DE112010005551T5

DE112010005551T5 - Anbringen einer dichtung an einer brennstoffzellen-komponente

Info

Publication number: DE112010005551T5
Application number: DE112010005551T
Authority: DE
Inventors: Kristoffer Ridgeway; John F. Hoffman
Original assignee: UTC Power Corp
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2010-05-12
Filing date: 2010-05-12
Publication date: 2013-03-28
Anticipated expiration: 2030-05-13
Also published as: US20130052565A1; US9312547B2; WO2011142750A1; US20160190609A1; DE112010005551B4

Abstract

Ein beispielhaftes Verfahren zum Anbringen einer Dichtung an einer Brennstoffzellen-Komponente umfasst ein Bereitstellen einer Trennschicht an einer Seite einer Dichtung. Die Trennschicht hat Verstärkungsfasern. Eine andere Seite der Dichtung wird an einem ausgewählten Bereich der Brennstoffzellen-Komponente platziert. Die Dichtung, die Trennschicht und die Brennstoffzellen-Komponente werden erhitzt. Dann wird die Trennschicht entfernt, nachdem die Dichtung an der Brennstoffzellen-Komponente befestigt ist.

Description

Hintergrund
Brennstoffzellen sind nützlich zur Erzeugung von elektrischem Strom. Typische Brennstoffzellenanordnungen umfassen eine Mehrzahl von einzelnen Zellen in einem Stapel, die als eine Zellenstapel-Anordnung (CSA, cell stack assembly) bezeichnet wird. Im Zusammenhang mit der Herstellung und dem Betrieb von CSAs gibt es verschiedene Herausforderungen. Beispielsweise werden während des Brennstoffzellenbetriebs verschiedene Fluide in die CSA eingeführt oder aus ihr entfernt. Es ist notwendig, jene Fluide innerhalb bestimmter Bereiche in der CSA zu halten.
Typische CSAs umfassen eine beträchtliche Anzahl von Komponenten. Jede einzelne Zelle umfasst mehrere Schichten. Es gibt Grenzflächen zwischen den verschiedenen Schichten jeder Zelle und zwischen benachbarten Zellen. Einige jener Grenzflächen erfordern eine Dichtung, um die Fluide in geeigneter Weise innerhalb der CSA zu halten, um den gewünschten Brennstoffzellenbetrieb zu erzielen.
Die verschiedenen Materialien, die für Brennstoffzellen-Komponenten verwendet werden, machen es schwierig, eine angemessene Dichtung zu erzielen.
Zusammenfassung
Ein beispielhaftes Verfahren zur Anbringung einer Dichtung an einer Brennstoffzellen-Komponente umfasst die Bereitstellung einer Trennschicht bzw. Ablöseschicht an einer Seite einer Dichtung. Die Trennschicht bzw. Ablöseschicht hat Verstärkungsfasern. Eine andere Seite der Dichtung wird gegen einen ausgewählten Bereich der Brennstoffzellen-Komponente platziert. Die Dichtung, die Trennschicht und die Brennstoffzellen-Komponente werden erhitzt. Nachdem die Dichtung an der Brennstoffzellen-Komponente befestigt ist, wird die Trennschicht dann entfernt.
Die Verstärkungsfasern in der Trennschicht haben einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der sehr nahe an dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials, das für die Brennstoffzellen-Komponente verwendet wird, ist. Dies hindert das Dichtungsmaterial effektiv daran, sich während der Erhitzungsphase des Prozesses zur Befestigung der Dichtung an der Brennstoffzellen-Komponente über eine gewünschte Stelle hinaus auszudehnen.
Eine beispielhafte Brennstoffzellen-Komponente umfasst eine Platte. Eine Dichtung wird an einem ausgewählten Bereich der Platte aufgenommen. Eine faserverstärkte Trennschicht befindet sich an einer Seite der Dichtung, die von der Platte weg weist.
Die verschiedenen Merkmale und Vorteile eines offenbarten Beispiels werden für Fachleute auf dem Gebiet aus der folgenden genauen Beschreibung deutlich werden. Die Zeichnungen, die die genaue Beschreibung begleiten, können kurz wie folgt beschrieben werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 veranschaulicht zeichnerisch eine beispielhafte Brennstoffzellen Komponente, die gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung gestaltet ist.
