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Die Erfindung betrifft PEM-Brennstoffzellen und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatteneinheit, eine Bipolarplatteneinheit und einen Brennstoffzellenstapel.
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Polymer-Elektrolyt-Membran(PEM)-Brennstoffzellen finden als Antriebsquelle Verwendung im Automobilbau. Hierbei kommt ein Brennstoffzellenstapel zum Einsatz, der aus mehreren nebeneinander angeordneten und in Reihe geschalteten Einzel-Brennstoffzellen aufgebaut ist. In jeder Einzelzelle ist eine Membranelektrodenanordnung (MEA) zwischen zwei Separatorplatten angeordnet. Innerhalb des Stapels sind die Separatorplatten üblicherweise als Bipolarplatten ausgeführt.
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Den Bipolarplatten kommt neben der Aufgabe den Strom zu leiten des Weiteren die Aufgabe zu, die Reaktanden, d.h. den Brennstoff (z.B. Wasserstoff) und das Oxidationsmedium (z.B. Sauerstoff oder Luft) der Zelle zuzuführen und aus der Zelle abzuführen, sowie die Zelle zu kühlen. Bipolarplatten weisen deshalb üblicherweise an ihren Hauptoberflächen eine Kanalstruktur auf, die je nachdem, ob die Hauptoberfläche der Anode oder Kathode zugewandt ist, zur Führung des Brennstoffs oder des Oxidationsmediums dienen. Des Weiteren ist im Inneren der Bipolarplatte ein Kühlkanal ausgebildet, durch den ein Kühlmedium geleitet werden kann.
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Bipolarplatten können einstückig ausgebildet sein. Oder sie werden als Bipolarplatteneinheit mit zwei Teilplatten ausgebildet, wobei die Teilplatten parallel zueinander angeordnet und miteinander verbunden sind und Kanalstrukturen aufweisen. Werden metallische Teilplatten verwendet, so werden die Kanalstrukturen üblicherweise in die Platte eingeprägt.
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Im Brennstoffzellenstapel sind die Bipolarplatteneinheiten abwechselnd mit einer Membranelektrodenanordnung gestapelt. Zwischen Bipolarplatteneinheit und Membranelektrodenanordnung bzw. einem die MEA tragenden Rahmenanordnung (Subframe) sind Dichtungen vorgesehen, welche den elektrochemisch aktiven Bereich der Brennstoffzelle in Form einer Kompressionsdichtung abdichten.
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Die Dichtungen verlaufen umlaufend um die Ports sowie umlaufend im Randbereich der Bipolarplatteneinheit. Um die Prozessmedien, d.h. die Reaktanden sowie das Kühlmedium, von den Ports an den Dichtungen vorbeiführen zu können, sind Versorgungskanäle vorgesehen, die zumindest im Dichtungsbereich der Bipolarplatteneinheit, d.h. in dem Abschnitt der Bipolarplatteneinheit, auf dem die Dichtungen angeordnet sind, im Inneren der Bipolarplatteneinheit und somit zwischen sich gegenüberliegenden Dichtungen verlaufen.
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Die Dichtungen werden üblicherweise aus elastischen Dichtmaterialien z.B. mittels Siebdruck, Spritzguss oder Dispenser auf die Bipolarplatteneinheit aufgebracht. Beim Aufbringen der Dichtungen besteht die Gefahr, dass die Hohlstruktur der Versorgungskanäle unter dem Druck nachgibt und sich verformt, wodurch einerseits die Dichtwirkung unzureichend wäre und andererseits der Strömungsquerschnitt der Versorgungskanäle verändert würde. Dadurch sind die Werkzeugschließkräfte, welche bei der Dichtungsausbildung wirken dürfen, begrenzt. Bislang werden die Dichtungen in Dichtungsnuten ausgebildet, die einen umlaufenden und gegenüber der Dichtungsnut vorstehenden Dichtungsrandbereich besitzen. Der Dichtungsrandbereich fungiert zum einen als seitliche Randbegrenzung der Dichtungen. Weiterhin dient er als Anlage- und Dichtfläche für das Werkzeug, mit dem die Dichtung aufgebracht wird. Der Dichtungsrandbereich wird relativ breit ausgelegt, um trotz geringer Werkzeugschließkräfte eine ausreichende Abdichtung zwischen Werkzeug und Bipolarplatteneinheit zu erreichen.
