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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Vielzahl in Stapelform angeordneter Bipolarplatten, welche elektrochemische Zellen voneinander trennen, wobei jeweils zwischen zwei Bipolarplatten Rahmen angeordnet und durch die Bipolarplatten Ports zur Durchleitung von Medien zu Aktivfeldern der elektrochemischen Zellen gebildet sind, und wobei Dichtungsanordnungen zur Abdichtung von Strömungsräumen zwischen den Ports und den Aktivfeldern vorgesehen sind.
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Ein derartiges Brennstoffzellensystem ist beispielsweise aus der
CN 208 722 997 U bekannt. Das bekannte Brennstoffzellensystem weist räumlich strukturierte Bipolarplatten auf, die mit Hilfe von Dichtungen gegenüber anderen Komponenten des Brennstoffzellensystems abgedichtet sind. Zwei Dichtelemente der Vorrichtung nach der
CN 208 722 997 U sind - in Draufsicht auf die Bipolarplatten - parallel voneinander beabstandet, wobei zugleich ein Versatz zwischen den Dichtelementen in Normalrichtung der Ebenen, in welchen die Bipolarplatten liegen, gegeben ist. Durch die Bipolarplatten sind Strömungskanäle ausgebildet, welche sich im Wesentlichen quer zu den Dichtelementen erstrecken. Konkret sind sich schlängelnde Strömungspfade ausgebildet, welche die Dichtelemente kreuzen. Weitere Brennstoffzellensysteme gehen aus
CN 106 571 472 A und
DE 10 2014 104 017 A1 hervor.
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Eine weitere Brennstoffzelle mit Strömungskanälen, nämlich Kühlmittel-Durchflusskanälen, ist in der
DE 102 51 439 B4 offenbart. Auch in diesem Fall sind einzelne Brennstoffzellen, die dort als Brennstoffzelleneinheiten bezeichnet werden, in Stapelform angeordnet. Der Kühlmittel-Durchflusskanal ist durch ein Kühlflächendichtungselement abgedichtet. Bipolarplatten werden im Fall der
DE 102 51 439 B4 allgemein als Separatoren bezeichnet. Durch einen Versatz von Dichtungen, welche sich zwischen einzelnen Separatoren befinden, soll, verglichen mit einfacher aufgebauten Konstruktionen, ein Dichtungsdruck reduziert werden.
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Die
WO 2018/141319 A1 hat eine für die Verwendung in einer Brennstoffzelle vorgesehene Bipolarplatte mit verbesserter Strömungsverteilung zum Gegenstand. Die Bipolarplatte umfasst eine gewellte Platte, welche ein Lochmuster beschreibt. Eine weitere Platte ist an der gewellten Platte abdichtend angeordnet. Durch die gewellte Platte ist eine regelmäßige Wellenform aus ansteigenden und abfallenden Wellen gebildet, wobei das Lochmuster die Durchführung eines Gases im Wesentlichen quer zur Wellenform ermöglicht.
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Die
WO 2011/141340 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer metallischen Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel. Im Rahmen dieses Verfahrens werden Gasverteilerstrukturen durch partielles Scherschneiden hergestellt, wobei komplementär geformte Rillen und Stege gebildet werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Brennstoffzellensysteme mit stapelförmigem Aufbau gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterzuentwickeln, wobei dichtungstechnischen ebenso wie fertigungstechnischen Aspekten Rechnung getragen werden soll.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Das Brennstoffzellensystem umfasst in an sich bekannter geometrischer Grundkonzeption eine Vielzahl in Stapelform angeordneter Bipolarplatten, welche elektrochemische Zellen voneinander trennen, wobei jeweils zwischen zwei Bipolarplatten unter anderem Rahmen angeordnet sind. Durch die Bipolarplatten sind Ports zur Durchleitung von Medien zu Aktivfeldern der elektrochemischen Zellen, das heißt einzelnen Brennstoffzellen, gebildet. Ferner existieren Dichtungsanordnungen zur Abdichtung von Strömungsräumen zwischen den Ports und den Aktivfeldern.
