DE102021109313A1

DE102021109313A1 - Sealing arrangement for a fuel cell and method for supplying an operating medium to a distribution panel of a fuel cell

Info

Publication number: DE102021109313A1
Application number: DE102021109313.9A
Authority: DE
Inventors: Van Hau Nguyen; Sebastian Zwahr
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2021-04-14
Filing date: 2021-04-14
Publication date: 2022-10-20

Abstract

Eine Dichtungsanordnung für eine Brennstoffzelle (1) weist eine Bipolarplatte (2) auf, welche mit Hilfe von Dichtungen (8, 9) beidseitig gegenüber umgebenden Bauteilen abgedichtet ist, wobei jede der beiden Dichtungen (8, 9) einen vorderen Dichtungszweig (10) und einen hinteren Dichtungszweig (11) umfasst, und wobei der vordere Dichtungszweig (10) der ersten Dichtung (8) Öffnungen (14) zur Durchleitung eines Betriebsmediums aufweist und der hintere Dichtungszweig (11) der ersten Dichtung (8) geschlossen ist, wogegen bei der zweiten Dichtung (9) der vordere Dichtungszweig (10) geschlossen ist und der hintere Dichtungszweig (11) Öffnungen (14) aufweist, und wobei zwischen den vorderen und den hinteren Dichtungszweigen (10, 11) mindestens eine Öffnung (5, 13) in der Bipolarplatte (2) vorhanden ist, durch welche die Öffnungen (14) des vorderen Dichtungszweiges (10) der ersten Dichtung (8) mit den Öffnungen (14) des hinteren Dichtungszweigs (11) der zweiten Dichtung (9) strömungsleitend miteinander verbunden sind.

A sealing arrangement for a fuel cell (1) has a bipolar plate (2) which is sealed off on both sides from surrounding components with the aid of seals (8, 9), each of the two seals (8, 9) having a front sealing branch (10) and comprises a rear sealing branch (11), and wherein the front sealing branch (10) of the first seal (8) has openings (14) for the passage of an operating medium and the rear sealing branch (11) of the first seal (8) is closed, whereas in the second seal (9), the front sealing branch (10) is closed and the rear sealing branch (11) has openings (14), and wherein between the front and the rear sealing branches (10, 11) at least one opening (5, 13) in the Bipolar plate (2) is present, through which the openings (14) of the front sealing branch (10) of the first seal (8) flow-conducting with the openings (14) of the rear sealing branch (11) of the second seal (9). are connected to each other.

Description

Die Erfindung betrifft eine zur Verwendung in einer Brennstoffzelle vorgesehene Dichtungsanordnung. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Zuleitung eines Betriebsmediums in ein Verteilerfeld einer Brennstoffzelle.The invention relates to a sealing arrangement intended for use in a fuel cell. Furthermore, the invention relates to a method for feeding an operating medium into a distributor field of a fuel cell.

Die WO 02/31902 A2 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte oder einer Abschlussplatte eines Brennstoffzellenstapels. Die Platte soll aus einer als Separator dienenden, gasundurchlässigen, elektrisch leitfähigen Schicht und einer Kanalstruktur bestehen, die auf wenigstens einer Seite der Schicht gebildet ist. Im Rahmen des in der WO 02/31902 A2 beschriebenen Verfahrens soll als Kanalstruktur ein Kanalstrukturblatt hergestellt werden, das Vorsprünge umfasst, die in einem gegebenen Grundriss angeordnet sind. Das Kanalstrukturblatt soll auf die gasundurchlässige Schicht aufgelegt und mit dieser verbunden werden. Zum Aufbringen des Kanalstrukturblatts wird die Verwendung eines Vakuumspanntisches vorgeschlagen.the WO 02/31902 A2 describes a method for manufacturing a bipolar plate or an end plate of a fuel cell stack. The plate is said to consist of a gas-impermeable, electrically conductive layer serving as a separator and a channel structure formed on at least one side of the layer. As part of the in the WO 02/31902 A2 The method described is intended to produce a channel structure sheet as the channel structure, which comprises protrusions which are arranged in a given floor plan. The channel structure sheet is to be laid on and bonded to the gas impermeable layer. The use of a vacuum chuck is suggested for applying the channel structure sheet.