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Bedingt durch Toleranzen in den Einzelbauteilen eines Brennstoffzellenstapels fällt die Verpressung der Bauteile im Dichtungsbereich unterschiedlich stark aus und kann dazu führen, dass die zwischen den Dichtungen liegenden Versorgungskanalstrukturen dem Druck nachgeben. Dies führt zu einer Änderung des Strömungsquerschnitts in den Versorgungskanälen und beeinträchtigt die Funktionsfähigkeit der Brennstoffzelle.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatteneinheit, eine Bipolarplatteneinheit und einen Brennstoffzellenstapel anzugeben, welche die voranstehend beschriebenen Nachteile nicht oder in verringertem Maße aufweisen und auf einfache und kostengünstige Weise herstellbar sind.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Maßnahmen des Patentanspruchs 1, eine Bipolarplatteneinheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 und einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Bei dem Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatteneinheit werden eine erste und eine zweite metallische, strukturierte Teilplatte bereitgestellt. Die Teilplatten weisen Versorgungskanalstrukturen auf, die auf den zusammenzuführenden Innenseiten der Teilplatten ausgebildet sind. Die Teilplatten weisen weitere für die Funktion der Bipolarplatteneinheit notwendige Strukturen auf, wie z.B. Dichtkonturen zur Ausbildung der Dichtungen, Kanalstrukturen zur Bildung eines Reaktandenströmungsfeldes oder Durchbrüche, sogenannte Ports, zur Zuführung der Prozessmedien. Die Strukturen in den Teilplatten sind beispielsweise durch Prägen, Schneiden oder Stanzen erzeugt.
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Auf jeder Teilplatte werden Dichtungen ausgebildet, während die Versorgungskanalstrukturen in den Teilplatten in ihrer Form stabilisiert werden. Die Dichtungen werden auf der Außenseite der Teilplatten ausgebildet, d.h. der Seite, welche der Versorgungskanalstruktur abgewandt ist.
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In einem anschließenden Schritt werden die beiden Teilplatten miteinander zu der Bipolarplatteneinheit verbunden, wobei die Innenseiten der Teilplatten so zueinander liegen, dass durch die Versorgungskanalstrukturen mindestens ein Versorgungskanal gebildet wird, der zumindest teilweise zwischen den Dichtungen verläuft.
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Erfindungsgemäß werden die Dichtungen ausgebildet, bevor die Teilplatten aneinander positioniert und miteinander verbunden werden, wodurch eine beidseitige Zugänglichkeit zur Teilplatte besteht, so dass es auf einfache Art und Weise möglich ist, die Versorgungskanalstruktur in der Teilplatte zu unterstützen und eine plastische oder elastische Verformung zu verhindern. Es wird sichergestellt, dass die Versorgungskanalstrukturen während der Dichtungsmontage in ihren Abmaßen unverändert bleiben und der mindestens eine Versorgungskanal auch nach der Dichtungsintegration noch die beabsichtigte Durchströmungscharakteristik aufweist. Die Toleranzmaße der Dichtungen können reduziert werden.
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Die Fügekräfte, die beim Aufbringen der Dichtung wirken, müssen nicht mehr von der Versorgungskanalstruktur der Teilplatte aufgenommen werden. Es ist nicht notwendig, die Geometrie oder Dicke der Teilplatte im Dichtungsbereich so zu gestalten, dass die Teilplatte als Gegenform wirkt. Es kann mit höheren Werkzeuganpresskräften und kleineren Anlageflächen des Werkzeugs gearbeitet werden. Hierdurch ergeben sich neue Gestaltungsspielräume bei der Dimensionierung der Dichtfläche und Dichtkontur. Insbesondere ist auch das Ausbilden von kleineren Dichtungsbreiten möglich. Vorteilhafterweise bedarf es im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren keiner zusätzlichen Verfahrensschritte.
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Die Dichtungen werden beispielsweise aus einem für Brennstoffzellen bekannten Dichtmaterial, wie z.B. Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) oder einem Silikon ausgebildet.
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Vorzugsweise werden die Dichtungen mittels eines Spritzgussverfahrens auf die Teilplatten aufgespritzt, wobei ein Spritzgusswerkzeug verwendet wird, das die Versorgungskanalstruktur von der den Dichtungen abgewandten Seite der Teilplatte stabilisiert. Beispielsweise wird die Teilplatte in ein zweiteiliges Spritzgusswerkzeug eingelegt, mit einem schließenden Werkzeug, das die auszuspritzende Dichtkontur aufweist und einem unterstützenden Werkzeug, das eine der Versorgungskanalstruktur angepasste Form aufweist und an der den Dichtungen abgewandten Seite der Teilplatte positioniert wird. Vorteilhafter Weise werden die Schließkräfte des Werkzeugs sowie der Fügedruck beim Einspritzen von dem unterstützenden Werkzeug aufgefangen, so dass auch bei hohen Schließkräften eine Verformung der Versorgungskanalstruktur verhindert wird.
