WO2022161572A1 - Dichtungsanordnung für eine brennstoffzelle und verfahren zur herstellung einer dichtungsanordnung - Google Patents

Dichtungsanordnung für eine brennstoffzelle und verfahren zur herstellung einer dichtungsanordnung Download PDF

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WO2022161572A1
WO2022161572A1 PCT/DE2022/100003 DE2022100003W WO2022161572A1 WO 2022161572 A1 WO2022161572 A1 WO 2022161572A1 DE 2022100003 W DE2022100003 W DE 2022100003W WO 2022161572 A1 WO2022161572 A1 WO 2022161572A1
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strip
sealing
sheets
plates
support component
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PCT/DE2022/100003
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Sebastian Zwahr
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • H01M8/02—Details
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    • H01M8/0276—Sealing means characterised by their form
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    • H01M8/0286—Processes for forming seals

Definitions

  • the invention relates to a sealing arrangement suitable for use in a fuel cell. Furthermore, the invention relates to a method for producing a sealing arrangement for a fuel cell.
  • Recesses in the bipolar plate form operating supply channels, which are to be sealed. According to DE 10 2014 202 775 A1, a folded section of the bipolar plate assumes the function of a sealing support bridge.
  • the gasket support bridge bridges trenches formed by the bipolar plate and is provided to support a gasket placed across the trenches.
  • the humidification device is constructed as a stacked unit containing several water vapor-permeable membranes, two immediately adjacent membranes being connected in a flow-tight manner at a first edge region, whereas sealing strips lying one above the other are arranged at a second, angularly offset edge region.
  • the membranes lie between these sealing strips, with flow openings being formed between the sealing strips lying one above the other. Due to the contouring of the sealing strips, there are flow openings only in the middle section of the sealing strips.
  • a sealing arrangement of a fuel cell described in EP 1 220 345 B1 comprises different seals, namely sealing sheets and seals with an inverted V shape. Silicone rubber, nitrile rubber and fluorine rubber, among others, should be suitable for producing the seals. Further variants of sealing arrangements in fuel cells are known from the documents US Pat. No. 9,653,747 B2, US Pat. No. 9,673,458 B2, EP 1 693 915 B1, US Pat. No. 8,313,680 B2 and EP 3 545 570 B1.
  • the invention is based on the object of further developing seals and flow-guiding structures in fuel cells compared to the prior art, in particular from the point of view of a production-friendly, compact structure.
  • This object is achieved according to the invention by a sealing arrangement with the features of claim 1.
  • the object is also achieved by a method for producing a sealing arrangement for a fuel cell according to claim 9.
  • the configurations and advantages of the invention explained below in connection with the production method also apply accordingly for the device, i.e. the sealing arrangement of a fuel cell, and vice versa.
  • the sealing arrangement comprises an elongate arrangement referred to as a strip arrangement, which is formed from two half-sheets and a strip-shaped support component which is located between these half-sheets and has openings.
  • the half-sheets do not have any openings, at least in those areas in which the supporting component is sandwiched between the half-sheets.
  • the support component is typically a sheet metal part, in particular made of sheet steel.
  • Each of the half-plates is designed as a supporting plate of a non-metallic sealing strip which is firmly connected to the respective half-plate and is arranged on the side of the half-plate facing away from the supporting component.
  • the openings in the support component extend in the transverse direction of the sealing strip and thus also of the support component beyond the sealing strip, with the result that a plurality of flow channels running transversely to the sealing strip are formed for a liquid or gaseous medium.
  • the sealing arrangement is particularly suitable for use in a port area of a bipolar plate of a fuel cell, with hydrogen, air or pure oxygen and a typically liquid coolant flowing through the port area.
  • the port area is sealed both internally and to the next cell of a fuel cell stack.
  • the flow channels in the seal arrangement represent tunnels for one of the mentioned operating media in the seal. With the help of the flow channels, which are located in the support component, particularly favorable flow conditions can be achieved despite a space-saving design of the seal arrangement.
  • the sealing arrangement can be produced in the following steps using two profiled half-sheets and a strip-shaped support component with several openings:
  • the support component is placed on one of the half-plates in such a way that the half-plate projects beyond the support component in its longitudinal direction on both sides,
  • the second half-sheet is placed on the arrangement formed from the first half-sheet and the supporting component, so that an air gap is formed between the two half-sheets at least in their end sections projecting beyond the supporting component,
  • Sealing strips are attached to the half-plates, with openings in the flow channels extending in the transverse direction of the sealing strips being kept free.
  • sealing strips are produced in particular in the injection molding process.
  • sealing strips can also be attached by vulcanization or gluing.
  • One advantage of the injection molding process is that there is more design freedom with regard to the cross-sectional shape of the seal, and precise positioning of the seal that is reliably reproducible even under the conditions of series production is possible.
  • the strip arrangement formed from the two half-sheets which can either have an identical shape or different geometries, and the supporting component is inserted into an injection molding tool.
