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Stand der Technik
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Separatorplatten sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2006 053 569 A1 . Die bekannte Separatorplatte ist geeignet in eine Brennstoffzelle eingebaut zu werden. Sie weist eine Brennstoff-Verteileröffnung und eine Oxidationsmittel-Verteileröffnung zur Medienzufuhr auf. Eine Dichtungsstruktur ist auf einer Seite der Separatorplatte angeordnet, wobei die Dichtungsstruktur die Verteileröffnungen umgebend angeordnet ist. Die Dichtungsstruktur weist eine erste Dichtkontur auf, welche die Brennstoff-Verteileröffnung umgebend angeordnet ist. Die Dichtungsstruktur weist weiterhin eine zweite Dichtkontur auf, welche die Oxidationsmittel-Verteileröffnung umgebend angeordnet ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es die Dichtungsstruktur zu verbessern, insbesondere die Dichtungsstruktur bezüglich Abdichtung unterschiedlicher Medien zu optimieren.
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Dazu weist die Separatorplatte eine Brennstoff-Verteileröffnung und eine Oxidationsmittel-Verteileröffnung zur Medienzufuhr auf. Eine Dichtungsstruktur ist auf einer Seite der Separatorplatte angeordnet, wobei die Dichtungsstruktur die Verteileröffnungen umgebend angeordnet ist. Die Dichtungsstruktur weist eine erste Dichtkontur auf, welche die Brennstoff-Verteileröffnung umgebend angeordnet ist. Die Dichtungsstruktur weist weiterhin eine zweite Dichtkontur auf, welche die Oxidationsmittel-Verteileröffnung umgebend angeordnet ist. Die erste Dichtkontur besteht aus einem ersten Material und die zweite Dichtkontur aus einem zu dem ersten Material unterschiedlichen zweiten Material.
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Durch die Anpassung der Dichtkonturen an die Medien Brennstoff und Oxidationsmittel ergeben sich optimierte Abdichtungen dieser Medien, und damit eine höhere Sicherheit der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellensystems sowie eine längere Lebensdauer der Brennstoffzelle. Auch hinsichtlich chemischer Beständigkeit können die Materialien von erster Dichtkontur und zweiter Dichtkontur nun optimal gewählt werden.
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Bevorzugt ist das erste Material ein reduktionsstabiles Material, besonders bevorzugt PVDF. Die Brennstoff-Verteileröffnung wird also mit einem reduktionsstabilen Material abgedichtet, so dass eine Redoxreaktion der ersten Dichtkontur mit dem Brennstoff verhindert wird.
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Bevorzugt ist außerdem das zweite Material ein doppelbindungsarmes Material, besonders bevorzugt ein Silikon. Für eine Abdichtung der Oxidationsmittel-Verteileröffnung, also gegenüber dem Oxidationsmittel Sauerstoff (bzw. gegenüber Luft), werden bevorzugt doppelbindungsarme Materialien, beispielsweise Silikone, verwendet, weil sich diese insbesondere durch eine geringe Neigung zur Versprödung auszeichnen.
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In vorteilhaften Weiterbildungen weist die Separatorplatte eine Kühlmittel-Verteileröffnung auf. Die Dichtungsstruktur weist eine zusätzliche Dichtkontur auf, welche die Kühlmittel-Verteileröffnung umgebend angeordnet ist. Die dritte Dichtkontur besteht aus einem zu dem ersten Material und zu dem zweiten Material unterschiedlichen dritten Material. Insbesondere für eine Abdichtung gegenüber einem polaren Kühlmittel wie Wasser werden bevorzugt unpolare Materialien verwendet, welche Wasser nicht aufsaugen bzw. nicht durchdringen lassen, so dass es zu keiner Leckage durch Diffusion kommen kann.
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In bevorzugten Ausführungen ist das erste Material und/oder das zweite Material ein 2-Komponenten-Material. Das 2-Komponenten-Material besteht dabei mindestens aus einer ersten Komponente und einer zweiten Komponente, welche wiederum aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Dadurch können die einzelnen Dichtkonturen noch besser bedarfsoptimiert werden, beispielsweise je nach Kontaktpartner bezüglich Adhäsion optimiert werden. Besonders bevorzugt besteht die erste Komponente oder die zweite Komponente aus einer Keramik.
