DE102015100607B4 - Verfahren zum Ausbilden einer Dichtung für eine PEM-Brennstoffzelle - Google Patents

Verfahren zum Ausbilden einer Dichtung für eine PEM-Brennstoffzelle Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Ausbilden einer Dichtungseinrichtung (50) zur Anordnung zwischen Brennstoffzellenkomponenten (102, 104), umfassend, dass:eine im Wesentlichen planare Lage (80) vorgesehen wird, die eine Schicht aus Harzmaterial enthält;die im Wesentlichen planare Lage (80) über einen Faltdorn (100) gezogen wird, wodurch eine erste gefaltete Lage (82) geformt wird, die eine erste Faltung (60) aufweist, die von einem im Wesentlichen planaren Abschnitt (88) der ersten gefalteten Lage (82) entsprechend der Faltdornform absteht, wobei die erste Faltung (60) einen ersten Seitenabschnitt (90) und einen zweiten Seitenabschnitt (92), der dem ersten Seitenabschnitt (90) gegenüberliegt, aufweist, wobei der erste Seitenabschnitt (90) und der zweite Seitenabschnitt (92) durch einen oberen Abschnitt (94) verbunden sind;eine Dichtungseinrichtung (50) dadurch geformt wird, dass die erste Faltung (60) zur Bildung einer Verbundfaltung (56) derart hinüber zu dem planaren Abschnitt gefaltet wird, dass die Verbundfaltung (56) den ersten Seitenabschnitt (90) benachbart dem im Wesentlichen planaren Abschnitt (88) aufweist; unddie Verbundfaltung (56) zwischen der ersten Brennstoffzellenkomponente (102) und der zweiten Brennstoffzellenkomponente (104) platziert wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausbilden einer Dichtungseinrichtung zur Anordnung zwischen Brennstoffzellenkomponenten.
  • Brennstoffzellen werden bei vielen Anwendungen als eine elektrische Energiequelle verwendet. Insbesondere werden Brennstoffzellen zur Verwendung in Kraftfahrzeugen als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen. Eine üblicherweise verwendete Brennstoffzellenkonstruktion verwendet eine Festpolymerelekt-rolyt-(„SPE“)-Membran oder Protonenaustauschmembran („PEM“), um einen Ionentransport zwischen der Anode und der Kathode bereitzustellen.
  • Bei Brennstoffzellen vom Protonenaustauschmembrantyp wird Wasserstoff an die Anode als Brennstoff geliefert und Sauerstoff an die Kathode als das Oxidationsmittel geliefert. Der Sauerstoff kann entweder in reiner Form (O2) oder als Luft (eine Mischung aus O2 und N2) vorliegen. PEM-Brennstoffzellen besitzen typischerweise eine Membranelektrodenbaugruppe („MEA“), in der eine Festpolymermembran (d.h. ionenleitende Membran) einen Anodenkatalysator auf einer Seite und einen Kathodenkatalysator auf der entgegengesetzten Seite aufweist. Die Anoden- und Kathodenschichten einer typischen PEM-Brennstoffzelle sind aus porösen leitenden Materialien ausgebildet, wie verwobenem Graphit, graphitisierten Lagen oder Kohlepapier, um zu ermöglichen, dass der Brennstoff über die der Brennstofflieferelektrode zugewandten Oberfläche der Membran verteilt wird. Jede Elektrode besitzt fein geteilte Katalysatorpartikel (beispielsweise Platinpartikel), die auf Kohlenstoffpartikeln getragen sind, um eine Oxidation von Wasserstoff an der Anode und eine Reduktion von Sauerstoff an der Kathode zu unterstützen. Protonen fließen von der Anode durch die ionenleitende Polymermembran an die Kathode, an der sie sich mit Sauerstoff kombinieren, um Wasser zu bilden, das von der Zelle ausgetragen wird. Die MEA ist schichtartig zwischen einem Paar poröser Gasdiffusionsschichten („GDL“) angeordnet, die ihrerseits schichtartig zwischen einem Paar nicht poröser, elektrisch leitender Elemente oder Platten angeordnet sind. Die Platten dienen als Stromkollektoren für die Anode und die Kathode und enthalten geeignete Kanäle und Öffnungen, die darin ausgebildet sind, um die gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle über die Oberfläche jeweiliger Anoden- und Kathodenkatalysatoren zu verteilen. Um effizient Elektrizität zu erzeugen, muss die Polymerelektrolytmembran einer PEM-Brennstoffzelle dünn, chemisch stabil, protonendurchlässig, nicht elektrisch leitend und gasimpermeabel sein. Bei typischen Anwendungen werden Brennstoffzellen in Gruppierungen vieler einzelner Brennstoffzellenstapel vorgesehen, um hohe Niveaus an elektrischer Leistung bereitzustellen.
