WO2009149907A1 - Anordnung für eine brennstoffzelle - Google Patents

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Volker Senne
Lars Gerding
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Carl Freudenberg Kg
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Definitions

  • the invention relates to an arrangement for a fuel cell, comprising at least one planar component and a sealing element.
  • 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 structure, wherein a cell consists of an array of 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.
  • the membrane electrode assembly or the bipolar plate is equipped with a seal, as it is known for example from WO 2003/100894 A2.
  • the gaskets can be attached directly to the bipolar plate or the gas diffusion layer by injection molding. In this case, the seal may also be formed so that the seal, the membrane between the
  • Gas diffusion layers is arranged, sealingly encloses at the edge.
  • seals known loose so without cohesive composite are arranged between the bipolar plates, abut both sides of the membrane and seal them.
  • the components to be sealed must be aligned with a cell, in particular loose seals are difficult to position.
  • the invention has for its object to provide a sealing element for an arrangement of a fuel cell, which is easier to position and which is easy to produce.
  • the sealing element is positively secured to the component. This makes it possible to pre-assemble the sealing element and at the same time attach the sealing element captive to the component. In particular, it is not necessary to fasten the sealing element in a material-locking manner to the component. Further measures to ensure the position of the sealing element during assembly can be omitted.
  • the sealing element and the component are generated independently of each other, whereby, for example, damage to the component is precluded by a high production temperature of the sealing element.
  • the sealing element surrounds the peripheral edge of the component and extends at least in sections on the top and bottom of the component, thereby producing a positive connection.
  • This embodiment is particularly suitable when several components are to be bundled by the sealing element, wherein the sealing element encloses the two outer components in this case.
  • the sealing element is stretched and stretched over the outer edge of the component, so that the sealing element encloses the upper and lower sides and the circumferential edge of the component and is thereby fixed in a form-fitting manner on the component.
  • the sealing element can be designed so that it the upper and lower sides of the component only partially encloses, wherein the sealing element surrounds the component preferably at its corners, since there the greatest stresses and restoring forces are expected.
  • the sealing element can also be designed so that it equally encloses the component over the circumference.
  • the sealing element may be formed substantially U-shaped.
  • Such a sealing element has three legs, one leg which extends over the edge of the component and two further legs which partially cover the top and bottom of the component. The other legs are thus sealingly on the top and bottom of the component and at the same time seal the component from another component.
  • the sealing element for example, cover a bipolar plate on the top and bottom and simultaneously positioned on the top or bottom membrane and / or gas diffusion layer at the edges in
  • the sealing element can be divided in the transverse direction at least in sections.
  • the sealing element may have approximately centrally a slot which extends over at least one and partially over the two adjacent edges.
  • the sealing element can be opened like a book and mounted particularly easily on the component.
  • the sealing element in the region of the resulting through the slot inner sides at least one positive locking element.
  • This form-fitting element may be a dovetail geometry or a different kind of undercut geometry.
  • the sealing element is opened and then closed again by means of the positive locking elements, so that the sealing element securely and captively on the Component is fixed.
  • the sealing element is particularly easy to install and at the same time securely fixed to the component.
  • the sealing element may be provided on at least one outer side with a profiling.
  • the profiling may consist of one or more circumferential surveys in various cross-sections. The profiling improves the sealing effect compared to the adjacent components due to the increased surface pressure.
  • the component may be formed as a bipolar plate.
  • Bipolar plates are made of a solid material, such as metal or graphite and are usually provided with one or both sides with a structure through which the reaction gas and optionally a cooling medium is distributed over a surface.
  • Metallic bipolar plates can have a smooth surface and for distributing the media a wire mesh is used which forms the structure on a metallic bipolar plate.
  • These structures must be sealed against the environment, with sealing elements are provided for sealing, which are either by direct integration materially connected to the bipolar plate or loosely positioned. Loose sealing elements are used in particular when direct integration is too expensive, but loose sealing elements are difficult to position.
