Dichtrahmen für Brennstoffzellenstacks Gebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft einen Dichtrahmen zum Einbau zwischen den Strömungsplatten eines Brennstoffzellenstacks mit einer alternierenden Anordnung von Strömungsplat- ten und Elektrolyteinrichtungen und mit zwischen den Strömungsplatten und Elektro- lyteinrichtungen gebildeten Kathoden-und Anodenbereichen. Der Dichtrahmen ist derart ausgebildet ist, dass er zum Einbau zwischen den Strömungsplatten geeignet ist und die wechselseitige Abdichtung der Kathodenbereiche und der Anodenbereiche gewährleistet.

Stand der Technik Als Brennstoffzellenstacks werden in der Technik gestapelte und monopolar oder bi- polar verschaltete Brennstoffzellen bezeichnet. Sie werden im Wesentlichen durch eine alternierende Anordnung von Strömungsplatten und Elektrolyteinrichtungen auf- gebaut.

Die Strömungsplatten trennen die einzelnen Brennstoffzellen und dienen der Fluidfüh- rung von zum Betrieb des Brennstoffzellenstacks benötigten und dabei entstehenden kathoden-und anodenseitigen Fluiden. Hierzu weisen die beiden Seiten jeder Strö- mungsplatte Bereiche mit Strömungskanälen auf, die in der Technik gemeinhin als Flowfields bezeichnet werden.

Bei bipolar aufgebauten Stacks ist die Strömungsplatte als Bipolarplatte ausgebildet, deren eine Seite die kathodenseitigen Strömungsbereiche und deren andere Seite die anodenseitigen Strömungsbereiche bilden.

Die Elektrolyteinrichtungen umfassen den eigentlichen Elektrolyten, beispielsweise eine Polymermembran, sowie die zu beiden Seiten jedes Elektrolyten vorgesehenen aktiven Bereiche mit Katalysatoreinrichtungen, Gasdiffusionsschichten, die dafür sor- gen, dass Fluide aus den Strömungsbereichen der benachbarten Strömungsplatten

gleichförmig den Elektrolyteinrichtungen zugeführt werden, und Elektrodeneinrichtun- gen zur Leistungsentnahme. Alle diese Elemente sind flächig ausgeführt.

Im Fall einer Membran als Elektrolyten wird in der Technik für die Elektrolyteinrichtung häufig die Bezeichnung MEA (für"Membrane Electröde Assembly") verwendet. Teil- weise können mehrere Funktionen in eine Einrichtung integriert sein. So ist bei den MEA-Einheiten eine Schicht vorgesehen, die gleichzeitig als Elektrode und als Gas- diffusionsschicht dient.

Die nur für vorbestimmte lonen nennenswert durchlässigen Elektrolyteinrichtungen zeichnen für die räumlich getrennt ablaufenden Redoxprozesse verantwortlich. Ge- mäß dem oxidierenden bzw. reduzierenden Charakter der zu beiden Seiten der Elekt- rolyteinrichtungen ablaufenden Teilreaktionen werden die Bereiche zwischen Strö- mungsplatten und Elektrolyteinrichtungen als Kathoden-bzw. Anodenbereiche (oder Kathoden-bzw. Anodenkammern) bezeichnet.

Eine wesentliche Voraussetzung für den Betrieb eines Brennstoffzellenstacks ist, dass keine Vermischung von kathoden-und anodenseitigen Fluiden auftritt.

Daher müssen die Kathoden-und Anodenbereiche bei der Fertigung des Stacks zuverlässig und dauerhaft gegeneinander abgedichtet werden.

In einigen bekannten Ausführungsformen werden Elektrolyteinrichtungen mit in etwa denselben Flächenmaßen wie die Strömungsplatten verwendet, wobei der aktive Be- reich der Elektrolyteinrichtung aber deutlich kleiner ist. Zur Abdichtung werden zwi- schen Strömungsplatten und der Elektrolyteinrichtungen Dichtungen vorgesehen, die die peripheren Bereiche der Kontaktflächen Strömungsplatten/Elektrolyteinrichtungen nach außen abdichten sollen, dabei aber die aktiven Bereiche aussparen.