  • Einige Brennstoffzellen nach dem Stand der Technik weisen Dichtungen zwischen den Katalysator-Elektroden und der ionenleitenden Membran auf. Verschiedene Bereiche der sich wiederholenden Zellenkonstruktionen besitzen unterschiedliche Funktionsanforderungen, die durch die Verwendung variierender Querschnittsdicken von Materialien erfüllt werden. Zum Beispiel zeigt der in 1 dargestellte Brennstoffzellenabschnitt eine Dichtungskonfiguration nach dem Stand der Technik. Der Brennstoffzellenstapel 10 weist eine abdichtende Dichtungseinrichtung 12 auf, die zwischen Gasdiffusionsschichten 14 und 16 sowie zwischen den bipolaren Platten 20 und 22 angeordnet ist. Bei diesem Beispiel sollte die Dichtungseinrichtung 12 dünn, wenn sie zwischen den Gasdiffusionslagen angeordnet ist, und dicker sein, wenn sie zwischen den bipolaren Platten angeordnet ist. Einige Dichtungseinrichtungen nach dem Stand der Technik verwenden Wülste 24 in Verbindung mit einer Dichtlage 26, um die gewünschte Dickenvariation zu erzielen.
  • Die DE 12 42 956 B offenbart ein Verschluss- und Dichtungsband für Muffenrohrverbindungen, das aus einem Metallstreifen mit beidseitig auf diesem aufgetragenen Bitumenschichten besteht. Dabei wird der beschichtete Metallstreifen mittels eines Walzensystems in Längsrichtung in zwei oder mehr Lagen gefaltet, wobei die sich in Querrichtung erstreckenden Anfangs- und Endabschnitte der äußeren Lagen den mehrlagigen Bereich als einlagige Befestigungsstreifen überragen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, mit dem es möglich ist, verbesserte Konstruktionen für Dichtungseinrichtungen für Brennstoffzellen bereitzustellen.
  • Die Aufgabe wird durch den Gegenstand von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Mit der vorliegenden Erfindung werden gleich mehrere Probleme des Standes der Technik gelöst. Durch Anordnung der mittels eines Faltdorns gebildeten Verbundfaltung zwischen einer ersten Brennstoffzellenkomponente und einer zweiten Brennstoffzellenkomponente werden neben einer elektrischen Isolierung und Abdichtung gegenüber Fluiden wird aufgrund der erfindungsgemäßen Verbundfaltung insbesondere eine Abstandsfunktionalität bereitgestellt, die eine Anpassung an variierende Querschnittsdicken von Brennstoffzellenkomponenten ermöglicht.
  • Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann eine Brennstoffzelle, die durch das oben beschriebene Verfahren ausgebildet ist, vorgesehen sein. Die Brennstoffzelle weist eine Membranelektrodenbaugruppe auf, die eine Anodenseite und eine Kathodenseite besitzt. Ein erstes Strömungsfeld ist über der Anodenseite angeordnet, und ein zweites Strömungsfeld ist über der Kathodenseite angeordnet. Ein erstes Gasdiffusionsmedium ist zwischen der Anodenseite und dem ersten Strömungsfeld angeordnet, und ein zweites Gasdiffusionsmedium ist zwischen der Kathodenseite und dem zweiten Strömungsfeld angeordnet. Eine Dichtungseinrichtung ist zwischen dem ersten Strömungsfeld und dem zweiten Strömungsfeld angeordnet, wobei die Dichtungseinrichtung eine zentrale Öffnung definiert. Die Dichtungseinrichtung weist optional einen Umfangsdichtungsbereich auf, der ein Harzmaterial mit einer Verbundfaltung darin enthält. Die Verbundfaltung weist eine erste Faltung in einer Lage auf, die sich von einem im Wesentlichen planaren Bereich der Lage erstreckt. Die erste Faltung weist einen ersten Seitenabschnitt und einen zweiten Seitenabschnitt, der dem ersten Seitenabschnitt gegenüberliegt, auf, so dass der erste Seitenabschnitt und der zweite Seitenabschnitt durch einen oberen Abschnitt verbunden sind. Die Verbundfaltung weist eine zweite Faltung auf, die dadurch geformt wird, dass die erste Faltung hinüber zu einem planaren Abschnitt der Lage gefaltet wird.
    • 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Brennstoffzellenstapels, der ein Dichtungssystem nach dem Stand der Technik verwendet;
    • 2A ist ein Querschnitt einer Ausführungsform einer Brennstoffzelle, die eine Dichtungseinrichtung verwendet, die gefaltete Bereiche aufweist;
    • 2B ist ein Querschnitt einer Ausführungsform einer Brennstoffzelle, die eine Dichtungseinrichtung verwendet, die gefaltete Bereiche aufweist;
    • 3 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Brennstoffzelle, die eine Dichtungseinrichtung verwendet, die gefaltete Bereiche aufweist;
    • 4 ist eine Draufsicht einer Dichtungseinrichtung für Brennstoffzellen;
    • 5 ist eine Schnittansicht einer Dichtungseinrichtung für Brennstoffzellen; und die
    • 6A und 6B stellen ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bilden einer Dichtungseinrichtung für Brennstoffzellenanwendungen bereit.
  • Mit Bezug auf die 2A, 2B und 3 sind Schemata vorgesehen, die den Einbau einer Dichtungseinrichtung in eine Brennstoffzelle zeigen. 2 ist ein schematischer Schnitt einer Brennstoffzelle, die eine Ausführungsform einer Dichtungseinrichtung enthält, während 3 eine perspektivische Ansicht eines Teils eines Brennstoffzellenstapels ist, der die Dichtungseinrichtung verwendet. Die Brennstoffzelle 30 weist eine Membranelektrodenbaugruppe auf, die eine Anodenkatalysatorschicht 34, eine Kathodenkatalysatorschicht 36 sowie eine ionenleitende Membran (d.h. Protonenaustauschmembran, lonomer, etc.) 38 enthält. Die ionenleitende Membran 38 ist zwischen der Anodenkatalysatorschicht 34 und der Kathodenkatalysatorschicht 36 angeordnet, wobei die Anodenkatalysatorschicht 34 über der ersten Seite der ionenleitenden Membran 38 angeordnet ist und die Kathodenkatalysatorschicht 36 über der zweiten Seite der ionenleitenden Membran 38 angeordnet ist. Die Brennstoffzelle 30 weist auch poröse Gasdiffusionsschichten 42 und 44 auf. Die Gasdiffusionsschicht 42 ist über der Anodenkatalysatorschicht 34 angeordnet, während die Gasdiffusionsschicht 44 über der Kathodenkatalysatorschicht 36 angeordnet ist. Die Brennstoffzelle 30 weist eine Anodenströmungsfeldplatte 46, die über der Gasdiffusionsschicht 42 angeordnet ist, sowie eine Kathodenströmungsfeldplatte 48 auf, die über der Gasdiffusionsschicht 44 angeordnet ist. Die Brennstoffzelle 30 verwendet eine Dichtungseinrichtung 50, um eine Randdichtung bereitzustellen.
