DE102018217291A1

DE102018217291A1 - Verfahren zum Abdichten einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102018217291A1
Application number: DE102018217291.9A
Authority: DE
Inventors: Anton Ringel; Andreas Ringk
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: WO2020074169A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abdichten einer Brennstoffzelle und eine Brennstoffzelle die mit einem solchen Verfahren hergestellt ist. Das Verfahren zum Abdichten einer Brennstoffzelle umfasst dabei die Schritte des Aufbringens einer Polymerfolie (10) auf wenigstens eine Dichtstelle (30) der Brennstoffzelle, und des Aufbringens von Druck und/oder Temperatur auf die Polymerfolie (10), so dass die Polymerfolie (10) mit der Dichtstelle (30) 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 ein Verfahren zum Abdichten einer Brennstoffzelle mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Hinsichtlich einer Brennstoffzelle, die nach dem Verfahren hergestellt ist wird auf Anspruch 11 verwiesen. Die jeweils rückbezogenen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Abdichten einer Brennstoffzelle umfasst dabei die Schritte des Aufbringens einer Polymerfolie auf wenigstens eine Dichtstelle der Brennstoffzelle, und des Aufbringens von Druck und/oder Temperatur auf die Polymerfolie, so dass die Polymerfolie mit der Dichtstelle eine stoffschlüssige Verbindung bildet.
Als Dichtstelle im Sinne der Erfindung wird dabei ein Bereich auf einem Strukturelement der Brennstoffzelle verstanden, auf welchen die Polymerfolie aufzubringen ist, so dass über eine Verbindung der Polymerfolie mit der Dichtstelle an dieser Stelle eine Abdichtung für die Brennstoffzelle gebildet wird.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass über die Polymerfolie eine Dichtung als gesamte Einheit in einem Schritt aufbringbar ist. Es müssen dadurch nicht mehrere einzelne Dichtungen aufgebracht werden. Im Gegensatz zu dem Stand der Technik muss zusätzlich kein Klebstoff aufgebracht werden, um die als Dichtung verwendete Polymerfolie stoffschlüssig mit der Dichtstelle zu verbinden.
Da die Polymerfolie stoffschlüssig mit der Dichtstelle verbindbar ist, ist die Polymerfolie somit Dichtung und Klebstoff in einem. Dadurch können viele Verfahrensschritte, mit welchen die Dichtungen und der Klebstoff aufgebracht werden, eingespart werden. Durch das Verfahren wird somit eine Abdichtung mit guten Dichteigenschaften geschaffen, welche zudem noch einfach und wirtschaftlich herstellbar ist.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird die Polymerfolie vor dem Auflegen auf die wenigstens eine Dichtstelle vorgestanzt. Durch ausstanzen der Bereiche, die nicht abgedichtet werden sollen, wird in einem Arbeitsschritt eine Polymerfolie geschaffen, welche alle abzudichtenden Bereiche einer Lage der Brennstoffzelle abdichtet. Dadurch wird auf einfache und damit wirtschaftliche Weise eine Dichtung hergestellt, die die Dichtstelle abdichtet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung wird als Polymerfolie eine Folie, die aus Epoxy-Material mit anorganischen Füllstoffen besteht, verwendet. Als anorganische Füllstoffe kommen dabei beispielsweise SiO₂, Al₂O₃ oder BN in Frage. Diese Füllstoffe bieten eine besonders hohe Barrierewirkung bezüglich Mediendiffusionen und hohe mechanische Festigkeiten. Dadurch kann eine robuste Abdichtung, insbesondere bei den für den Automobilbau üblichen Umgebungsbedingungen geschaffen werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Schritt des Aufbringens von Druck und/oder Temperatur, nach dem Aufbringen von wenigstens zwei Polymerfolien auf wenigstens zwei Dichtstellen durchgeführt. Dabei können bspw. mehrere Lagen einer Brennstoffzelle übereinander gestapelt werden und die Polymerfolie kann in einem Verfahrensschritt unter Druck und/oder Temperatur mit den Dichtstellen verbunden werden. Dadurch werden Herstellungsschritte eingespart, so dass das Fertigungsverfahren kosteneffektiv durchführbar ist.