2 ist eine Querschnittsdarstellung, angefertigt entlang den Linien 2-2 in 1.
3 veranschaulicht schematisch eine beispielhafte Vorgehensweise zum Zusammenbauen einer Brennstoffzellen-Komponente.
4 veranschaulicht schematisch einen anderen Teil der beispielhaften Vorgehensweise.
Genaue Beschreibung
1 zeigt eine beispielhafte Brennstoffzellen-Komponente 20, die eine Platte 22 und eine Dichtung 24 aufweist. In einem Beispiel weist die Brennstoffzellen-Komponente 20 eine bipolare Platte auf. In einem Beispiel weist die Platte 22 Kohlenstoff auf. Die Dichtung 24 weist ein Elastomer auf. Eine Beispieldichtung weist Gummi auf.
Wie in 2 gezeigt, ist die Dichtung 24 mindestens teilweise in einer Aussparung oder Vertiefung 26, die in der Platte 22 ausgebildet ist, aufgenommen. Eine Herausforderung im Zusammenhang mit dem Ausstatten der Platte 22 mit der Dichtung 24 ist das Halten des Materials der Dichtung 24 innerhalb der ausgewählten Fläche auf der Platte 22 während des Prozesses der Befestigung der Dichtung an Ort und Stelle. Das veranschaulichte Beispiel umfasst eine Trennschicht 30, die mit Fasern verstärkt ist. Die Trennschicht 30 erleichtert das Entfernen der Brennstoffzellen-Komponente aus einer Festhaltevorrichtung, die zum Befestigen der Dichtung 24 an Ort und Stelle verwendet wird. Die Trennschicht erleichtert in diesem Beispiel auch das Halten des Materials der Dichtung 24 an der gewünschten Stelle bezüglich der Platte 22.
3 veranschaulicht schematisch eine Anordnung zum Befestigen der Dichtung 24 an Ort und Stelle. In diesem Beispiel hat eine Festhaltevorrichtung oder Form 32 einen Teil 34, der eine Vertiefung 36, die dazu ausgelegt ist, einen Teil der Dichtung 24 zumindest teilweise aufzunehmen, umfasst. In diesem Beispiel ist die Trennschicht 30 in der Vertiefung 36 anliegend aufgenommen. Ein anderer Teil 38 der Festhaltevorrichtung 32 hält die Platte 22 während des Prozesses des Zusammenbauens.
Das Beispiel von 3 umfasst einen thermoplastischen Verbindungs- bzw. Verklebungsfilm 40 an einer Seite der Dichtung 24, die von der Seite, an der die Trennschicht 30 angeordnet ist, wegweist. Wenn die verschiedenen Bereiche der Brennstoffzellen-Komponente 20 in der Festhaltevorrichtung 32 passend angeordnet sind, werden Hitze und Druck angewendet, wie schematisch bei 42 gezeigt. Die Hitze veranlasst den thermoplastischen Verbindungsfilm 40 zu schmelzen, um dadurch die Dichtung 24 an der Platte 22 zu befestigen.
Während des Teils des Prozesses, bei dem erhitzt wird, neigen die Materialien dazu, sich auszudehnen. Eine beträchtliche Herausforderung im Zusammenhang mit dem Bereitstellen einer Elastomerdichtung an, beispielsweise, einer Kohlenstoffplatte ist, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient von Kohlenstoff viel geringer ist als derjenige eines Elastomers wie Gummi. Der Trennfilm 30 umfasst Verstärkungsfasern 50 (schematisch in 4 gezeigt), um das Material der Dichtung 24 während des Prozesses des Befestigens der Dichtung 24 an der Platte 22 an der gewünschten Stelle zu halten. Die Verstärkungsfasern 50 haben einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der sehr nahe an dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials der Platte 22 (z. B. Kohlenstoff) ist. In einem Beispiel ist der Wärmeausdehnungskoeffizient der Verstärkungsfasern 50 näherungsweise gleich demjenigen des Materials der Platte 22. Verstärkungsfasern mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten ähnlich demjenigen des Materials der Platte 22 innerhalb der Trennschicht 30 zu haben, hindert das Dichtungsmaterial daran, sich in einer Weise, bei der die Dichtung den gewünschten Flächenbereich der Platte 22 verlassen würde, auszudehnen.