Die DE 10 2014 202 775 A1 offenbart eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle. Durch Aussparungen der Bipolarplatte sind Betriebsmittelversorgungskanäle gebildet, welche abzudichten sind. Ein umgefalteter Abschnitt der Bipolarplatte übernimmt hierbei die Funktion einer Dichtungsstützbrücke. Die Dichtungsstützbrücke überbrückt Gräben, welche durch die Bipolarplatte gebildet sind und ist zur Abstützung einer Dichtung vorgesehen, welche quer über die Gräben angeordnet ist.the DE 10 2014 202 775 A1 discloses a bipolar plate for a fuel cell. Recesses in the bipolar plate form operating supply channels, which are to be sealed. A folded section of the bipolar plate assumes the function of a sealing support bridge. The gasket support bridge bridges trenches formed by the bipolar plate and is provided to support a gasket placed across the trenches.

Aus der DE 10 2014 009 329 B4 ist eine Befeuchtungseinrichtung für eine Brennstoffzelle bekannt. Die Befeuchtungseinrichtung ist als Stapeleinheit aufgebaut, welche mehrere wasserdampfdurchlässige Membranen enthält, wobei zwei unmittelbar benachbarte Membranen an einem ersten Randbereich strömungsdicht verbunden sind, wogegen an einem zweiten, winkelversetzt angeordneten Randbereich übereinander liegende Dichtleisten angeordnet sind. Zwischen diesen Dichtleisten liegen die Membranen, wobei zwischen den übereinander liegenden Dichtleisten Strömungsöffnungen gebildet sind. Durch die Konturierung der Dichtleisten befinden sich Strömungsöffnungen lediglich im mittleren Abschnitt der Dichtleisten.From the DE 10 2014 009 329 B4 a humidification device for a fuel cell is known. The humidifying device is constructed as a stacked unit containing several water-vapor-permeable membranes, with two immediately adjacent membranes being connected in a flow-tight manner at a first edge area, whereas sealing strips lying one above the other are arranged at a second, angularly offset edge area. The membranes lie between these sealing strips, with flow openings being formed between the sealing strips lying one above the other. Due to the contouring of the sealing strips, there are flow openings only in the middle section of the sealing strips.

Eine in der EP 1 220 345 B1 beschriebene Dichtungsanordnung einer Brennstoffzelle umfasst unterschiedliche Dichtungen, nämlich Dichtungsblätter sowie Dichtungen invertierter V-Form. Zur Herstellung der Dichtungen sollen unter anderem Silikonkautschuk, Nitrilkautschuk, sowie Fluorkautschuk geeignet sein.one in the EP 1 220 345 B1 described sealing assembly of a fuel cell includes different seals, namely sealing sheets and seals inverted V-shape. Among other things, silicone rubber, nitrile rubber and fluorine rubber should be suitable for producing the seals.

Die US 2,300,370 A offenbart eine Flussfeldanordnung für eine elektrochemische Zelle, nämlich Brennstoffzelle. Die Flussfeldanordnung umfasst eine Separatorschicht aus einem elektrisch leitfähigen, für Fluide im Wesentlichen undurchlässigen Material. Zusammen mit einer weiteren, ebenfalls elektrisch leitfähigen Schicht sind Strömungskanäle für ein unter Druck befindliches Fluid gebildet.the U.S. 2,300,370A discloses a flow field arrangement for an electrochemical cell, namely a fuel cell. The flow field arrangement includes a separator layer made of an electrically conductive material which is essentially impermeable to fluids. Flow channels for a pressurized fluid are formed together with a further, likewise electrically conductive layer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Fortschritte bei Brennstoffzellen gegenüber dem genannten Stand der Technik in fertigungstechnischer Hinsicht sowie unter strömungstechnischen Aspekten zu erzielen, wobei ein möglichst kompakter Aufbau angestrebt wird.The invention is based on the object of achieving advances in fuel cells compared to the prior art mentioned in terms of production technology and aspects of flow technology, with the aim being to achieve a structure that is as compact as possible.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine für eine Brennstoffzelle konzipierte Dichtungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 10, nach welchem ein Betriebsmedium einem Verteilerfeld einer Brennstoffzelle zugeleitet wird. Die Merkmale des Anspruchs 10 gelten entsprechend auch für den Fall einer Ableitung eines Betriebsmediums aus einem Verteilerfeld einer Brennstoffzelle. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Zuleitungsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtungen, das heißt die Brennstoffzelle sowie die Dichtungsanordnung, und umgekehrt.This object is achieved according to the invention by a sealing arrangement designed for a fuel cell with the features of claim 1. The object is also achieved by a method according to claim 10, according to which an operating medium is fed to a distribution panel of a fuel cell. The features of claim 10 also apply correspondingly to the case where an operating medium is discharged from a distribution panel of a fuel cell. Embodiments and advantages of the invention explained below in connection with the feed method also apply analogously to the devices, ie the fuel cell and the sealing arrangement, and vice versa.