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Die Dichtungsanordnungen des anmeldungsgemäßen Brennstoffzellensystems umfassen jeweils zwei parallel zueinander verlaufende, sich in Draufsicht auf die Bipolarplatten überlappende Dichtelemente, welche sich auf beiden Seiten ein und derselben Bipolarplatte befinden. Die beiden Seiten der Bipolarplatte können ohne Beschränkung der Allgemeinheit als deren Ober- beziehungsweise Unterseite bezeichnet werden. Die Dichtelemente, welche sich an der Bipolarplatte befinden, kontaktieren jeweils einen der genannten Rahmen, wobei die Dichtelemente im Überlappungsbereich eine geringe Dicke und in Randbereichen, in denen keine Überlappung gegeben ist, eine vergleichsweise große Dicke aufweisen. Die Dichtungsanordnungen können sich auf der Einström- und/oder auf der Ausströmseite befinden, wobei die Dichtwirkung gegenüber Betriebs- und/oder Kühlmedien der Brennstoffzelle gegeben ist.
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Durch die gestufte, sich teilweise überlappende Form der Dichtelemente ist zum einen eine hervorragende Dichtwirkung erzielbar und zum anderen die Möglichkeit gegeben, großzügig dimensionierte Strömungsquerschnitte freizuhalten. Zugleich ist die Dichtungsanordnung ohne zu großen Raumbedarf in den Plattenstapel des Brennstoffzellensystems integrierbar. Von besonderer Bedeutung ist insbesondere die Tatsache, dass der Plattenstapel einschließlich der Dichtungsanordnungen in der Lage ist, beträchtliche Kräfte in Längsrichtung des Stapels ohne relevante Verformungen, welche hinsichtlich der Dichtwirkung bedeutsam sein könnten, aufzunehmen.
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Die geometrische Struktur der typischerweise aus Blech gefertigten Bipolarplatten ist in vorteilhafter Ausgestaltung der uneinheitlichen Dicke der Dichtelemente angepasst. Ausgedehnte flächige Bereiche der Rahmen, welche auch als Subgaskets bezeichnet werden, sind hierbei durch ebenfalls flächige Bereiche der Bipolarplatten sowie der Dichtelemente belastet. Hierbei wird jeder Rahmen im Überlappungsbereich beidseitig jeweils von einem Dichtelement kontaktiert, wogegen in den Randbereichen der Dichtungsanordnungen einer der Rahmen zwischen ein Dichtelement und eine Bipolarplatte eingefügt ist.
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Die unterschiedlich dicken Bereiche eines jeden Dichtelements können durch eine Stufe voneinander getrennt sein. Ebenso sind Ausführungsformen realisierbar, bei welchen die genannten Bereiche kontinuierlich, das heißt stufenlos, ineinander übergehen. In beiden Fällen kann der Dickenverlauf der Dichtelemente derart eingestellt sein, dass Strömungskanäle, welche sich im Bereich der Dichtelemente befinden und durch die dreidimensional strukturierten Bipolarplatten freigehalten werden, eine in Strömungsrichtung zumindest näherungsweise gleichbleibende Querschnittsfläche haben. Bei diesen Strömungskanälen kann es sich insbesondere um Kühlmittelkanäle oder um Medienkanäle handeln. Die Kanäle können insbesondere zwischen zwei Halbblechen gebildet sein, aus denen die Bipolarplatte zusammengesetzt ist. Die beiden Dichtelemente ein und derselben Dichtungsanordnung können - im Querschnitt betrachtet - punktsymmetrisch zueinander ausgebildet sein.
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Gemäß einer möglichen geometrischen Gestaltung weicht die die Summe aus der im ersten Randbereich der Dichtungsanordnung gegebenen maximalen Dichtungshöhe des ersten Dichtelements und der im zweiten Randbereich gegebenen maximalen Dichtungshöhe des zweiten Dichtelements von der Zellenhöhe der elektrochemischen Zelle, das heißt Brennstoffzelle, um nicht mehr als 30% ab.
