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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektrochemische Systemeinheit für elektrochemische Zellenstapel mit Dichtelementen.
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Stand der Technik
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Elektrochemische Vorrichtungen können elektrochemische Zellen zur Umwandlung von elektrischer Energie in chemische Energie oder zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie aufweisen. Beispiele für elektrochemische Vorrichtungen sind Polymer Elektrolyt Membran (PEM)-Brennstoffzellen, Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)-Brennstoffzellen, als auch allgemein Hochtemperatur- oder Niedertemperatur - Brennstoffzellen, sowie Elektrolyseure oder einer Redox-Flow-Batterien.
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Brennstoffzellen oder Batterien als Beispiele elektrochemischer Vorrichtungen werden typischerweise als elektrische Stromquellen für die Versorgung von Elektromotoren oder Maschinen oder für stationäre dezentrale Energiesysteme verwendet. Dabei sind Elektroantriebe zunehmend Bestandteil eines Fahrzeugantriebs für Elektrofahrräder, Elektroautos, Hybridfahrzeuge und weitere. Solche Systeme versprechen eine effiziente Energieversorgung und haben Umweltschutzvorteile.
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Brennstoffzellen wandeln chemische Reaktionspartner, nämlich Brennstoffe und Oxidationsmittel, in Elektrodenreaktionen in Reaktionsprodukte, wobei elektrische Energie bereitgestellt wird. Brennstoffzellen verwenden im Allgemeinen einen Elektrolyten, der zwischen zwei Elektroden, nämlich einer Kathode und einer Anode, angeordnet ist. Ein Katalysator begünstigt typischerweise die gewünschten elektrochemischen Reaktionen an den Elektroden.
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Da einzelne Brennstoffzellen nicht viel Energie und nur eine kleine Spannung erzeugen (z. B. etwa 0,7-0,9 Volt), können mehrere Brennstoffzellen in einem Stapel gemeinsam angeordnet werden, um genügend elektrische Energie für den Betrieb von Kraftfahrzeugen oder um stationär Elektrizität zu erzeugen.
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Eine Brennstoffzelle, z. B. eine Protonenaustauschmembran-(PEM-)Brennstoffzelle, enthält normalerweise eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA), die durch eine katalysatorbeschichtete Membran gebildet ist, die zwischen einem Paar Gasdiffusionsschichten angeordnet ist. Die katalysatorbeschichtete Membran selbst weist normalerweise eine Elektrolytmembran auf, die zwischen einem Paar Katalysatorschichten angeordnet ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Normalerweise sind elektrochemische Zellen mit Dichtungen abgedichtet, um das Entweichen von Druckgasen und Flüssigkeiten zu verhindern. Um zu gewährleisten, dass die Druckgase und Flüssigkeiten nicht die Elektrolytmembranen umgehen, werden die Dichtungen allgemein um die Umfangskanten der elektrochemischen Zellen geformt.
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Beim Dichten von Brennstoffzellenstapeln mittels Dichtelementen, die mittels eines Anpressdrucks eine Dichtwirkung bewirken muss berücksichtigt werden, dass die innerhalb einer elektrochemischen Zelle angeordnete Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) bei zu starkem Komprimieren die Anoden- und Kathoden-Schichten durch die jeweiligen Elektrolytmembranen hindurch kontaktieren, was zu elektrischen Kurzschlüssen führt. Entsprechend kann zu schwaches Komprimieren dazu führen, dass eine Brennstoffzelle mittels der Dichtelemente nicht gedichtet wird.
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Ein Brennstoffzellenstapel oder ein Stapel elektrochemischer Zellen wird typischerweise durch wiederholtes schichtartiges Zusammenfügen von mehreren hundert Brennstoffzellen bzw. elektrochemischen Zellen hergestellt. Jede dieser elektrochemischen Zelle ist mit einer Dichtung versehen, um innerhalb der elektrochemischen Zelle Reaktionsgase und das Kühlwasser gegeneinander abzudichten.
Da mehrere hundert elektrochemischen Zellen unter einer vorbestimmten Druckbelastung gestapelt sind, wird jede Dichtung über die Lebensdauer eines Stapels von elektrochemischen Zellen bzw. Brennstoffzellen beispielsweise für achtzig tausend Stunden in einem komprimierten Zustand belassen.
