EP4532169A2 - Elektrochemische vorrichtung und verfahren zum erzeugen eines dichtelements an einer gasdiffusionslage einer elektrochemischen einheit - Google Patents

Elektrochemische vorrichtung und verfahren zum erzeugen eines dichtelements an einer gasdiffusionslage einer elektrochemischen einheit

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EP4532169A2
EP4532169A2 EP23724321.7A EP23724321A EP4532169A2 EP 4532169 A2 EP4532169 A2 EP 4532169A2 EP 23724321 A EP23724321 A EP 23724321A EP 4532169 A2 EP4532169 A2 EP 4532169A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
diffusion layer
gas diffusion
sealing
electrochemical device
channel
Prior art date
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Pending
Application number
EP23724321.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen KRAFT
Oliver Fink
Gerhard Schuller
Manuel Morcos
Michael Götz
Peter Stahl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ekpo Fuel Cell Technologies GmbH
Original Assignee
Ekpo Fuel Cell Technologies GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Ekpo Fuel Cell Technologies GmbH filed Critical Ekpo Fuel Cell Technologies GmbH
Publication of EP4532169A2 publication Critical patent/EP4532169A2/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes

Definitions

  • an outer edge of the electrochemically active surface of the membrane-electrode arrangement is offset inwards, that is towards the center of the flow field, whereby the maximum distance from the outermost channel of the coolant flow field through which the coolant flows is reduced.
  • the sealing arrangement is preferably widened in the areas in which it crosses the connecting channels through which a coolant does not flow during operation of the electrochemical device.
  • the inner edge of the sealing arrangement can be formed on a sealing element of the sealing arrangement, which is cohesively connected to a gas diffusion layer of the electrochemical unit in question.
  • the sealing element is preferably formed from an elastomeric material.
  • the elastomer material of the sealing element penetrates a connection area of the gas diffusion layer.
  • the sealing projection can be locally interrupted.
  • the sealing projection can comprise a plurality of sections which are spaced apart from one another along the circumferential direction of the base body.
  • the overspraying of the gas diffusion layer with a passivation layer made of elastomeric material on an area of the gas diffusion layer that is otherwise subject to high thermal stress ensures local reaction inactivity and thus a desired reduction in the thermal stress on the gas diffusion layer, which increases the durability of the electrochemical device during operation.
  • the elastomer material is injected onto the gas diffusion layer in a cavity of an injection molding tool.
  • a connection area of the sealing element formed from the elastomeric material is created, in which porous material of the gas diffusion layer is at least partially penetrated by the elastomeric material.
  • the elastomer material can only penetrate poorly or not at all into the gas diffusion layer, which results in a poor, undefined connection between the gas diffusion layer and the elastomer material.
  • elastomer material contamination can form during such an overmolding process, which can endanger the later function of the electrochemical cell containing the overmolded gas diffusion layer and thus the later function of the electrochemical device.
  • Such a deformation limiting element can be designed, for example, as a hold-down device.
  • the deformation limiting element for example in the form of a hold-down device, ensures that during the injection process the elastomer material introduced into the cavity of the injection molding tool preferably reaches the side of the gas diffusion layer facing away from the membrane-electrode arrangement during operation of the electrochemical device.
  • the injection molding tool comprises at least one push-off tool part which has a push-off projection for pressing the gas diffusion layer during the injection molding process
  • the deformation limiting elements which are used in the area of the sealing projection are preferably spaced from the push-off projection of the push-off tool part.
  • the above-mentioned recesses are formed in the area of the sealing projection, which are preferably designed as passage openings in the sealing projection of the sealing element that extend through the sealing element.
  • the geometry and position of the deformation limiting elements are selected so that a required minimum binding force is maintained.
  • an inner edge of the cathode-side sealing element which borders the sealing element towards the center of the cathode-side gas diffusion layer, is moved further inwards, that is towards the center of the gas diffusion layer, than the inner edge of the anode-side sealing element.
  • the gas diffusion layer is essentially completely penetrated by the elastomeric material in the areas in which it is in contact with the deformation limiting elements, because this also electrochemically deactivates the areas of the gas diffusion layer that are in contact with the deformation limiting elements, for example hold-down devices become.
  • the areas of the gas diffusion layer that are in contact with the deformation limiting elements are only partially or not at all penetrated by the elastomer material. This results in the areas of the gas diffusion layer that are in contact with the deformation limiting elements being partially electrochemically activated or completely electrochemically activated.
  • These local height reductions serve to be able to produce a sufficiently high and easily produced sealing projection without increasing the local total height of an electrochemical cell (along the stacking direction). These local height reductions can also be carried out in an area adjacent to the area of the sealing projection to take assembly tolerances into account.
  • the size, shape, number, position and/or distance between the deformation limiting elements is preferably chosen so that there is an advantageous compromise between preventing the deformation of the gas diffusion layer on the one hand and a sufficient degree of filling of the cavity of the injection molding tool in the area of the sealing projection with the elastomeric material on the other hand.
  • the medium that flows through the connecting channel during operation of the electrochemical device is preferably an anode gas (fuel gas, in particular containing hydrogen) or a cathode gas (oxidizing agent, in particular containing oxygen) of the electrochemical device.
  • an outer edge of a cathode-side electrochemically active surface of the membrane-electrode arrangement faces inward, that is to say, relative to an outer edge of an anode-side electrochemically active surface of the membrane-electrode arrangement towards the center of the flow field.
  • the present invention further relates to a method for producing a sealing element on a gas diffusion layer of an electrochemical unit, the method comprising the following:
  • the sealing element comprises a sealing projection which projects from a base body of the sealing element in a projection direction pointing into an interior of the sealing element, wherein the sealing projection extends along the circumferential direction of the base body of the sealing element only over a part of the circumference of the base body of the sealing element.
  • the porous material of the gas diffusion layer is pressed to such an extent that the elastomer material introduced into the cavity of the injection molding tool does not penetrate the area of the gas diffusion layer lying between the pressing projections or only penetrates it to a very small extent, so that the central area of the gas diffusion layer surrounded by the pressing projections, i.e the part of the gas diffusion layer used in the electrochemical device for supplying cathode gas or anode gas to the membrane-electrode arrangement is only penetrated minimally.
  • Known push-off projections of injection molding tools have rectangular cross-sections that are easy to manufacture and are preferably designed to be mirror-symmetrical in relation to a plane aligned perpendicular to the stacking direction.
  • the contact surface of the push-off projection only has small changes in direction on the scale of the pore size of the gas diffusion layer.
  • the change in height of the contact surface of the push-off projection is preferably no more than approximately one pore size over the length of half a pore size.
  • the tangent on the contact surface of the push-off projection is therefore inclined relative to a plane perpendicular to the stacking direction (for example one of the main planes of the uncompressed gas diffusion layer) by an angle ⁇ of less than 60°, particularly preferably of less than 45°.
  • the push-off projection is completely eliminated on one side of the gas diffusion layer.
  • This is preferably the side of the gas diffusion layer that is provided with a microporous layer (MPL), with a catalyst layer and/or with a membrane or with a complete membrane-electrode arrangement.
  • MPL microporous layer
  • Fig. 1 is a perspective view of a section of a fuel cell stack of a fuel cell device in the area of a connecting channel, which connects a medium channel and a flow field of the fuel cell device, with two fuel cell units following one another in a stacking direction of the fuel cell stack of the fuel cell stack and a third bipolar plate lying above the two fuel cell units Fuel cell unit are shown;
  • 1 to 6 designated as a whole by 100, for example a fuel cell device 102 or an electrolyzer, comprises a stack 104 of electrochemical units 106, for example fuel cell units 108 or electrolyzer units, the stack 104 having several in one stacking direction 110 successive electrochemical units 106 and a clamping device (not shown) for applying a clamping force directed along the stacking direction 110 to the electrochemical units 106.
  • the bipolar plate 112 has a plurality of medium passage openings 120, through which a fluid medium to be supplied to the electrochemical device 100 (in the case of a fuel cell stack, for example a fuel gas or anode gas, an oxidizing agent or cathode gas or a coolant) can pass through the bipolar plate 112.
  • a fluid medium to be supplied to the electrochemical device 100 in the case of a fuel cell stack, for example a fuel gas or anode gas, an oxidizing agent or cathode gas or a coolant
  • the medium passage openings 120 of the bipolar plates 112 successive in the stack 104 and the spaces lying between the medium passage openings 120 in the stacking direction 110 together each form a medium channel 122.
  • the anode gas medium channel 126 is in fluid communication with a flow field 138 for the anode gas via an anode gas connection channel 136, which is formed by a gap between the first bipolar plate layer 130 and the second bipolar plate layer 132 in which only one edge channel 140 is shown.
  • This edge channel 140 forms the outermost channel of the flow field 138, is open to the membrane-electrode arrangement 114 and is delimited on its outer side facing the medium channel 122 by an edge web 142, which lies sealingly against the membrane-electrode arrangement 114.
  • the cathode-side inner edge 156 of the sealing arrangement 150 lies on the side of the coolant channel 148 facing the medium channel 122. Furthermore, it is favorable if the cathode-side inner edge 156 of the sealing arrangement 150 lies in the area of the edge channel 140.
  • the cathode-side inner edge 156 of the sealing arrangement 150 can, however, lie on the side of the edge webs 142 facing the respective medium channel 122, whereby the available electrochemically active surface of the membrane electrode arrangements 114 in the areas is enlarged outside the connecting channels 128 for anode gas and cathode gas.
  • the cathode-side inner edge 156 of the sealing arrangement 150 is provided on a sealing projection 172 of the second sealing element 164, the sealing projection 172 being in the area of a connecting channel 128 of a base body 174 of the second sealing element 164 protrudes in a projection direction 176 facing away from the medium channel (see FIGS. 5 and 6).
  • the sealing projection 172 extends along the circumferential direction of the base body 174 of the first sealing element 162 only over a part of the circumference of the base body 174 of the first sealing element 162, preferably over less than 50% of the circumference of the base body 174 of the first sealing element 162, particularly preferably over less than 25% of the circumference of the base body 174 of the first sealing element 162.
  • the sealing arrangement 150 is provided with a plurality of recesses 182 in the at least one area outside the connecting channel 128 and thus outside the sealing projection 172, which are along the circumferential direction 134 of the seal assembly 150 are spaced apart from one another and are arranged on the inner edge 155 of the seal assembly 150, as shown in FIG.
  • the deformation limiting elements 184 have a circular section-shaped, in particular semicircular, cross section - taken perpendicular to the thickness direction 200 of the gas diffusion layer 116, 118.
  • the sealing projection forms a passivation layer made of an elastomeric material, which is preferably molded onto a gas diffusion layer 116, 118 together with at least one sealing lip 212 of the sealing arrangement 150.
  • the angle of inclination a or a' is smaller than 60°, particularly preferably smaller than 45°.
  • the contact element 238 can have one or more support lips 244.

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Abstract

Um eine elektrochemische Vorrichtung, umfassend einen Stapel aus mehreren, längs einer Stapelrichtung aufeinanderfolgenden elektrochemischen Einheiten, die jeweils eine elektrochemisch aktive Membran-Elektroden-Anordnung, eine Bipolarplatte und eine Dichtungsanordnung umfassen, mindestens einen Mediumkanal, mindestens ein Strömungsfeld, durch welches ein Medium von dem Mediumkanal zu einem anderen Mediumkanal strömen kann, und mindestens einen Verbindungskanal, durch welchen das Strömungsfeld und der Mediumkanal in Fluidverbindung miteinander stehen, wobei der Verbindungskanal einen Randsteg umfasst, welcher von dem Medium aus dem Mediumkanal durchströmt wird, wobei ein von dem Innenraum des Randstegs durch eine Fügelinie getrennter Kühlmittelkanal von einem Kühlmittel durchströmt wird, wobei das Strömungsfeld einen Randkanal umfasst, welcher zwischen dem Randsteg und dem Kühlmittelkanal angeordnet ist und von dem Medium aus dem Mediumkanal durchströmt wird, und wobei die Dichtungsanordnung sich um das Strömungsfeld herum erstreckt und einen inneren Rand aufweist, welcher eine kathodenseitige elektrochemisch aktive Fläche oder eine anodenseitige elektrochemisch aktive Fläche der Membran-Elektroden-Anordnung berandet, zu schaffen, bei welcher eine lokale Temperaturerhöhung im Bereich eines Randstegs zu reduzieren, wird vorgeschlagen, dass der innere Rand der Dichtungsanordnung auf der dem Mediumkanal abgewandten Seite des Randstegs liegt.

