DE102018217290A1

DE102018217290A1 - Verfahren zum Abdichten einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102018217290A1
Application number: DE102018217290.0A
Authority: DE
Inventors: Felix Wald
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-10-10
Filing date: 2018-10-10
Publication date: 2020-04-16
Also published as: WO2020074168A1; JP2022502825A; US20210384530A1; CN112805859A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abdichten einer Brennstoffzelle (5) und eine Brennstoffzelle (5) die mit einem solchen Verfahren hergestellt ist. Die Brennstoffzelle (5) weist dabei zumindest eine Membran-Elektroden-Einheit (42) und Bipolarplatten (18, 22) auf. Das Verfahren umfasst dabei die Schritte des stoffschlüssigen Aufbringens eines Dichtungsmaterials (54) auf wenigstens eine Seite der Membran-Elektroden-Einheit (42), des Aufbringens eines Präkursors (62) auf Dichtstellen(58) der wenigstens einen Bipolarplatte (18, 22), des Auflegens der wenigstens einen Bipolarplatte (18, 22) auf die Membran-Elektroden-Einheit (42), so dass die Dichtstellen (58) mit dem Präkursor (62) mit dem Dichtungsmaterial (54) in Kontakt kommen, und des Verpressens der wenigstens einen Bipolarplatten (18, 22) mit der Membran-Elektroden-Einheit (42) unter Druck und/oder unter Temperatur, so dass das Dichtungsmaterial (54) mit der wenigstens einen Bipolarplatte (18, 22) und der Membran-Elektroden-Einheit (42) eine stoffschlüssige Verbindung bildet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abdichten einer Brennstoffzelle und eine Brennstoffzelle, welche mittels eines solchen Verfahrens abgedichtet ist.
Bei Brennstoffzellensystemen wird in der Regel das Oxidationsmittel Sauerstoff aus der Umgebungsluft benutzt, um in der Brennstoffzelle mit Wasserstoff zu Wasser zu reagieren und damit durch elektrochemische Wandlung eine elektrische Leistung zu liefern. Um einen Inneren Teil der Brennstoffzelle zur Umgebung abzutrennen sind in der Brennstoffzelle Dichtungen angeordnet.
Stand der Technik
Aus der DE 10 2012 221 730 A1 ist ein Verfahren zum Abdichten eines Kühlmittelraums einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle bekannt. Bei diesem Verfahren wird eine Dichtung zur Abdichtung des Gasraums derart platziert, dass beide Bipolarplattenhälften der Bipolarplatte durch die Dichtung kontaktiert werden.
Der Hintergrund der Erfindung liegt darin, dass bei einem Brennstoffzellenstack das größte Risiko für einen Fehler bei der Fertigung des Stacks von den Dichtstellen in der Zelle ausgeht. Das Gesamtfehlerrisiko erhöht sich bei einer Gesamtzahl von mehreren 1000 Dichtstellen pro Stack deutlich, so dass sich nach Fertigstellung des Brennstoffzellenstacks eine relativ hohe Ausschussrate an fehlerhaften Brennstoffzellenstacks im Bereich von 10% ergibt. Die hohe Ausschussrate an fehlerhaften Brennstoffzellenstacks erhöht dadurch den Preis der fehlerfreien Brennstoffzellenstacks. Es wird somit ein großer Aufwand getrieben, um die Dichtheit der Dichtungen zu gewährleisten. Dadurch wird der Preis für die Brennstoffzellenstacks zusätzlich erhöht.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Abdichten einer Brennstoffzelle anzugeben, mit welchem die Dichteigenschaften der Dichtstellen verbessert werden und welches eine einfachere und damit wirtschaftlichere Herstellung der Dichtungen ermöglicht.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe wird durch eine Verfahren zum Abdichten einer Brennstoffzelle mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Hinsichtlich einer Brennstoffzelle, die nach dem Verfahren hergestellt ist wird auf Anspruch 8 verwiesen. Die jeweils rückbezogenen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Abdichten einer Brennstoffzelle umfasst dabei die Schritte des stoffschlüssigen Aufbringens eines Dichtungsmaterials auf wenigstens eine Seite der Membran-Elektroden-Einheit, des Aufbringens eines Präkursors auf Dichtstellen der wenigstens einen Bipolarplatte, des Auflegen der wenigstens einen Bipolarplatte auf die Membran-Elektroden-Einheit, so dass die Dichtstellen mit dem Präkursor mit dem Dichtungsmaterial in Kontakt kommen, und des Verpressens der wenigstens einen Bipolarplatten mit der Membran-Elektroden-Einheit unter Druck und/oder unter Temperatur, so dass das Dichtungsmaterial mit der wenigstens einen Bipolarplatte und der Membran-Elektroden-Einheit eine stoffschlüssige Verbindung bildet.