  • the strip arrangement can be an integral part of a bipolar plate of a fuel cell.
  • the support component ensures a constant geometry of the half-plates, whereby in this case minimal deformations are less relevant than in the area of the sealing edges.
  • a generously dimensioned port tunnel is provided in a metallic bipolar plate with the aid of the support component having numerous openings, it being possible for the wall thickness of the support component to be greater than the sum of the wall thicknesses of both half-sheets.
  • a large number of slits are provided in the support component as openings, with the slits running in the transverse direction of the support component each extending as far as an edge strip of the support component.
  • the support component which only have a single edge strip, with the result that the support component has the basic shape of a comb.
  • the open side of the ridge is, for example, on the side on which the medium flows out of the sealing arrangement.
  • Non-slot-shaped openings in the support component are also possible.
  • the length of each slot exceeds the port tunnel length of the flow channels to be measured in the same direction, insofar as these are delimited by the half sheets, for example by at least 5% , in particular by a minimum of 10% and a maximum of 30%.
  • Those sections of the slots which protrude beyond the port tunnel allow the operating medium routed through the port tunnel to flow in and out.
  • its height does not necessarily match the strength of the support member. A greater height of the port tunnel can be achieved in particular if the edge strips of the support component designed as a metal strip lie in a first plane and a main functional area of the metal strip having the slots is arranged in a plane parallel thereto.
  • the total area of the openings in the support component corresponds to at least 30%, in particular 30% to 80%, of the main functional surface of the support component, the size of the main functional surface corresponding to the size of a rectangle circumscribing all the openings.
  • the above-mentioned edge strips of the support component are therefore not part of its main functional area.
  • the stated percentage of 30% to 80% refers to projection surfaces, regardless of any uneven design of the support component. In any case, the largest part of the main functional area lies within the port tunnel.
  • Both half-sheets can be offset in a strip-shaped area projecting beyond the sealing strips in such a way that a free space with a V-shaped cross section is formed between the strip-shaped areas of the half-sheets.
  • This free space enables a particularly low-resistance flow of the operating medium conducted on a surface of the bipolar plate composed of the half-laminations.
  • half-sheets which—at least in the area of the sealing arrangement to be produced—first have an identical shape, the half-sheets only being brought into different shapes by the deformation that takes place after the assembly of the strip arrangement.
  • the half-sheets can be mirror-symmetrical to one of the half-sheets orthogonally intersecting central plane, in which case only the area of the half-plates to be attributed to the sealing arrangement is also considered.
  • FIG. 2 shows an individual part, namely a supporting component, of the arrangement according to FIG. 1 in plan view
  • FIG. 6 shows a schematic plan view of components of the fuel cell.
  • a sealing arrangement 1 is intended for use in a fuel cell 10, which is shown in outline in FIG. With regard to the basic function of the fuel cell 10, reference is made to the prior art cited at the outset.
  • the sealing arrangement 1 is arranged between two flat components 2, 3 of the fuel cell 10, with a large number of components 2, 3 being arranged as components of the fuel cell 10 in a stacked form.
  • the fuel cell 10 can be supplied with various operating media, namely hydrogen, coolant and air, in a manner known per se.
  • a hydrogen port 17, a coolant port 18 and an air port 19 are provided for this purpose.
  • the port 17, 18, 19 is located on the port side PS of the sealing arrangement 1.
  • the sealing arrangement 1 is located in a port tunnel area 20 and separates the port side PS from a patch panel side VS.
  • the distribution panel designated overall by 21, is connected to the associated port 17, 18, 19 by a port tunnel area 20, which is shown in more detail in Figure 5, in such a way that the respective operating resources flow to the distribution panel side VS, i.e. into the distribution panel 21 can, at the same time static seals between the sealing arrangement 1 and the components 2, 3 are given.
  • an active panel 22 is indicated in FIG.
  • the sealing arrangement 1 comprises two half-plates 4, 5, which are arranged between the components 2, 3.
  • a plane that intersects the sealing arrangement 1 in the middle and is oriented perpendicularly to the components 2, 3 is referred to as the center plane ME.
  • the center plane ME A plane that intersects the sealing arrangement 1 in the middle and is oriented perpendicularly to the components 2, 3.
  • a symmetry of the half-sheets 4, 5 with respect to the center plane ME can be seen. This does not apply to areas of the half-plates 4, 5 that are outside of the section shown.
  • the support component 6 Between the half-plates 4, 5 there is a support component 6, which is shown isolated in FIGS. The arrangement shown in FIG. Sealing strips 8, 9, which are located on the half-plates 4, 5, complete the strip arrangement 7 to form the sealing arrangement 1.
  • the support component 6 In the plan view (FIG. 2), the support component 6 has a rectangular basic shape, with numerous webs 11 being visible in the transverse direction, between which openings 12, ie slots, are formed. The webs 11 and openings 12 are aligned in the direction of flow denoted by SR, in which the operating medium flows through the port tunnel area 20 .
  • the width of the support component 6 in the corresponding direction is referred to as the total width B tot .