Description

Elektrochemische Vorrichtung und Verfahren zum Erzeugen eines Dichtelements an einer Gasdiffusionslage einer elektrochemischen Einheit
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Vorrichtung, welche einen Stapel aus mehreren, längs einer Stapelrichtung aufeinanderfolgenden elektrochemischen Einheiten, die jeweils eine elektrochemisch aktive Membran-Elektroden-Anordnung, eine Bipolarplatte und eine Dichtungsanordnung umfassen, mindestens einen Mediumkanal, der sich längs der Stapelrichtung durch mehrere der elektrochemischen Einheiten hindurch erstreckt, mindestens ein Strömungsfeld, durch welches ein Medium aus dem Mediumkanal quer zu der Stapelrichtung von dem Mediumkanal zu einem anderen Mediumkanal strömen kann, und mindestens einen Verbindungskanal, durch welchen das Strömungsfeld und der Mediumkanal in Fluidverbindung miteinander stehen, umfasst, wobei der Verbindungskanal einen Randsteg umfasst, welcher im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung von dem Medium aus dem Mediumkanal durchströmt wird, wobei ein von dem Innenraum des Randstegs durch eine Fügelinie getrennter Kühlmittelkanal im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung von einem Kühlmittel durchströmt wird, wobei das Strömungsfeld einen Randkanal umfasst, welcher zwischen dem Randsteg und dem Kühlmittelkanal angeordnet ist und im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung von dem Medium aus dem Mediumkanal durchströmt wird, und wobei die Dichtungsanordnung sich längs der Umfangsrichtung des Strömungsfeldes um das Strömungsfeld herum erstreckt und einen inneren Rand aufweist, welcher eine kathodenseitige elektrochemisch aktive Fläche oder eine anodenseitige elektrochemisch aktive Fläche der Membran-Elektroden- Anordnung berandet. Eine solche elektrochemische Vorrichtung kann insbesondere als eine Brennstoffzellenvorrichtung oder als eine Elektrolysevorrichtung ausgebildet sein.
Wenn der Verbindungskanal, durch welchen ein Strömungsfeld und ein Mediumkanal in Fluidverbindung miteinander stehen, im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung nicht von einem Kühlmittel durchströmt wird, sondern von einem anderen Gas, beispielsweise von einem Anodengas oder von einem Kathodengas der elektrochemischen Vorrichtung, trägt das den Randsteg durchströmende fluide Medium nichts zur Kühlung der dem Randsteg benachbarten Bereiche der Membran-Elektroden-Anordnung bei. Die elektrochemische Aktivität ist in diesen Bereichen der Membran-Elektroden-Anordnung aber nicht geringer als in anderen Bereichen der Membran-Elektroden-Anordnung, insbesondere nicht geringer als in anderen Bereichen der Membran-Elektroden-Anordnung, welche benachbart zu einem Randsteg angeordnet sind, der einen Teil eines Kühlmittel-Verbindungskanals bildet.
Aufgrund der größeren Entfernung zum ersten kühlmittelführenden Kanal des Kühlmittel-Strömungsfeldes (entsprechend dem ersten Steg innerhalb des angrenzenden Gas-Strömungsfelds), tritt im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung in einem Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung, weicher einem kein Kühlmittel führenden Randsteg benachbart ist, eine lokal höhere Temperatur auf.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrochemische Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher eine lokale Temperaturerhöhung aufgrund von mangelnder Kühlung im Bereich eines Randstegs eines Verbindungskanals, der nicht von einem Kühlmittel durchströmt wird, vermieden oder zumindest reduziert wird. Diese Aufgabe wird bei einer elektrochemischen Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der innere Rand der Dichtungsanordnung auf der dem Mediumkanal abgewandten Seite des Randstegs liegt.
Hierdurch wird erreicht, dass die Dichtungsanordnung im Bereich des Verbindungskanals lokal über den Randsteg hinaus in den Bereich des Randkanals des Strömungsfelds ragt.
Dadurch wird ein äußerer Rand der elektrochemisch aktiven Fläche der Membran-Elektroden-Anordnung nach innen, das heißt zum Zentrum des Strömungsfeldes hin, versetzt, wodurch die maximale Entfernung vom äußersten vom Kühlmittel durchströmten Kanal des Kühlmittel-Strömungsfeldes reduziert wird.
Gemäß der Erfindung wird vorzugsweise die Dichtungsanordnung in den Bereichen verbreitert, in denen sie die Verbindungskanäle quert, welche im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung nicht von einem Kühlmittel durchströmt werden.
Vorzugsweise wird die Dichtungsanordnung in Bereichen verbreitert, welche sich längs der Umfangsrichtung der Dichtungsanordnung über die Enden der nicht von Kühlmittel durchströmten Randstege hinaus erstrecken.
Zur Vermeidung von Temperaturspitzen wird die Dichtungsanordnung im Bereich der Verbindungskanäle, welche nicht von einem Kühlmittel durchströmt werden, lokal bis in den Bereich des jeweils zugeordneten Strömungsfelds erstreckt.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der innere Rand der Dichtungsanordnung auf der dem Mediumkanal zugewandten Seite des Kühlmittelkanals liegt. Ferner kann vorgesehen sein, dass der innere Rand der Dichtungsanordnung im Bereich des Randkanals liegt.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Verbindungskanal zwischen zwei Bipolarplattenlagen ausgebildet ist, welche an der Fügelinie aneinander festgelegt sind.
Die beiden Bipolarplattenlagen können insbesondere durch Schweißung, beispielsweise durch Laserschweißung, stoffschlüssig aneinander festgelegt sein.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der innere Rand der Dichtungsanordnung auf der dem Mediumkanal abgewandten Seite der Fügelinie liegt.
Der innere Rand der Dichtungsanordnung kann an einem Dichtelement der Dichtungsanordnung ausgebildet sein, welches stoffschlüssig mit einer Gasdiffusionslage der betreffenden elektrochemischen Einheit verbunden ist.
Das Dichtelement ist vorzugsweise aus einem Elastomermaterial gebildet.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das Elastomermaterial des Dichtelements einen Anbindungsbereich der Gasdiffusionslage durchdringt.
Ferner kann vorgesehen sein, dass das Dichtelement einen Dichtungsvorsprung umfasst, welcher im Bereich des Verbindungskanals von einem Grundkörper des Dichtelements aus in einer dem Mediumkanal abgewandten Vorspringrichtung vorspringt.
Ein solcher Dichtungsvorsprung erstreckt sich vorzugsweise längs der Umfangsrichtung des Grundkörpers des Dichtelements nur über einen Teil des Umfangs des Grundkörpers des Dichtelements. Besonders günstig ist es, wenn der Dichtungsvorsprung sich längs der Umfangsrichtung des Grundkörpers des Dichtelements nur über weniger als 50 %, besonders bevorzugt über weniger als 25 %, des Umfangs des Grundkörpers des Dichtelements erstreckt.
Insbesondere erstreckt sich der Dichtungsvorsprung vorzugsweise nur über einen Teil des Umfangs des Grundkörpers des Dichtelements, welcher einen Verbindungskanal quert, der im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung nicht von einem Kühlmittel durchströmt wird.
Der Dichtungsvorsprung kann lokal unterbrochen sein.
Der Dichtungsvorsprung kann mehrere Abschnitte umfassen, welche längs der Umfangsrichtung des Grundkörpers voneinander beabstandet sind.
Die Ausdehnung (Breite) des Dichtungsvorsprungs senkrecht zu seiner Umfangsrichtung und senkrecht zu der Stapelrichtung ist vorzugsweise größer als die Ausdehnung (Breite) des Randstegs des Strömungsfeldes senkrecht zu der Umfangsrichtung und senkrecht zu der Stapelrichtung.
Eine Ausdehnung (Breite) der Dichtungsanordnung senkrecht zu ihrer Umfangsrichtung und senkrecht zu der Stapelrichtung ist vorzugsweise im Bereich des Verbindungskanals größer als in mindestens einem Bereich außerhalb des Bereichs des Verbindungskanals. Hierdurch wird erreicht, dass die Größe der elektrochemisch aktiven Fläche der Membran-Elektroden-Anordnung nur im Bereich des Verbindungskanals reduziert wird, in welchem der Randsteg nicht von einem Kühlmittel durchströmt wird und daher keine ausreichende Kühlwirkung bietet, während die elektrochemisch aktive Fläche der Membran-Elektroden-Anordnung im Bereich eines Verbindungskanals, der im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung von einem Kühlmittel durchströmt wird, und in den außerhalb der Bereiche der Verbindungskanäle liegenden Bereichen der Membran-Elektroden-Anordnung nicht unnötig reduziert wird. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Dichtungsanordnung im Bereich des Verbindungskanals mit mehreren Ausnehmungen versehen ist, welche längs der Umfangsrichtung der Dichtungsanordnung voneinander beabstandet sind und an einem Dichtungsvorsprung ausgebildet sind, welcher im Bereich des Verbindungskanals von einem Grundkörper des Dichtelements aus in einer dem Mediumkanal abgewandten Vorspringrichtung vorspringt.
Der Dichtungsvorsprung kann dabei eine Passivierungsschicht aus einem Elastomermaterial bilden, welche vorzugsweise gemeinsam mit mindestens einer Dichtlippe der Dichtungsanordnung an eine Gasdiffusionslage angespritzt wird.
Das Überspritzen der Gasdiffusionslage mit einer Passivierungsschicht aus Elastomermaterial an einem sonst thermisch hochbeanspruchten Bereich der Gasdiffusionslage sorgt für eine lokale Reaktionsinaktivität und damit zu einer erwünschten Reduktion der thermischen Beanspruchung der Gasdiffusionslage, was die Dauerhaltbarkeit der elektrochemischen Vorrichtung im Betrieb derselben erhöht.
Das Anspritzen des Elastomermaterials an die Gasdiffusionslage erfolgt in einer Kavität eines Spritzgießwerkzeugs. Dabei wird ein Anbindungsbereich des aus dem Elastomermaterial gebildeten Dichtelements erzeugt, in welchem poröses Material der Gasdiffusionslage zumindest teilweise von dem Elastomermaterial durchdrungen ist.
Wenn die Gasdiffusionslage sich während des Einbringens des Elastomermaterials in die Kavität des Spritzgießwerkzeugs frei im Anbindungsbereich bewegen kann, so kann dies den Nachteil mit sich bringen, dass die Gasdiffusionslage auf dem Elastomermaterial aufschwimmt und eine in der montierten elektrochemischen Vorrichtung der Membran-Elektroden-Anordnung zugewandte Seite der Gasdiffusionslage mit Elastomermaterial überspritzt wird, obwohl diese Seite der Gasdiffusionslage gar nicht mit Elastomermaterial versehen werden soll.
Ein solches "Aufschwemmen" der Gasdiffusionslage kann sowohl im Bereich des Dichtungsvorsprungs als auch außerhalb des Bereichs des Dichtungsvorsprungs auftreten. Die Seite der Gasdiffusionslage, welche der Membran- Elektroden-Anordnung zugewandt ist und eigentlich nicht mit Elastomermaterial überspritzt werden soll, kann insbesondere eine Seite der Gasdiffusionslage sein, welche eine mikroporöse Schicht ("microporous layer"; MPL) aufweist.
Durch eine solche mikroporöse Schicht kann das Elastomermaterial nur schlecht oder gar nicht in die Gasdiffusionslage eindringen, was eine schlechte, Undefinierte Anbindung zwischen der Gasdiffusionslage und dem Elastomermaterial zur Folge hat. Außerdem können sich bei einem solchen Überspritzvorgang Elastomermaterialverschmutzungen bilden, welche die spätere Funktion der elektrochemischen Zelle, welche die überspritzte Gasdiffusionslage enthält, und damit die spätere Funktion der elektrochemischen Vorrichtung gefährden können.
Die vorstehend beschriebenen Nachteile eines unerwünschten Überspritzens der Gasdiffusionslage können vermieden werden, wenn das Spritzgießwerkzeug ein oder mehrere Verformungsbegrenzungselemente umfasst, welche eine Verformung der Gasdiffusionslage während des Einbringens des Spritzgießmaterials in die Kavität begrenzen oder verhindern.
Ein solches Verformungsbegrenzungselement kann beispielsweise als ein Niederhalter ausgebildet sein. Das Verformungsbegrenzungselement, beispielsweise in Form eines Niederhalters, sorgt dafür, dass beim Einspritzprozess das in die Kavität des Spritzgießwerkzeugs eingebrachte Elastomermaterial vorzugsweise auf die im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung der Membran-Elektroden-Anordnung abgewandte Seite der Gasdiffusionslage gelangt.
Wenn die Gasdiffusionslage eine mikroporöse Schicht ("microporous layer"; MPL) und ein Substrat aufweist, so gelangt das Elastomermaterial vorzugsweise auf die Substratseite der Gasdiffusionslage.
Dies sorgt für eine bessere Durchdringung der Gasdiffusionslage mit dem Elastomermaterial und damit für eine bessere und zuverlässigere Anbindung des aus dem Elastomermaterial gebildeten Dichtelements an die Gasdiffusionslage.
Wenn das Spritzgießwerkzeug mindestens ein Abdrück-Werkzeugteil umfasst, das einen Abdrückvorsprung zum Verpressen der Gasdiffusionslage während des Spritzgießvorgangs aufweist, so sind die Verformungsbegrenzungselemente, welche im Bereich des Dichtungsvorsprungs verwendet werden, vorzugsweise von dem Abdrückvorsprung des Abdrück-Werkzeugteils beab- standet.
Hierdurch werden im Bereich des Dichtungsvorsprungs die vorstehend erwähnten Ausnehmungen gebildet, welche vorzugsweise als sich durch das Dichtelement hindurch erstreckende Durchtrittsöffnungen in dem Dichtungsvorsprung des Dichtelements ausgebildet sind.
