DE102007009899A1

DE102007009899A1 - Brennstoffzellen mit formbaren Dichtungselementen und Herstellverfahren

Info

Publication number: DE102007009899A1
Application number: DE102007009899A
Authority: DE
Inventors: Mahmoud H. Grosse Pointe Woods Abd Elhamid; M. Mikhail Sterling Heights Youssef; Daniel J. Eastpointe Lisi; Gayatri Rochester Hills Vyas
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-03-03
Filing date: 2007-02-28
Publication date: 2008-04-17
Also published as: JP2007242616A; US20110254198A1; CN101030653A; US20070207364A1

Abstract

Vorrichtungen, die eine elektrochemische Umwandlungsanordnung umfassen, umfassen eine Vielzahl elektrochemischer Umwandlungszellen und eine Vielzahl elektrisch leitender Bipolarplatten, wobei die elektrochemischen Umwandlungszellen zwischen den benachbarten Bipolarplatten angeordnet sind. Die elektrochemische Umwandlungsanordnung umfasst ferner eine Vielzahl von Dichtungselementen für die Umwandlungsanordnung, wobei die jeweiligen Dichtungselemente für die Umwandlungsanordnung auf entsprechende der Vielzahl von Bipolarplatten geformt sind. Die Dichtungselemente für die Umwandlungsanordnung umfassen eine Mischung, die Polyvinylidenfluorid (PVDF) enthält.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein elektrochemische Umwandlungszellen und insbesondere elektrochemische Umwandlungszellen, die zwischen Bipolarplatten angeordnet sind.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Elektrochemische Umwandlungszellen, die üblicherweise als Brennstoffzellen bezeichnet werden, erzeugen elektrische Energie durch Verarbeitung eines ersten und zweiten Reaktanden beispielsweise durch Oxidation und Reduktion von Wasserstoff und Sauerstoff. Veranschaulichend und nicht beschränkend umfasst eine typische Polymerelektrolytbrennstoffzelle eine Polymermembran (beispielsweise eine Protonenaustauschmembran), die zwischen einem Paar von Gasdiffusionsmediumschichten und Katalysatorschichten positioniert ist. Eine Kathodenplatte und eine Anodenplatte sind an den äußersten Seiten benachbart der Gasdiffusionsmediumschichten positioniert, und die vorhergehenden Komponenten werden eng komprimiert, um die Zelleneinheit zu bilden.
Die durch eine einzelne Zelleneinheit vorgesehene Spannung ist typischerweise zu klein für Nutzanwendungen. Demgemäß wird typischerweise eine Vielzahl von Zellen in einem "Stapel" angeordnet und aufeinanderfolgend verschaltet, um die elektrische Abgabe der elektrochemischen Umwandlungsanordnung oder Brennstoffzelle zu erhöhen. Bei dieser An ordnung können sich zwei benachbarte Zelleneinheiten eine gemeinsame polare Platte teilen, die als die Anode und die Kathode für die beiden benachbarten Zelleneinheiten dient und die diese in Reihe schaltet. Eine derartige Platte wird üblicherweise als eine Bipolarplatte bezeichnet und umfasst typischerweise ein darin definiertes Strömungsfeld, um die Lieferung von Reaktanden und Kühlmittel an die zugeordneten Zellen zu steigern. Es ist typischerweise erforderlich, dass Bipolarplatten für Brennstoffzellen elektrochemisch stabil und elektrisch leitend sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Bei einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung vorgesehen, die eine elektrochemische Umwandlungsanordnung umfasst. Die elektrochemische Umwandlungsanordnung umfasst eine Vielzahl elektrochemischer Umwandlungszellen und eine Vielzahl elektrisch leitender Bipolarplatten, wobei die elektrochemischen Umwandlungszellen zwischen benachbarten Bipolarplatten angeordnet sind. Die elektrochemische Umwandlungsanordnung umfasst ferner eine Vielzahl von Dichtungselementen für die Umwandlungsanordnung, wobei die jeweiligen Dichtungselemente für die Umwandlungsanordnung auf entsprechende der Vielzahl von Bipolarplatten geformt sind. Die Dichtungselemente für die Umwandlungsanordnung umfassen eine Mischung, die Polyvinylidenfluorid (PVDF) aufweist.