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Ein Brennstoffzellenstapel oder auch ein Stapel elektrochemischer Zellen wird in der Regel unter verschiedenen Bedingungen der Temperatur, des Drucks und der relativen Feuchtigkeit betrieben, wobei jede einzelne Brennstoffzelle über die Lebensdauer eines Brennstoffzellenstapels eine Dichtheit, vor allem in Bezug auf die Brennstoffgase und die entsprechenden Oxidationsgase gewährleisten muss.
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Die vorliegende Erfindung offenbart eine elektrochemische Systemeinheit gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Verwendung von identischen Dichtelementen mit herstellungsbedingten Unregelmäßigkeiten in gewissen Teilbereichen der Dichtelemente ungünstig für die Dichtwirkung sein kann, da diese korrespondierend angeordneten Unregelmäßigkeiten der Dichtelemente so zusammenwirken können, dass Undichtigkeiten entstehen.
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Aspekte der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine elektrochemische Systemeinheit, mit einer Mehrzahl schichtartig nebeneinander angeordneten elektrochemischen Zellen, die jeweils eine Anodenplatte, eine Kathodenplatte und ein Dichtelement aufweisen. Dabei ist das Dichtelement eingerichtet, einen Raum zwischen der Anoden- und Kathodenplatte abzudichten. In dieser elektrochemischen Systemeinheit weisen zumindest zwei elektrochemische Zellen unterschiedliche Fertigungstypen der Dichtelemente auf.
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Eine solche elektrochemische Systemeinheit kann verwendet werden um elektrische Energie in chemische Energie zu wandeln oder chemische Energie in elektrische Energie zu wandeln. Beispiele für eine solche Umwandlung ist eine Brennstoffzelle, eine Redox-Flow-Zelle oder eine Elektrolysezelle.
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Mittels einer solchen elektrochemischen Systemeinheit kann beispielsweise ein Brennstoffzellenstapel, der auch als Brennstoffzellen-Stack bezeichnet wird, aufgebaut werden. Eine Mehrzahl von schichtartig nebeneinander angeordneten elektrochemischen Zellen kann eine kleine Anzahl von Zellen beispielsweise zwei oder drei Zellen umfassen, die Mehrzahl kann auch 100 Zellen umfassen oder eine noch viel höhere Anzahl von elektrochemischen Zellen kann aneinander geordnet werden, um beispielsweise einen Brennstoffzellen-Stack zu bilden.
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Wenn bei einem solchen Aneinanderreihen unterschiedliche Fertigungstypen von Dichtelementen verwendet werden, können diese so zusammenwirken, dass Unregelmäßigkeiten, die beispielsweise aus der Fertigung der Dichtelemente resultieren, sich entweder kompensieren oder zumindest nicht, beispielsweise in einem Teilbereich des Dichtelementes, aggregieren. Ein solches Aggregieren würde resultieren, wenn identisch gefertigte Dichtelemente der einzelnen Brennstoffzellen bzw. elektrochemische Zelle mit Unregelmäßigkeiten an korrespondierenden Teilbereichen aneinandergereiht und mit Anpressdruck beaufschlagt werden. Bei einem Aneinanderreihen von identisch gefertigten Dichtelementen mit korrespondierenden Teilbereichen von Unregelmäßigkeiten können Undichtigkeiten auftreten.
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Solche Unregelmäßigkeiten können in unterschiedlichen Teilbereichen der Dichtelemente auftreten und beispielsweise eine Breite der Dichtung, eine Kompressibilität, eine Härte, eine Vernetzungsdichte, ein Druckverformungsrest oder andere, vor allem mechanische Eigenschaften, des Dichtelementes in diesem Teilbereich betreffen.
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Bei den unterschiedlichen Fertigungstypen der Dichtelemente bezieht sich der Unterschied im Wesentlichen auf das Fertigungsverfahren möglichst formidentischer Dichtelemente in Bezug auf die geometrischen und mechanischen Eigenschaften. Allerdings sind je nach Fertigungsverfahren fertigungsbedingte lokale Unterschiede, also Unterschiede in unterschiedlichen Teilbereichen der Dichtelemente, oftmals nicht vermeidbar.