Diese Ausnehmungen, vorzugsweise in Form von Durchtrittsöffnungen, können insbesondere einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt (senkrecht zur Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung genommen) aufweisen. Die Dichtungsanordnung kann auch in dem mindestens einen Bereich außerhalb des Verbindungskanals und somit außerhalb des Dichtungsvorsprungs mit mehreren Ausnehmungen versehen sein, welche längs der Umfangsrichtung der Dichtungsanordnung voneinander beabstandet sind und an dem inneren Rand der Dichtungsanordnung angeordnet sind.
Solche Ausnehmungen werden erhalten, wenn beim Anspritzen des Dichtelements Verformungsbegrenzungselemente, beispielsweise Niederhalter, verwendet werden, welche an einem Abdrückvorsprung eines Abdrück-Werkzeugteils des Spritzgießwerkzeugs angeordnet sind oder einstückig mit einem Abdrückvorsprung des Abdrück-Werkzeugteils ausgebildet sind.
Diese Verformungsbegrenzungselemente in dem außerhalb des Dichtvorsprungs liegenden, nicht passivierten Bereich schwächen die Anbindung zwischen dem aus dem Elastomermaterial gebildeten Dichtelement einerseits und der Gasdiffusionslage andererseits.
Die Geometrie und die Position der Verformungsbegrenzungselemente, beispielsweise in Form von Niederhaltern, wird aber so gewählt, dass eine erforderliche Mindestanbindungskraft erhalten bleibt.
Statt einer Mehrzahl von längs der Umfangsrichtung der Gasdiffusionslage voneinander beabstandeten Verformungsbegrenzungselementen kann auch ein Verformungsbegrenzungselement verwendet werden, das einen wellenförmigen äußeren Rand umfasst. Dies führt dazu, dass der innere Rand der aus dem Elastomermaterial gebildeten Dichtungsanordnung in dem mindestens einen Bereich außerhalb des Verbindungskanals, in welchem kein Verbindungsvorsprung ausgebildet ist, wellenförmig ausgebildet ist. Vorteilhaft ist es, wenn in den nicht passivierten Bereichen der elektrochemischen Vorrichtung, welche außerhalb des Bereichs des mindestens einen Dichtungsvorsprungs liegen, ein kathodenseitiges Dichtelement an die kathoden- seitige Gasdiffusionslage mit der gleichen oder einer ähnlichen Anbindungsgeometrie angebunden ist wie ein anodenseitiges Dichtelement an die anodenseitige Gasdiffusionslage.
Wenn am inneren Rand des kathodenseitigen Dichtelements und am inneren Rand des anodenseitigen Dichtelements Ausnehmungen vorgesehen sind, so liegen dieselben im montierten Zustand der elektrochemischen Vorrichtung vorzugsweise in der Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung im Wesentlichen kongruent übereinander.
Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass ein innerer Rand des kathodenseitigen Dichtelements, welcher das Dichtelement zu dem Zentrum der kathodenseitigen Gasdiffusionslage hin berandet, weiter nach innen, das heißt zum Zentrum der Gasdiffusionslage hin, verlegt ist als der innere Rand des anodenseitigen Dichtelements.
Für die Anbindung des Dichtelements an die Gasdiffusionslage ist es von Vorteil, wenn die Bereiche der Gasdiffusionslage, welche während des Einbringens des Elastomermaterials in die Kavität des Spritzgießwerkzeugs in Kontakt mit einem Verformungsbegrenzungselement des Spritzgießwerkzeugs stehen, im Wesentlichen vollständig von dem Elastomermaterial durchdrungen werden.
Alternativ hierzu kann aber auch vorgesehen sein, dass diese Bereiche der Gasdiffusionslage nur teilweise oder gar nicht mit Elastomermaterial durchdrungen sind.
Im Bereich des mindestens einen Dichtungsvorsprungs, mittels welchem ein passivierter Bereich der elektrochemischen Vorrichtung erzeugt wird, sorgen die Verformungsbegrenzungselemente, beispielsweise die Niederhalter, für ein definiertes Niederhalten der Gasdiffusionslage während des Einbringens des Elastomermaterials in die Kavität des Spritzgießwerkzeugs. Ferner wird die Gasdiffusionslage während des Anspritzens des Elastomermaterials präzise relativ zu dem aus dem Elastomermaterial gebildeten Dichtelement positioniert.
Die Verformungsbegrenzung, insbesondere das Niederhalten der Gasdiffusionslage, kann zu einer Reduktion der Dicke (Ausdehnung längs der Stapelrichtung) der Gasdiffusionslage im Vergleich zum unverpressten Zustand der Gasdiffusionslage in den Kontaktbereichen, in welchen die Gasdiffusionslage in Kontakt mit den Verformungsbegrenzungselementen steht, oder in der Nähe dieser Kontaktbereiche führen. Dies hat zur Folge, dass die Kavität des Spritzgießwerkzeugs beim Anspritzprozess in den Bereichen zwischen den Verformungsbegrenzungselementen besser mit Elastomermaterial gefüllt wird. Alternativ hierzu kann in diesem Bereich auch die Höhe der Kavität des Spritzgießwerkzeugs reduziert werden, um die Gesamthöhe von Gasdiffusionslage und Dichtungsvorsprung zu verringern.
Vorzugsweise sind die Verformungsbegrenzungselemente in der Kavität des Spritzgießwerkzeugs auf derselben Seite der Gasdiffusionslage angeordnet, auf welcher der Dichtungsvorsprung erzeugt wird. Besonders günstig ist es, wenn diese Seite die Substratseite der Gasdiffusionslage ist, also diejenige Seite der Gasdiffusionslage, welche der mikroporösen Lage ("microporous layer"; MPL) der Gasdiffusionslage abgewandt ist, da auf der Substratseite der Gasdiffusionslage eine bessere Durchdringung der Gasdiffusionslage mit dem Elastomermaterial gewährleistet ist. Dies sorgt für eine gute Anbindung des aus dem Elastomermaterial erzeugten Dichtelements an die Gasdiffusionslage.
Günstig ist es, wenn die Gasdiffusionslage in den Bereichen, in denen sie in Kontakt mit den Verformungsbegrenzungselementen steht, im Wesentlichen vollständig von dem Elastomermaterial durchdrungen wird, weil so auch die in Kontakt mit den Verformungsbegrenzungselementen, beispielsweise Niederhaltern, stehenden Bereiche der Gasdiffusionslage elektrochemisch deaktiviert werden. Alternativ hierzu kann aber auch vorgesehen sein, dass die in Kontakt mit den Verformungsbegrenzungselementen stehenden Bereiche der Gasdiffusionslage nur teilweise oder gar nicht von dem Elastomermaterial durchdrungen sind. Dies führt dazu, dass die in Kontakt mit den Verformungsbegrenzungselementen stehenden Bereiche der Gasdiffusionslage elektrochemisch teilaktiviert oder vollständig elektrochemisch aktiviert sind.
Von Vorteil ist es, wenn die Höhe des Randstegs, die Höhe des dem Randsteg am nächsten liegenden Stegs des jeweiligen Strömungsfeldes oder die Höhe des Randstegs und die Höhe des dem Randsteg am nächsten liegenden Stegs des Strömungsfeldes in dem Bereich, der (längs der Stapelrichtung) über oder unter dem mindestens einen Dichtungsvorsprung liegt, gegenüber der Höhe des Randstegs bzw. der Höhe des dem Randsteg am nächsten liegenden Stegs des Strömungsfeldes außerhalb des Bereichs des Dichtungsvorsprungs reduziert ist. Diese lokalen Höhenreduzierungen können in einer Bipolarplattenlage oder in zwei Bipolarplattenlagen ausgebildet sein.
Diese lokalen Höhenreduzierungen dienen dazu, einen hinreichend hohen und leicht herstellbaren Dichtungsvorsprung erzeugen zu können, ohne die lokale Gesamthöhe einer elektrochemischen Zelle (längs der Stapelrichtung) zu erhöhen. Diese lokalen Höhenreduzierungen können zur Berücksichtigung von Assemblierungstoleranzen auch in einem dem Bereich des Dichtungsvorsprungs benachbarten Bereich ausgeführt werden.
Die Größe, die Form, die Anzahl, die Position und/oder der Abstand der Verformungsbegrenzungselemente voneinander wird vorzugsweise so gewählt, dass es zu einem vorteilhaften Kompromiss zwischen dem Verhindern der Verformung der Gasdiffusionslage einerseits und einem ausreichenden Füllungsgrad der Kavität des Spritzgießwerkzeugs im Bereich des Dichtungsvorsprungs mit dem Elastomermaterial andererseits führt. Das Medium, das im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung durch den Verbindungskanal strömt, ist vorzugsweise ein Anodengas (Brenngas, insbesondere wasserstoffhaltig) oder ein Kathodengas (Oxidationsmittel, insbesondere sauerstoffhaltig) der elektrochemischen Vorrichtung.
Grundsätzlich kann der innere Rand der Dichtungsanordnung, welcher nach innen, das heißt zum Zentrum des Strömungsfeldes hin, versetzt wird, ein innerer Rand eines anodenseitigen Bereichs der Dichtungsanordnung oder ein innerer Rand eines kathodenseitigen Bereichs der Dichtungsanordnung sein.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der innere Rand der Dichtungsanordnung eine kathodenseitige elektrochemisch aktive Fläche der Membran-Elektroden-Anordnung berandet.
Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der innere Rand der Dichtungsanordnung eine kathodenseitige elektrochemisch aktive Fläche der Membran-Elektroden-Anordnung berandet und eine weitere Dichtungsanordnung vorgesehen ist, welche eine anodenseitige elektrochemisch aktive Fläche der Membran-Elektroden-Anordnung berandet, wobei der innere Rand der kathodenseitigen Dichtungsanordnung auf der dem Mediumkanal abgewandten Seite des inneren Rands der weiteren, anodenseitigen Dichtungsanordnung liegt.
In diesem Fall liegt einem Bereich der kathodenseitigen elektrochemisch aktiven Fläche stets ein Bereich der anodenseitigen elektrochemisch aktiven Fläche der Membran-Elektroden-Anordnung gegenüber. Es gibt dann keinen Bereich der Membran-Elektroden-Einheit, der zwar kathodenseitig mit Oxidationsmittel, aber nicht auch anodenseitig mit Brenngas versorgt wird. Hierdurch wird eine lokal verstärkte Alterung der Membran-Elektroden-Einheit vermieden, welche auftreten kann, wenn ein Bereich der Membran-Elektroden- Einheit im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung nur mit Oxidationsmittel versorgt wird, nicht aber mit Brenngas. Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der elektrochemischen Vorrichtung ist daher auch vorgesehen, dass ein äußerer Rand einer kathodensei- tigen elektrochemisch aktiven Fläche der Membran-Elektroden-Anordnung gegenüber einem äußeren Rand einer anodenseitigen elektrochemisch aktiven Fläche der Membran-Elektroden-Anordnung nach innen, das heißt zum Zentrum des Strömungsfelds hin, versetzt ist.
Die erfindungsgemäße elektrochemische Vorrichtung kann insbesondere als eine Polymerelektrolytmembran(PEM)-Brennstoffzellenvorrichtung ausgebildet sein, bei welcher die Membran-Elektroden-Einheiten der elektrochemischen Einheiten der elektrochemischen Vorrichtung jeweils eine Polymerelektrolytmembran enthalten.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Erzeugen eines Dichtelements an einer Gasdiffusionslage einer elektrochemischen Einheit, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
Anordnen eines Spritzgießwerkzeugs an der Gasdiffusionslage;
Einbringen von Spritzgießmaterial in eine Kavität des Spritzgießwerkzeugs; wobei das Dichtelement einen Dichtungsvorsprung umfasst, welcher von einem Grundkörper des Dichtelements aus in einer in einen Innenraum des Dichtelements weisenden Vorspringrichtung vorspringt, wobei der Dichtungsvorsprung sich längs der Umfangsrichtung des Grundkörpers des Dichtelements nur über einen Teil des Umfangs des Grundkörpers des Dichtelements erstreckt. Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der vorstehend genannten Art zu schaffen, bei welchem eine Beschädigung der Gasdiffusionslage vermieden und ein Dichtelement mit einem mechanisch stabilen Anbindungsbereich zur Anbindung an die Gasdiffusionslage erzeugt wird.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruchs 18 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Spritzgießwerkzeug mindestens ein Verformungsbegrenzungselement umfasst, welches eine Verformung der Gasdiffusionslage während des Einbringens des Spritzgießmaterials in die Kavität begrenzt oder verhindert, wobei das Spritzgießwerkzeug mindestens ein Abdrück-Werkzeugteil umfasst, das einen Abdrückvorsprung zum Verpressen der Gasdiffusionslage aufweist und wobei das mindestens eine Verformungsbegrenzungselement während des Einbringens des Spritzgießmaterials in die Kavität des Spritzgießwerkzeugs von dem Abdrückvorsprung des Abdrück-Werkzeugteils beabstandet ist.
Die Vorteile eines solchen Spritzgießverfahrens sind bereits vorstehend beschrieben worden.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Abdrückvorsprung des Abdrück-Werkzeugteils mindestens eine Verrundung und/oder mindestens eine Schräge aufweist.
