DE102019135292A1 - Electrochemical device and method of making an electrochemical device - Google Patents

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Kathrin Kullen
Dennis Dollinger
Oliver Fink
Thomas Dix-Landgraf
Paul Volz
Manuel Salzmann
Andreas Schmid
Jürgen Kraft
Manuel Morcos
Stefan Dwenger
Carsten Horn
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Abstract

Um eine elektrochemische Vorrichtung, umfassend mehrere, längs einer Stapelrichtung aufeinanderfolgende elektrochemische Einheiten, welche jeweils eine Membran, eine erste Gasdiffusionslage, eine zweite Gasdiffusionslage, ein stoffschlüssig mit der ersten Gasdiffusionslage verbundenes erstes Dichtelement, ein stoffschlüssig mit der zweiten Gasdiffusionslage verbundenes zweites Dichtelement und eine Bipolarplatte umfassen, zu schaffen, welche in einfacher Weise eine präzise Positionierung der Dichtelemente der elektrochemischen Vorrichtung relativ zu den Bipolarplatten der elektrochemischen Vorrichtung bei der Assemblierung der elektrochemischen Vorrichtung ermöglicht, wird vorgeschlagen, dass das erste Dichtelement mindestens einer elektrochemischen Einheit durch mindestens eine Kopplungseinrichtung mechanisch mit dem zweiten Dichtelement derselben elektrochemischen Einheit, mit dem ersten Dichtelement einer benachbarten elektrochemischen Einheit, mit dem zweiten Dichtelement einer benachbarten elektrochemischen Einheit und/oder mit einer Bipolarplatte gekoppelt ist.To an electrochemical device, comprising several electrochemical units following one another along a stacking direction, each of which has a membrane, a first gas diffusion layer, a second gas diffusion layer, a first sealing element connected to the first gas diffusion layer, a second sealing element connected to the second gas diffusion layer and a bipolar plate include to create, which enables a precise positioning of the sealing elements of the electrochemical device relative to the bipolar plates of the electrochemical device in a simple manner when assembling the electrochemical device, it is proposed that the first sealing element of at least one electrochemical unit mechanically with the at least one coupling device second sealing element of the same electrochemical unit, with the first sealing element of an adjacent electrochemical unit, with the second sealing element of a ben adjacent electrochemical unit and / or is coupled to a bipolar plate.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Vorrichtung, welche mehrere, längs einer Stapelrichtung aufeinanderfolgende elektrochemische Einheiten umfasst, wobei jede der elektrochemischen Einheiten jeweils eine Membran, eine erste Gasdiffusionslage, eine zweite Gasdiffusionslage, ein stoffschlüssig mit der ersten Gasdiffusionslage verbundenes erstes Dichtelement, ein stoffschlüssig mit der zweiten Gasdiffusionslage verbundenes zweites Dichtelement und eine Bipolarplatte umfasst.The present invention relates to an electrochemical device which comprises several electrochemical units following one another along a stacking direction, each of the electrochemical units each having a membrane, a first gas diffusion layer, a second gas diffusion layer, a first sealing element connected to the first gas diffusion layer and a material connection to the comprises second sealing element connected to the second gas diffusion layer and a bipolar plate.

Ein Dichtelement, das stoffschlüssig mit einer Gasdiffusionslage verbunden ist, wird als ein „Seal on Gas Diffusion Layer“ (SoGDL) bezeichnet.A sealing element that is firmly bonded to a gas diffusion layer is called a “Seal on Gas Diffusion Layer” (SoGDL).

Dabei kann das Dichtelement insbesondere in einem Spritzgießverfahren direkt an die Gasdiffusionslage angespritzt sein.The sealing element can be molded directly onto the gas diffusion layer, in particular in an injection molding process.

Die Gasdiffusionslage kann papierähnlich ausgebildet sein und beispielsweise aus einem Karbongeflecht gebildet sein.The gas diffusion layer can have a paper-like design and, for example, can be formed from a carbon mesh.

An die Gasdiffusionslage wird das Dichtelement aus einem Elastomermaterial angespritzt.The sealing element made of an elastomer material is injected onto the gas diffusion layer.

Der von Elastomermaterial freibleibende Bereich der Gasdiffusionslage ermöglicht die Diffusion eines Mediums, beispielsweise eines Brenngases oder eines Oxidationsmittels, zu der in der elektrochemischen Einheit zwischen den zwei Gasdiffusionslagen angeordneten Membran.The area of the gas diffusion layer that remains free of elastomer material enables the diffusion of a medium, for example a fuel gas or an oxidizing agent, to the membrane arranged in the electrochemical unit between the two gas diffusion layers.

Das ein Elastomermaterial umfassende Dichtelement dichtet ein Strömungsfeld der elektrochemischen Einheit gegenüber Mediumkanälen der elektrochemischen Vorrichtung und gegenüber der Umgebung der elektrochemischen Vorrichtung und/oder Mediumkanäle der elektrochemischen Vorrichtung gegenüber anderen Mediumkanälen und gegenüber der Umgebung der elektrochemischen Vorrichtung ab.The sealing element comprising an elastomer material seals a flow field of the electrochemical unit from medium channels of the electrochemical device and from the surroundings of the electrochemical device and / or medium channels of the electrochemical device from other medium channels and from the surroundings of the electrochemical device.

Bei der Assemblierung der elektrochemischen Vorrichtung aus den Gasdiffusionslagen mit den daran angebundenen Dichtelementen, den Membranen und den Bipolarplatten muss auf eine sehr genaue Positionierung dieser verschiedenen Bauteile der elektrochemischen Vorrichtung relativ zueinander geachtet werden.When assembling the electrochemical device from the gas diffusion layers with the sealing elements connected to them, the membranes and the bipolar plates, care must be taken that these various components of the electrochemical device are positioned very precisely relative to one another.

Aufgrund der hohen Anzahl der zur Assemblierung erforderlichen Verbauvorgänge, die jeweils eine sehr hohe Positioniergenauigkeit erfordern, ist eine Automatisierung des Assembliervorgangs mit großen Herausforderungen verbunden.Due to the large number of assembly processes required for assembly, each of which requires a very high level of positioning accuracy, automation of the assembly process is associated with major challenges.

Probleme werden insbesondere verursacht durch die Labilität der stoffschlüssig mit den Gasdiffusionslagen verbundenen Dichtelemente und durch die Unebenheit der Gasdiffusionslagen und der mit denselben verbundenen Dichtelemente.Problems are caused, in particular, by the instability of the sealing elements that are cohesively connected to the gas diffusion layers and by the unevenness of the gas diffusion layers and of the sealing elements connected to them.

Die Unebenheit der Dichtelemente ergibt sich zwangsläufig daraus, dass das Elastomermaterial in das Formgebungswerkzeug bei einer Temperatur von 100 °C oder höher eingespritzt wird und die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Elastomermaterials einerseits und des Materials der Gasdiffusionslage andererseits sehr unterschiedlich sind. Dadurch ergibt sich beim Abkühlen des an die Gasdiffusionslage angespritzten Dichtelements ein stark unterschiedliches Schrumpfungsverhalten der Werkstoffe des Dichtelements einerseits und der Gasdiffusionslage andererseits, was zu einer Wölbung und/oder Wellenbildung an dem SoGDL-Dichtelement im auf Raumtemperatur abgekühlten Zustand führt. Durch die so erzeugten Unebenheiten ist eine genaue Positionierung der Dichtelemente relativ zu den Bipolarplatten schwierig, weshalb eine Undichtheit in der elektrochemischen Vorrichtung nicht ausgeschlossen werden kann.The unevenness of the sealing elements inevitably results from the fact that the elastomer material is injected into the molding tool at a temperature of 100 ° C or higher and the coefficients of thermal expansion of the elastomer material on the one hand and the material of the gas diffusion layer on the other hand are very different. As a result, when the sealing element molded onto the gas diffusion layer cools, the shrinkage behavior of the materials of the sealing element on the one hand and the gas diffusion layer on the other differs greatly, which leads to bulging and / or wave formation on the SoGDL sealing element when it has cooled to room temperature. Due to the unevenness produced in this way, precise positioning of the sealing elements relative to the bipolar plates is difficult, which is why a leak in the electrochemical device cannot be ruled out.

Somit können aus einer unpräzisen Positionierung der Dichtelemente relativ zueinander und relativ zu den Bipolarplatten Gas- und Flüssigkeitsleckagen resultieren.Thus, imprecise positioning of the sealing elements relative to one another and relative to the bipolar plates can result in gas and liquid leaks.

Bei bekannten Verfahren zur Assemblierung einer solchen elektrochemischen Vorrichtung werden die SoGDL-Dichtelemente mittels Einlege-Schablonen an den Außenkanten der SoGDL-Dichtelemente positioniert.In known methods for assembling such an electrochemical device, the SoGDL sealing elements are positioned on the outer edges of the SoGDL sealing elements by means of insertion templates.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrochemische Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche in einfacher Weise eine präzise Positionierung der Dichtelemente der elektrochemischen Vorrichtung relativ zueinander und/oder relativ zu den Bipolarplatten der elektrochemischen Vorrichtung bei der Assemblierung der elektrochemischen Vorrichtung ermöglicht.The present invention is based on the object of creating an electrochemical device of the type mentioned above, which enables the sealing elements of the electrochemical device to be precisely positioned relative to one another and / or relative to the bipolar plates of the electrochemical device during the assembly of the electrochemical device in a simple manner.

Diese Aufgabe wird bei einer elektrochemischen Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das erste Dichtelement mindestens einer elektrochemischen Einheit durch mindestens eine Kopplungseinrichtung mechanisch mit dem zweiten Dichtelement derselben elektrochemischen Einheit, mit dem ersten Dichtelement einer benachbarten elektrochemischen Einheit, mit dem zweiten Dichtelemente einer benachbarten elektrochemischen Einheit und/oder mit einer Bipolarplatte gekoppelt ist.In an electrochemical device with the features of the preamble of claim 1, this object is achieved according to the invention in that the first sealing element of at least one electrochemical unit is mechanically connected to the second sealing element of the same electrochemical unit, with the first sealing element of an adjacent electrochemical unit, by at least one coupling device is coupled to the second sealing element of an adjacent electrochemical unit and / or to a bipolar plate.

Der vorliegenden Erfindung liegt das Konzept zugrunde, durch eine mechanische Kopplung zwischen den Dichtelementen einer elektrochemischen Einheit, durch eine mechanische Kopplung zwischen Dichtelementen einander benachbarter elektrochemischen Einheiten und/oder durch eine mechanische Kopplung zwischen einem Dichtelement und einer Bipolarplatte einer elektrochemischen Einheit unabhängig von externen Positionierhilfen eine präzise Positionierung der Bauteile einer elektrochemischen Einheit relativ zueinander und relativ zu den Bauteilen einer benachbarten elektrochemischen Einheit zu ermöglichen.The present invention is based on the concept of a mechanical coupling between the sealing elements of an electrochemical unit, a mechanical coupling between sealing elements of adjacent electrochemical units and / or a mechanical coupling between a sealing element and a bipolar plate of an electrochemical unit independently of external positioning aids allow precise positioning of the components of an electrochemical unit relative to one another and relative to the components of an adjacent electrochemical unit.