  • EB inflow area
  • AB outflow area
  • HF main functional area
  • the main functional area HF has a width BB.
  • the webs 11 extend from a first edge strip 14 of the support component 6 to a second edge strip 15, the edge strips 14, 15 being in the assembled state of the strip arrangement 7 in the inflow area EB or in the outflow area AB.
  • the half-plates 4 , 5 protrude beyond the support component 6 in the longitudinal direction of the strip-shaped support component 6 denoted by LR.
  • the corresponding areas of the half-plates 4 , 5 arranged in the longitudinal direction LR at the end of the sealing arrangement 1 are referred to as end areas or end sections 23 of the strip arrangement 7 .
  • that area in which the support component 6 is located between the half-plates 4, 5 is referred to as the middle section 24 of the strip arrangement 7 .
  • the half-sheets 4, 5 are first placed one on top of the other with the support component 6 sandwiched between them. In this state, there is initially an air gap between the half-sheets 4, 5 in the end sections 23. The half-sheets 4, 5 are then deformed in such a way that they lie flat on top of one another in the end sections 23. Alternatively, the deformation of the half-sheets 4, 5, which is necessary in order to avoid a distance between the half-sheets 4, 5 in the end sections 23, can already be carried out in an upstream step. In any case, the half-plates 4, 5 always remain at a distance from one another in the middle section 24 due to the support component 6, with the result that the flow channels 13 are kept open.
  • the half-plates 4, 5 act as a supporting plate for the non-metallic sealing strips 8, 9.
  • cranked areas 16 of the half-plates 4, 5 are formed, which particularly favorable conditions in terms of flow are produced in the form of V-shaped free spaces VR, which promote low-resistance flow through the port tunnel area 20 .

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Abstract

Eine Dichtungsanordnung (1) einer Brennstoffzelle (10) umfasst eine Leistenanordnung (7), welche aus zwei Halbblechen (4, 5) und einem zwischen den Halbblechen (4, 5) liegenden, Durchbrechungen (12) aufweisenden leistenförmigen Stützbauteil (6) gebildet ist. Jedes Halbblech (4, 5) ist als Stützblech einer nichtmetallischen, fest mit dem Halbblech (4, 5) verbundenen, auf der dem Stützbauteil (6) abgewandten Seite des jeweiligen Halbblechs (4, 5) angeordneten Dichtleiste (8, 9) ausgebildet, wobei sich die Durchbrechungen (12) des Stützbauteils (6) in Querrichtung der Dichtleiste (8, 9) über die Dichtleiste (8, 9) hinaus erstrecken, womit quer zur Dichtleiste (8, 9) verlaufende Strömungskanäle (13) gebildet sind.

Description

Dichtunqsanordnunq für eine Brennstoffzelle und Verfahren zur Herstellung einer Dichtunqsanordnunq
Die Erfindung betrifft eine zur Verwendung in einer Brennstoffzelle geeignete Dichtungsanordnung. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Dichtungsanordnung für eine Brennstoffzelle.
Die DE 10 2014 202 775 A1 offenbart eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle.
Durch Aussparungen der Bipolarplatte sind Betriebsmittelversorgungskanäle gebildet, welche abzudichten sind. Ein umgefalteter Abschnitt der Bipolarplatte übernimmt nach der DE 10 2014 202 775 A1 die Funktion einer Dichtungsstützbrücke. Die Dichtungsstützbrücke überbrückt Gräben, welche durch die Bipolarplatte gebildet sind und ist zur Abstützung einer Dichtung vorgesehen, welche quer über die Gräben angeordnet ist.
Die DE 10 2014 009 329 B4 offenbart eine Befeuchtungseinrichtung für eine Brennstoffzelle. Die Befeuchtungseinrichtung ist als Stapeleinheit aufgebaut, welche mehrere wasserdampfdurchlässige Membranen enthält, wobei zwei unmittelbar benachbarte Membranen an einem ersten Randbereich strömungsdicht verbunden sind, wogegen an einem zweiten, winkelversetzt angeordneten Randbereich übereinander liegende Dichtleisten angeordnet sind. Zwischen diesen Dichtleisten liegen die Membranen, wobei zwischen den übereinander liegenden Dichtleisten Strömungsöffnungen gebildet sind. Durch die Konturierung der Dichtleisten befinden sich Strömungsöffnungen lediglich im mittleren Abschnitt der Dichtleisten.
Eine in der EP 1 220 345 B1 beschriebene Dichtungsanordnung einer Brennstoffzelle umfasst unterschiedliche Dichtungen, nämlich Dichtungsblätter sowie Dichtungen invertierter V-Form. Zur Herstellung der Dichtungen sollen unter anderem Silikonkautschuk, Nitrilkautschuk, sowie Flourkautschuk geeignet sein. Weitere Varianten von Dichtungsanordnungen in Brennstoffzellen sind aus den Dokumenten US 9,653,747 B2, US 9,673,458 B2, EP 1 693 915 B1 , US 8,313,680 B2 und EP 3 545 570 B1 bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Abdichtungen und strömungsleitende Strukturen in Brennstoffzellen gegenüber dem Stand der Technik insbesondere unter dem Aspekt eines fertigungsfreudlichen, kompakten Aufbaus weiterzuentwickeln.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Dichtungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Dichtungsanordnung für eine Brennstoffzelle gemäß Anspruch 9. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Herstellungsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, das heißt die Dichtungsanordnung einer Brennstoffzelle, und umgekehrt.
