DE202017103258U1

DE202017103258U1 - Fuel cell assembly for securing seals in the fuel cell

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Publication number: DE202017103258U1
Application number: DE202017103258.2U
Authority: DE
Original assignee: Serenergy AS
Current assignee: Advent Technologies AS
Priority date: 2016-05-31
Filing date: 2017-05-31
Publication date: 2017-08-09
Anticipated expiration: 2027-06-01
Also published as: CN207097955U

Abstract

Brennstoffzellenanordnung (1) mit einer Anodenplatte (2) und einer Kathodenplatte (5), gegebenenfalls als Bipolarplatte vorgesehen, und einer Protonenaustauschmembran (4) in einem Raum zwischen der Anodenplatte (2) Und der Kathodenplatte (5); wobei zwischen der Anodenplatte (2) und der Kathodenplatte (5) eine Dichtung (10) mit einer ebenen, verformbaren Oberfläche vorgesehen ist, wobei die Dichtung (10) den Raum abdichtet; wobei die Dichtung (10) eine erste ebene Oberfläche aufweist, die an der Anodenplatte (2) entlang eines Randbereichs (12) der Anodenplatte (2) anliegt, und eine zweite, gegenüberliegende ebene Oberfläche, die an der Kathodenplatte (5) entlang eines Randbereichs der Kathodenplatte (5) anliegt; wobei die Anodenplatte (2) oder die Kathodenplatte (5) oder beide Vorsprünge (11) aufweisen, die als Linienprofile entlang der Randbereiche (12) vorgesehen sind, wobei sich die Vorsprünge dichtend in die verformbare Oberfläche der Dichtung (10) erstrecken. Fuel cell assembly (1) with an anode plate (2) and a cathode plate (5), optionally provided as a bipolar plate, and a proton exchange membrane (4) in a space between the anode plate (2) and the cathode plate (5); wherein between the anode plate (2) and the cathode plate (5) is provided a gasket (10) having a flat, deformable surface, the gasket (10) sealing the space; wherein the gasket (10) has a first planar surface abutting the anode plate (2) along an edge portion (12) of the anode plate (2) and a second opposing planar surface adjacent the cathode plate (5) along an edge region the cathode plate (5) is applied; the anode plate (2) or the cathode plate (5) or both having projections (11) provided as line profiles along the edge regions (12), the projections sealingly extending into the deformable surface of the seal (10).

Description

GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Dichtungen in Brennstoffzellen und ein System um sicherzustellen, dass die Dichtungen trotz thermischer Zyklen weiterhin abdichten.The present invention relates to gaskets in fuel cells and a system to ensure that the gaskets continue to seal despite thermal cycling.

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

In Brennstoffzellenstapel werden Polymerdichtungen zum Abdichten zwischen den Anoden- und Kathodenplatten, beispielsweise Bipolarplatten, eingesetzt.In fuel cell stacks, polymer seals are used to seal between the anode and cathode plates, such as bipolar plates.

US 7081316 von Rock offenbart einen Brennstoffzellenstapel, bei dem eine Bipolarplattenanordnung zwischen zwei Dichtungen angeordnet ist, die den Rand der Bipolarplattenanordnung abdecken. Die Dichtungen umfassen Öffnungen nahe gegenüberliegender Kanten für Kanäle, die für den Transport von Brenngas und Luft entlang des Stapels erforderlich sind. Die Bipolarplattenanordnung besteht aus Metallplatten, die so verbunden sind, daß zwischen den Platten zum Kühlen Wasserkanäle vorgesehen sind. US 7081316 Rock discloses a fuel cell stack in which a bipolar plate assembly is disposed between two gaskets covering the edge of the bipolar plate assembly. The seals include openings near opposite edges for channels required to transport fuel gas and air along the stack. The bipolar plate assembly consists of metal plates which are connected so that water channels are provided between the plates for cooling.

Die Positionierung solcher Dichtungen während der Produktion muss präzise zur richtigen Abdichtung erfolgen; und um eine langfristige ordnungsgemäße Abdichtung zu gewährleisten, müssen die Dichtungen an dieser Stelle festgehalten werden. Eine langfristige ordnungsgemäße Abdichtung ist eine Herausforderung, da ein wiederholter thermischer Zyklus der Brennstoffzelle beim Ein- und Ausschalten zu einer leichten Ausdehnung und Kontraktion der Dichtungen gegenüber den Bipolarplatten führt, da diese aus einem anderen Material mit einem anderen thermischen Ausdehnungskoeffizient bestehen. Die Wiederholung dieser Ausdehnung und Kontraktion zu Hunderten oder sogar zu Tausenden führt zu einer signifikanten Bewegung und Verformung der Dichtungen, die schließlich zu Leckagen führen.The positioning of such gaskets during production must be done precisely to ensure proper sealing; and to ensure a long-term proper seal, the seals must be held in place. Long-term proper sealing is a challenge because a repeated thermal cycle of the fuel cell when turned on and off results in a slight expansion and contraction of the seals against the bipolar plates because they are made of a different material with a different thermal expansion coefficient. The repetition of this expansion and contraction in hundreds or even thousands leads to significant movement and deformation of the seals, which eventually lead to leaks.

