WO2009109352A1 - Dichtung für eine brennstoffzelle - Google Patents

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Stefan Geiss
Lars Gerding
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Carl Freudenberg Kg
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a gasket for a fuel cell, comprising a flat layer with a first and a second side.
  • Fuel cells consist of a juxtaposition of individual cells. These form a so-called stack or cell stack, into which often additional components for cooling are integrated.
  • a stack can consist of up to 500 individual cells.
  • a cell is characterized by a layered construction, wherein a cell consists of an arrangement formed by two bipolar plates with gas distribution structure, two gas diffusion layers and a reaction layer in the form of a catalyzed membrane. Two gas diffusion layers each surround the reaction layer and form a membrane-electrode arrangement. To avoid leaks, the membrane-electrode assembly or the bipolar plate is equipped with a seal, as known from WO 2003/100894 A2.
  • seals known iose aiso are arranged without cohesive bond between the bipolar plates, abut both sides of the membrane and seal them.
  • the seals are compressed when mounting the stack and displaced to the outside due to the incompressibility of the sealing material. At the contact surfaces to the membrane tensions arise which lead to the destruction of the membrane.
  • the invention has for its object to provide a seal for a membrane electrode assembly of a fuel cell, which allows a low-stress shoring.
  • recesses are introduced into the first side and / or the second side of the sheet-like sealing layer or openings are introduced into the gasket layer.
  • Breakthroughs can be displaced the material of the seal during pressing.
  • space is also available in the interior of the seal, so that the displaced sealing material covers only a small distance, the deformation forces decrease during assembly and only very low stresses are generated within the seal. Due to the lower voltages at the contact surface with the membrane, the risk of damaging the membrane drops significantly. Furthermore sinks through the
  • the two sides of the seal are preferably flat, but can also be provided with a profiling.
  • the recesses or openings can be arranged in several rows in the layers. Due to the arrangement of the recess or openings in several rows on the one hand, the voltage Pressing in this area lowered particularly effective and thereby prevents the cracking of the sealing material and on the other hand results in a continuous sealing surface through which a maximum tightness is ensured.
  • It can be provided at least three rows, wherein the recesses or openings are preferably arranged offset in the rows to each other. In this case, it is ensured that sufficient sealing material bears flatly and sealingly against the bipolar plates and against the membrane and that no leakage can occur.
  • the layer may be made of elastomeric material.
  • the advantageous effect of the inventive design is given in particular in the materials that have a high static friction by itself, since the material can not be displaced in displacement due to the adhesion to the sealing surfaces and thus even at low
  • sealing materials for fuel cells are, for example, EPDM, PIB, FKM or silicone. These sealing materials are adapted to the requirements in a fuel cell, but have a high static friction coefficient. Therefore, the inventive design of the seal is particularly advantageous for these materials.
  • the edge regions assigned to the inner circumference and the outer circumference of the layer can be free of recesses or perforations.
  • the edge area due to the free edges with respect to shear stress are uncritical and on the other hand results in an edge region in which the seal rests flat and so no impurities can penetrate into the sealing area.
  • a membrane-electrode assembly This comprises a membrane that is covered on both sides with a gas diffusion layer.
  • the membrane-electrode arrangement is in turn arranged between two bipolar plates.
  • the seal is designed as a separate seal and is arranged for mounting between the bipolar plates and seals the space between the bipolar plates after assembly, so the pressing from.
  • seals there are two seals provided, each sealingly against a bipolar plate and the membrane.
  • a protective layer This can for example be formed as a plastic film.
  • the protective layer causes a mechanical stabilization of the sensitive membrane. Since the seal according to the invention allows a low-stress construction, the membrane is subjected only to low mechanical stresses and the protective layer can be omitted in advantageous embodiments.
  • Fig. 1 is a membrane electrode assembly with two inventive
  • Fig. 2 is a membrane electrode assembly with two inventive
  • Fig. 3 is a seal in plan view; 4 shows a seal with recesses. 5 shows a seal with openings. Fig. 6 is a seal with recesses.
  • FIG. 1 shows, as part of a PEM fuel cell, an arrangement 14 with two bipolar plates 11 between which a membrane-electrode arrangement 2 is located.
  • the membrane-electrode assembly 2 consists of a membrane 12, which is covered on both sides with a gas diffusion layer 13.
  • the membrane 12 projects peripherally beyond the gas diffusion layers 13.
  • Adjacent to the gas diffusion layers 13, a respective seal 1 is provided.
  • the seals 1 each comprise a flat layer 3, are introduced into the openings 7.
  • FIG. 2 shows the arrangement 14 according to FIG. 1 after assembly.
  • the seals 1 are in sealing contact with the membrane 12 and in each case with a bipolar plate 11. Due to the openings 7, the material displacement of the sealing material was carried out in the direction of the perforations 7, so that only a small material displacement takes place in the direction of the outer periphery. As a result, the two contact surfaces of the seal 1 to the bipolar plate 11 and the membrane 12 are stress-free.
  • FIG. 3 shows a gasket 1 for a fuel cell as described above.
  • the seal 1 consists of a flat layer 3 consisting of elastomeric material.
  • the sheet-like layer 3 has a first side 4 and a second side 5, in the recesses 6 or openings 7 are introduced in another embodiment.
  • Openings 7 are arranged in a plurality of rows 8, in this case three rows 8, the rows 8 being assigned to the center of the layer and the edge areas assigned to the inner circumference 9 and the outer circumference 10 of the layer being free of recesses or perforations.
  • the recesses 6 or openings 7 are arranged offset in the rows to each other, so that there is an optimal distribution of sealing material 6 and recesses or openings 7 and such a low-voltage displacement of the sealing material in the region of the greatest displacement is possible.
  • FIG. 4 shows a seal 1 according to FIG. 3, recesses 6 being provided in this embodiment.
  • the recesses 6 are arranged in rows, wherein the recesses 6 of the first side 4 and the second side 5 are arranged offset to one another.
  • FIG. 5 shows a gasket 1 according to FIG. 3, perforations 7 being provided in this embodiment.
  • FIG. 6 shows a seal according to FIG. 3, recesses 6 being provided in this embodiment.
  • the recesses 6 are arranged in rows, wherein the recesses 6 of the first side 4 and the second side 5 are arranged one below the other.