Hierdurch kann eine Beschädigung des zwischen einander gegenüberliegenden Abdrückvorsprüngen des Spritzgießwerkzeugs verpressten Bauteils, insbesondere der Gasdiffusionslage, vermieden werden. Zum Zweck des Anspritzens eines Dichtelements aus einem Elastomermaterial an eine Gasdiffusionslage wird die Gasdiffusionslage zwischen zwei Abdrückvorsprünge eines Spritzgießwerkzeugs eingelegt und beim Schließen des Spritzgießwerkzeugs geklemmt und verpresst. Das poröse Material der Gasdiffusionslage wird dabei so weit abgedrückt, dass das in die Kavität des Spritzgießwerkzeugs eingebrachte Elastomermaterial den zwischen den Abdrückvorsprüngen liegenden Bereich der Gasdiffusionslage nicht oder nur in sehr geringem Maße durchdringt, so dass der von den Abdrückvorsprüngen umgebene zentrale Bereich der Gasdiffusionslage, also der in der elektrochemischen Vorrichtung für die Zufuhr von Kathodengas oder Anodengas zu der Membran- Elektroden-Anordnung genutzte Teil der Gasdiffusionslage, nur minimal durchdrungen wird.
Bekannte Abdrückvorsprünge von Spritzgießwerkzeugen weisen einfach zu fertigende rechtwinklige Querschnitte auf und sind vorzugsweise - in Bezug auf eine senkrecht zur Stapelrichtung ausgerichtete Ebene - spiegelsymmetrisch ausgebildet.
Durch die Verwendung solcher Abdrückvorsprünge kann es zu einer Beschädigung des zwischen den Abdrückvorsprüngen verpressten Bauteils kommen, was unmittelbar oder mittelbar eine Beschädigung der elektrochemischen Zelle, in welcher die Gasdiffusionslage verbaut wird, und damit einen Ausfall des ganzen Brennstoffzellenstapels hervorrufen kann.
Es ist daher darauf zu achten, dass die Gasdiffusionslage, an welche das Dichtelement aus einem Elastomermaterial angespritzt werden soll, keine Vorschädigung aufweist. Solche Vorschädigungen können beispielsweise Faserbrüche in der Gasdiffusionslage, Strukturfehler einer mikroporösen Schicht ("microporous layer"; MPL) der Gasdiffusionslage oder auch, falls die Gasdiffusionslage, welche in das Spritzgießwerkzeug eingelegt wird, bereits mit einer Elektrodenschicht und einer Membran versehen ist, eine Vorschädigung der Membran und/oder Leckagen der elektrochemischen Zelle sein. Durch eine Ausführung mindestens eines der Abdrückvorsprünge mit einer Geometrie, die von der üblichen rechteckigen Geometrie abweicht, wird die Belastung der zwischen den Abdrückvorsprüngen verpressten Komponenten im Kontaktbereich zu den Abdrückvorsprüngen reduziert.
Dies kann erreicht werden, indem mindestens einer der Abdrückvorsprünge, vorzugsweise beide Abdrückvorsprünge, mindestens eine verrundete Kante, eine Kontaktfläche mit einem konvex gekrümmten Bereich und/oder mindestens eine Schräge aufweist.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Kontaktfläche des Abdrückvorsprungs nur kleine Richtungsänderungen auf der Skala der Porengröße der Gasdiffusionslage aufweist.
Die Porengröße der Gasdiffusionslage entspricht dabei beispielsweise dem Abstand zwischen den Fasern der Gasdiffusionslage.
So beträgt beispielsweise die Höhenänderung der Kontaktfläche des Abdrückvorsprungs vorzugsweise nicht mehr als ungefähr eine Porengröße auf der Länge einer halben Porengröße. Die Tangente an der Kontaktfläche des Abdrückvorsprungs ist also gegenüber einer zur Stapelrichtung senkrechten Ebene (beispielsweise einer der Hauptebenen der unverpressten Gasdiffusionslage) vorzugsweise um einen Winkel a von weniger als 60°, besonders bevorzugt von weniger als 45°, geneigt.
Die Gesamtbreite des Abdrückvorsprungs, das heißt dessen Ausdehnung senkrecht zur Stapelrichtung und senkrecht zur Umfangsrichtung der Gasdiffusionslage, ist vorzugsweise ein Vielfaches der Porengröße der Gasdiffusionslage und beträgt besonders bevorzugt mehr als 0,5 mm, beispielsweise mehr als 1 mm. Eine zu große Gesamtbreite des Abdrückvorsprungs führt allerdings zu einer unerwünschten Verkleinerung des elektrochemisch aktiven Bereichs der elektrochemischen Vorrichtung, da sie den Abstand zwischen der Dichtstruktur des Dichtelements und dem elektrochemisch aktiven Bereich vergrößert.
Wenn die Gasdiffusionslage unsymmetrisch ausgebildet ist, beispielsweise einseitig eine mikroporöse Schicht ("microporous layer"; MPL) aufweist oder einseitig mit einer Katalysatorschicht, einer Katalysatorschicht und einer Membran oder mit einer kompletten Membran-Elektroden-Anordnung versehen ist, kann es sinnvoll sein, auch die Abdrückvorsprünge, zwischen welchen eine solche unsymmetrische Gasdiffusionslage verpresst wird, unsymmetrisch auszulegen. Sonst würde eine beschädigte mikroporöse Schicht (MPL) der Gasdiffusionslage beim Zusammenbau der elektrochemischen Vorrichtung in Kontakt mit einer Membran-Elektroden-Anordnung treten, was eine Beschädigung der Membran-Elektroden-Anordnung hervorrufen könnte.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass auf einer Seite der Gasdiffusionslage der Abdrückvorsprung vollständig entfällt. Dies ist vorzugsweise die Seite der Gasdiffusionslage, die mit einer mikroporösen Schicht (MPL), mit einer Katalysatorschicht und/oder mit einer Membran oder mit einer kompletten Membran-Elektroden-Anordnung versehen ist.
Ist eine der Seiten der Gasdiffusionslage, beispielsweise eine Seite, welche eine mikroporöse Schicht (MPL), eine Katalysatorschicht, eine Membran oder eine komplette Membran-Elektroden-Anordnung aufweist, besonders empfindlich in der Handhabung, so kann es von Vorteil sein, wenn diese Seite der Gasdiffusionslage während des Einbringens des Spritzgießmaterials in die Kavität des Spritzgießwerkzeugs zumindest abschnittsweise in Kontakt mit einem Kontaktelement des Spritzgießwerkzeugs steht, welches ein Elastomermaterial umfasst. Ein solches Kontaktelement kann beispielsweise eine Beschichtung aus einem Elastomermaterial an einem Bereich des Spritzgießwerkzeugs und/oder eine - vorzugsweise nutlos eingebettete - Dichtung, beispielsweise eine Flachdichtung, aus einem Elastomermaterial, die in dem Spritzgießwerkzeug angeordnet ist, umfassen.
Eine Beschichtung aus einem Elastomermaterial kann beispielsweise mittels eines Musterdruckverfahrens, vorzugsweise eines Siebdruckverfahrens oder eines Tampondruckverfahrens, erzeugt werden.
Eine gegebenenfalls in dem Spritzgießwerkzeug angeordnete Dichtung aus einem Elastomermaterial sollte möglichst wenig strukturiert sein, um ihrerseits keine Inhomogenität der Belastung bei einer Verpressung der Gasdiffusionslage zu erzeugen.
Hingegen wäre das Einlegen einer Dichtschnur mit einem kreisförmigen Querschnitt in eine Nut, die an ihren Rändern Spalte frei ließe, nicht vorteilhaft.
Eine vorteilhafte Verpressung der Gasdiffusionslage wird erzielt, wenn das lichte Maß zwischen den Abdrückvorsprüngen des geschlossenen Spritzgießwerkzeuges kleiner ist als die Höhe (Ausdehnung längs der Stapelrichtung) der Gasdiffusionslage im verpressten Brennstoffzellenstapel.
Als günstig hat es sich erwiesen, wenn die Gasdiffusionslage zwischen den Abdrückvorsprüngen des Spritzgießwerkzeugs auf höchstens 80 %, besonders bevorzugt auf höchstens 75 %, der Dicke der Gasdiffusionslage bei einem Druck von 0,025 MPa verpresst wird.
Ferner hat es sich als günstig erwiesen, wenn die Gasdiffusionslage zwischen den Abdrückvorsprüngen des Spritzgießwerkzeugs auf mindestens 40 %, besonders bevorzugt mindestens 50 %, der Dicke der Gasdiffusionslage bei einem Druck von 0,025 MPa verpresst wird. Wenn eine Gasdiffusionslage mit einer Katalysatorschicht, mit einer Katalysatorschicht und einer Membran oder mit einer kompletten Membran-Elektroden- Anordnung versehen ist, so können diese zusätzlichen Schichten separat von der Gasdiffusionslage erzeugt und auf die Gasdiffusionslage aufgelegt oder mit der Gasdiffusionslage laminiert sein. Alternativ hierzu kann auch vorgesehen sein, dass diese zusätzlichen Schichten an der Gasdiffusionslage in situ erzeugt werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Ausschnitts eines Brennstoffzellenstapels einer Brennstoffzellenvorrichtung im Bereich eines Verbindungskanals, welcher einen Mediumkanal und ein Strömungsfeld der Brennstoffzellenvorrichtung miteinander verbindet, wobei von dem Brennstoffzellenstapel zwei in einer Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels aufeinanderfolgende Brennstoffzelleneinheiten und eine über den beiden Brennstoffzelleneinheiten liegende Bipolarplatte einer dritten Brennstoffzelleneinheit dargestellt sind;
Fig. 2 eine Draufsicht von oben längs der Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels auf den Ausschnitt aus dem Brennstoffzellenstapel aus Fig. 1;
Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs I aus Fig. 2;
Fig. 4 einen Längsschnitt durch den Brennstoffzellenstapel aus den Fig. 1 bis 3, längs der Linie 4 - 4 in Fig. 3; Fig. 5 eine der Fig. 1 entsprechende perspektivische Darstellung des Ausschnitts des Brennstoffzellenstapels, wobei nur die Membran-Elektroden-Anordnung und die Dichtungsanordnung einer einzigen Brennstoffzelleneinheit dargestellt sind;
Fig. 6 eine Draufsicht von oben längs der Stapelrichtung auf die Membran-Elektroden-Anordnung und die Dichtungsanordnung aus Fig. 5;
Fig. 7 einen schematischen Schnitt durch ein Spritzgießwerkzeug und eine in eine Kavität des Spritzgießwerkzeugs vorstehende Gasdiffusionslage, wobei das Spritzgießwerkzeug mehrere in einer Umfangsrichtung der Gasdiffusionslage voneinander beabstandete Verformungsbegrenzungselemente aufweist, welche die Gasdiffusionslage vor dem Einbringen des Spritzgießmaterials in die Kavität des Spritzgießwerkzeugs berühren und in Kontakt mit einem Abdrückvorsprung eines Abdrück-Werkzeugteils des Spritzgießwerkzeugs stehen;
Fig. 8 eine ausschnittsweise Draufsicht von oben auf eine Baugruppe aus der Gasdiffusionslage und einem an der Gasdiffusionslage festgelegten Dichtelement, welches mittels des Spritzgießwerkzeugs aus Fig. 7 erzeugt worden ist;
Fig. 9 einen schematischen Schnitt durch ein Spritzgießwerkzeug, das mehrere Verformungsbegrenzungselemente umfasst, welche längs der Umfangsrichtung der Gasdiffusionslage voneinander beabstandet sind, von einem Abdrückvorsprung eines Abdrück- Werkzeugteils des Spritzgießwerkzeugs beabstandet sind und die Gasdiffusionslage vor dem Einbringen des Spritzgießmaterials in die Kavität des Spritzgießwerkzeugs berühren; Fig. 10 eine ausschnittsweise Draufsicht auf eine Baugruppe aus einer Gasdiffusionslage und einem an der Gasdiffusionslage festgelegten Dichtelement, welches mittels des in Fig. 9 dargestellten Spritzgießwerkzeugs erzeugt worden ist;
Fig. 11 einen schematischen Schnitt durch ein Spritzgießwerkzeug, eine in eine Kavität des Spritzgießwerkzeugs vorstehende Gasdiffusionslage, die einen zwischen zwei Abdrückvorsprüngen des Spritzgießwerkzeugs verpressten Abschnitt aufweist, und ein an die Gasdiffusionslage angespritztes Dichtelement aus einem Elastomermaterial, wobei die Abdrückvorsprünge spiegelsymmetrisch zueinander ausgebildet sind und einen rechteckigen Querschnitt aufweisen;
Fig. 12 einen schematischen Schnitt durch ein Spritzgießwerkzeug, eine in eine Kavität des Spritzgießwerkzeugs vorstehende Gasdiffusionslage, die einen zwischen zwei Abdrückvorsprüngen des Spritzgießwerkzeugs verpressten Abschnitt aufweist, und ein an die Gasdiffusionslage angespritztes Dichtelement aus einem Elastomermaterial, wobei die Abdrückvorsprünge jeweils eine konvex gekrümmte Kontaktfläche aufweisen;
