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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung für eine elektrochemische Vorrichtung, welche ein erstes Bauteil und ein zweites Bauteil der elektrochemischen Vorrichtung umfasst.
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In einer elektrochemischen Vorrichtung, beispielsweise in einem Brennstoffzellenstapel, müssen die mit fluiden Medien, beispielsweise Oxidationsmittel, Brenngas oder Kühlmittel, gefüllten Räume gegenüber der äußeren Umgebung und gegenüber mit anderen Medien gefüllten Räumen abgedichtet werden. Hierfür werden Dichtungen zwischen in einer Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung aufeinanderfolgenden Bipolarplatten und zwischen den Bipolarplatten und elektrochemisch aktiven Membran-Elektroden-Einheiten der elektrochemischen Vorrichtung angeordnet.
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Zum Abdichten von Brennstoffzellenstacks werden beispielsweise profilierte Dichtungen eingesetzt, die auf eine Bipolarplatte, auf eine Membran-Elektroden-Einheit oder auf eine Gasdiffusionslage appliziert werden oder separat hergestellt und bei der Montage in den Brennstoffzellenstapel eingelegt werden. Zum Herstellen von solchen profilierten Dichtungen im Spritzgussprozess direkt auf den jeweiligen Bauteilen wird jedoch eine sehr lange Prozesszeit benötigt.
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Ferner ist es bekannt, Sicken in eine metallische Bipolarplatte einzuprägen und zur Mikroabdichtung mit einer dünnen Elastomerschicht zu versehen.
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Außerdem ist es bekannt, eine Elastomer-Flachdichtung dahingehend zu modifizieren, dass auf der Oberfläche der Elastomer-Flachdichtung eine erhabene Dichtungsstruktur in Form eines hexagonalen oder quadratischen Netzes gebildet wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dichtungsanordnung für eine elektrochemische Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche rasch und einfach herstellbar ist, eine gute Dichtwirkung bei geringer Kraftaufnahme aufweist und einen Toleranzausgleich zwischen den abzudichtenden Bauteilen bei der Montage der elektrochemischen Vorrichtung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch eine Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 gelöst, welche mindestens eine an einem der Bauteile angeordnete Dichtstruktur mit mindestens einem längs einer Dichtlinie verlaufenden Dichtvorsprung und eine über die Dichtlinie seitlich überstehende Dichtungsmateriallage, die im Bereich der Dichtlinie durch den Dichtvorsprung verpresst ist, umfasst.
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Der vorliegenden Erfindung liegt somit das Konzept zugrunde, eine Dichtungsstruktur auf mindestens einem der abzudichtenden Bauteile, die direkt in das jeweilige Bauteil eingeformt sein kann, mit einem flächigen Dichtungselement in Form der Dichtungsmateriallage zu kombinieren.
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Der Dichtvorsprung bildet dabei eine Dichtkante, und die vorzugsweise im Wesentlichen ebene Dichtungsmateriallage wird zwischen dieser Dichtkante und einer gegenüberliegenden Dichtkante an dem anderen abzudichtenden Bauteil oder einer im Wesentlichen ebenen Gegenfläche des anderen abzudichten Bauteils lokal verpresst.
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Mindestens eines der abzudichtenden Bauteile, insbesondere eine Bipolarplatte, umfasst vorzugsweise ein metallisches Material oder ein graphitisches Material und ist besonders bevorzugt im Wesentlichen vollständig aus einem metallischen Material oder aus einem graphitischen Material gebildet.
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Die Dichtstruktur kann durch einen Umformvorgang, insbesondere einen Prägevorgang, an dem jeweiligen Bauteil ausgebildet sein.
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Vorzugsweise wird die Dichtstruktur zusammen mit anderen Strukturen des Bauteils, die durch einen Umformvorgang erzeugt werden, in einem einzigen Umformvorgang hergestellt.
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Vorzugsweise wird die Dichtungsmateriallage beim Verpressen nur im Bereich des Dichtvorsprungs komprimiert und wird in den übrigen Bereichen ausreichend Volumen zur Verfügung gestellt, in welches das Material der Dichtungsmateriallage expandieren kann.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Volumen zwischen der Dichtungsmateriallage und den abzudichtenden Bauteilen im verpressten Zustand im Wesentlichen vollständig mit dem Material der Dichtungsmateriallage gefüllt ist.