In anderen Ausführungsformen wird im wesentliche die gesamte Fläche der Elektro- lyteinrichtungen als aktiver Bereich genutzt. MEA Einrichtungen dieser Art werden in der Technik häufig als"flush cut MEA"bezeichnet. Dementsprechend haben die E- lektrolyteinrichtungen eine deutlich kleinere Flächenausdehnung wie die Strömungs- platten. Zur Abdichtung werden an die Elektrolyteinrichtungen diese peripher umge- bende Dichtungen angebracht, beispielsweise durch Anschweißen oder Ankleben

einer Polymerfolie. Diese Kombinationen aus Elektrolyteinrichtung und peripher ange- brachter Dichtung werden i. d. R. vorgefertigt.

Bei allen diesen Ausführungen sollen die Dichtungen ein unerwünschtes seitliches Austreten von Fluiden aus den jeweiligen Kathoden-oder Anodenkammern verhin- dern. Hierzu müssen sie beim Zusammenbau des Stacks präzise positioniert werden, was wegen ihrer geringen Formstabilität äußerste Sorgfalt erfordert und somit einen nicht unbeträchtlichen Anteil am Fertigungsaufwand bedingt.

Aber auch bei anfänglicher Dichtigkeit kann es im Lauf der Zeit wegen Ermüdens und/oder Fließverhalten bei den herkömmlichen Arten der Abdichtung zu Undichtig- keiten kommen.

Eine weitere Quelle für Undichtigkeiten besteht darin, dass die Flowfields der Strö- mungsplatten zum Zwecke der Fluidzufuhr und-abfuhr vielfach Kanäle aufweisen, die die Seitenbereiche der Platten durchstoßen. Dadurch wird in diesen Bereichen vorge- sehenes Dichtungsmaterial beim Zusammenbau des Brennstoffzellenstacks unter- schiedlich stark komprimiert, was ebenfalls zu Undichtigkeiten führen kann.

Beschreibung der Erfindung Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die mit der Abdichtung von Brennstoffzellenstacks verbunden Schwierigkeiten zu beseitigen.

Ein besonderer Aspekt der Erfindung besteht weiterhin darin, den Zusammenbau ei- nes Brennstoffzellenstacks zu vereinfachen.

Diese Aufgaben werden durch den in Anspruch 1 definierten erfindungsgemäßen Dichtrahmen gelöst.

Der erfindungsgemäße Dichtrahmen ist zum Einbau zwischen den Strömungsplatten eines Brennstoffzellenstacks vorgesehen und ist derart ausgebildet ist, dass er die wechselseitige Abdichtung der Kathodenbereiche und der Anodenbereiche des Stacks gewährleistet.

In vorteilhafter Weiterbildung sind die Außenabmessungen des Dichtrahmens denje- nigen der Strömungsplatten angepasst, während die Innenanmessungen, d. h. die Abmessungen der Aussparung des Rahmens, an die aktiven Bereiche der Elektrolyt- einrichtungen angepasst sind.

Im Unterschied zu Dichtmaterial, das herkömmlicherweise zur Abdichtung bei Brennstoffzellenstacks verwendet wird, ist der erfindungsgemäße Dichtrahmen formstabil und selbstragend, so dass er einfacher handhabbar ist. Die für die Fertigstellung des Stacks erforderliche Präzision wird dadurch leichter erreichbar, als dies beispielsweise bei weichem, flexiblen Dichtmaterial der Fall ist. Weder der Zusammenbau des Stacks, noch der Betrieb der fertigen Brennstoffzellenvorrichtung führen zu nennenswerten Änderungen in Form und/oder Abmessungen des Rahmens.

Dadurch eignet sich der Rahmen beispielsweise zur Stützung herkömmlichen Dicht- materials und kann insbesondere vorteilhaft als Trägermaterial für solche Dichtungen verwendet werden, wodurch Formänderungen der Dichtung verhindert werden.