Ferner ist es möglich, das Dichtelement durch Ziehen im Bereich der Kopplungseinrichtungen bei der Herstellung der mechanischen Kopplung mit einer Vorspannung zu beaufschlagen, um so die Unebenheit oder Welligkeit des Dichtelements und der stoffschlüssig mit dem Dichtelement verbundenen Gasdiffusionslage zu reduzieren oder sogar zu eliminieren.It is also possible to apply a preload to the sealing element by pulling in the area of the coupling devices during the production of the mechanical coupling in order to reduce or even eliminate the unevenness or waviness of the sealing element and the gas diffusion layer bonded to the sealing element.

Durch diese verbesserte Ebenheit des Systems aus dem Dichtelement und der damit verbundenen Gasdiffusionslage wird der Assembliervorgang der elektrochemischen Vorrichtung deutlich vereinfacht.This improved evenness of the system comprising the sealing element and the associated gas diffusion layer significantly simplifies the assembly process of the electrochemical device.

Die Kopplungseinrichtung kann eine Kopplung der miteinander gekoppelten Bauteile insbesondere durch Formschluss und/oder durch Kraftschluss bewirken.The coupling device can bring about a coupling of the components coupled to one another, in particular by means of a form fit and / or a force fit.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens eine Kopplungseinrichtung ein Kopplungselement umfasst, welche in Eingriff mit einer Kopplungsöffnung oder einer Kopplungsaufnahme steht.In a preferred embodiment of the invention it is provided that at least one coupling device comprises a coupling element which is in engagement with a coupling opening or a coupling receptacle.

Ein solches Kopplungselement kann einen Hinterschneidungsbereich aufweisen, welcher eine Kopplungsöffnung oder einen Rückhaltebereich einer Kopplungsaufnahme hintergreift.Such a coupling element can have an undercut area which engages behind a coupling opening or a retaining area of a coupling receptacle.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Kopplungselement einen Zapfen, einen Pilzkopf, einen Napf, einen Druckknopf und/oder einen Saugnapf umfasst.In particular, it can be provided that the coupling element comprises a pin, a mushroom head, a cup, a push button and / or a suction cup.

Bei einer möglichen Ausgestaltung eines solchen Kopplungselements ist vorgesehen, dass das Kopplungselement aus einem Elastomermaterial gebildet ist.In a possible embodiment of such a coupling element, it is provided that the coupling element is formed from an elastomer material.

Ein solches Kopplungselement wird vorzugsweise in der Nähe eines Anspritzpunktes für das Elastomermaterial angeordnet.Such a coupling element is preferably arranged in the vicinity of an injection point for the elastomer material.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eines der Dichtelemente, beispielsweise das erste Dichtelement, als ein Rahmen-Dichtelement ausgebildet ist, welches ein Elastomerteil und einen Rahmen umfasst, wobei der Rahmen aus einem Material gebildet ist, das eine höhere Formstabilität aufweist als das Elastomermaterial, aus dem das Elastomerteil gebildet ist.In a preferred embodiment of the invention it is provided that one of the sealing elements, for example the first sealing element, is designed as a frame sealing element which comprises an elastomer part and a frame, the frame being made of a material that has a higher dimensional stability than the elastomer material from which the elastomer part is formed.

In diesem Fall ist der Rahmen vorzugsweise mit einem Kopplungselement einer Kopplungseinrichtung und/oder mit einer Kopplungsöffnung oder einer Kopplungsaufnahme einer Kopplungseinrichtung versehen.In this case, the frame is preferably provided with a coupling element of a coupling device and / or with a coupling opening or a coupling receptacle of a coupling device.

Der Rahmen ist vorzugsweise nicht aus einem Elastomermaterial gebildet.The frame is preferably not formed from an elastomer material.

Bei einer solchen Ausgestaltung wird die Baugruppe aus dem Dichtelement und der Gasdiffusionslage, mit welcher das betreffende Dichtelement stoffschlüssig verbunden ist, dadurch stabilisiert, dass der - vorzugsweise um das betreffende Dichtelement umlaufende - formstabile Rahmen in das betreffende Dichtelement integriert wird.In such a configuration, the assembly consisting of the sealing element and the gas diffusion layer, with which the relevant sealing element is cohesively connected, is stabilized in that the dimensionally stable frame - preferably encircling the relevant sealing element - is integrated into the relevant sealing element.

Durch den formstabilen Rahmen wird die Handhabbarkeit der Baugruppe aus dem Dichtelement und der Gasdiffusionslage, mit welcher das Dichtelement stoffschlüssig verbunden ist, verbessert.The dimensionally stable frame improves the manageability of the assembly consisting of the sealing element and the gas diffusion layer with which the sealing element is materially connected.

Das betreffende Dichtelement weist dadurch eine größere Maßhaltigkeit in der senkrecht zur Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung ausgerichteten X-Y-Ebene auf.As a result, the relevant sealing element has greater dimensional accuracy in the X-Y plane aligned perpendicular to the stacking direction of the electrochemical device.

Eine Welligkeit der Gasdiffusionslage und/oder des stoffschlüssig mit der Gasdiffusionslage verbundenen Dichtelements in der Z-Richtung (parallel zur Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung) wird reduziert oder ganz vermieden.Waviness of the gas diffusion layer and / or of the sealing element that is cohesively connected to the gas diffusion layer in the Z direction (parallel to the stacking direction of the electrochemical device) is reduced or completely avoided.

Dadurch wird eine Automatisierung des Assembliervorgangs der elektrochemischen Vorrichtung, die das Dichtelement und die Gasdiffusionslage, mit welcher das Dichtelement stoffschlüssig verbunden ist, enthält, weiter erleichtert.This further facilitates the automation of the assembly process of the electrochemical device which contains the sealing element and the gas diffusion layer to which the sealing element is materially connected.

Durch die Verwendung des zusätzlichen Rahmens in dem Dichtelement wird eine formstabile Baugruppe erzeugt, welche eine Gasdiffusionslage und eine SoGDL-Dichtung umfasst, wobei diese Baugruppe hinsichtlich ihrer Maßhaltigkeit und ihrer Handhabbarkeit deutlich verbesserte Eigenschaften aufweist.By using the additional frame in the sealing element, a dimensionally stable assembly is produced which comprises a gas diffusion layer and a SoGDL seal, this assembly having significantly improved properties with regard to its dimensional accuracy and its manageability.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens eine Kopplungseinrichtung ein an dem zweiten Dichtelement einer elektrochemischen Einheit vorgesehenes Kopplungselement umfasst, welches in Eingriff mit einer an dem ersten Dichtelement derselben elektrochemischen Einheit vorgesehenen Kopplungsöffnung steht.In a preferred embodiment of the invention it is provided that at least one coupling device is attached to the second sealing element an electrochemical unit provided coupling element which is in engagement with a coupling opening provided on the first sealing element of the same electrochemical unit.

In diesem Fall kann ferner vorgesehen sein, dass das Kopplungselement auch in Eingriff mit einer Kopplungsöffnung in einer Bipolarplatte steht.In this case it can furthermore be provided that the coupling element is also in engagement with a coupling opening in a bipolar plate.

Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass mindestens eine Kopplungseinrichtung ein an dem ersten Dichtelement einer elektrochemischen Einheit vorgesehenes Kopplungselement umfasst, welches in Eingriff mit einer an dem ersten Dichtelement einer benachbarten elektrochemischen Einheit vorgesehenen Kopplungsöffnung steht.Alternatively or in addition to this, it can be provided that at least one coupling device comprises a coupling element provided on the first sealing element of an electrochemical unit, which is in engagement with a coupling opening provided on the first sealing element of an adjacent electrochemical unit.

Dabei kann ferner vorgesehen sein, dass das Kopplungselement sich durch eine Durchtrittsöffnung in einer zwischen dem ersten Dichtelement der einen elektrochemischen Einheit und dem ersten Dichtelement der benachbarten elektrochemischen Einheit angeordneten Bipolarplatte hindurch erstreckt.It can further be provided that the coupling element extends through a passage opening in a bipolar plate arranged between the first sealing element of the one electrochemical unit and the first sealing element of the adjacent electrochemical unit.

Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass mindestens eine Kopplungseinrichtung ein an dem ersten Dichtelement einer elektrochemischen Einheit vorgesehenes Kopplungselement umfasst, welches in Eingriff mit einer Kopplungsöffnung einer Bipolarplatte steht.As an alternative or in addition to this, it can be provided that at least one coupling device comprises a coupling element which is provided on the first sealing element of an electrochemical unit and which engages with a coupling opening of a bipolar plate.

Hinsichtlich der Anordnung der Kopplungseinrichtung an dem Dichtelement ist es günstig, wenn mindestens eine Kopplungseinrichtung ein Kopplungselement, eine Kopplungsöffnung oder eine Kopplungsaufnahme umfasst, das bzw. die an einer Lasche des Dichtelements angeordnet ist, welche außerhalb eines Dichtbereichs des betreffenden Dichtelements angeordnet ist und sich von dem Dichtbereich weg erstreckt.With regard to the arrangement of the coupling device on the sealing element, it is advantageous if at least one coupling device comprises a coupling element, a coupling opening or a coupling receptacle, which is arranged on a tab of the sealing element which is arranged outside a sealing area of the sealing element in question and extends from extends away from the sealing area.

Auf diese Weise wird erreicht, dass die Abdichtwirkung des Dichtelements durch die Kopplungseinrichtung nicht beeinträchtigt wird.In this way it is achieved that the sealing effect of the sealing element is not impaired by the coupling device.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens eine Kopplungseinrichtung als eine Rasteinrichtung ausgebildet ist.In a preferred embodiment of the invention it is provided that at least one coupling device is designed as a latching device.

Hierdurch wird erreicht, dass durch die Kopplungseinrichtung nicht nur eine präzise Positionierung der miteinander gekoppelten Bauteile relativ zueinander erzielt wird, sondern auch ein Auseinanderbewegen der durch die Kopplungseinrichtung miteinander gekoppelten Bauteile (insbesondere längs der Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung) verhindert wird, so dass diese Bauteile (und gegebenenfalls dazwischen angeordnete weitere Bauteile) während des Assembliervorgangs der elektrochemischen Vorrichtung als eine Einheit gehandhabt werden können.This ensures that the coupling device not only achieves a precise positioning of the components coupled to one another in relation to one another, but also prevents the components coupled to one another by the coupling device from moving apart (in particular along the stacking direction of the electrochemical device), so that these components ( and optionally further components arranged therebetween) can be handled as a unit during the assembly process of the electrochemical device.