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Soweit ein freies Restvolumen zwischen der Dichtungsmateriallage und den abzudichtenden Bauteilen im verpressten Zustand verbleibt, ist dieses Restvolumen vorzugsweise kleiner als 10% des Volumens der Dichtungsmateriallage im verpressten Zustand.
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Die Dichtungsmateriallage kann an dem Rand einer Membran einer Membran-Elektroden-Einheit (MEA) der elektrochemischen Vorrichtung, an einer katalysatorbeschichteten Membran (CCM), an einem Verstärkungsrand einer Membran (sogenanntes "Subgasket") und/oder an einer Gasdiffusionslage festgelegt sein.
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Diese Festlegung kann beispielsweise durch Laminieren oder Kleben erfolgen.
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Ferner ist es möglich, die Dichtungsmateriallage durch ein Musterdruckverfahren, insbesondere ein Siebdruckverfahren, an einem der abzudichtenden Bauteile zu erzeugen.
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Eine im Siebdruckverfahren auf eines der Bauteile aufgebrachte Dichtungsmaterialschicht kann zusammen mit einer in das andere Bauteil eingeformten Dichtstruktur verwendet werden.
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Mittels der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung kann insbesondere direkt zwischen zwei Bipolarplatten oder zwischen einer Bipolarplatte und einem Bestandteil der elektrochemisch aktiven Membran-Elektroden-Einheit, beispielsweise einem "Subgasket", abgedichtet werden.
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Das erste Bauteil und das zweite Bauteil der Dichtungsanordnung können somit beispielsweise beide als Bipolarplatten ausgebildet sein.
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Alternativ hierzu kann beispielsweise auch vorgesehen sein, dass eines der beiden Bauteile als eine Bipolarplatte und das jeweils andere Bauteil als ein Zellrahmen, ein Zwischenrahmen und/oder ein "Subgasket" der elektrochemischen Vorrichtung ausgebildet ist.
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Die Dichtungsmateriallage wird vorzugsweise aus einem im Wesentlichen flächigen Ausgangsmaterial herausgetrennt, beispielsweise ausgeschnitten oder ausgestanzt.
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Die Dichtungsmateriallage kann auf einer Seite an einem Träger, beispielsweise an einem "Subgasket", festgelegt werden, insbesondere stoffschlüssig, beispielsweise durch Verklebung, und auf der gegenüberliegenden Seite mit einer Dichtstruktur der Dichtungsanordnung verpresst werden.
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Die Dichtungsmateriallage steht vorzugsweise seitlich, insbesondere auf beiden Seiten, über den Dichtvorsprung der Dichtstruktur über.
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Im unverpressten und/oder im verpressten Zustand ist die Dichtungsmateriallage außerhalb des Bereichs des Dichtvorsprungs vorzugsweise im Wesentlichen unstrukturiert, insbesondere eben, ausgebildet.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Dichtungsmateriallage ein elastisch verformbares Abdichtmaterial, insbesondere ein elastomeres Kunststoffmaterial.
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Besonders günstig ist es, wenn die Dichtungsmateriallage im Wesentlichen vollständig aus einem solchen elastisch verformbaren Abdichtmaterial, insbesondere einem elastomeren Kunststoffmaterial, gebildet ist.
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Die Dichtungsmateriallage der Dichtungsanordnung kann separat von dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil gebildet sein.
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Vorzugsweise ist die Dichtungsmateriallage zweidimensional strukturiert, so dass sie an den Verlauf der Dichtlinien der Dichtstruktur angepasst ist.
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Die Dichtungsmateriallage kann insbesondere durch Heraustrennen, insbesondere Ausschneiden oder Ausstanzen, aus einem, vorzugsweise im Wesentlichen flächigen oder ebenen, Ausgangsmaterial hergestellt sein.
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Die Dichtungsmateriallage kann mit dem ersten Bauteil und/oder mit dem zweiten Bauteil oder mit einem anderen Bauteil der elektrochemischen Vorrichtung stoffschlüssig, insbesondere durch Verklebung, verbunden sein.
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Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass die Dichtungsmateriallage durch Verpressung zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil gehalten ist.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass die Dichtungsmateriallage an dem ersten Bauteil und/oder an dem zweiten Bauteil erzeugt ist.