Die Dichtungsanordnung umfasst zwei auf einer Bipolarplatte angeordnete, einander gegenüberliegende Dichtungen, welche eine beidseitige Abdichtung gegenüber umgebenden Bauteilen darstellen, wobei jede der beiden Dichtungen einen vorderen Dichtungszweig und einen hinteren Dichtungszweig umfasst, und wobei der vordere Dichtungszweig der ersten Dichtung Öffnungen zur Durchleitung eines Betriebsmediums aufweist und der hintere Dichtungszweig der ersten Dichtung geschlossen ist, wogegen bei der zweiten Dichtung der vordere Dichtungszweig geschlossen ist und der hintere Dichtungszweig Öffnungen aufweist. Zwischen den vorderen und den hinteren Dichtungszweigen ist mindestens eine Öffnung in der Bipolarplatte vorhanden, durch welche die Öffnungen des vorderen Dichtungszweiges der ersten Dichtung mit den Öffnungen des hinteren Dichtungszweigs der zweiten Dichtung strömungsleitend miteinander verbunden sind.The sealing arrangement comprises two opposing seals arranged on a bipolar plate, which form a seal on both sides with respect to surrounding components, each of the two seals comprising a front sealing branch and a rear sealing branch, and the front sealing branch of the first seal having openings for the passage of an operating medium and the rear sealing branch of the first seal is closed, whereas in the second seal the front sealing branch is closed and the rear sealing branch has openings. There is at least one opening in the bipolar plate between the front and the rear sealing branches, through which the openings of the front sealing branch of the first seal are fluidly connected to the openings of the rear sealing branch of the second seal.

Die Bipolarplatte, welche zusammen mit den Dichtungen die komplette Dichtungsanordnung bildet, kann aus zwei aufeinanderliegenden Halbblechen gebildet sein. Ebenso sind Ausgestaltungen realisierbar, in welchen die Bipolarplatte lediglich ein einziges, typischerweise dreidimensional strukturiertes Blech umfasst. In jedem Fall fließt ein Medium, welches durch die Dichtungsanordnung strömt, von einer ersten Seite, beispielsweise Oberseite, der Bipolarplatte zur gegenüberliegenden Seite, insbesondere Unterseite, der Bipolarplatte. Die Begriffe „Oberseite“ und „Unterseite“ beziehen sich auf eine gedachte horizontale Anordnung der Bipolarplatte und implizieren keine Aussage über die tatsächliche Anordnung der Bipolarplatte im Raum. Die Angaben „vorderer Dichtungszweig“ und „hinterer Dichtungszweig“ beziehen sich auf die Strömungsrichtung des Mediums, welches in die Brennstoffzelle einströmt.The bipolar plate, which forms the complete sealing arrangement together with the seals, can be formed from two half-sheets lying one on top of the other. Configurations can also be implemented in which the bipolar plate comprises only a single, typically three-dimensionally structured metal sheet. In any case, flows in Medium which flows through the sealing arrangement from a first side, for example the top side, of the bipolar plate to the opposite side, in particular the bottom side, of the bipolar plate. The terms "top" and "bottom" refer to an imaginary horizontal arrangement of the bipolar plate and do not imply any statement about the actual arrangement of the bipolar plate in space. The information "front sealing branch" and "rear sealing branch" refers to the direction of flow of the medium that flows into the fuel cell.

Beim Durchströmen der Dichtungsanordnung tritt ein Druckverlust des Mediums auf. Durch die Hintereinanderschaltung verschiedener Dichtungszweige, welche zu durchströmen sind, teilt sich dieser Druckverlust auf mehrere Stellen auf, wobei auch im Bereich der mindestens einen Öffnung der Bipolarplatte, welche vom Medium, das dabei beispielsweise von der Kathodenseite zur Anodenseite der Bipolarplatte fließt, zu durchströmen ist, ein signifikanter Druckverlust auftreten kann. Durch die räumliche Entzerrung der Bereiche, in welchen ein Druckverlust gegeben ist, ist jeder einzelne Dichtungszweig lediglich relativ gering durch Druckdifferenzen belastet, was der geometrischen Stabilität der gesamten Dichtungsanordnung und damit auch der Dichtwirkung zu Gute kommt. Die in Draufsicht auf die Bipolarplatte gegebene räumliche Trennung zwischen verschiedenen, in definierter Weise für ein Fluid durchlässigen Dichtungszweigen begünstigt ferner eine dichte Stapelung von Bipolarplatten innerhalb eines Brennstoffzellen-Stacks.When the medium flows through the sealing arrangement, there is a loss of pressure. Due to the series connection of various sealing branches through which flow is to take place, this pressure loss is distributed over several points, including in the area of the at least one opening in the bipolar plate through which the medium, which flows, for example, from the cathode side to the anode side of the bipolar plate, has to flow , a significant pressure loss can occur. Due to the spatial equalization of the areas in which there is a pressure loss, each individual sealing branch is only relatively slightly stressed by pressure differences, which benefits the geometric stability of the entire sealing arrangement and thus also the sealing effect. The spatial separation given in a plan view of the bipolar plate between different sealing branches that are permeable to a fluid in a defined manner also promotes dense stacking of bipolar plates within a fuel cell stack.