Die Anzahl der Kopplungseinrichtungen und deren Abstand längs des Umfangs des ersten Dichtelements wird so gewählt, dass eine ausreichend präzise Positionierung des Dichtelements und eine angestrebte Reduzierung der Welligkeit des Dichtelements erzielt wird.The number of coupling devices and their spacing along the circumference of the first sealing element is selected so that a sufficiently precise positioning of the sealing element and a desired reduction in the waviness of the sealing element is achieved.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das erste Dichtelement mindestens einer elektrochemischen Einheit durch mindestens zwei, insbesondere mindestens drei, besonders bevorzugt mindestens vier, Kopplungseinrichtungen mechanisch mit dem zweiten Dichtelement derselben elektrochemischen Einheit, durch mindestens zwei, insbesondere mindestens drei, besonders bevorzugt mindestens vier, Kopplungseinrichtungen mit dem ersten Dichtelement einer benachbarten elektrochemischen Einheit, durch mindestens zwei, insbesondere mindestens drei, besonders bevorzugt mindestens vier, Kopplungseinrichtungen mit dem zweiten Dichtelement einer benachbarten elektrochemischen Einheit und/oder durch mindestens zwei, insbesondere mindestens drei, besonders bevorzugt mindestens vier, Kopplungseinrichtungen mit einer Bipolarplatte gekoppelt ist.It is preferably provided that the first sealing element of at least one electrochemical unit by at least two, in particular at least three, particularly preferably at least four, coupling devices mechanically with the second sealing element of the same electrochemical unit, by at least two, in particular at least three, particularly preferably at least four, coupling devices with the first sealing element of an adjacent electrochemical unit, by at least two, in particular at least three, particularly preferably at least four, coupling devices with the second sealing element of an adjacent electrochemical unit and / or by at least two, in particular at least three, particularly preferably at least four, coupling devices with a bipolar plate is coupled.

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Vorrichtung, die mehrere längs einer Stapelrichtung aufeinanderfolgende elektrochemische Einheiten umfasst, wobei die elektrochemischen Einheiten jeweils eine Membran, eine erste Gasdiffusionslage, eine zweite Gasdiffusionslage, ein stoffschlüssig mit der ersten Gasdiffusionslage verbundenes erstes Dichtelement, ein stoffschlüssig mit der zweiten Gasdiffusionslage verbundenes zweites Dichtelement und eine Bipolarplatte umfassen.The present invention also relates to a method for producing an electrochemical device which comprises a plurality of electrochemical units following one another along a stacking direction, the electrochemical units each having a membrane, a first gas diffusion layer, a second gas diffusion layer, a first sealing element connected to the first gas diffusion layer in a materially bonded manner, a comprise a second sealing element and a bipolar plate that are cohesively connected to the second gas diffusion layer.

Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der vorstehend genannten Art zu schaffen, welches eine besonders präzise Positionierung des ersten Dichtelements relativ zu dem zweiten Dichtelement derselben elektrochemischen Einheit, relativ zu mindestens einem Dichtelement einer benachbarten elektrochemischen Einheit und/oder relativ zu einer Bipolarplatte ermöglicht.The present invention is based on the further object of creating a method of the type mentioned above, which allows a particularly precise positioning of the first sealing element relative to the second sealing element of the same electrochemical unit, relative to at least one sealing element of an adjacent electrochemical unit and / or relative to a Bipolar plate allows.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Vorrichtung, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:

  • - mechanisches Koppeln des ersten Dichtelements mindestens einer elektrochemischen Einheit durch mindestens eine Kopplungseinrichtung mit dem zweiten Dichtelement derselben elektrochemischen Einheit, mit dem ersten Dichtelement einer benachbarten elektrochemischen Einheit, mit dem zweiten Dichtelement einer benachbarten elektrochemischen Einheit oder mit einer Bipolarplatte.
According to the invention, this object is achieved by a method for producing an electrochemical device, the method comprising the following:
  • - mechanical coupling of the first sealing element of at least one electrochemical unit by at least one coupling device with the second sealing element of the same electrochemical unit, with the first sealing element of an adjacent electrochemical unit, with the second sealing element of an adjacent electrochemical unit or with a bipolar plate.

Besondere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind bereits vorstehend im Zusammenhang mit besonderen Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen elektrochemischen Vorrichtung erläutert worden.Special configurations of the method according to the invention have already been explained above in connection with special configurations of the electrochemical device according to the invention.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zum Herstellen einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Vorrichtung.The method according to the invention is particularly suitable for producing an electrochemical device according to the invention.

Das erste Dichtelement kann eine oder mehrere Durchtrittsöffnungen aufweisen, in welche externe Positionierelemente, beispielsweise ein Positionierstift oder eine Stange einer Assembliervorrichtung, eingreifen können, um das Dichtelement mit einer Vorspannung zu beaufschlagen und/oder während der Assemblierung der elektrochemischen Vorrichtung präzise zu positionieren.The first sealing element can have one or more passage openings into which external positioning elements, for example a positioning pin or a rod of an assembly device, can engage in order to apply a preload to the sealing element and / or to position it precisely during the assembly of the electrochemical device.

Mit Kopplungseinrichtungen versehene Bereiche des ersten Dichtelements können nach dem Assembliervorgang in der elektrochemischen Vorrichtung verbleiben oder, beispielsweise zur Beseitigung von geometrischen und/oder funktionellen Einschränkungen, nach dem Assembliervorgang entfernt werden. Areas of the first sealing element provided with coupling devices can remain in the electrochemical device after the assembly process or, for example, to remove geometric and / or functional restrictions, can be removed after the assembly process.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.Further features and advantages of the invention are the subject matter of the following description and the graphic representation of exemplary embodiments.

In den Zeichnungen zeigen:

  • 1 eine Draufsicht von oben auf eine Anordnung aus mehreren elektrochemischen Einheiten, welche jeweils eine Membran, eine erste Gasdiffusionslage, eine zweite Gasdiffusionslage, ein stoffschlüssig mit der ersten Gasdiffusionslage verbundenes erstes Dichtelement, ein stoffschlüssig mit der zweiten Gasdiffusionslage verbundenes zweites Dichtelement und eine mehrlagige Bipolarplatte umfassen;
  • 2 einen parallel zur Stapelrichtung genommenen Querschnitt durch die Anordnung aus 1 im Bereich einer Strömungsfeld-Abdichtung, längs der Linie 2 - 2 in 1;
  • 3 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs I aus 1;
  • 4 einen Querschnitt durch die Anordnung aus 3 im Bereich einer Mediumkanal-Abdichtung, längs der Linie 4 - 4 in 3;
  • 5 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs II aus 1;
  • 6 einen Querschnitt durch die Anordnung aus 5 im Bereich einer Kopplungseinrichtung, durch welche das zweite Dichtelement mechanisch mit einem formstabilen Rahmen des ersten Dichtelements und mit einer Bipolarplatte gekoppelt ist, längs der Linie 6 - 6 in 5;
  • 7 eine weitere vergrößerte Darstellung des Bereichs II aus 1;
  • 8 einen Querschnitt durch die Anordnung aus 7 im Bereich einer Kopplungseinrichtung, durch welche ein Rahmen eines ersten Dichtelements einer elektrochemischen Einheit mit einem Elastomerteil eines ersten Dichtelements einer benachbarten elektrochemischen Einheit gekoppelt ist, längs der Linie 8 - 8 in 7;
  • 9 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs III aus 1;
  • 10 einen Querschnitt durch die Anordnung aus 9 im Bereich einer Mediumkanal-Abdichtung, längs der Linie 10 - 10 in 9;
  • 11 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs IV aus 1;
  • 12 einen Querschnitt durch die Anordnung aus 11 im Bereich einer Kopplungseinrichtung, durch welche der Rahmen eines ersten Dichtelements einer elektrochemischen Einheit mit einem Elastomerteil des ersten Dichtelements einer benachbarten elektrochemischen Einheit gekoppelt ist;
  • 13 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs V aus 12;
  • 14 eine Draufsicht von oben auf den Rahmen des ersten Dichtelements einer der elektrochemischen Einheiten der Anordnung aus 1;
  • 15 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs VI aus 14;
  • 16 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs VII aus 14;
  • 17 eine Draufsicht auf eine kathodenseitige Bipolarplattenlage der Bipolarplatte einer der elektrochemischen Einheiten aus 1;
  • 18 eine Draufsicht auf eine anodenseitige Bipolarplattenlage der Bipolarplatte einer der elektrochemischen Einheiten der Anordnung aus 1;
  • 19 eine Draufsicht auf das Elastomerteil des ersten Dichtelements einer der elektrochemischen Einheiten der Anordnung aus 1;
  • 20 eine Draufsicht auf das zweite Dichtelement einer der elektrochemischen Einheiten der Anordnung aus 1, wobei dieses zweites Dichtelement nur ein Elastomerteil umfasst;
  • 21 eine Draufsicht auf das erste Dichtelement einer der elektrochemischen Einheiten der Anordnung aus 1, wobei das erste Dichtelement ein Elastomerteil und einen formstabilen Rahmen umfasst;
  • 22 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs VIII aus 21;
  • 23 einen Querschnitt durch das erste Dichtelement aus den 21 und 22 in einem Entlüftungsbereich des Rahmens;
  • 24 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs IX aus 21;
  • 25 einen Querschnitt durch das erste Dichtelement aus 24 im Bereich einer Strömungsfeld-Abdichtung, längs der Linie 25 - 25 in 24;
  • 26 einen Querschnitt durch das erste Dichtelement aus 24 im Bereich einer Kopplungsöffnung in dem Elastomerteil des ersten Dichtelements, längs der Linie 26 - 26 in 24;
  • 27 einen Querschnitt durch das erste Dichtelement aus 24 im Bereich einer Mediumkanal-Abdichtung, längs der Linie 27 - 27 in 24;
  • 28 einen der 13 entsprechenden Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer Anordnung aus mehreren elektrochemischen Einheiten im Bereich einer Kopplungseinrichtung, durch welche der Rahmen des ersten Dichtelements einer elektrochemischen Einheit mit einer benachbarten Bipolarplatte gekoppelt ist; und
  • 29 eine Draufsicht auf einen Abschnitt eines ersten Dichtelements einer elektrochemischen Einheit bei einer dritten Ausführungsform, bei welcher der Rahmen des ersten Dichtelements mehrteilig ausgebildet ist und längs seines Umfangs mindestens einen Spalt aufweist, der zwei Rahmenteile des Rahmens voneinander trennt.
In the drawings show:
  • 1 a plan view from above of an arrangement of several electrochemical units, each of which comprises a membrane, a first gas diffusion layer, a second gas diffusion layer, a first sealing element connected to the first gas diffusion layer, a second sealing element connected to the second gas diffusion layer and a multi-layer bipolar plate;
  • 2 a cross-section through the arrangement taken parallel to the stacking direction 1 in the area of a flow field seal, along line 2 - 2 in 1 ;
  • 3 an enlarged view of the area I. 1 ;
  • 4th a cross section through the arrangement 3 in the area of a medium duct seal, along the line 4 - 4 in 3 ;
  • 5 an enlarged view of the area II 1 ;
  • 6th a cross section through the arrangement 5 in the area of a coupling device through which the second sealing element is mechanically coupled to a dimensionally stable frame of the first sealing element and to a bipolar plate, along the line 6-6 in FIG 5 ;
  • 7th a further enlarged view of the area II 1 ;
  • 8th a cross section through the arrangement 7th in the area of a coupling device, by means of which a frame of a first sealing element of an electrochemical unit is coupled to an elastomer part of a first sealing element of an adjacent electrochemical unit, along the line 8-8 in FIG 7th ;
  • 9 an enlarged view of the area III 1 ;
  • 10 a cross section through the arrangement 9 in the area of a medium duct seal, along the line 10 - 10 in 9 ;
  • 11 an enlarged view of the area IV 1 ;
  • 12th a cross section through the arrangement 11 in the area of a coupling device, by means of which the frame of a first sealing element of an electrochemical unit is coupled to an elastomer part of the first sealing element of an adjacent electrochemical unit;
  • 13th an enlarged representation of the area V. 12th ;
  • 14th a plan view from above of the frame of the first sealing element of one of the electrochemical units of the arrangement 1 ;
  • 15th an enlarged view of the area VI 14th ;
  • 16 an enlarged view of the area VII 14th ;
  • 17th a plan view of a cathode-side bipolar plate layer of the bipolar plate of one of the electrochemical units 1 ;
  • 18th a plan view of an anode-side bipolar plate layer of the bipolar plate of one of the electrochemical units of the arrangement 1 ;
  • 19th a plan view of the elastomer part of the first sealing element of one of the electrochemical units of the arrangement 1 ;
  • 20th a plan view of the second sealing element of one of the electrochemical units of the arrangement 1 , wherein this second sealing element comprises only an elastomer part;
  • 21 a plan view of the first sealing element of one of the electrochemical units of the arrangement 1 , wherein the first sealing element comprises an elastomer part and a dimensionally stable frame;
  • 22nd an enlarged view of the area VIII 21 ;
  • 23 a cross section through the first sealing element from the 21 and 22nd in a vent area of the frame;
  • 24 an enlarged illustration of the area IX 21 ;
  • 25th a cross section through the first sealing element 24 in the area of a flow field seal, along line 25-25 in 24 ;
  • 26th a cross section through the first sealing element 24 in the area of a coupling opening in the elastomer part of the first sealing element, along the line 26-26 in FIG 24 ;
  • 27 a cross section through the first sealing element 24 in the area of a medium duct seal, along line 27-27 in 24 ;
  • 28 one of the 13th corresponding cross-section through a second embodiment of an arrangement of a plurality of electrochemical units in the area of a coupling device, by means of which the frame of the first sealing element of an electrochemical unit is coupled to an adjacent bipolar plate; and
  • 29 a plan view of a portion of a first sealing element of an electrochemical unit in a third embodiment, in which the frame of the first sealing element is formed in several parts and has at least one gap along its circumference that separates two frame parts of the frame from one another.

Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.Identical or functionally equivalent elements are denoted by the same reference symbols in all figures.

Eine als Ganzes mit 100 bezeichnete elektrochemische Vorrichtung, beispielsweise eine Brennstoffzellenvorrichtung oder ein Elektrolyseur, umfasst einen Stapel 102, der mehrere in einer Stapelrichtung 104 aufeinanderfolgende elektrochemische Einheiten 106, beispielsweise Brennstoffzelleneinheiten oder Elektrolyseeinheiten, und eine (nicht dargestellte) Spannvorrichtung zum Beaufschlagen der elektrochemischen Einheiten 106 mit einer längs der Stapelrichtung 104 gerichteten Spannkraft umfasst.An electrochemical device designated as a whole by 100, for example a fuel cell device or an electrolyzer, comprises a stack 102 that multiple in one stacking direction 104 successive electrochemical units 106 , for example fuel cell units or electrolysis units, and a clamping device (not shown) for loading the electrochemical units 106 with one along the stacking direction 104 includes directed clamping force.

Wie am besten aus 2 zu ersehen ist, umfasst jede elektrochemische Einheit 106 der elektrochemischen Vorrichtung 100 jeweils eine erste Gasdiffusionslage 108, eine zweite Gasdiffusionslage 110, eine zwischen den Gasdiffusionslagen 108 und 110 angeordnete Membran 112, insbesondere eine katalysatorbeschichtete Membran (CCM), ein stoffschlüssig mit der ersten Gasdiffusionslage 108 verbundenes erstes Dichtelement 114, ein stoffschlüssig mit der zweiten Gasdiffusionslage 110 verbundenes zweites Dichtelement 116 und eine Bipolarplatte 118.How best to look 2 can be seen includes each electrochemical unit 106 of the electrochemical device 100 each a first gas diffusion layer 108 , a second gas diffusion layer 110 , one between the gas diffusion layers 108 and 110 arranged membrane 112 , in particular a catalyst-coated membrane (CCM), a material bond with the first gas diffusion layer 108 connected first sealing element 114 , a material bond with the second gas diffusion layer 110 connected second sealing element 116 and a bipolar plate 118 .

Die Bipolarplatte 118 ist beispielsweise aus einem metallischen Material oder aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoffmaterial gebildet.The bipolar plate 118 is formed, for example, from a metallic material or from an electrically conductive plastic material.

Jede Bipolarplatte 118 umfasst bei der zeichnerisch dargestellten Ausführungsform eine erste Bipolarplattenlage 120, welche der ersten Gasdiffusionslage 108 der jeweiligen elektrochemischen Einheit 106 zugewandt ist, und eine zweite Bipolarplattenlage 122, welche der ersten Gasdiffusionslage 108 der jeweiligen elektrochemischen Einheit 106 abgewandt und der zweiten Gasdiffusionslage 110 einer benachbarten elektrochemischen Einheit 106' zugewandt ist.Any bipolar plate 118 comprises, in the embodiment shown in the drawing, a first bipolar plate layer 120 , which of the first gas diffusion layer 108 of the respective electrochemical unit 106 facing, and a second bipolar plate layer 122 , which of the first gas diffusion layer 108 of the respective electrochemical unit 106 turned away and the second gas diffusion layer 110 an adjacent electrochemical unit 106 ' is facing.

Die beiden Bipolarplattenlagen 120 und 122 jeder Bipolarplatte 108 sind stoffschlüssig, insbesondere durch Verschweißung, beispielsweise durch Laserschweißung, fluiddicht aneinander festgelegt.The two bipolar plate layers 120 and 122 each bipolar plate 108 are firmly bonded to one another in a fluid-tight manner, in particular by welding, for example by laser welding.

Die erste Bipolarplattenlage 120 ist einzeln in 18 dargestellt.The first bipolar plate layer 120 is single in 18th shown.

Die zweite Bipolarplattenlage 122 ist einzeln in 17 dargestellt.The second bipolar plate layer 122 is single in 17th shown.

An ihrem äußeren Umfang ist die zweite Bipolarplatte 122 mit mindestens einer Kontaktierungslasche 121 versehen, an welcher die Bipolarplatte 118 mit einem (nicht dargestellten) Spannungsabgriffselement kontaktierbar ist. The second bipolar plate is on its outer circumference 122 with at least one contact tab 121 provided on which the bipolar plate 118 can be contacted with a voltage tap element (not shown).

Ferner ist die zweite Bipolarplattenlage 122 an ihrem äußeren Umfang mit mindestens einer Stapelkante 123 versehen, an welcher während eines Assembliervorgangs der elektrochemischen Vorrichtung 100 ein (nicht dargestelltes) Stapelhilfsmittel angreifen kann, um die Bauteile des Stapels 102 präzise auszurichten.Furthermore, the second bipolar plate layer is 122 on its outer circumference with at least one stacking edge 123 provided on which during an assembly process of the electrochemical device 100 a (not shown) stacking aid can attack the components of the stack 102 precisely align.

Die Kontaktierungslasche 121 und/oder die Stapelkante 123 können alternativ oder ergänzend hierzu auch an der ersten Bipolarplattenlage 120 angeordnet sein.The contacting tab 121 and / or the edge of the stack 123 can alternatively or additionally also on the first bipolar plate layer 120 be arranged.

Das erste Dichtelement 114 ist einzeln in 21 dargestellt.The first sealing element 114 is single in 21 shown.

Das zweite Dichtelement 116 ist einzeln in 20 dargestellt.The second sealing element 116 is single in 20th shown.

Die erste Gasdiffusionslage 108 kann beispielsweise eine anodenseitige Gasdiffusionslage der elektrochemischen Einheit 106 sein.The first gas diffusion layer 108 can for example be an anode-side gas diffusion layer of the electrochemical unit 106 be.

Die zweite Gasdiffusionslage 110 kann beispielsweise eine kathodenseitige Gasdiffusionslage der elektrochemischen Einheit 106 sein.The second gas diffusion layer 110 can for example be a cathode-side gas diffusion layer of the electrochemical unit 106 be.

Grundsätzlich können aber auch Anodenseite und Kathodenseite der elektrochemischen Einheit 106 miteinander vertauscht werden, so dass dann die erste Gasdiffusionslage 108 die kathodenseitige Gasdiffusionslage und die zweite Gasdiffusionslage 110 die anodenseitige Gasdiffusionslage ist.In principle, however, the anode side and cathode side of the electrochemical unit can also be used 106 are interchanged, so that then the first gas diffusion layer 108 the cathode-side gas diffusion layer and the second gas diffusion layer 110 is the anode-side gas diffusion layer.

Die Bauteile der benachbarten elektrochemischen Einheit 106' sind vorzugsweise identisch mit den Bauteilen der elektrochemischen Einheit 106 ausgebildet, jedoch um einen Winkel von 180° um eine parallel zur Stapelrichtung 104 verlaufende mittige Drehachse zueinander verdreht im Stapel 102 montiert. The components of the neighboring electrochemical unit 106 ' are preferably identical to the components of the electrochemical unit 106 formed, but at an angle of 180 ° around a parallel to the stacking direction 104 running central axis of rotation mutually twisted in the stack 102 assembled.

Das erste Dichtelement 114 ist als ein Rahmen-Dichtelement 124 ausgebildet, welches ein in 19 einzeln dargestelltes Elastomerteil 126 und einen in 14 einzeln dargestellten Rahmen 128 umfasst.The first sealing element 114 is as a frame sealing element 124 trained, which is an in 19th individually shown elastomer part 126 and one in 14th individually shown frame 128 includes.

Das Elastomerteil 126 ist aus einem Elastomermaterial, beispielsweise aus einem Silikonmaterial, gebildet.The elastomer part 126 is formed from an elastomer material, for example from a silicone material.

Der Rahmen 128 ist aus einem Material gebildet, das eine höhere Formstabilität aufweist als das Elastomermaterial, aus dem das Elastomerteil 126 gebildet ist.The frame 128 is formed from a material that has a higher dimensional stability than the elastomer material from which the elastomer part 126 is formed.

Als Material für den Rahmen 128 kann beispielsweise ein Werkstoff mit der Bezeichnung PPS GF40 verwendet werden, welcher ein Polyphenylensulfid-Material mit einem Zusatz von Glasfasern in einem Anteil von 40 Gewichtsprozent Glasfasern enthält.As a material for the frame 128 For example, a material with the designation PPS GF40 can be used, which contains a polyphenylene sulfide material with an addition of glass fibers in a proportion of 40 percent by weight glass fibers.

Ferner kann als Material für den Rahmen 128 ein Leiterplattenwerkstoff verwendet werden, insbesondere ein Hartpapier.It can also be used as a material for the frame 128 a printed circuit board material can be used, in particular a hard paper.

Insbesondere kann als Material für den Rahmen 128 ein flammhemmendes Leiterplatten-Basismaterial, beispielsweise das Leiterplatten-Basismaterial mit der Bezeichnung FR2, FR3 oder FR4 (dabei steht „FR“ für „flame retardant“, also flammhemmend), verwendet werden.In particular, it can be used as a material for the frame 128 a flame-retardant circuit board base material, for example the circuit board base material with the designation FR2, FR3 or FR4 (where “FR” stands for “flame retardant”), can be used.