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Insbesondere kann die Dichtungsmateriallage durch ein Musterdruckverfahren, insbesondere ein Siebdruckverfahren, an dem ersten Bauteil und/oder an dem zweiten Bauteil erzeugt sein. Hierdurch ist in einfacher Weise eine zweidimensionale Strukturierung der Dichtungsmateriallage möglich.
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Zur Verbesserung der Abdichtwirkung kann die Dichtstruktur mehrere Dichtlinien aufweisen, welche insbesondere ein zweidimensionales Dichtmuster bilden können.
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Das Dichtmuster kann beispielsweise als ein Rechteckgitter, insbesondere ein Quadratgitter, oder ein hexagonales Gitter ausgebildet sein.
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Das Dichtmuster kann Verzweigungspunkte enthalten, an denen mehrere Dichtlinien aneinanderstoßen.
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Ferner kann das Dichtmuster Kreuzungspunkte enthalten, an denen sich zwei oder mehr Dichtlinien kreuzen.
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Bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass beide Bauteile mit jeweils einer Dichtstruktur versehen sind, die mindestens einen längs einer Dichtlinie verlaufenden Dichtvorsprung aufweist.
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Dabei ist es besonders günstig, wenn die Dichtlinien der Dichtstrukturen der beiden Bauteile – längs einer Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung gesehen – im Wesentlichen kongruent zueinander ausgebildet sind.
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In der Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung folgen mehrere elektrochemische Einheiten der elektrochemischen Vorrichtung aufeinander.
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Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass nur eines der beiden Bauteile mit einer Dichtstruktur versehen ist und das jeweils andere Bauteil im Bereich der Dichtstruktur im Wesentlichen unstrukturiert, insbesondere im Wesentlichen eben, ausgebildet ist. Hierdurch wird die Toleranz gegenüber einem Versatz der beiden abzudichtenden Bauteile während der Montage der elektrochemischen Vorrichtung erhöht und werden die Anforderungen an die Genauigkeit der Relativpositionierung der beiden Bauteile reduziert.
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Insbesondere um den Dichtspalt zu verkleinern, welcher von der Dichtungsmateriallage zu überbrücken ist, kann vorgesehen sein, dass die Dichtstruktur zumindest teilweise an einem abgekröpften Bereich des Bauteils und/oder an einer elastisch verformbaren Sicke angeordnet ist.
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Durch eine elastisch verformbare Sicke wird ein zusätzlicher Federweg bereitgestellt, so dass die Dichtungsmateriallage dünner ausgebildet sein kann.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens eines der Bauteile eine Bipolarplatte ist.
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Die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung eignet sich insbesondere zur Verwendung in einer elektrochemischen Vorrichtung, welche mindestens eine erfindungsgemäße Dichtungsanordnung und mindestens eine elektrochemisch aktive Zelle umfasst.
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Die elektrochemisch aktive Zelle kann insbesondere eine Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit sein.
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Die elektrochemische Vorrichtung kann insbesondere als ein Brennstoffzellenstapel, insbesondere ein PEM(Polymerelektrolytmembran)-Brennstoffzellenstapel, oder ein Elektrolyseur ausgebildet sein.
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Die Dichtungsmateriallage kann an einem Trägerelement der elektrochemisch aktiven Zelle, beispielsweise an einem Membranrand oder einem Verstärkungsrand der Membran ("Subgasket") angeordnet sein.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Dichtungsanordnung für eine elektrochemische Vorrichtung.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein solches Verfahren zu schaffen, welches rasch und einfach durchführbar ist, eine Dichtungsanordnung mit guter Dichtwirkung bei geringer Kraftaufnahme ergibt und einen Toleranzausgleich bei der Montage der elektrochemischen Vorrichtung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Herstellen einer Dichtungsanordnung für eine elektrochemische Vorrichtung gelöst, welches Folgendes umfasst:
- – Erzeugen einer Dichtstruktur mit mindestens einem längs einer Dichtlinie verlaufenden Dichtvorsprung an mindestens einem von zwei Bauteilen;
- – Inkontaktbringen der Dichtstruktur mit einer Dichtungsmateriallage, die seitlich über die Dichtlinie übersteht;
- – Verpressen der Dichtungsmateriallage derart, dass die Dichtungsmateriallage im Bereich des Dichtvorsprungs verformt wird.