Bei einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung vorgesehen, die eine elektrochemische Umwandlungsanordnung umfasst. Die elektrochemische Umwandlungsanordnung umfasst eine Vielzahl elektrochemischer Umwandlungszellen, wobei jede Umwandlungszelle Membranelektrodenanordnungen umfasst. Die elektrochemische Umwandlungsanordnung umfasst ferner eine Vielzahl elektrisch lei tender Bipolarplatten, wobei die elektrochemischen Umwandlungszellen zwischen benachbarten Bipolarplatten angeordnet sind. Die elektrochemische Umwandlungsanordnung umfasst auch eine Vielzahl von Dichtungselementen für die Umwandlungsanordnung, die auf die Membranelektrodenanordnungen geformt sind, wobei die Dichtungselemente für die Umwandlungsanordnung eine Mischung umfassen, die Polyvinylidenfluorid (PVDF) aufweist.
Bei einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Umwandlungsanordnung vorgesehen. Das Verfahren umfasst, dass eine Vielzahl elektrochemischer Umwandlungszellen und eine Vielzahl elektrisch leitender Bipolarplatten vorgesehen werden. Das Verfahren umfasst ferner, dass eine Mischung, die Polyvinylidenfluorid (PVDF) und ein Lösemittel umfasst, durch Lösen des PVDF in dem Lösemittel gebildet wird, die Mischung auf die Vielzahl von Bipolarplatten aufgebracht wird und die Mischung unter Druck bei einer Temperatur und bei einer Dauer erhitzt wird, die ausreichend sind, um eine Vielzahl von Dichtungselementen für die Umwandlungsanordnung an der Vielzahl von Bipolarplatten zu bilden.
Bei einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Umwandlungsanordnung vorgesehen. Das Verfahren umfasst, dass eine Vielzahl elektrochemischer Umwandlungszellen, die Elektrodenmembrananordnungen umfassen, und eine Vielzahl elektrisch leitender Bipolarplatten vorgesehen werden. Das Verfahren umfasst ferner, dass eine Mischung, die Polyvinylidenfluorid (PVDF) und ein Lösemittel umfasst, durch Lösen des PVDF in dem Lösemittel gebildet wird, die Mischung auf die Membranelektrodenanordnungen aufgebracht wird und die Mischung unter Druck bei einer Temperatur und einer Dauer erhitzt wird, die ausreichend sind, um eine Vielzahl von Dichtungselementen für die Umwandlungsanordnung auf den Membranelektrodenanordnungen zu bilden.
Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden angesichts der Beschreibung der hier ausgeführten Erfindung offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die folgende detaillierte Beschreibung spezifischer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird am besten in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen verständlich, in denen gleiche Anordnungen mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, wobei verschiedene Komponenten der Zeichnungen nicht unbedingt maßstabsgetreu dargestellt sind, und in welchen:
1 eine Darstellung einer Bipolarplatte gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine Schnittdarstellung einer Bipolarplatte mit einem Dichtungselement daran gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist;
3 eine schematische Darstellung einer elektrochemischen Umwandlungsanordnung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist;
4 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem Brennstoffverarbeitungssystem und einer elektrochemischen Umwandlungsanordnung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist; und
5 eine schematische Darstellung einer Membranelektrodenanordnung mit einem daran geformten Dichtungselement gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Allgemein Bezug nehmend auf die 1–5 ist eine elektrochemische Umwandlungsanordnung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Allgemein umfasst die elektrochemische Umwandlungsanordnung 10 eine Vielzahl von elektrochemischen Umwandlungszellen 20 und eine Vielzahl elektrisch leitender Bipolarplatten 30. Die elektrochemischen Umwandlungszellen können Polymeraustauschmembran- (PEM) -Brennstoffzellen umfassen. Es sind eine Vielzahl von Konfigurationen für die Umwandlungsanordnung mit der vorliegenden Erfindung denkbar, solange die Anordnung eine oder mehrere Bipolarplatten 30 zwischen einigen oder allen der jeweiligen elektrochemischen Umwandlungszellen 20 verwendet. Tatsächlich liegt der spezifische Aufbau der Umwandlungsanordnung 10 und der einzelnen Umwandlungszellen 20 jenseits des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung und kann aus existierenden oder noch zu entwickelnden Lehren in Verbindung mit der Konstruktion einer Anordnung in Erfahrung gebracht werden, die in der Lage ist, Elektrizität aus einer ersten und zweiten chemischen Reaktandenversorgung R₁, R₁ in Verbindung mit den elektrochemischen Umwandlungszellen 20 zu erzeugen. Typischerweise sind auch ein oder mehrere Reaktandenauslässe R_OUT vorgesehen.