Ein Präkursor im Sinne der Erfindung ist etwas, das vor einer anderen Sache passierte oder existierte, und einen Einfluss darauf hat. Der Präkursor bestimmt dabei maßgeblich die späteren Dichteigenschaften des Dichtungsmaterials.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Abdichten einer Brennstoffzelle gibt ein einfaches Verfahren an, mit dem das Dichtungsmaterial mit der Membran-Elektroden-Einheit und den Bipolarplatten stoffschlüssig verbunden werden kann. Dadurch ist eine wirtschaftliche Fertigung einer solchen Dichtung möglich.
Zusätzlich hat eine derart hergestellte Abdichtung den Vorteil, dass eine hohe Dichtigkeit ermöglicht wird. Dadurch kann die Ausschussrate der Brennstoffzellen, aufgrund einer mangelhaften Dichtung, wesentlich reduziert werden. Zusätzlich werden dadurch die Kosten zur Herstellung einer solchen Brennstoffzelle reduziert.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird als Präkursor ein Primer oder ein Vulkanisiermittel verwendet. Primer sind Haftvermittler, mit denen die Adhäsionseigenschaften von Oberflächen verbessert wird. Dadurch können die Dichteigenschaften eines Dichtungsmaterial verbessert werden.
Ein Vulkanisiermittel ist ein Mittel mit dem ein chemischer Prozess zur Umwandlung von Kautschuk oder verwandte Polymere in mehr haltbaren Materialien über die Zugabe von z.B. Schwefel vollzogen wird. Diese Zusätze verändern das Polymer durch die Bildung von Vernetzungen (Brücken) zwischen den einzelnen Polymerketten. Dadurch wird eine besonders haltbare Verbindung zu den Bipolarplatten gebildet, wodurch die Dichteigenschaften wesentlich verbessert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung wird als Dichtungsmaterial FKM oder EPDM verwendet. EPDM weist eine sehr gute Alterungsbeständigkeit auf. Zudem ist EPDM beständig gegen Sauerstoff. FKM weist eine gute Hitzebeständigkeit, eine geringe Gasdurchlässigkeit und eine hervorragende Alterungsbeständigkeit auf. Durch FKM oder EPDM kann somit ein Dichtungsmaterial mit hervorragenden Dichteigenschaften geschaffen werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird an der Bipolarplatte vor oder nach dem Aufbringen des Präkursors eine Sicke ausgeformt. Eine Sicke im Sinne der Erfindung ist eine manuell oder maschinell hergestellte rinnenförmige Vertiefung. Diese Sicke hat den Vorteil, dass die Steifigkeit der Bipolarplatte erhöht wird, so dass nach einem Verspannen der Bipolarplatten eine ausreichend hohe Anpresskraft auf das Dichtungsmaterial aufbringbar ist.
Zudem wird ein Querschnitt eines abzudichtenden Bereiches verkleinert, so dass die Sicke über einen signifikanten Teil der Dichtungshöhe eine metallische Barriere ausbildet. Dadurch wird die Gasdiffusion durch das Dichtungsmaterial reduziert. Zusätzlich weist die Sicke den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizient auf wie das Basismaterial der Bipolarplatte. Dadurch werden die thermischen Eigenschaften verbessert, so dass eine thermische Ausdehnung der Sicke zu einer zusätzlichen Verpressung an den Dichtstellen führt und damit die Dichtigkeit der Dichtstellen erhöht.
Vorzugsweise wird das Dichtungsmaterial aufgedruckt. Ein Aufdrucken des Dichtungsmaterials kann einfach im Zuge einer automatisierten Fertigung eingefügt werden, so dass ein derart aufgebrachtes Dichtungsmaterial wirtschaftlich herstellbar ist.
