteht aus einem Grundkörper 52, der dem Dichtungskörper 40 zugewandt ist und einem an den Grundkörper 52 angeordneten Flächenkörper 54. An dem Grundkörper 52 sind die Verbindungselemente 48 befestigt. Der Grundkörper 52 ist höher oder dicker als der Flächenkörper 54. Der Grundkörper 52 ist in eingebautem Zustand der Dichtung 34 in dem Dichtungsraum 36 angeordnet, während der Flächenkörper 54 in einem Zwischenraum zwischen eine Bipolarplatte und der Membran-Elektroden-Einheit 12 abgeordnet ist. Auf dem Flächenkörper 54 sind mehrere parallel verlaufende Rippen 56 angeordnet, die sich in Richtung des Innenraums 42 erstrecken. Anders ausgedrückt verlaufen die Rippen 56 senkrecht zu der Längserstreckung des Dichtungskörpers 40. Die Rippen 56 verbessern die Anpassung während der Kompression und verbessert die Dichtheit der Flusssperre 46 als Blockadeelement in dem Bypass-Pfad 38.
  • In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Flusssperre 46 dargestellt. Die Flusssperre 46 ist ebenso mit Verbindungselementen 48 an dem Dichtungskörper 40 derart befestigt, dass ein Zwischenraum 50 zwischen den beiden Elementen definiert ist. Der Flächenkörper 54 weist wiederum erhöhte Rippen 56 auf. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Anzahl der Rippen im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel aus 4 stark verringert. Hier sind vier breitere Rippen 56 vorgesehen. Diese Detailreduzierung verringert die Herstellungszeit. Zudem ist ermöglichen die breiteren Rippen 56 eine steifere Flusssperre 46.
  • In 6 ist beispielhaft ein Querschnitt eines Bereichs der Brennstoffzelle 10 dargestellt. Oberhalb der Membran-Elektroden-Einheit 12 ist eine Bipolarplatte 13 angeordnet. In der Bipolarplatte 13 ist der Dichtungsraum 36 zur Aufnahme der Dichtung 34 ausgebildet. In 6 ist lediglich eine obere Bipolarplatte 13 dargestellt, welche oberhalb der Membran-Elektroden-Einheit 12 angeordnet ist. Eine weitere nicht dargestellte untere Bipolarplatte ist entsprechend unterhalb der Membran-Elektroden-Einheit 12 vorgesehen. Eine erste Dichtung 34 ist oberhalb der Membran-Elektroden-Einheit 12 angeordnet. Eine weitere identische Dichtung 34 ist unterhalb der Membran-Elektroden-Einheit 12 vorgesehen.
  • In dem Dichtungsraum 36 ist der Dichtungskörper 40 der Dichtung 34 angeordnet. Der Grundkörper 32 der Flusssperre 46 ist ebenfalls in dem Dichtungsraum 36 angeordnet. In dem in 6 dargestellten komprimierten Zustand der Dichtung 34 ist der Zwischenraum 58 zwischen dem Dichtungskörper 40 und dem Grundkörper 52 auch nach der Komprimierung der Dichtung vorhanden. Der Flächenkörper 54 befindet sich in einem Zwischenraum 50 zwischen der Bipolarplatte 13 und der Membran-Elektroden-Einheit 12.
