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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Anmeldung betrifft das Gebiet der Brennstoffzellen, insbesondere eine Dichtungsstruktur für eine metallische Polarplatte einer Brennstoffzelle und eine Brennstoffzelle mit einer solchen Struktur.
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Stand der Technik
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Bei der Montage einer Brennstoffzelle muss ein Gasströmungsfeld unbedingt abgedichtet werden, um den Austritt eines Reaktionsgases aus dem Feld zu vermeiden. Wie in 1 gezeigt, wird im Stand der Technik häufig ein Dichtungsmittel 30 verwendet, um das Strömungsfeld von Umgebung zu trennen. Das Dichtungsmittel 30 wird an metallischen Polarplatten 10 angehaftet. Bei dem Zusammenbauen der Brennstoffzelle wird eine äußere Kraft zum Drücken der metallischen Polarplatten 10 auf beiden Seiten in Richtung einer Membran-Elektroden-Einheit 20 aufgebracht. Durch diese Montagekraft wird eine ausreichende Kontaktkraft (contact force) des Dichtungsmittels 30 zwischen den metallischen Polarplatten 10 und der Membran-Elektroden-Einheit 20 erzielt. Dadurch ist die Abdichtung möglich.
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In einem idealen Fall ist die Breite des Dichtungsmittels 30 in der Regel kleiner als die Breite der zur Aufnahme des Dichtungsmittels 30 dienenden Dichtungsmittelnut 11 in der metallischen Polarplatte 10. Da das Dichtungsmittel 30 aus Gummimaterial hergestellt ist, könnte der Druck bei der Montage zur elastischen Verformung des Gummis führen. Wenn die Breite des Dichtungsmittels 30 gleich wie die der Dichtungsmittelnut 11 ist, kann beim Zusammendrücken des Dichtungsmittels 30 ein Teil davon aus der Nut gedrückt werden, was die Dichtigkeit beeinträchtigen könnte. Wenn jedoch die Breite des Dichtungsmittels 30 kleiner als die Breite des Bodens der Dichtungsmittelnut 11 ist, ist es schwierig, das Dichtungsmittel 30 so an der metallischen Polarplatte 10 anzubringen, dass die Mittellinie des Dichtungsmittels 30 mit der Mittellinie der Nut der metallischen Polarplatte 10 übereinstimmt, wodurch die Ausrichtung der Dichtungsmittel für Anode und für Kathode aufeinander erschwert wird. Dafür gibt es zwei Gründe: (1) Die Dichtungsmittelnut 11 ist gestanzt erzeugt und ihr Schnitt ist nicht in Form eines Rechtecks, sondern eines Trapezes mit abgerundeten Ecken ausgebildet. Daher lässt sich die Mittellinie der Nut in einer tatsächlichen Platte nur schwierig messen. (2) Es ist schwierig, die Versetzung des Dichtungsmittels 30 an verschiedenen Stellen während des Zusammenbauens zu erkennen. Daher kommt es oft zur Versetzung zwischen dem Dichtungsmittel 30 für die positive Elektrode und für die negative Elektrode. Wie in 2 gezeigt, kann die Dichtung beeinträchtigt werden oder sogar ausfallen, wenn die Versetzung zu stark ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Anmeldung offenbart eine Dichtungsstruktur für eine metallische Polarplatte einer Brennstoffzelle und eine Brennstoffzelle mit einer solchen Struktur, die die Probleme im Stand der Technik lösen können.
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Dafür offenbart nach einem Aspekt der vorliegenden Anmeldung eine Dichtungsstruktur für eine metallische Polarplatte einer Brennstoffzelle, umfassend eine metallische Polarplatte, eine Membran-Elektroden-Einheit und ein Dichtungsmittel. Die metallische Polarplatte weist eine Dichtungsmittelnut auf, in der das Dichtungsmittel aufgenommen ist. Die Dichtungsmittelnut, das Dichtungsmittel sowie ein Rahmen der Membran-Elektroden-Einheit passen zueinander, um einen inneren Raum, der beim Zusammenpressen der metallischen Polarplatte und der Membran-Elektroden-Einheit umschlossen wird, abzudichten. An der inneren Oberfläche der Dichtungsmittelnut sind Positioniereinheiten vorgesehen, welche die Bestimmung der Einbauposition des Dichtungsmittels in der Dichtungsmittelnut erleichtern.