Besonders bevorzugt wird das Dichtungsmaterial mittels eines Siebdruckverfahrens aufgedruckt. Durch ein Siebdruckverfahren kann ein qualitativ hochwertiges Dichtungsmaterial effizient in einer Serienproduktion hergestellt werden. Somit werden dadurch die Dichteigenschaften eines damit hergestellten Dichtungsmaterials verbessert. Zudem ist ein derart hergestelltes Dichtungsmaterial bei einer hohen Stückzahl wirtschaftlich herstellbar.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung wird das Dichtungsmaterial aufgespritzt. Das vorgeschlagene Aufspritzen von Dichtungsmaterial trägt maßgeblich zur kostengünstigen Fertigung bei.
Die Aufgabe der Erfindung wird zusätzlich durch eine Brennstoffzelle, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren abgedichtet ist, gelöst. Die Brennstoffzelle umfasst dabei wenigstens eine Membran-Elektroden-Einheit, auf welcher ein Dichtungsmaterial stoffschlüssig aufgebracht ist, und Bipolarplatten, welche Dichtstellen aufweisen, die an dem Dichtungsmaterial der Membran-Elektroden-Einheit anliegen und eine dichtende Verbindung ausbilden, wobei an den Dichtstellen wenigstens einer Bipolarplatte ein Präkursor aufgebracht ist, so dass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Dichtungsmaterial und der wenigstens einen Bipolarplatte gebildet ist.
Mit einer solchen Brennstoffzelle, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren abgedichtet ist können die zu dem Verfahren genannten Vorteile erzielt werden.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Präkursor ein Primer oder ein Vulkanisiermittel. Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Dichtungsmaterial FKM oder EPDM. Damit können die bereits zu dem Verfahren genannten Vorteile erzielt werden.
Vorzugsweise weisen die Bipolarplatten an den Dichtstellen eine Sicke auf. Die Sicken weisen dabei die bereits zu dem Verfahren genannten Vorteile auf.
Die Aufgabe der Erfindung wird darüber hinaus durch einen Brennstoffzellenstack mit wenigstens einer Brennstoffzelle, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren abgedichtet ist gelöst. Die Erfindung gibt zusätzlich ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellenstack an. Mit einem solchen Brennstoffzellenstack bzw. eines Kraftfahrzeuges, welches einen solchen Brennstoffzellenstack aufweist können die zuvor genannten Vorteile erzielt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

1 Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzelle, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren abgedichtet ist.

1 zeigt eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzelle 5, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren abgedichtet ist. Dieses Verfahren wird an einem Ausschnitt einer Einzelzelle der Brennstoffzelle 5 erläutert. Die Brennstoffzelle 5 ist gebildet aus einer Sicken 14 aufweisenden Kathoden-Bipolarplatte 18. Spiegelverkehrt zu der Kathoden-Bipolarplatte 18 ist eine Anoden-Bipolarplatte 22 angeordnet, so dass sich die Sicken 14 beider Bipolarplatten 18, 22 gegenüber liegen. Dadurch werden zwischen der Kathoden-Bipolarplatte 18 und der Anoden-Bipolarplatte 22 Kanäle 26 ausgebildet.
Innerhalb der Kanäle 26 ist ein Schichtaufbau 30 angeordnet. Dieser Schichtaufbau 30 ist beispielhaft an einem Kanal 26 gezeigt. Der Schichtaufbau 30 besteht dabei aus einer ersten und einer zweiten Gasdiffusionslage 34, 38, welche über eine Membran-Elektroden-Einheit 42 getrennt sind. Zwischen der ersten Gasdiffusionslage 34 und der Kathoden-Bipolarplatte 18 strömt der Sauerstoff 46, welcher für die Oxidation benötigt wird. Zwischen der zweiten Gasdiffusionslage 38 und der Anoden-Bipolarplatte 22 strömt der als Brennstoff vorzugsweise verwendete Wasserstoff 50.
An den Stellen, an denen sich die Sicken 14 der Kathoden-Bipolarplatte 18 und der Anoden-Bipolarplatte 22 gegenüberliegen, ist auf der Membran-Elektroden-Einheit 42 ein Dichtungsmaterial 54 stoffschlüssig aufgebracht. An Bereichen der Sicken 14, welche mit dem Dichtungsmaterial 54 in Kontakt kommen, sind Dichtstellen 58 ausgebildet. An diesen Dichtstellen 58 ist vor dem Auflegen der Bipolarplatten 18, 22 ein Präkursor 62 aufgebracht worden.