Die Dichtungen können vor der eigentlichen Montage des Stacks mit den Dichtrah- men verbunden werden, so dass diese vorgefertigten formstabilen Kombinationen beim Zusammenbau des Stacks verwendet werden können.

Bei Verwendung geeigneter Materialien kann die Dicke des Dichtrahmens so gering ausfallen, dass sein Beitrag zur Gesamthöhe des Stacks im Vergleich zur Ausführung ohne Verwendung des Rahmens nicht ins Gewicht fällt.

Um den Stack funktionell möglichst wenig zu beeinträchtigen, werden die Innenab- messungen des Rahmens vorteilhafterweise dem Umriss des aktiven Bereichs der Elektrolyteinrichtung angepasst. Vorzugsweise besitzt der Dichtrahmen daher im We- sentlichen dieselben (d. h. allenfalls geringfügig abweichende) Außenabmessungen wie die Strömungsplatten, und die Aussparung eine Abmessung, deren Abmessungen im Wesentlichen denen des aktiven Bereichs der Elektrolyteinrichtung des Brennstoff- zellenstacks entsprechen.

In einer besonders bevorzugten Weiterbildung umfasst der Dichtrahmen ein Dichtungsmaterial zur Abdichtung von Kontaktflächen zwischen Strömungsplatten und/oder zwischen Strömungsplatte und Elektrolyteinrichtung.

Sowohl bei integraler Ausbildung von Dichtrahmen und Dichtung, beispielsweise bei Ausführung des Dichtrahmens als Metalidichtung, als auch mit den oben erwähnten vorgefertigten Kombinationen von Dichtrahmen mit aufgebrachter Dichtung kann der Herstellungsprozess des Brennstoffzellenstacks deutlich vereinfacht werden.

Im erster Fall können anstelle der Metalldichtungen auch Kunststoffe und Verbund- werkstoffe verwendet werden, die gegebenenfalls zur Erfüllung die Stabilitätsanforde- rungen verstärkt sein können. Im zweiten Fall kann der Dichtrahmen je nach Bedarf ein-oder beidseitig mit Dichtungsmaterial beschichtet sein.

Auch Kombinationen dieser beiden Weiterbildungen können von Vorteil sein, wenn beispielsweise eine Art von Dichtungsmaterial erwünschte Formstabiliätseigenschaf- ten aufweist, während andere Arten besser zur Ausbildung von dauerhaften Verbin- dungen mit kontaktierenden Bereichen der Strömungsplatte oder der Elektrolyteinrich- tung sind.

In einer bevorzugten Weiterbildung umfasst der erfindungsgemäße Dichtrahmen Aus- sparungen für Montageeinrichtungen und/oder Fluidzufuhr-bzw. Fluidabfuhreinrich- tungen. Dies führt zu einer weiteren Vereinfachung des Montagevorgangs, da da- durch der zusätzliche Aufwand vermieden wird, der damit verbunden ist, solche Aus- sparungen für notwendige Durchführungen bei oder nach dem Zusammensetzen des Stacks einzubringen.

Vielfach werden Elektrolyteinrichtungen durch dünne Membranen ausgebildet, die ebenfalls eine nur geringe Eigenstabilität aufweisen. In solchen Fällen kann es vorteil- haft sein, fluiddicht miteinander verbundene Kombinationen aus Dichtrahmen und E- lektrolyteinrichtung vorzufertigen, die sich beim Zusammenbau des Stacks ebenfalls wesentlich leichter handhaben lassen als die Elektrolyteinrichtung für sich allein. Die- se Weiterbildung umfasst natürlich auch vorgefertigte Kombinationen des erfindungs- gemäßen Dichtrahmens mit Elektrolyteinrichtungen und diese peripher umgebenden Dichtungen.

In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung stellt die Erfindung vorgefertigte fluiddich- te Kombinationen von Strömungsplatte und Dichtrahmen bereit.

