DE60206831T2

DE60206831T2 - Brennstoffzellenplatten mit durch Spritzguss hergestellten Dichtungen

Info

Publication number: DE60206831T2
Application number: DE60206831T
Authority: DE
Inventors: Dale T. Henry County Cummins; David C. Henry County Alsip; Joe B. Stewart County Darke; Jack A. C. Henry County Kummerow
Original assignee: Dana Inc
Current assignee: Dana Automotive Systems Group LLC
Priority date: 2001-05-15
Filing date: 2002-05-09
Publication date: 2006-06-29
Anticipated expiration: 2022-05-10
Also published as: ATE308122T1; US6599653B1; EP1263068B1; EP1263068A1; DE60206831D1; JP2002343383A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft verbesserte Brennstoffzellenanordnung zur Erzeugung von elektrischer Energie und insbesondere ein Verfahren zur Bereitstellung einer Kombination aus Dichtmedium zwischen den einzelnen Brennstoffzellplatten und Isolierung zwischen den Brennstoffzelleinheiten, und dies alles in einem einzigen Prozess.
Beschreibung des Standes der Technik
Bekanntlich werden auf und zwischen den Oberseiten von Brennstoffzellplatten elastische Dichtschnüre angebracht. Diese sollen die Fluidströme zwischen einer Anzahl solcher Platten regeln, sind diese zur Erzeugung von elektrischer Energie in Paaren gestapelt und miteinander verschraubt. Ein typischer Stapel von Brennstoffzellen umfasst eine Anzahl solcher Platten parallel zueinander in einer Sandwich-Anordnung. Die Platten werden von elastischen Dichtschnüren auseinander gehalten. Bei zwei benachbarten Platten sind diese üblicherweise mindestens auf der Oberseite von einer der Platten aufgeklebt. Die Dichtschnüre passen in Nuten auf der Oberseite der Platten und sie bestimmen Wege oder Kanäle für den Fluss der Fluide zwischen den Platten. Die Fluide stehen hier in der Regel nicht nur für die flüssigen Elektrolyte zur Erzeugung von Energie, sondern wie der Fachmann weiß auch für Kühlmittel.
Bei herkömmlich hergestellten Brennstoffzellen bestehen die Zellplatten in der Regel aus Kunststoffverbunden, welche Graphit enthalten. Die Dichtschnüre („sealing beads") sind aus einem Elastomermaterial. Die Schnüre werden normalerweise mit einem Bindemittel auf die Platten geklebt, wenngleich in einigen Fällen die Schüre auch einfach durch den Kompressionsdruck, der von Schraubverbindungen zwischen den Platten erzeugt wird, an Ort und Stelle gehalten werden. Die Brennstoffzellen bestehen jeweils aus einer Kathoden- und einer Anodenplatte. Zwischen der Kathoden- und der Anodenplatte einer jeden Zelle strömt ein Kühlmittel. Das ist entweder ein Antigefriermittel auf Glykolbasis oder deionisiertes Wasser. Zwischen einer jeden Zelle strömen – getrennt von einer Katalysemembran – zwei chemisch reaktive Elemente, Wasserstoff und Sauerstoff. Der Wasserstoff und der Sauerstoff reagieren an der Membran entsprechend einer reversen Elektrolyse. Dabei entsteht Wasserdampf.
Die Art der chemischen Reaktion sowie die notwendige Trennung von Kühlmittel und reagierenden Stoffen verlangt gelegentlich extreme oder teure Maßnahmen, damit durch oder zwischen den Platten keine Lecks auftreten. EP 1 009 052 offenbart eine Brennstoffzelle, bei der solche Maßnahmen erforderlich sind. Ein verbesserter Mechanismus gegen Lecks zwischen benachbarten Brennstoffzellenplatten ist erforderlich, und zwar eine die hoch zuverlässig ist, insbesondere bei der Umsetzung in die Massenproduktion.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Brennstoffzellvorrichtung umfasst eine Anzahl einzelner Brennstoffzellen, die jeweils zwei einander zugewandte, parallele Platten aufweisen, die zusammen passen. Ein elastisches Dichtmedium, bevorzugt hergestellt aus einem Elastomermaterial, dient zur Abdichtung der Platten aneinander. Das Dichtmedium kann aufgebracht werden als härtendes flüssiges Dichtungsmaterial, das – ist es am Ort ausgehärtet – eine Kontrolle der Fluidströme, bspw. des Kühlmittels zwischen den Platten, und der Elektrolytströme zwischen den Brennstoffzellen ermöglicht. Nach der Herstellung werden eine Anzahl solcher parallel gestapelter Platten gemäß der Erfindung von einer Anzahl diskreter elastischer Dichtschnüre, die auf ausgewählten Abschnitten auf der Oberseiten von zwei einander zugewandten Platten liegen, voneinander getrennt.