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Im Fall einer einfach gestuften Ausbildung eines jeden Dichtelements weicht der Quotient aus der Breite der gesamten, streifenförmigen Dichtungsanordnung und der Zellenhöhe der elektrochemischen Zelle vom Quotienten aus der Breite eines jeden einzelnen streifenförmigen Dichtelements und der Summe aus der im Randbereich gegebenen größeren Dicke und der im Überlappungsbereich gegebenen geringeren Dicke des gestuften Dichtelements beispielsweise um nicht mehr als 30% ab.
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Die Plattenanordnung, welche zusätzlich zur Bipolarplatte definitionsgemäß die Dichtungsanordnung umfasst, ist rationell folgendermaßen herstellbar:
- - Bereitstellung zweier geprägter Halbbleche,
- - Verbinden der beiden Halbbleche zu einer Bipolarplatte,
- - Erzeugen, insbesondere spritzgusstechnisches Erzeugen, einer Dichtungsanordnung auf der Bipolarplatte, wobei die Dichtungsanordnung zwei parallel zueinander verlaufende, sich in Draufsicht auf die Bipolarplatten überlappende Dichtelemente umfasst, welche sich auf beiden Seiten der Bipolarplatte befinden, wobei die Dichtelement im Überlappungsbereich eine geringe Dicke und in Randbereichen, in denen keine Überlappung gegeben ist, eine vergleichsweise große Dicke aufweisen.
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Die Verbindung zwischen den beiden Halbblechen kann in an sich bekannter Weise insbesondere durch Schweißen hergestellt werden. Die beiden Dichtelemente der Dichtungsanordnung können simultan durch Spritzguss erzeugt werden. Ebenso kommt eine Herstellung der Dichtelemente durch Siebdruck, Dispensen, Aufvulkanisieren oder andere Verfahren in Betracht. Unabhängig von der Art der Herstellung der Dichtelemente sowie der Art ihrer Verbindung, insbesondere stoffschlüssigen Verbindung, mit den Bipolarplatten wird für die Dichtelemente aufgrund ihrer langgestreckten Form auch die Bezeichnung Dichtungsstreifen verwendet. In typischer Verfahrensführung liegen die Dichtelemente in keinem Verfahrensstadium als gesonderte, von sämtlichen anderen Elementen des Plattenstapels beabstandete Elemente vor.
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Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass durch die Bildung einer Dichtungsanordnung aus mehreren, jeweils gestuften, sich teilweise überlappenden, großflächige Kraftübertragungen ermöglichenden Dichtungsstreifen unerwünschte Verformungen, etwa in Form eines Durchhängens von Rahmen, das heißt Subgaskets, unter allen praktisch relevanten Betriebsbedingungen eines Brennstoffzellensystems, vermieden werden, wobei zugleich eine widerstandsarme Strömung von Medien zwischen Ports und Aktivflächen eines Brennstoffzellenstapels ermöglicht wird. Das Brennstoffzellensystem ist für mobile Anwendungen, insbesondere in Kraftfahrzeugen, ebenso wie für stationäre Anwendungen geeignet.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen, jeweils vereinfacht:
- 1 ausschnittsweise Komponenten eines Brennstoffzellenstapels in Draufsicht,
- 2 ein Detail des Brennstoffzellenstapels in einer Schnittdarstellung.
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Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnetes Brennstoffzellensystem umfasst eine Vielzahl an Bipolarplatten 3, welche in einem Brennstoffzellenstapel 2 angeordnet sind. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion des Brennstoffzellensystems 1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
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Jede Bipolarplatte 3 ist aus zwei Halbblechen 4, 5 zusammengesetzt und trennt eine Halbzelle 7 einer ersten Brennstoffzelle 6, das heißt elektrochemischen Zelle, von einer Halbzelle 7 einer weiteren Brennstoffzelle 6. Jede Brennstoffzelle 6 weist eine Membran-Elektroden-Anordnung 8 auf, der unter anderem ein auch als Subgasket bezeichneter Rahmen 9 zuzurechnen ist. Die Membran-Elektroden-Anordnung 8 ist in der Mittel einer jeden Zelle 6 angeordnet. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Zellen 6 ist mit HZ bezeichnet. Die Ebene, in welcher sich die beiden Halbbleche 4, 5 der Bipolarplatte 3 tangieren, ist als Mittelebene ME definiert. Bei den Halbblechen 4, 5 handelt es sich um Stahlbleche, welche in an sich bekannter Weise mit einer Beschichtung versehen sein können. Zur Herstellung der Halbbleche 4, 5 können kontinuierliche und/oder diskontinuierliche Verfahren zum Einsatz kommen.