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Abstract

Dichtung (1) für eine Brennstoffzelle, bestehend aus einer flächigen Lage (3) mit einer ersten Seite (4) und einer zweiten Seite (5), wobei in die erste Seite (4) und/oder die zweite Seite (5) Ausnehmungen (6) eingebracht sind oder in die Lage (3) Durchbrechungen (7) eingebracht sind.

Description

Anmelderin: Carl Freudenberg KG, 69469 Weinheim
Dichtung für eine Brennstoffzelle
Beschreibung Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Dichtung für eine Brennstoffzelle, bestehend aus einer flächigen Lage mit einer ersten und einer zweiten Seite.
Stand der Technik
Brennstoffzellen bestehen aus einer Aneinanderreihung von einzelnen Zellen. Diese bilden einen so genannten Stack oder Zellstapel, in den häufig noch zusätzliche Komponenten zur Kühlung integriert werden. Ein Stack kann dabei aus bis zu 500 einzelnen Zellen bestehen. Eine Zelle zeichnet sich durch einen schichtweisen Aufbau aus, wobei eine Zelle aus einer Anordnung gebildet durch zwei Bipolarplatten mit Gasverteilerstruktur, zwei Gasdiffusionsschichten und einer Reaktionsschicht in Form einer katalysierten Membran besteht. Jeweils zwei Gasdiffusionsschichten umgeben dabei die Reaktionsschicht und bilden eine Membran-Elektroden-Anordnung. Zur Vermeidung von Leckagen ist die Membran-Elektroden-Anordnung oder die Bipolarplatte mit einer Dichtung ausgerüstet, wie aus der WO 2003/100894 A2 bekannt ist. Es sind Dichtungen bekannt die iose, aiso ohne stoffschlüssigen Verbund zwischen den Bipolarplatten angeordnet sind, beidseitig auf der Membran anliegen und diese abdichten. Die Dichtungen werden beim Montieren des Stacks komprimiert und aufgrund der Inkompressibilität des Dichtungsmaterials nach außen verdrängt. Dabei entstehen an den Kontaktflächen zur Membran Spannungen die zur Zerstörung der Membran führen.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dichtung für eine Membran- Elektroden-Anordnung einer Brennstoffzelle bereitzustellen, die ein spannungsarmes Verbauen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 und 2 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die Unteransprüche Bezug.
Zur Lösung der Aufgabe sind in die erste Seite und/oder die zweite Seite der flächigen Dichtungslage Ausnehmungen eingebracht oder in die Dichtungslage sind Durchbrechungen eingebracht. In die Ausnehmungen oder
Durchbrechungen kann das Material der Dichtung beim Verpressen verdrängt werden. Somit steht auch im inneren der Dichtung Raum zur Verfügung, so dass das verdrängte Dichtungsmaterial nur einen geringen Weg zurücklegt, die Verformungskräfte bei der Montage sinken und nur sehr geringe Spannungen innerhalb der Dichtung erzeugt werden. Aufgrund der geringeren Spannungen an der Kontaktfläche zur Membran sinkt die Gefahr einer Beschädigung der Membran erheblich. Des Weiteren sinkt durch die
Ausnehmungen/Durchbrechungen die dichtungswirksame Fläche der Dichtung, so dass auch die Montage-Λ/erspannkraft sinkt und daher die Membran- Elektroden-Anordnung mit der erfindungsgemäßen Dichtung sicherer zu montieren ist. Die beiden Seiten der Dichtung sind vorzugsweise eben ausgebildet, können aber auch zusätzlich mit einer Profilierung versehen werden.
Die Ausnehmungen oder Durchbrechungen können in mehreren Reihen in den Lagen angeordnet sind. Durch die Anordnung der Ausnehmung oder Durchbrechungen in mehreren Reihen wird zum einen die Spannung beim Verpressen in diesem Bereich besonders wirksam gesenkt und dadurch das Reißen des Dichtungsmaterials verhindert und zum anderen ergibt sich eine durchgehende Dichtfläche durch die eine maximale Dichtheit gewährleistet ist.
Es können mindestens drei Reihen vorgesehen sein, wobei die Ausnehmungen oder Durchbrechungen vorzugsweise in den Reihen versetzt zueinander angeordnet sind. Hierbei ist gewährleistet, dass ausreichend Dichtungsmaterial flächig und dichtend an den Bipolarplatten und an der Membran anliegt und keine Leckage auftreten kann.
Die Lage kann aus elastomerem Material bestehen. Dabei ist die vorteilhafte Wirkung der erfindungsgemäßen Ausgestaltung insbesondere bei den Werkstoffen gegeben, die von sich aus über eine hohe Haftreibung verfügen, da hier das Material bei Verdrängen aufgrund der Haftung an den Dichtflächen nicht verdrängt werden kann und dadurch auch schon bei geringen
Kompressionen hohe Spannungen an den Kontaktflächen auftreten. Da das Material bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung in Freiräume verdrängt werden kann, die in der Dichtung selbst angeordnet sind, wird das Auftreten hoher Scherspannungen sicher vermieden. Häufig verwendete Dichtungswerkstoffe für Brennstoffzellen sind beispielsweise EPDM, PIB, FKM oder Silikon. Diese Dichtungswerkstoffe sind auf die Anforderungen in einer Brennstoffzelle angepasst, weisen aber einen hohen Haftreibungskoeffizienten auf. Daher ist die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Dichtung insbesondere bei diesen Werkstoffen vorteilhaft.