Das Leiterplatten-Basismaterial FR2 umfasst ein Papier in Standardqualität und Phenolharz.The FR2 circuit board base material comprises standard quality paper and phenolic resin.

Das Leiterplatten-Basismaterial FR3 umfasst einen Kern aus Epoxidharz und Papier.The circuit board base material FR3 comprises a core made of epoxy resin and paper.

Das Leiterplatten-Basismaterial FR4 umfasst ein Epoxidharz und ein Glasfasergewebe.The circuit board base material FR4 comprises an epoxy resin and a glass fiber fabric.

Bei Verwendung eines der vorstehend genannten Materialien für den Rahmen 128 kann das erste Dichtelement 114 durch ein Spritzgießverfahren hergestellt werden, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:

  • - Einbringen der ersten Gasdiffusionslage 108 in ein (nicht dargestelltes) Formgebu ngswerkzeug;
  • - Einbringen des Rahmens 128 als Einlegeteil in das Formgebungswerkzeug;
  • - Erzeugen des Elastomerteils 126, welches stoffschlüssig mit der ersten Gasdiffusionslage 108 und stoffschlüssig mit dem Rahmen 128 verbunden ist, durch einen Spritzgießvorgang in dem Formgebungswerkzeug.
When using any of the above materials for the frame 128 can the first sealing element 114 be made by an injection molding process, the process comprising:
  • - Introducing the first gas diffusion layer 108 in a (not shown) molding tool;
  • - Insertion of the frame 128 as an insert in the forming tool;
  • - Creation of the elastomer part 126 , which cohesively with the first gas diffusion layer 108 and cohesively with the frame 128 is connected by an injection molding process in the forming tool.

Alternativ hierzu kann das erste Dichtelement 114 auch in einem Mehr-Komponenten-Spritzgießverfahren, insbesondere in einem Zwei-Komponenten-Spritzgießverfahren, hergestellt werden, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:

  • - Einbringen der ersten Gasdiffusionslage 108 in ein Formgebungswerkzeug;
  • - Erzeugen des Rahmens 128 durch einen Spritzgießvorgang in dem Formgebungswerkzeug, wobei der Rahmen 128 beispielsweise aus einem Polybuthylen-Teraphthalat (PBTP) oder aus dem Werkstoff mit der Bezeichnung PPS GF40 (Polyphenylensulfid mit einem Zusatz von Glasfasern in einem Anteil von 40 Gewichtsprozent Glasfasern) gebildet wird;
  • - Erzeugen des Elastomerteils 126, welches stoffschlüssig mit der ersten Gasdiffusionslage und stoffschlüssig mit dem Rahmen 128 verbunden ist, durch einen zweiten Spritzgießvorgang in dem Formgebungswerkzeug.
Alternatively, the first sealing element 114 can also be produced in a multi-component injection molding process, in particular in a two-component injection molding process, the process comprising the following:
  • - Introducing the first gas diffusion layer 108 into a forming tool;
  • - Creation of the frame 128 by an injection molding process in the forming tool, the frame 128 is formed for example from a polybutylene teraphthalate (PBTP) or from the material with the designation PPS GF40 (polyphenylene sulfide with an addition of glass fibers in a proportion of 40 percent by weight glass fibers);
  • - Creation of the elastomer part 126 , which cohesively with the first gas diffusion layer and cohesively with the frame 128 is connected by a second injection molding process in the forming tool.

Jede Bipolarplattenlage 120, 122 und das Elastomerteil 126 des Rahmen-Dichtelements 124 weist jeweils mehrere Medium-Durchtrittsöffnungen 130 auf, durch welche jeweils ein der elektrochemischen Vorrichtung 100 zuzuführendes fluides Medium (im Falle einer Brennstoffzellenvorrichtung beispielsweise ein Brenngas, ein Oxidationsmittel oder ein Kühlmittel) durch die jeweilige Bipolarplattenlage 120, 122 beziehungsweise durch das Elastomerteil 126 des Rahmen-Dichtelements 124 hindurchtreten kann.Each bipolar plate position 120 , 122 and the elastomer part 126 of the frame sealing element 124 each has several medium passage openings 130 on, through which each one of the electrochemical device 100 fluid medium to be supplied (in the case of a fuel cell device for example a fuel gas, an oxidizing agent or a coolant) through the respective bipolar plate layer 120 , 122 or by the elastomer part 126 of the frame sealing element 124 can pass through.

Die Medium-Durchtrittsöffnungen 130 der im Stapel 102 aufeinanderfolgenden Bipolarplattenlagen 120, 122 und der dazwischen angeordneten Elastomerteile 126 der Rahmen-Dichtelemente 124 bilden zusammen jeweils einen Mediumkanal 132.The medium passage openings 130 the one in the stack 102 successive bipolar plate layers 120 , 122 and the elastomer parts arranged therebetween 126 the frame sealing elements 124 together each form a medium channel 132 .

Jedem Mediumkanal 132, durch welchen ein fluides Medium der elektrochemischen Vorrichtung 100 zuführbar ist, ist jeweils mindestens ein anderer Mediumkanal 132 zugeordnet, durch welchen das betreffende fluide Medium aus der elektrochemischen Vorrichtung 100 abführbar ist.Every medium channel 132 through which a fluid medium of the electrochemical device 100 can be fed is at least one other medium channel 132 assigned, through which the relevant fluid medium from the electrochemical device 100 is deductible.

Durch ein dazwischenliegendes Strömungsfeld, welches vorzugsweise an einer Oberfläche einer benachbarten Bipolarplattenlage 120, 122 oder (insbesondere im Falle eines Kühlmittel-Strömungsfelds) im Zwischenraum zwischen der ersten Bipolarplattenlage 120 und der zweiten Bipolarplattenlage 122 einer Bipolarplatte 118 ausgebildet ist, kann das Medium aus dem ersten Mediumkanal 132 quer, vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht, zu der Stapelrichtung 104 zu dem jeweils zugeordneten zweiten Mediumkanal 132 strömen.By an intermediate flow field, which is preferably on a surface of an adjacent bipolar plate layer 120 , 122 or (especially in the case of a coolant flow field) in the space between the first bipolar plate layer 120 and the second bipolar plate layer 122 a bipolar plate 118 is formed, the medium can from the first medium channel 132 transversely, preferably substantially perpendicularly, to the stacking direction 104 to the respectively assigned second medium channel 132 stream.

In den 1, 17, 18 und 19 sind beispielsweise zwei Mediumkanäle 134 für ein Oxidationsmittel der elektrochemischen Vorrichtung 100, zwei Mediumkanäle 136 für ein Kühlmittel der elektrochemischen Vorrichtung 100 und zwei Mediumkanäle 138 für ein Brenngas oder ein Rest-Brenngas der elektrochemischen Vorrichtung 100 dargestellt.In the 1 , 17th , 18th and 19th are for example two medium channels 134 for an oxidizing agent of the electrochemical device 100 , two medium channels 136 for a coolant of the electrochemical device 100 and two media channels 138 for a fuel gas or a residual fuel gas of the electrochemical device 100 shown.

Wie aus den 17 und 18 zu ersehen ist, steht jeder Mediumkanal 132 durch jeweils eine Strömungspforte 140 in Fluidverbindung mit einem jeweils zugeordneten Strömungsfeld.As from the 17th and 18th can be seen, each medium channel is available 132 through one flow port each 140 in fluid communication with a respectively assigned flow field.

Ein unerwünschtes Austreten der fluiden Medien aus dem Mediumkanälen 132 und den Strömungsfeldern der elektrochemischen Vorrichtung wird durch die Dichtelemente 114 und 116 der elektrochemischen Einheiten 106 vermieden.An undesired leakage of the fluid media from the media channels 132 and the flow fields of the electrochemical device is through the sealing elements 114 and 116 of the electrochemical units 106 avoided.

Wie beispielsweise aus 2 zu ersehen ist, umfasst das Elastomerteil 126 des ersten Dichtelements 114 einen Strömungsfeld-Dichtbereich 142, welcher sich um ein Strömungsfeld, beispielsweise um das Strömungsfeld für das Brenngas, herum erstreckt und eine oder mehrere, bei der dargestellten Ausführungsform zwei, Dichtlippen 144 umfasst, welche an der ersten Bipolarplattenlage 120 der Bipolarplatte 118 fluiddicht anliegen, ohne an derselben festgelegt zu sein.Like, for example 2 can be seen, comprises the elastomer part 126 of the first sealing element 114 a flow field sealing area 142 , which extends around a flow field, for example around the flow field for the fuel gas, and one or more, in the embodiment shown, two sealing lips 144 includes which on the first bipolar plate layer 120 the bipolar plate 118 lie fluid-tight without being attached to the same.

Ferner umfasst das Elastomerteil 126 des ersten Dichtelements 114, wie beispielsweise aus den 4 und 19 zu ersehen ist, mehrere Mediumkanal-Dichtbereiche 146, welche sich um jeweils einen Mediumkanal 132 herum erstrecken und an der ersten Bipolarplattenlage 120 der Bipolarplatte 118 derselben elektrochemischen Einheit 106 sowie an der zweiten Bipolarplattenlage 122 der Bipolarplatte 118 einer benachbarten elektrochemischen Einheit 106' fluiddicht anliegen, ohne an diesen Bipolarplattenlagen 120 beziehungsweise 122 festgelegt zu sein.Furthermore, the elastomer part comprises 126 of the first sealing element 114 , such as from the 4th and 19th can be seen, several medium duct sealing areas 146 , which are each a medium channel 132 extend around and on the first bipolar plate layer 120 the bipolar plate 118 the same electrochemical unit 106 as well as on the second bipolar plate layer 122 the bipolar plate 118 an adjacent electrochemical unit 106 ' are fluid-tight without touching these bipolar plate layers 120 respectively 122 to be set.

Der Mediumkanal-Dichtbereich 146 weist vorzugsweise eine oder mehrere Dichtlippen 148 auf, mit denen das Elastomerteil 126 an der ersten Bipolarplattenlage 120 anliegt.The medium duct sealing area 146 preferably has one or more sealing lips 148 on with which the elastomer part 126 at the first bipolar plate position 120 is present.

Ferner umfasst der Mediumkanal-Dichtbereich 146 vorzugsweise eine oder mehrere Dichtlippen 150, mit denen das Elastomerteil 126 an der zweiten Bipolarplattenlage 122 der benachbarten elektrochemischen Einheit 106 anliegt.The medium channel sealing area also includes 146 preferably one or more sealing lips 150 with which the elastomer part 126 on the second bipolar plate layer 122 the neighboring electrochemical unit 106 is present.

Das zweite Dichtelement 116 umfasst, wie beispielsweise aus 2 und 20 zu ersehen ist, einen Strömungsfeld-Dichtbereich 152, welcher sich um ein Strömungsfeld der elektrochemischen Einheit 106, beispielsweise um das Strömungsfeld für Oxidationsmittel, herum erstreckt.The second sealing element 116 includes, such as from 2 and 20th can be seen, a flow field sealing area 152 , which is a flow field of the electrochemical unit 106 , for example around the flow field for oxidizing agents.