Diese Kombinationen können aus je einer Strömungsplatte und einem Dichtrahmen bestehen. Alternativ können beide Seiten einer Strömungsplatte mit dichtend ange- brachten Dichtrahmen versehen sein. In beiden Fällen kann der Montageprozess beim Zusammensetzen des Brennstoffzellenstacks deutlich vereinfacht werden.

Die grundlegenden Prinzipien und weitere Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgend beschriebenen Figuren deutlich.

Es zeigen : Fig. 1 : eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstacks ; Fig. 2 : eine perspektivische Explosionsdarstellung eines vergrößerten Ausschnitts des Brennstoffzellenstacks ; Fig. 3 : eine Schnittansicht zur Veranschaulichung einer mögliche Quelle für Undichtigkeiten bei herkömmlichen Stacks ; Fig. 4 : die Ober-und Unterseite einer als Bipolarplatte ausgebildeten Strömungsplatte mit den entsprechenden kathoden-und anodenseitigen Flowfields ; Fig. 5 : einen erfindungsgemäßen Dichtrahmen für den in Fig. 4 gezeigten Typ von Bipolarplatten ; Fig. 6 : die Verwendung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform zur Vermeidung der in Fig. 3 gezeigten Undichtigkeiten ; Fig. 7 : die Verwendung von weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsformen zur Vermeidung der in Fig. 3 gezeigten Undichtigkeiten.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstacks 1, der eine alternierende Stapelung von Bipolarplatten 10 und flächigen oder plattenförmigen E- lektrolyteinrichtungen 20 umfasst. Die Elektrolyteinrichtungen umfassen Katalysato- ren, Elektroden und Gasdiffusionsschichten, die im Einzelnen der besseren Übersicht- lichkeit halber nicht abgebildet sind.

Die zwischen den Bipolarplatten 10 und den Elektrolyteinrichtungen 20 liegenden Be- reiche werden als Kathoden-und Anodenbereiche oder-kammern bezeichnet. Ein wesentliches Kriterium für das Design von Brennstoffzellenstacks besteht stets darin, zu vermeiden, dass Kathodenfluide ungewollt in eine Anodenkammer gelangen kön- nen, und ebenso umgekehrt zu vermeiden, dass Anodenfluide ungewollt in eine Ka- thodenkammer gelangen können. Aus diesem Grund werden die Fluide häufig an un- terschiedlichen Seiten des Stacks zu-/abgeführt. Mit der möglichen Ausnahme von für die Zu-bzw. Abfuhr von Fluiden vorgesehenen seitlichen Durchführungen oder Vertie- fungen müssen die Kathoden-und Anodenkammern seitlich fluiddicht abgedichtet werden.

Um dies zu veranschaulichen, zeigt Fig. 2 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines vergrößerten Ausschnitts des Brennstoffzellenstacks. Zwischen einer Elektrolyt- einrichtung 20 und einer Bipolarplatte 10 ist eine umlaufende Dichtung 30 vorgese- hen, die in der gezeigten Konfiguration die seitlichen linken und rechten Kontaktflä- chen zwischen Elektrolyteinrichtung 20 und Bipolarplatte 10 vollständig abdichtet. Im Inneren spart die Dichtung 30 einen Bereich aus, der flächenmäßig etwa den auf der Ober-und Unterseite der Elektrolyteinrichtung 20 angebrachten Elektroden 21 ent- spricht. Die Oberseite der skizzierten Bipolarplatte 10 weist eine Vielzahl von durch- gehenden parallelen Vertiefungen 11 auf, die der Zu-und Abfuhr eines kathodenseiti- gen (oder anodenseitigen) Fluids dienen. Ähnliche Vertiefungen sind auch an der Un- terseite der Bipolarplatte 10 vorgesehen (in Fig. 2 nicht gezeigt, vgl. hierzu Fig. 4), wo sie entsprechend der Zu-und Abfuhr eines anodenseitigen (oder kathodenseitigen) Fluids dienen.