Vorzugsweise wird vor dem Schritt des Aufbringens der Polymerfolie wenigstens ein die Adhäsion der Polymerfolie verbessernder Schritt an der wenigstens einen Dichtstelle durchgeführt. Die Dichtstelle wird dabei bearbeitet, so dass eine Anhaftung der Polymerfolie an der Dichtstelle verbessert ist. Dadurch wird eine höhere Fehlerfreiheit der Abdichtung erzielt. Dies wiederum senkt die Kosten bei der Herstellung einer derart hergestellten Brennstoffzelle.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung wird bei dem die Adhäsion der Polymerfolie verbessernden Schritt, die wenigstens eine Dichtstelle gereinigt, so dass Kontaminationen entfernt werden. Bei einer Reduzierung der Kontaminationen auf der Dichtstelle kann die Anhaftung der Polymerfolie an der Dichtstelle verbessert werden, so dass eine höhere Fehlerfreiheit der Abdichtung erzielt wird. Dabei werden die Kosten für die Herstellung einer derart hergestellten Brennstoffzelle gesenkt.
Bevorzugt wird bei dem die Adhäsion der Polymerfolie verbessernden Schritt, ein Verfahrensschritt durchgeführt, mit welchem ein Oxid an der wenigstens einen Dichtstelle gebildet wird. Über die Oxidschicht können kovalente Bindungen, Wasserstoffbrückenbindungen, lonenbindungen und Dipol-Dipol-Wechselwirkungen erzielt werden. Dadurch wird eine spezifische Adhäsion verbessert. Die Fehlerfreiheit der Abdichtung wird dadurch weiter verbessert.
Alternativ oder zusätzlich wird bei dem die Adhäsion der Polymerfolie verbessernden Schritt, die Dichtstelle aufgeraut. Durch ein Aufrauen der Dichtstelle kann die Polymerfolie sich besser an der Dichtstelle verkrallen, so dass eine mechanische Adhäsion verbessert wird. Dies führt zu einer zusätzlichen Verbesserung der Abdichtung.
Bei einer bevorzugten Ausführung wird das Aufrauen über ein Laser- und/oder ein Sandstrahlverfahren durchgeführt. Mittels des Sandstrahlverfahrens kann auf einfache Weise eine Aufrauhung erzielt werden. Das Laserverfahren hat abgesehen davon, dass damit auf einfache Weise eine Aufrauhung erzielt werden kann, den Vorteil, dass gleichzeitig ein Oxid auf der Dichtstelle gebildet wird, so dass die mechanische und die spezifische Adhäsion verbessert werden. Dies führt zu einer höheren Fehlerfreiheit einer derart hergestellten Abdichtung.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung wird als Polymerfolie eine Folie mit einer Dicke von 10-400µm verwendet.
Die Aufgabe der Erfindung wird zusätzlich durch eine Brennstoffzelle, welche wenigstens eine Dichtstelle aufweist, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Abdichten der Brennstoffzelle abgedichtet ist, gelöst. Mit einer solchen Brennstoffzelle, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren abgedichtet ist können die zu dem Verfahren genannten Vorteile erzielt werden.
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 zeigen:

1 Perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebrachten Polymerfolie,
2 Längsschnittansicht eines Trennstücks nach 1, und
3 Vergrößerte Ansicht einer aufgerauten Dichtstelle mit aufgelegter Polymerfolie.

1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebrachten Polymerfolie 10. Diese Polymerfolie 10 ist in dem Ausführungsbeispiel exemplarisch auf ein Trennstück 14 aufgebracht. Dieses Trennstück 14 weist dabei Reduktionsmittel-Verteileröffnungen 18 auf, über welche ein Reduktionsmittel transportierbar ist. Darüber hinaus weist das Trennstück 14 dementsprechend Kühlmittel-Verteileröffnungen 22 und Oxidationsmittel-Verteileröffnungen 26 auf, über welche eine Kühlmittel bzw. ein Oxidationsmittel transportierbar ist.
Um eine entsprechende Funktion der Verteileröffnungen 18, 22, 26 zu gewährleisten müssen die Verteileröffnungen 18, 22, 26 nach außen bzw. teilweise auch zu einem inneren Bereich des Trennstücks 14 abgedichtet sein. Dies macht eine Abdichtung schwierig. Durch das Aufbringen der bereits vorgestanzten Polymerfolie 10 können die entsprechenden Bereiche abgedichtet oder frei bleiben. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel umgibt die Polymerfolie 10 jede Verteileröffnung 18, 22, 26. Zusätzlich ist die Polymerfolie an einem gesamten Randbereich 28 des Trennstücks 14 angeordnet.