Die Patentanmeldungen US 2005/079400 von Sugiura und US 2002/0122970 von Inoue offenbaren das Gieß-Formen von Dichtungen auf Bipolaranordnungen. Dies ist jedoch eine komplizierte und teure Lösung, obwohl es eine gute Langzeitdichtung bieten kann. Das Patent US 8865362 von Korsgaard, auf Serenergy A/S übertragen, offenbart eine Rille, in der eine Dichtung zur Fixierung eingelegt ist. Die internationale Patentanmeldung WO 2013/069888 auf Koreanisch offenbart eine Brennstoffzellenanordnung, bei der Dichtungen mit Vorsprüngen entlang Randbereichen vorgesehen sind, die in jeweilige Rillen passen.The patent applications US 2005/079400 from Sugiura and US 2002/0122970 from Inoue reveal the casting molds of gaskets on bipolar assemblies. However, this is a complicated and expensive solution, although it can provide a good long-term seal. The patent US 8865362 by Korsgaard, assigned to Serenergy A / S discloses a groove in which a gasket is inserted for fixation. The international patent application WO 2013/069888 in Korean discloses a fuel cell assembly in which gaskets are provided with protrusions along edge portions that fit into respective grooves.

Obwohl die verschiedenen Methoden darauf abzielen, eine lange Lebensdauer von Brennstoffzellenstapeln zu gewährleisten, ist die Langzeitstabilität von Dichtungen in vielen Fällen immer noch ein Problem, insbesondere wenn Brennstoffzellen zyklisch erwärmt und abgekühlt werden. Es wäre wünschenswert, weitere Verbesserungen zu gewährleisten.Although the various methods aim to ensure a long life of fuel cell stacks, the long-term stability of gaskets is still a problem in many cases, especially when fuel cells are cyclically heated and cooled. It would be desirable to ensure further improvements.

BESCHREIBUNG / ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION / SUMMARY OF THE INVENTION

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Verbesserung auf dem technischen Feld zu schaffen. Insbesondere ist es eine Aufgabe, eine Brennstoffzellenanordnung mit verbesserter Langzeitstabilität von Dichtungen bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzellenanordnung wie nachfolgend beschrieben gelöst.It is therefore the object of the invention to provide an improvement in the technical field. In particular, it is an object to provide a fuel cell assembly with improved long-term stability of seals. This object is achieved by a fuel cell arrangement as described below.

Die Brennstoffzelle, beispielsweise als Teil eines Brennstoffzellenstapels, umfasst eine Anodenplatte und eine Kathodenplatte und eine Protonenaustauschmembran in einem dazwischenliegenden Raum.The fuel cell, for example as part of a fuel cell stack, includes an anode plate and a cathode plate and a proton exchange membrane in an intermediate space.

Beispielsweise sind die Anodenplatte und die Kathodenplatte integral als Bipolarplatte in einem Brennstoffzellenstapel vorgesehen. Als Alternative dazu werden die Anodenplatte und die Bipolarplatte zu einer Bipolarplattenanordnung zusammengefasst, beispielsweise Rücken-an-Rücken aneinander befestigt mit einem abgedichteten Kühlflüssigkeitsströmungsfeld dazwischen. Beispiele für solche Kühlströmungsfelder sind Kanäle, beispielsweise mäanderförmige Kanäle. In der Bipolarplattenanordnung hat die Anodenplatte eine zur Membran zugewandten Anodenseite und die Kathode eine zur Membran zugewandten Kathodenseite. Sowohl die Anodenplatte als auch die Kathodenplatte weisen jeweils eine gegenüberliegende Kühlseite auf, wobei die Kühlseiten einander zugewandt sind und das Kühlströmungsfeld umfassen. For example, the anode plate and the cathode plate are integrally provided as a bipolar plate in a fuel cell stack. Alternatively, the anode plate and the bipolar plate are combined into a bipolar plate assembly, for example, back-to-back, with a sealed coolant flow field therebetween. Examples of such cooling flow fields are channels, for example meandering channels. In the bipolar plate arrangement, the anode plate has an anode side facing the membrane and the cathode has a cathode side facing the membrane. Both the anode plate and the cathode plate each have an opposite cooling side, the cooling sides facing each other and including the cooling flow field.

Die Dichtung hat zwei gegenüberliegende, ebene, verformbare, beispielsweise elastische, an der Anodenplatte bzw. der Kathodenplatte anliegende Oberflächen zum Abdichten des Raumes, in dem die Membran vorgesehen ist. Insbesondere weist die Dichtung eine erste ebene Oberfläche auf, die an der Anodenplatte entlang eines Randbereichs der Anodenplatte anliegt, und eine zweite, gegenüberliegende ebene Oberfläche, die an der Kathodenplatte entlang eines Randbereichs der Kathodenplatte anliegt.The gasket has two opposed, planar, deformable, for example elastic, surfaces adjacent the anode plate and the cathode plate for sealing the space in which the membrane is provided. In particular, the gasket has a first planar surface which abuts the anode plate along an edge region of the anode plate and a second, opposite planar surface which abuts against the cathode plate along an edge region of the cathode plate.

Um eine verbesserte Abdichtung zu gewährleisten, weist die Anodenplatte oder die Kathodenplatte oder beide Vorsprünge auf, die als Linienprofile entlang der Randbereiche vorgesehen sind. Diese Vorsprünge erstrecken sich abdichtend in die verformbare Oberfläche der Dichtung. Beispielsweise umgeben die Randbereiche der Anodenplatte und der Kathodenplatte die Membran und die Vorsprünge erstrecken sich entlang der die Membran abdichtend umgebenden Randbereiche im Zusammenwirken mit der Dichtung.In order to ensure an improved seal, the anode plate or the cathode plate or both projections, which are provided as line profiles along the edge regions. These projections extend sealingly in the deformable surface of the seal. For example, the edge regions of the anode plate and the cathode plate surround the membrane, and the projections extend along the edge regions sealingly surrounding the membrane in cooperation with the seal.