Die Erfindung betrifft insbesondere die Herstellung von Brennstoffzellen, wobei die Zelleinheit definiert ist als ein Plattenpaar, umfassend eine Anoden- und eine Kathodenplatte, wobei die Kathodenplatte und die Anodenplatte dichtig miteinander verbunden sind. Eine Anzahl solcher Brennstoffzellen sind dann aufeinander gestapelt und gegeneinander gesichert, so dass sie einen kommerziellen Brennstoffzellenverbund bilden, mit dem man elektrische Energie erzeugen kann, entweder zuhause (d.h., für den Hausgebrauch) oder zum Einsatz in Fahrzeugen.
Die Erfindung stellt bereit ein kombinierbares Dicht- und Isolierverfahren, mit dem man Paare solcher Brennstoffzellplatten einfacher und effizienter herstellen kann. Das Verfahren umfasst das Einspritzen eines schnell härtenden flüssigen Silikons in eine ausgerichtete Formöffnung von einer der miteinander zusammenpassenden Platten. Das flüssige Silikon kann dann über die Öffnung durch die andere Platte sowie zwischen die Platten fließen, so dass man zwischen der Kathoden- und der Anodenplatte eine Dichtung erhält. Das flüssige Silikon wird zudem eingespritzt in ausgerichtete Form-Sperröffnungen der Kathoden- und der Anodenplatte, es strömt ganz durch beide Platten und es bildet auf der Rückseite der Bodenplatte eine Isolierschicht. In der hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsform ist die Bodenplatte die Anode.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigt:
1 eine Explosionsdarstellung einer Brennstoffzelle gemäß der Erfindung, umfassend eine Anoden- und eine Kathodenplatte sowie Dichtungen, die ausgelegt sind als Zwischenlage zwischen den Platten innerhalb der Nuten auf den Plattenoberseiten und auch als Isolierschicht auf der Rückseite der Anode;
2 einen Ausschnitt des Querschnitts einer zusammengebauten, gegossenen und abgedichteten Brennstoffzelleneinheit nach 1, aufgenommen durch eine Ecke der zusammengebauten rechtwinkligen Einheit gemäß der erfindungsmäßen Konstruktion.
EINGEHENDE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Siehe 1 und 2. Die gezeigte Brennstoffzelleneinheit 10 umfasst eine Anodenplatte 12 und eine Kathodenplatte 14. Es sind eine Anzahl mit derartiger Brennstoffzelleinheiten 10 in einem Stapel zusammengebaut, so dass man einen Brennstoffzellenverbund (nicht gezeigt) zur Erzeugung von elektrischer Energie erhält. In einem solchen Stapel liegt zwischen den Brennstoffzelleinheiten 10 jeweils eine Isolierschicht 16.
Zwischen den Brennstoffzelleinheiten 10 und auch zwischen den Platten 12, 14 liegen jeweils elastomere Dichtschnüre 18, 20. Wenngleich die in der Explosionsdarstellung von 1 gezeigten Schnüre 18, 20 getrennt dargestellt sind, stellt die Erfindung eine Maßnahme bereit, durch welche die Schnüre als ein Stück in einer zusammenhängenden Materialmasse, wie nachstehend beschrieben, erhalten werden. In der bevorzugten Form ist die Schicht 16 dicker als die Schnüre 18, 20.
Die Dichtschnüre 18, 20 sind in entsprechende Nuten 22 auf der Kathodenplatte 14 und in Nuten 23 auf der Anodenplatte 12 aufgenommen. Die Dichtschnüre 18, 20 sind durchgehend ausgebildet, so dass sie Innenumfassungen 32, 34 stellen, eingerichtet zur Aufnahme entweder eines Kühlmittels oder einer Komponente des Reaktionsgases. Die Brennstofföffnungen 24 lassen einen Strom von flüssigem Wasserstoff in den Bereich 38 mit der Plattenreaktion an der Anode 12 zu. Die Anode weist zu diesem Zweck Nuten auf. Umgekehrt weist die Kathode 14 eine Reihe von Nuten 44 auf, die den Reaktionspartner Sauerstoff bereitstellen, und zwar über Sauerstofföffnungen 25, der auch in dem Bereich 38 zugelassen wird.