Viele Aspekte der spezifischen Konfiguration der Bipolarplatten 30 gemäß der vorliegenden Erfindung liegen ebenfalls jenseits des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung. Beispielsweise kann insbesondere Bezug nehmend auf 1 eine Bipolarplatte 30 gemäß der vorliegenden Erfindung einen Strömungsfeldabschnitt 32 und Fluidsammelleitungsabschnitte 34 umfassen, die mit dem Strömungsfeldabschnitt 32 gekoppelt sind. Wie in 2 gezeigt ist, kann der Strömungsfeldabschnitt 32 Strömungsfeldkanäle 35 aufweisen, die zwischen entgegengesetzten, elektrisch leitenden Seiten 36, 38 der Bipolarplatte 30 definiert sind.
Wie in 3 gezeigt ist, sind benachbarte elektrochemische Umwandlungszellen 20 durch jeweilige der Vielzahl von Bipolarplatten 30 getrennt. Um eine Leckage der Fluidreaktanden- und Produktströme in der elektrochemischen Umwandlungsanordnung zu minimieren, kann ein Dichtungselement als eine Abdichtung gegen Leckage wirken. Jedoch ist die Ausstattung von Brennstoffzellen mit Dichtungselementen besonders problematisch, da die saure Umgebung der Brennstoffzelle metallische und nicht metallische Materialien angreift. Ferner muss das Dichtungselement elektrochemisch stabil, komprimierbar, kostengünstig und verfügbar sein.
Wie in 2 gezeigt ist, können die Bipolarplatten 30 Dichtungselemente 40 für die Umwandlungsanordnung umfassen, die auf die Bipolarplatten 30 geformt sind. Die Dichtungselemente 40 können auf eine oder beide Seiten 36, 38 der Bipolarplatten 30 geformt sein. Bezug nehmend auf die Ausführungsform von 2 kann die Dichtung 40 des Dichtungselements auf die Bipolarplatten 30 geformt werden, so dass das Dichtungselement 40 zwischen den Bipolarplatten 30 und den Umwandlungszellen 20 angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform definiert das Dichtungselement 40 eine offene, im Wesentlichen rechtwinklige Form, die so bemessen ist, dass zumindest ein Teil des Außenumfangs, der die Strömungsfeldkanäle 35 umgibt, abgedichtet wird.
Bezugnehmend auf 5 können die Dichtungselemente für die Umwandlungsanordnung auch in Membranelektrodenanordnungen 200 von elektrochemischen Umwandlungszellen integriert sein. Die Membranelektrodenanordnung 200 kann Mehrschichtanordnungen umfassen, beispielsweise die 7-Schichtanordnung von 5, wodurch die Anordnung der Dichtung des Dichtungselements variieren kann. Wie in 5 gezeigt ist, wird zumindest eine Dichtungselementmembran 220 auf die Membran 210 geformt. Bei dieser Ausführungsform definiert das Dichtungselement 220 eine offene, im Wesentlichen rechtwinklige Form, die so bemessen ist, dass der Außenumfang der Membran 210 abgedichtet wird. Die Membranelektrodenanordnung 200 kann ferner zumindest eine Elektrodenschicht 230 und zumindest eine Gasdispersionsschicht 240 umfassen. 5 zeigt zwei Elektrodenschichten, eine mit einer Anodenschicht und die andere mit einer Kathodenschicht. Bei einer beispielhaften Ausführungsform, wie in 5 gezeigt ist, sind die Elektrodenschicht 230 und die Gasdispersionsschicht 240 in der Öffnung des Dichtungselements 220 angeordnet, um eine Reaktandenströmung durch die Membranelektrodenanordnung 200 zu erleichtern. Bei einer weiteren Ausführungsform kann die elektrochemische Umwandlungsanordnung 10 Dichtungselemente auf den Bipolarplatten und Membranen umfassen, wie in den 2 und 5 gezeigt ist. Zusätzlich zu den hier beschriebenen Dichtungselementen sind andere Dichtungselementformen, -größen und -konfigurationen, die dem Fachmann bekannt sind, hier denkbar.