Der Strömungsfeld-Dichtbereich 152 des zweiten Dichtelements 116 umfasst vorzugsweise eine oder mehrere Dichtlippen 154, mit denen das zweite Dichtelement 116 an einer zweiten Bipolarplattenlage 122 einer benachbarten elektrochemischen Einheit fluiddicht anliegt, ohne an der Bipolarplattenlage 122 festgelegt zu sein.The flow field sealing area 152 of the second sealing element 116 preferably comprises one or more sealing lips 154 with which the second sealing element 116 on a second bipolar plate position 122 an adjacent electrochemical unit is in fluid-tight contact without the bipolar plate layer 122 to be set.

Ferner liegen der Strömungsfeld-Dichtbereich 152 des zweiten Dichtelements 116 und der Strömungsfeld-Dichtbereich 142 des ersten Dichtelements 114 mit ihren einander zugewandten, vorzugsweise im Wesentlichen ebenen Kontaktflächen 156a beziehungsweise 156b fluiddicht aneinander an, ohne aneinander festgelegt zu sein.The flow field sealing area is also located 152 of the second sealing element 116 and the flow field sealing area 142 of the first sealing element 114 with their facing, preferably essentially flat, contact surfaces 156a respectively 156b fluid-tight to one another without being fixed to one another.

Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Rahmen 128 des ersten Dichtelements 114 nicht direkt mit der ersten Gasdiffusionslage 108 verbunden, mit welcher das Elastomerteil 126 des ersten Dichtelements 114 stoffschlüssig verbunden ist.In the illustrated embodiment, the frame 128 of the first sealing element 114 not directly with the first gas diffusion layer 108 connected with which the elastomer part 126 of the first sealing element 114 is firmly connected.

Der Rahmen 128 umfasst aber einen Rahmen-Kontaktbereich 158, an welchem der Rahmen 128 stoffschlüssig mit dem Elastomerteil 126 verbunden ist (siehe insbesondere die 2 und 4).The frame 128 but includes a frame contact area 158 on which the frame 128 cohesively with the elastomer part 126 connected (see in particular the 2 and 4th ).

Der Rahmen 128 ist zur verbesserten Anbindung des Elastomerteils 126 an den Rahmen 128 in dem Rahmen-Kontaktbereich 158 abgeflacht ausgebildet; die Ausdehnung des Rahmens 128 längs der Stapelrichtung 104 ist somit in dem Rahmen-Kontaktbereich 158 geringer als in dem an den Rahmen-Kontaktbereich 158 angrenzenden Rahmen-Grundkörper 160.The frame 128 is for the improved connection of the elastomer part 126 to the frame 128 in the frame contact area 158 flattened; the expansion of the frame 128 along the stacking direction 104 is thus in the frame contact area 158 less than that on the frame contact area 158 adjacent frame body 160 .

Das Elastomerteil 126 umfasst einen oberen Elastomerteil-Kontaktbereich 162, der in der Stapelrichtung 104 über dem Rahmen-Kontaktbereich 158 angeordnet ist, und einen unteren Elastomerteil-Kontaktbereich 164, der in der Stapelrichtung 104 unter dem Rahmen-Kontaktbereich 158 angeordnet ist.The elastomer part 126 comprises an upper elastomeric part contact area 162 that is in the stacking direction 104 above the frame contact area 158 is arranged, and a lower elastomer part contact area 164 that is in the stacking direction 104 under the frame contact area 158 is arranged.

Wie aus den 4, 23 und 27 zu ersehen ist, umfasst das Elastomerteil 126 mindestens einen, vorzugsweise mehrere Elastomerteil-Hinterschneidungsbereiche 166, welche jeweils einen Bereich des Rahmens 128 hintergreifen (in einer zur Stapelrichtung 104 senkrechten Hinterschneidungsrichtung 168 gesehen).As from the 4th , 23 and 27 can be seen, comprises the elastomer part 126 at least one, preferably several, elastomer part undercut areas 166 which each represent an area of the frame 128 reach behind (in one direction to the stacking direction 104 vertical undercut direction 168 seen).

Ferner umfasst der Rahmen 128 mindestens einen, vorzugsweise mehrere, Rahmen-Hinterschneidungsbereiche 170, welche jeweils einen Bereich des Elastomerteils 126 hintergreifen.The frame also includes 128 at least one, preferably several, frame undercut areas 170 , which each have an area of the elastomer part 126 reach behind.

Wie insbesondere aus den 4 und 27 zu ersehen ist, kann der Rahmen 128 insbesondere mindestens eine Durchtrittsöffnung 172 aufweisen, durch welche das Elastomerteil 126 sich hindurch erstreckt.As in particular from the 4th and 27 can be seen, the frame 128 in particular at least one passage opening 172 have through which the elastomer part 126 extends through.

Ferner umfasst der Rahmen 128 mindestens eine Ausnehmung 174 (siehe 15 und 24), die an einer Mündungsöffnung 176 mündet, welche an einem elastomerteilseitigen Rand 178 des Rahmens 128 angeordnet ist, wobei die Ausnehmung 174 eine der Mündungsöffnung 176 benachbarte Engstelle 180 und einen erweiterten Bereich 182, welcher über die Engstelle 180 mit der Mündungsöffnung 176 der Ausnehmung 174 verbunden ist, umfasst.The frame also includes 128 at least one recess 174 (please refer 15th and 24 ) attached to a mouth opening 176 opens, which at an elastomer part-side edge 178 of the frame 128 is arranged, the recess 174 one of the mouth opening 176 neighboring bottleneck 180 and an extended area 182 , which over the bottleneck 180 with the mouth opening 176 the recess 174 is connected, includes.

Wie aus 1 zu ersehen ist, stehen die Kontaktierungslaschen 121 und die Stapelränder 123 der Bipolarplatte 118 seitlich, in einer zur Stapelrichtung 104 senkrechten Richtung, über den Rahmen 124 über.How out 1 can be seen, the contact tabs are 121 and the edges of the stack 123 the bipolar plate 118 laterally, in one direction to the stacking direction 104 perpendicular direction, across the frame 124 above.

Um die Rahmen 128 der ersten Dichtelemente 114 von in der Stapelrichtung 104 aufeinanderfolgenden elektrochemischen Einheiten 106 in einfacher Weise präzise relativ zueinander positionieren zu können, weist der Rahmen 128 mindestens ein Positionierelement 184 auf, das mit einer Positionieröffnung 186 des ersten Dichtelements 114 einer benachbarten elektrochemischen Einheit 106' in Eingriff steht (siehe 12 und 13).To the frame 128 of the first sealing elements 114 from in the stacking direction 104 successive electrochemical units 106 to be able to position precisely relative to one another in a simple manner, the frame 128 at least one positioning element 184 on, the one with a positioning opening 186 of the first sealing element 114 an adjacent electrochemical unit 106 ' is engaged (see 12th and 13th ).

Das Positionierelement 184 ist beispielsweise als ein in der Stapelrichtung 104 von dem Rahmen-Grundkörper 160 vorstehender, beispielsweise im Wesentlichen zylindrischer, Zapfen 188 ausgebildet.The positioning element 184 is for example as one in the stacking direction 104 from the frame body 160 protruding, for example essentially cylindrical, pin 188 educated.

Die Positionieröffnung 186 ist in dem Elastomerteil 126 des ersten Dichtelements 114 der benachbarten elektrochemischen Einheit 106 ausgebildet und weist vor der Assemblierung der elektrochemischen Vorrichtung 100 ein Untermaß gegenüber dem Positionierelement 184 auf, welches bei der Assemblierung in die Positionieröffnung 186 eingebracht wird.The positioning opening 186 is in the elastomer part 126 of the first sealing element 114 the neighboring electrochemical unit 106 formed and has prior to assembly of the electrochemical device 100 an undersize compared to the positioning element 184 on which during the assembly in the positioning opening 186 is introduced.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Durchmesser der Positionieröffnung 186 vor der Assemblierung kleiner ist als der Außendurchmesser des Positionierelements 184, vorzugsweise um mindestens 0,1 mm, insbesondere um mindestens 0,2 mm.In particular, it can be provided that the diameter of the positioning opening 186 before assembly is smaller than the outer diameter of the positioning element 184 , preferably by at least 0.1 mm, in particular by at least 0.2 mm.

Das Positionierelement 184 ist somit durch Kraftschluss, insbesondere durch Presspassung, mechanisch mit dem Elastomerteil 126, in welchem die Positionieröffnung 186 ausgebildet ist, gekoppelt.The positioning element 184 is thus mechanical with the elastomer part by means of a force fit, in particular by means of a press fit 126 in which the positioning opening 186 is formed, coupled.

Das Positionierelement 184 bildet somit auch ein Kopplungselement 190, und die Positionieröffnung 186 bildet eine Kopplungsöffnung 192, wobei das Kopplungselement 190 und die Kopplungsöffnung 192 zusammen eine Kopplungseinrichtung 194 bilden, durch welche das erste Dichtelement 114 der einen elektrochemischen Einheit 106 mechanisch mit dem ersten Dichtelement 114 der benachbarten elektrochemischen Einheit 106' gekoppelt ist.The positioning element 184 thus also forms a coupling element 190 , and the positioning hole 186 forms a coupling opening 192 , the coupling element 190 and the coupling opening 192 together a coupling device 194 form, through which the first sealing element 114 the one electrochemical unit 106 mechanically with the first sealing element 114 the neighboring electrochemical unit 106 ' is coupled.

Das Kopplungselement 190 beziehungsweise das Positionierelement 184 erstreckt sich durch eine Durchtrittsöffnung 196 in den Bipolarplattenlagen 120 und 122 der zwischen dem ersten Dichtelement 114 der einen elektrochemischen Einheit 106 und dem ersten Dichtelement 114 der benachbarten elektrochemischen Einheit 106' angeordneten Bipolarplatte 118 hindurch.The coupling element 190 or the positioning element 184 extends through a passage opening 196 in the bipolar plate layers 120 and 122 between the first sealing element 114 the one electrochemical unit 106 and the first sealing element 114 the neighboring electrochemical unit 106 ' arranged bipolar plate 118 through.

Die elektrochemische Vorrichtung 100 umfasst ferner eine in 6 dargestellte weitere Kopplungseinrichtung 198, durch welche das zweite Dichtelement 116 der einen elektrochemischen Einheit 106 mechanisch mit dem Rahmen 128 des ersten Dichtelements 114 derselben elektrochemischen Einheit 106 und mit der dem ersten Dichtelement 114 benachbarten Bipolarplatte 118 gekoppelt ist.The electrochemical device 100 also includes an in 6th illustrated further coupling device 198 , through which the second sealing element 116 the one electrochemical unit 106 mechanically with the frame 128 of the first sealing element 114 the same electrochemical unit 106 and with that of the first sealing element 114 adjacent bipolar plate 118 is coupled.

Diese weitere Kopplungseinrichtung 198 umfasst ein als Napf oder Pilzkopf 200 ausgebildetes Kopplungselement 190, welches einstückig mit dem aus Elastomermaterial gebildeten zweiten Dichtelement 116 ausgebildet ist und sich durch eine Kopplungsöffnung 192 hindurch erstreckt, welche im Rahmen 128 des ersten Dichtelements 114 vorgesehen ist.This further coupling device 198 includes a bowl or mushroom head 200 formed coupling element 190 , which is integral with the second sealing element formed from elastomer material 116 is formed and is through a Coupling opening 192 extends through which in the frame 128 of the first sealing element 114 is provided.