Allgemein ist ein Betriebsmedium einem Aktivfeld einer Brennstoffzelle, welche eine Bipolarplatte sowie mehrere Dichtungen umfasst, zuleitbar, indem das Betriebsmedium zunächst an einer ersten Oberfläche der Bipolarplatte entlang geleitet wird, Öffnungen einer an derselben Seite der Bipolarplatte angebrachten Dichtung durchströmt und damit in eine Druckausgleichskammer einströmt, weiter innerhalb der Druckausgleichskammer durch eine Öffnung in der Bipolarplatte hindurchströmt und damit auf deren gegenüberliegende Seite gelangt und auf dieser Seite durch Öffnungen einer weiteren Dichtung hindurch von der Druckausgleichskammer in ein Verteilerfeld strömt. Vom Verteilerfeld aus strömt das Betriebsmedium weiter in das Aktivfeld der Brennstoffzelle.In general, an operating medium can be fed to an active field of a fuel cell, which comprises a bipolar plate and a number of seals, in that the operating medium is first guided along a first surface of the bipolar plate, flows through openings in a seal attached to the same side of the bipolar plate and thus flows into a pressure equalization chamber, flows further inside the pressure equalization chamber through an opening in the bipolar plate and thus reaches the opposite side thereof and flows on this side through openings of a further seal from the pressure equalization chamber into a distributor field. The operating medium continues to flow from the distributor field into the active field of the fuel cell.

In der umgekehrten Richtung ist ein Betriebsmedium aus einem Aktivfeld einer Brennstoffzelle über ein Verteilerfeld ableitbar. In diesem Fall wird das Betriebsmedium, welches vom Aktivfeld aus bereits das Verteilerfeld erreicht hat, innerhalb des Verteilerfeldes an einer ersten Oberfläche der Bipolarplatte entlang geleitet. Eine an dieser Oberfläche der Bipolarplatte befindliche Dichtung weist Öffnungen auf, welche vom Betriebsmedium durchströmt werden. Nach dem Durchströmen dieser Öffnungen befindet sich das Betriebsmedium in einer Druckausgleichskammer. Innerhalb der Druckausgleichskammer strömt das Betriebsmedium durch mindestens eine Öffnung in der Bipolarplatte hindurch, womit es auf die gegenüberliegende Seite der Bipolarplatte gelangt. Auf dieser Seite durchströmt das Betriebsmedium Öffnungen einer weiteren Dichtung, womit es die Druckausgleichskammer verlässt.In the opposite direction, an operating medium can be derived from an active field of a fuel cell via a distributor field. In this case, the operating medium, which has already reached the distribution panel from the active panel, is guided along a first surface of the bipolar plate within the distribution panel. A seal located on this surface of the bipolar plate has openings through which the operating medium flows. After flowing through these openings, the operating medium is in a pressure compensation chamber. Within the pressure equalization chamber, the operating medium flows through at least one opening in the bipolar plate, with which it reaches the opposite side of the bipolar plate. On this side, the operating medium flows through openings in another seal, leaving the pressure equalization chamber.