Innerhalb der Platten 12, 14 haben die Sauerstofföffnungen die Bezeichnungen 25A bzw. 25B. Die Brennstofföffnungen sind mit 24A bzw. 24B bezeichnet. In den Strukturen mit den einheitlichen Dichtschnüren 18, 20 sind die Öffnungen für den Wasserstoffbrennstoff als Vollkreisöffnungen 26A, 26B dargestellt. Die Öffnungen für Sauerstoff hingegen als Vollkreisöffnungen 28A, 28B. Es wird angemerkt, dass die jeweiligen Sauerstoff- und Wasserstofföffnungen einen Querstrom über den Plattenreaktionsbereich 38 zulassen, indem die Öffnungen diametral gegenüber in den rechteckigen Platten 14 bzw. 12 sind. Der Fachmann erkennt, dass die chemischen Reaktionen in der Brennstoffzelle denen einer reversen Elektrolyse gleichen. Die Reaktion erfolgt über den Kontakt der Reaktionsgasbestandteile Wasserstoff und Sauerstoff und wird erhöht durch die katalytische Membran (nicht gezeigt), die zwischen benachbarten gestapelten Brennstoffzelleneinheiten angeordnet ist. Derartige Reaktionen können somit nur zwischen den Brennstoffzelleinheiten 10 erfolgen. Siehe nun insbesondere 2. Zwischen den benachbarten parallelen Oberseiten 13, 15 des jeweiligen Paars aus Anode 12 und Kathode 14 liegen zwischen den Platten beabstandete Flächen bzw. Kühlnuten 42. Die Brennstoffzellkühlung erfolgt hauptsächlich zwischen den aufeinander liegenden Platten 12, 14 der jeweiligen Brennstoffzelleinheit 10.
Siehe nun insbesondere 1. Die Kühlöffnungen 36 lassen deionisiertes Wasser in die Kühlnuten 42 zwischen den Platten 12, 14. Die Öffnungen 36 sind als 36A und 36B in den Platten 14, 12 angegeben. In der darauf liegenden Isolierschicht 16 mit 36C. In der nun beschriebenen bevorzugten Ausführungsform sind die Kühlöffnungen so angeordnet, dass sie im Durchschnitt innerhalb der Platten angeordnet sind und quer zueinander zu einem bestmöglichen Nutzen, wie der Fachmann sofort erkennen kann. Hierzu wird angemerkt, dass die Dichtschnüre 18, 20 Abschnitte 30A, 30B enthalten, die als Halbkreise ausgebildet sind, so dass sie einen Kühlmittelfluss innerhalb der zusammenhängenden inneren Einfassungsgrenzen 32 bzw. 34 fördern.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinheit 10 kann mit folgenden Verfahren hergestellt werden. Siehe insbesondere 2. Es wird angemerkt, dass die jeweiligen Dichtschnüre 18, 20 sowie die Isolierschicht 16 alle aus einer einstückig zusammenhängenden Materialmasse 40 geformt sind. Dieser Ansatz vermeidet getrennte Isolier- und Dichtschnureinheiten gemäß 1. Dies reduziert die Herstellungskosten. Wie bereits bemerkt, sind die Schnüre und die Isolierschicht bevorzugt aus einem Elastomermaterial hergestellt. Hierzu wird flüssiges Silikonmaterial unter Druck in die ausgerichteten Zulassöffnungen 48, 50 gespritzt, wobei es durch die Anode 12 und die Kathode 14, wie in 2 gezeigt, hindurchgeht. Ein bevorzugter Herstellungsdruck ist 2068 bis 4826 kPa (300 bis 700 Pfund pro Quadratzoll) bei einer Temperatur im Bereich von 148,9 bis 204,4°C (300 bis 400°F). Die jeweiligen Anoden- und Kathodenplatte werden auf den Boden einer Form (nicht gezeigt) gestellt, wobei die Anode nach unten schaut und zum Boden beabstandet ist. Es wird dann flüssiges Silikon in die Zulassöffnungen 48, 50 gedrückt, anfänglich durch die Anode, und zwar mit den angegebenen Drucken, die so hoch sind, dass das Dichtmedium durch und zwischen die Platten gepresst wird, einschließlich in den Raum zwischen der Bodenplatte (Anode) und dem Boden der Form. Das flüssige Silikonmaterial wird bei den vergleichsweise hohen Temperaturen innerhalb von etwa zwei Minuten aushärten.