Das Kopplungselement 198 weist einen Hinterschneidungsbereich 202 auf, welcher den Rand der Kopplungsöffnung 192 in dem Rahmen 128 des ersten Dichtelements 114 (in der Stapelrichtung 104 gesehen) hintergreift.The coupling element 198 has an undercut area 202 on which the edge of the coupling opening 192 in the frame 128 of the first sealing element 114 (in the stacking direction 104 seen).

Das Kopplungselement 190 der weiteren Kopplungseinrichtung 198 steht auch in Eingriff mit einer weiteren Kopplungsöffnung 204, die in den Bipolarplattenlagen 120 und 122 der dem ersten Dichtelement 114 benachbarten Bipolarplatte 118 vorgesehen ist.The coupling element 190 the further coupling device 198 is also in engagement with a further coupling opening 204 that are in the bipolar plate layers 120 and 122 that of the first sealing element 114 adjacent bipolar plate 118 is provided.

Somit ist das zweite Dichtelement 116 durch die weitere Kopplungseinrichtung 198 auch mit der Bipolarplatte 118 gekoppelt.Thus is the second sealing element 116 through the further coupling device 198 also with the bipolar plate 118 coupled.

Wie am besten aus 20 zu ersehen ist, ist das Kopplungselement 190 der weiteren Kopplungseinrichtung 198 an einer Lasche 206 des zweiten Dichtelements 116 angeordnet, welche außerhalb des Strömungsfeld-Dichtbereichs 152 des zweiten Dichtelements 116 angeordnet ist und sich von dem Strömungsfeld-Dichtbereich 152 des zweiten Dichtelements 116 weg erstreckt.How best to look 20th can be seen is the coupling element 190 the further coupling device 198 on a tab 206 of the second sealing element 116 arranged, which outside the flow field sealing area 152 of the second sealing element 116 is arranged and from the flow field sealing area 152 of the second sealing element 116 extends away.

Die Kopplungseinrichtung 198 ist als eine Rasteinrichtung 208 ausgebildet, durch welche das zweite Dichtelement 116 der elektrochemischen Einheit 106 mit dem ersten Dichtelement 114 derselben elektrochemischen Einheit 106 verrastet ist.The coupling device 198 is as a locking device 208 formed through which the second sealing element 116 the electrochemical unit 106 with the first sealing element 114 the same electrochemical unit 106 is locked.

Das Kopplungselement 190 der Kopplungseinrichtung 198 weist einen Hohlraum 210 auf, in welchen bei der Assemblierung der elektrochemischen Einheit 106 ein Positionierstift einer Handhabungsvorrichtung, beispielsweise eines Roboters, eingreifen kann, um das zweite Dichtelement 116 im Bereich der Kopplungseinrichtung 198 relativ zu dem ersten Dichtelement 114 zu positionieren.The coupling element 190 the coupling device 198 has a cavity 210 on what to do when assembling the electrochemical unit 106 a positioning pin of a handling device, for example a robot, can engage around the second sealing element 116 in the area of the coupling device 198 relative to the first sealing element 114 to position.

Ferner weist der Rahmen 128 eine oder mehrere Handhabungs-Durchtrittsöffnungen 222 auf, welche insbesondere in den 1, 6, 8 und 12 dargestellt sind und nicht mit Elastomermaterial des Elastomerteils 126 befüllt sind. In diese Handhabungs-Durchtrittsöffnungen 222 kann eine Handhabungsvorrichtung bei der Assemblierung der elektrochemischen Einheit 106 oder der elektrochemischen Vorrichtung 100 eingreifen, um das erste Dichtelement 114 relativ zu anderen Bauteilen zu positionieren.Furthermore, the frame 128 one or more handling passages 222 on which in particular in the 1 , 6th , 8th and 12th are shown and not with elastomer material of the elastomer part 126 are filled. In these handling openings 222 can be a handling device during the assembly of the electrochemical unit 106 or the electrochemical device 100 engage to the first sealing element 114 to be positioned relative to other components.

Der Rahmen 128 des ersten Dichtelements 114 umfasst einen in den 21 und 22 dargestellten Entlüftungsbereich 212, über welchen eine Kavität des Formgebungswerkzeugs während der Befüllung der Kavität mit dem Elastomermaterial des Elastomerteils 126 entlüftet wird.The frame 128 of the first sealing element 114 includes one in the 21 and 22nd shown venting area 212 , over which a cavity of the forming tool during the filling of the cavity with the elastomer material of the elastomer part 126 is vented.

Im fertig hergestellten ersten Dichtelement 114 ist der Entlüftungsbereich 212 mit dem Elastomermaterial des Elastomerteils 126 gefüllt, wobei das im Entlüftungsbereich 212 angeordnete Elastomermaterial Luftblasen enthält, welche bei der Befüllung des Entlüftungsbereichs 212 während des Spritzgießvorgangs gebildet worden sind. In dem Entlüftungsbereich 212, welcher außerhalb der Mediumkanal-Dichtbereiche 146 und des Strömungsfeld-Dichtbereichs 142 des ersten Dichtelements 114 liegt, beeinträchtigen diese Luftblasen im Elastomermaterial die Abdichtfunktion des ersten Dichtelements 114 jedoch nicht.In the finished first sealing element 114 is the vent area 212 with the elastomer material of the elastomer part 126 filled, with that in the vent area 212 arranged elastomer material contains air bubbles, which when filling the ventilation area 212 formed during the injection molding process. In the vent area 212 which is outside the medium duct sealing areas 146 and the flow field sealing area 142 of the first sealing element 114 is, these air bubbles in the elastomeric material impair the sealing function of the first sealing element 114 However not.

Der Entlüftungsbereich 212 muss daher nach der Herstellung des ersten Dichtelements 114 in einem Spritzgießverfahren nicht abgetrennt werden, sondern kann an dem ersten Dichtelement 114 verbleiben, welches zur Assemblierung der elektrochemischen Einheit 106 und der elektrochemischen Vorrichtung 100 verwendet wird.The vent area 212 must therefore after the production of the first sealing element 114 can not be separated in an injection molding process, but can on the first sealing element 114 remain, which is used to assemble the electrochemical unit 106 and the electrochemical device 100 is used.

In einem Eintrittsbereich 214 des Entlüftungsbereichs 212, durch welchen das Elastomermaterial beim Spritzgießvorgang in den Entlüftungsbereich 212 eindringt, weist der Rahmen 128 eine geringere Dicke, das heißt eine geringere Ausdehnung in der Stapelrichtung 104, auf als in den an den Eintrittsbereich 214 angrenzenden Bereichen des Rahmen-Grundkörpers 160.In an entry area 214 of the vent area 212 through which the elastomer material enters the venting area during the injection molding process 212 penetrates, the frame points 128 a smaller thickness, that is, a smaller extension in the stacking direction 104 , on than in the on the entry area 214 adjacent areas of the frame base body 160 .

Von dem Eintrittsbereich 114 ausgehend steigt die Dicke des Rahmens 128 im Entlüftungsbereich 212 bis zu einem Endbereich 216 oder bis zu mehreren, beispielsweise zwei, Endbereichen 216 des Entlüftungsbereichs 212 hin an.From the entry area 114 starting out, the thickness of the frame increases 128 in the ventilation area 212 up to an end area 216 or up to several, for example two, end regions 216 of the vent area 212 towards.

Dieser Anstieg der Dicke des Rahmens 128 vom Eintrittsbereich 214 bis zu dem Endbereich 216 oder bis zu den Endbereichen 216 des Entlüftungsbereichs 212 erfolgt vorzugsweise im Wesentlichen kontinuierlich.This increase in the thickness of the frame 128 from the entrance area 214 to the end 216 or to the end areas 216 of the vent area 212 preferably takes place essentially continuously.

Eine in 28 ausschnittsweise dargestellte zweite Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 unterscheidet sich von der in den 1 bis 27, insbesondere in der der 28 entsprechenden 13, dargestellten und vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform dadurch, dass das Positionierelement 184 nicht durch Presspassung kraftschlüssig mit dem Elastomerteil 126 des ersten Dichtelements 114 der benachbarten elektrochemischen Einheit 106 verbunden ist, sondern lediglich mit Spiel in eine Positionieröffnung 186 eingreift, welche an dem Rahmen 128 des ersten Dichtelements 114 der benachbarten elektrochemischen Einheit 106' vorgesehen ist.One in 28 Second embodiment of an electrochemical device shown in detail 100 differs from that in the 1 to 27 , especially in the 28 appropriate 13th , illustrated and described first embodiment in that the positioning element 184 not frictional with the elastomer part due to a press fit 126 of the first sealing element 114 the neighboring electrochemical unit 106 is connected, but only with play in a positioning opening 186 engages which on the frame 128 of the first sealing element 114 the neighboring electrochemical unit 106 ' is provided.

Stattdessen wird das erste Dichtelement der elektrochemischen Einheit bei dieser Ausführungsform präzise relativ zu der benachbarten Bipolarplatte 118 positioniert, indem das Positionierelement 184 in Form des Zapfens 188 mit geringem Spiel in Eingriff mit einer Positionieröffnung 186' steht, die an der Bipolarplatte 118, insbesondere an der dem ersten Dichtelement 114 abgewandten zweiten Bipolarplattenlage 122, ausgebildet ist.Instead, in this embodiment, the first sealing element of the electrochemical unit becomes precise relative to the adjacent bipolar plate 118 positioned by the positioning element 184 in the shape of the peg 188 with little play in engagement with a positioning opening 186 ' that stands on the bipolar plate 118 , in particular on the first sealing element 114 facing away from the second bipolar plate layer 122 , is trained.

Das Positionierelement 184 bildet zugleich ein Kopplungselement 190, das an dem ersten Dichtelement 114 der elektrochemischen Einheit 106 vorgesehen ist und in Eingriff mit der als Kopplungsöffnung 192 dienenden Positionieröffnung 186' der Bipolarplatte 118 steht.The positioning element 184 at the same time forms a coupling element 190 that is attached to the first sealing element 114 the electrochemical unit 106 is provided and in engagement with the coupling opening 192 serving positioning opening 186 ' the bipolar plate 118 stands.

Im Übrigen stimmt die in 28 dargestellte zweite Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in den 1 bis 27 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.Incidentally, the in 28 illustrated second embodiment of an electrochemical device 100 in terms of structure, function and manufacturing method with the 1 to 27 first embodiment shown, reference is made to the above description in this respect.

Eine in 29 ausschnittsweise dargestellte dritte Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 unterscheidet sich von der in den 1 bis 27 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass der Rahmen 128 des ersten Dichtelements 114 nicht einstückig ausgebildet ist, sondern zwei oder mehr separate Rahmenteile 218 umfasst und längs seinen Umfangs mindestens einen Spalt 220 aufweist, der zwei Rahmenteile 218 des Rahmens 128 voneinander trennt.One in 29 Third embodiment of an electrochemical device shown in detail 100 differs from that in the 1 to 27 illustrated first embodiment in that the frame 128 of the first sealing element 114 is not formed in one piece, but two or more separate frame parts 218 comprises and along its circumference at least one gap 220 has, the two frame parts 218 of the frame 128 separates from each other.