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Im Brennstoffzellenstapel 2 sind durch die Bipolarplatten 3 mehrere Ports 10, 11, 28 gebildet, welche der Durchleitung von Kühl- oder Betriebsmedien des Brennstoffzellensystems 1 dienen. Im Folgenden wird die Strömung ST eines Betriebsmediums, das heißt eines für den Betrieb der Brennstoffzellen 6 erforderlichen Mediums, welches Wasserstoff oder Sauerstoff, insbesondere Luftsauerstoff, enthält und weitere Bestandteile, insbesondere Wasser, enthalten kann, näher betrachtet. Die 2 zeigt einen Porttunnelbereich, welcher an den Port 28 angrenzt.
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In Draufsicht auf die Bipolarplatte 3 (1) ist unter anderem ein Verteilerfeld 12 sowie ein Aktivfeld 13 erkennbar, in welchem die gewünschten elektrochemischen Reaktionen, mit denen elektrischer Strom erzeugt wird, stattfinden. Prägestrukturen sind allgemein mit 14, Strömungsräume, in welchen das Betriebsmedium fließt, mit 15 bezeichnet.
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Um die Strömungsräume 15 abzudichten, sind Dichtungsanordnungen 16 vorgesehen, die jeweils aus zwei Dichtungsstreifen gebildet sind, die allgemein als Dichtelemente 17, 18 bezeichnet werden. Die jeweils eine leistenförmige, langgestreckte Form aufweisenden Dichtelemente 17, 18 sind spritzgusstechnisch auf die Halbbleche 4, 5 aufgebracht und somit dauerhaft mit den Halbblechen 4, 5 verbunden. Jede Dichtungsanordnung 16 befindet sich zwischen zwei Subgaskets 9 und kontaktiert ein und dieselbe Bipolarplatte 3 beidseitig, das heißt auf deren Obersowie Unterseite, bezogen auf die Anordnung nach 2. Eine Aussage über die tatsächliche Einbaulage der Bipolarplatten 3 ist mit dieser Darstellung nicht verbunden. Tatsächlich sind die Bipolarplatten 3 in zahlreichen Anwendungsfällen vertikal ausgerichtet.
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Die beiden Dichtelemente 17, 18 der Dichtungsanordnung 16 überlappen sich teilweise, sodass Randbereiche 19, 20, in welchen jeweils nur ein einziges Dichtelement 17, 18 die Dichtungsfunktion übernimmt, von einem Mittelbereich 21 der Dichtungsanordnung 16 unterscheidbar sind, in welchem in der Draufsicht ein Überlapp zwischen den Dichtelementen 17, 18 gegeben ist. Die Breite jedes einzelnen Dichtelements 17, 18 ist mit BD, die Breite der gesamten Dichtungsanordnung 16 mit BG angegeben.
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In 1 ist ein im Verteilerfeld 12 liegender Einströmschlitz 29 erkennbar, wobei sich die Dichtungsanordnung 16 zwischen dem Port 28 und dem Einströmschlitz 29 befindet. Die Dichtelemente 17, 18 sind parallel zum Einströmschlitz 29 sowie zum der Dichtungsanordnung 16 nächstgelegenen Rand des Ports 28 ausgerichtet. Das Betriebsmedium, welches vom Port 28 aus über den Einströmschlitz 29 in das Verteilerfeld 12 fließt, durchströmt die Dichtungsanordnung 16 im Wesentlichen rechtwinklig zu den in der Draufsicht langgestreckten Dichtelementen 17, 18.