Fig. 13 einen schematischen Schnitt durch ein Spritzgießwerkzeug, eine in eine Kavität des Spritzgießwerkzeugs vorstehende Gasdiffusionslage, die einen zwischen einem Abdrückvorsprung eines Abdrück-Werkzeugteils des Spritzgießwerkzeugs und einem ebenen Abschnitt eines weiteren Werkzeugteils des Spritzgießwerkzeugs verpressten Abschnitt aufweist, und ein an die Gasdiffusionslage angespritztes Dichtelement aus einem Elastomermaterial, wobei der Abdrückvorsprung des Abdrück-Werkzeugteils des Spritzgießwerkzeugs eine konvex gekrümmte Kontaktfläche aufweist; Fig. 14 einen schematischen Schnitt durch ein Spritzgießwerkzeug, eine in eine Kavität des Spritzgießwerkzeugs vorstehende Gasdiffusionslage, die einen zwischen zwei Abdrückvorsprüngen des Spritzgießwerkzeugs verpressten Abschnitt aufweist, und ein an die Gasdiffusionslage angespritztes Dichtelement aus einem Elastomermaterial, wobei die beiden Abdrückvorsprünge des Spritzgießwerkzeugs unsymmetrisch zueinander ausgebildet sind, beide Abdrückvorsprünge eine konvexe Kontaktfläche aufweisen und die Abdrückvorsprünge unterschiedlich weit in das Material der Gasdiffusionslage vorstehen;
Fig. 15 einen schematischen Schnitt durch ein Spritzgießwerkzeug, eine in eine Kavität des Spritzgießwerkzeugs vorstehende Gasdiffusionslage, die einen zwischen zwei Abdrückvorsprüngen des Spritzgießwerkzeugs verpressten Abschnitt aufweist, und ein an die Gasdiffusionslage angespritztes Dichtelement aus einem Elastomermaterial, wobei die beiden Abdrückvorsprünge jeweils eine Kontaktfläche aufweisen, welche einen zu einer Hauptfläche der Gasdiffusionslage parallelen Abschnitt und jeweils gegenüber einer Hauptfläche der Gasdiffusionslage geneigte Abschnitte aufweisen, wobei die Abdrückvorsprünge unsymmetrisch zueinander ausgebildet sind und einer der Abdrückvorsprünge weiter in das Material der Gasdiffusionslage eindringt als der andere Abdrückvorsprung;
Fig. 16 einen schematischen Schnitt durch ein Spritzgießwerkzeug, eine in eine Kavität des Spritzgießwerkzeugs vorstehende Gasdiffusionslage, die einen zwischen einem Abdrückvorsprung eines Abdrück-Werkzeugteils des Spritzgießwerkzeugs einerseits und einem elastischen Kontaktelement des Spritzgießwerkzeugs andererseits verpressten Abschnitt aufweist, und ein an die Gasdiffusionslage angespritztes Dichtelement aus einem Elastomermaterial, wobei der Abdrückvorsprung des Abdrück- Werkzeugteils des Spritzgießwerkzeugs eine konvex gekrümmte Kontaktfläche aufweist und ein dem Abdrückvorsprung des Abdrück-Werkzeugteils gegenüberliegender Abschnitt eines anderen Werkzeugteils des Spritzgießwerkzeugs mit einer Beschichtung aus einem Elastomermaterial versehen ist; und
Fig. 17 einen schematischen Schnitt durch ein Werkzeugteil eines Spritzgießwerkzeugs, welches mit einem Kontaktelement zum Verpressen eines Abschnitts einer Gasdiffusionslage versehen ist, wobei das Kontaktelement als ein separates Abdichtelement ausgebildet ist, welches eine oder mehrere Dichtlippen aufweist und in eine an dem Werkzeugteil des Spritzgießwerkzeugs ausgebildete Nut eingesetzt ist.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Eine in den Fig. 1 bis 6 dargestellte, als Ganzes mit 100 bezeichnete elektrochemische Vorrichtung, beispielsweise eine Brennstoffzellenvorrichtung 102 oder ein Elektrolyseur, umfasst einen Stapel 104 von elektrochemischen Einheiten 106, beispielsweise von Brennstoffzelleneinheiten 108 oder Elektrolyseureinheiten, wobei der Stapel 104 mehrere in einer Stapelrichtung 110 aufeinanderfolgende elektrochemische Einheiten 106 und eine (nicht dargestellte) Spannvorrichtung zum Beaufschlagen der elektrochemischen Einheiten 106 mit einer längs der Stapelrichtung 110 gerichteten Spannkraft umfasst.
Wie am besten aus der Schnittdarstellung in Fig. 4 zu ersehen ist, umfasst jede elektrochemische Einheit 106 der elektrochemischen Vorrichtung 100 jeweils eine Bipolarplatte 112 und eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) 114. Die Membran-Elektroden-Anordnung 114 umfasst beispielsweise eine katalysatorbeschichtete Membran ("Catalyst Coated Membrane"; CCM) und zwei Gasdiffusionslagen 116 und 118, wobei die erste Gasdiffusionslagen 116 beispielsweise anodenseitig und die zweite Gasdiffusionslage 118 beispielsweise kathodenseitig angeordnet ist.
Die Bipolarplatte 112 ist beispielweise aus einem metallischen Material gebildet.
Die Bipolarplatte 112 weist mehrere Medium-Durchtrittsöffnungen 120 auf, durch welche jeweils ein der elektrochemischen Vorrichtung 100 zuzuführendes fluides Medium (im Fall eines Brennstoffzellenstapels beispielsweise ein Brenngas oder Anodengas, ein Oxidationsmittel oder Kathodengas oder ein Kühlmittel) durch die Bipolarplatte 112 hindurchtreten kann. Die Medium- Durchtrittsöffnungen 120 der im Stapel 104 aufeinanderfolgenden Bipolarplatten 112 und die in der Stapelrichtung 110 zwischen den Medium-Durchtrittsöffnungen 120 liegenden Zwischenräume bilden zusammen jeweils einen Mediumkanal 122.
Jedem Mediumkanal 122, durch welchen ein fluides Medium der elektrochemischen Vorrichtung 100 zuführbar ist, ist jeweils mindestens ein anderer Mediumkanal 122 zugeordnet, durch welchen das betreffende fluide Medium aus der elektrochemischen Vorrichtung 100 abführbar ist.
Durch ein dazwischenliegendes Strömungsfeld 124, welches vorzugsweise an einer Oberfläche einer benachbarten Bipolarplatte 112 oder (beispielsweise im Falle eines Kühlmittel-Strömungsfeldes) im Zwischenraum zwischen den Lagen einer mehrlagigen Bipolarplatte 112 ausgebildet ist, kann das Medium aus dem ersten Mediumkanal 122 quer, vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht, zu der Stapelrichtung 110 durch das jeweilige Strömungsfeld 124 zu dem zweiten Mediumkanal 122 strömen. In Fig. 4 ist beispielsweise ein Anodengas-Mediumkanal 126 für ein Anodengas der elektrochemischen Vorrichtung 100 dargestellt.
Durch jeweils mindestens einen Verbindungskanal 128 steht jeder Mediumkanal 122 in Fluidverbindung mit den jeweils zugeordneten Strömungsfeldern 124.
Jede Bipolarplatte 112 umfasst bei der zeichnerisch dargestellten Ausführungsform eine erste Bipolarplattenlage 130 und eine zweite Bipolarplattenlage 132, die längs Verbindungslinien 134, welche senkrecht zu der Zeichenebene der Fig. 4 verlaufen, vorzugsweise stoffschlüssig, insbesondere durch Verschweißung, beispielsweise durch Laserschweißung, fluiddicht aneinander festgelegt sind.
Wie aus Fig. 4 zu ersehen ist, steht der Anodengas-Mediumkanal 126 über einen Anodengas-Verbindungskanal 136, der durch einen Zwischenraum zwischen der ersten Bipolarplattenlage 130 und der zweiten Bipolarplattenlage 132 ausgebildet ist, in Fluidverbindung mit einem Strömungsfeld 138 für das Anodengas, von welchem nur ein Randkanal 140 dargestellt ist. Dieser Randkanal 140 bildet den äußersten Kanal des Strömungsfeldes 138, ist zu der Membran-Elektroden-Anordnung 114 hin offen und auf seiner äußeren, dem Mediumkanal 122 zugewandten Seite von einem Randsteg 142 begrenzt, welcher abdichtend an der Membran-Elektroden-Anordnung 114 anliegt.
Im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100 strömt das Medium aus dem Mediumkanal 122 durch den Verbindungskanal 128 in den Innenraum 144 des Randstegs 142, von wo es durch Durchtrittsöffnungen 145 durch die den Innenraum 144 des Randstegs 142 von dem Randkanal 140 trennende Flanke 146 des Randstegs 142 hindurch in den Randkanal 140 gelangt. Ein Kühlmittelkanal 148, welcher im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100 von einem Kühlmittel durchströmt wird und zwischen der ersten Bipolarplattenlage 130 und der zweiten Bipolarplattenlage 132 jeweils einer Bipolarplatte 112 ausgebildet ist, ist von dem Innenraum 144 des Randstegs 142 durch eine Fügelinie 134 getrennt, welche die erste Bipolarplattenlage 130 und die zweiten Bipolarplattenlage 132 miteinander verbindet.
Ein unerwünschtes Austreten der fluiden Medien aus den Strömungsfeldern 124 der elektrochemischen Vorrichtung 100 wird durch eine Dichtungsanordnung 150 verhindert, welche sich längs der Umfangsrichtung 152 der Strömungsfelder 124 um die Strömungsfelder 124 herum erstreckt und zwei innere Ränder 155, nämlich einen anodenseitigen inneren Rand 154 und einen kathodenseitigen inneren Rand 156 aufweist.
Der anodenseitige innere Rand 154 der Dichtungsanordnung 150 begrenzt eine anodenseitige elektrochemisch aktive Fläche 158 der Membran-Elektro- den-Anordnung 114, und der kathodenseitige innere Rand 156 der Dichtungsanordnung 150 begrenzt eine kathodenseitige elektrochemisch aktive Fläche 160 der Membran-Elektroden-Anordnung 114.
Wie am besten aus Fig. 4 zu ersehen ist, umfasst die Dichtungsanordnung 150 vorzugsweise zwei Dichtelemente 161, wobei ein erstes Dichtelement 162 vorzugsweise an der anodenseitigen Gasdiffusionslage 116 und ein zweites Dichtelement 164 vorzugsweise an der kathodenseitigen zweiten Gasdiffusionslage 118 der Membran-Elektroden-Anordnung 114 festgelegt ist.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Dichtelemente 162 und 164 an die jeweils zugeordnete Gasdiffusionslage 116 bzw. 118 angespritzt oder angegossen sind. Das erste Dichtelement 162 weist vorzugsweise eine oder mehrere Dichtlippen 166 auf, mit welchen das erste Dichtelement 164 fluiddicht an der ersten Bipolarplattenlage 130 einer benachbarten Bipolarplatte 112 anliegt.
Das erste Dichtelement 162 kann darüber hinaus weitere Dichtlippen 168 aufweisen, mit welchen das erste Dichtelement 162 fluiddicht an der ersten Bipolarplattenlage 130 einer ersten benachbarten Bipolarplattenlage 112 und an der zweiten Bipolarplattenlage 132 einer zweiten benachbarten Bipolarplatte 112 anliegt, um einen Mediumkanal-Abschnitt 170 der Dichtungsanordnung 150 zu bilden, der sich um einen Mediumkanal 122 der elektrochemischen Vorrichtung 100 herum erstreckt, so dass ein Entweichen von Medium aus dem Mediumkanal 122 in die Umgebung der elektrochemischen Vorrichtung 100 und/oder in anderen Medien zugeordnete Strömungsfelder 124 der elektrochemischen Vorrichtung 100 verhindert wird.
Das zweite Dichtelement 164 weist vorzugsweise eine oder mehrere Dichtlippen 166 auf, mit welchen das zweite Dichtelement 164 fluiddicht an der zweiten Bipolarplattenlage 132 einer benachbarten Bipolarplatte 112 anliegt.
Die Dichtelemente 162 und 164 der Dichtungsanordnung 150 sind vorzugsweise aus einem Elastomermaterial gebildet.
Dieses Elastomermaterial durchdringt vorzugsweise auch die an die Dichtelemente 162 bzw. 164 angrenzenden Bereiche der ersten Gasdiffusionslage 116 bzw. der zweiten Gasdiffusionslage 118, so dass die Gasdiffusionslagen 116 und 118 in diesen Durchdringungsbereichen nicht porös sind, sondern weder von dem Anodengas noch von dem Kathodengas durchdrungen werden können.
Der anodenseitige innere Rand 154 der Dichtungsanordnung 150 ist auf der dem Mediumkanal 122 zugewandten Seite eines Randstegs 142 einer Bipolarplatte 112 angeordnet. Wenn nun auch der kathodenseitige innere Rand 156 der Dichtungsanordnung 150 auf der dem Mediumkanal 122 zugewandten Seite eines Randstegs 142 einer Bipolarplatte 112 angeordnet wäre, wie dies bei bekannten elektrochemischen Vorrichtungen 100 der Fall ist, so würden sich sowohl die kathodenseitige elektrochemisch aktive Fläche 160 als auch die anodenseitige elektrochemisch aktive Fläche 158 der Membran-Elektroden- Anordnung 114 bis in den Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung 114 erstrecken, welcher zwischen den Randstegen 142 und dem Mediumkanal 122 liegt.