Die beiden Dichtungen können den gleichen Grundriss aufweisen. Dies bedeutet, dass der vordere Dichtungszweig der oberen Dichtung deckungsgleich über dem vorderen Dichtungszweig der unteren Dichtung angeordnet ist, wobei entsprechendes auch für die hinteren Dichtungszweige gilt und die geometrischen Angaben „oben“ und „unten“ auch in diesem Fall ohne Beschränkungen der Allgemeinheit zu verstehen sind. Bei jeder Dichtung können die beiden Dichtungszweige an ihren Enden jeweils zu einem einzigen Dichtungsabschnitt zusammenlaufen, sodass die Dichtungszweige einer jeden Dichtung jeweils eine Fläche umschreiben, innerhalb welcher die mindestens eine Öffnung der Bipolarplatte liegt. Bei dieser Öffnung kann es sich um einen Schlitz handeln, welcher parallel zu den insgesamt vier Dichtungsabschnitten angeordnet ist.The two seals can have the same outline. This means that the front sealing branch of the upper seal is arranged congruently over the front sealing branch of the lower seal, whereby the same also applies to the rear sealing branches and the geometric information "top" and "bottom" is also to be understood in this case without any general restrictions are. In each seal, the two sealing branches can each converge at their ends to form a single sealing section, so that the sealing branches of each seal each circumscribe an area within which the at least one opening of the bipolar plate lies. This opening can be a slot which is arranged parallel to the total of four sealing sections.

Versionen, in welchen der Schlitz in der Bipolarplatte durch eine Mehrzahl aneinander gereihter Öffnungen, insbesondere mit jeweils kreisrunder oder ovaler Form, ersetzt ist, zeichnen sich gegenüber Bauformen mit langgestreckter schlitzförmiger Öffnung insbesondere dadurch aus, dass mechanische Schwächungen der Bipolarplatte praktisch vollkommen ausgeschlossen sind. Hierbei wird ein eventuell erhöhter Strömungswiderstand, welcher durch die einzelnen, relativ kleinen Öffnungen im Vergleich zu einer breiten schlitzförmigen Öffnung gegeben sein kann, in Kauf genommen.Versions in which the slit in the bipolar plate is replaced by a plurality of openings lined up in a row, in particular each with a circular or oval shape, are distinguished from designs with an elongated slit-shaped opening in particular in that mechanical weakening of the bipolar plate is practically completely ruled out. In this case, a possibly increased flow resistance, which can be given by the individual, relatively small openings in comparison to a wide, slit-shaped opening, is accepted.

Ausgehend von einer Bipolarplatte mit einer rechteckigen Grundform können sich an mehreren Seitenlinien des entsprechenden Rechtecks Dichtungsanordnungen der beschriebenen Art befinden, um Betriebsmedien sowohl der Kathodenseite als auch der Anodenseite zuzuführen. Eine unbeabsichtigte Durchmischung von Betriebsmedien wird hierbei durch die Dichtungsanordnungen, welche sich durch eine hohe mechanische Stabilität sowie durch eine über eine lange Betriebsdauer gleichbleibende Dichtwirkung auszeichnen, vermieden.Starting from a bipolar plate with a rectangular basic shape, sealing arrangements of the type described can be located on several side lines of the corresponding rectangle in order to supply operating media both to the cathode side and to the anode side. An unintentional mixing of operating media is avoided here by the sealing arrangements, which are characterized by high mechanical stability and by a sealing effect that remains constant over a long period of operation.

Die Dichtungen sind beispielsweise aus thermoplastischem Material herstellbar. Jeder der nicht geschlossenen Dichtungsabschnitte weist beispielsweise mindestens fünf nebeneinander angeordnete Öffnungen auf, die insgesamt das Erscheinungsbild einer Bogenbrücke ergeben. Hierbei trägt das zwischen den Öffnungen befindliche Dichtungsmaterial signifikant zur dauerhaften Stabilität der gesamten Dichtungsanordnung bei. Dies gilt, obwohl die als Bogenbrücke bezeichnete Struktur keine metallische Stützstruktur umfasst. Wesentlich hierfür ist neben der Tatsache, dass die Dichtungen jeweils aus mehreren Zweigen aufgebaut sind, welche in Strömungsrichtung des Mediums voneinander getrennt sind, auch ein Druck-Kompensationseffekt, der dadurch erzielt wird, dass das durch die Dichtungsanordnung geleitete Medium nacheinander auf beiden Seiten der Bipolarplatte fließt.The seals can be produced from thermoplastic material, for example. Each of the non-closed sealing portions has, for example, at least five openings arranged side by side, which overall the appearance result of an arch bridge. The sealing material located between the openings contributes significantly to the long-term stability of the entire sealing arrangement. This is true even though the structure referred to as an arch bridge does not include any metal support structure. In addition to the fact that the seals are each made up of several branches, which are separated from one another in the direction of flow of the medium, it is also essential for this to have a pressure compensation effect, which is achieved by the medium guided through the seal arrangement being successively on both sides of the bipolar plate flows.

Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:

1 ausschnittsweise eine Dichtungsanordnung einer Brennstoffzelle in perspektivischer Ansicht,
2 und 3 verschiedene Schnitte durch die Anordnung nach 1,
4 eine alternative Ausgestaltung einer Dichtungsanordnung in einer Ansicht analog 2,
5 einen schematischen Schnitt durch die Anordnung nach 4,
6 die Anordnung nach 4 in einer Schnittdarstellung analog 3,
7 mehrere aufeinander liegende Dichtungen der Anordnung nach 4,
8 eine gestapelte Anordnung von Brennstoffzellen,
9 die Anordnung nach 4 in einem weiteren schematischen Schnitt.

Several exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to a drawing. Show in it:

1 a detail of a sealing arrangement of a fuel cell in a perspective view,
2 and 3 various cuts through the arrangement 1 ,
4 an alternative embodiment of a sealing arrangement in a view analogous 2 ,
5 a schematic section through the arrangement 4 ,
6 according to the arrangement 4 in a sectional view analogously 3 ,
7 several seals lying on top of each other according to the arrangement 4 ,
8th a stacked array of fuel cells,
9 according to the arrangement 4 in another schematic section.

Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämtliche Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.Unless otherwise stated, the following explanations relate to all exemplary embodiments. Parts that correspond to one another or have the same effect in principle are identified by the same reference symbols in all figures.

Eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Brennstoffzelle hat die Form eines Stapels, wie in 8 angedeutet. Hierbei strömt ein Betriebsmedium von einem Portbereich 14 der Brennstoffzelle 1 über eine Dichtungsanordnung 6 in ein Verteilerfeld 17 und von dort aus weiter in ein Aktivfeld. Eine Vielzahl an Bipolarplatten 2 ist jeweils aus Halbblechen 3, 4 aufgebaut, wodurch Halbzellen 15 begrenzt sind. Ferner sind in 8 flächige Bauteile 7 angedeutet, die parallel zwischen den Bipolarplatten 2 liegen.A fuel cell, denoted as a whole by the reference numeral 1, is in the form of a stack, as shown in FIG 8th implied. In this case, an operating medium flows from a port area 14 of the fuel cell 1 via a sealing arrangement 6 into a distributor field 17 and from there on into an active field. A large number of bipolar plates 2 are each made up of half sheets 3, 4, as a result of which half cells 15 are delimited. Furthermore, in 8th flat components 7 indicated, which lie parallel between the bipolar plates 2.

Bezogen auf die Anordnung nach 1, welche einen schematischen Ausschnitt aus der Dichtungsanordnung 6 zeigt, ist eine Dichtwirkung gegenüber einem ersten flächigen Bauteil 7, welches auf der Anordnung nach 1 aufliegt und hier nicht dargestellt ist, und einem zweiten flächigen Bauteil 7, welches unmittelbar unterhalb der Anordnung nach 1 liegt und ebenfalls nicht dargestellt ist, gegeben.Based on the arrangement 1 , which shows a schematic section of the sealing arrangement 6, is a sealing effect in relation to a first flat component 7, which is based on the arrangement 1 rests and is not shown here, and a second flat component 7, which is immediately below the arrangement 1 is and is also not shown, given.

Die Dichtungsanordnung 6 umfasst zwei Dichtungen 8, 9, welche zur sprachlichen Unterscheidung als obere oder erste Dichtung 8 und untere oder zweite Dichtung 9 bezeichnet werden. Jede der Dichtungen 8, 9 umfasst einen vorderen Dichtungszweig 10 und einen hinteren Dichtungszweig 11, wobei die beiden vorderen Dichtungszweige 10 ebenso übereinander liegen wie die beiden hinteren Dichtungszweige 11. Bei einem zwischen den Dichtungszweigen 10, 11 gebildeten Zwischenraum 12, welcher sich über die beiden einander gegenüberliegenden Seiten der Bipolarplatte 2 erstreckt, handelt es sich um eine Druckausgleichskammer.The sealing arrangement 6 comprises two seals 8, 9, which are referred to as the upper or first seal 8 and the lower or second seal 9 for linguistic differentiation. Each of the seals 8, 9 comprises a front sealing branch 10 and a rear sealing branch 11, the two front sealing branches 10 lying one above the other, as do the two rear sealing branches 11. With a gap 12 formed between the sealing branches 10, 11, which extends over the two extends opposite sides of the bipolar plate 2, it is a pressure equalization chamber.