Die Dichtungsanordnung umfasst eine als Leistenanordnung bezeichnete, langgestreckte Anordnung, welche aus zwei Halbblechen und einem zwischen diesen Halbblechen liegenden, Durchbrechungen aufweisenden, leistenförmigen Stützbauteil gebildet ist. Im Gegensatz zu dem Stützbauteil weisen die Halbbleche zumindest in denjenigen Bereich, in denen das Stützbauteil sandwichartig zwischen den Halbblechen liegt, keine Durchbrechungen auf. Bei dem Stützbauteil handelt es sich ebenso wie bei den Halbblechen typischerweise um ein Blechteil, insbesondere aus Stahlblech.
Jedes der Halbbleche ist als Stützblech einer nichtmetallischen, fest mit dem jeweiligen Halbblech verbundenen, auf der dem Stützbauteil abgewandten Seite des Halbblechs angeordneten Dichtleiste ausgebildet. Die Durchbrechungen des Stützbauteils erstrecken sich in Querrichtung der Dichtleiste und damit auch des Stützbauteils über die Dichtleiste hinaus, womit mehrere quer zur Dichtleiste verlaufende Strömungskanäle für ein flüssiges oder gasförmiges Medium gebildet sind. Insgesamt ist damit eine zum Einbau zwischen zwei flächigen Elementen einer Brennstoffzelle geeignete Anordnung bereitgestellt, welche sowohl eine abdichtende Funktion, nämlich gegenüber den beiden flächigen Elementen, als auch eine strömungsleitende Funktion hat, wobei das durch die Dichtungsanordnung geleitete Medium quer zur Längsrichtung der Dichtungsanordnung fließt.
Die Dichtungsanordnung ist insbesondere zur Verwendung in einem Portbereich einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle geeignet, wobei durch den Portbereich Wasserstoff, Luft oder reiner Sauerstoff, sowie ein typischerweise flüssiges Kühlmittel fließt. Der Portbereich ist sowohl intern als auch zur nächsten Zelle eines Brennstoffzellen- Stacks hin abgedichtet. Die Strömungskanäle in der Dichtungsanordnung stellen Tunnel für eines der genannten Betriebsmedien in der Dichtung dar. Mit Hilfe der Strömungskanäle, welche sich im Stützbauteil befinden, sind strömungstechnisch besonders günstige Verhältnisse trotz eines raumsparenden Aufbaus der Dichtungsanordnung realisierbar.
Die Dichtungsanordnung ist in folgenden Schritten unter Verwendung von zwei profilierten Halbblechen und eines streifenförmigen, mehrere Durchbrüche aufweisenden Stützbauteils herstellbar:
- das Stützbauteil wird auf eines der Halbbleche derart aufgelegt, dass das Halbblech beidseitig über das Stützbauteil in dessen Längsrichtung hinausragt,
- auf die aus dem ersten Halbblech und dem Stützbauteil gebildete Anordnung wird das zweite Halbblech aufgelegt, so dass zwischen den beiden Halbblechen zumindest in ihren das Stützbauteil überragenden Endabschnitten ein Luftspalt gebildet ist,
- zumindest eines der Halbbleche wird in den Endabschnitten derart verformt, dass die Halbbleche in diesen Abschnitten unmittelbar aufeinander liegen, wogegen in dem zwischen den Endabschnitten befindlichen Hauptabschnitt der Halbbleche zwischen diesen Strömungskanäle in Form der Durchbrüche des Stützbauteils freigehalten werden,
- auf den Halbblechen werden Dichtleisten angebracht, wobei Öffnungen der sich in Querrichtung der Dichtleisten erstreckenden Strömungskanäle freigehalten werden.
Die Herstellung der Dichtleisten und gleichzeitige Verbindung der Dichtleisten mit den Halbblechen ist insbesondere im Spritzgussverfahren möglich. Prinzipiell kommt auch eine Befestigung von Dichtleisten durch Vulkanisation oder Verklebung in Betracht.
Ein Vorteil des Spritzgussverfahrens liegt darin, dass ein weiter Gestaltungsspielraum hinsichtlich der Querschnittsform der Dichtung existiert, sowie eine präzise, auch unter Bedingungen der Serienfertigung zuverlässig reproduzierbare Positionierung der Dichtung möglich ist.