Die seitliche Abdichtung der (Anoden-und Kathoden-)"Kammern", d. h. der Bereiche zwischen Bipolarplatte 10 und Elektrolyteinrichtung 20, stellt ein Problem dar, dass in der Technik nur ungenügend oder mit hohem Aufwand bewältigt wird. Die Quellen solcher Undichtigkeiten sind vielfältig : unterschiedliche Temperaturen bei Montage

und Betrieb, Alterungsprozesse (verstärkt durch wiederholtes Aufwärmen und Abküh- len), Fließen, etc. tragen genauso zu Undichtigkeiten bei wie uneinheitliche Spaltbrei- ten zwischen abzudichtenden Flächen.

Fig. 3 ist eine Schnittansicht zur Veranschaulichung einer mögliche Quelle für Undichtigkeiten bei auf herkömmliche Weise, d. h. ohne Dichtrahmenrahmen, aufgebauten Stacks.

Die Zeichnung zeigt ein Paar Bipolarplatten 10 mit einer sandwichartig eingelagerten Elektrolyteinrichtung 20, die im vorliegenden Fall durch eine dünne und verhältnismä- ßig leicht verformbare Membran gebildet wird. Zwischen jeder Bipolarplatte 10 und der Elektrolyteinrichtung 20 ist jeweils eine Dichtung 30 vorgesehen.

Die Oberseite der illustrierten Bipolarplatten 10 weist jeweils die Seitenbereiche durchstoßende Kanäle 11 auf, die durch die angrenzende Dichtung 30 überbrückt werden. Dabei besteht die Tendenz, dass Dichtungsmaterial etwas in die Kanäle 11 eindringt, was mehrere negative Folgen haben kann : So werden einerseits die Strömungsverhältnisse in den Kanälen 11 durch die teilwei- se Querschnittsverengung verändert. Schlimmstenfalls können die Kanäle ganz blo- ckiert werden (die Zeichnung ist nicht maßstäblich). Andererseits können die Memb- ran 20 und die mit der flachen Unterseite der oberen Bipolarplatte 10 verbundene o- bere Dichtung 30 wie die untere Dichtung 30 nachgeben, so dass sich eine undichte Stelle u zum unteren Flowfield der oberen Bipolarplatte 10 ergibt. An diesen Stellen kann ein Fluidaustausch zwischen Anoden-und Kathodenkammern auftreten, was den Betrieb der Brennstoffzelle beeinträchtigt oder ganz unmöglich macht.

Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, stellt die Erfindung einen Dichtrahmen 50 bereit, der die oben beschriebenen Dichtungen ersetzt oder als Träger-und Stützma- terial für diese Dichtungen dient und dadurch deren Tendenz zu zeitlichen und/oder örtlichen Änderungen verringert.

Fig. 5 zeigt einen derartigen Dichtrahmen 50, der zur Verwendung mit der in Fig. 4 in oberer und unterer Ansicht gezeigten Bipolarplatte ausgebildet ist.

Eine Seite der in Figur 4 gezeigten Bipolarplatte weist die schon in den Figuren 2 und 3 angedeuteten durchgehenden parallelen Längskanäle auf (linkes Teilbild). Die Flu- idzufuhr bzw.-abfuhr erfolgt direkt an den Enden dieser Kanäle, d. h an der Stirn-bzw.

Rückseite des Stacks.

Die andere Seite der Bipolarplatte hat nur einen durchgehenden, aber dafür mäan- dernden Kanal, dessen längere Teilabschnitte im wesentlichen ebenfalls parallel zu- einander und senkrecht zu den oben beschriebenen Kanälen sind. Zur Fluidzufuhr bzw. -abfuhr sind hierzu in jeder Bipolarplatte zwei Bohrungen vorgesehen, die mit den Enden des mäandernden Kanals in Verbindung stehen und die in der vorliegen- den Ausführung eine ovale Form aufweisen.

Ferner weisen die Bipolarplatten in dieser Ausführungsform vier weitere, kreisförmige Bohrungen auf, die zur Montage des Brennstoffzellenstacks dienen.