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Besondere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind bereits vorstehend im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung beschrieben worden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
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In den Zeichnungen zeigen:
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1 einen schematischen ausschnittsweisen Schnitt durch eine Dichtungsanordnung einer elektrochemischen Vorrichtung, welche ein erstes Bauteil und ein zweites Bauteil und an beiden Bauteilen angeordnete Dichtstrukturen mit jeweils einem längs einer Dichtlinie verlaufenden Dichtvorsprung sowie eine über die Dichtlinien seitlich überstehende Dichtungsmateriallage umfasst, wobei die Dichtungsmateriallage noch nicht verpresst worden ist;
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2 einen der 1 entsprechenden schematischen ausschnittsweisen Schnitt durch die Dichtungsanordnung aus 1, nachdem die Dichtungsmateriallage im Bereich der Dichtlinien durch die Dichtvorsprünge verpresst worden ist;
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3 eine schematische perspektivische Darstellung einer Dichtstruktur mit mehreren Dichtlinien, welche ein zweidimensionales Dichtmuster, insbesondere ein Rechteckgitter, bilden;
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4 eine schematische Draufsicht auf die Dichtlinien einer Dichtstruktur, welche ein zweidimensionales Dichtmuster in Form eines Rechteckgitters bilden, wobei die Verzweigungspunkte des Dichtmusters so angeordnet sind, dass keine Kreuzungspunkte vorhanden sind;
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5 eine Draufsicht auf die Dichtlinien einer Dichtstruktur, welche ein zweidimensionales Dichtmuster in Form eines hexagonalen Gitters bilden;
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6 einen schematischen ausschnittsweisen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform einer Dichtungsanordnung, bei welcher eines der abzudichtenden Bauteile mit einer Abkröpfung oder Sicke versehen ist, an welcher ein Dichtvorsprung ausgebildet ist;
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7 einen schematischen ausschnittsweisen Schnitt durch eine dritte Ausführungsform einer Dichtungsanordnung, bei welcher eines der abzudichtenden Bauteile mit einer Abkröpfung oder Sicke versehen ist, an welcher ein Dichtvorsprung ausgebildet ist, und das andere abzudichtende Bauteil mit einer Abkröpfung oder Sicke versehen ist, welche dem Dichtvorsprung gegenüberliegt;
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8 einen schematischen ausschnittsweisen Schnitt durch eine vierte Ausführungsform einer Dichtungsanordnung, bei welcher eines der abzudichtenden Bauteile mit einer Abkröpfung oder Sicke versehen ist, an welcher ein Dichtvorsprung ausgebildet ist, das andere abzudichtende Bauteil mit einer Abkröpfung oder Sicke versehen ist, welche dem Dichtvorsprung gegenüberliegt, und die Dichtungsmateriallage an dem zweiten Bauteil durch ein Musterdruckverfahren, insbesondere ein Siebdruckverfahren, gebildet ist;
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9 einen schematischen ausschnittsweisen Schnitt durch eine fünfte Ausführungsform einer Dichtungsanordnung, bei welcher nur eines der abzudichtenden Bauteile mit einer Dichtstruktur versehen ist, welche einen Dichtvorsprung umfasst, während das andere abzudichtende Bauteil im Bereich der Dichtstruktur des anderen Bauteils im Wesentlichen unstrukturiert, insbesondere im Wesentlichen eben, ausgebildet ist; und
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10 eine schematische perspektivische Darstellung einer Fluidverbindung zwischen einem Mediumkanal und einem Strömungsfeld einer Bipolarplatte einer elektrochemischen Vorrichtung durch Strömungskanäle in Form von Unterführungen und durch eine Verbindungsöffnung in einem Teil der Bipolarplatte hindurch.
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Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
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Eine in den 1 bis 3 ausschnittsweise dargestellte elektrochemische Vorrichtung 100, beispielsweise ein Brennstoffzellenstapel oder ein Elektrolyseur, umfasst mehrere in einer Stapelrichtung 102 aufeinandergestapelte elektrochemische Einheiten 104, von denen in den 1 und 2 nur eine dargestellt ist, zusammen mit einer Bipolarplatte 106' einer angrenzenden elektrochemischen Einheit 104.