In einem Beispiel weisen die Verstärkungsfasern 50 Kohlenstoff auf. Die Kohlefasern 50 und das Kohlenstoffmaterial der Platte 22 haben in einem derartigen Beispiel den selben Wärmeausdehnungskoeffizienten. Ein anderes Beispiel umfasst Fasern 50, die Glas aufweisen, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten ähnlich demjenigen von Kohlenstoff hat. Beispielsweise hat Glas typischerweise einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 8,5, und der Wärmeausdehnungskoeffizient von Graphitkohlenstoff kann 0,5 und bis zu 6,5 sein. Für die Zwecke dieser Beschreibung werden 8,5 und 0,5 als ähnlich betrachtet, insbesondere im Vergleich zu dem eines Elastomer-Dichtungsmaterials, der näherungsweise 75 sein kann. Beliebige Verstärkungsfasern, die einen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, der nahe an demjenigen des Materials, das für die Platte 22 verwendet wird, ist, werden den Unterschied der Wärmeausdehnungskoeffizienten des Dichtungsmaterials und des Plattenmaterials effektiv ausgleichen.
Die Anordnung der Fasern 50 hält das Material der Dichtung 24 davon ab, sich überall auf der Strecke der Dichtung 24 auszudehnen, so dass es auf der Platte 22 in der korrekten Position bleibt. Einige Beispiele umfassen Fasern 50, die in einem erhabenen Matrix- oder Gittermuster angeordnet sind. Andere Beispiele umfassen ein Gewebe der Fasern 50. Die Anordnung der Fasern 50 wirkt dahingehend, das Material des Dichtungsmaterials während des Verbindungsprozesses zusammenzuhalten.
Ein anderes Merkmal der Trennschicht 30 ist, dass sie die Dichtung 24 vor Verunreinigungen, die auf der Festhaltevorrichtung 32 vorkommen können, schützt.
Nach dem Abkühlen der Platte 22 und der Dichtung 24 ist die Dichtung 24 an Ort und Stelle befestigt. Die Trennschicht 30 kann dann entfernt werden, wie schematisch in 4 gezeigt. Die Dichtung 24 und die Platte 22 sind dann bereit dazu, dass die Brennstoffzellen-Komponente 20 in eine CSA eingebaut wird.
In einem Beispiel weist die Trennschicht 30 einen Polymerfilm auf, der die Verstärkungsfasern 50 enthält. Ein Beispiel umfasst die Verwendung von Polytetrafluorethylen- und Glas-Verstärkungsfasern für die Trennschicht 30. Ein anderes Beispiel umfasst einen Kunststoff mit niedriger Oberflächenenergie als das Polymer mit einem passenden Verstärkungsfasermaterial, das bezüglich seines Wärmeausdehnungskoeffizienten so ausgewählt wurde, dass er demjenigen des Materials, das für die Platte 22 verwendet wurde, entspricht. In einem Beispiel sind die Fasern 50 entlang der Trennschicht 30 im Wesentlichen durchgehend bzw. zusammenhängend. Die Ausrichtung und Länge der Fasern 50 sorgt für eine ausreichende Kontrolle über die Ausdehnung des Materials der Dichtung 24 während des Verbindungsvorgangs.
Das veranschaulichte Beispiel erlaubt die Verbindung einer Elastomer-Dichtung mit einem hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten mit einer Brennstoffzellen-Komponente wie einer bipolaren Platte, die einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat. In diesem Beispiel wird die Dichtung effektiv zwischen Materialien mit einem ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der der Tendenz entgegenwirkt, die das Dichtungsmaterial haben würde, sich in einer unerwünschten Weise auszudehnen, eingeschlossen. Das veranschaulichte Beispiel stellt einen zuverlässigen Prozess des Zusammenbauens bereit, der zu einer Dichtung führt, die bezüglich der Brennstoffzellen-Komponente erwünschte Eigenschaften und eine erwünschte Platzierung hat.
Die vorangehende Beschreibung ist von beispielhafter anstatt von beschränkender Art. Variationen und Abwandlungen der offenbarten Beispiele, die nicht notwendigerweise vom Wesen dieser Erfindung abweichen, mögen für Fachleute auf dem Gebiet offenkundig werden. Der Umfang des dieser Erfindung verliehenen gesetzlichen Schutzes kann nur durch das Studium der folgenden Ansprüche bestimmt werden.