Der äußere Randbereich dieser elektrochemisch aktiven Flächen 158, 160 wäre jedoch von dem am weitesten außen liegenden Kühlmittelkanal 148 soweit entfernt, dass eine ausreichende Kühlung dieses äußeren Randbereichs durch das Kühlmittel, welches den Kühlmittelkanal 148 durchströmt, nicht gewährleistet wäre, so dass die Temperatur der elektrochemischen Vorrichtung 100 in diesem äußeren Randbereich der Membran-Elektroden-Anordnung 114 lokal ansteigen würde.
Um dieses Problem einer lokalen Temperaturerhöhung im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100 zu beheben, ist die Dichtungsanordnung 150 bei der zeichnerisch dargestellten Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 so ausgebildet, dass der kathodenseitige innere Rand 156 der Dichtungsanordnung 150 auf der dem Mediumkanal 122 abgewandten Seite des Randstegs 142 liegt.
Hierdurch wird erreicht, dass im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100 eine elektrochemische Aktivität nicht schon in dem äußeren Randbereich der Membran-Elektroden-Anordnung 114 stattfindet, welcher zwischen den Randstegen 142 und dem Mediumkanal 122 liegt, sondern erst in dem weiter innen liegenden Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung 114, welcher an die Randkanäle 140 angrenzt und somit näher an den Kühlmittelkanälen 148 liegt. Der äußerste Rand der Membran-Elektroden-Anordnung 114, welcher im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100 eine elektrochemische Aktivität zeigt, ist somit bei der zeichnerisch dargestellten Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 nach innen, das heißt zum Zentrum der Strömungsfelder 124 hin, verschoben, wodurch die maximale Entfernung eines elektrochemisch aktiven Bereichs der Membran-Elektroden-Anordnung 114 von den Kanälen des Kühlmittel-Strömungsfelds reduziert wird.
Wie weit der kathodenseitige innere Rand 156 der Dichtungsanordnung 150 nach innen, zum Zentrum der Strömungsfelder 124 hin, verlegt wird, hängt von der geometrischen Struktur der Dichtungsanordnung 150 und der Bipolarplatte 112 in diesem Bereich ab sowie von der Ausdehnung des Anbindungsbereichs der Dichtungsanordnung 150, in welchem das Elastomermaterial der Dichtungsanordnung 150 die angrenzenden Gasdiffusionslagen 116 bzw. 118 durchdringt, und von der gewünschten Temperaturverteilung, welche ihrerseits von der Breite der Randkanäle 140 und der Kühlmittelkanäle 148 sowie von der Wärmeleitfähigkeit der Materialien der Membran-Elektroden-Anordnung 114 und der Bipolarplatten 112 abhängt. Das Auftreten von Druckspitzen durch die Verlängerung der Dichtungsanordnung 150 zum Zentrum der Strömungsfelder 124 hin sollte vermieden werden.
Durch das Erstrecken der Dichtungsanordnung 150 im Bereich eines Verbindungskanals 128 über die Positionen der Randstege 142 der Bipolarplatten 112 hinweg nach innen, zum Zentrum der Strömungsfelder 124 hin, können lokale Temperaturspitzen im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100 wirksam vermieden werden.
Vorzugsweise liegt der kathodenseitige innere Rand 156 der Dichtungsanordnung 150 auf der dem Mediumkanal 122 zugewandten Seite des Kühlmittelkanals 148. Ferner ist es günstig, wenn der kathodenseitige innere Rand 156 der Dichtungsanordnung 150 im Bereich des Randkanals 140 liegt.
Günstig ist es ferner, wenn der kathodenseitige innere Rand 156 der Dichtungsanordnung 150 auf der dem Mediumkanal 122 abgewandten Seite der Fügelinie 134 liegt, an welcher die erste Bipolarplattenlage 130 und die zweite Bipolarplattenlage 132 einer Bipolarplatte 112 aneinander festgelegt sind.
Außerhalb des Bereichs der Verbindungskanäle 128 für das Anodengas oder für das Kathodengas, durch welche das Anodengas bzw. das Kathodengas aus ihren jeweiligen Mediumkanälen 122 in die jeweils zugeordneten Strömungsfelder 124 strömen oder aus den jeweiligen Strömungsfeldern 124 in die jeweils zugeordneten Mediumkanäle 122 strömen bilden, die Innenräume 144 der Randstege 142 der Bipolarplatten 112 keine Bestandteile solcher Verbindungskanäle 128, sondern werden von Kühlmittel durchströmt. Deshalb besteht das vorstehend erläuterte Problem einer lokal unzureichenden Kühlung in der Nähe der Randstege 142 nur dort, wo sich die Verbindungskanäle 128 für Anodengas oder für Kathodengas befinden.
Der kathodenseitige innere Rand 156 der Dichtungsanordnung 150 muss also nur dort, wo sich diese Verbindungskanäle 128 für Anodengas oder Kathodengas befinden, auf die einem Mediumkanal 122 abgewandte Seite der Randstege 142 verlegt werden.
Dort, wo keine solche Verbindungskanäle 128 verlaufen, kann der kathodenseitige innere Rand 156 der Dichtungsanordnung 150 hingegen auf der dem jeweiligen Mediumkanal 122 zugewandten Seite der Randstege 142 liegen, wodurch die zur Verfügung stehende elektrochemisch aktive Fläche der Membran-Elektroden-Anordnungen 114 in den Bereichen außerhalb der Verbindungskanäle 128 für Anodengas und für Kathodengas vergrößert wird. Bei der zeichnerisch dargestellten Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 ist daher vorgesehen, dass der kathodenseitige innere Rand 156 der Dichtungsanordnung 150 an einem Dichtungsvorsprung 172 des zweiten Dichtelements 164 vorgesehen ist, wobei der Dichtungsvorsprung 172 im Bereich eines Verbindungskanals 128 von einem Grundkörper 174 des zweiten Dichtelements 164 aus in einer dem Mediumkanal abgewandten Vorspringrichtung 176 vorspringt (siehe die Fig. 5 und 6).
Wenn die Umfangsrichtung der Strömungsfelder 124 im Bereich des Verbindungskanals 128 variiert, wie dies insbesondere an Eckbereichen der Strömungsfelder 124 der Fall ist, so kann die Vorspringrichtung 176 lokal unterschiedliche Ausrichtungen aufweisen (siehe die Fig. 5 und 6).
Der Dichtungsvorsprung 172 erstreckt sich längs der Umfangsrichtung des Grundkörpers 174 des ersten Dichtelements 162 nur über einen Teil des Umfangs des Grundkörpers 174 des ersten Dichtelements 162, vorzugsweise über weniger als 50 % des Umfangs des Grundkörpers 174 des ersten Dichtelements 162, besonders bevorzugt über weniger als 25 % des Umfangs des Grundkörpers 174 des ersten Dichtelements 162.
Die Ausdehnung (Breite B) des Dichtungsvorsprungs 172 senkrecht zu seiner Umfangsrichtung und senkrecht zu der Stapelrichtung 110 ist vorzugsweise größer als die Ausdehnung (Breite b) eines Randstegs 142 senkrecht zu dessen Umfangsrichtung und senkrecht zu der Stapelrichtung 110.
Die senkrecht zur Umfangsrichtung des Dichtungsvorsprungs 172 genommene Breite B des Dichtungsvorsprungs 172 ist somit größer als die senkrecht zur Umfangsrichtung eines Randstegs 142 genommene Breite b des Randstegs 142. Durch das Vorhandensein des Dichtungsvorsprungs 172 ist die Ausdehnung der Dichtungsanordnung 150 senkrecht zu ihrer Umfangsrichtung im Bereich mindestens eines Verbindungskanals 128 größer als in mindestens einem Bereich außerhalb des Bereichs des Verbindungskanals.
Bei einer Variante der in den Fig. 1 bis 6 dargestellten Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 ist vorgesehen, dass die Dichtungsanordnung 150 in dem mindestens einen Bereich außerhalb des Verbindungskanals 128 und somit außerhalb des Dichtungsvorsprungs 172 mit mehreren Ausnehmungen 182 versehen ist, welche längs der Umfangsrichtung 134 der Dichtungsanordnung 150 voneinander beabstandet sind und an dem inneren Rand 155 der Dichtungsanordnung 150 angeordnet sind, wie dies in Fig. 8 dargestellt ist.
Solche Ausnehmungen 182 werden erhalten, wenn beim Anspritzen des Dichtelements 161 Verformungsbegrenzungselemente, beispielsweise Niederhalter 186, verwendet werden, welche an einem Abdrückvorsprung 188 eines Abdrück-Werkzeugteils 190 eines Spritzgießwerkzeugs 192 angeordnet sind, in welchem der Vorgang des Anspritzens des Dichtelements 161 aus dem Elastomermaterial an die Gasdiffusionslage 116 oder 118 durchgeführt wird.
Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass mindestens eines der Verformungsbegrenzungselemente 184 einstückig mit dem Abdrückvorsprung 188 des Abdrück-Werkzeugteils 190 ausgebildet ist.
Ein solches Spritzgießwerkzeug 192 ist in Fig. 7 schematisch dargestellt.
Das Spritzgießwerkzeug 192 ist mehrteilig ausgebildet und umfasst ein Abdrück-Werkzeugteil 190 und ein Abstütz-Werkzeugteil 194. Das Abdrück-Werkzeugteil 190 und das Abstütz-Werkzeugteil 194 umschließen gemeinsam eine Kavität 196, in welche während des Spritzgießvorgangs ein Spritzgießmaterial, vorzugsweise ein Ausgangsmaterial für ein Elastomermaterial, in fließfähigem Zustand eingebracht wird.
In diese Kavität 196 ragt die Gasdiffusionslage 116, 118 hinein.
Das Abdrück-Werkzeugteil 190 weist den Abdrückvorsprung 188 auf, welcher mit einer Abdrückkante 198 versehen ist.
Die in das Spritzgießwerkzeug 192 eingelegte Gasdiffusionslage 116, 118, welche in ihrer Dickenrichtung 200 (im montierten Zustand der elektrochemischen Vorrichtung 100 parallel zur Stapelrichtung 110 der elektrochemischen Vorrichtung 100) mechanisch kompressibel ist, wird lokal mittels des Abdrückvorsprungs 188 und des gegenüberliegenden Abstütz-Werkzeugteils 194 verpresst. Hierdurch steigt der Kapillardruck in den Poren der porösen Gasdiffusionslage 116, 118 lokal an, und die Durchdringung der Gasdiffusionslage 116, 118 mit dem Spritzgießmaterial wird in den zur Dickenrichtung (z-Richtung) senkrechten x- und y-Richtungen begrenzt.
Beim Erzeugen des Dichtelements 161 mittels eines Spritzgießvorgangs in dem Spritzgießwerkzeug 192 treten in der Kavität 196 des Spritzgießwerkzeugs 192 sehr hohe Spritzdrücke auf.
Wenn der Anspritzpunkt oder die Anspritzpunkte, durch welche das Spritzgießmaterial in die Kavität 196 eingebracht werden, außerhalb der Anbindungsbereiche zwischen dem Dichtelement 161 und der Gasdiffusionslage 116, 118 liegen, kann es während der Befüllung der Kavität 196 des Spritzgießwerkzeugs 192 mit dem Spritzgießmaterial in diesen Anbindungsbereichen zu einem Umklappen, das heißt zu einer Verformung, der Gasdiffusionslage 116, 118, kommen. Durch diesen Verformungsvorgang wir die Gasdiffusionslage 116, 118 lokal aus ihrer ursprünglichen ebenen Form gebracht und auf Biegung beansprucht.
Durch die Biegung der Gasdiffusionslage 116, 118 in dem verformten Anbindungsbereich kann die Gasdiffusionslage 116, 118, beispielsweise durch Bruch, beschädigt werden.
Außerdem kann bei einer starken Verbiegung der Gasdiffusionslage 116, 118 der Anbindungsbereich mechanisch geschwächt werden, indem die Gasdiffusionslage 116, 118 in den in der Dickenrichtung 200 über der Gasdiffusionslage 116, 118 liegenden Anbindungsbereich 202, der auch als Anbindungslippe 204 bezeichnet wird, hineinragt und so das Fließen von (insbesondere elasto- merem) Spritzgießmaterial in diesem Bereich unterbindet.
Es ist dann nicht gewährleistet, dass die Kavität 196 des Spritzgießwerkzeugs 192 im Bereich der Anbindungslippe 204 vollständig gefüllt wird, wodurch die Gefahr einer mechanischen Beschädigung des Anbindungsbereichs 202 des Dichtelements 161, insbesondere durch eine Rissbildung, steigt.