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Vorteilhafter Weise können mit dem Verfahren die Dichtungen 1 bis 2 Millimeter schmaler als mit herkömmlichen Verfahren ausgebildet werden, z.B. mit einer Breite von weniger als 5 Millimetern und vorzugsweise mit einer Breite zwischen 3 mm und 5 mm. Berücksichtigt man, dass auf einer Teilplatte Dichtungen mit einer Gesamtlänge von ca. zwei Metern vorhanden sind, so ergibt sich eine erhebliche Flächenersparnis im Bereich von 20 cm2 bis 40 cm2, die anderweitig genutzt werden kann.
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Nach dem Ausbilden der Dichtungen werden die Teilplatten zur Bipolarplatteneinheit verbunden. Vorzugsweise werden die Teilplatten miteinander verschweißt, wobei die Schweißnähte so angeordnet und ausgebildet werden, dass sie einen zwischen den Teilplatten liegenden Kühlkanal, durch den Kühlmedium geführt werden kann, begrenzen und abdichten. Die Schweißung wird z.B. umlaufend entlang des äußeren Randbereichs der Bipolarplatteneinheit und umlaufend um die Ports vorgenommen. Die Schweißnähte werden insbesondere mittels Laserstrahlschweißen ausgebildet. Dieses Verfahren weist prozessbedingt eine sehr schmale Wärmeeinflusszone auf, so dass die Schweißnähte auch in der Nähe der Dichtungen ausgebildet werden können.
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In einer Ausgestaltung kann eine weitere Toleranzreduktion erzielt werden, wenn ein Teil des Spritzgusswerkzeugs auch als Transportwerkzeug verwendet wird, um die Teilplatten von der Dichtungsapplikation zu einer Schweißstation zu verbringen, an der die Teilplatten zur Bipolarplatteneinheit verbunden werden. Beispielsweise kann das schließende Werkzeug des Spritzgusswerkzeugs hierfür verwendet werden oder eine Positionier-/oder Handhabungsvorrichtung des Spritzgusswerkzeugs.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, die Teilplatten mit einer die elektrische Leitfähigkeit verbessernden, bekannten Beschichtung zu versehen. Die Beschichtung kann vor dem Ausbilden der Dichtungen erfolgen. Alternativ erfolgt die Beschichtung nach dem Ausbilden der Dichtungen, z.B. können die einzelnen Teilplatten beschichtet werden oder die bereits zur Bipolarplatteneinheit verbundenen Teilplatten. Gegebenenfalls sind die Dichtungen in geeigneter bekannter Weise zu maskieren.
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Bezüglich der Bipolarplatteneinheit wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch eine Bipolarplatteneinheit, die mit dem voranstehend beschriebenen Verfahren hergestellt ist, wobei die Bipolarplatteneinheit zwei metallene, strukturierten Teilplatten, die mit zueinander weisenden Versorgungskanalstrukturen strukturiert sind, welche mindestens einen innenliegenden Versorgungskanal bilden, und Dichtungen aufweist, die an den voneinander abgewandten Außenseiten der Teilplatten ausgebildet sind, wobei der mindestens eine Versorgungskanal zumindest teilweise zwischen den Dichtungen verläuft.
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Bezüglich des Brennstoffzellenstapels wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch einen Brennstoffzellenstapel, insbesondere PEM-Brennstoffzellenstapel, mit mindestens einer Bipolarplatteneinheit, die mit dem voranstehend beschriebenen Verfahren hergestellt ist, und als Bipolarplatteneinheit ausgebildet ist mit zwei metallenen, strukturierten Teilplatten, die mit zueinander weisenden Versorgungskanalstrukturen strukturiert sind, welche mindestens einen innenliegenden Versorgungskanal bilden, und mit Dichtungen, die an den voneinander abgewandten Außenseiten der Teilplatten ausgebildet sind, wobei der mindestens eine Versorgungskanal zumindest teilweise zwischen den Dichtungen verläuft.