  • the sealing element according to the invention is particularly easy to position due to the positive fixing, so that in particular metallic bipolar plates are easy to install with the sealing elements fixed thereon.
  • the sealing element can fix several components to form a module.
  • Other components that can be fixed by the sealing element according to the invention are in particular gas diffusion layers, gas diffusion electrodes, foam-shaped gas distributor.
  • a module in which a plurality of components are fixed by the sealing member may include, for example, the following components in sequence: a gas diffusion layer of a first cell, a A bipolar plate of a first cell, a cooling plate between the first and the second cell, a bipolar plate of a second cell and a gas diffusion layer of a second cell.
  • the module thus comprises bipolar plates and gas diffusion layers of adjacent cells.
  • To assemble the fuel cell a module comprising the abovementioned components and a membrane are successively stacked on top of one another and connected to one another.
  • FIG. 2 shows an arrangement with a divided sealing element
  • Fig. 3 fixed an arrangement with a module by a sealing element.
  • Figure 1 shows an arrangement 1 for a fuel cell, consisting of a sheet-like member 2, which is a metallic bipolar plate in this embodiment and a sealing element 3 made of elastomeric material, for example FKM, EPDM or silicone which is positively secured to the component 2.
  • the sealing element is U-shaped and engages around the peripheral edge 4 of the component 2 surrounds and extends to the edge region of the top and bottom 5, 6 of the component 2.
  • the sealing element 3 is on at least one outside 9 with a profiling 10 provided.
  • the sealing element 3 is stretched and pulled over the edge 4 of the component 2.
  • FIG. 2 shows an arrangement according to FIG.
  • sealing element 3 in this embodiment is divided approximately centrally in the transverse direction such that one edge 14 of the sealing element is completely slotted and the edges 13 adjacent to this edge 14 are partially slotted, so that the sealing element 3 is hinged.
  • the sealing element 3 has a positive-locking element 9 in the region of the inner sides 8 resulting through the slot 7.
  • the form-locking element consists of a circumferential undercut geometry.
  • the sealing element 3 is opened, the component 2 is inserted and then the sealing element 3 is closed by means of the interlocking elements 9.
  • the closure takes place by adhesive bonding of the two contacting surfaces of the sealing element 3.
  • polyolefin materials are suitable for the sealing element 3, since these materials have a particularly good adhesive properties.
  • FIG. 3 shows a module 11 comprising a plurality of components 2, namely a gas diffusion layer 15 of a first cell 12 ', a bipolar plate 16 of a first cell 12', a cooling plate 17, a bipolar plate 16 of a second adjacent cell 12 "and a gas diffusion layer 15 of a second one Cell 12 ".
  • These components 2 are fixed by a U-shaped sealing element 3 to a module 11.
  • the outer components 2 of the module, here the bipolar plates 16 and the gas diffusion layers 15 are encompassed by the sealing element.
  • a plurality of modules 11 are stacked on top of each other, wherein between each module 11, a membrane 18 is positioned.

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Abstract

Anordnung (1) für eine Brennstoffzelle, umfassend zumindest ein flächiges Bauteil (2) und ein Dichtelement (3), wobei das Dichtelement (3) formschlüssig an dem Bauteil (2) befestigt ist.

Description

Anmelderin: Carl Freudenberg KG, 69469 Weinheim
Anordnung für eine Brennstoffzelle
Beschreibung Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Anordnung für eine Brennstoffzelle, umfassend zumindest ein flächiges Bauteil und ein Dichtelement.