Die Dichtungselemente für die Umwandlungsanordnung umfassen eine Mischung, die Polyvinylidenfluorid (PVDF) umfasst. Bei einer Ausführungsform umfasst die Mischung ein PVDF-Homopolymer, beispielsweise Hylar^® 461, das von Solvay Solexis^® erzeugt wird. Bei einer noch weiteren Ausführungsform umfasst die Mischung zumindest ein Lösemittel. Das Lösemittel kann ein beliebiges geeignetes Material umfassen, das wirksam ist, ein PVDF-Material zu lösen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist das Lösemittel ein Carbonatlösemittel, das Propylencarbonat, Ethylencarbonat oder Kombinationen daraus umfasst. Das PVDF-Material kann so gewählt sein, dass es sich in Carbonaten gut löst. Beim Lösen wird eine Paste gebildet, die an oder auf eine Membran einer Elektrodenmembrananordnung oder einer Bipolarplatte geformt werden kann. Beispielsweise und ohne Beschränkung kann die Paste eine Zusammensetzung von 60 Gew.-% PVDF-Homopolymer und 40 Gew.-% Propylencarbonat umfassen.
Es ist denkbar, dass jedes geeignete PVDF-Material verwendet werden kann; jedoch kann ein PVDF-Homopolymer, wie Hylar^® 461, zusätzliche Vorteile vorsehen. Im Gegensatz zu typischen Fluorkohlenwasserstoffen löst sich Hylar^® in einem Ethylen-/Propylencarbonat, was ermöglicht, dass Hylar^® in eine Bipolarplatte spritzgegossen werden kann. Ferner ist es, da es aus der Teflonfamilie stammt, chemisch inert und kann direkt auf die Membran der MEA aufgebracht werden.
Im Gegensatz dazu besitzt Hylar^® eine überlegene chemische Stabilität, was seine Wirksamkeit in dem Dichtungselement fördert. Hylar^® besitzt eine Dichte von etwa 1,76 cm³ und einen Schmelzpunkt von etwa 158 bis etwa 160°C. Hylar^® weist eine exzellente thermische Stabilität auf. Beispielsweise weist Hylar^® bei hohen Temperaturen nur einen Massenverlust von 1% in N₂ bei einer Temperatur von 410°C auf. Die Hochtemperaturstabilität ermöglicht, dass Hylar als ein Dichtungselementmaterial in unter hoher Temperatur arbeitenden Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellenstapeln verwendet werden kann, in denen Hylar-Dichtungselemente mit Membranen bei Betriebstemperaturen zwischen etwa 120°C bis etwa 150°C und wesentlich größeren Temperaturen in Kontakt stehen können.
Hylar^® ist auch bei geringeren Temperaturen thermisch stabil, beispielsweise bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt. Beispielsweise weist Hylar^® eine Glasübergangstemperatur von etwa –39°C auf. Hylar^® ist auch zur Verwendung in einer Dichtung des Dichtungselements erwünscht, da es ein elektrisch isolierendes Material ist. Beispielsweise besitzt Hylar^® einen spezifischen Volumenwiderstand von etwa 1 × 10¹⁵ Ohm-cm bei 23°C und eine dielektrische Festigkeit von etwa 6 kV/mm. Im Gegensatz zu anderen Fluorpolymeren oder anderen Dichtungselementen, wie Dichtungselementen auf Gummi- oder Silikonbasis, ist Hylar^® chemisch inert. Beispielsweise reagiert oder absorbiert Hylar^® kein Wasser, wie durch eine Wasserabsorption von nur etwa 0,02 Gew.-% demonstriert wird. Da das Hylar^® typischerweise in einem Brennstoffzellendichtungselement komprimiert wird, kann die Wasserabsorption des Dichtungselements sogar kleiner als 0,02 Gew.-% sein. Ferner weist Hylar^® solide mechanische Eigenschaften auf, die zu seiner Langzeitstabilität beitragen. Beispielsweise weist Hylar^® eine Bruchdehnung von etwa 100% und eine Streckdehnung von etwa 10% auf. Überdies besitzt Hylar^® ein Zugmodul von etwa 190000 psi oder etwa 1310 MPa.