Nach dem Einbringen des Spritzgießmaterials in die Kavität 196 des Spritzgießwerkzeugs 192 und dem Aushärten des Spritzgießmaterials zu dem Dichtungsmaterial des Dichtelements 161 ist die Erzeugung des Dichtelements 161 an der Gasdiffusionslage 116, 118 und somit die Bildung einer Baugruppe 206, welche die Gasdiffusionslage 116, 118 und das an der Gasdiffusionslage 116, 118 festgelegte Dichtelement 161 umfasst und auch als Seal-on-GDL-Einheit 208 bezeichnet wird, abgeschlossen.
Nach dem Öffnen des Spritzgießwerkzeugs 192, durch Entfernen des Abdrück- Werkzeugteils 190 von dem Abstütz-Werkzeugteil 194, kann die Baugruppe 206 bei der Assemblierung der Membran-Elektroden-Anordnung 114 und der Montage der elektrochemischen Vorrichtung 100 verwendet werden. Das Dichtelement 161 der fertig hergestellten Baugruppe 206 umfasst einen Abdichtbereich 210 mit einer Dichtlippe 212, einen Durchdringungsbereich 214, in welchem das Spritzgießmaterial in das poröse Material der Gasdiffusionslage 116, 118 eingedrungen ist und welche sich von einem Außenrand 216 der Gasdiffusionslage 116, 118 einwärts bis in den Bereich der Abdrückkante 198 erstreckt, und einen außerhalb der Gasdiffusionslage 116, 118, in der Dickenrichtung 200 über und/oder unter der Gasdiffusionslage 116, 118 liegenden, Anbindungsbereich 202 in Form einer Anbindungslippe 204.
Um den vorstehend beschriebenen Verformungsvorgang an der Gasdiffusionslage 116, 118 beim Einbringen des Spritzgießmaterials in die Kavität 196 des Spritzgießwerkzeugs 192 zu verhindern, sind in der Kavität 196 des Spritzgießwerkzeugs 192 mehrere Verformungsbegrenzungselemente 184 vorgesehen, welche in einer parallel zum Außenrand 216 der Gasdiffusionslage 116, 118 und parallel zur Abdrückkante 198 des Abdrück-Werkzeugteils 190 ausgerichteten Umfangsrichtung 152 der Gasdiffusionslage 116, 118 voneinander beabstandet sind.
Die Verformungsbegrenzungselemente 184 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel separat von dem Abdrück-Werkzeugteil 190 und separat von dem Abstütz-Werkzeugteil 190 des Spritzgießwerkzeugs 192 ausgebildet.
Die Verformungsbegrenzungselemente 184 können grundsätzlich aber auch einstückig mit einem anderen Bestandteil des Spritzgießwerkzeugs 192, beispielsweise mit dem Abdrück-Werkzeugteil 190 oder mit dem Abstütz-Werk- zeugteil 194, ausgebildet sein.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7 stehen die Verformungsbegrenzungselemente 184 in Kontakt mit dem Abdrückvorsprung 188 des Abdrück-Werk- zeugteils 190. Ferner berühren die Verformungsbegrenzungselemente 184 schon vor dem Einbringen des Spritzgießmaterials in die Kavität 196 des Spritzgießwerkzeugs 192 die Gasdiffusionslage 116, 118 an deren der Abdrückkante 198 zugewandten Hauptfläche 218.
Ein der Abdrückkante 198 abgewandter äußerer Rand 220 jedes Verformungsbegrenzungselements 184 ist zwischen dem Außenrand 216 der Gasdiffusionslage 116, 118 einerseits und der Abdrückkante 198 des Spritzgießwerkzeugs 192 andererseits angeordnet, so dass die Verformungsbegrenzungselemente 184 den in die Kavität 196 des Spritzgießwerkzeugs 192 vorstehenden Bereich der Gasdiffusionslage 116, 118 nicht vollständig überdecken.
Die im Anbindungsbereich zwischen der Gasdiffusionslage 116, 118 und dem Dichtelement 161 im Spritzgießwerkzeug 192 angeordneten Verformungsbegrenzungselemente 184 verhindern, dass die Gasdiffusionslage 116, 118 sich während des Einbringens des Spritzgießmaterials in die Kavität 196 des Spritzgießwerkzeugs 192 unter dem auftretenden Werkzeuginnendruck oder Spritzdruck verformt.
Hierdurch wird erreicht, dass die außerhalb der Verformungsbegrenzungselemente 184 liegenden Bereiche der Kavität 196 vollständig mit dem Spritzgießmaterial gefüllt werden. Die Gefahr einer mechanischen Beschädigung des Anbindungsbereichs 202 des Dichtelements 161, insbesondere eine Rissbildung, wird hierdurch verringert.
Außerdem wird eine Beschädigung der Gasdiffusionslage 116, 118 durch eine Biegebeanspruchung aufgrund einer Verformung der Gasdiffusionslage 116, 118 vermieden. Wie aus Fig. 8 zu ersehen ist, welche eine ausschnittsweise Draufsicht auf die aus dem Spritzgießwerkzeug 192 entnommene fertige Baugruppe 206 aus Gasdiffusionslage 116, 118 und Dichtelement 161 darstellt, ist der Anbindungsbereich 202 des Dichtelements 161 aufgrund der Anwesenheit der Verformungsbegrenzungselemente 184 in der Kavität 196 des Spritzgießwerkzeugs 192 an einem Innenrand 222 desselben mit Ausnehmungen 182 versehen, welche an den Stellen angeordnet sind, an welchen die Verformungsbegrenzungselemente 184 angeordnet waren, während die Gasdiffusionslage 116, 118 in das Spritzgießwerkzeug 192 eingelegt war.
Wie aus Fig. 8 zu ersehen ist, kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Verformungsbegrenzungselemente 184 einen - senkrecht zur Dickenrichtung 200 der Gasdiffusionslage 116, 118 genommenen - kreisabschnittsförmigen, insbesondere halbkreisförmigen, Querschnitt aufweisen.
Zwischen den Ausnehmungen 182 sind im Anbindungsbereich 202 des Dichtelements 161 Stabilisierungsbereiche 222 angeordnet, in welchen das Dichtelemente 161 eine größere Materialstärke aufweist als im Bereich der Ausnehmungen 182, so dass die Stabilisierungsbereiche 222 für eine stabile mechanische Anbindung des Dichtelements 161 an die Gasdiffusionslage 116, 118 sorgen.
Die Position des Außenrandes 216 der Gasdiffusionslage 116, 118 ist in Fig. 8 durch die strichdoppelpunktierte Linie 216 angegeben.
Die Position der Kuppe der Dichtlippe 212 des Dichtelements 161 ist in Fig. 8 durch die gebrochene Linie 224 angegeben.
Bei einer besonderen Variante der vorstehend beschriebenen elektrochemischen Vorrichtung 100 ist ferner vorgesehen, dass die Dichtungsanordnung 150 im Bereich des Verbindungskanals 128 mit mehreren Ausnehmungen 182 versehen ist, welche längs der Umfangsrichtung 152 der Dichtungsanordnung 150 voneinander beabstandet sind und an dem Dichtungsvorsprung 172 ausgebildet sind, der im Bereich des Verbindungskanals 128 von dem Grundkörper 174 des Dichtelements 161 aus in einer dem Mediumkanal 122 abgewandten Vorspringrichtung 176 vorspringt.
Der Dichtungsvorsprung bildet dabei eine Passivierungsschicht aus einem Elastomermaterial, welche vorzugsweise gemeinsam mit mindestens einer Dichtlippe 212 der Dichtungsanordnung 150 an eine Gasdiffusionslage 116, 118 angespritzt wird.
Das Anspritzen des Elastomermaterials an die Gasdiffusionslage 116, 118 erfolgt in einer Kavität 196 eines Spritzgießwerkzeugs 192, wie es schematisch in Fig. 9 dargestellt ist.
Das Spritzgießwerkzeug 192 umfasst mehrere Verformungsbegrenzungselemente 184, welche längs der Umfangsrichtung 152 der Gasdiffusionslage 116, 118 voneinander beabstandet sind, von der Abdrückkante 198 des Spritzgießwerkzeugs 192 beabstandet sind und die Gasdiffusionslage 116, 118 schon vor dem Einbringen des Spritzgießmaterials in die Kavität 196 des Spritzgießwerkzeugs 192 berühren.
Fig. 10 zeigt eine ausschnittsweise Draufsicht auf eine mittels des Spritzgießwerkzeugs 192 aus Fig. 9 hergestellte Baugruppe 206.
Der Anbindungsbereich 202 des Dichtelements 161 dieser Baugruppe 206 ist mit Ausnehmungen 182 versehen, welche auswärts von dem inneren Rand 155 des Anbindungsbereichs 202 angeordnet und in der Umfangsrichtung 152 der Gasdiffusionslage 116, 118 voneinander beabstandet sind. Wie aus Fig. 10 zu ersehen ist, weisen die Verformungsbegrenzungselemente 184 bei dieser Ausführungsform beispielsweise einen - senkrecht zur Dickenrichtung 200 der Gasdiffusionslage 116, 118 genommenen - kreisförmigen Querschnitt auf, so dass die Ausnehmungen 182 im Anbindungsbereich 202 ebenfalls einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.
Die Verformungsbegrenzungselemente 184 sind bei dieser Ausführungsform zwischen dem Außenrand 216 der Gasdiffusionslage 116, 118 und der Abdrückkante 198 des Spritzgießwerkzeugs 192 angeordnet, so dass in der fertigen Baugruppe 206 im Bereich des Dichtungsvorsprungs 172 der Außenrand 216 der Gasdiffusionslage 116, 118 - längs der Dickenrichtung 200 der Gasdiffusionslage 116, 118 gesehen - die Ausnehmungen 182 im Anbindungsbereich 202 des Dichtelements 161 nicht schneidet.
Unabhängig davon, ob das Dichtelement 161 im Bereich des mindestens einen Dichtungsvorsprungs 172 oder in mindestens einem Bereich außerhalb eines Dichtungsvorsprungs 172 mit einer oder mehreren Ausnehmungen 182 versehen wird, kann das Dichtelement 161 auch in einem Spritzgießwerkzeug 192 der in Fig. 11 dargestellten Art an die Gasdiffusionslage 116, 118 angespritzt werden.
Dabei weisen das Abdrück-Werkzeugteil 190 und das Abstütz-Werkzeugteil 194 jeweils einen Abdrückvorsprung 188 auf, wobei ein Abschnitt 226 der Gasdiffusionslage 116, 118 zwischen den beiden Abdrückvorsprüngen 188 geklemmt und gepresst wird.
Das poröse Material der Gasdiffusionslage 116, 118 wird dabei so weit abgedrückt, dass das in die Kavität 196 des Spritzgießwerkzeugs 192 eingebrachte Elastomermaterial den zwischen den Abdrückvorsprüngen 188 liegenden Bereich der Gasdiffusionslage nicht oder nur in sehr geringem Maße durchdringt, so dass der von den Abdrückvorsprüngen 188 umgebene zentrale Bereich 228 der Gasdiffusionslage 116, 118, also der in der elektrochemischen Vorrichtung 100 für die Zufuhr von Kathodengas oder Anodengas zu der Membran- Elektroden-Anordnung 114 genutzte Teil der Gasdiffusionslage 116, 118, nur minimal durchdrungen wird.
Die Abdrückvorsprünge 188 des Spritzgießwerkzeugs 192 aus Fig. 11 weisen einfach zu fertigende rechtwinklige Querschnitte auf und sind vorzugsweise - in Bezug auf eine senkrecht zur Stapelrichtung 110 und parallel zu den Hauptflächen 218 der Gasdiffusionslage 116, 118 ausgerichtete Quermittelebene 230 der Gasdiffusionslage 116, 118 - spiegelsymmetrisch zueinander ausgebildet.
Durch die Verwendung solcher Abdrückvorsprünge 188 kann es zu einer Beschädigung des zwischen den Abdrückvorsprüngen 188 verpressten Bauteils kommen, was unmittelbar oder mittelbar eine Beschädigung der elektrochemischen Zelle, in welcher die Gasdiffusionslage 116, 118 verbaut wird, und damit einen Ausfall des ganzen Brennstoffzellenstapels hervorrufen kann.
Durch eine Ausführung mindestens eines der Abdrückvorsprünge 188 mit einer Geometrie, die von der üblichen rechteckigen Geometrie abweicht, wie in Fig. 12 dargestellt, wird die Belastung der zwischen den Abdrückvorsprüngen 188 verpressten Komponenten im Kontaktbereich zu den Abdrückvorsprüngen 188 reduziert.
Dies kann erreicht werden, indem mindestens einer der Abdrückvorsprünge 188, vorzugsweise beide Abdrückvorsprünge 188, jeweils mindestens eine ver- rundete Kante, eine konvex gekrümmte Kontaktfläche 232 und/oder mindestens eine Schräge aufweist. Die Gesamtbreite W jedes Abdrückvorsprungs 188, das heißt dessen Ausdehnung senkrecht zur Stapelrichtung 110 und senkrecht zur Umfangsrichtung 152 der Gasdiffusionslage 116, 118, ist vorzugsweise ein Vielfaches der Porengröße der Gasdiffusionslage 116, 118 und beträgt besonders bevorzugt mehr als 0,5 mm, beispielsweise mehr als 1 mm.
