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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen einer Dichtung auf eine Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel, wobei die Bipolarplatte zumindest teilweise in ein Dichtungsmaterial eingetaucht wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Bipolarplatte und einen Brennstoffzellenstapel.
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Stand der Technik
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Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Zelle, welche die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Eine Brennstoffzelle ist also ein elektrochemischer Energiewandler. Bei bekannten Brennstoffzellen werden insbesondere Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) in Wasser (H2O), elektrische Energie und Wärme gewandelt.
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Unter anderem sind Protonenaustauschmembran (Proton Exchange Membrane = PEM)-Brennstoffzellen bekannt. PEM-Brennstoffzellen weisen eine zentral angeordnete Membran auf, die für Protonen, also Wasserstoffionen, durchlässig ist. Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, ist dadurch räumlich von dem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, getrennt.
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Ferner sind Festoxidbrennstoffzellen, die auch als solid oxide fuel cells (SOFC) bezeichnet werden, bekannt. SOFC-Brennstoffzellen besitzen eine höhere Betriebstemperatur und Abgastemperatur als PEM-Brennstoffzellen und finden insbesondere im stationären Betrieb Anwendung.
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Brennstoffzellen weisen eine Anode und eine Kathode auf. Der Brennstoff wird an der Anode der Brennstoffzelle zugeführt und katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert, die zur Kathode gelangen. Die abgegebenen Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen externen Stromkreis zur Kathode.
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Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, wird an der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt und reagiert durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis und Protonen zu Wasser. Das so entstandene Wasser wird aus der Brennstoffzelle abgeleitet. Die Bruttoreaktion lautet:
O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
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Durch eine Membran-Elektroden-Einheit, die auch als Membran-ElektrodenAnordnung oder membrane electrode assembly (MEA) bezeichnet wird, können die Membran und die Elektroden, insbesondere die Anode und die Kathode, konstruktiv zusammengefasst sein.
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Zwischen der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle liegt eine Spannung an. Zur Erhöhung der Spannung können mehrere Brennstoffzellen mechanisch hintereinander zu einem Brennstoffzellenstapel, der auch als Stack bezeichnet wird, angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet werden. Der Brennstoffzellenstapel kann von einem Gehäuse umgeben sein.
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Brennstoffzellenstapel weisen in der Regel Bipolarplatten auf, die auch als Gasverteilerplatten bezeichnet werden können. Sie dienen zur gleichmäßigen Verteilung des Brennstoffs an die Anode sowie zur gleichmäßigen Verteilung des Oxidationsmittels an die Kathode. Bipolarplatten weisen üblicherweise eine Oberflächenstruktur, beispielsweise kanalartige Strukturen, zur Verteilung des Brennstoffs sowie des Oxidationsmittels an die Elektroden auf. Die kanalartigen Strukturen dienen zur Ableitung des bei der Reaktion entstandenen Wassers. Zusätzlich können Bipolarplatten Strukturen zur Durchleitung einer Kühlflüssigkeit durch die Brennstoffzelle zur Abführung von Wärme aufweisen.
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Neben der Medienführung bezüglich Sauerstoff, Wasserstoff und Wasser gewährleisten Bipolarplatten einen flächigen elektrischen Kontakt zur Membran.
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Die einzelnen Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels sind üblicherweise mit Dichtungen gegeneinander abgedichtet. Brennstoffzellenstapel können mehrere hundert Brennstoffzellen und eine entsprechende Anzahl an Dichtungen umfassen.
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Brennstoffzellenfahrzeuge werde derzeit in eher moderater Stückzahl hergestellt, so dass für den Zusammenbau und Konzepte hinsichtlich einer Gewährleistung der Dichtheit von Brennstoffzellenstapeln noch keine Massenproduktion etabliert ist.
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Zumeist werden an die Bipolarplatten angebrachte Elastomerdichtungen verwendet, die im Zusammenbau verpresst werden. Die Aufbringung von Elastomerdichtungen oder auch das Dispensen von Silikondichtraupen ist zeitaufwändig und für eine Massenproduktion eher ungeeignet.