In 2 ist eine Längsschnittansicht des Trennstücks 14 nach 1 gezeigt. In dieser Figur ist zu erkennen wie die Polymerfolie 10 auf eine Dichtstelle 30 des Trennstücks 14 aufgebracht ist. Die Polymerfolie 10 hat dabei eine Dicke d. Bei den schraffierten Bereichen ist die Polymerfolie 10 geschnitten. Um die Polymerfolie 10 stoffschlüssig mit der Dichtstelle 30 zu verbinden, wird auf die Polymerfolie 10 Druck und Temperatur aufgebracht.
3 zeigt eine vergrößerte Ansicht einer aufgerauten Dichtstelle 30 mit aufgelegter Polymerfolie 10. Die Dichtstelle 30 weist nach dem Aufrauschritt eine Berg-Tal-Struktur 34 auf. Diese Berg-Tal-Struktur 34 ist dabei mittels eines Laserverfahrens erzeugt worden, so dass sich zusätzlich ein Oxid 38 an der Oberfläche der Dichtstelle 30 bildet. Die Polymerfolie 10 kann sich dabei besser an der Berg-Tal-Struktur 34 verkrallen, so dass die Adhäsion der Polymerfolie 10 an der Dichtstelle 30 verbessert ist. Dies verbessert die mechanische Adhäsion. Durch das Oxid 38 wird eine spezifische Adhäsion zwischen der Dichtstelle 30 und der Polymerfolie 10 gebildet, wodurch die Adhäsion zwischen Dichtstelle 30 und Polymerfolie 10 weiter verbessert ist.
Zusätzlich können durch ein Reinigen der Dichtstelle 30 vor einem Aufbringen der Polymerfolie 10, Kontamination (nicht gezeigt), welche die spezifische Adhäsion verschlechtern, die Adhäsion weiter verbessert werden.
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 102012221730 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Abdichten einer Brennstoffzelle, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: - Aufbringen einer Polymerfolie (10) auf wenigstens eine Dichtstelle (30) der Brennstoffzelle, und - Aufbringen von Druck und/oder Temperatur auf die Polymerfolie (10), so dass die Polymerfolie (10) mit der Dichtstelle (30) eine stoffschlüssige Verbindung bildet.
Verfahren zum Abdichten einer Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerfolie (10) vor dem Auflegen auf die wenigstens eine Dichtstelle (30) vorgestanzt wird.
Verfahren zum Abdichten einer Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Polymerfolie (10) eine Folie, die aus Epoxy-Material mit anorganischen Füllstoffen besteht, verwendet wird.
Verfahren zum Abdichten einer Brennstoffzelle nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Aufbringens von Druck und/oder Temperatur, nach dem Aufbringen von wenigstens zwei Polymerfolien (10) auf wenigstens zwei Dichtstellen (30) durchgeführt wird.
Verfahren zum Abdichten einer Brennstoffzelle nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schritt des Aufbringens der Polymerfolie (10) wenigstens ein die Adhäsion der Polymerfolie (10) verbessernder Schritt an der wenigstens einen Dichtstelle (30) durchgeführt wird.
Verfahren zum Abdichten einer Brennstoffzelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem die Adhäsion der Polymerfolie (10) verbessernden Schritt, die wenigstens eine Dichtstelle (30) gereinigt wird, so dass Kontaminationen entfernt werden.
Verfahren zum Abdichten einer Brennstoffzelle nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem die Adhäsion der Polymerfolie (10) verbessernden Schritt, ein Verfahrensschritt durchgeführt wird, mit welchem ein Oxid (38) an der wenigstens einen Dichtstelle (30) gebildet wird.
Verfahren zum Abdichten einer Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem die Adhäsion der Polymerfolie (10) verbessernden Schritt, die Dichtstelle (30) aufgeraut wird.
Verfahren zum Abdichten einer Brennstoffzelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufrauen über ein Laser- und/oder ein Sandstrahlverfahren durchgeführt wird.
Verfahren zum Abdichten einer Brennstoffzelle nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Polymerfolie (10) eine Folie mit einer Dicke (d) von 10-400µm verwendet wird.
Brennstoffzelle, welche wenigstens eine Dichtstelle (30) aufweist, die mittels eines Verfahrens zum Abdichten der Brennstoffzelle nach einem der vorherigen Ansprüche abgedichtet ist.
Brennstoffzellenstack mit wenigstens einer Brennstoffzelle nach Anspruch 11.
Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellenstack nach Anspruch 12.