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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Dichtungskörper für eine Brennstoffzelle und Verfahren zum Herstellen einer solchen Brennstoffzelle .
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Eine Brennstoffzelle ist aus Bipolarplatten, Dichtungen, Gasdiffusionslagen (GDL) sowie der Membranelektrodeneinheit (MEA) aufgebaut. Die MEA besteht aus der Membran und der Katalysatorschicht. Für einen technischen Einsatz der Brennstoffzelle, insbesondere im Leistungsbereich der Kraftfahrzeuge, ist der Aufbau von Brennstoffzellenstapeln erforderlich. Für den Aufbau wird die Anode der einen Zelle mit der Kathode der nächsten Zelle durch eine elektrisch leitfähige Strömungsverteilerplatte verbunden, so dass sich eine elektrische Serienschaltung der Zelle ergibt. Für einen Brennstoffzellenstack werden also mehrere Einzelzellen in Reihe geschaltet. Für den automobilen Einsatz besteht ein Stack aus 200 bis 400 Einzelzellen. Die Funktionen eines Brennstoffzellenstacks sind neben der Abdichtung aller einzelnen Gasräume auch die Zufuhr und homogene Verteilung der Reaktanten Wasserstoff und Luft. Die Temperierung des Stacks auf Betriebstemperatur und der elektrische Berührschutz durch potentialfreie Endplatten sind ebenfalls Aufgaben eines Bren nstoffzellenstacks.
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Stand der Technik
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Aus der
EP 2 869 376 A1 ist es bekannt einen Brennstoffzellenstapel zu bilden, der durch Schichten einer Mehrzahl von zuvor durch Schichten einer Vielzahl von Brennstoffzelleneinheitszellen gebildeten Zellenmodulen zusammengesetzt wird.
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Der Hintergrund der Erfindung liegt darin, dass bei Dichtungskörpern des Standes der Technik, der Dichtungskörper vor einem Stapelprozess an die Bipolarplatten angespritzt werden muss. Dadurch ist kein automatisiertes Stapeln möglich. Auch die empfindliche Membranelektrodeneinheit, welche eine vorsichtige Handhabung während der Montage benötigt, macht einen automatisierten Stapelprozess unmöglich. Dadurch ist der Herstellungsprozess aufwändig, zeitintensiv und teuer. Durch einen wenigstens teilautomatisierten Stapelprozess könnten jedoch die Herstellungskosten wesentlich reduziert werden.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten Dichtungskörper für eine Brennstoffzelle anzugeben, mit welchem eine Brennstoffzelle einfacher und wirtschaftlicher herstellbar ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe wird durch einen Dichtungskörper für eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Die jeweils rückbezogenen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
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Die Erfindung gibt einen Dichtungskörper für eine Brennstoffzelle an, wobei die Brennstoffzelle eine erste Gasdiffusionslage, eine zweite Gasdiffusionslage, eine Membranelektrodeneinheit, welche zwischen den Gasdiffusionslagen angeordnet ist, eine Kathoden Bipolarplatte, welche an der ersten Gasdiffusionslage anliegt, eine Anoden Bipolarplatte, welche an der zweiten Gasdiffusionslage anliegt, und eine Dichtstelle, welche aus einer der Bipolarplatten und einer Dichtung gebildet ist, umfasst. Der Dichtungskörper bildet dabei die Dichtung und ein Trägerelement aus, durch welches die Membranelektrodeneinheit aufnehmbar ist.
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Als Trägerelement im Sinne der Erfindung wird ein Bauteil der Brennstoffzelle verstanden, welches die Membranelektrodeneinheit trägt, so dass die Membranelektrodeneinheit nur über das Trägerelement, welches eine größere Steifigkeit aufweist als die Membranelektrodeneinheit, handhabbar ist. Als Dichtstelle wird eine Stelle verstanden, bei welcher die Dichtung zusammen mit einem Gegenstück eine dichtende Verbindung bildet. Als Dichtungskörper wird dabei der durch alle Dichtungen gebildete Dichtungsteil verstanden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Dichtungskörper für eine Brennstoffzelle werden das Trägerelement und die Dichtung in einem Bauteil ausgeformt. Dadurch fällt ein Anspritzschritt des Dichtungskörpers an die Bipolarplatte weg. Der Dichtungskörper kann dadurch in einem automatisierten Stapelprozess gestapelt werden. Zudem ist die Membranelektrodeneinheit durch das Trägerelement des Dichtungskörpers gehalten, so dass die Handhabung der Membranelektrodeneinheit vereinfacht wird. Dies ermöglicht auch ein automatisiertes Stapeln der Membranelektrodeneinheit. Dadurch können die Verfahrensschritte zum Herstellen der Brennstoffzelle vereinfacht und damit eine mit einem solchen Dichtungskörper hergestellte Brennstoffzelle wirtschaftlicher im Zuge eines automatisierten Stapelprozesses hergestellt werden.