Die dem Innenumfang und dem Außenumfang der Lage zugeordneten Randbereiche können frei von Ausnehmungen oder Durchbrechungen sein. Zum einen sind die Randbereich aufgrund der freien Ränder in Bezug auf Scherspannung unkritisch und zum anderen wird ergibt sich ein Randbereich in dem die Dichtung flächig anliegt und so auch keine Verunreinigungen in den Dichtbereich eindringen können. In einer erfindungsgemäßen Anordnung der Dichtung ist diese benachbart zu einer Membran-Elektroden-Anordnung montiert. Diese umfasst eine Membran, die beidseitig mit einer Gasdiffusionslage bedeckt ist. Die Membran-Elektroden- Anordnung ist wiederum zwischen zwei Bipolarplatten angeordnet. Die Dichtung ist als separate Dichtung ausgebildet und wird zur Montage zwischen den Bipolarplatten angeordnet und dichtet den Raum zwischen den Bipolarplatten nach der Montage, also dem Verpressen, ab. Es sind zwei Dichtungen vorgesehen, die jeweils an einer Bipolarplatte und der Membran dichtend anliegen. Zur Stabilisierung der Membran ist es bekannt, die Membran im Randbereich mit einer Schutzschicht zu versehen. Diese kann beispielsweise als Kunststoff-Folie ausgebildet. Die Schutzschicht bewirkt eine mechanische Stabilisierung der empfindlichen Membran. Da die erfindungsgemäße Dichtung einen spannungsarmen Aufbau ermöglicht, ist die Membran nur noch geringen mechanischen Beanspruchungen unterworfen und die Schutzschicht kann in vorteilhaften Ausgestaltungen entfallen.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Einige Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Dichtung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen, jeweils schematisch:
Fig. 1 eine Membran-Elektroden-Anordnung mit zwei erfindungsgemäßen
Dichtungen vor der Montage; Fig. 2 eine Membran-Elektroden-Anordnung mit zwei erfindungsgemäßen
Dichtungen nach der Montage; Fig. 3 eine Dichtung in der Draufsicht; Fig. 4 eine Dichtung mit Ausnehmungen; Fig. 5 eine Dichtung mit Durchbrechungen; Fig. 6 eine Dichtung mit Ausnehmungen. Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt, als Teil einer PEM-Brennstoffzelle, eine Anordnung 14 mit zwei Bipolarplatten 11 zwischen denen sich eine Membran-Elektroden-Anordnung 2 befindet. Die Membran-Elektroden-Anordnung 2 besteht aus einer Membran 12, die beidseitig mit einer Gasdiffusionslage 13 bedeckt ist. Die Membran 12 ragt umfangsseitig über die Gasdiffusionslagen 13 hinaus. Benachbart zu den Gasdiffusionslagen 13 ist jeweils eine Dichtung 1 vorgesehen. Die Dichtungen 1 umfassen jeweils eine flächige Lage 3, in die Durchbrechungen 7 eingebracht sind.
Figur 2 zeigt die Anordnung 14 gemäß Figur 1 nach der Montage. Nach dem Verpressen der Bipolarplatten 11 und den dazwischen angeordneten Membran- Elektroden-Anordnungen 2 liegen die Dichtungen 1 dichtend an der Membran 12 und jeweils einer Bipolarplatte 11 an. Aufgrund der Durchbrechungen 7 erfolgte die Materialverdrängung des Dichtungsmaterials in Richtung der Durchbrechungen 7, so dass nur eine geringe Materialverdrängung in Richtung des Außenumfangs erfolgt. Dadurch sind die beiden Kontaktflächen der Dichtung 1 zur Bipolarplatte 11 und zur Membran 12 spannungsarm.
Figur 3 zeigt eine Dichtung 1 für eine Brennstoffzelle wie zuvor beschrieben. Die Dichtung 1 besteht aus einer flächigen Lage 3 bestehend aus elastomerem Material. Die flächige Lage 3 weist eine erste Seite 4 und eine zweite Seite 5 auf, in die Ausnehmungen 6 oder in einer anderen Ausführung Durchbrechungen 7 eingebracht sind. Die Ausnehmungen 6 oder
Durchbrechungen 7 sind in mehreren Reihen 8, hier drei Reihen 8, angeordnet, wobei die Reihen 8 der Mitte der Lage zugeordnet sind und die dem Innenumfang 9 und dem Außenumfang 10 der Lage zugeordneten Randbereiche frei von Ausnehmungen oder Durchbrechungen sind. Die Ausnehmungen 6 oder Durchbrechungen 7 sind in den Reihen versetzt zueinander angeordnet, so dass sich eine optimale Verteilung von Dichtungsmaterial 6 und Ausnehmungen oder Durchbrechungen 7 ergibt und so eine spannungsarme Verdrängung des Dichtungsmaterials in dem Bereich der größten Verdrängung möglich ist.
Figur 4 zeigt eine Dichtung 1 gemäß Figur 3, wobei in dieser Ausgestaltung Ausnehmungen 6 vorgesehen sind. Die Ausnehmungen 6 sind in Reihen angeordnet wobei die Ausnehmungen 6 der ersten Seite 4 und der zweiten Seite 5 versetzt zueinander angeordnet sind.
Figur 5 zeigt eine Dichtung 1 gemäß Figur 3, wobei in dieser Ausgestaltung Durchbrechungen 7 vorgesehen sind.
Figur 6 zeigt eine Dichtung gemäß Figur 3, wobei in dieser Ausgestaltung Ausnehmungen 6 vorgesehen sind. Die Ausnehmungen 6 sind in Reihen angeordnet wobei die Ausnehmungen 6 der ersten Seite 4 und der zweiten Seite 5 untereinander angeordnet sind.