Um die Dichtleisten im Spritzgussverfahren herzustellen, wird die aus den beiden Halbblechen, welche entweder eine identische Gestalt oder voneinander abweichende Geometrien haben können, sowie dem Stützbauteil gebildete Leistenanordnung in ein Spritzgusswerkzeug eingelegt. Die Leistenanordnung kann integraler Bestandteil einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle sein. Bei geschlossenem Spritzgusswerkzeug muss die Dichtkante des Werkzeugs an jeder Stelle mit derart hoher Flächenpressung auf dem Werkstück, das heißt der Leistenanordnung, aufliegen, dass ein Herausfließen des Werkstoffs, aus welchem die Dichtleisten aufgebaut werden, auch unter dem hohen, beim Spritzgießen herrschenden Einspritzdruck vermieden wird. Dieser Anforderung wird entsprochen, indem das Stützbauteil für einen unveränderlichen Abstand zwischen den beiden Halbblechen im Bereich der Dichtkanten sorgt. Auch im Bereich zwischen den Dichtkanten, das heißt in demjenigen Bereich, in dem per Spritzguss Material auf die Halbbleche aufgebracht wird, sorgt das Stützbauteil maßgeblich für eine konstante Geometrie der Halbbleche, wobei in diesem Fall minimale Verformungen weniger relevant als im Bereich der Dichtkanten sind. lm Rahmen der Herstellung eines Brennstoffzellen-Stacks wird auf die Dichtleisten der zuvor in der beschriebenen Weise hergestellten Dichtungsanordnungen eine erhebliche, die einzelnen Bipolarplatten zusammendrückende Kraft ausgeübt. Auch dieser Belastung, welche beim fertiggestellten Produkt, das heißt Brennstoffzellen-Stapel, stets gegeben ist, hält die metallische Leistenanordnung innerhalb der Dichtungsanordnung stand. Dies gilt auch bei Verwendung von dünnwandigen Halbblechen, welche allein, das heißt ohne zusätzliches Stützbauteil, nicht in der Lage wären, als Strömungskanäle geeignete, die Dichtleiste kreuzende Hohlräume zu bilden und sowohl während eines Spritzgussvorgangs als auch in späteren Phasen der Herstellung sowie der Verwendung der Brennstoffzelle zu erhalten.
Insgesamt wird mit Hilfe des zahlreiche Durchbrechungen aufweisenden Stützbauteils ein großzügig dimensionierter Porttunnel in einer metallischen Bipolarplatte bereitgestellt, wobei die Wandstärke des Stützbauteils größer als die Summe der Wandstärken beider Halbbleche sein kann. Insbesondere sind als Durchbrechungen eine Vielzahl an Schlitzen im Stützbauteil vorgesehen, wobei sich die in Querrichtung des Stützbauteils verlaufenden Schlitze jeweils bis zu einer Randleiste des Stützbauteils erstrecken. Ebenso sind Varianten des Stützbauteils verwendbar, welche lediglich eine einzige Randleiste aufweisen, womit das Stützbauteil die Grundform eines Kammes hat. In diesem Fall liegt die offene Seite des Kammes beispielsweise auf derjenigen Seite, auf welcher das Medium aus der Dichtungsanordnung ausströmt. Möglich sind auch nicht schlitzförmige Durchbrechungen des Stützbauteils.
Sofern als Querschlitze ausgebildete Durchbrechungen des Stützbauteils an ihren beiden Enden jeweils durch eine geschlossene Randleiste des Blechstreifens abgeschlossen sind, übersteigt die Länge eines jeden Schlitzes die in derselben Richtung zu messende Porttunnellänge der Strömungskanäle, soweit diese durch die Halbbleche begrenzt sind, beispielsweise um mindestens 5%, insbesondere um minimal 10% und maximal 30%. Diejenigen Abschnitte der Schlitze, welche über den Porttunnel hinausragen, ermöglichen das Einströmen und Ausströmen des durch den Porttunnel geleiteten Betriebsmediums. Innerhalb des Porttunnels stimmt dessen Höhe nicht notwendigerweise mit der Stärke des Stützbauteils überein. Eine größere Höhe des Porttunnels ist insbesondere erzielbar, indem die Randleisten des als Blechstreifen ausgebildeten Stützbauteils in einer ersten Ebene liegen und ein die Schlitze aufweisender Hauptfunktionsbereich des Blechstreifens in einer hierzu parallelen Ebene angeordnet ist.
Die Gesamtfläche der Durchbrechungen des Stützbauteils entspricht gemäß verschiedener möglicher Ausgestaltungen mindestens 30%, insbesondere 30% bis 80%, der Hauptfunktionsfläche des Stützbauteils, wobei die Größe der Hauptfunktionsfläche der Größe eines die Gesamtheit aller Durchbrechungen umschreibenden Rechtecks entspricht. Die oben genannten Randleisten des Stützbauteils zählen damit nicht zu dessen Hauptfunktionsfläche. Der genannte prozentuale Anteil von 30% bis 80% bezieht sich, unabhängig von einer eventuellen unebenen Gestaltung des Stützbauteils, auf Projektionsflächen. Der größte Teil der Hauptfunktionsfläche liegt in jedem Fall innerhalb des Porttunnels.