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Die Dichtelemente 17, 18 weisen in deren Randbereich 19, 20 jeweils eine volle Dichtungshöhe HD auf. Die komplett im Randbereich 19, 20 liegende Breite des Dichtungsabschnitts mit voller Höhe HD ist mit BV angegeben. Im Mittelbereich 21 ist dagegen eine reduzierte Dichtungshöhe HR gegeben. BR bezeichnet die Breite des Dichtungsabschnitts mit reduzierter Höhe HR. Die gestuften Höhen HD, HR der Dichtelemente 17, 18 sind der Form von Vertiefungen 22, 23 angepasst, die durch die Prägestruktur 14 der Halbbleche 4, 5 ausgebildet sind. Die Vertiefungen 23 stellen mittlere Ebenen der Prägestruktur 14 dar.
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Die Dichtungsabschnitte mit voller Höhe HD sind allgemein mit 24, die Dichtungsabschnitte mit reduzierter Höhe HR mit 25 bezeichnet. Wie aus 2 hervorgeht, weist die Dichtungsanordnung 16 im Querschnitt eine Punktsymmetrie um einen Punkt auf, welcher mittig zwischen zwei Membran-Elektroden-Anordnungen 8 liegt. Der genannte Punkt ist im Strömungsraum 15 zwischen den Halbblechen 4, 5 angeordnet.
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Zwischen verschiedenen geometrischen Merkmalen der Dichtungsanordnung 16 sowie des Brennstoffzellenstapels 2 gelten folgende Relationen:
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Der Strömungsraum 15 weist, wie aus 2 hervorgeht, eine annähernd einheitliche Höhe auf. Um dies sicherzustellen, weisen die Halbbleche 4, 5 Bereiche geminderter Prägetiefe PM sowie Bereiche voller Prägetiefe PT auf, welche auf die gestufte Querschnittsgestaltung der Dichtelemente 17, 18 abgestimmt sind. Durch die Prägestrukturen 14 sind unter anderem schräggestellte Flanken 26 sowie Böden 27, welche sich in zu den Mittelebenen ME parallelen Ebenen befinden, ausgebildet. In der vereinfachten Darstellung nach 2 sind zwischen einzelnen Flanken 26 und Dichtelementen 17, 18 keilförmige Freiräume erkennbar. In verfeinerter, nicht dargestellter Ausgestaltung können diese Freiräume ebenfalls durch Dichtungsmaterial ausgefüllt sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellensystem
- 2
- Brennstoffzellenstapel
- 3
- Bipolarplatte
- 4
- Halbblech
- 5
- Halbblech
- 6
- Brennstoffzelle, elektrochemische Zelle
- 7
- Halbzelle
- 8
- Membran-Elektroden-Anordnung
- 9
- Rahmen, Subgasket
- 10
- Port
- 11
- Port
- 12
- Verteilerfeld
- 13
- Aktivfeld
- 14
- Prägestruktur
- 15
- Strömungsraum
- 16
- Dichtungsanordnung
- 17
- Dichtelement
- 18
- Dichtelement
- 19
- Randbereich der Dichtungsanordnung
- 20
- Randbereich der Dichtungsanordnung
- 21
- Mittelbereich der Dichtungsanordnung
- 22
- Vertiefung mit maximaler Prägetiefe
- 23
- Vertiefung mit reduzierter Prägetiefe
- 24
- streifenförmiger Dichtungsabschnitt mit voller Höhe
- 25
- streifenförmiger Dichtungsabschnitt mit reduzierter Höhe
- 26
- Flanke
- 27
- Boden
- 28
- Port
- 29
- Einströmschlitz
- BD
- Breite einer einzelnen Dichtung
- BG
- Breite der Dichtungsanordnung
- BR
- Breite des Dichtungsabschnitts mit reduzierter Höhe
- BV
- Breite des Dichtungsabschnitts mit voller Höhe
- HD
- volle Dichtungshöhe
- HR
- reduzierte Dichtungshöhe
- HZ
- Abstand zwischen zwei Zellen
- ME
- Mittelebene
- PM
- geminderte Prägetiefe
- PT
- volle Prägetiefe
- ST
- Strömung