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Vorzugsweise sind dabei die Membranelektrodeneinheit und die Gasdiffusionslagen lediglich lose, d.h. ohne eine direkte Befestigung, von dem Trägerelement aufgenommen. Dadurch kann eine Brennstoffzelle mit einem solchen Dichtungskörper ohne zusätzliche Befestigungs- oder Positionierungsschritten hergestellt werden. Dies reduziert die Kosten einer mit einem solchen Dichtungskörper hergestellten Brennstoffzelle.
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Vorteilhafterweise formt das Trägerelement eine Mulde aus, in welcher die Membranelektrodeneinheit gehalten ist. Diese Mulde ist dabei bevorzugt derart ausgeformt, dass die Membranelektrodeneinheit und die Gasdiffusionslagen darin ohne Fixierung haltbar ist. Dazu bildet die Mulde vorzugsweise einen Überdeckungsbereich aus, über welchen die Membranelektrodeneinheit gehalten ist. Die Membranelektrodeneinheit und die Gasdiffusionslagen liegen in der Mulde somit lediglich auf dem Überdeckungsbereich auf. Durch den Überdeckungsbereich kann somit eine Auflage für die Membranelektrodeneinheit und die Gasdiffusionslagen gebildet werden, wohingegen in einem Bereich, wo die Membranelektrodeneinheit und die Gasdiffusionslagen nicht aufliegt die chemische Reaktion stattfinden kann. Es wird somit eine Tragfunktion geschaffen, mit welcher die Funktion der Membranelektrodeneinheit und der Gasdiffusionslagen nicht wesentlich beeinträchtigt wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die erste Gasdiffusionslage und/oder die zweite Gasdiffusionslage an dem Trägerelement fixierbar. Fixiert im Sinne der Erfindung ist ein Zustand, bei welchem die fixierte Gasdiffusionslage unverschieblich mit dem Trägerelement verbunden ist. Dies kann dabei beispielsweise eine stoffschlüssig Verbindung sein. Dadurch ist die Gasdiffusionslage sicherer von dem Trägerelement aufgenommen. Es kann dadurch zu keiner Verschiebung der fixierten Gasdiffusionslage während der Fertigung kommen, so dass Ausschussteile aufgrund eines Verschiebens der Gasdiffusionslage vermieden werden können. Dadurch kann eine wirtschaftlichere Fertigung realisiert werden.
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Zudem kann eine Überdeckung reduziert werden, so dass mehr Fläche der Membranelektrodeneinheit nutzbar ist und die Effizienz der Brennstoffzelle höher ist, im Vergleich zu einer Brennstoffzelle mit größerer Überdeckung.
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Als Fixierung wird in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgeschlagen, dass die Gasdiffusionslage an dem Trägerelement anschweißbar und/oder anklebbar ist. Diese Fixierungstechniken sind einfach in den Herstellungsprozess integrierbar.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind das Trägerelement und die Dichtung aus einem gleichen oder unterschiedlichen Material. Der Vorteil bei gleichem Material ist, dass das Trägerelement im Zuge der Fertigung in einem mit der Dichtung herstellbar ist. Dadurch kann eine wirtschaftliche Fertigung realisiert werden. Der Vorteil bei unterschiedlichen Materialien liegt darin, dass das Material für die Dichtung und das Trägerelement optimal hinsichtlich der Funktion und der Materialkosten auswählbar ist. Dadurch kann eine Brennstoffzelle gefertigt werden, welche eine hohe Qualität aufweist und die hinsichtlich der Materialkosten optimiert ist.
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Gemäß einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung besteht die Dichtung aus einem thermoplastischen Elastomer. Ein thermoplastisches Elastomer hat den Vorteil, dass dieses gut verarbeitbar ist und besonders vorteilhafte Eigenschaften für eine Dichtung aufweist. Dadurch kann somit eine wirtschaftliche Fertigung bei hoher Qualität kombiniert werden.
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Auch ist es möglich für das Trägerelement einen Thermoplast wie z.B. PP und für die Dichtung einen thermoplastischen Elastomer (TPE) zu verwenden. Ebenso ist es auch möglich für das Trägerelement einen Thermoplast wie z.B. PP in Kombination mit einem thermoplastischen Elastomer wie z.B. PP/EPDM und für die Dichtung einen Elastomer wie z.B. EPDM zu verwenden. Es sind somit vielfältige Kombinationen möglich, um die optimalen Eigenschaften für das Trägerelement und die Dichtung zu realisieren.
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Bevorzugt ist die Dichtung an beiden Bipolarplatten dichtend anlegbar. Es wird dadurch lediglich eine Dichtung gefertigt, die an beiden Bipolarplatten anliegt, so dass die Anzahl der benötigten Dichtungen reduzierbar ist.
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Die Aufgabe der Erfindung wird zusätzlich durch ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle mit dem erfindungsgemäßen Dichtungskörper gelöst. Das Verfahren umfasst dabei die Verfahrensschritte des Ausbildens des Dichtungskörpers mit dem Trägerelement und der daran angeformten Dichtung, des Aufbringens der Membranelektrodeneinheit und der ersten und zweiten Gasdiffusionslage auf das Trägerelement, und des Auflegens der Bipolarplatten auf beiden Seiten des Dichtungskörpers, so dass die Dichtung mit den Bipolarplatten eine dichtende Verbindung bildet. Eine derart gefertigte Brennstoffzelle ist entsprechend der Vorteile zu dem Dichtungskörper einfacherer und wirtschaftlicher herstellbar.
