DE102022201816A1

DE102022201816A1 - Dichtelement zum fluiddichten Abdichten eines Bereichs zwischen einer Bipolarplatte und einer Isolatorplatte eines Brennstoffzellenstapels

Info

Publication number: DE102022201816A1
Application number: DE102022201816.8A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Uhlmann; Stefan Cerny; Ernst Hauk; Eberhard Maier; Waldemar Kiel; Arnold Gente; Ali Riza Yildirim
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-02-22
Filing date: 2022-02-22
Publication date: 2023-08-24
Also published as: WO2023161046A1

Abstract

Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Dichtelement (200) zum fluiddichten Abdichten eines Bereichs zwischen einer Bipolarplatte (101, 103) und einer Isolatorplatte (105) eines Brennstoffzellenstapels (100),wobei das Dichtelement (200) eine Basiskomponente (201) umfasst, deren Wärmeausdehnungskoeffizient sich von einem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Isolatorplatte (105) höchstens um einen vorgegebenen Wärmeausdehnungskoeffizientenschwellenwert unterscheidet, um eine temperaturbedingte Relativbewegung zwischen dem Dichtelement (200) und der Isolatorplatte (105) zu minimieren, undwobei das Dichtelement (200) eine Verbindungskomponente (203) umfasst,deren E-Modul unter einem vorgegebenen Elastizitätsschwellenwert liegt, um eine Anpassung des Dichtelements (200) an eine Oberflächenstruktur der Isolatorplatte (105) zu ermöglichen.Ferner betrifft die vorgestellte Erfindung einen Brennstoffzellenstapel (100) und ein Herstellungsverfahren (300).