Bei Herstellung der Brennstoffzelle ist die Membran im Raum zwischen der Anodenplatte und der Kathodenplatte vorgesehen. Die Dichtung befindet sich zwischen dem Randbereich der Anodenplatte und dem entgegengesetzten Randbereich der Kathodenplatte, und die Anodenplatte und die Kathodenplatte werden zusammengedrückt, wodurch die Vorsprünge in die ebene, verformbare Oberfläche der Dichtung gedrückt werden. Die ebene Oberfläche der Dichtung wird dadurch verformt, da die Vorsprünge während der Montage Vertiefungen in der Oberfläche der Dichtung erzeugen.When manufacturing the fuel cell, the membrane is provided in the space between the anode plate and the cathode plate. The seal is located between the edge region of the anode plate and the opposite edge region of the cathode plate, and the anode plate and the cathode plate are compressed, whereby the projections are pressed into the flat, deformable surface of the seal. The flat surface of the gasket is deformed because the protrusions create depressions in the surface of the gasket during assembly.

Die Vorsprünge sorgen für eine langfristige abdichtende Wirkung durch die Dichtung, da sie der Dichtung das Ausdehnen und Zusammenziehen und leichte Bewegungen ohne Verlust der Dichtungsleistung ermöglichen. Im Falle von Bewegungen, Ausdehnung oder Kontraktion der Dichtung relativ zu den Vorsprüngen wird lediglich ein anderer Teil der Dichtung zusammengedrückt und verformt, beispielsweise elastisch verformt, während die Dichtwirkung aufrechterhalten wird. Darüber hinaus hat dieses Prinzip auch den Vorteil, dass eine genaue Positionierung der Dichtung relativ zur Anodenplatte und der Kathodenplatte nicht unbedingt erforderlich ist, da die Vorsprünge Vertiefungen in der verformbaren flachen Oberfläche der Dichtung verursachen egal in welchen Teil der Dichtung zwischen den Anoden- und Kathodenplatten die Vertiefungen gedrückt werden.The projections provide a long-term sealing effect through the gasket, as they allow the gasket to expand and contract and allow easy movement without sacrificing sealing performance. In the case of movements, expansion or contraction of the seal relative to the projections, only another part of the seal is compressed and deformed, for example elastically deformed, while the sealing effect is maintained. Moreover, this principle also has the advantage that accurate positioning of the gasket relative to the anode plate and the cathode plate is not necessarily required because the projections cause depressions in the deformable flat surface of the gasket, no matter in which part of the gasket between the anode and cathode plates the depressions are pressed.

Im Vergleich zu Systemen, bei denen die Dichtung Vorsprünge aufweist und diese Vorsprünge in einer Nut der Bipolarplatte untergebracht sind, hat sich das erfindungsgemäße umgekehrte Verfahren als wesentlich einfacher und langfristig zuverlässiger erwiesen, da es nicht das Risiko beinhaltet, dass ein Vorsprung nicht mehr zu einer Nut passt.Compared to systems in which the seal has projections and these projections are housed in a groove of the bipolar plate, the reverse method according to the invention has proved to be much easier and long-term reliable, since it does not involve the risk that a projection no longer to a Groove fits.

Vorteilhafterweise weisen die Vorsprünge auf der Anodenplatte eine identische erste Höhe auf. Entsprechend haben die Vorsprünge auf der Kathodenplatte eine identische zweite Höhe, die jedoch nicht mit der ersten Höhe identisch sein muss, obwohl dies typischerweise der Fall ist. Zum Beispiel haben die Vorsprünge eine Höhe H im Bereich von 0,02–0,1 mm.Advantageously, the protrusions on the anode plate have an identical first height. Correspondingly, the protrusions on the cathode plate have an identical second height, which, however, does not necessarily have to be identical to the first height, although this is typically the case. For example, the protrusions have a height H in the range of 0.02-0.1 mm.

Beispielsweise umfasst die Dichtung zwei aneinander anliegende Halbteile, wobei ein Halbteil an einem Randbereich der Anodenplatte anliegt und das andere Halbteil an einen Randbereich der Kathodenplatte anliegt. Diese Ausführungsform ist für dem Fall nützlich, wo die Membran auf einem Rahmen vorgesehen ist, der sich beispielsweise um die Membran herum erstreckt, wobei der Rahmen als ein Blatt ausgebildet ist. Das Blatt kann dann zwischen den beiden Halbteilen der Dichtung geklemmt werden, wodurch der Anodenraum auf einer Seite der Membran gegen den Kathodenraum auf der gegenüberliegenden Seite der Membran abgedichtet wird. Auf diese Weise werden die Membran, der Anodenraum und der Kathodenraum auch gegen die Umgebung abgedichtet.For example, the seal comprises two abutting half parts, wherein a half part bears against an edge region of the anode plate and the other half part bears against an edge region of the cathode plate. This embodiment is useful for the case where the diaphragm is provided on a frame which extends, for example, around the diaphragm, the frame being formed as a blade. The sheet can then be clamped between the two half-parts of the gasket, sealing the anode space on one side of the membrane against the cathode space on the opposite side of the membrane. In this way, the membrane, the anode compartment and the cathode compartment are sealed against the environment.