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Insbesondere kann die Anzahl der unterschiedlichen Fertigungstypen auch deutlich größer als zwei sein, was sich insbesondere dann anbietet, wenn beispielsweise die Elastizität eines Dichtelementes einer benachbarten Brennstoffzelle nicht ausreicht eine lokale Inhomogenität oder Unregelmäßigkeit zu kompensieren, sondern für die Kompensation einer solchen Unregelmäßigkeit mehrere Dichtelemente von benachbarten Brennstoffzellen benötigt werden.
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Darüber hinaus können die fertigungsbedingten Unregelmäßigkeiten lokal an Teilbereiche der Dichtelemente angeordnet werden, an denen eine äußere Kraft, in Form beispielsweise einer Klammer eines Brennstoffzellenstapels, wirkt, um Undichtigkeiten aufgrund dieser lokalen Unregelmäßigkeiten der Dichtelemente zu vermindern oder zu vermeiden. Denn da dieser Druck mittels Endplatten des Brennstoffzellen-Stapels auf die einzelnen Brennstoffzellen wirkt, und die Endplatten verformbar sind wirken über die unterschiedlichen Teilbereiche der Dichtelemente unterschiedliche mechanische Drücke.
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Die nebeneinander angeordneten elektrochemischen Zellen können zwischen ihrer Kathodenplatte und der Anodenplatte eine Membran-Elektroden-Anordnung aufweisen, an der die eigentliche elektrochemische Reaktion abläuft.
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Ein Dichtelement kann unterschiedliche Dichtungsaufgaben in unterschiedlichen räumlichen Bereichen zwischen der Kathodenplatte und der Anodenplatte übernehmen. Zum einen kann das Dichtelement den Kathodenraum vom Anodenraum so abtrennen, dass der Brennstoff und das Oxidationsmittel nur im Bereich des Katalysators zusammentreffen können. Zum anderen kann das Dichtelement dazu dienen die jeweiligen Reaktionsräume der Katode und der Anode gegenüber einem Kühlkreislauf abzudichten oder auch weitere Aufgaben für die Gasverteilung innerhalb der Elektrodenräume übernehmen.
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Entsprechend einem weiteren Aspekt wird vorgeschlagen, dass die Anodenplatte und die Kathodenplatte, zumindest einer elektrochemischen Zelle, jeweils als Bipolarplatte ausgebildet sind. In dem Fall dient die Bipolarplatte auf der einen Seite einer Anreihung von mindestens zwei elektrochemischen Zellen beispielsweise als Anodenplatte und auf der anderen Seite als Kathodenplatte. So ausgebildete Anoden bzw. Kathodenplatten können auch eine Mehrzahl der Brennstoffzellen betreffen oder es können alle Brennstoffzellen, bis auf die jeweils äußeren Brennstoffzellen, die Endplatten, als Bipolarplatten ausgebildet sein.
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Wenn die Brennstoffzellen bzw. die elektrochemischen Zellen mit Bipolarplatten ausgebildet sind kann der gesamte Brennstoffzellen Stapel bei gleicher Anzahl von Brennstoffzellen kleiner gefertigt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird vorgeschlagen, die unterschiedlichen Fertigungstypen der Dichtelemente mittels eines Spritzgussverfahrens oder eines Dispensier-Verfahrens auf eine Elektrodenplatte der elektrochemischen Zellen zu applizieren.
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Bei einem solchen Spritzgussverfahren zur Herstellung des Dichtelementes wird die jeweilige Anoden- bzw. Kathodenplatte in die Spritzgussform eingebracht, so dass eine sehr geringe Variation der Dicke des Dichtelementes bei der Fertigung erreicht werden kann.
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Der Vorteil des Dispensier-Verfahrens ist, dass ein Aufwand für die Fertigung einer entsprechenden Spritzgussform entfällt.
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Dabei kann das Dichtelement auf eine der beiden Elektrodenplatten, also der Kathodenplatte oder der Anodenplatte, oder auch auf beiden aufgebracht werden. Insbesondere kann das Dichtelement auf beiden Seiten einer Elektrodenplatte aufgebracht werden.
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Für die Fertigung der Dichtungselemente können für das Spritzgussverfahren beispielsweise Thermoplasten (PET, PP, PE, EPDM), Thermoplastische Elastomere (TPA-A, TPE-E, TPE-O, TPS, TPU, TPV), Elastomere und Duroplasten (Silikone, Epoxide, Urethane, Viton, Acrylate) verwendet werden.