Die für diesen Typ Bipolarplatte vorgesehenen Dichtrahmen 50 weisen im wesentli- chen den gleichen Umriss wie die Bipolarplatte auf und sind mit Aussparungen verse- hen, die den obengenannten Bohrungen durch die Bipolarplatten entsprechen. Der Dichtrahmen hat eine (im vorliegenden Fall rechteckige) mittige Aussparung, dessen Innenabmessungen entsprechend den Elektrodenflächen dimensioniert sind. Sie ent- sprechen ferner in etwa der Größe des im rechten Teilbild von Fig. 4 abgebildeten Flowfields.

Die die Flowfields umgebenden Seitenbereiche der Bipolarplatte sind eben, sieht man einmal von den Unterbrechungen durch die oben beschriebenen Bohrungen und den die Seitenbereiche durchstoßenden Kanälen (linkes Teilbild von Fig. 4) ab. An diesen Stellen können bei herkömmlicher Bauweise-ohne den erfindungsgemäßen Dicht- rahmen 50-die im Zusammenhang mit Fig. 3 diskutierten Probleme auftreten.

Zum Aufbau eines Brennstoffzellenstacks unter Zuhilfenahme des erfindungsgemä- ßen Rahmens sind eine Vielzahl von Anordnungen möglich, von denen zwei in den Figuren 6 und 7 veranschaulicht sind.

In Fig. 6 werden im Vergleich zu Fig. 3 die dort direkt zwischen Bipolarplatte 10 und Elektrolyteinrichtung 20 vorgesehenen Dichtungen 30 jeweils durch eine Dichtrah-

men-Dichtung-Kombination 51 ersetzt, die aus einem Dichtrahmen 50 besteht, der beidseitig mit Dichtungsmaterial 31 beschichtet ist. Der Dichtrahmen 50 kann bei- spielsweise aus Metall sein und dadurch den auf ihm vorgesehenen Dichtungen 31 Formstabilität verleihen, was sowohl für den Zusammenbau des Stacks (bessere Handhabbarkeit, geringere Empfindlichkeit) als auch für den zusammengebauten Stack (Dichtigkeit, Stabilität) von Vorteil ist.

Den Einsatz einer besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dichtrahmens 50 zeigt Fig. 7 : Hier wird der Rahmen aus einem Material hergestellt, das selbst dichtende Eigen- schaften aufweist, so dass an der Grenzfläche zwischen Rahmen 50 und unterer Bi- polarplatte 10 keine zusätzlichen Dichtmaterialien aufgebracht werden müssen. An die Oberseite des Rahmens schließt sich die Elektrolyteinrichtung 20 an, die im vor- liegenden Fall aus einer Membran gebildet wird, die ebenfalls dichtende Eigenschaf- ten aufweist.

Somit wird weder für die Grenzfläche zwischen Rahmen 50 und Elektrolyteinrichtung 20, noch für die Grenzfläche zwischen Elektrolyteinrichtung 20 und Bipolarplatte 10 eine separate Dichtung benötigt.

In der in Fig. 7 vorliegenden Ausführungsform wird ein besonders einfacher Zusammenbau eines Brennstoffzellenstacks dadurch ermöglicht, dass der Dichtrahmen 50 und die Elektrolytmembran der Elektrolyteinrichtung 20 als kombinierte Einheit 52 vorgefertigt werden.

Ähnliche Vorteile können mit anderen vorgefertigten Kombinationen erzielt werden, beispielsweise durch dichtend vorgefertigte Bipolarplatte-Dichtrahmen- Kombinationen.

Der erfindungsgemäße Dichtrahmen trägt in allen durch die Patentansprüche gedeck- ten Ausführungen bei, eine einfachere und zuverlässigere Montage von Brennstoffzel- lenstacks zu gewährleisten. Gegenüber herkömmlichen Abdichtungen wird durch die alternative oder zusätzliche Verwendung des Dichtrahmens eine bessere wechselsei- tige Abdichtung der Kathoden-und Anodenbereiche eines Stacks erzielt.