Description

Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Dichtelement zum fluiddichten Abdichten eines Bereichs zwischen einer Bipolarplatte und einer Isolatorplatte eines Brennstoffzellenstapels, einen Brennstoffzellenstapel und ein Herstellungsverfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels.
Stand der Technik
Brennstoffzellenstapel werden hergestellt, indem eine Vielzahl Bipolarplatte aufeinandergestapelt werden. Jeweils äußerste Bipolarplatten eines Plattenstapels werden mit Isolatorplatten elektrisch isoliert und schließlich mit Endplatten umgeben. Die Endplatten werden mit einem Fixiermittel, wie bspw. Gurten oder Schrauben, mit Druck beaufschlagt.
Um einen Austritt von Betriebsmedien aus einem Brennstoffzellenstapel zu verhindern bzw. zu minimieren, sind auf den jeweiligen Komponenten, insbesondere den Bipolarplatten Dichtungen, insbesondere Fluorkautschukschaum aufgebracht.
Es hat sich gezeigt, dass es insbesondere beim Übergang von einer Bipolarplatte zu einer Isolatorplatte zu Leckagen kommen kann. Die Ursache für diese Leckagen liegt in Relativbewegungen, insbesondere entlang der Längsachse (in plane), zwischen Bipolarplatte und Isolatorplatte, die wiederum ihre Ursache zum einen in unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Isolatorplatte und Bipolarplatte, zum anderen an Schüttelbewegungen durch einen Betrieb in bspw. einem Fahrzeug, haben. In beiden Fällen führt die Relativbewegung der Dichtpartner zueinander aufgrund einer rauen Oberfläche der Isolatorplatte zu einem starken Abrieb von Dichtungsmaterial und, dadurch bedingt, zu einer Leckage von bspw. Kühlmittel aus einem entsprechenden Brennstoffzellenstapel.
Offenbarung der Erfindung
Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Dichtelement, ein Brennstoffzellenstapel und ein Herstellungsverfahren vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Dichtelement beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel bzw. dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere zum Bereitstellen eines robusten und fluiddichten Brennstoffzellenstapels.
Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Dichtelement zum fluiddichten Abdichten eines Bereichs zwischen einer Bipolarplatte und einer Isolatorplatte eines Brennstoffzellenstapels vorgestellt. Das Dichtelement umfasst eine Basiskomponente, deren Wärmeausdehnungskoeffizient sich von einem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Isolatorplatte höchstens um einen vorgegebenen Wärmeausdehnungskoeffizientenschwellenwert unterscheidet, um eine temperaturbedingte Relativbewegung zwischen dem Dichtelement und der Isolatorplatte zu minimieren. Weiterhin umfasst das Dichtelement eine Verbindungskomponente, deren E-Modul unter einem vorgegebenen Elastizitätsschwellenwert liegt, um eine Anpassung des Dichtelements an eine Oberflächenstruktur der Isolatorplatte zu ermöglichen.
Unter einem fluiddichten Abdichten ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Abdichten gegenüber Betriebsmedien eines Brennstoffzellensystems, insbesondere gegenüber Kühlmittel, zu verstehen.
Das vorgestellte Dichtelement basiert auf einem 2-Komponenten Aufbau, nämlich einer Basiskomponente und einer Verbindungskomponente, die jeweils unterschiedliche Eigenschaften aufweisen und insbesondere aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
Die Basiskomponente weist einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der möglichst nahe an dem Wärmeausdehnungskoeffizienten einer entsprechenden Isolatorplatte liegt. Entsprechend bedingt die Basiskomponente eine minimale temperaturbedingte Relativbewegung des Dichtelements zu der Isolatorplatte und eine geringe Scherung in der Verbindungskomponente.
Die Verbindungskomponente dient zur Verbindung mit einer Isolatorplatte und ist besonders elastisch. Daher passt sich die Verbindungskomponente einer Oberflächenstruktur der rauen Isolatorplatte besonders gut an, wodurch eine besonders hohe bzw. gute Dichtwirkung zur Isolatorplatte erreicht wird.
Es kann vorgesehen sein, dass ein kompletter Bereich jeweiliger Dichtsicken einer Bipolarplatte durch das vorgestellte Dichtelement abdeckbar ist und das Dichtelement in Bereichen von Versorgungskanälen und des Aktivfeldes einer jeweiligen Bipolarplatte ausgespart ist. Zur Ausrichtung relativ zu einer jeweiligen Bipolarplatte kann das Dichtelement sogenannte „Hole&Slot-Aussparungen“ umfassen.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Wärmeausdehnungskoeffizientenschwellenwert einer Summe aus einem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Isolatorplatte und einem Schwankungswert entspricht, wobei der Schwankungswert 50%, 25%, 10%, 5% oder 2% des Wärmeausdehnungskoeffizienten der Isolatorplatte beträgt.
Je nach Form des Dichtelements kann ein hoher Schwankungswert gewählt werden, der eine große Bandbreite an Materialien zur Herstellung des Dichtelements zulässt oder ein geringer Schwankungsgrad gewählt werden, der mögliche Materialien zur Herstellung des Dichtelements stark einschränkt, jedoch eine besonders geringe Relativbewegung bedingt.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Elastizitätsschwellenwert zwischen 0,1 MPa und 5 GPa, insbesondere zwischen 0,3MPa und 30 MPa beträgt. Als Verbindungskomponente eignen sich insbesondere Materialien bzw. Materialzusammensetzungen mit einem niedrigen Elastizitätsschwellenwert, wie bspw. ein Elastomer, insbesondere Silikon bzw. ein Silikongemisch.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Verbindungskomponente mindestens ein Elastomer, insbesondere mindestens ein Elastomer der folgenden Liste an Elastomeren umfasst: silikonhaltiger Kautschuk, AcrylnitrilButadien-Kautschuk, Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk, Fluorkautschuk.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Basiskomponente Polytetrafluorethen umfasst.
Durch eine Basiskomponente mit besonders guten Reibungseigenschaften, d.h. einem besonders geringen Reibungskoeffizienten, wie bspw. Polytetrafluorethen, kann sich eine Dichtsicke einer Bipolarplatte ohne hohe Reibungskräfte und mit entsprechend geringem Materialabrieb gegenüber dem Dichtelement verschieben.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Verbindungskomponente zwischen 10µm und 30µm, insbesondere zwischen 15µm und 20µm dick ist.
Insbesondere ist die Verbindungskomponente mindestens so dick, dass deren Dicke einem Maximum eines Höhenunterschieds in einer Oberflächenstruktur einer jeweiligen Isolatorplatte entspricht.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Dichtelement Aussparungen im Bereich eines Aktivfelds und jeweiligen Versorgungskanälen einer entsprechenden Bipolarplatte und, insbesondere im Bereich von Hole&Slot Vorrichtungen der Bipolarplatte umfasst.
Durch Aussparungen im Bereich eines Aktivfelds und jeweiligen Versorgungskanälen einer entsprechenden Bipolarplatte wird eine Funktion der Bipolarplatte aufrechterhalten und ein direkter Kontakt der Bipolarplatte mit der Isolatorplatte bzw. entsprechenden Stromabnehmerplatten ermöglicht.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung einen Brennstoffzellenstapel für ein Brennstoffzellensystem. Der Brennstoffzellenstapel umfasst eine Anzahl Bipolarplatte mit Endbipolarplattten, die an jeweiligen Enden des Brennstoffzellenstapels an Isolatorplatten grenzen und eine Vielzahl der vorgestellten Dichtelemente, wobei jeweilige Dichtelemente zwischen jeweiligen Endbipolarplatten und entsprechenden Isolatorplatten angeordnet sind.
Unter einer Endbipolarplatte ist im Kontext der vorgestellten Erfindung eine an einem äußeren Ende eines Brennstoffzellenstapels angeordnete Bipolarplatte zu verstehen.
Es kann vorgesehen sein, dass die jeweiligen Endbipolarplatten direkt mit den jeweiligen Dichtelementen in Kontakt stehen, sodass sich zwischen den jeweiligen Endbipolarplatten und den jeweiligen Dichtelementen kein Schaum und keine Subgasket befindet.
Durch den Verzicht auf Schaum an den Endbipolarplatten wird eine hohe Beweglichkeit der Endbipolarplatten gegenüber den jeweiligen Dichtelementen ermöglicht.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass eine Dicke der Basiskomponente des Dichtelements einer Hälfte einer Dicke einer Subgasket des Brennstoffzellenstapels entspricht.
Durch ein Dichtelement mit einer Dicke, die einer halben Subgasket entspricht, wird eine Presskraft zwischen Aktiv- und Dichtbereich des Brennstoffzellenstapels nicht beeinflusst, sodass die herkömmlichen bzw. unveränderten Spannmittel zum Spannen des Brennstoffzellenstapels verwendet werden können.
Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Herstellungsverfahren für einen Brennstoffzellenstapel. Das Herstellungsverfahren umfasst das Anordnen einer Vielzahl Bipolarplatten aufeinander, das Anordnen der vorgestellten Dichtelemente an jeweiligen äußersten Bipolarplatten, und das Anordnen von Isolatorplatten auf den Dichtelementen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellenstapels mit einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Dichtelements.
2 eine Detaildarstellung des Dichtelements aus 1.
3 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Herstellungsverfahrens.