  • In 7 ist ein Diagramm gezeigt, das Verläufe des Anoden-Druckabfalls für eine einzelne Brennstoffzelle darstellt. In dem Diagramm ist der Druckabfall an der Anode in mbar über dem Zielfluss oder Gasmengenstrom in Standard-Liter pro Minute (slpm) aufgetragen. Ein erster Verlauf oder eine erste Kurve 60 zeigt den Druckabfall des Brennstoffs an der Anode für eine Brennstoffzelle ohne die Flusssperren der Erfindung. Ein zweiter Verlauf oder eine zweite Kurve 62 zeigt den Druckabfall des Brennstoffs an der Anode für eine Brennstoffzelle mit den Flusssperren der Erfindung. Ein Vergleich der beiden Kurven 60 und 62 zeigt einen deutlichen Anstieg des Druckabfalls bedingt durch die Flusssperren. Da die Flusssperren einen erheblichen Teil des hydraulischen Querschnitts der Bypass-Pfade blockieren, muss ein größerer Anteil des Brennstoffs durch den vorgesehenen Pfad der aktiven Fläche strömen, was den Druckabfall erhöht.
  • Bei einem stöchiometrischen Empfindlichkeitstest für einen Stapel mit zehn Brennstoffzellen ohne Flusssperren hat sich gezeigt, dass bei einem stöchiometrischen Verhältnis von kleiner als einem Wert X die Standardabweichung anfängt zu steigen, was einer unerwünschten, ansteigenden Schwankung der Leistung der Zellen entspricht. Ab einem stöchiometrischen Verhältnis von kleiner als X – ca. 11% sind die Schwankungen nicht mehr akzeptabel; die Messung wurde daher nicht weitergeführt. Als weiterer Parameter kann der Anoden-Druckabfall in mbar dienen. Der maximale Druckabfall beträgt etwa Y mbar. Weiterhin ist der Druckverlust auf der Kathodenseite betrachtet worden mit Werten von knapp unter Z mbar.
  • Bei einem stöchiometrischen Empfindlichkeitstest für einen Stapel mit zehn Brennstoffzellen mit Flusssperren gemäß der Erfindung hat sich gezeigt, dass erst bei einem stöchiometrischen Verhältnis von kleiner als X – ca. 70% die Standardabweichung anfängt zu steigen, was einer unerwünschten, ansteigenden Schwankung der Leistung der Zellen entspricht. Erst ab einem stöchiometrischen Verhältnis von kleiner als X – ca. 18% sind die Schwankungen nicht mehr akzeptabel; die Messung wurde daher nicht weitergeführt. Der maximale Druckabfall beträgt nunmehr etwa Y – ca. 11,5 in mbar. Der Druckverlust auf der Kathodenseite ist auf Z – ca. 30 % gestiegen.
  • Der maximale Druckabfall an der Anode ist um 11,5 % gestiegen. Auch hat sich die Stabilität unter hoher Last bei niedrigen stöchiometrischen Verhältnissen verbessert. Dies zeigt, wie wirkungsvoll die Flusssperren gemäß der Erfindung die Betriebsparameter der Brennstoffzelle verbessern.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Brennstoffzelle
    12
    Membran-Elektroden-Einheit
    13
    Bipolarplatte
    14
    Membran
    16
    aktiver Bereich
    18
    inaktiver Bereich
    20
    Durchgangsöffnung
    22
    Durchgangsöffnung
    24
    Durchgangsöffnung
    26
    Durchgangsöffnung
    28
    Durchgangsöffnung
    30
    Durchgangsöffnung
    32
    Stützschicht
    34
    Dichtung
    36
    Dichtungsraum
    38
    Bypass-Pfad
    40
    Dichtungskörper
    42
    Innenraum
    44
    Außenbereich
    46
    Flusssperre
    48
    Verbindungselement
    50
    Zwischenraum
    52
    Grundkörper
    54
    Flächenkörper
    56
    Rippe
    58
    Zwischenraum
    60
    Kurve
    62
    Kurve
  • 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
    • DE 112005002035 T5 [0005]