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 von 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 sie beispielsweise aus der WO 2003/100894 A2 bekannt ist. Die Dichtungen können direkt mittels Spritzgießen auf der Bipolarplatte oder der Gasdiffusionsschicht befestigt werden. Dabei kann die Dichtung auch so ausgebildet sein, dass die Dichtung die Membran, die zwischen den
Gasdiffusionsschichten angeordnet ist, an deren Kante dichtend umschließt. Es sind auch Dichtungen bekannt, die lose, also ohne stoffschlüssigen Verbund zwischen den Bipolarplatten angeordnet sind, beidseitig auf der Membran anliegen und diese abdichten. Bei den vorgenannten Dichtungen müssen die abzudichtenden Bauteile einer Zelle ausgerichtet werden, wobei insbesondere lose Dichtungen schwierig zu positionieren sind.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Dichtelement für eine Anordnung einer Brennstoffzelle bereit zu stellen, welche einfacher zu positionieren ist und welche einfach herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die Unteransprüche Bezug.
Zur Lösung der Aufgabe ist das Dichtelement formschlüssig an dem Bauteil befestigt. Dadurch ist es möglich, das Dichtelement vorzumontieren und gleichzeitig das Dichtelement verliersicher an dem Bauteil zu befestigen. Dabei ist es insbesondere nicht erforderlich, das Dichtelement stoffschlüssig an dem Bauteil zu befestigen. Weitere Maßnahmen zur Sicherstellung der Position des Dichtelementes während der Montage können entfallen. Das Dichtelement und das Bauteil werden unabhängig voneinander erzeugt, wodurch beispielsweise Beschädigungen des Bauteiles durch eine hohe Herstellungstemperatur des Dichtelementes ausgeschlossen sind. Vorteilhafterweise umgreift das Dichtelement die umlaufende Kante des Bauteils und erstreckt sich zumindest abschnittsweise auf die Ober- und Unterseite des Bauteiles, um dadurch einen Formschluss zu erzeugen. Diese Ausgestaltung eignet sich insbesondere dann, wenn mehrere Bauteile durch das Dichtelement gebündelt werden sollen, wobei das Dichtelement in diesem Fall die beiden äußeren Bauteile umschließt. Zur Montage wird das Dichtelement gedehnt und über die äußere Kante des Bauteiles gespannt, so dass das Dichtelement die Ober- und Unterseite sowie die umlaufende Kante des Bauteiles umschließt und dadurch an dem Bauteil formschlüssig fixiert ist. Das Dichtelement kann so ausgebildet sein, dass es die Ober- und Unterseite des Bauteiles nur abschnittsweise umschließt, wobei das Dichtelement das Bauteil vorzugsweise an dessen Ecken umschließt, da dort die größten Spannungen und Rückstellkräfte zu erwarten sind. Das Dichtelement kann aber auch so ausgebildet sein, dass es das Bauteil über den Umfang gleichermaßen umschließt.
Das Dichtelement kann im Wesentlichen U-förmig ausgebildet sein. Ein derartiges Dichtelement weist drei Schenkel auf, ein Schenkel der sich über die Kante des Bauteiles erstreckt und zwei weitere Schenkel die die Ober- und Unterseite des Bauteils teilweise überdecken. Die weiteren Schenkel liegen damit dichtend an der Ober- und Unterseite des Bauteiles an und dichten gleichzeitig das Bauteil gegenüber einem anderen Bauteil ab. So kann das Dichtelement beispielsweise eine Bipolarplatte auf dessen Ober- und Unterseite überdecken und gleichzeitig eine auf der Ober- oder Unterseite positionierte Membran und/oder Gasdiffusionsschicht an deren Kanten in
Richtung der Umgebung abzudichten. Hierbei ist insbesondere vorteilhaft, dass sich der Formschluss an dem Bauteil allein schon durch die U-förmige Gestalt des Dichtelemtes ergibt. Formschlusselemente, wie Vertiefungen oder Nuten in dem Bauteil können entfallen.