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In vorteilhaften Verfahren zur Herstellung einer derartigen Separatorplatte wird das 2-Komponenten-Material dabei mittels Core-Back-Verfahren oder mittels Bi-Injektion-Verfahren aufgebracht.
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Die vorangehend beschriebenen Separatorplatten können vorzugsweise in einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Brennstoffzelle mit Polymerelektrolytmembran, verbaut sein.
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Figurenliste
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Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
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Es zeigen:
- 1 schematisch eine aus der DE 10 2006 053 569 A1 bekannte Separatorplatte.
- 2 schematisch eine erfindungsgemäße Separatorplatte in Explosionsdarstellung, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
- 3 schematisch eine weitere erfindungsgemäße Separatorplatte in Explosionsdarstellung, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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1 zeigt eine aus der
DE 10 2006 053 569 A1 bekannte Separatorplatte
10 mit zwei Dichtungsstrukturen
100,
200 in Explosionsdarstellung. Die Separatorplatte
10 weist an ihren beiden seitlichen Enden jeweils eine Brennstoff-Verteileröffnung
12, eine Kühlmittel-Verteileröffnung
14 und eine Oxidationsmittel-Verteileröffnung
16 auf, die an beiden Enden zueinander punktsymmetrisch angeordnet sind. Eine erste Dichtungsstruktur
100 ist an einer in der
1 nach oben gewandten Frontfläche der Separatorplatte
10 angebracht. Die erste Dichtungsstruktur
100 umfasst eine erste Dichtkontur
110, welche am Außenrand der jeweiligen Kühlmittel-Verteileröffnung
14 dicht angeklebt ist, und eine zweite Dichtkontur
120, welche am Außenrand der jeweiligen Brennstoff-Verteileröffnung
12 und der jeweiligen Oxidationsmittel-Verteileröffnung
16 und am Außenrand der Separatorplatte
10 dicht angeklebt ist.
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Ein Abschnitt der zweiten Dichtkontur 120, welcher mit der Lage der Kühlmittel-Verteileröffnung 14 korrespondiert, ist zur Außenseite der Separatorplatte 10 hin derart offen ausgebildet, dass eine Membran-Elektroden-Anordnung vor einer Kontamination durch Kühlmittel geschützt werden kann, welches aus der Kühlmittel-Verteileröffnung 14 leckt. Die Membran-Elektroden-Anordnung ist an der der Separatorplatte 10 gegenüberliegenden Seite der ersten Dichtungsstruktur 100 angeordnet.
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Eine zweite Dichtungsstruktur 200 ist an einer in der 1 nach unten gewandten Rückfläche der Separatorplatte 10 angebracht. Die zweite Dichtungsstruktur 200 umfasst eine dritte Dichtkontur 210, welche am Außenrand der Brennstoff-Verteiler-Öffnung 12 und der Oxidationsmittel-Verteileröffnung 16 dicht angeklebt ist und aus zwei Teilen besteht. Die zweite Dichtungsstruktur 200 umfasst weiterhin eine vierte Dichtkontur 220, welche am Außenrand der Kühlmittel-Verteileröffnung 14 ausgebildet ist, welche zwischen der Brennstoff-Verteileröffnung 12 und der Oxidationsmittel-Verteileröffnung 16 angeordnet ist und entlang des Innenrandes der Brennstoff-Verteileröffnung 12 und der Oxidationsmittel-Verteileröffnung 16 der Separatorplatte 10 ausgebildet ist und eine aktive Fläche einer weiteren Membran-Elektroden-Anordnung abdichtet.