Der Spalt 220 ist vorzugsweise mit Elastomermaterial des Elastomerteils 126 gefüllt.The gap 220 is preferably with elastomer material of the elastomer part 126 filled.

Im Übrigen stimmt die in 29 dargestellte dritte Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in den 1 bis 27 dargestellten ersten Ausführungsform oder mit der in 28 dargestellten zweiten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.Incidentally, the in 29 illustrated third embodiment of an electrochemical device 100 in terms of structure, function and manufacturing method with the 1 to 27 shown first embodiment or with the in 28 second embodiment shown, reference is made to the above description in this respect.

Claims (15)

Elektrochemische Vorrichtung, umfassend mehrere, längs einer Stapelrichtung (104) aufeinanderfolgende elektrochemische Einheiten (106), welche jeweils eine Membran (112), eine erste Gasdiffusionslage (108), eine zweite Gasdiffusionslage (110), ein stoffschlüssig mit der ersten Gasdiffusionslage (108) verbundenes erstes Dichtelement (114), ein stoffschlüssig mit der zweiten Gasdiffusionslage (110) verbundenes zweites Dichtelement (116) und eine Bipolarplatte (118) umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Dichtelement (114) mindestens einer elektrochemischen Einheit (106) durch mindestens eine Kopplungseinrichtung (194, 198) mechanisch mit dem zweiten Dichtelement (116) derselben elektrochemischen Einheit (106), mit dem ersten Dichtelement (114) einer benachbarten elektrochemischen Einheit (106'), mit dem zweiten Dichtelement (116) einer benachbarten elektrochemischen Einheit (106') und/oder mit einer Bipolarplatte (118) gekoppelt ist.Electrochemical device, comprising a plurality of electrochemical units (106) following one another along a stacking direction (104), each of which has a membrane (112), a first gas diffusion layer (108), a second gas diffusion layer (110), a material bond with the first gas diffusion layer (108) connected first sealing element (114), a materially bonded to the second gas diffusion layer (110) connected second sealing element (116) and a bipolar plate (118), characterized in that the first sealing element (114) at least one electrochemical unit (106) by at least one Coupling device (194, 198) mechanically with the second sealing element (116) of the same electrochemical unit (106), with the first sealing element (114) of an adjacent electrochemical unit (106 '), with the second sealing element (116) of an adjacent electrochemical unit (106 ') and / or is coupled to a bipolar plate (118). Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Kopplungseinrichtung (194, 198) ein Kopplungselement (190) umfasst, welches in Eingriff mit einer Kopplungsöffnung (192, 204) oder einer Kopplungsaufnahme steht.Electrochemical device according to Claim 1 , characterized in that at least one coupling device (194, 198) comprises a coupling element (190) which is in engagement with a coupling opening (192, 204) or a coupling receptacle. Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungselement (190) einen Hinterschneidungsbereich (202) aufweist, welcher eine Kopplungsöffnung (192) oder einen Rückhaltebereich einer Kopplungsaufnahme hintergreift.Electrochemical device according to Claim 2 , characterized in that the coupling element (190) has an undercut area (202) which engages behind a coupling opening (192) or a retaining area of a coupling receptacle. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungselement (190) einen Zapfen (188), einen Pilzkopf (200), einen Napf, einen Druckknopf und/oder einen Saugnapf umfasst.Electrochemical device according to one of the Claims 2 or 3 , characterized in that the coupling element (190) comprises a pin (188), a mushroom head (200), a cup, a push button and / or a suction cup. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungselement (190) aus einem Elastomermaterial gebildet ist.Electrochemical device according to one of the Claims 2 to 4th , characterized in that the coupling element (190) is formed from an elastomer material. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Dichtelemente (114) als ein Rahmen-Dichtelement (124) ausgebildet ist, welches ein Elastomerteil (126) und einen Rahmen (128) umfasst, wobei der Rahmen (128) aus einem Material gebildet ist, dass eine höhere Formstabilität aufweist als das Elastomermaterial, aus dem das Elastomerteil (126) gebildet ist, wobei der Rahmen (128) mit einem Kopplungselement (190) einer Kopplungseinrichtung (194) und/oder mit einer Kopplungsöffnung oder einer Kopplungsaufnahme einer Kopplungseinrichtung (194) versehen ist.Electrochemical device according to one of the Claims 2 to 4th , characterized in that one of the sealing elements (114) is designed as a frame sealing element (124) which comprises an elastomer part (126) and a frame (128), the frame (128) being formed from a material that a has greater dimensional stability than the elastomer material from which the elastomer part (126) is formed, the frame (128) being provided with a coupling element (190) of a coupling device (194) and / or with a coupling opening or a coupling receptacle of a coupling device (194) . Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Kopplungseinrichtung (198) ein an dem zweiten Dichtelement (116) einer elektrochemischen Einheit (106) vorgesehenes Kopplungselement (190) umfasst, welches in Eingriff mit einer an dem ersten Dichtelement (114) derselben elektrochemischen Einheit (106) vorgesehenen Kopplungsöffnung (192) steht.Electrochemical device according to one of the Claims 1 to 6th , characterized in that at least one coupling device (198) comprises a coupling element (190) provided on the second sealing element (116) of an electrochemical unit (106) which engages with one on the first sealing element (114) thereof electrochemical unit (106) provided coupling opening (192) is. Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungselement (190) auch in Eingriff mit einer Kopplungsöffnung (204) in einer Bipolarplatte (118) steht.Electrochemical device according to Claim 7 , characterized in that the coupling element (190) is also in engagement with a coupling opening (204) in a bipolar plate (118). Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Kopplungseinrichtung (194) ein an dem ersten Dichtelement (114) einer elektrochemischen Einheit (106) vorgesehenes Kopplungselement (190) umfasst, welches in Eingriff mit einer an dem ersten Dichtelement (114) einer benachbarten elektrochemischen Einheit (106') vorgesehenen Kopplungsöffnung (192) steht.Electrochemical device according to one of the Claims 1 to 8th , characterized in that at least one coupling device (194) comprises a coupling element (190) provided on the first sealing element (114) of an electrochemical unit (106) which engages with one on the first sealing element (114) of an adjacent electrochemical unit (106 ') provided coupling opening (192). Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungselement (190) sich durch eine Durchtrittsöffnung (196) in einer zwischen dem ersten Dichtelement (114) der einen elektrochemischen Einheit (106) und dem ersten Dichtelement (114) der benachbarten elektrochemischen Einheit (106') angeordneten Bipolarplatte (118) hindurch erstreckt.Electrochemical device according to Claim 9 , characterized in that the coupling element (190) extends through a passage opening (196) in a bipolar plate arranged between the first sealing element (114) of the one electrochemical unit (106) and the first sealing element (114) of the adjacent electrochemical unit (106 ') (118) extends therethrough. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Kopplungseinrichtung (194) ein an dem ersten Dichtelement (114) einer elektrochemischen Einheit (106) vorgesehenes Kopplungselement (190) umfasst, welches in Eingriff mit einer Kopplungsöffnung (192) einer Bipolarplatte (118) steht.Electrochemical device according to one of the Claims 1 to 10 , characterized in that at least one coupling device (194) comprises a coupling element (190) provided on the first sealing element (114) of an electrochemical unit (106), which is in engagement with a coupling opening (192) of a bipolar plate (118). Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Kopplungseinrichtung (198) ein Kopplungselement (190), eine Kopplungsöffnung (192) oder eine Kopplungsaufnahme umfasst, das beziehungsweise die an einer Lasche (206) eines Dichtelements (116) angeordnet ist, welche außerhalb eines Dichtbereichs (152) des betreffenden Dichtelements (116) angeordnet ist und sich von dem Dichtbereich (152) weg erstreckt.Electrochemical device according to one of the Claims 1 to 11 , characterized in that at least one coupling device (198) comprises a coupling element (190), a coupling opening (192) or a coupling receptacle which is arranged on a tab (206) of a sealing element (116) which is outside a sealing area (152 ) of the relevant sealing element (116) is arranged and extends away from the sealing area (152). Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Kopplungseinrichtung (198) als eine Rasteinrichtung (208) ausgebildet ist.Electrochemical device according to one of the Claims 1 to 12th , characterized in that at least one coupling device (198) is designed as a latching device (208). Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Dichtelement (114) mindestens einer elektrochemischen Einheit (106) durch mindestens zwei Kopplungseinrichtungen (198) mechanisch mit dem zweiten Dichtelement (116) derselben elektrochemischen Einheit (106), durch mindestens zwei Kopplungseinrichtungen (194) mit dem ersten Dichtelement (114) einer benachbarten elektrochemischen Einheit (106'), durch mindestens zwei Kopplungseinrichtungen mit dem zweiten Dichtelement (116) einer benachbarten elektrochemischen Einheit (106') und/oder durch mindestens zwei Kopplungseinrichtungen (194) mit einer Bipolarplatte (118) gekoppelt ist.Electrochemical device according to one of the Claims 1 to 13th , characterized in that the first sealing element (114) of at least one electrochemical unit (106) by at least two coupling devices (198) mechanically with the second sealing element (116) of the same electrochemical unit (106), by at least two coupling devices (194) with the first Sealing element (114) of an adjacent electrochemical unit (106 ') is coupled by at least two coupling devices to the second sealing element (116) of an adjacent electrochemical unit (106') and / or by at least two coupling devices (194) to a bipolar plate (118) . Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Vorrichtung (100), die mehrere längs einer Stapelrichtung (104) aufeinanderfolgende elektrochemische Einheiten (106) umfasst, wobei die elektrochemischen Einheiten (106) jeweils eine Membran (112), eine erste Gasdiffusionslage (108), eine zweite Gasdiffusionslage (110), ein stoffschlüssig mit der ersten Gasdiffusionslage (108) verbundenes erstes Dichtelement (114), ein stoffschlüssig mit der zweiten Gasdiffusionslage (110) verbundenes zweites Dichtelement (116) und eine Bipolarplatte (118) umfassen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: - mechanisches Koppeln des ersten Dichtelements (108) mindestens einer elektrochemischen Einheit (106) durch mindestens eine Kopplungseinrichtung (194, 198) mit dem zweiten Dichtelement (116) derselben elektrochemischen Einheit (106), mit dem ersten Dichtelement (114) einer benachbarten elektrochemischen Einheit (106'), mit dem zweiten Dichtelement (116) einer benachbarten elektrochemischen Einheit (106) oder mit einer Bipolarplatte (118).Method for producing an electrochemical device (100) which comprises a plurality of electrochemical units (106) following one another along a stacking direction (104), the electrochemical units (106) each having a membrane (112), a first gas diffusion layer (108), a second gas diffusion layer (110), a first sealing element (114) connected to the first gas diffusion layer (108) and a material bond with the second gas diffusion layer (110) connected second sealing element (116) and a bipolar plate (118), the method comprising: - Mechanical coupling of the first sealing element (108) of at least one electrochemical unit (106) by at least one coupling device (194, 198) with the second sealing element (116) of the same electrochemical unit (106), with the first sealing element (114) of an adjacent electrochemical unit (106 '), with the second sealing element (116) of an adjacent electrochemical unit (106) or with a bipolar plate (118).
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