Die Höhe h des Abdrückvorsprungs 188 des Abdrück-Werkzeugteils 190 und die Höhe h' des Abdrückvorsprungs 188 des Abstütz-Werkzeugteils 194 des Spritzgießwerkzeugs 192, das heißt deren Ausdehnung längs der Dickenrichtung 200 der Gasdiffusionslage 116, 118 und/oder die Strecke, um welche der jeweilige Abdrückvorsprung 188 beim Verpressen der Gasdiffusionslage 116, 118 in das poröse Material der Gasdiffusionslage 116, 118 eindringt, können einander im Wesentlichen gleich groß sein oder voneinander abweichen.
Wenn die Gasdiffusionslage 116, 118 unsymmetrisch ausgebildet ist, weil sie beispielsweise einseitig eine mikroporöse Schicht ("microporous layer"; MPL) aufweist oder einseitig mit einer Katalysatorschicht, einer Katalysatorschicht und einer Membran oder mit einer kompletten Membran-Elektroden-Anord- nung 114 versehen ist, so ist es sinnvoll, auch die Abdrückvorsprünge 188, zwischen welchen eine solche unsymmetrische Gasdiffusionslage 116, 118 verpresst wird, unsymmetrisch auszulegen, wie in Fig. 14 dargestellt (bei den Ausführungsformen gemäß den Fig. 14 und 15 umfasst das Dichtelement 161 eine zweite Dichtlippe 212', welche der ersten Dichtlippe 212 gegenüberliegen kann).
Dabei wird das Spritzgießwerkzeug 192 vorteilhafterweise so ausgelegt, dass dasjenige Werkzeugteil des Spritzgießwerkzeugs 192, welches auf der eine mikroporöse Schicht aufweisenden Seite der Gasdiffusionslage 116, 118 oder auf der einseitig mit einer Katalysatorschicht, mit einer Katalysatorschicht und einer Membran oder mit einer kompletten Membran-Elektroden-Anordnung 114 versehenen Seite der Gasdiffusionslage 116, 118 angeordnet ist, sich weniger weit in das Material der Gasdiffusionslage 116, 118 hinein erstreckt als das jeweils andere Werkzeugteil des Spritzgießwerkzeugs 192. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass auf einer Seite der Gasdiffusionslage 116, 118 der Abdrückvorsprung 188 des betreffenden Werkzeugteils des Spritzgießwerkzeugs 192 vollständig entfällt, wie in Fig. 13 dargestellt.
Dies ist vorzugsweise die Seite der Gasdiffusionslage 116, 118, die mit einer mikroporösen Schicht (MPL), mit einer Katalysatorschicht, mit einer Katalysatorschicht und einer Membran oder mit einer kompletten Membran-Elektroden- Anordnung 114 versehen ist.
Bei dem in Fig. 15 dargestellten Spritzgießwerkzeug 192 sind die Abdrückvorsprünge 188 so ausgebildet, dass deren Kontaktflächen 232 nicht durchgehend konvex gekrümmt sind, sondern einen mittigen Abschnitt 234 aufweisen, welcher im Wesentlichen parallel zu den Hauptflächen 218 der Gasdiffusionslage 116, 118 ausgerichtet ist, und zwei geneigte Abschnitte 236, welche unter einem Winkel a bzw. a' gegenüber den Hauptflächen 218 der Gasdiffusionslage 116, 118 geneigt sind.
Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Neigungswinkel a bzw. a' kleiner ist als 60°, besonders bevorzugt kleiner ist als 45°.
Ist eine der Seiten der Gasdiffusionslage 116, 118, beispielsweise eine Seite, welche eine mikroporöse Schicht (MPL), eine Katalysatorschicht, eine Membran oder eine komplette Membran-Elektroden-Anordnung 114 aufweist, besonders empfindlich in der Handhabung, so kann es von Vorteil sein, wenn diese Seite der Gasdiffusionslage 116, 118 während des Einbringens des Spritzgießmaterials in die Kavität 196 des Spritzgießwerkzeugs 192 zumindest abschnittsweise in Kontakt mit einem Kontaktelement 238 des Spritzgießwerkzeugs 192 steht, welches elastisch verformbar ist, wie in Fig. 16 dargestellt.
Ein solches Kontaktelement 238 kann beispielsweise eine Beschichtung 240 aus einem Elastomermaterial umfassen. Eine solche Beschichtung 240 aus einem Elastomermaterial kann beispielsweise mittels eines Musterdruckverfahrens, vorzugsweise eines Siebdruckverfahrens oder eines Tampondruckverfahrens, an einem der Werkzeugteile des Spritzgießwerkzeugs 192 erzeugt werden.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass das Spritzgießwerkzeug 192 ein Kontaktelement 238 umfasst, welches separat von dem Abdrück-Werkzeugteil 190 und separat von dem Abstütz-Werkzeugteil 194 des Spritzgießwerkzeugs 192 hergestellt und nach seiner Herstellung an dem Abdrück-Werkzeugteil 190 oder an dem Abstütz-Werkzeugteil 194 angeordnet worden ist, wie in Fig. 17 dargestellt.
Das Kontaktelement 238 kann dabei insbesondere in einer Nut 242 an dem betreffenden Werkzeugteil 190 oder 194 angeordnet sein.
Ferner kann das Kontaktelement 238 eine oder mehrere Abstützlippen 244 aufweisen.

Claims

Patentansprüche Elektrochemische Vorrichtung, umfassend einen Stapel (104) aus mehreren, längs einer Stapelrichtung (110) aufeinanderfolgenden elektrochemischen Einheiten (106), die jeweils eine elektrochemisch aktive Membran-Elektroden-Anordnung (114), eine Bipolarplatte (112) und eine Dichtungsanordnung (150) umfassen, mindestens einen Mediumkanal (122), der sich längs der Stapelrichtung (110) durch mehrere der elektrochemischen Einheiten (106) hindurch erstreckt, mindestens ein Strömungsfeld (124), durch welches ein Medium aus dem Mediumkanal (122) quer zu der Stapelrichtung (110) von dem Mediumkanal (122) zu einem anderen Mediumkanal strömen kann, und mindestens einen Verbindungskanal (128), durch welchen das Strömungsfeld (124) und der Mediumkanal (122) in Fluidverbindung miteinander stehen, wobei der Verbindungskanal (128) einen Randsteg (142) umfasst, welcher im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung (100) von dem Medium aus dem Mediumkanal (122) durchströmt wird, wobei ein von dem Innenraum (144) des Randstegs (142) durch eine Fügelinie (134) getrennter Kühlmittelkanal (148) im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung (100) von einem Kühlmittel durchströmt wird, wobei das Strömungsfeld (124) einen Randkanal (140) umfasst, welcher zwischen dem Randsteg (142) und dem Kühlmittelkanal (148) angeordnet ist und im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung von dem Medium aus dem Mediumkanal (122) durchströmt wird, und wobei die Dichtungsanordnung (150) sich längs der Umfangsrichtung (152) des Strömungsfeldes (124) um das Strömungsfeld (124) herum erstreckt und einen inneren Rand (155) aufweist, welcher eine kathoden- seitige elektrochemisch aktive Fläche (160) oder eine anodenseitige elektrochemisch aktive Fläche (158) der Membran-Elektroden-Anordnung (114) berandet, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der innere Rand (155) der Dichtungsanordnung (150) auf der dem Mediumkanal (122) abgewandten Seite des Randstegs (142) liegt. Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Rand (155) der Dichtungsanordnung (150) auf der dem Mediumkanal (122) zugewandten Seite des Kühlmittelkanals (148) liegt. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Rand (155) der Dichtungsanordnung (150) im Bereich des Randkanals (140) liegt. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungskanal (128) zwischen zwei Bipolarplattenlagen (130, 132) ausgebildet ist, welche an der Fügelinie (134) aneinander festgelegt sind. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Rand (155) der Dichtungsanordnung (150) auf der dem Mediumkanal (122) abgewandten Seite der Fügelinie (134) liegt. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Rand (155) der Dichtungsanordnung (150) an einem Dichtelement (161) der Dichtungsanordnung (150) ausgebildet ist, welches stoffschlüssig mit einer Gasdiffusionslage (118) der betreffenden elektrochemischen Einheit (106) verbunden ist. Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (161) aus einem Elastomermaterial gebildet ist. Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Elastomermaterial des Dichtelements (161) einen Anbindungsbereich der Gasdiffusionslage (118) durchdringt. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (161) einen Dichtungsvorsprung (172) umfasst, welcher im Bereich des Verbindungskanals (128) von einem Grundkörper (174) des Dichtelements (161) aus in einer dem Mediumkanal (122) abgewandten Vorspringrichtung (176) vorspringt. Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsvorsprung (172) sich längs der Umfangsrichtung (152) des Grundkörpers (174) des Dichtelements (161) nur über einen Teil des Umfangs des Grundkörpers (174) des Dichtelements (161) erstreckt. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung (B) des Dichtungsvorsprungs (172) senkrecht zu seiner Umfangsrichtung (152) größer ist als die Ausdehnung (b) des Randstegs (142) senkrecht zu der Umfangsrichtung (152). Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausdehnung der Dichtungsanordnung (150) senkrecht zu ihrer Umfangsrichtung (152) im Bereich des Verbindungskanals (128) größer ist als in mindestens einem Bereich außerhalb des Bereichs des Verbindungskanals (128). Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsanordnung (150) im Bereich des Verbindungskanals (128) mit mehreren Ausnehmungen (182) versehen ist, welche längs der Umfangsrichtung (152) der Dichtungsanordnung (150) voneinander beabstandet sind und an einem Dichtungsvorsprung (172) ausgebildet sind, welcher im Bereich des Verbindungskanals (128) von einem Grundkörper (174) des Dichtelements (161) aus in einer dem Mediumkanal (122) abgewandten Vorspringrichtung (176) vorspringt. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsanordnung (150) in dem mindestens einen Bereich außerhalb des Verbindungskanals (128) mit mehreren Ausnehmungen (182) versehen ist, welche längs der Umfangsrichtung (152) der Dichtungsanordnung (150) voneinander beabstandet sind und an dem inneren Rand (155) der Dichtungsanordnung (150) angeordnet sind, und/oder dass der innere Rand (155) der Dichtungsanordnung (150) in dem mindestens einen Bereich außerhalb des Verbindungskanals (128) wellenförmig ausgebildet ist. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium, das im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung (100) durch den Verbindungskanal (128) strömt, ein Anodengas oder ein Kathodengas der elektrochemischen Vorrichtung (100) ist. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Rand (155) der Dichtungsanordnung (150) eine kathodenseitige elektrochemisch aktive Fläche (160) der Membran-Elektroden-Anordnung (114) berandet. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein äußerer Rand (178) einer kathoden- seitigen elektrochemisch aktiven Fläche (160) der Membran-Elektroden- Anordnung (114) gegenüber einem äußeren Rand (180) einer anodenseitigen elektrochemisch aktiven Fläche (158) der Membran-Elektroden- Anordnung (114) nach innen versetzt ist. Verfahren zum Erzeugen eines Dichtelements (161) an einer Gasdiffusionslage (116, 118) einer elektrochemischen Einheit (106), wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
Anordnen eines Spritzgießwerkzeugs (192) an der Gasdiffusionslage (116, 118);
Einbringen von Spritzgießmaterial in eine Kavität (196) des Spritzgießwerkzeugs (192); wobei das Dichtelement (161) einen Dichtungsvorsprung (172) umfasst, welcher von einem Grundkörper (174) des Dichtelements (161) aus in einer in einen Innenraum des Dichtelements (161) weisenden Vorspringrichtung (176) vorspringt, wobei der Dichtungsvorsprung (172) sich längs der Umfangsrichtung (152) des Grundkörpers (174) des Dichtelements (161) nur über einen Teil des Umfangs des Grundkörpers (174) des Dichtelements (161) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzgießwerkzeug (192) mindestens ein Verformungsbegrenzungselement (184) umfasst, welches eine Verformung der Gasdiffusionslage (116, 118) während des Einbringens des Spritzgießmaterials in die Kavität (196) begrenzt oder verhindert, wobei das Spritzgießwerkzeug (192) mindestens ein Abdrück-Werkzeugteil (190) umfasst, das einen Abdrückvorsprung (188) zum Verpressen der Gasdiffusionslage (116, 118) aufweist und wobei das mindestens eine Verformungsbegrenzungselement (184) während des Einbringens des Spritzgießmaterials in die Kavität (196) des Spritzgießwerkzeugs (192) von dem Abdrückvorsprung (188) des Abdrück-Werkzeugteils (190) beabstandet ist. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Abdrückvorsprung (188) des Abdrück-Werkzeugteils (190) mindestens eine Verrundung und/oder mindestens eine Schräge aufweist. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Seite der Gasdiffusionslage (116, 118) mit mindestens einer Katalysatorschicht versehen ist und diese Seite der Gasdiffusionslage (116, 118) während des Einbringens des Spritzgießmaterials in die Kavität (196) des Spritzgießwerkzeugs (192) zumindest abschnittsweise in Kontakt mit einem Kontaktelement (238) des Spritzgießwerkzeugs (192) steht, welches ein Elastomermaterial umfasst.
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