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Erfindungsgemäß sollen die beiden Dichtungsstrukturen 100, 200 nun insbesondere für die Verwendung der Separatorplatte 10 in einer PEM-Brennstoffzelle optimiert werden. Dazu werden die drei Verteileröffnungen 12, 14, 16 für die unterschiedlichen Medien Brennstoff (beispielsweise Wasserstoff), Kühlmittel und Oxidationsmittel (beispielsweise Sauerstoff bzw. Luft) selektiv abgedichtet. Es werden also auf das jeweilige Medium abgestimmte Dichtstoffe verwendet. Dadurch werden die Sicherheit der Brennstoffzelle sowie ihre Lebensdauer erhöht.
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Dazu zeigt 2 eine erfindungsgemäße Separatorplatte 10 mit zwei Dichtungsstrukturen 100, 200 in Explosionsdarstellung, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Je eine Dichtungsstruktur 100, 200 ist auf je einer Seite der Separatorplatte 10 angeordnet. Wird die Separatorplatte 10 also in einer Brennstoffzelle verwendet, so ist die erste Dichtungsstruktur 100 beispielsweise auf der Anodenseite einer Zelle angeordnet und die zweite Dichtungsstruktur 200 auf der Kathodenseite der benachbarten Zelle.
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Die erste Dichtungsstruktur 100 umfasst in der Ausführung der 2 eine erste Dichtkontur 110, eine zweite Dichtkontur 120 und zwei weitere zusätzliche Dichtkonturen 130, 140. In bevorzugten Ausführungen umfasst die zweite Dichtungsstruktur 200 analog dazu eine dritte Dichtkontur 210, eine vierte Dichtkontur 220 und noch zwei weitere zusätzliche Dichtkonturen 230, 240.
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In der Ausführung der 2 ist die erste Dichtkontur 110 (und bevorzugt analog die dritte Dichtkontur 210) die Brennstoff-Verteileröffnung 12 umgebend angeordnet; die zweie Dichtkontur 120 (und bevorzugt analog die vierte Dichtkontur 220) ist die Oxidationsmittel-Verteileröffnung 16 umgebend angeordnet; die zusätzliche Dichtkontur 130 (und bevorzugt analog die zusätzliche Dichtkontur 230) ist eine Kanalstruktur 11 umgebend angeordnet; die weitere zusätzliche Dichtkontur 140 (und bevorzugt analog die weitere zusätzliche Dichtkontur 240) ist die Kühlmittel-Verteileröffnung 14 umgebend angeordnet. Die Kanalstruktur 11 der Separatorplatte 10 entspricht dabei im Wesentlichen der aktiven Fläche der darunter- bzw. darüber liegenden Membran-Elektroden-Einheit der Brennstoffzelle.
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Erfindungsgemäß werden nun auf die verschiedenen Medien (beispielsweise Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmedium) abgestimmte Dichtstoffe für die Dichtkonturen 110, 120, 130, 140, 210, 220, 230, 240 verwendet. Dadurch ergeben sich eine optimierte Abdichtung der Brennstoffzelle, eine höhere Sicherheit der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellensystems und eine längere Lebensdauer der Brennstoffzelle.
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Die erste Dichtungsstruktur 100 und die zweite Dichtungsstruktur 200 können auch abgewandelt aufgebaut sein. Dazu zeigt 3 eine weitere erfindungsgemäße Separatorplatte 10 mit zwei Dichtungsstrukturen 100, 200 in Explosionsdarstellung, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. In dieser Ausführung sind - verglichen mit der Ausführung nach 2 - die zusätzlichen Dichtkonturen 130, 140 bzw. die weiteren zusätzlichen Dichtkonturen 230, 240 zusammengefasst. In der Ausführung der 3 wird also die Kanalstruktur 11 zusammen mit der Kühlmittel-Verteileröffnung 14 durch die zusätzliche Dichtkontur 130 zur einen Seite und durch die weitere zusätzliche Dichtkontur 230 zur anderen Seite abgedichtet. Es sind auch andere Kombinationen möglich, so dass beispielsweise die Kanalstruktur 11 zusammen mit der Brennstoff-Verteileröffnung 12 durch die zusätzliche Dichtkontur 130 und die weitere zusätzliche Dichtkontur 230 abgedichtet wird.