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Weiterhin können die einzelnen Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels aufeinander verklebt werden, wodurch jedoch eine Trennung der einzelnen Brennstoffzellen nach dem Verkleben und damit ein Recycling sehr aufwändig ist.
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DE 10 2007 005 589 A1 beschreibt eine Dichtung für eine Brennstoffzelle zum Einsatz zwischen einer Bipolarplatte und einer Membran. Die Dichtung weist ein Kernelement und ein das Kernelement zumindest teilweise umgebendes Randelement auf.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird ein Verfahren zum Aufbringen einer Dichtung auf eine Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel vorgeschlagen, umfassend die folgenden Schritte:
- a) Eintauchen zumindest von Teilen der Bipolarplatte in ein Dichtungsmaterial,
- b) Entfernen der Bipolarplatte aus dem Dichtungsmaterial, wobei mindestens ein Bereich einer Oberfläche der Bipolarplatte mit dem Dichtungsmaterial bedeckt ist,
- c) Lagern der Bipolarplatte, so dass das Dichtungsmaterial, das den mindestens einen Bereich bedeckt, unterhalb der Bipolarplatte angeordnet ist und
- d) Härten des Dichtungsmaterials, so dass die Dichtung gebildet wird.
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Die Verfahrensschritte a) bis d) werden bevorzugt in angegebener Reihenfolge ausgeführt.
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Das Aufbringen der Dichtung auf die Bipolarplatte wird erfindungsgemäß mittels eines Tauchprozesses durchgeführt. Nachdem die Bipolarplatte zumindest teilweise in ein Bad aus dem Dichtungsmaterial geführt wurde, wird das aufgebrachte Dichtungsmaterial im hängenden Zustand gehärtet. Bevorzugt wird das Dichtungsmaterial während des Härtens in Schritt d) vernetzt.
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Bevorzugt ist während des Eintauchens in Schritt a) eine Schablone auf der Oberfläche der Bipolarplatte angeordnet. Durch eine während des Eintauchens auf der Oberfläche der Bipolarplatte angeordnete Schablone kann der Bereich der Oberfläche der Bipolarplatte, die mit dem Dichtungsmaterial bedeckt werden soll, klarer begrenzt werden. Als Schablone eignen sich beispielsweise auf der Oberfläche der Bipolarplatte angeordnete Schutzfolien und/oder Beschichtungen.
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Bevorzugt ragt der Bereich der Oberfläche der Bipolarplatte, der mit dem Dichtungsmaterial bedeckt wird, über die Bipolarplatte hinaus. Weiter bevorzugt ist der mindestens eine Bereich der Oberfläche an einer Erhöhung der Bipolarplatte angeordnet. Insbesondere weist die Bipolarplatte mindestens eine Sicke auf und der mindestens eine Bereich der Oberfläche ist an der mindestens einen Sicke angeordnet.
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In Schritt c) wirkt die Schwerkraft auf das auf die Bipolarplatte aufgebrachte Dichtungsmaterial dahingehend, dass diese von der Bipolarplatte weg gerichtet ist. Durch die Einwirkung der Schwerkraft können auch etwas höhere Dichtgeometrien realisiert werden. Unter dem Begriff „unterhalb“ in Schritt c) ist eine derartige Anordnung zu verstehen, dass entlang einer gedachten Vertikalen das Dichtungsmaterial unter der Bipolarplatte angeordnet ist.
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Bevorzugt umfasst das Dichtungsmaterial Silikon, Polyurethan, Polyisobutylen und/oder Naturkautschuk (NR). Weiter bevorzugt umfasst das Dichtungsmaterial Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), Fluorkautschuk (FKM), Chloropren-Kautschuk (CR), Chlorbutyl-Kautschuk (CIIR), Ethylen-Acrylat-Kautschuk (AEM), Acrylat-Kautschuk (ACM), Arcrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR), hydrierten Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (HNBR), thermoplastisches Polyurethan (TPU), thermoplastisches Vulkanisat (TPV), thermoplastisches Elastomer auf Olefinbasis (TPO), thermoplastisches Styrol-Blockcopolymer (TPS), thermoplastisches Polyamidelastomer (TPA) oder Mischungen daraus.