Beide Halbbleche können in einem die Dichtleisten überragenden streifenförmigen Bereich derart gekröpft sein, dass ein im Querschnitt V-förmiger Freiraum zwischen den streifenförmigen Bereichen der Halbbleche gebildet ist. Dieser Freiraum ermöglicht eine besonders widerstandsarme Strömung des an einer Oberfläche der aus den Halbblechen zusammengesetzten Bipolarplatte geleiteten Betriebsmediums. Nach dem Zusammensetzen der Leistenanordnung und vor dem Aufbringen der Dichtleisten werden die Halbbleche im Bereich der V-förmigen Freiräume typischerweise nicht verformt. Eine signifikante Verformung zumindest eines Halbblechs, wie sie im Rahmen des Herstellungsverfahrens vorgesehen ist, sorgt für einen flächigen Kontakt zwischen den Halbblechen in den entsprechenden, über das Stützbauteil hinausragenden Abschnitten. Dies kann geschehen, indem Halbbleche verwendet werden, welche - zumindest im Bereich der herzustellenden Dichtungsanordnung - zunächst eine identische Form aufweisen, wobei die Halbbleche erst durch die nach dem Zusammensetzen der Leistenanordnung erfolgende Verformung in voneinander abweichende Formen gebracht werden. Zumindest in Verfahrensstadien vor diesem Verformungsvorgang können die Halbbleche spiegelsymmetrisch zu einer die Halbbleche orthogonal schneidenden Mittelebene ausgebildet sein, wobei auch in diesem Fall lediglich der der Dichtungsanordnung zuzurechnende Bereich der Halbbleche betrachtet wird.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
Fig. 1 Komponenten einer Dichtungsanordnung einer Brennstoffzelle in perspektivischer Ansicht,
Fig. 2 ein Einzelteil, nämlich Stützbauteil, der Anordnung nach Figur 1 in Draufsicht,
Fig. 3 die Dichtungsanordnung in perspektivischer Ansicht,
Fig. 4 das Stützbauteil in perspektivischer Ansicht,
Fig. 5 die Dichtungsanordnung in einer Schnittdarstellung einschließlich umgebender Komponenten der Brennstoffzelle,
Fig. 6 eine schematische Draufsicht auf Komponenten der Brennstoffzelle.
Eine Dichtungsanordnung 1 ist zur Verwendung in einer Brennstoffzelle 10 vorgesehen, die in Figur 6 andeutungsweise dargestellt ist. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion der Brennstoffzelle 10 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwie- sen. Die Dichtungsanordnung 1 ist zwischen zwei flächigen Bauteilen 2, 3 der Brennstoffzelle 10 angeordnet, wobei eine Vielzahl an Bauteilen 2, 3 als Komponenten der Brennstoffzelle 10 in gestapelter Form angeordnet sind. Die Brennstoffzelle 10 ist in an sich bekannter Weise mit verschiedenen Betriebsmedien, nämlich Wasserstoff, Kühlmittel und Luft, zu versorgen. Zu diesem Zweck sind ein Wasserstoff-Port 17, ein Kühlmittel-Port 18 und ein Luft-Port 19 vorhanden. Allgemein befindet sich der Port 17, 18, 19 auf der Portseite PS der Dichtungsanordnung 1. Die Dichtungsanordnung 1 befindet sich in einem Porttunnelbereich 20 und trennt die Portseite PS von einer Verteilerfeldseite VS. Das insgesamt mit 21 bezeichnete Verteilerfeld ist durch jeweils einen Porttunnelbereich 20, welcher in Figur 5 detaillierter dargestellt ist, derart an den zugehörigen Port 17, 18, 19 angebunden, dass das jeweilige Betriebsmittel auf die Verteilerfeldseite VS, das heißt in das Verteilerfeld 21 , strömen kann, wobei gleichzeitig statische Abdichtungen zwischen der Dichtungsanordnung 1 und den Bauteilen 2, 3 gegeben sind. Die Schnittdarstellung nach Figur 5 bezieht sich ebenso wie die Figuren 1 bis 4 auf jeden der in Figur 6 skizzierten Porttunnelbereiche 20. Neben dem Verteilerfeld 21 ist in Figur 6 ein Aktivfeld 22 angedeutet, in welchem in an sich bekannter Weise elektrische Energie generiert wird.
Die Dichtungsanordnung 1 umfasst zwei Halbbleche 4, 5, welche zwischen den Bauteilen 2, 3 angeordnet sind. Eine die Dichtungsanordnung 1 mittig schneidende, senkrecht zu den Bauteilen 2, 3 ausgerichtete Ebene ist als Mittelebene ME bezeichnet. In dem in Figur 5 dargestellten Schnitt ist eine Symmetrie der Halbbleche 4, 5 zur Mittelebene ME erkennbar. Dies gilt nicht für außerhalb des dargestellten Ausschnitts liegende Bereiche der Halbbleche 4, 5.