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Die folgenden Weiterbildungen der Erfindung gelten für alle bisher beschriebenen Ausführungen:
- Für eine Abdichtung gegenüber dem Oxidationsmittel Sauerstoff (bzw. gegenüber Luft) werden bevorzugt doppelbindungsarme Materialien, beispielsweise Silikone, verwendet; diese zeichnen sich insbesondere durch eine geringe Neigung zur Versprödung aus. Für eine Abdichtung gegenüber einem Reduktionsmittel bzw. dem Brennstoff (beispielsweise Wasserstoff) werden bevorzugt reduktionsstabile Materialien verwendet, beispielsweise PVDF (Polyvinylidenfluorid). Für eine Abdichtung gegenüber einem polaren Kühlmittel wie Wasser werden bevorzugt unpolare Materialien verwendet (beispielsweise EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk) oder PVDF), welche Wasser nicht aufsaugen bzw. nicht durchdringen lassen.
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In Ausführungen der Separatorplatte 10 ohne Kühlmittelzufuhr entfallen die entsprechenden Kühlmittel-Verteileröffnungen 14 und gegebenenfalls auch die dazugehörigen Dichtkonturen.
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In weiterbildenden Ausführungen kann die Abdichtung der Kanalstruktur bzw. der aktiven Fläche der Brennstoffzelle durch die zusätzliche Dichtkontur 130, 230 mittels eines weiteren Materials erfolgen.
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In weiterbildenden Ausführungen der Erfindung werden die Dichtkonturen 110, 120, 130, 140, 210, 220, 230, 240 bzw. manche der Dichtkonturen 110, 120, 130, 140, 210, 220, 230, 240 als Einlagedichtungen verwendet, welche beispielsweise mittels Mehrkomponenten-Spritzguss hergestellt werden. Hierdurch kann eine Dichtkontur 110, 120, 130, 140, 210, 220, 230, 240 ein Bauteil aus mehreren Materialien darstellen, also als 2-Komponenten-Material bzw. Mehr-Komponenten-Material ausgeführt sein; innerhalb dieser Offenbarung soll dabei der Begriff 2-Komponenten-Material als Bauteil aus mindestens zwei unterschiedlichen Materialien verstanden werden.
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Die Dichtkontur 110, 120, 130, 140, 210, 220, 230, 240 besteht dann aus zwei bzw. mehreren, unterschiedlichen Materialien - im Folgenden mindestens eine erste Komponente und eine zweite Komponente -, welche auf das jeweilige abzudichtende Medium abgestimmt sind und besonders bevorzugt in nur einem Prozessschritt appliziert werden.
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Optional können die Dichtkonturen 110, 120, 130, 140, 210, 220, 230, 240 auch direkt auf die Separatorplatte 10 angespritzt werden. Dies kann beispielsweise über das Core-Back-Verfahren oder über das Bi-Injektion-Verfahren erfolgen. In beiden Verfahren weist eine entsprechend hergestellte Dichtkontur 110, 120, 130, 140, 210, 220, 230, 240 somit ein 2-Komponenten-Material auf, also ein Material aus mindestens zwei Komponenten: der ersten Komponente und der zweiten Komponente. Eine bevorzugte Kombination ist dabei, dass die erste Komponente ein thermoplastischer Terpolymer ist und die zweite Komponente ein Polyester ist.
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Beim Core-Back-Verfahren, auch Verbundspritzgießen genannt, werden die unterschiedlichen Materialien, also die erste Komponente und die zweite Komponente, in Reihe gespritzt. Nachdem eine erste Kavität durch die erste Komponente gefüllt ist, wird eine zweite Kavität geöffnet; die Restbefüllung der zweiten Kavität erfolgt dann mit der zweiten Komponente.
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Beim Bi-Injektion-Verfahren werden die erste Komponente und die zweite Komponente gleichzeitig aus zwei unabhängigen Anspritzpunkten aufgespritzt. Dadurch ergeben sich sehr schnelle Prozesszeiten.
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In Weiterbildungen besteht die erste Komponente oder die zweite Komponente oder eine weitere Komponente aus einer Keramik.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006053569 A1 [0001, 0012, 0013]