Vorteilhafterweise weist der Randbereich der Anodenplatte sowie der Randbereich der Kathodenplatte solche Vorsprünge auf. Während des Zusammenbaus der Brennstoffzelle wird der Vorsprung der Anodenplatte in die verformbare ebene Oberfläche auf einer Seite der Dichtung gedrückt und die Vorsprünge der Kathodenplatte werden in die verformbare ebene Oberfläche auf der gegenüberliegenden Seite der Dichtung gedrückt. Dabei wird der Raum für die Membran zwischen der Anodenplatte und der Kathodenplatte abgedichtet.Advantageously, the edge region of the anode plate and the edge region of the cathode plate on such projections. During assembly of the fuel cell, the protrusion of the anode plate is pressed into the deformable planar surface on one side of the gasket and the protrusions of the cathode plate are forced into the deformable planar surface on the opposite side of the gasket. The space for the membrane between the anode plate and the cathode plate is sealed.

In einigen Ausführungsformen weisen die Vorsprünge eine Höhe H auf und sind als Doppellinienprofil mit einem Abstand D zwischen einem ersten Linienprofil und einem zweiten Linienprofil vorgesehen. In einigen Ausführungsformen liegt das Verhältnis D:H im Bereich von 5 bis 50, gegebenenfalls 5 bis 40, beispielsweise 10 bis 40. Beispielsweise liegt der Abstand D im Bereich von 1–3 mm, wahlweise 1,5–2 mm.In some embodiments, the protrusions have a height H and are provided as a double-line profile with a distance D between a first line profile and a second line profile. In some embodiments, the ratio D: H is in the range of 5 to 50, optionally 5 to 40, for example 10 to 40. For example, the distance D is in the range of 1-3 mm, optionally 1.5-2 mm.

Gegebenenfalls sind als Sondermaßnahme gegen Leckagen an mehreren Stellen entlang der Vorsprünge Rippen vorgesehen, wobei die Rippen ein Linienprofil mit dem anderen Linienprofil verbinden und beispielsweise die gleiche Höhe H oder im wesentlichen die gleiche Höhe wie die Linienprofile aufweisen.Optionally, ribs are provided as a special measure against leaks at several points along the projections, wherein the ribs connect a line profile with the other line profile and, for example, have the same height H or substantially the same height as the line profiles.

Als Beispiel für Dimensionen weist die ebene Oberfläche der Dichtung eine Breite W über den Randbereich zur Außenkante der Brennstoffzelle hinweg auf, und diese Breite W beträgt mindestens das Dreifache, beispielsweise mindestens das Vierfache, einer Dicke T der Dichtung. Die Dicke T entspricht dem Abstand zwischen der Anodenplatte und der Kathodenplatte bei der Montage. Beispielsweise liegt die Breite W der Dichtung entlang ihrer flachen Oberfläche über dem Randbereich der Anodenplatte oder der Kathodenplatte oder beider im Bereich von 1–10 mm, wahlweise 2–4 mm. Ein Beispiel für die Dichtungsdicke T liegt im Bereich von 0,2–1 mm, beispielsweise 0,5–1 mm, wahlweise 0,6–0,8 mm. Typischerweise hat die Dichtung eine konstante Dicke T, wenn sie nicht verformt wird, beispielsweise durch die Vorsprünge.As an example of dimensions, the planar surface of the gasket has a width W across the periphery to the outer edge of the fuel cell, and this width W is at least three times, for example at least four times, a thickness T of the gasket. The thickness T corresponds to the distance between the anode plate and the cathode plate during assembly. For example, the width W of the gasket is along its flat surface over the edge area of the anode plate or the cathode plate or both in the range of 1-10 mm, optionally 2-4 mm. An example of the seal thickness T is in the range of 0.2-1 mm, for example 0.5-1 mm, optionally 0.6-0.8 mm. Typically, the gasket has a constant thickness T when not deformed, for example, by the protrusions.

Die Dichtung besteht aus einem verformbaren, beispielsweise elastischen Polymer, damit die Vorsprünge das Polymer in einen sicheren Dichtungszustand verformen. Beispielsweise besteht die Dichtung aus Fluorpolymer. Beispiele sind fluoriertes Ethylenpropylen (FEP), Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Perfluoralkoxypolymer (PFA). Fluorpolymere induzieren beispielsweise weniger Herstellungskosten als Kautschuk. Außerdem bieten sie einen hohen Grad an Langzeitstabilität, auch wenn sie sehr dünn hergestellt werden, wie in den Zeichnungen dargestellt. Silikon ist typischerweise weniger nützlich in PEM-Brennstoffzellen, da es unter den sauren Bedingungen degeneriert. The seal is made of a deformable, for example, elastic polymer, so that the projections deform the polymer into a secure sealing state. For example, the seal is made of fluoropolymer. Examples are fluorinated ethylene propylene (FEP), polytetrafluoroethylene (PTFE) or perfluoroalkoxy (PFA). For example, fluoropolymers induce less manufacturing cost than rubber. In addition, they offer a high degree of long-term stability, even if they are made very thin, as shown in the drawings. Silicone is typically less useful in PEM fuel cells because it degenerates under acidic conditions.

Ein Beispiel für die Verwendung der oben beschriebenen Prinzipien ist in Verbindung mit Hochtemperatur-Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen, auch Hochtemperatur-Protonenaustauschmembran (HTPEM) Brennstoffzellen genannt. Die Betriebstemperatur von HTPEM-Brennstoffzellen liegt im Bereich von 120 bis 200 Grad Celsius, beispielsweise im Bereich von 160 bis 170 Grad Celsius. Wiederholte thermische Zyklen zwischen dieser Betriebstemperatur und der Temperatur der Umgebung, auf die die Brennstoffzellen abgekühlt werden, wenn sie nicht in Betrieb sind, beinhaltet eine wesentliche und für die Dichtungen in Brennstoffzellen herausfordernde Temperaturschwankung.An example of the use of the principles described above is in connection with high temperature proton exchange membrane fuel cells, also called high temperature proton exchange membrane (HTPEM) fuel cells. The operating temperature of HTPEM fuel cells is in the range of 120 to 200 degrees Celsius, for example in the range of 160 to 170 degrees Celsius. Repeated thermal cycling between this operating temperature and the temperature of the environment to which the fuel cells are cooled when not in use involves a significant and variable temperature variation for the gaskets in fuel cells.