  • Mit Bezug auf die 2A, 2B, 3, 4 und 5 sind Schemata vorgesehen, die die Konstruktion der Dichtungseinrichtung 50 zeigen. 4 ist eine Draufsicht der Dichtungseinrichtung 50, während 5 eine Schnittansicht der Dichtungseinrichtung 50 ist. Allgemein weist die Dichtungseinrichtung 50 einen Umfangsdichtbereich 52 auf, der eine Zentralöffnung 54 definiert. Die Dichtungseinrichtung 50 weist eine Verbundfaltung 56 in dem Bereich 58 auf, um eine Dichtung zwischen der Anodenströmungsfeldplatte 46 und der Kathodenströmungsfeldplatte 48 bereitzustellen. Bei einer anderen Ausführung sieht die Dichtungseinrichtung auch eine Dichtung für Durchbrechungen für Reaktanden- und Kühlmittelsammelleitungen vor, die durch Bezugszeichen 59 allgemein gezeigt sind. Beispiele derartiger Durchbrechungen sind in der US 8,524,414 B2 dargestellt. Der Begriff „Verbundfaltung“, der hier verwendet ist, bezeichnet einen Bereich, der zumindest zweifach gefaltet ist. Beispielsweise weist die Verbundfaltung 56 eine erste Faltung 60 und eine zweite Faltung 62 auf. Nahe dem Rand 64 der Gasdiffusionsschichten weist die Dichtungseinrichtung 50 einen dünneren (d.h. nicht gefalteten) Bereich 66 auf, um eine Dichtung darin bereitzustellen. Bei einer Ausführung weist die Dichtungseinrichtung 50 zwei Verbundfaltungen auf - eine Verbundfaltung 56 und eine Verbundfaltung 68. Bei einer Variante ist ein Anteil der Dichtungseinrichtung 50 zwischen einer Katalysatorschicht (Anoden- oder Kathodenkatalysatorschicht) und der ionenleitenden Membran 38 angeordnet. 2A zeigt eine Dichtungseinrichtung, die zwischen der Anodenkatalysatorschicht und der ionenleitenden Membran angeordnet ist. 2B zeigt ein Beispiel, bei dem eine Dichtungseinrichtung 50 zwischen der Gasdiffusionsschicht 42 und der Gasdiffusionsschicht 44 angeordnet ist und damit in Kontakt steht.
  • Bei einer Variante ist die Dichtungseinrichtung 50 aus einer Lage aus Harzmaterial geformt. Bei einer Ausführung weist die Lage aus Harzmaterial ein thermoplastisches Polymer auf. Beispiele geeigneter thermoplastischer Polymere umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Polyethylen, Polypropylen, Polyethylenterephthalat, Polyethylennaphthalat, Polyphenylenether, Polyphenylenoxid und Kombinationen daraus. Die Lage aus Harzmaterial kann eine einzelne Lage oder eine Laminatstruktur aufweisen. Typischerweise ist die Laminatstruktur ein mehrschichtiger Thermoplast oder ein Thermoplast mit einer nicht thermoplastischen Elastomerschicht (z.B. Silikon, Ethylenpropylendienmonomer-Kautschuk, etc.). Bei einer Ausführung, wie in 5 dargestellt ist, weist die Laminatstruktur eine erste feste Schicht 70 und eine erste geschäumte Schicht 72 sowie eine optionale zweite feste Schicht 74 auf. Die erste geschäumte Schicht 72 ist zwischen der ersten festen Schicht 70 und der zweiten festen Schicht 74 angeordnet. Bei einer anderen Ausführung weisen die erste feste Schicht, die zweite feste Schicht und die erste geschäumte Schicht jeweils unabhängig voneinander ein thermoplastisches Polymer auf, wie oben dargestellt ist.