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Bevorzugt weist das Dichtungsmaterial in Schritt a) eine Viskosität in einem Bereich von 1 Pa·s bis 10 000 000 Pa·s auf. Die Viskosität kann zum Beispiel mit Hilfe von Rotationsrheometern bestimmt werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können auch niederviskose Dichtungsmaterialien zur Herstellung von Dichtungen auf Bipolarplatten eingesetzt werden.
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Das Dichtungsmaterial kann in Schritt d) durch externe Wärmequellen oder andere Aktivierungsformen gehärtet beziehungsweise vernetzt werden. Bevorzugt wird das Dichtungsmaterial in Schritt d) unter Verwendung einer Wärmequelle, insbesondere einer externen Wärmequelle, oder unter Verwendung von Ultraschall oder UV-Strahlung gehärtet. Als Wärmequelle kann zum Beispiel ein Ofen eingesetzt werden.
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Die Bipolarplatte kann in einem ungestanzten Zustand vorliegen. Mindestens eine, bevorzugt mehr als eine, ungestanzte Bipolarplatte kann auf einer Rolle vorgelegt werden.
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Bevorzugt weist die Dichtung, insbesondere nach dem Härten in Schritt d), eine Höhe von 0,05 mm bis 1 mm auf. Die Höhe der Dichtung kann über Prozessparameter eingestellt werden. Insbesondere hängt die Höhe der Dichtung von der Viskosität des Dichtungsmaterials und der Aushärtegeschwindigkeit in Schritt d) ab. Mit Hilfe dieser Prozessparameter kann die Höhe der Dichtung einfach und schnell adaptiert werden.
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Die Erfindung betrifft auch eine Bipolarplatte umfassend eine Dichtung, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebracht wurde. Ferner betrifft die Erfindung einen Brennstoffzellenstapel umfassend die Bipolarplatte.
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Vorteile der Erfindung
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann eine dichte Verbindung, insbesondere zwischen einer Bipolarplatte und einer MEA, in einem Brennstoffzellenstapel in einem schnellen und effizient geführten Prozess hergestellt werden. Auch niedrigviskoses Dichtungsmaterial kann eingesetzt werden, wobei benötigte Dichtungshöhen erzielt werden können.
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Die Höhe der Dichtung kann über die Prozessparameter flexibel und unkompliziert eingestellt werden.
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Ferner ist das erfindungsgemäße Verfahren auch für die Massenfertigung von Dichtungen für Brennstoffzellenstapel einsetzbar.
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Figurenliste
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels und
- 2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels 23 mit mehreren Brennstoffzellen 1. Jede Brennstoffzelle 1 weist eine Membran 33, zwei Gasdiffusionslagen 35, eine Anode 37 und eine Kathode 39 auf. Die einzelnen Brennstoffzellen 1 sind durch Bipolarplatten 7, die eine Kühlplatte 41 umfassen können, voneinander abgegrenzt. Der Brennstoffzellenstapel 23, dem Wasserstoff 47 und Sauerstoff 45 in Form von Luft sowie ein Kühlmittel 43 zugeführt werden, wird durch zwei Endplatten 49 abgeschlossen und weist Stromsammler 51 auf.
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2 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Eine Bipolarplatte 7 mit Sicken 32 weist eine Oberfläche 26 auf. Bereiche 24 der Oberfläche 26, die an den Sicken 32 angeordnet sind, werden in ein Dichtungsmaterial 22 eingetaucht.
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Die Bipolarplatte 7 wird dann wieder aus dem Dichtungsmaterial 22 entfernt und so angeordnet, dass das Dichtungsmaterial 22, das die Bereiche 24 der Oberfläche 26 bedeckt, unterhalb der Bipolarplatte 7 tropfenförmig und hängend angeordnet ist.
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In dieser Anordnung wird das Dichtungsmaterial 22 zum Beispiel durch Anwendung von Wärme mittels eines Ofens in ein gehärtetes Dichtungsmaterial 28 überführt, das Dichtungen 20 bildet. Nach diesem Härten weisen die Dichtungen 20 jeweils eine Höhe 30 auf.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007005589 A1 [0015]