Das Dichtelement kann in Querrichtung zumindest abschnittsweise geteilt sein. Dazu kann das Dichtelement etwa mittig einen Schlitz aufweisen, der sich über wenigstens eine und teilweise über die beiden benachbarten Kanten erstreckt. Dadurch kann das Dichtelement wie ein Buch aufgeklappt werden und besonders einfach auf das Bauteil montiert werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Dichtelement im Bereich der sich durch den Schlitz ergebenden Innenseiten zumindest ein Formschlusselement auf. Dieses Formschlusselement kann eine Schwalbenschwanzgeometrie oder eine anders geartete Hinterschnittgeometrie sein. Zur Montage wird das Dichtelement aufgeklappt und anschließend mittels der Formschlusselemente wieder verschlossen, so dass das Dichtelement sicher und verliersicher auf dem Bauteil fixiert ist. Bei dieser Ausführung ist das Dichtelement besonders einfach montierbar und gleichzeitig sicher an dem Bauteil fixiert.
Das Dichtelement kann auf zumindest einer Außenseite mit einer Profilierung versehen sein. Die Profilierung kann aus einer oder mehreren umlaufenden Erhebungen in verschiedensten Querschnitten bestehen. Die Profilierung verbessert durch die vergrößerte Flächenpressung die Dichtwirkung gegenüber den angrenzenden Bauteilen.
Das Bauteil kann als Bipolarplatte ausgebildet sein. Bipolarplatten bestehen aus einem festen Material, beispielsweise Metall oder Graphit und sind meist mit ein- oder beidseitig mit einer Struktur versehen, durch die das Reaktionsgas und gegebenenfalls ein Kühlmedium flächig verteilt wird. Metallische Bipolarplatten können eine glatte Oberfläche aufweisen und zur Verteilung der Medien wird ein Drahtgewebe eingesetzt, welches die Struktur auf einer metallischen Bipolarplatte bildet. Diese Strukturen müssen gegenüber der Umgebung abgedichtet werden, wobei zur Abdichtung Dichtelemente vorgesehen sind, die entweder durch Direktintegration stoffschlüssig mit der Bipolarplatte verbunden sind oder lose positioniert werden. Lose Dichtelemente werden insbesondere dann eingesetzt, wenn eine Direktintegration zu aufwendig ist, wobei lose Dichtelemente jedoch schwierig zu positionieren sind. Das erfindungsgemäße Dichtelement ist aufgrund der formschlüssigen Fixierung jedoch besonders einfach zu positionieren, so dass insbesondere auch metallische Bipolarplatten mit den darauf fixierten Dichtelementen einfach zu montieren sind.
Das Dichtelement kann mehrere Bauteile zu einem Modul fixieren. Weitere Bauteile die durch das erfindungsgemäße Dichtelement fixiert werden können sind insbesondere Gasdiffusionsschichten, Gasdiffusionselektroden, schaumförmige Gasverteiler. Ein Modul, in welchem mehrere Bauteile durch das Dichtelement fixiert sind, kann beispielsweise die folgenden Bauteile der Reihe nach enthalten: eine Gasdiffusionsschicht einer ersten Zelle, eine Bipolarplatte einer ersten Zelle, eine Kühlplatte zwischen der ersten und der zweiten Zelle, eine Bipolarplatte einer zweiten Zelle und eine Gasdiffusionsschicht einer zweiten Zelle. Das Modul umfasst demnach Bipolarplatten und Gasdiffusionslagen benachbarter Zellen. Zur Montage der Brennstoffzelle werden abfolgend jeweils ein Modul umfassend die oben genannten Bauteile und eine Membran aufeinander geschichtet und miteinander verbunden. Durch das Dichtelement werden eine Vielzahl von Bauteilen positionsgenau aneinander fixiert, so dass sich die Montage einer Brennstoffzelle vereinfacht.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Einige Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Anordnung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen, jeweils schematisch:
Fig. 1 eine Anordnung mit einem U-förmigen Dichtelement;
Fig. 2 eine Anordnung mit einem geteilten Dichtelement;
Fig. 3 eine Anordnung mit einem Modul durch ein Dichtelement fixiert.
Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt eine Anordnung 1 für eine Brennstoffzelle, bestehend aus einem flächigen Bauteil 2, welches in dieser Ausführung eine metallische Bipolarplatte ist und ein Dichtelement 3 aus elastomerem Werkstoff beispielsweise FKM, EPDM oder Silikon welches formschlüssig an dem Bauteil 2 befestigt ist. Für den Formschluss ist das Dichtelement U-förmig ausgebildet und umgreift die umlaufende Kante 4 des Bauteils 2 umgreift und erstreckt sich auf den Randbereich der Ober- und Unterseite 5, 6 des Bauteiles 2. Das Dichtelement 3 ist auf zumindest einer Außenseite 9 mit einer Profilierung 10 versehen. Zur Montage wird das Dichtelement 3 gedehnt und über die Kante 4 des Bauteiles 2 gezogen. Figur 2 zeigt eine Anordnung gemäß Figur 1 , wobei das Dichtelement 3 in dieser Ausführung in Querrichtung etwa mittig so geteilt ist, dass eine Kante 14 des Dichtelementes vollständig geschlitzt und die zu dieser Kante 14 benachbarten Kanten 13 teilweise geschlitzt sind, so dass das Dichtelement 3 aufklappbar ist. Das Dichtelement 3 weist im Bereich der sich durch den Schlitz 7 ergebenden Innenseiten 8 ein Formschlusselement 9 auf. Das Formschlusselement besteht aus einer umlaufenden Hinterschnittgeometrie. Zur Montage wird das Dichtelement 3 aufgeklappt, das Bauteil 2 eingeschoben und anschließend wird das Dichtelement 3 mittels der Formschlusselemente 9 verschlossen. In Ausführungen ohne Formschlusselement 9 erfolgt der Verschluss durch adhäsives Verbinden der beiden einander berührenden Flächen des Dichtelementes 3. In diesem Fall eignen sich insbesondere Werkstoffe aus Polyolefin für das Dichtelement 3, da diese Werkstoffe über eine besonders gute adhäsive Eigenschaften.
Figur 3 zeigt ein Modul 11 , umfassend mehrere Bauteile 2, nämlich eine Gasdiffusionsschicht 15 einer ersten Zelle 12', eine Bipolarplatte 16 einer ersten Zelle 12', eine Kühlplatte 17, eine Bipolarplatte 16 einer zweiten benachbarten Zelle 12" und eine Gasdiffusionsschicht 15 einer zweiten Zelle 12". Diese Bauteile 2 werden durch ein U-förmig ausgebildetes Dichtelement 3 zu einem Modul 11 fixiert. Dazu werden die äußeren Bauteile 2 des Moduls, hier die Bipolarplatten 16 und die Gasdiffusionsschichten 15 von dem Dichtelement umgriffen. Zur Montage der Brennstoffzelle werden mehrere Module 11 übereinander geschichtet, wobei zwischen jedes Modul 11 eine Membran 18 positioniert wird.

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung (1 ) für eine Brennstoffzelle, umfassend zumindest ein flächiges Bauteil (2) und ein Dichtelement (3), dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (3) formschlüssig an dem Bauteil (2) befestigt ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (3) die umlaufende Kante (4) des Bauteils (2) umgreift und sich zumindest abschnittsweise auf die Ober- und Unterseite (5, 6) des Bauteiles (2) erstreckt.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (3) im Wesentlichen U-förmig ausgebildet ist.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (3) in Querrichtung zumindest abschnittsweise geteilt ist.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (3) im Bereich der sich durch den Schlitz (7) ergebenden
Innenseiten (8) zumindest ein Formschlusselement (9) aufweist.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (3) auf zumindest einer Außenseite (9) mit einer Profilierung (10) versehen ist.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (2) als Bipolarplatte ausgebildet ist.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (3) mehrere Bauteile (2) zu einem Modul (1 1 ) fixiert.
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul (11) zwei Bipolarplatten benachbarter Zelle (12) umfasst.
10. Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul (11) Bipolarplatten und Gasverteilerstrukturen umfasst.
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul (11) ferner zwei Gasdiffusionslagen umfasst.
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