  • Mit Bezug auf die 6A und 6B ist ein Verfahren zum Ausbilden einer Dichtung in einer Brennstoffzelle vorgesehen. Das Verfahren umfasst den Schritt, dass eine im Wesentlichen planare Lage 80 bereitgestellt wird, die eine Schicht aus Harzmaterial aufweist. Bei einer Ausführung weist die Schicht aus Harzmaterial ein thermoplastisches Polymer auf, wie oben dargestellt ist. Bei einer anderen Ausführung bildet die im Wesentlichen planare Lage 80 eine Dicke zwischen etwa 0,50 mm und etwa 1 mm. Die erste gefaltete Lage 82 ist aus einer im Wesentlichen planaren Lage 80 geformt. Die erste gefaltete Lage 82 weist eine erste Faltung 60 auf, die typischerweise einen Vorsprungsabschnitt 84 aufweist, der sich von dem im Wesentlichen planaren Abschnitt 88 erstreckt. Die erste Faltung 60 weist einen ersten Seitenabschnitt 90 und einen zweiten Seitenabschnitt 92 auf, der dem ersten Seitenabschnitt 90 gegenüberliegt. Der erste Seitenabschnitt 90 und der zweite Seitenabschnitt 92 sind durch einen oberen Abschnitt 94 verbunden. Die erste gefaltete Lage 82 weist auch Zwischenfaltungen 96 und 98 auf.
  • Typischerweise wird die erste Faltung 60 dadurch geformt, dass die im Wesentlichen planare Lage 80 über einen Faltdorn 100 gezogen wird, wie durch Schritt A) gezeigt ist. Bei diesem Schritt kann eine gleichförmige Ausdünnung beibehalten werden. Bei einer Ausführung wird die im Wesentlichen planare Lage 80 erhitzt, um die Formung der ersten Faltung 60 zu unterstützen. Diesbezüglich wird die Lage 80 typischerweise auf eine Temperatur zwischen etwa 90 und 300 Grad C erhitzt. Bei Schritt b) wird ein Vakuum aufgebracht (d.h. Vakuumformung), um auf die Lage eine Faltdornform aufzubringen, wodurch die erste Faltung 60 geformt wird. Nach einem derartigen Formen wird die erste gefaltete Lage 82 mit der ersten Faltung darin von dem Faltdorn bei Schritt c) entfernt. Bei Schritt d) wird eine Dichtungseinrichtung 50 dadurch geformt, dass die erste Faltung und insbesondere der Vorsprungsabschnitt 84 zu dem planaren Abschnitt hinüber gefaltet werden, um eine Verbundfaltung 56 zu bilden. Die Dichtungseinrichtung 50 und daher der Verbund 56 werden zwischen einer ersten Brennstoffzellenkomponente 102 und einer zweiten Brennstoffzellenkomponente 104 platziert, um eine Dichtung zu formen. Bei einer Ausführung wird eine Abkühlung der Dichtungseinrichtung 50 und insbesondere der Verbundfaltung zugelassen, nachdem sie zwischen der ersten Brennstoffzellenkomponente 102 und der zweiten Brennstoffzellenkomponente 104 platziert sind. Bei einer Ausführung, wie oben dargestellt ist, sind die erste Brennstoffzellenkomponente und die zweite Brennstoffzellenkomponente jeweils unabhängige Strömungsfelder. Bei einer Ausführung wird die Dichtungseinrichtung 50 dazu verwendet, eine Dichtung zwischen einer derartigen Komponente und/oder in Durchbrechungen in derartigen Komponenten zu bilden. Bei einer anderen Ausführung wird die Dichtungseinrichtung 50 dazu verwendet, eine Isolationsschicht zwischen den Brennstoffzellenkomponenten und insbesondere elektrisch leitenden Brennstoffzellenkomponenten, wie den Strömungsfeldplatten, zu bilden. Bei einer anderen Ausführung wird die Dichtungseinrichtung 50 dazu verwendet, eine dickere Isolierung oder ein dickeres Abstandsmaterial in gewünschten Bereichen zwischen elektrisch leitenden Komponenten von seriell benachbarten Brennstoffzellen bereitzustellen. Eine zusätzliche Platzierung der Dichtungseinrichtung 50 ist oben mit Bezug auf die Beschreibung der 2A und 2B dargestellt.