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Die elektrochemische Einheit 104 umfasst eine elektrochemisch aktive Zelle 108, beispielsweise eine Membran-Elektroden-Einheit 110 mit einer ersten Gasdiffusionslage 112, einer zweiten Gasdiffusionslage 114 und einem zwischen der ersten Gasdiffusionslage 112 und der zweiten Gasdiffusionslage 114 angeordneten Elektrolyten 116, sowie eine Bipolarplatte 106.
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Zum fluiddichten Abdichten zwischen der Bipolarplatte 106 und der in der Stapelrichtung 102 auf diese Bipolarplatte 106 folgenden Bipolarplatte 106' ist eine Dichtungsanordnung 118 vorgesehen, welche als abzudichtendes erstes Bauteil 120 die Bipolarplatte 106', als abzudichtendes zweites Bauteil 122 die Bipolarplatte 106 und eine zwischen dem ersten Bauteil 120 und dem zweiten Bauteil 122 angeordnete Dichtungsmateriallage 124 umfasst.
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Die Dichtungsanordnung umfasst ferner eine erste Dichtstruktur 124, welche in das erste Bauteil 120 eingeformt, insbesondere eingeprägt, ist, und eine zweite Dichtstruktur 126, welche in das zweite Bauteil 122 eingeformt, insbesondere eingeprägt, ist. Jede der Dichtstrukturen 124 und 126 umfasst jeweils einen längs einer Dichtlinie 128 beziehungsweise 130 verlaufenden Dichtvorsprung 132 beziehungsweise 134, welcher von dem jeweils zugeordneten Bauteil 120 beziehungsweise 122 zu der Dichtungsmateriallage 123 hin vorspringt.
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In dem in 1 dargestellten Ausgangszustand, in welchem die Dichtvorsprünge 132 und 134 im Wesentlichen spannungsfrei an einander abgewandten Abdichtflächen 136 beziehungsweise 138 der Dichtungsmateriallage 123 anliegen, verbleibt beiderseits der Dichtlinien 128 beziehungsweise 130 jeweils ein Expansionsvolumen VE zwischen der Dichtungsmateriallage 123 und dem jeweiligen Bauteil 120 beziehungsweise 122. In diese Expansionsvolumina kann das Material der Dichtungsmateriallage 123 expandieren, wenn die Dichtungsmateriallage 123 zwischen den Bauteilen 120 und 122 verpresst wird, wie dies in 2 dargestellt ist.
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Durch den Pressvorgang, welcher beispielsweise beim Verspannen der elektrochemischen Einheiten 104 der elektrochemischen Vorrichtung 100 längs der Stapelrichtung 102 gegeneinander (mittels einer nicht dargestellten Spannvorrichtung) erfolgen kann, graben sich die Dichtvorsprünge 132 und 134 in das Material der Dichtungsmateriallage 123 hinein, so dass in der Dichtungsmateriallage zu den Dichtvorsprüngen 132 und 134 komplementäre Ausnehmungen 140 beziehungsweise 142 gebildet werden.
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Auch außerhalb des Bereichs der Dichtvorsprünge 132 und 134 liegt die Dichtungsmateriallage 123 nach dem Verpressen vorzugsweise im Wesentlichen flächig an dem ersten Bauteil 120 und an dem zweiten Bauteil 122 an.
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Die im Ausgangszustand (1) vorhandenen Expansionsvolumina VE sind nach dem Verpressen im Wesentlichen vollständig mit dem Material der Dichtungsmateriallage 123 gefüllt.
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Falls auch nach dem Verpressen Zwischenräume zwischen der Dichtungsmateriallage 123 und den Bauteilen 120 und 122 verbleiben, so beträgt deren Gesamtvolumen vorzugsweise weniger als 10% des Volumens der Dichtungsmateriallage 123 im verpressten Zustand.
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Das erste Bauteil 120 und/oder das zweite Bauteil 122 der elektrochemischen Vorrichtung 100 ist aus einem bei Einwirkung der Dichtkräfte im Wesentlichen formstabilen verformbaren Material, insbesondere aus einem metallischen oder graphitischen Material, gebildet.
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Die Dichtungsmateriallage 123 ist aus einem durch die Dichtvorsprünge 132 und 134 plastisch und/oder elastisch verformbaren Material gebildet.