Claims

Verfahren zum Anbringen einer Dichtung an einer Brennstoffzellen-Komponente, folgende Schritte aufweisend: Anordnen einer Trennschicht an einer Seite einer Dichtung, wobei die Trennschicht Verstärkungsfasern aufweist; Platzieren einer zweiten Seite der Dichtung an einem ausgewählten Bereich der Brennstoffzellen-Komponente; Erhitzen der Brennstoffzellen-Komponente, der Dichtung und der Trennschicht; und Entfernen der Trennschicht, nachdem die Dichtung an der Brennstoffzellen-Komponente befestigt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, aufweisend Anordnen der Brennstoffzellen-Komponente an einer Seite einer Festhaltevorrichtung; und Anordnen einer zweiten, in die entgegengesetzte Richtung weisenden Seite der Festhaltevorrichtung dergestalt an der Trennschicht, dass die Dichtung während des Erhitzens gegen den ausgewählten Bereich der Brennstoffzellen-Komponente gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Trennschicht ein Polymer und die Verstärkungsfasern aufweist.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das Polymer Polytetrafluorethylen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Brennstoffzellen-Komponente einen ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, und die Verstärkungsfasern einen zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, der dem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten näherungsweise gleich ist.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Dichtung einen dritten Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der größer ist als der zweite Wärmeausdehnungskoeffizient.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Brennstoffzellen-Komponente eine Kohlenstoffplatte aufweist, und die Verstärkungsfasern Glas aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Verstärkungsfasern entlang der Trennschicht durchgehend sind.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der ausgewählte Bereich der Brennstoffzellen-Komponente eine Vertiefung aufweist, die Dichtung zumindest teilweise innerhalb der Vertiefung aufgenommen ist, und die Trennschicht jegliches Dichtungsmaterial, das sich außerhalb der Vertiefung befindet, bedeckt.
Verfahren nach Anspruch 1, aufweisend Bereitstellen eines thermoplastischen Verbindungsfilms an der zweiten Seite der Dichtung; und Schmelzen des thermoplastischen Verbindungsfilms während des Erhitzens.
Brennstoffzellen-Komponente aufweisend: eine Platte; eine Dichtung, die an einem ausgewählten Bereich der Platte aufgenommen ist; und eine faserverstärkte Trennschicht an einer Seite der Dichtung, die von der Platte weg weist.
Brennstoffzellen-Komponente nach Anspruch 11, bei der die Dichtung ein Elastomer aufweist; und die Trennschicht ein Polymer aufweist.
Brennstoffzellen-Komponente nach Anspruch 12, bei der das Elastomer Gummi aufweist.
Brennstoffzellen-Komponente nach Anspruch 12, bei der das Polymer Polytetrafluorethylen aufweist.
Brennstoffzellen-Komponente nach Anspruch 11, bei der die Platte einen ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten hat; und die Verstärkungsfasern einen zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten, der dem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten näherungsweise gleich ist, haben.
Brennstoffzellen-Komponente nach Anspruch 15, bei der die Dichtung einen dritten Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der größer ist als der zweite Wärmeausdehnungskoeffizient.
Brennstoffzellen-Komponente nach Anspruch 11, bei der die Platte Kohlenstoff aufweist und die Verstärkungsfasern Glas aufweisen.
Brennstoffzellen-Komponente nach Anspruch 1, bei der die Verstärkungsfasern entlang der Trennschicht durchgehend sind.
Brennstoffzellen-Komponente nach Anspruch 1, bei der die Platte eine Vertiefung aufweist, die Dichtung mindestens teilweise innerhalb der Vertiefung aufgenommen ist, und die Trennschicht jegliches Dichtungsmaterial, das sich außerhalb der Vertiefung befindet, bedeckt.
Brennstoffzellen-Komponente nach Anspruch 11, aufweisend einen thermoplastischen Verbindungsfilm an einer zweiten Seite der Dichtung zwischen der Dichtung und der Platte.