Eine Herstellung einer elektrochemischen Umwandlungsanordnung, bei der ein Dichtungselement 40 an der Bipolarplatte 30 vorgesehen wird, wie in 2, oder bei der ein Dichtungselement 220 an der Membran 210 vorgesehen wird, wie in 5, kann verschiedene Verfahren anwenden, wie dem Fachmann bekannt ist. Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren, das eine Vielzahl elektrochemischer Umwandlungszellen und eine Vielzahl elektrisch leitender Bipolarplatten vorgesehen werden und eine Mischung, die Polyvinylidenfluorid (PVDF) und ein Lösemittel umfasst, durch Lösen des PVDF in dem Lösemittel gebildet wird. Wie oben beschrieben ist, sind viele brauchbare PVDF-Lösemittelzusammensetzungen möglich, beispielsweise eine Pastenformulierung, die PVDF-Homopolymer Hylar^® 461 umfasst, das in Propylen- oder Ethylencarbonat gelöst ist. Die Mischung kann dann auf die Vielzahl von Bipolarplatten oder Membranelektrodenanordnungen aufgebracht werden. Die Mischung kann über ein beliebiges geeignetes Aufbring- oder Abscheidungsverfahren aufgebracht werden, das in der Technik bekannt ist, beispielsweise Siebdrucken und Bürsten. Bei einer beispielhaften Ausführungsform wird die Mischung auf die Bipolarplatten oder Membranelektrodenanordnungen durch einen Spritzgussprozess geformt. Nach einer Aufbringung wird die Mischung unter Druck bei einer Temperatur und einer Dauer erhitzt, die ausreichend sind, um eine Vielzahl von Dichtungselementen für die Umwandlungsanordnung auf der Vielzahl von Bipolarplatten, auf den Membranelektrodenanordnungen oder auf beiden zu bilden. Beim Erhitzen kann die Temperatur im Bereich zwischen etwa 150°C bis etwa 200°C über eine Dauer von bis zu etwa 5 Stunden liegen. Der Druck kann durch eine Heißpresse oder eine beliebige andere geeignete Druckaufbringvorrichtung aufgebracht werden, wie es dem Fachmann bekannt ist. Bei einer beispielhaften Ausführungsform wurde eine Pastenmischung, die Hylar^® 461 und Propylencarbonat umfasst, in ein Dichtungselement durch Heißpressen der Mischung für 3 Minuten bei 160°C geformt. Andere Prozessparameter und/oder -schritte sind hier ebenfalls denkbar.
Wie oben angemerkt ist, liegt der spezifische Aufbau der Umwandlungsanordnung 10 und der einzelnen Umwandlungszellen 20 jenseits des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung. Es sei jedoch angemerkt, dass typische Umwandlungsanordnungen jeweilige Membranelektrodenanordnungen umfassen, die derart ausgebildet sind, um mit wasserstoff haltigem Gas und Luft als den jeweiligen Reaktandenversorgungen zu arbeiten. Wiederum nur veranschaulichend und nicht beschränkend können die elektrochemischen Umwandlungszellen 20 jeweilige Elektrolytmembrane, Gasdiffusionsschichten, katalytische Komponenten, kohlenstoffhaltige Komponenten, elektrisch leitende Komponenten und Kombinationen daraus umfassen. Schließlich ist es, obwohl die Bipolarplatten 30, die in den 1 und 2 gezeigt sind, ein Strömungsfeld umfassen, das zwischen den entgegengesetzten, elektrisch leitenden Seiten der Bipolarplatte 30 definiert ist, denkbar, dass geeignete Bipolarplattenkonfigurationen kein Strömungsfeld aufweisen müssen.
Bezug nehmend auf 4 kann eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ein Fahrzeug 100 und eine elektrochemische Umwandlungsanordnung 110 gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen. Die elektrochemische Umwandlungsanordnung 110 kann so ausgebildet sein, dass sie zumindest teilweise das Fahrzeug 100 mit Antriebsleistung versieht. Das Fahrzeug 100 kann auch ein Brennstoffverarbeitungssystem oder eine Brennstoffquelle 120 aufweisen, die derart ausgebildet ist, um die elektrochemische Umwandlungsanordnung 110 mit Brennstoff zu versorgen.