Claims

Patentansprüche
1. Dichtung (1 ) für eine Brennstoffzelle, bestehend aus einer flächigen Lage (3) mit einer ersten Seite (4) und einer zweiten Seite (5), dadurch gekennzeichnet, dass in die erste Seite (4) und/oder die zweite Seite (5)
Ausnehmungen (6) eingebracht sind.
2. Dichtung (1) für eine Brennstoffzelle, bestehend aus einer flächigen Lage (3), dadurch gekennzeichnet, dass in die Lage (3) Durchbrechungen (7) eingebracht sind.
3. Dichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (6) oder Durchbrechungen (7) in mehreren Reihen (8) in der Lage (3) angeordnet sind.
4. Dichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Reihen (8) vorgesehen sind.
5. Dichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (6) oder Durchbrechungen (7) in den Reihen (8) versetzt zueinander angeordnet sind.
6. Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage (3) aus elastomerem Material besteht.
7. Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Innenumfang (9) und dem Außenumfang (10) der Lage (3) zugeordneten Randbereiche frei von Ausnehmungen (6) oder Durchbrechungen (7) sind.
8. Anordnung (14), umfassend zwei Bipolarplatten (11) zwischen denen eine Membran-Elektroden-Anordnung (2) mit einer Membran (12) zwei Gasdiffusionslagen (13) und zumindest eine Dichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche angeordnet sind.
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