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Eine solche Bipolarplatteneinheit bzw. ein solcher Brennstoffzellenstapel erzielt die voranstehend für das Verfahren beschriebenen Vorteile.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff "kann" verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels,
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2 eine Schnittansicht eines Dichtungsbereichs einer Bipolarplatteneinheit,
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3 eine schematische Darstellung des Prozessablaufs,
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4 eine Schnittansicht einer Teilplatte in einem Spritzgusswerkzeug.
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1 zeigt eine schematische Darstellung von zwei Brennstoff-Einzelzellen 1 und 2 eines PEM-Brennstoffzellenstapels 3, in dem Membranelektrodenanordnungen 4 abwechselnd mit Bipolarplatteneinheiten 10 gestapelt sind. Die Bipolarplatteneinheit 10 ist aus zwei metallenen, strukturierten Teilplatten aufgebaut und weist ein zentrales Reaktandenströmungsfeld 12 auf, das in Form einer Kanalstruktur an der Oberfläche ausgebildet ist. Ebenso ist, nicht dargestellt, auf der dem Betrachter abgewandten Oberfläche ein weiteres identisches oder ähnliches Reaktandenströmungsfeld ausgebildet. Über diese Kanalstrukturen werden der Brennstoff bzw. das Oxidationsmittel der Membranelektrodenanordnung zugeführt. Darüber hinaus ist in der Bipolarplatteneinheit 10 ein innenliegender, d.h. von den Teilplatten eingeschlossener, Kühlkanal ausgebildet, durch den ein Kühlmedium durchleitbar ist.
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Im Randbereich der Bipolarplatteneinheit 10 sind sechs Durchbrüche 14A bis 14F in Form von sogenannten Ports ausgebildet. Durch die Ports werden die einzelnen Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel mit den Prozessmedien, d.h. mit Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmedium versorgt. Hierzu stehen die Ports über einen Versorgungskanal (s. 2) in einer entsprechenden fluidischen Verbindung mit den Kanalstrukturen der Bipolarplatteneinheit, z.B. stehen die Ports 14A und 14D in einer fluidischen Verbindung mit dem Kühlkanal, die Ports 14B und 14E stehen mit dem Reaktandenströmungsfeld 12 in fluidischer Verbindung und die Ports 14C und 14F stehen in fluidischer Verbindung mit dem weiteren Reaktandenströmungsfeld auf der abgewandten Oberfläche der Bipolarplatteneinheit 10.
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Weiterhin sind auf der Bipolarplatteneinheit 10 Dichtungen vorgesehen, mit denen eine Abdichtung gegenüber der Membranelektrodenanordnung bzw. einer die Membranelektrodenanordnung haltenden Rahmenanordnung (Subframe) erfolgt. Die Dichtungen 16A bis 16F sind umlaufend um die Randbereiche der Ports 14A bis 14F angeordnet, eine weitere Dichtung 16G ist umlaufend am äußeren Randbereich der Bipolarplatteneinheit 10 angeordnet. Auf der abgewandten Oberfläche der Bipolarplatteneinheit 10 sind ebensolche Dichtungen ausgebildet.
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Um Prozessmedien von den Ports an den Dichtungen vorbeiführen zu können, werden die Prozessmedien zumindest im Dichtungsbereich innen zwischen den Teilplatten hindurchgeführt. 2 zeigt beispielhaft eine Schnittansicht durch einen Dichtungsbereich 18 z.B. am Port 14B der Bipolarplatteneinheit 10, allerdings ohne Darstellung der Dichtung 16B. Die Teilplatten 20 und 22 sind im Dichtungsbereich 18 so strukturiert, dass zwischen ihnen ein Versorgungskanal 24 ausgebildet ist, durch den Prozessmedien zwischen Port 16B und Reaktantenströmungsfeld 12 durchleitbar sind, angedeutet durch die Pfeile in 2, wobei der Versorgungskanal 24 sich vor und hinter der Schnittebene um die sickenförmige Stützstruktur 26 herum erstreckt.
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3 zeigt einen beispielhaften Prozessablauf zur Herstellung der Bipolarplatteneinheit.
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In einem ersten Schritt S1 werden die Teilplatten 20 und 22 als metallische Teilplatten mit den voranstehend beschriebenen Durchbrüchen und Kanalstrukturen bereitgestellt. Die Herstellung der Teilplatten kann mit bekannten Verfahren wie z.B. durch Prägen und/oder Stanzen erfolgen.