Obwohl die vorliegende Erfindung nicht auf spezifische Reaktandenzusammensetzungen beschränkt ist, sei für diejenigen, die die vorliegende Erfindung ausführen und mit der Brennstoffzellentechnologie allgemein vertraut sind, angemerkt, dass die erste Reaktandenversorgung R₁ typischerweise Sauerstoff und Stickstoff umfasst, während die zweite Reaktandenversorgung R₂ Wasserstoff umfasst.
Es sei angemerkt, dass Begriffe wie "bevorzugt", "üblicherweise" und "typischerweise" hier nicht dazu verwendet sind, den Schutzumfang der bean spruchten Erfindung zu beschränken oder zu implizieren, dass bestimmte Merkmale kritisch, wesentlich oder sogar wichtig für den Aufbau oder die Funktion der beanspruchten Erfindung sind. Vielmehr sind diese Begriffe lediglich dazu bestimmt, alternative oder zusätzliche Merkmale hervorzuheben, die bei einer bestimmten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, jedoch nicht müssen.
Für die Zwecke der Beschreibung und Definition der vorliegenden Erfindung sei angemerkt, dass der Begriff "Vorrichtung" hier dazu verwendet ist, eine Kombination von Komponenten und einzelne Komponenten zu repräsentieren, ungeachtet dessen, ob die Komponenten mit anderen Komponenten kombiniert sind. Beispielsweise kann eine "Vorrichtung" gemäß der vorliegenden Erfindung eine elektrochemische Umwandlungsanordnung oder Brennstoffzelle, ein Fahrzeug, das eine elektrochemische Umwandlungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält, etc. umfassen.
Für die Zwecke der Beschreibung und Definition der vorliegenden Erfindung sei angemerkt, dass der Begriff "im Wesentlichen" hier dazu verwendet ist, den inhärenten Grad an Unsicherheit zu repräsentieren, der einem quantitativen Vergleich, einem Wert, einer Messung oder einer anderen Darstellung zueigen ist. Der Begriff "im Wesentlichen" ist hier auch dazu verwendet, den Grad zu repräsentieren, um den eine quantitative Darstellung von einer festgelegten Referenz abweichen kann, ohne in einer Änderung der Grundfunktion des betreffenden Gegenstandes zu resultieren.
Mit der detaillierten Beschreibung der Erfindung und durch Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen derselben wird offensichtlich, dass Modifikationen und Abwandlungen ohne Abweichung vom Schutzumfang der Erfindung, der in den angefügten Ansprüchen definiert ist, möglich sind. Genauer ist es, obwohl einige Aspekte der vorliegenden Erfindung hier als bevorzugt oder besonders vorteilhaft bezeichnet sind, denkbar, dass die vorliegende Erfindung nicht unbedingt auf diese bevorzugten Aspekte der Erfindung begrenzt ist.

Claims

Vorrichtung mit einer elektrochemischen Umwandlungsanordnung, wobei die elektrochemische Umwandlungsanordnung umfasst: eine Vielzahl elektrochemischer Umwandlungszellen; eine Vielzahl elektrisch leitender Bipolarplatten, wobei die elektrochemischen Umwandlungszellen zwischen benachbarten Bipolarplatten angeordnet sind; und eine Vielzahl von Dichtungselementen für die Umwandlungsanordnung, wobei jeweilige Dichtungselemente für die Umwandlungsanordnung auf entsprechende der Vielzahl von Bipolarplatten geformt sind und die Dichtungselemente für die Umwandlungsanordnung eine Mischung umfassen, die Polyvinylidenfluorid (PVDF) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mischung ein PVDF-Homopolymer umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das PVDF-Homopolymer eine Dichte von etwa 1,76 cm³ umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das PVDF-Homopolymer einen Schmelzpunkt von etwa 158 bis etwa 160°C umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das PVDF-Homopolymer einen Massenverlust von etwa 1% in N₂ bei einer Temperatur von 410°C aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das PVDF-Homopolymer eine Glasübergangstemperatur von etwa –39°C aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das PVDF-Homopolymer einen spezifischen Volumenwiderstand von etwa 1 × 10¹⁵ Ohm-cm bei 23°C umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das PVDF-Homopolymer eine dielektrische Festigkeit von etwa 6 kV/mm umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das PVDF-Homopolymer eine maximale Wasserabsorption von etwa 0,02 Gew.-% umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das PVDF-Homopolymer eine Bruchdehnung von etwa 100% und eine Streckdehnung von etwa 10% umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das PVDF-Homopolymer ein Zugmodul von etwa 1310 MPa umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mischung zumindest ein Lösemittel umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei das Lösemittel ein Carbonatlösemittel ist, das Propylencarbonat, Ethylencarbonat oder Kombinationen daraus umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mischung 60 Gew.-% PVDF-Homopolymer und 40 Gew.-% Propylencarbonat umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Bipolarplatten ein Strömungsfeld umfassen, das zwischen entgegengesetzten, elektrisch leitenden Seiten der Bipolarplatte definiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die elektrochemischen Umwandlungszellen ferner jeweilige Membranelektrodenanordnungen, Elektrolytmembrane, Gasdiffusionsschichten, katalytische Komponenten, kohlenstoffhaltige Komponenten, elektrisch leitende Komponenten und Kombinationen daraus umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner mit einem Brennstoffverarbeitungssystem oder mit einer Brennstoffquelle zur Lieferung eines wasserstoffhaltigen Gases an die elektrochemische Umwandlungsanordnung.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung ein Fahrzeug ist; und die elektrochemische Umwandlungsanordnung derart ausgebildet ist, um das Fahrzeug zumindest teilweise mit Antriebsleistung zu versehen.