An den Dichtstellen 58 treten, wie zuvor bereits beschrieben, die meisten Fehler auf. An diesen Dichtstellen 58 kommt es aufgrund eines unzureichenden Kontaktes zu Undichtigkeiten einer solchen Brennstoffzelle 5.
In einem nächsten Schritt werden die Bipolarplatte 18, 22 bei hoher Temperatur und Druck miteinander verpresst, so dass sich an den Dichtstellen 58, wo Präkursor 62 aufgetragen ist, eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Dichtungsmaterial 54 und der jeweiligen Bipolarplatte 18, 22 bildet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012221730 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Abdichten einer Brennstoffzelle (5), wobei die Brennstoffzelle (5) zumindest eine Membran-Elektroden-Einheit (42) und Bipolarplatten (18, 22) aufweist, gekennzeichnet durch folgende Schritte: - stoffschlüssiges Aufbringen eines Dichtungsmaterials (54) auf wenigstens eine Seite der Membran-Elektroden-Einheit (42), - Aufbringen eines Präkursors (62) auf Dichtstellen(58) der wenigstens einen Bipolarplatte (18, 22), - Auflegen der wenigstens einen Bipolarplatte (18, 22) auf die Membran-Elektroden-Einheit (42), so dass die Dichtstellen (58) mit dem Präkursor (62) mit dem Dichtungsmaterial (54) in Kontakt kommen, und - Verpressen der wenigstens einen Bipolarplatten (18, 22) mit der Membran-Elektroden-Einheit (42) unter Druck und/oder unter Temperatur, so dass das Dichtungsmaterial (54) mit der wenigstens einen Bipolarplatte (18, 22) und der Membran-Elektroden-Einheit (42) eine stoffschlüssige Verbindung bildet.
Verfahren zum Abdichten einer Brennstoffzelle (5) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Präkursor (62) ein Primer oder ein Vulkanisiermittel verwendet wird.
Verfahren zum Abdichten einer Brennstoffzelle (5) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Dichtungsmaterial (54) FKM oder EPDM verwendet wird.
Verfahren zum Abdichten einer Brennstoffzelle (5) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Bipolarplatte (18, 22) vor oder nach dem Aufbringen des Präkursors (62) eine Sicke (14) ausgeformt wird.
Verfahren zum Abdichten einer Brennstoffzelle (5) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungsmaterial (54) aufgedruckt wird.
Verfahren zum Abdichten einer Brennstoffzelle (5) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungsmaterial (54) mittels eines Siebdruckverfahrens aufgedruckt wird.
Verfahren zum Abdichten einer Brennstoffzelle (5) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungsmaterial (54) aufgespritzt wird.
Brennstoffzelle (5), welche mittels eines Verfahrens zum Abdichten nach einem der vorherigen Ansprüche abgedichtet ist, wobei die Brennstoffzelle (5) umfasst: - wenigstens eine Membran-Elektroden-Einheit (42), auf welcher ein Dichtungsmaterial (54) stoffschlüssig aufgebracht ist, und - Bipolarplatten (18, 22), welche Dichtstellen (58) aufweisen, die an dem Dichtungsmaterial (54) der Membran-Elektroden-Einheit (42) anliegen und eine dichtende Verbindung ausbilden, wobei an den Dichtstellen (58) wenigstens einer Bipolarplatte (18, 22) ein Präkursor (62) aufgebracht ist, so dass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Dichtungsmaterial (54) und der wenigstens einen Bipolarplatte (18, 22) gebildet ist.
Brennstoffzelle (5) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Präkursor (62) ein Primer oder ein Vulkanisiermittel ist.
Brennstoffzelle (5) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungsmaterial (54) FKM oder EPDM ist.
Brennstoffzelle (5) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatten (18, 22) an den Dichtstellen (58) eine Sicke (14) aufweisen.
Brennstoffzellenstack mit wenigstens einer Brennstoffzelle (5) nach einem der Ansprüche 8 bis 11.
Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellenstack nach Anspruch 12.