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Nun werden im Schritt S2 die Dichtungen 14A bis 14F auf die Teilplatten 20 bzw. 22 aufgebracht, wobei die Teilplatten noch einzeln und in getrenntem Zustand vorliegen. Um eine Veränderung der Plattengeometrie weitgehend zu reduzieren bzw. vollständig zu vermeiden, wird die Versorgungskanalstruktur der Teilplatte in ihrer Form stabilisiert. Hierzu kann ein der Struktur der Teilplatte angepasstes unterstützendes Werkzeug verwendet werden. Vorzugsweise werden die Dichtungen durch ein Spritzgussverfahren ausgebildet. Hierzu wird die Teilplatte 20 bzw. 22 in ein Spritzgusswerkzeug 30 eingelegt, dargestellt in 4. Das Spritzgusswerkzeug ist so ausgestaltet, dass die Schließkräfte des schließenden Werkzeugs 32, dargestellt durch die Pfeile in 4, nicht von der Versorgungskanalstruktur der Teilplatte 20 bzw. 22 aufgenommen werden müssen, sondern durch ein unterstützendes Werkzeug 34, welches die Versorgungskanalstruktur unterstützt und stabilisiert.
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Die Unterstützung der Versorgungskanalstruktur während der Dichtungsausbildung ermöglicht größere Werkzeugschließkräfte und kleiner Anlageflächen für das Werkzeug. Bei herkömmlichen Verfahren, bei denen die Dichtungen erst aufgebracht werden, wenn die Teilplatten bereits miteinander verbunden sind, ist eine wannenartige Dichtkontur 40 mit kragenartig vorstehender Werkzeuganlagefläche 42 notwendig, dargestellt in 2 als strichlierte Linie. Demgegenüber ergeben sich durch das vorgestellte Verfahren neue Gestaltungsspielräume bei der Dimensionierung der Dichtfläche und der Dichtkontur. Insbesondere ist auch das Ausbilden von kleineren Dichtungsbreiten möglich. Vorteilhafterweise bedarf es im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren keiner zusätzlichen Verfahrensschritte.
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Nachdem die Dichtungen auf beiden Teilplatten 20 bzw. 22 ausgebildet sind, werden die Teilplatten in Schritt S3 miteinander zur Bipolarplatteneinheit 10 verbunden, vorzugsweise durch Verschweißen, insbesondere durch Laserstrahlschweißen. Die Schweißnähte können dabei vorzugsweise so angeordnet und ausgebildet werden, dass sie die Kühlkanalstruktur begrenzen und abdichten, durch welche das Kühlmittel durch die Bipolarplatteneinheit leitbar ist.
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Des Weiteren kann in Schritt S4 eine Beschichtung der Teilplatten zur Verbesserung der Leitfähigkeit erfolgen. Die Beschichtung kann alternativ vor oder nach dem Ausbilden der Dichtungen, also vor oder nach Schritt S2 erfolgen oder erst nach dem Verbinden der Teilplatten zur Bipolarplatteneinheit in Schritt S3, wobei bereits ausgebildete Dichtungen ggf. zu maskieren sind.
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Vorteilhafter Weise können mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren schmalere Dichtungen prozesssicher ausgebildet werden, insbesondere kann die Dichtung eine Breite von 5 Millimeter oder weniger, insbesondere eine Breite von 3 bis 5 mm aufweisen. Aus der Dichtungsintegration resultierende Veränderungen der Plattengeometrie lassen sich reduzieren bzw. völlig verhindern, wodurch sich geringe Varianzen im Reaktandenmassestrom über die Platte und zwischen den Zellen einstellen.
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Die Ausführungsbeispiele sind nicht maßstabsgetreu und nicht beschränkend. Abwandlungen im Rahmen des fachmännischen Handelns sind möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 2
- Brennstoff-Einzelzelle
- 3
- Brennstoffzellenstapel
- 4
- Membranelektrodenanordnung
- 10
- Bipolarplatteneinheit
- 12
- Reaktandenströmungsfeld
- 14A–14F
- Durchbrüche
- 16A–16G
- Dichtungen
- 18
- Dichtungsbereich
- 20, 22
- Teilplatten
- 24
- Versorgungskanal
- 26
- Stützstruktur
- 30, 32, 34
- Spritzgusswerkzeug
- 40
- Plattenkontur herkömmliche Dichtung
- 42
- Werkzeuganlagefläche herkömmliche Technik
- S1–S4
- Verfahrensschritte