Zwischen den Halbblechen 4, 5 befindet sich ein Stützbauteil 6, welches in den Figuren 2 und 4 isoliert dargestellt ist. Die in Figur 1 dargestellte, aus den Halbblechen 4, 5 und dem Stützbauteil 6 gebildete Anordnung wird als Leistenanordnung 7 bezeichnet. Dichtleisten 8, 9, welche sich auf den Halbblechen 4, 5 befinden, komplettieren die Leistenanordnung 7 zur Dichtungsanordnung 1. Das Stützbauteil 6 hat in der Draufsicht (Figur 2) eine rechteckige Grundform, wobei in Querrichtung zahlreiche Stege 11 erkennbar sind, zwischen welchen Durchbrechungen 12, das heißt Schlitze, gebildet sind. Die Stege 11 sowie Durchbrechungen 12 sind in der mit SR bezeichneten Strömungsrichtung, in welcher das Betriebsmedium den Porttunnelbereich 20 durchströmt, ausgerichtet. Die Breite des Stützbauteils 6 in der entsprechenden Richtung ist als Gesamtbreite Bges bezeichnet. Innerhalb der Gesamtbreite Bges befindet sich ein mit EB bezeichneter Einströmbereich für das Betriebsmedium ebenso wie ein zur Verteilerfeldseite VS hin offener Ausströmbereich AB. Zwischen dem Einströmbereich EB und dem Ausströmbereich AB befindet sich der mit HF bezeichnete Hauptfunktionsbereich des in die Leistenanordnung 7 integrierten Stützbauteils 6, in welchem durch die Durchbrechungen 12 zusammen mit den Halbblechen 4, 5 Strömungskanäle 13 gebildet sind. Der Hauptfunktionsbereich HF weist eine Breite BB auf.
Die Stege 11 erstrecken sich von einer ersten Randleiste 14 des Stützbauteils 6 zu einer zweiten Randleiste 15, wobei die Randleisten 14, 15 im zusammengesetzten Zustand der Leistenanordnung 7 im Einströmbereich EB beziehungsweise im Aus- strömbereich AB liegen. In der mit LR bezeichneten Längsrichtung des leistenförmigen Stützbauteils 6 ragen die Halbbleche 4, 5 über das Stützbauteil 6 hinaus. Die entsprechenden, in Längsrichtung LR am Ende der Dichtungsanordnung 1 angeordneten Bereiche der Halbbleche 4, 5 werden als Abschlussbereiche oder Endabschnitte 23 der Leistenanordnung 7 bezeichnet. Als Mittelabschnitt 24 der Leistenanordnung 7 wird dagegen derjenige Bereich bezeichnet, in welchem sich das Stützbauteil 6 zwischen den Halbblechen 4, 5 befindet.
Im Zuge der Herstellung der Leistenanordnung 7 werden zunächst die Halbbleche 4, 5 mit sandwichartig dazwischenliegendem Stützbauteil 6 aufeinandergelegt. In diesem Zustand befindet sich in den Endabschnitten 23 zunächst ein Luftspalt zwischen den Halbblechen 4, 5. Anschließend werden die Halbbleche 4, 5 derart verformt, dass sie in den Endabschnitten 23 flächig aufeinander liegen. Alternativ kann die Verformung der Halbbleche 4, 5, welche erforderlich ist, um einen Abstand zwischen den Halbblechen 4, 5 in den Endabschnitten 23 zu vermeiden, bereits in einem vorgelagerten Schritt erfolgen. In jedem Fall bleiben die Halbbleche 4, 5 im Mittelabschnitt 24 aufgrund des Stützbauteils 6 stets voneinander beabstandet, womit die Strömungskanäle 13 offengehalten werden. Dies gilt auch für die spritzgusstechnische Erzeugung der Dichtleisten 8, 9, bei welcher hohe Kräfte zwischen den Halbblechen 4, 5 wirken. In- nerhalb der fertiggestellten Dichtungsanordnung 1 fungieren die Halbbleche 4, 5 als Stützblech der nichtmetallischen Dichtleisten 8, 9. Neben den Dichtleisten 8, 9, das heißt im Einströmbereich EB sowie im Ausströmbereich AB, sind Kröpfungsbereiche 16 der Halbbleche 4, 5 ausgebildet, womit strömungstechnisch besonders günstige Verhältnisse in Form von V-förmigen Freiräumen VR hergestellt sind, die eine wider- standsarme Durchströmung des Porttunnelbereichs 20 begünstigen.