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Vorzugsweise wird die erste Gasdiffusionslage und/oder die zweite Gasdiffusionslage an dem Trägerelement fixiert. Durch eine Fixierung sind die Gasdiffusionslagen und die Membranelektrodeneinheit während der Herstellung nicht verschieblich. Es werden somit während der Fertigung die gleichen Vorteile erzielt, die bereits zu dem entsprechenden Merkmal des Dichtungskörpers genannt wurden.
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Es wird auch ein Brennstoffzellenstack vorgeschlagen, welcher den erfindungsgemäßen Dichtungskörper umfasst. Dieser Brennstoffzellenstack weist dabei die gleichen Vorteile auf, welche zu dem Dichtungskörper genannt wurden.
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Der Dichtungskörper findet vorteilhafterweise Verwendung in einem Kraftfahrzeug. Dadurch können die zu dem Dichtungskörper genannten Vorteile erzielt werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 Schnitt durch eine Brennstoffzelle mit einem Dichtungskörper nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 Schnitt durch eine Brennstoffzelle mit einem Dichtungskörper nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 3 Draufsicht auf den Dichtungskörper nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
- 4 Dichtungskörper nach 3 mit eingelegter Membranelektrodeneinheit und Gasdiffusionslagen.
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1 zeigt einen Schnitt durch eine Brennstoffzelle 10 mit einem Dichtungskörper 12 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Brennstoffzelle 10 umfasst dabei eine Membranelektrodeneinheit 14, an der eine erste Gasdiffusionslage 18 und eine zweite Gasdiffusionslage 22 beidseitig anliegen. Der Dichtungskörper 12 umfasst ein Trägerelement 26, welches eine Mulde 30 ausbildet, in welcher die Membranelektrodeneinheit 14 und die erste und zweite Gasdiffusionslage 18, 22 aufgenommen sind. Die Mulde 30 weist einen Freischnitt 34 auf, bei welchem das Trägerelement 26 unterbrochen ist. Die Membranelektrodeneinheit 14 und die erste und zweite Gasdiffusionslage 18, 22 werden in der Mulde 30 durch einen Überdeckungsbereich 38, welcher in einem Randbereich 40 der zweiten Gasdiffusionslage 22 mit dieser in Kontakt ist, gehalten.
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Der Dichtungskörper 12 umfasst zusätzlich Dichtungen 42, welche zusammen mit dem Trägerelement 26 ausgeformt sind. Die Dichtung 42 bildet mit einer Kathoden Bipolarplatte 46 und einer Anoden Bipolarplatte 50 der Brennstoffzelle 10, Dichtstellen 54 aus, über welche die Brennstoffzelle 10 nach außen abgedichtet ist.
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2 zeigt einen Schnitt durch die Brennstoffzelle 10 mit einem Dichtungskörper 12 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich insbesondere dadurch von dem ersten Ausführungsbeispiel, dass beim zweiten Ausführungsbeispiel die Gasdiffusionslagen 18, 22 an dem Trägerelement 26 durch Schweißstellen 56 angeschweißt sind. Dadurch sind die Membranelektrodeneinheit 14 und die erste und zweite Gasdiffusionslage 18, 22 in der Mulde 30 fixiert. Dadurch kann der Überdeckungsbereich 38 im zweiten Ausführungsbeispiel, im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel, deutlich kleiner ausgebildet werden, so dass eine größere Fläche der Membranelektrodeneinheit 14 nutzbar ist.
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In 3 ist eine Draufsicht auf den Dichtungskörper 12 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. In dieser Figur ist deutlich der Freischnitt 34 des Trägerelementes 26 erkennbar. Der Freischnitt 34 wird von dem Überdeckungsbereich 38 umrahmt. In dem Trägerelement 26 sind zusätzlich Versorgungskanäle 58 ausgebildet, in welchem z.B. Gas oder Kühlmittel für die Brennstoffzelle 10 fließt. In der 3 sind zusätzlich die Dichtungen 42 gezeigt, welche von dem Trägerelement 26 ausgebildet werden und über die die Versorgungskanäle 58 und Brennstoffzelle 10 abgedichtet sind.
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4 zeigt den Dichtungskörper 12 nach 3 mit eingelegten Membranelektrodeneinheit 14 und Gasdiffusionslagen 18, 22. Da die Membranelektrodeneinheit 14 in 4 unterhalb der ersten Gasdiffusionslagen 18 angeordnet ist, ist diese gestrichelt angedeutet. Die zweite Gasdiffusionslage 22, welche in dieser Figur unterhalb der Membranelektrodeneinheit 14 angeordnet ist, liegt auf dem Überdeckungsbereich 38 (siehe 3) auf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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