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Vorzugsweise ist das Material der Dichtungsmateriallage 123 elastisch verformbar, damit Schwankungen in der Höhe des Dichtspalts zwischen den beiden Bauteilen 120 und 122 auch nach dem Verpressen der Dichtungsmateriallage 123, insbesondere im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100, ausgeglichen werden können.
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Besonders günstig ist es, wenn die Dichtungsmateriallage 123 aus einem Elastomermaterial gebildet ist.
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Vorzugsweise wird die Dichtungsmateriallage 123 in einer an den Verlauf der Dichtlinien 128 und 130 angepassten Form aus einem flächigen Ausgangsmaterial herausgetrennt, beispielsweise ausgestanzt oder ausgeschnitten.
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In dem in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Dichtungsmateriallage 123 an einem Rand der Membran 116 festgelegt sein.
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Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Dichtungsmateriallage 123 an die Membran 116 angespritzt, laminiert oder angeklebt ist.
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Um die Abdichtwirkung der Dichtungsanordnung 118 zu verbessern, kann die Dichtungsanordnung 118 mehrere lineare Dichtvorsprünge 132 oder 134 umfassen, deren Kuppen mehrere Dichtlinien 128 oder 130 definieren, welche ein zweidimensionales Dichtmuster bilden.
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Im in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist dieses zweidimensionale Dichtmuster ein Rechteckgitter, wobei Verzweigungspunkte 144, an denen verschiedene Dichtlinien 128 zusammenstoßen, als Kreuzungspunkte 146 ausgebildet sind, an denen sich jeweils zwei Dichtlinien 128 kreuzen.
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In 4 ist ein anderes Ausführungsbeispiel eines zweidimensionalen Dichtmusters dargestellt, welches die Dichtlinien 128 der Dichtstruktur 124 bilden können. Auch in diesem Fall schließen die Dichtlinien 128 Rechtecke, insbesondere Quadrate, zwischen sich ein, doch sind diese Rechtecke so gegeneinander versetzt angeordnet, dass an den Verzweigungspunkten 144 des Dichtmusters jeweils drei Dichtlinien 128 aneinanderstoßen, ohne sich zu kreuzen.
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Das Dichtmuster aus 4 enthält somit keine Verzweigungspunkte 144, welche als Kreuzungspunkte 146 ausgebildet sind.
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In 5 ist ein Ausschnitt aus einem weiteren Ausführungsbeispiel für ein zweidimensionales Dichtmuster dargestellt, welches die Dichtlinien 128 der Dichtstruktur 124 bilden können, nämlich ein hexagonales Gitter. Auch in diesem Fall stoßen an den Verzweigungspunkten 144 des Dichtmusters jeweils drei Dichtlinien 128 aneinander.
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Eine in 6 dargestellte zweite Ausführungsform einer Dichtungsanordnung 118 unterscheidet sich von der in den 1 bis 5 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass eine der Dichtstrukturen, beispielsweise die erste Dichtstruktur 124 an dem ersten Bauteil 120, zusätzlich zu dem Dichtvorsprung 132 eine Abkröpfung oder Sicke 148 umfasst, welche sich ebenfalls längs der Dichtlinie 128 erstreckt.
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Durch die Sicke 148 ist ein Bereich 150 des ersten Bauteils 120 zu dem anderen Bauteil 122 hin versetzt, und von diesem versetzten Bereich 150 des ersten Bauteils 120 springt der Dichtvorsprung 132 zu dem zweiten Bauteil 122 hin vor.
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Auf diese Weise ist es möglich, den Dichtspalt zwischen den Bauteilen 120 und 122 mit einer dünneren Dichtungsmateriallage 123 abzudichten.
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Vorzugsweise ist die Sicke 148 elastisch verformbar, so dass auch die elastisch verformbare Sicke 148 Schwankungen in der Höhe des Dichtspalts nach dem Verpressen der Dichtungsmateriallage 123 zumindest teilweise ausgleichen kann.
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Im Übrigen stimmt die in 6 dargestellte zweite Ausführungsform einer Dichtungsanordnung 118 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in den 1 bis 5 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
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Eine in 7 dargestellte dritte Ausführungsform einer Dichtungsanordnung 118 unterscheidet sich von der in 6 dargestellten zweiten Ausführungsform dadurch, dass die zweite Dichtstruktur 126, die an dem zweiten Bauteil 122 ausgebildet ist, statt eines Dichtvorsprungs 134, dessen Kuppe eine Dichtlinie 130 definiert, eine Abkröpfung oder Sicke 152 aufweist.