Die obige Beschreibung dient nur der Darstellung und nicht der Abgrenzung. Der Fachmann erkennt aus der Beschreibung, dass weitere Ausführungsformen möglich sind. Der Schutzbereich der Erfindung ergibt sich aus den anhängenden Ansprüchen.

Claims

Elektrolytische Brennstoffzelle (10), umfassend zwei Platten (12, 14), die unter Abstand parallel zueinander angeordnet sind, wobei die Platten (12, 14) mindestens jeweils eine Öffnung (48, 50) aufweisen, die für eine passende Ausrichtung zur anderen ausgelegt ist, wobei die Öffnung (48, 50) auf jeweils einer Platte (12, 14) in Ausrichtung ist mit mindestens einer Öffnung (48, 50) der anderen Platte (12, 14); ein erstes elastisches Dichtmedium (40), angeordnet über Abschnitte der jeweiligen Oberseiten der Platten (12, 14), wobei das Medium (40) sich durch und von den Öffnungen (48, 50) erstreckt, das Medium (40) ausgelegt ist zur Aufnahme von Trenngebieten eines Kühlflüssigkeitsstroms zwischen den Platten, und wobei die Trenngebiete jeweils einen abgedichteten Kanal zwischen den Platten (12, 14) umfassen, ein zweites elastisches Dichtmedium (16), angeordnet um eine nicht zugewandte Seite von einer der Platten (12, 14) des zweiten elastischen Dichtmediums (16), das eine Dicke besitzt, die größer ist als die Dicke des ersten Dichtmediums (40), wobei alle Medien zusammen eine einheitliche, zusammenhängende Materialmasse bilden, die durch die Öffnungen (48, 50) geht und die sich zwischen den Platten (12, 14) erstreckt.
Elektrolytische Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 1, wobei eine der Platten (12, 14) eine Kathode (14) aufweist und die andere eine Anode (12).
Elektrolytische Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 2, wobei beide elastische Dichtmedien (40, 60) aus einem flüssigen Silikonmaterial ausgebildet sind.
Elektrolytische Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 3, wobei die Öffnungen (48, 50) Sperröffnungen aufweisen, so dass bei der Herstellung der Zelle (10) flüssiges Dichtmedium in und zwischen die Platten (12, 14) aufgenommen werden kann.
Elektrolytische Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 4, wobei das flüssige Silikonmaterial unter Druck in die Sperröffnungen (48, 50) gepresst wird, so dass es sowohl das erste als auch das zweite Dichtmedium (40, 16) ausbildet und hierin das zweite Dichtmedium (16) eine Isolierschicht besitzt.
Verfahren zur Herstellung einer elektrolytischen Brennstoffzelle (10), umfassend die Schritte: a) Bereitstellen eines Brennstoff-Zellplattenpaares (12, 14), ausgerichtet unter Abstand parallel zueinander, die jeweils Sperröffnungen (48, 50) besitzen, eingerichtet zur passenden Ausrichtung mit der anderen; b) Plazieren der Platten (12, 14) zusammen in Ausrichtung auf den Boden einer Form mit einem Abstand zwischen Bodenplatte und Boden; c) Pressen von flüssigem Dichtmedium (40, 16) in die Sperröffnungen unter Druck, wobei das Medium durch und zwischen die Platten (12, 14) fließt und den Raum zwischen der Bodenplatte und dem Boden der Form einnimmt; d) Aushärten lassen des Mediums; und e) Entfernen der Brennstoffzellenplatten (12, 14) mit dem gehärteten Medium aus der Form.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei eine von den Platten (12, 14) eine Kathode (14) ist und die andere eine Anode (12).
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Dichtmedium (40, 16) ein Silikonmaterial enthält, das beim Härten elastisch wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Formdruck bei einer Temperatur im Bereich von 148,9 bis 204,4°C (300-400 Grad Fahrenheit) im Bereich von 2068 bis 4826 kPa (300-700 Pfund pro Quadratzoll) liegt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Platten zudem jeweils einen zweiten Satz ausgerichteter Öffnungen umfassen, die von den Sperröffnungen beabstandet sind, wobei der zweite Satz Öffnungen (24, 25) ausgelegt ist zum Leiten von elektrolytischen Flüssigkeiten und einem Kühlmittel.