  • Bei einer Ausführung weist die Lage 80 eine Laminatstruktur auf. Typischerweise ist die Laminatstruktur ein mehrschichtiger Thermoplast oder ein Thermoplast mit einer nicht thermoplastischen Elastomerschicht. Bei einer Ausführung weist die Laminatstruktur eine erste feste Schicht und eine erste geschäumte Schicht sowie eine optionale zweite feste Schicht auf, wobei die erste geschäumte Schicht zwischen der ersten festen Schicht und der zweiten festen Schicht angeordnet ist. Bei einer anderen Ausführung weisen die erste feste Schicht, die zweite feste Schicht und die erste geschäumte Schicht jeweils unabhängig ein thermoplastisches Polymer auf.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Ausbilden einer Dichtungseinrichtung (50) zur Anordnung zwischen Brennstoffzellenkomponenten (102, 104), umfassend, dass: eine im Wesentlichen planare Lage (80) vorgesehen wird, die eine Schicht aus Harzmaterial enthält; die im Wesentlichen planare Lage (80) über einen Faltdorn (100) gezogen wird, wodurch eine erste gefaltete Lage (82) geformt wird, die eine erste Faltung (60) aufweist, die von einem im Wesentlichen planaren Abschnitt (88) der ersten gefalteten Lage (82) entsprechend der Faltdornform absteht, wobei die erste Faltung (60) einen ersten Seitenabschnitt (90) und einen zweiten Seitenabschnitt (92), der dem ersten Seitenabschnitt (90) gegenüberliegt, aufweist, wobei der erste Seitenabschnitt (90) und der zweite Seitenabschnitt (92) durch einen oberen Abschnitt (94) verbunden sind; eine Dichtungseinrichtung (50) dadurch geformt wird, dass die erste Faltung (60) zur Bildung einer Verbundfaltung (56) derart hinüber zu dem planaren Abschnitt gefaltet wird, dass die Verbundfaltung (56) den ersten Seitenabschnitt (90) benachbart dem im Wesentlichen planaren Abschnitt (88) aufweist; und die Verbundfaltung (56) zwischen der ersten Brennstoffzellenkomponente (102) und der zweiten Brennstoffzellenkomponente (104) platziert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Faltung (60) dadurch geformt wird, dass die im Wesentlichen planare Lage (80) erhitzt wird, um ein Formen der ersten Faltung (60) zu unterstützen, wobei die Lage (80) auf eine Temperatur zwischen etwa 90 und 300 Grad C erhitzt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, ferner umfassend, dass ein Vakuum aufgebracht wird, um auf die Lage (80) eine Faltdornform aufzubringen, wodurch die erste Faltung (60) geformt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Brennstoffzellenkomponente (102) und die zweite Brennstoffzellenkomponente (104) jeweils unabhängige Strömungsfelder sind.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Dichtungseinrichtung (50) eine elektrische Isolierung, Abdichtung, Abstandsfunktionalität oder Kombinationen daraus bildet.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schicht aus Harzmaterial ein thermoplastisches Polymer aufweist, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus Polyethylen, Polypropylen, Polyethylenterephthalat, Polyethylennaphthalat, Polyphenylenether, Polyphenylenoxid und Kombinationen daraus besteht.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Lage (80) eine Laminatstruktur aufweist.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Laminatstruktur ein mehrschichtiger Thermoplast oder ein Thermoplast mit einer nicht thermoplastischen Elastomerschicht ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Laminatstruktur eine erste feste Schicht und eine geschäumte Schicht sowie eine optionale zweite feste Schicht aufweist, wobei die erste geschäumte Schicht zwischen der ersten festen Schicht und der zweiten festen Schicht angeordnet ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die erste feste Schicht, die zweite feste Schicht und die erste geschäumte Schicht jeweils unabhängig voneinander ein thermoplastisches Polymer aufweisen.
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