Innerhalb der Druckausgleichskammer 12 befindet sich mindestens eine Öffnung 5, 13. Gemäß 1 und 2 ist diese Öffnung 13 als Schlitz ausgebildet. In der Version nach 4 sind dagegen mehrere, jeweils ovale Öffnungen 5 in einer einzigen Reihe angeordnet. Eine mittig durch die Öffnungen 5 gelegte Gerade ist parallel zwischen den Dichtungszweigen 10, 11 angeordnet. Analoges gilt für die Anordnung der langgestreckten Öffnung 13 innerhalb des Zwischenraums 12, der zwischen den ebenfalls langgestreckten Dichtungszweigen 10, 11 gebildet ist. Die Strömung des Betriebsmediums ist in den 1 und 8 durch Pfeile angedeutet. Deutlich erkennbar ist der Seitenwechsel des Betriebsmediums. Dies bedeutet, dass das Betriebsmedium zunächst am Halbblech 3, und anschließend, nach Durchströmen der mindestens einen Öffnung 5, 13, am Halbblech 4 entlangströmt. Die aufeinander liegenden Halbbleche 3, 4 sind beispielsweise miteinander verschweißt. Insbesondere im Bereich der Öffnungen 5, 13 ist sichergestellt, dass kein Betriebsmedium von der Druckausgleichskammer 12 aus zwischen die Halbbleche 3, 4 strömt. Die Anordnung aus den beiden Halbblechen 3, 4 verhält sich gegenüber dem strömenden Medium somit wie ein einziges Blech.Within the pressure equalization chamber 12 there is at least one opening 5, 13. According to 1 and 2 this opening 13 is designed as a slot. In the version after 4 on the other hand, several oval openings 5 are arranged in a single row. A straight line drawn centrally through the openings 5 is arranged parallel between the sealing branches 10 , 11 . The same applies to the arrangement of the elongated opening 13 within the intermediate space 12, which is formed between the likewise elongated sealing branches 10, 11. The flow of the operating medium is in the 1 and 8th indicated by arrows. The change of sides of the operating medium is clearly recognizable. This means that the operating medium first flows along the half-plate 3 and then, after flowing through the at least one opening 5, 13, along the half-plate 4. The half-sheets 3, 4 lying one on top of the other are welded to one another, for example. In particular in the area of the openings 5, 13 it is ensured that no operating medium flows from the pressure compensation chamber 12 between the half-plates 3, 4. The arrangement of the two half-sheets 3, 4 thus behaves like a single sheet in relation to the flowing medium.

Die parallel zueinander angeordneten Dichtungszweige 10, 11 ein und derselben Dichtung 8, 9 gehen an ihren Enden, wie aus den 1, 2, 4, 6 hervorgeht, jeweils in einen Dichtungsabschnitt 18 über. Im Fall von 2 stellen die Dichtungsabschnitte 18 gerade Fortsetzungen des vorderen Dichtungszweigs 10 dar. Der Zwischenraum 12 hat in diesem Fall in der Draufsicht eine Trapezform. Im Unterschied hierzu beschreiben die Übergänge zwischen den Dichtungsabschnitten 18 und den Dichtungszweigen 10, 11 im Fall von 4 symmetrische Y-Formen, sodass sich eine langgestreckte sechseckige Form des Zwischenraums 12 ergibt.The mutually parallel sealing branches 10, 11 of the same seal 8, 9 go at their ends, as from the 1 , 2 , 4 , 6 shows, each in a sealing portion 18 over. In the case of 2 1, the sealing sections 18 represent straight continuations of the front sealing branch 10. The intermediate space 12 in this case has a trapezoidal shape in plan view. In contrast, describe the transitions between the sealing sections 18 and the sealing branches 10, 11 in the case of 4 symmet ric Y-shapes, so that an elongated hexagonal shape of the gap 12 results.

Zum Einströmen des Betriebsmediums in den Zwischenraum 12 sowie zum Ausströmen des Betriebsmediums aus dem Zwischenraum 12 befinden sich in jeweils einem vorderen Dichtungszweig 10 und einem hinteren Dichtungszweig 11 zahlreiche Durchbrüche 14, welche dem entsprechenden Dichtungszweig 10, 11 mit Blickrichtung in Strömungsrichtung des Mediums das Erscheinungsbild einer Bogenbrücke geben. Die Dichtungen 8, 9 sind rationell im Spritzgussverfahren herstellbar. Die hierbei in eine Spritzgussform einzulegende Bipolarplatte 2 kann außerhalb der in den Figuren sichtbaren Bereiche dreidimensionale Prägestrukturen aufweisen. Die Dichtungen 8, 9 sind ausschließlich mit ebenen Abschnitten der Halbbleche 3, 4 verbunden.For the operating medium to flow into the intermediate space 12 and for the operating medium to flow out of the intermediate space 12, there are numerous openings 14 in a front sealing branch 10 and a rear sealing branch 11, which give the corresponding sealing branch 10, 11 the appearance of a give arch bridge. The seals 8, 9 can be efficiently produced by injection molding. The bipolar plate 2 to be inserted into an injection mold can have three-dimensional embossed structures outside of the areas visible in the figures. The seals 8, 9 are exclusively connected to flat sections of the half-plates 3, 4.