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Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Anmeldung sind die Positioniereinheiten am Boden der Dichtungsmittelnut ausgebildet.
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Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Anmeldung beträgt die Höhe der Positioniereinheit 1/5 der Höhe des Dichtungsmittels.
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Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Anmeldung ist die Positioniereinheit ein Vorsprung, der durch Stanzen der metallischen Polarplatte gebildet ist und sich von dem Boden der Dichtungsmittelnut nach oben erstreckt.
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Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Anmeldung ist der Schnitt der Dichtungsmittelnut in einer Dickenrichtung der metallischen Polarplatte in Form eines gleichschenkligen Trapezes ausgebildet, und eine Verbindungsstelle zwischen dem Boden und einer Seitenwand der Dichtungsmittelnut ist in einem Abstand zu den Positioniereinheiten angeordnet.
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Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Anmeldung ist die Dichtungsmittelnut um den Umfang der metallischen Polarplatte sowie um den Umfang einer Lufteintrittsöffnung und einer Luftaustrittsöffnung an Enden der metallischen Polarplatte herum angeordnet.
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Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Anmeldung sind die Positioniereinheiten auf beiden Seiten einer Breitenrichtung des Dichtungsmittels angeordnet, und der Abstand zwischen den Positioniereinheiten ist größer als die Breite des Dichtungsmittels.
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Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Anmeldung ist die metallische Polarplatte eine Bipolarplatte.
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Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Anmeldung ist der Schnitt des Dichtungsmittels in der Dickenrichtung der metallischen Polarplatte rechteckig ausgebildet.
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Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Anmeldung wird eine Brennstoffzelle offenbart, bei der die vorstehend beschriebene Dichtungsstruktur für eine metallische Polarplatte verwendet wird.
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Zum weiteren Verständnis der Merkmale und des technischen Inhalts dieser Anmeldung wird auf die folgende ausführliche Beschreibung und die beiliegenden Zeichnungen verwiesen. Die beiliegenden Zeichnungen dienen jedoch nur zur Referenz und Veranschaulichung und sollen diese Anmeldung nicht einschränken.
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Figurenliste
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Die vorstehenden und weiteren Aspekte der vorliegenden Anmeldung werden anhand der nachfolgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen besser verständlich und nachvollziehbar. Es zeigen:
- 1 eine schematische Strukturansicht in einer Montageposition eines Dichtungsmittels im idealen Fall nach dem Stand der Technik;
- 2 eine schematische Strukturansicht einer versetzten Montage eines Dichtungsmittels nach dem Stand der Technik;
- 3 eine schematische Strukturansicht der Montage eines Dichtungsmittels nach einer Ausführungsform der Anmeldung.
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Ausführliche Ausführungsformen
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Um dem Fachmann zu helfen, die beanspruchten Gegenstände der Anmeldung genau zu verstehen, werden nachfolgend die spezifischen Ausführungsformen der Anmeldung in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.
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Eine Dichtungsstruktur für eine metallische Polarplatte einer Brennstoffzelle umfasst eine metallische Polarplatte 100, eine Membran-Elektroden-Einheit 200 und ein Dichtungsmittel 300, wie in 3 gezeigt. Es ist zu verstehen, dass zur Hervorhebung der technischen Schwerpunkte der vorliegenden Anmeldung die Darstellung der metallischen Polarplatte und der Membran-Elektroden-Einheit als Ganzes in 3 weggelassen wird, und nur die metallische Polarplatte und die Membran-Elektroden-Einheit in der Nähe des Rahmens der Membran-Elektroden-Einheit schematisch dargestellt werden.
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Die metallische Polarplatte 100 weist eine Dichtungsmittelnut 110 auf, und das Dichtungsmittel 300 ist in der Dichtungsmittelnut 110 aufgenommen und befestigt. Die Dichtungsmittelnut 110, das Dichtungsmittel 300 sowie der Rahmen der Membran-Elektroden-Einheit 200 passen zueinander, um einen inneren Raum, der beim Zusammenpressen der metallischen Polarplatte 100 und der Membran-Elektroden-Einheit 200 umschlossen wird, abzudichten. Dabei sind an der inneren Oberfläche der Dichtungsmittelnut 110 Positioniereinheiten 111 vorgesehen, die die Bestimmung der Position des Dichtungsmittels 300 in der horizontalen Richtung innerhalb der Dichtungsmittelnut 110 (d. h. die Breitenrichtung W des Dichtungsmittels 300) erleichtern. Nach der Bestimmung der Position des Dichtungsmittels 300 wird das Dichtungsmittel 300 typischerweise durch einen Klebstoff am Boden mit der Dichtungsmittelnut weiter befestigt. Dadurch trennen sich die beiden Seiten des befestigten Dichtungsmittels 300 luftdicht in der horizontalen Richtung.