Vorrichtung mit einer elektrochemischen Umwandlungsanordnung, wobei die elektrochemische Umwandlungsanordnung umfasst: eine Vielzahl elektrochemischer Umwandlungszellen, wobei jede Umwandlungszelle Membranelektrodenanordnungen umfasst; eine Vielzahl elektrisch leitender Bipolarplatten, wobei die elektrochemischen Umwandlungszellen zwischen benachbarten Bipolarplatten angeordnet sind; und eine Vielzahl von Dichtungselementen für die Umwandlungsanordnung, die auf die Membranelektrodenanordnungen geformt sind, wobei die Dichtungselemente für die Umwandlungsanordnung eine Mischung umfassen, die Polyvinylidenfluorid (PVDF) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei die Membranelektrodenanordnungen zumindest eine Polymerelektrolytschicht, zumindest eine Anodenschicht und zumindest eine Kathodenschicht umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 19, ferner mit Dichtungselementen für die Umwandlungsanordnung, die auf die Vielzahl von Bipolarplatten geformt sind.
Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Umwandlungsanordnung, umfassend, dass: eine Vielzahl elektrochemischer Umwandlungszellen und eine Vielzahl elektrisch leitender Bipolarplatten vorgesehen werden; eine Mischung, die Polyvinylidenfluorid (PVDF) und ein Lösemittel umfasst, durch Lösen des PVDF in dem Lösemittel gebildet wird; die Mischung auf die Vielzahl von Bipolarplatten aufgebracht wird; und die Mischung unter Druck bei einer Temperatur und einer Dauer erhitzt wird, die ausreichend sind, um eine Vielzahl von Dichtungselementen für die Umwandlungsanordnung auf der Vielzahl von Bipolarplatten zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Dichtungselemente durch einen Spritzgussprozess aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Temperatur zwischen etwa 150°C und etwa 200°C liegt.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Dauer bis zu etwa 5 Stunden beträgt.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei der Druck durch eine Heißpresse aufgebracht wird.
Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Umwandlungsanordnung, umfassend, dass: eine Vielzahl elektrochemischer Umwandlungszellen, die Elektrodenmembrananordnungen umfassen, und eine Vielzahl elektrisch leitender Bipolarplatten vorgesehen werden; eine Mischung, die Polyvinylidenfluorid (PVDF) und ein Lösemittel umfasst, durch Lösen des PVDF in dem Lösemittel gebildet wird; die Mischung auf die Membranelektrodenanordnungen aufgebracht wird; und die Mischung unter Druck bei einer Temperatur und einer Dauer erhitzt wird, die ausreichend sind, um eine Vielzahl von Dichtungselementen für die Umwandlungsanordnung an den Membranelektrodenanordnungen zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 27, ferner umfassend, dass: die Mischung auf die Vielzahl von Bipolarplatten aufgebracht wird; und die Mischung unter Druck bei einer Temperatur und einer Dauer erhitzt wird, die ausreichend sind, um eine Vielzahl von Dichtungs elementen für die Umwandlungsanordnung an der Vielzahl von Bipolarplatten zu bilden.