In 1 ist ein Brennstoffzellenstapel 100 dargestellt. Der Brennstoffzellenstapel 100 umfasst eine Anzahl Bipolarplatten 101, 103. Weiterhin sind eine Isolatorplatte 105 und eine Endplatte 107 des Brennstoffzellenstapels 100 dargestellt.
Die Bipolarplatten 101, 103 sind durch eine sogenannte Subgasket 109, die aus einer ersten Folienschicht 111, einer sogenannten Polyethylennaphtalat (PEN) Folie, einer Klebeschicht 113, einer zweiten Folienschicht 115, ebenfalls einer PEN Folie besteht, erste Schaumelementen 117 und zweite Schaumelementen 119 voneinander getrennt.
Die Isolatorplatte 105 ist von der Endbipolarplatte 105 durch ein Dichtelement 200 getrennt. Das Dichtelement 200 umfasst eine Basiskomponente 201, hier beispielhaft in Form einer PEN Folie und eine Verbindungskomponente 203, hier beispielhaft in Form einer Klebeschicht aus Silikon.
Bei einer Temperaturänderung ändert sich eine Länge der Bipolarplatten 101, 103 und der Isolatorplatte 105 unterschiedlich stark, wie durch Pfeile 205 und 207 angedeutet.
Um eine mechanische Belastung des Dichtelements 200 durch bei einer Relativbewegung zwischen Isolatorplatte 105 und Dichtelement 200 auftretenden Scherkräften zu minimieren, weist die Basiskomponente 201 einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der sich nur minimal von dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Isolatorplatte 105 unterscheidet.
In 2 ist das Dichtelement 200 in einer Detaildarstellung dargestellt. Das Dichtelement 200 ist in einem Bereich 209, der einen Aktivbereich der Endbipolarplatte 203 überlagert, ausgeschnitten, sodass der Aktivbereich der Endbipolarplatte 203 in direktem Kontakt mit der Isolatorplatte 105 bzw. von der Isolatorplatte 105 umfassten Stromabnehmerplatten tritt.
Weiterhin ist das Dichtelement 200 in Bereichen 211, die jeweilige Versorgungskanäle der Endbipolarplatte 103 überlagern und in Bereichen 213 die jeweilige Hole&Slot Vorrichtungen der Endbipolarplatte 103 überlagern, ausgeschnitten.
In 3 ist ein Herstellungsverfahren 300 dargestellt. Das Herstellungsverfahren 300 umfasst einen ersten Anordnungsschritt, bei dem eine Vielzahl Bipolarplatten aufeinander angeordnet werden, einen zweiten Anordnungsschritt, bei dem Dichtelemente an jeweiligen äußersten Bipolarplatten angeordnet werden, und einen dritten Anordnungsschritt, bei dem Isolatorplatten auf den Dichtelementen angeordnet werden.