BezugszeichenlisteReference List

11: Brennstoffzellefuel cell
22: Bipolarplattebipolar plate
33: Halbblechhalf sheet
44: Halbblechhalf sheet
55: Öffnung, ovalopening, oval
66: Dichtungsanordnungsealing arrangement
77: flächiges Bauteilflat component
88th: obere oder erste Dichtungtop or first seal
99: untere oder zweite Dichtunglower or second seal
1010: vorderer Dichtungszweigfront sealing branch
1111: hinterer Dichtungszweigrear sealing branch
1212: Druckausgleichskammerpressure equalization chamber
1313: Öffnung, schlitzförmigopening, slit-shaped
1414: Durchbruch in der Dichtungbreakthrough in the seal
1515: Halbzellehalf cell
1616: Portbereichport range
1717: Verteilerfeldpatch panel
1818: Dichtungsabschnittsealing section

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

WO 0231902 A2 [0002]
DE 102014202775 A1 [0003]
DE 102014009329 B4 [0004]
EP 1220345 B1 [0005]
US 2300370A [0006]

Claims

Sealing arrangement for a fuel cell (1), with a bipolar plate (2) which is sealed off on both sides from surrounding components with the aid of seals (8, 9), each of the two seals (8, 9) having a front sealing branch (10) and a rear sealing branch (11), and wherein the front sealing branch (10) of the first seal (8) has openings (14) for the passage of an operating medium and the rear sealing branch (11) of the first seal (8) is closed, whereas in the second Seal (9) the front sealing branch (10) is closed and the rear sealing branch (11) has openings (14), and wherein between the front and the rear sealing branches (10, 11) at least one opening (5, 13) in the bipolar plate (2) is present, through which the openings (14) of the front sealing branch (10) of the first seal (8) flow with the openings (14) of the rear sealing branch (11) of the second seal (9) with each other are connected.

sealing arrangement claim 1 , characterized in that the front sealing branch (10) of the first seal (8) is arranged congruently with the front sealing branch (10) of the second seal (9).

sealing arrangement claim 1 or 2 , characterized in that the rear sealing branch (11) of the first seal (8) is arranged congruently with the rear sealing branch (11) of the second seal (9).

Sealing arrangement according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that the front and rear sealing branches (10, 11) of each seal (8, 9) converge into a single sealing section (18).

sealing arrangement claim 4 , characterized in that the sealing branches (10, 11) form a pressure equalization chamber (12) which extends on both sides of the bipolar plate (2) and which, on the one hand, is connected through the openings (14) in one of the front sealing branches (10) to a port area (16 ) and on the other hand through the openings (14) in one of the rear sealing branches (11) with a distributor panel (17).

Sealing arrangement according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that the opening (13) in the bipolar plate (2) has a slot shape extending parallel to the sealing sections (10, 11).

Sealing arrangement according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that a plurality of openings (5) located next to one another in a row are arranged in the bipolar plate (2) between the sealing sections (10, 11).

Sealing arrangement according to one of Claims 1 until 7 , characterized in that each non-closed sealing section (10, 11) has at least five openings (14) arranged next to one another.

Fuel cell, comprising at least one sealing arrangement according to one of Claims 1 until 8th .

Method for supplying an operating medium to a distributor field (17) of a fuel cell (1) which comprises a bipolar plate (2) and a plurality of seals (8, 9) attached to it, the operating medium first being routed to a first surface of the bipolar plate (2). flows through openings (14) of a seal (8) attached to the same side of the bipolar plate (2) and thus flows into a pressure equalization chamber (12), further inside the pressure equalization chamber (12) through an opening (5, 13) in the bipolar plate ( 2) flows through and thus reaches the opposite side and flows on this side through openings (14) of a further seal (9) from the pressure equalization chamber (12) into the distributor field (17) of the fuel cell (2).