Bezuqszeichenliste
1 Dichtungsanordnung
2 flächiges Bauteil
3 flächiges Bauteil
4 Halbblech
5 Halbblech
6 Stützbauteil, Blechstreifen
7 Leistenanordnung
8 Dichtleiste
9 Dichtleiste
10 Brennstoffzelle
11 Steg
12 Durchbrechung, Schlitz
13 Strömungskanal
14 Randleiste
15 Randleiste
16 Kröpfungsbereich
17 Wasserstoff-Port
18 Kühlmittel-Port
19 Luft-Port
20 Porttunnelbereich
21 Verteilerfeld
22 Aktivfeld
23 Endabschnitt
24 Mittelabschnitt
AB Ausström bereich
BB Breite des Hauptfunktionsbereichs
Bges Gesamtbreite des Stützbauteils
EB Einströmbereich
HF Hauptfunktionsbereich LR Längsrichtung
ME Mittelebene
PS Portseite
SR Strömungsrichtung, Querrichtung
VR V-förmiger Freiraum
VS Verteilerfeldseite

Claims

Patentansprüche Dichtungsanordnung (1 ) einer Brennstoffzelle (10), mit einer aus zwei Halbblechen (4, 5) und einem zwischen den Halbblechen (4, 5) liegenden, Durchbrechungen (12) aufweisenden leistenförmigen Stützbauteil (6) gebildeten Leistenanordnung (7), wobei jedes Halbblech (4, 5) als Stützblech einer nichtmetallischen, fest mit dem Halbblech (4, 5) verbundenen, auf der dem Stützbauteil (6) abgewandten Seite des jeweiligen Halbblechs (4, 5) angeordneten Dichtleiste (8, 9) ausgebildet ist, und wobei sich die Durchbrechungen (12) des Stützbauteils (6) in Querrichtung der Dichtleiste (8, 9) über die Dichtleiste (8, 9) hinaus erstrecken, womit quer zur Dichtleiste (8, 9) verlaufende Strömungskanäle (13) gebildet sind. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Stützbauteil (6) ein Blechstreifen vorgesehen ist, welcher eine Vielzahl an Schlitzen (12) als Durchbrechungen aufweist. Dichtungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze (12) an ihren beiden Enden jeweils durch eine geschlossene Randleiste (14, 15) des Blechstreifens (6) abgeschlossen sind, wobei die Länge eines jeden Schlitzes (12) die in derselben Richtung zu messende Porttunnellänge der Strömungskanäle (13), soweit diese durch die Halbbleche (4, 5) begrenzt sind, um mindestens 5% übertrifft. Dichtungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Randleisten (14, 15) des Blechstreifens (6) in einer ersten Ebene liegen und ein die Schlitze (12) aufweisender Hauptfunktionsbereich des Blechstreifens (6) in einer hierzu parallelen Ebene angeordnet ist. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtfläche der Durchbrechungen (12) des Stützbauteils (6) mindestens 30% der Fläche des Hauptfunktionsbereichs des Stützbauteils (6) entspricht, wobei die Größe des Hauptfunktionsbereichs der Größe eines die Gesamtheit aller Durchbrechungen (12) umschreibenden Rechtecks entspricht. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass beide Halbbleche (4, 5) in einem die Dichtleisten (8, 9) überragenden streifenförmigen Bereich derart gekröpft sind, dass ein im Querschnitt V-förmiger Freiraum zwischen den streifenförmigen Bereichen der Halbbleche (4, 5) gebildet ist. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbbleche (4, 5) sowie die Dichtleisten (8, 9) in deren Längsrichtung über das Stützbauteil (6) hinausragen. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass diese spiegelsymmetrisch zu einer die Halbbleche (4, 5) orthogonal schneidenden Mittelebene (ME) ausgebildet ist. Verfahren zur Herstellung einer Dichtungsanordnung (1 ) für eine Brennstoffzelle (10), mit folgenden Schritten:
- Bereitstellung zweier profilierter Halbbleche (4, 5) sowie eines streifenförmigen, Durchbrüche (12) aufweisenden Stützbauteils (6),
- Auflegen des Stützbauteils (6) auf eines der Halbbleche (5) derart, dass das Halbblech (5) beidseitig über das Stützbauteil (6) in dessen Längsrichtung hinausragt,
- Auflegen des zweiten Halbblechs (4) auf die Anordnung aus erstem Halbblech (5) und Stützbauteil (6), so dass zwischen den beiden Halbblechen (4, 5) in ihren das Stützbauteil (6) überragenden Endabschnitten (23) ein Luftspalt gebildet ist,
- Verformung zumindest eines der Halbbleche (4, 5) in den Endabschnitten (23) derart, dass die Halbbleche (4, 5) in diesen Abschnitten (23) unmittelbar aufeinander liegen, wogegen in dem zwischen den Endabschnitten (23) befindlichen Mittelabschnitt (24) der Halbbleche (4, 5) zwischen diesen Strömungskanäle (13) in Form der Durchbrüche (12) des Stützbauteils (6) freigehalten werden,
- Anbringung von Dichtleisten (8, 9) auf den Halbblechen (4, 5), wobei an den Längsseiten des Stützbauteils (6) angeordnete Öffnungen der Strömungskanäle (13) freigehalten werden. - 15 - Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten Halbbleche (4, 5) zunächst eine identische Form aufweisen und durch den vierten Verfahrensschritt in voneinander abweichende Formen gebracht werden.
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