Die oben dargelegten und weiter unten erläuterten Prinzipien implizieren eine wesentliche Verbesserung hinsichtlich der Abdichtung von Brennstoffzellen während des Langzeitbetriebes, insbesondere für HTPEM-Brennstoffzellen.The principles set forth above and discussed below imply a significant improvement in the sealing of fuel cells during long-term operation, especially for HTPEM fuel cells.

Für die Anodenplatte und die Kathodenplatte, die Bipolarplatte oder die bipolare Montageplatte sind verschiedene Materialien und Herstellungsverfahren möglich. Beispielsweise werden Metallplatten, wie Stahlplatten, mit den Vorsprüngen durch eine entsprechende Presse in die richtige Form gedrückt. Alternativ werden die Platten durch Fräsen oder Formen hergestellt. Beispiele für Materialien im letzteren Fall sind Graphit, graphithaltige Polymere, Keramiken, Metalle und metallische Legierungen.For the anode plate and the cathode plate, the bipolar plate or the bipolar mounting plate, various materials and manufacturing methods are possible. For example, metal plates, such as steel plates, with the projections pressed by a corresponding press in the correct form. Alternatively, the plates are made by milling or molding. Examples of materials in the latter case are graphite, graphite-containing polymers, ceramics, metals and metallic alloys.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutertThe invention will be explained in more detail with reference to the drawing

1 illustriert ein Beispiel einer Brennstoffzellenanordnung; 1 illustrates an example of a fuel cell assembly;

2 illustriert doppelte Vorsprünge an einem Randbereich einer Kathodenplatte; 2 illustrates double protrusions on an edge portion of a cathode plate;

3 illustriert die Brennstoffzelle in a) einer explodierten Übersichtszeichnung und b) einem vergrößerten Ausschnitt. 3 illustrates the fuel cell in a) an exploded overview drawing and b) an enlarged detail.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG / BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMDETAILED DESCRIPTION / PREFERRED EMBODIMENT

1 illustriert ein Beispiel einer Protonenaustauschmembran (PEM) Die Anordnung 1 umfasst eine Anodenplatte 2 mit Brennstoffkanälen 3, um Strömung von Wasserstoff-Brennstoff auf einer ersten Seite einer Protonenaustauschmembran 4 zu lenken, und einer Kathodenplatte 5 mit Sauerstoffkanälen 6, um Luftströmung auf einer zweiten Seite der Protonenaustauschmembran 4 zu lenken. Die Anodenplatte 2 und die Kathodenplatte 5 sind Rücken-an-Rücken angeordnet mit einem mit Kanälen versehendem Kühlströmungsfeld dazwischen. Die Anodenplatte 2 bildet in Kombination mit der Kathodenplatte 5 eine Bipolarplattenanordnung 8 mit inneren Kühlkanälen 7. Zwischen zwei derartigen Bipolarplattenanordnungen 8 ist die Protonenaustauschmembran 4 vorgesehen. Die Membran 4 liegt an den beiden Bipolarplattenanordnungen 8 an und ist durch ein Verbindungsblatt 9 mit einer Dichtung 10 verbunden. Die Dichtung 10 ist wahlweise so angeordnet, dass das Verbindungblatt 9 zwischen zwei Halbteilen 10a, 10b der Dichtung 10 gehalten wird. Die Dichtung 10 umgibt die Membran 4 und liegt an den beiden Bipolarplattenanordnungen 8 an. Dadurch dichtet die Dichtung zwischen dem Volumen auf der Anodenseite der Membran 4 und dem Volumen auf der Kathodenseite der Membran 4 ab. Auch dichtet sie die Bipolarplattenanordnung 8 gegenüber der Umgebung ab. 1 illustrates an example of a proton exchange membrane (PEM) The arrangement 1 includes an anode plate 2 with fuel channels 3 to flow hydrogen fuel on a first side of a proton exchange membrane 4 to steer, and a cathode plate 5 with oxygen channels 6 to control air flow on a second side of the proton exchange membrane 4 to steer. The anode plate 2 and the cathode plate 5 are back-to-back with a channeled cooling flow field therebetween. The anode plate 2 forms in combination with the cathode plate 5 a bipolar plate assembly 8th with internal cooling channels 7 , Between two such bipolar plate assemblies 8th is the proton exchange membrane 4 intended. The membrane 4 lies on the two bipolar plate arrangements 8th and is through a connection sheet 9 with a seal 10 connected. The seal 10 is optionally arranged so that the connecting sheet 9 between two half pieces 10a . 10b the seal 10 is held. The seal 10 surrounds the membrane 4 and is due to the two bipolar plate assemblies 8th at. As a result, the seal seals between the volume on the anode side of the membrane 4 and the volume on the cathode side of the membrane 4 from. Also, it seals the bipolar plate assembly 8th from the environment.