Claims

Dichtelement (200) zum fluiddichten Abdichten eines Bereichs zwischen einer Bipolarplatte (101, 103) und einer Isolatorplatte (105) eines Brennstoffzellenstapels (100), wobei das Dichtelement (200) eine Basiskomponente (201) umfasst, deren Wärmeausdehnungskoeffizient sich von einem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Isolatorplatte (105) höchstens um einen vorgegebenen Wärmeausdehnungskoeffizientenschwellenwert unterscheidet, um eine temperaturbedingte Relativbewegung zwischen dem Dichtelement (200) und der Isolatorplatte (105) zu minimieren, und wobei das Dichtelement (200) eine Verbindungskomponente (203) umfasst, deren E-Modul unter einem vorgegebenen Elastizitätsschwellenwert liegt, um eine Anpassung des Dichtelements (200) an eine Oberflächenstruktur der Isolatorplatte (105) zu ermöglichen.
Dichtelement (200) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeausdehnungskoeffizientenschwellenwert einer Summe aus einem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Isolatorplatte (105) und einem Schwankungswert entspricht, wobei der Schwankungswert 50%, 25%, 10%, 5% oder 2% des Wärmeausdehnungskoeffizienten der Isolatorplatte beträgt.
Dichtelement (200) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elastizitätsschwellenwert zwischen 0,1 MPa und 5 GPa, insbesondere zwischen 0,3MPa und 30 MPa beträgt.
Dichtelement (200) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungskomponente (203) mindestens ein Elastomer, insbesondere mindestens ein Elastomer der folgenden Liste an Elastomeren umfasst: silikonhaltiger Kautschuk, Acrylnitril-Butadien-Kautschuk, Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk, Fluorkautschuk.
Dichtelement (200) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Basiskomponente (201) Polytetrafluorethen umfasst.
Dichtelement (200) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungskomponente (203) zwischen 10µm und 30µm, insbesondere zwischen 15µm und 20µm dick ist.
Dichtelement (200) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (200) Aussparungen im Bereich (209) eines Aktivfelds und jeweiligen Versorgungskanälen einer entsprechenden Bipolarplatte (103) und, insbesondere im Bereich (213) von Hole&Slot Vorrichtungen der Bipolarplatte (103) umfasst.
Brennstoffzellenstapel (100) für ein Brennstoffzellensystem, wobei der Brennstoffzellenstapel (100) umfasst: - eine Anzahl Bipolarplatten (101, 103) mit Endbipolarplatten (103), die an jeweiligen Enden des Brennstoffzellenstapels (100) an Isolatorplatten (105) grenzen, - eine Vielzahl Dichtelemente (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei jeweilige Dichtelemente (200) zwischen jeweiligen Endbipolarplatten (103) und entsprechenden Isolatorplatten (105) angeordnet sind.
Brennstoffzellenstapel (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Endbipolarplatten (103) direkt mit den jeweiligen Dichtelementen (200) in Kontakt stehen, sodass sich zwischen den jeweiligen Endbipolarplatten (1039 und den jeweiligen Dichtelementen (200) kein Schaum und keine Subgasket befindet.
Brennstoffzellenstapel (100) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dicke der Basiskomponente (201) des Dichtelements (200) einer Hälfte einer Dicke einer Subgasket (109) des Brennstoffzellenstapels (100) entspricht.
Herstellungsverfahren (300) für einen Brennstoffzellenstapel (100), wobei das Herstellungsverfahren (300) umfasst: - Anordnen (301) einer Vielzahl Bipolarplatten (101, 103) aufeinander, - Anordnen (303) von Dichtelementen (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 an jeweiligen äußersten Bipolarplatten (103), - Anordnen (305) von Isolatorplatten (105) auf den Dichtelementen (200).