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In der vorliegenden ausführlichen Ausführungsform sind die Positioniereinheiten 111 am Boden der Dichtungsmittelnut 110 ausgebildet. Es ist zu verstehen, dass in anderen Ausführungsformen die Positionen der Positioniereinheiten 111 nicht auf den Boden der Dichtungsmittelnut 110 beschränkt, sondern sie auch an anderen Stellen, wie z. B. an der Seitenwand der Dichtungsnut 110, angeordnet sein kann, solange sie das Dichtungsmittel 300 abstützen kann, um sicherzustellen, dass keine Versetzung der ungefähren Position des Dichtungsmittels in der Dickenrichtung W des Dichtungsmittels 300 auftritt.
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Um es prozesstechnologisch zu vereinfachen, kann die Positioniereinheit 111 ein Vorsprung sein, der durch Stanzen der metallischen Polarplatte 100 gebildet ist und sich von dem Boden der Dichtungsmittelnut 110 nach oben erstreckt. Es wurde von dem Anmelder festgestellt, dass eine bessere Stabilität und niedrige Kosten erreicht werden, wenn die Höhe der durch Stanzen gebildeten Positioniereinheit 1111/5 der Höhe des Dichtungsmittels 300 beträgt.
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Wie in 3 gezeigt, ist der Schnitt der Dichtungsmittelnut 110 in der Dickenrichtung der metallischen Polarplatte 100 in Form eines gleichschenkligen Trapezes ausgebildet. Um die Stabilität des nach dem Stanzen gebildeten Vorsprungs ebenfalls zu garantieren, ist eine Verbindungsstelle B zwischen dem Boden 110a und der Seitenwand 110b der Dichtungsmittelnut 110 in einem Abstand d zu der Positioniereinheit 111 angeordnet.
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Um die Dichtwirkung sicherzustellen, ist die Dichtungsmittelnut 110 um den Umfang der metallischen Polarplatte 100 sowie um den Umfang einer Lufteintrittsöffnung und einer Luftaustrittsöffnung (nicht dargestellt) an Enden der metallischen Polarplatte 100 herum angeordnet.
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Bei der Montage der Zelle sind unter Berücksichtigung der Verformung des Dichtungsmittels 300, die durch den von der metallischen Polarplatte 100 auf die Membran-Elektroden-Einheit 200 aufgebrachten Druck verursacht wird, die Positioniereinheiten 111 auf beiden Seiten der Dickenrichtung W des Dichtungsmittels angeordnet und der Abstand zwischen den Positioniereinheiten ist leicht größer als die Breite des Dichtungsmittels 300. Dadurch wird das Dichtungsmittel 300 beim Zusammendrücken nicht durch Verformung versetzt, was die Dichtigkeit beeinträchtigen könnte. Wie sich aus der Zeichnung ergibt, ist in der vorliegenden ausführlichen Ausführungsform der Schnitt des Dichtungsmittels 300 in der Richtung der Dicke h der metallischen Polarplatte 100 rechteckig ausgebildet. In anderen Ausführungsformen kann der Schnitt des Dichtungsmittels 300 nach Bedarf auch andere Formen haben.
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Es ist zu verstehen, dass die metallische Polarplatte 100 eine Bipolarplatte sein kann, wenn die vorliegende Anmeldung in einem Brennstoffzellenstapel verwendet wird. Bei entweder einer Brennstoffzelle oder einem Brennstoffzellenstapel mit der vorstehend beschriebenen Dichtungsstruktur für eine metallische Polarplatte kann die oben erwähnte Dichtwirkung erzielt werden.
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Obwohl die vorliegende Anmeldung auf der Grundlage von bestimmten Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, ist die vorliegende Anmeldung nicht auf die gezeigten Details beschränkt. Vielmehr sind innerhalb des Schutzumfangs der Ansprüche und ihrer Äquivalente verschiedene Einzelheiten der vorliegenden Anmeldung modifizierbar.