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Die Sicke 152 umfasst einen versetzten Bereich 154 des zweiten Bauteils 122, welcher durch die Ausbildung der Sicke 152 zu dem ersten Bauteil 120 hin versetzt ist. Der versetzte Bereich 154 weist eine im Wesentlichen ebene Anlagefläche 156 für die Dichtungsmateriallage 123 auf.
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Die Sicke 152 der zweiten Dichtstruktur 126 erstreckt sich bei dieser Ausführungsform längs der ersten Dichtlinie 128 der ersten Dichtstruktur 124.
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Im Übrigen stimmt die in 7 dargestellte dritte Ausführungsform einer Dichtungsanordnung 118 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in 6 dargestellten zweiten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
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Eine in 8 dargestellte vierte Ausführungsform einer Dichtungsanordnung 118 unterscheidet sich von der in 7 dargestellten dritten Ausführungsform dadurch, dass die Sicke 148 der ersten Dichtstruktur 124 an dem ersten Bauteil 120 und die Sicke 152 der zweiten Dichtstruktur 126 an dem zweiten Bauteil 122 breiter ausgebildet sind und sich insbesondere im Wesentlichen über die gesamte Breite der Dichtungsmateriallage 123 (das heißt deren Erstreckung senkrecht zur Dichtlinie 128 und senkrecht zur Stapelrichtung 102) erstrecken.
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Ferner kann die Dichtungsmateriallage 123 bei dieser Ausführungsform dadurch hergestellt werden, dass eine Schicht aus einem Ausgangsmaterial der Dichtungsmateriallage 123, insbesondere aus einem Elastomermaterial, durch ein Musterdruckverfahren, beispielsweise ein Siebdruckverfahren, auf eines der Bauteile 120 und 122, beispielweise auf das zweite Bauteil 122, aufgebracht wird.
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Im Übrigen stimmt die in 8 dargestellte vierte Ausführungsform einer Dichtungsanordnung 118 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in 7 dargestellten dritten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
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Eine in 9 dargestellte fünfte Ausführungsform einer Dichtungsanordnung 118 unterscheidet sich von der in den 1 bis 5 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass die Dichtungsanordnung 118 nur eine in eines der abzudichtenden Bauteile 120, 122, beispielsweise in das erste Bauteil 120, eingeformte Dichtstruktur 124 aufweist, während das jeweils andere Bauteil, beispielsweise das zweite Bauteil 122, im Bereich der Dichtstruktur 124 des ersten Bauteils 120 im Wesentlichen unstrukturiert ist.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das zweite Bauteil 122 im Bereich der Dichtungsanordnung 118 eine der Dichtstruktur 124 des ersten Bauteils 120 gegenüberliegende im Wesentlichen ebene Gegenfläche 158 aufweist.
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Da bei dieser Ausführungsform das zweite Bauteil 122 keine Dichtstruktur aufweist, welche in Bezug auf die Dichtstruktur 124 des ersten Bauteils 120 positioniert werden muss, weist diese Ausführungsform der Dichtungsanordnung 118 eine erhöhte Toleranz in Bezug auf einen Versatz des ersten Bauteils 120 und des zweiten Bauteils 122 in einer senkrecht zur Stapelrichtung 102 verlaufenden Richtung auf, was die Anforderungen an die Relativpositionierung des ersten Bauteils 120 und des zweiten Bauteils 122 bei der Montage der elektrochemischen Vorrichtung 100 reduziert.
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Im Übrigen stimmt die in 9 dargestellte fünfte Ausführungsform einer Dichtungsanordnung 118 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in den 1 bis 5 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
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Die 10 zeigt schematisch eine Möglichkeit, wie bei einer Bipolarplatte 106 eine Fluidverbindung zwischen einem Mediumkanal 160 und einem Strömungsfeld 162 der Bipolarplatte 106 hergestellt werden kann.
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Die Bipolarplatte 106 wird in der Stapelrichtung 102, in welcher im montierten Zustand der elektrochemischen Vorrichtung 100 mehrere Bipolarplatten 106 und elektrochemisch aktive Zellen 108 aufeinander gestapelt sind, von mehreren solchen Mediumkanälen 160 durchsetzt, beispielsweise von einem Oxidationsmittel-Zuführkanal, einem Oxidationsmittel-Abführkanal, einem Brenngas-Zuführkanal, einem Brenngas-Abführkanal, einem Kühlmittel-Zuführkanal und/oder einem Kühlmittel-Abführkanal.