Wie in 1, aber am deutlichsten in 2 zu erkennen ist, sind die Anodenplatte 2 und in ähnlicher Weise die Kathodenplatte 5 an ihren Randbereichen 12 mit Vorsprüngen 11 versehen. Die Vorsprünge 11 erstrecken sich als Linienprofile entlang des Randbereichs 12 und umgeben die Membran 4 zur vollständigen Abdichtung. Wie in 1 ersichtlich ist, enthält die Dichtung 10 keine Vorsprünge oder Rillen entlang des Randbereichs 12 der Bipolarplattenanordnung 8. Jedoch werden durch die Vorsprünge 11 Vertiefungen 13 in der Dichtung 10 erzeugt. Aufgrund der Vorsprünge 11, die die Vertiefung in den Dichtungen 10 bei der Montage des Brennstoffzellenstapels erzeugen, wird ein hohes Maß an Abdichtung erreicht, was auch dann beibehalten wird, wenn die Dichtungen 10 relativ zur Bipolarplattenanordnung 8 gleiten und selbst wenn die Dichtungen 10 bei Langzeitgebrauch verformt werden sollten.As in 1 but most clearly in 2 it can be seen, are the anode plate 2 and similarly the cathode plate 5 at its edge areas 12 with projections 11 Mistake. The projections 11 extend as line profiles along the edge area 12 and surround the membrane 4 for complete sealing. As in 1 can be seen, contains the seal 10 no protrusions or grooves along the edge area 12 the bipolar plate assembly 8th , However, by the projections 11 wells 13 in the seal 10 generated. Because of the projections 11 that the depression in the seals 10 produce during assembly of the fuel cell stack, a high degree of sealing is achieved, which is maintained even when the seals 10 relative to the bipolar plate assembly 8th slide and even if the seals 10 should be deformed during long-term use.

In dem Beispiel von 1 und 2 sind die Vorsprünge 11 als doppelte Linienprofile 11a, 11b um die Membran 4 herum vorgesehen. Jedoch würde auch ein einziges Linienprofil prinzipiell funktionieren. Es wurde jedoch festgestellt, dass ein Doppellinienprofil besser funktioniert. Wie in 2 gezeigt ist der Abstand D zwischen den Vorsprüngen 11a, 11b viel größer als die Höhe H der Vorsprünge. Beispielsweise liegt das Verhältnis D:H zwischen dem Abstand D und der Höhe H im Bereich von 5–50, gegebenenfalls 5–40, zum Beispiel 10–40, wahlweise 5–30, wie zum Beispiel 10–30.In the example of 1 and 2 are the tabs 11 as double line profiles 11a . 11b around the membrane 4 provided around. However, even a single line profile would work in principle. However, it was found that a Double line profile works better. As in 2 shown is the distance D between the projections 11a . 11b much larger than the height H of the projections. For example, the ratio D: H between the distance D and the height H is in the range of 5-50, optionally 5-40, for example 10-40, optionally 5-30, such as 10-30.

In einigen Ausführungsbeispielen gelten die folgenden Dimensionen. Der Abstand D liegt im Bereich von 1–3 mm, zum Beispiel 1,5–2 mm, und die Höhe H im Bereich von 0,02–0,1 mm. Die Dichtung 10 hat eine Dicke T im Bereich von 0,2–1 mm, wahlweise 0,5–1 mm. Beispielsweise besteht die Dichtung aus zwei Halbteilen 10a, 10b, von denen jedes eine Dicke im Bereich von 0,1–0,5 mm, wahlweise 0,25–0,5 mm, wahlweise 0,3–0,4 mm, aufweist und das dünne Verbindungsblatt 9 zwischen den beiden Halbteilen 10a, 10b einklemmen kann. Die Breite W der Dichtung 10 entlang ihrer flachen Oberfläche, wie in 1 dargestellt, liegt im Bereich von 1–10 mm, wahlweise 2–4 mm. Typischerweise hat die Dichtung eine konstante Dicke, wenn sie nicht verformt wird, beispielsweise durch die Vorsprünge.In some embodiments, the following dimensions apply. The distance D is in the range of 1-3 mm, for example 1.5-2 mm, and the height H in the range of 0.02-0.1 mm. The seal 10 has a thickness T in the range of 0.2-1 mm, optionally 0.5-1 mm. For example, the seal consists of two half parts 10a . 10b each having a thickness in the range of 0.1-0.5 mm, optionally 0.25-0.5 mm, optionally 0.3-0.4 mm, and the thin bonding sheet 9 between the two halves 10a . 10b can pinch. The width W of the seal 10 along its flat surface, as in 1 shown, is in the range of 1-10 mm, optionally 2-4 mm. Typically, the gasket has a constant thickness when not deformed, for example by the protrusions.

3a ist eine Übersichtszeichnung von zwei bipolaren Plattenanordnungen 8, die zwischen zwei Dichtungen 10 eingefügt sind. 3b ist ein vergrößerter Endabschnitt von 3a. Die Dichtungen 10 sowie die Bipolarplattenanordnungen 8 umfassen eine Vielzahl von Einlass- und Auslassöffnungen 14, 15 für Kühlwasser, Brenngas und Luft. In der dargestellten Zeichnung fehlt eine Dichtung 10 in der Position 16 zwischen den beiden Bipolarplattenanordnungen 8 zur besseren Darstellung der Baugruppen 8. Wie in 3b dargestellt, ist ein Teil der Oberfläche der Bipolarplattenanordnungen 8 mit Noppen 17 in dem dargestellten Bereich zu den Enden der Bipolarplattenanordnungen 8 hin versehen, während in Richtung der Mitte der Bipolarplattenanordnungen 8 Kanäle vorgesehen sind, wie es in 1, das ein Querschnitt in der Nähe der Mitte der Anordnung ist, dargestellt ist. 3a is an overview drawing of two bipolar plate assemblies 8th that between two seals 10 are inserted. 3b is an enlarged end portion of 3a , The seals 10 as well as the bipolar plate arrangements 8th include a plurality of inlet and outlet ports 14 . 15 for cooling water, fuel gas and air. In the illustrated drawing is missing a seal 10 in the position 16 between the two bipolar plate assemblies 8th for better representation of the modules 8th , As in 3b is a part of the surface of the bipolar plate assemblies 8th with pimples 17 in the illustrated area to the ends of the bipolar plate assemblies 8th towards, while toward the center of the bipolar plate assemblies 8th Channels are provided as it is in 1 , which is a cross-section near the center of the arrangement, is shown.