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Für das Dispensier-Verfahren können beispielsweise Silikone, Acrylate, Epoxide, Urethane verwendet werden und für das Einlegen entsprechende Materialien verwendet werden.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die unterschiedlichen Fertigungstypen der Dichtelemente in die elektrochemischen Zellen eingelegt werden. Dabei werden die unterschiedlichen Fertigungstypen der Dichtelemente außerhalb der elektrochemischen Zelle d.h. ohne ein Auftragen auf einer der beiden Elektrodenplatten in unterschiedlichen Typen gefertigt und dann zwischen die Elektrodenplatte eingelegt, um die jeweilige Brennstoffzelle im montierten Zustand des Brennstoffzellenstapels abzudichten.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird vorgeschlagen, dass die unterschiedlichen Fertigungstypen der Dichtelemente mittels eines Spritzgussverfahrens oder eines Dispensier-Verfahrens zwischen die Katoden- und Anodenplatten angeformt werden. Bei diesem Verfahren muss sichergestellt werden, dass beide Elektroden, einer Brennstoffzelle, einen definierten Abstand zueinander haben während das Dichtelement angeformt wird. Bei diesem Verfahren kann eine Adhäsion gegenüber beiden Elektroden der jeweiligen Brennstoffzelle eine Dichtheit verbessern.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die zumindest zwei unterschiedlichen Fertigungstypen der Dichtelemente eine herstellungsbedingte Unregelmäßigkeit in unterschiedlichen Teilbereichen der Dichtelemente aufweisen.
Damit wird vermieden, dass durch eine korrespondierend angeordnete Unregelmäßigkeit identischer Dichtelemente die Unregelmäßigkeiten so zusammenwirken können, dass daraus eine Undichtigkeit resultiert.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass das Dichtelement eine herstellungsbedingte Unregelmäßigkeit an einem Anfangs-Teilbereich und/oder einem End-Teilbereich der Fertigung des jeweiligen Dichtelementes aufweist. Beispielsweise bei einem Herstellungsverfahren des Dichtelementes mittels eines Spritzgussverfahrens entsteht an der Stelle an der das Material des Dichtelementes in die Form eingepresst wird ein Anspritzpunkt. Darüber hinaus ist diese Stelle bzw. dieser Teilbereich des Dichtelementes während des Fertigungsverfahrens einer höheren thermischen Belastung ausgesetzt, was in einer inhomogenen Eigenschaft des Materials des Dichtelementes an dieser Stelle resultieren kann. Dadurch dass man diese Stelle identifizieren kann, kann man beispielsweise durch entsprechende Spritzgusswerkzeuge, die entweder jeweils einen unterschiedlichen Anspritzpunkt aufweisen oder mittels eines sogenannten „Moving Inserts‟ ermöglichen den Anspritzpunkt zu variieren. Dabei kann das Dichtelement auch mit mehreren Anspritzpunkten gefertigt werden, denn auch dabei können die Anspritzpunkte in unterschiedlichen Teilbereichen des Dichtelementes angeordnet werden. In diesem Fall entspricht die Mehrzahl der Anspritzpunkte einer Mehrzahl von Unregelmäßigkeit des Dichtelementes an einer Mehrzahl von Teilbereichen entsprechend.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die unterschiedlichen Fertigungstypen des Dichtelementes einen Anfangs-Teilbereich und/oder einen End-Teilbereich der Fertigung des Dichtelementes in unterschiedlichen räumlichen Bereichen des Dichtelementes aufweisen.