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Durch den Mediumkanal 160 kann somit ein der elektrochemischen Vorrichtung zuzuführendes fluides Medium, beispielsweise ein Brenngas, ein Oxidationsmittel oder ein Kühlmittel, durch die Bipolarplatte 106 hindurchtreten.
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Durch das Strömungsfeld 162 steht der Mediumkanal 160 mit einem anderen (nicht dargestellten) Mediumkanal in Fluidverbindung, so dass das Medium aus dem ersten Mediumkanal 160 quer, vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht, zu der Stapelrichtung 102 zu dem zweiten Mediumkanal strömen kann.
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Das Strömungsfeld 162 umfasst mehrere Strömungskanäle 166, welche von dem Fluid aus dem Mediumkanal 160 durchströmbar sind.
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Nebeneinander angeordnete Strömungskanäle 166 sind vorzugsweise durch Erhebungen 168 voneinander getrennt.
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Die Dichtungsmateriallage 123 und die der Dichtstruktur 124 an der Bipolarplatte 106 gegenüberliegende Dichtstruktur oder Gegenfläche des zweiten abzudichtenden Bauteils sind in 10 nicht dargestellt.
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Bei der in 10 dargestellten Variante einer Fluidverbindung zwischen einem Mediumkanal 160 und einem Strömungsfeld 134 einer mehrteiligen Bipolarplatte 106, die eine erste Lage 170 und eine zweite Lage 172 umfasst, weist eine der Lagen der Bipolarplatte 106, beispielsweise die zweite Lage 172, an dem Mediumkanal 160 mündende Ausstülpungen 174 auf, deren Boden 176 von der jeweils anderen Lage, beispielsweise von der ersten Lage 170, beabstandet ist, so dass zwischen der zweiten Lage 172 und der ersten Lage 170 der Bipolarplatte 106 jeweils ein Verbindungskanal 178 ausgebildet ist, der einerseits an dem Mediumkanal 160 und andererseits an einer Verbindungsöffnung 180, welche in der nicht mit den Ausstülpungen 174 versehenen Lage der Bipolarplatte 106, also beispielsweise in der ersten Lage 170, ausgebildet ist, mündet.
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Hierdurch wird erreicht, dass ein Fluid, beispielsweise ein Oxidationsmittel oder ein Brenngas, von dem Mediumkanal 160 durch die Verbindungskanäle 178 und die Verbindungsöffnung 180 in die Strömungskanäle 166 des Strömungsfeldes 134 der Bipolarplatte 106 gelangen kann.
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Dabei fluchtet vorzugsweise jeweils ein Verbindungskanal 178 mit jeweils einem Strömungskanal 166 des Strömungsfeldes 162.
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Die Strömungskanäle 166 des Strömungsfeldes 162 sind vorzugsweise durch die zwischen jeweils zwei Strömungskanälen 166 angeordneten Erhebungen 168 voneinander getrennt.
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Bei der in 10 dargestellten Variante einer Fluidverbindung zwischen einem Mediumkanal 160 und einem Strömungsfeld 162 der Bipolarplatte 106 ist die Dichtstruktur 124 der den Mediumkanal 160 abdichtenden Dichtungsanordnung 118 vorzugsweise ringförmig geschlossen und ohne Unterbrechungen 164 ausgebildet.
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Die (in 10 nicht dargestellte) Dichtungsmateriallage 123 und die (in 10 nicht dargestellte) Dichtstruktur an dem der Bipolarplatte 106 gegenüberliegenden zweiten abzudichtenden Bauteil sind bei dieser Variante einer Fluidverbindung vorzugsweise ebenfalls ringförmig geschlossen und ohne Unterbrechungen ausgebildet.
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Die in 10 dargestellte Variante einer Fluidverbindung zwischen einem Mediumkanal 160 und einem Strömungsfeld 162 einer Bipolarplatte 100 kann mit jeder der in den 1 bis 9 dargestellten Ausführungsformen in einer Dichtungsanordnung 118 verwendet werden.