Wie dargestellt, sind die beiden Linienprofile 11a, 11b durch Rippen 18, die sich von einem Linienprofil 11a zu dem anderen Linienprofil 11b erstrecken, verbunden. Diese Rippen 18 sind an mehreren Stellen entlang der Vorsprünge 11 als zusätzliche Maßnahme gegen mögliche Lecks vorgesehen. Wie in dem illustrierten Beispiel gezeigt wird, treten die Rippen als Rippenpaare auf. Gegebenenfalls, ist der Abstand L entlang des Linienprofils zwischen nebeneinanderliegenden Rippenpaaren länger als der Abstand D zwischen den Linienprofilen, zum Beispiel mindestens 5 oder 10 mal länger.As shown, the two line profiles 11a . 11b by ribs 18 that differ from a line profile 11a to the other line profile 11b extend, connected. These ribs 18 are in several places along the protrusions 11 as an additional measure against possible leaks. As shown in the illustrated example, the ribs occur as pairs of ribs. Optionally, the distance L along the line profile between adjacent pairs of ribs is longer than the distance D between the line profiles, for example at least 5 or 10 times longer.

Beispielsweise besteht die Dichtung aus Fluorpolymeren, die beispielsweise weniger Herstellungskosten verursachen als Kautschuk. Auch Fluorpolymer bietet einen hohen Grad an Langzeitstabilität, auch wenn sie sehr dünn hergestellt werden, wie in den Zeichnungen dargestellt. Silikon ist in PEM-Brennstoffzellen weniger nützlich, da es unter sauren Bedingungen degeneriert.For example, the gasket is made of fluoropolymers which, for example, cause less manufacturing costs than rubber. Fluoropolymer also offers a high degree of long-term stability, even when made very thin, as shown in the drawings. Silicone is less useful in PEM fuel cells because it degenerates under acidic conditions.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 7081316 [0003] US 7081316 [0003]
US 2005/079400 [0005] US 2005/079400 [0005]
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US 8865362 [0005] US 8865362 [0005]
WO 2013/069888 [0005] WO 2013/069888 [0005]

Claims

Brennstoffzellenanordnung (1) mit einer Anodenplatte (2) und einer Kathodenplatte (5), gegebenenfalls als Bipolarplatte vorgesehen, und einer Protonenaustauschmembran (4) in einem Raum zwischen der Anodenplatte (2) Und der Kathodenplatte (5); wobei zwischen der Anodenplatte (2) und der Kathodenplatte (5) eine Dichtung (10) mit einer ebenen, verformbaren Oberfläche vorgesehen ist, wobei die Dichtung (10) den Raum abdichtet; wobei die Dichtung (10) eine erste ebene Oberfläche aufweist, die an der Anodenplatte (2) entlang eines Randbereichs (12) der Anodenplatte (2) anliegt, und eine zweite, gegenüberliegende ebene Oberfläche, die an der Kathodenplatte (5) entlang eines Randbereichs der Kathodenplatte (5) anliegt; wobei die Anodenplatte (2) oder die Kathodenplatte (5) oder beide Vorsprünge (11) aufweisen, die als Linienprofile entlang der Randbereiche (12) vorgesehen sind, wobei sich die Vorsprünge dichtend in die verformbare Oberfläche der Dichtung (10) erstrecken.Fuel cell assembly ( 1 ) with an anode plate ( 2 ) and a cathode plate ( 5 ), optionally provided as a bipolar plate, and a proton exchange membrane ( 4 ) in a space between the anode plate ( 2 ) And the cathode plate ( 5 ); between the anode plate ( 2 ) and the cathode plate ( 5 ) a seal ( 10 ) is provided with a flat, deformable surface, wherein the seal ( 10 ) seals the room; the seal ( 10 ) has a first planar surface which is attached to the anode plate ( 2 ) along an edge region ( 12 ) of the anode plate ( 2 ), and a second, opposite planar surface, which on the cathode plate ( 5 ) along an edge region of the cathode plate ( 5 ) is present; the anode plate ( 2 ) or the cathode plate ( 5 ) or both projections ( 11 ), which are used as line profiles along the edge regions ( 12 ) are provided, wherein the projections sealingly into the deformable surface of the seal ( 10 ).

Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Vorsprünge eine Höhe H im Bereich von 0,02–0,1 mm aufweisen und die Dichtung (10) eine Dicke T im Bereich von 0,2–1 mm, gegebenenfalls 0,5–1 mm, aufweist. The fuel cell assembly of claim 1, wherein the protrusions have a height H in the range of 0.02-0.1 mm and the seal (10). 10 ) has a thickness T in the range of 0.2-1 mm, optionally 0.5-1 mm.

Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 2, wobei die Vorsprünge als Doppellinienprofil (11a, 11b) mit einem Abstand D zwischen einem ersten Linienprofil (11a) und einem zweiten Linienprofil (11b) vorgesehen sind,, wobei das Verhältnis D:H im Bereich von 5 bis 50 liegt, gegebenenfalls 5 bis 40.Fuel cell assembly according to claim 2, wherein the projections as a double-line profile ( 11a . 11b ) with a distance D between a first line profile ( 11a ) and a second line profile ( 11b ), wherein the ratio D: H is in the range of 5 to 50, optionally 5 to 40.

Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 3, wobei an mehreren Stellen entlang der Vorsprünge (11) Rippen (18) als Maßnahme gegen Leckagen vorgesehen sind, wobei die Rippen das erste Linienprofil (11a) mit dem zweiten Linienprofil (11b) verbinden.Fuel cell assembly according to claim 3, wherein at several points along the projections ( 11 ) Ribs ( 18 ) are provided as a measure against leaks, wherein the ribs the first line profile ( 11a ) with the second line profile ( 11b ) connect.

Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 4, wobei die Rippen (18) als Rippenpaare auftreten mit einem Abstand L entlang des Linienprofils (11a, 11b) zwischen nebeneinanderliegenden Rippenpaaren, wobei L länger D ist, zum Beispiel mindestens 5 mal länger, gegebenenfalls mindestens 10 mal länger.Fuel cell assembly according to claim 4, wherein the ribs ( 18 ) occur as a pair of ribs with a distance L along the line profile ( 11a . 11b ) between adjacent pairs of ribs, where L is longer D, for example at least 5 times longer, optionally at least 10 times longer.

Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1–5, wobei die ebene Oberfläche der Dichtung (10) eine Breite W entlang ihrer ebenen Oberfläche über den Randbereich (12) der Anodenplatte (2) oder der Kathodenplatte (5) oder beider hat, wobei W im Bereich von 1–10 mm liegt.Fuel cell arrangement according to one of claims 1-5, wherein the flat surface of the gasket ( 10 ) has a width W along its flat surface over the edge region (FIG. 12 ) of the anode plate ( 2 ) or the cathode plate ( 5 ) or both, where W is in the range of 1-10 mm.

Brennstoffzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die wobei die Randbereiche (12) der Anodenplatte (2) und der Kathodenplatte (5) die Membran (4) umgeben und wobei die Vorsprünge (11) sich entlang der Randbereiche (12) erstrecken und die Membran abdichtend umgeben.Fuel cell assembly according to one of the preceding claims, wherein the edge regions ( 12 ) of the anode plate ( 2 ) and the cathode plate ( 5 ) the membrane ( 4 ) and wherein the projections ( 11 ) along the edge areas ( 12 ) and sealingly surrounding the membrane.

Brennstoffzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anodenplatte (2) Brennstoffkanäle umfasst, die an der einer ersten Seite der Protonenaustauschmembran (4) anliegen zur Führung von Wasserstoff an dieser ersten Seite entlang; und wobei die Kathodenplatte (5) Sauerstoffkanäle (6) umfasst, die an einer zweiten gegenüberliegenden Seite der Protonenaustauschmembran (4) anliegen zur Führung von Luft oder Sauerstoff an dieser zweiten Seite entlang.Fuel cell arrangement according to one of the preceding claims, wherein the anode plate ( 2 ) Comprises fuel passages attached to a first side of the proton exchange membrane ( 4 ) abuts for guiding hydrogen along this first side; and wherein the cathode plate ( 5 ) Oxygen channels ( 6 ) located on a second opposite side of the proton exchange membrane ( 4 ) abuts for guiding air or oxygen along this second side.

Brennstoffzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dichtung (10) zwei aneinander anliegende Halbteile (10a, 10b) aufweist, wobei ein Halbteil (10a) an einem Randbereich (12) der Anodenplatte (2) und der andere Halbteil (10b) an einem Randbereich der Kathodenplatte (5) anliegt; wobei die Membran (4) auf einem Rahmen vorgesehen ist, wobei sich der Rahmen um die Membran (4) herum erstreckt und als ein Blatt (9) ausgebildet ist; wobei zwischen den beiden Halbteilen (10a, 10b) der Dichtung (10) ein Teil des Blattes (9) eingespannt ist, der den Anodenraum auf einer Seite der Membran (4) gegen den Kathodenraum auf der gegenüberliegenden Seite der Membran (4) abdichtet. Fuel cell arrangement according to one of the preceding claims, wherein the seal ( 10 ) two adjoining half parts ( 10a . 10b ), wherein a half-part ( 10a ) at an edge area ( 12 ) of the anode plate ( 2 ) and the other half part ( 10b ) at an edge region of the cathode plate ( 5 ) is present; the membrane ( 4 ) is provided on a frame, wherein the frame around the membrane ( 4 ) and as a sheet ( 9 ) is trained; between the two half-parts ( 10a . 10b ) of the seal ( 10 ) a part of the sheet ( 9 ) is clamped, the anode space on one side of the membrane ( 4 ) against the cathode space on the opposite side of the membrane ( 4 ) seals.

Brennstoffzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Brennstoffzellenanordnung eine Anordnung von Hochtemperatur-Protonenaustauschmembran (HTPEM) Brennstoffzellen ist und wobei die Dichtung aus Fluorpolymer besteht. A fuel cell assembly according to any one of the preceding claims, wherein the fuel cell assembly is an assembly of high temperature proton exchange membrane (HTPEM) fuel cells and wherein the seal is fluoropolymer.