Claims (10)

  1. Dichtung für eine Brennstoffzelle (10) mit mehreren Bipolarplatten (13) und mindestens einer Membran-Elektroden-Einheit (12), wobei die Dichtung (34) einen um einen freien Innenraum (42) umlaufenden Dichtungskörper (40) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei in den Innenraum (42) weisende Flusssperren (46) einstückig mit dem Dichtungskörper (40) ausgebildet sind, wobei die Flusssperren (46) durch mindestens ein Verbindungselement (48) von dem Dichtungskörper (40) beabstandet angeordnet sind.
  2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Flusssperren mittig an Längsseiten des Dichtungskörpers (40) angeordnet sind.
  3. Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens vier Flusssperren (46) an Längsseiten des Dichtungskörpers (40) angeordnet sind.
  4. Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flusssperren (46) leichter kompressibel sind als der Dichtungskörper (40).
  5. Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flusssperre (46) einen dem Dichtungskörper (40) zugewandten Grundkörper (52) und mindestens einen an dem Grundkörper (52) angeordneten Flächenkörper (54) aufweist, wobei der Flächenkörper (54) flacher ist als der Grundkörper (52).
  6. Dichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Flächenkörper (54) mehrere, in den Innenraum (42) weisende, erhöhte Rippen (56) aufweist.
  7. Brennstoffzelle mit zwei Bipolarplatten (13) und einer dazwischen angeordneten Membran-Elektroden-Einheit (12), wobei zwischen einer Bipolarplatte (13) und der Membran-Elektroden-Einheit (12) ein um einen aktiven Bereich (16) der Brennstoffzelle (10) umlaufender Dichtungsraum (36) für eine Dichtung (34) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dichtung (34) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in dem Dichtungsraum (36) angeordnet ist.
  8. Brennstoffzelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dichtung (34) an beiden Seiten der Membran-Elektroden-Einheit (12) angeordnet ist.
  9. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass Grundkörper (52) der Flusssperren (46) in dem Dichtungsraum (36) angeordnet sind und dass Flächenkörper (54) der Flusssperren (46) in Zwischenräumen (58) zwischen einer Bipolarplatte (13) und der Membran-Elektroden-Einheit (12) angeordnet sind.
  10. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhen des Dichtungskörpers (40) und der Flusssperren (46) derart bemessen sind, dass der eingelegte Dichtungskörper (40) und die eingelegten Flusssperren (46) zwischen einer Bipolarplatte (13) und der Membran-Elektroden-Einheit (12) komprimiert sind.
DE102015201129.1A 2015-01-23 2015-01-23 Dichtung für eine Brennstoffzelle und Brennstoffzelle Granted DE102015201129A1 (de)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3828974A1 (de) 2019-11-29 2021-06-02 AVL List GmbH Einheitenzellenanordnung für brennstoffzellenstapel und verfahren zur herstellung
EP4064397A1 (de) 2021-03-24 2022-09-28 AVL List GmbH Einheitszellenanordnung für brennstoffzellenstapel und verfahren zur herstellung davon
DE102021115559A1 (de) 2021-06-16 2022-12-22 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Brennstoffzelle

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE112005002035T5 (de) 2004-08-25 2007-06-21 General Motors Corp., Detroit Dichtungskonfiguration für Brennstoffzellenstapel
DE102009017906A1 (de) * 2008-04-22 2009-10-29 GM Global Technology Operations, Inc., Detroit Integrierte Ablenkeinrichtungen für einen Brennstoffzellenstapel
US20100136456A1 (en) * 2005-07-13 2010-06-03 Yasushi Sugawara Polymer electrolyte fuel cell and fuel cell sealing member for the same

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2477358C (en) * 2003-08-22 2012-03-27 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Polymer electrolyte fuel cell
JP4224439B2 (ja) * 2003-08-28 2009-02-12 本田技研工業株式会社 燃料電池
CN100543595C (zh) 2004-11-19 2009-09-23 佳能株式会社 正带电性显影剂
US7740988B2 (en) 2006-03-31 2010-06-22 Fuelcell Energy, Inc. Fuel cell plate structure having baffles in wet seal area
US8360104B2 (en) 2007-11-28 2013-01-29 Illinois Tool Works Inc. Pressure relief assembly
JP6125903B2 (ja) * 2013-05-20 2017-05-10 本田技研工業株式会社 燃料電池
PL3170219T3 (pl) * 2014-07-17 2019-02-28 Elcogen Oy Sposób i układ uszczelnienia stosów ogniw ze stałym tlenkiem

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE112005002035T5 (de) 2004-08-25 2007-06-21 General Motors Corp., Detroit Dichtungskonfiguration für Brennstoffzellenstapel
US20100136456A1 (en) * 2005-07-13 2010-06-03 Yasushi Sugawara Polymer electrolyte fuel cell and fuel cell sealing member for the same
DE102009017906A1 (de) * 2008-04-22 2009-10-29 GM Global Technology Operations, Inc., Detroit Integrierte Ablenkeinrichtungen für einen Brennstoffzellenstapel

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3828974A1 (de) 2019-11-29 2021-06-02 AVL List GmbH Einheitenzellenanordnung für brennstoffzellenstapel und verfahren zur herstellung
WO2021105350A1 (en) 2019-11-29 2021-06-03 Avl List Gmbh Unit cell assembly for fuel cell stacks and method for making
EP4064397A1 (de) 2021-03-24 2022-09-28 AVL List GmbH Einheitszellenanordnung für brennstoffzellenstapel und verfahren zur herstellung davon
DE102021115559A1 (de) 2021-06-16 2022-12-22 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Brennstoffzelle

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