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Das bedeutet beispielsweise für das Dispensen des Dichtelementes, dass beispielsweise der Anfangspunkt und/oder der Endpunkt für das Aufbringen des Materials des Dichtelementes in Bezug auf die räumliche Anordnung im Verhältnis zum Dichtelement variiert wird, damit auf diese Art und Weise unterschiedliche Dichtelemente entstehen, die beispielsweise bei aneinandergereihten Brennstoffzellen gegeneinander versetzt angeordnet werden, um eine bessere Dichtheit zu gewährleisten.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die mindestens zwei unterschiedlichen Fertigungstypen der Dichtelemente die fertigungsbedingte Unregelmäßigkeit, durch zumindest zwei unterschiedliche Positionen eines Anspritzpunktes eine Spritzgussverfahrens in Bezug auf eine Gestalt des Dichtelementes, in unterschiedlichen räumlichen Bereichen des Dichtelementes aufweisen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird vorgeschlagen, dass die mindestens zwei unterschiedlichen Fertigungstypen der Dichtelemente die fertigungsbedingte Unregelmäßigkeit durch zumindest zwei unterschiedliche Positionen eines Anfangspunktes eines Dispensier-Verfahrens, in Bezug auf eine Gestalt des Dichtelementes, in unterschiedlichen räumlichen Bereichen des Dichtelementes aufweisen.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die zumindest zwei unterschiedlichen Fertigungstypen der Dichtelemente in der elektrochemischen Systemeinheit angeordnet sind so zusammenzuwirken, dass die herstellungsbedingten Unregelmäßigkeiten ausgeglichen werden.
Dabei kann beispielsweise durch versetztes Anordnen in Bezug auf die Orientierung in dem Stapel von Brennstoffzellen erreicht werden, dass die Dichtungen von nebeneinander angeordneten Brennstoffzellen eine Inhomogenität oder Ungleichmäßigkeit der angrenzenden Dichtung beispielsweise über die Eigenelastizität kompensieren kann oder zumindest verhindert wird, dass durch eine korrespondierende Anordnung von Ungleichmäßigkeiten diese Ungleichmäßigkeiten so zusammenwirken dass eine Undichtigkeit resultiert.
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Bei einer Verwendung von mehr als zwei unterschiedlichen Dichtelementen, die jeweils an einem anderen Teilbereich des Dichtelementes fertigungsbedingte Ungleichmäßigkeiten aufweisen, kann durch jeweils geeignet versetztes Anordnen der Effekt solcher ungleichmäßigeren gleichmäßig über die Teilbereiche der Dichtelemente verteilt werden, um einen negativen Einfluss auf die Dichtheit zu minimieren.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die zumindest zwei unterschiedlichen Fertigungstypen der Dichtelemente in der elektrochemischen Systemeinheit innerhalb der elektrochemischen Systemeinheit so angeordnet sind, dass die fertigungsbedingten Unregelmäßigkeiten der Dichtelemente räumlich gegeneinander versetzt sind.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird vorgeschlagen, dass die Fertigungstypen der Dichtelemente zumindest zwei aneinander angrenzende elektrochemische Zellen in der Systemeinheit so ausgewählt werden, dass die Unregelmäßigkeiten der Dichtelemente nicht räumlich korrespondieren. Dies verringert ein Zusammenwirken korrespondierend angeordneter Unregelmäßigkeiten und führt zu einer besseren Dichtheit der Dichtelemente.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass zwischen einer Außenseite zumindest einer ersten elektrochemischen Zelle und einer in der Systemeinheit angrenzend angeordneten zweiten elektrochemischen Zelle ein Dichtelement eingerichtet ist, den Raum zwischen den zwei elektrochemischen Zellen mit Dichtelementen gemäß einem der Ansprüche 3 bis 12 abzudichten.
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Wenn also keine Bipolarplatte zwischen den elektrochemischen Zellen verwendet wird, wird dieser Zwischenraum typischerweise verwendet um die elektrochemische Zellen zu kühlen. Auch hierbei kann die Dichtheit dieses Zwischenraums verbessert werden, indem die beschriebenen Dichtungselemente verwendet werden und auch dort Unregelmäßigkeiten der Dichtelemente so angeordnet werden, dass sie nicht mit Dichtelementen anderer Kühlzwischenräume korrespondieren. Insbesondere kann auch eine Unregelmäßigkeit der Dichtelemente der Kühlzwischenräume zusammen mit den Unregelmäßigkeiten der Dichtelemente der elektrochemischen Zellen so über die Teilbereiche der Dichtelemente verteilt werden, dass insgesamt eine optimierte Dichtheit resultiert.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird vorgeschlagen, dass in dem Raum zwischen der Kathodenplatte und der Anodenplatte der elektrochemischen Zelle eine Membran- Elektroden-Anordnung angeordnet ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird vorgeschlagen, dass zwei aufeinanderfolgende elektrochemische Zellen unterschiedlich gefertigter Dichtelemente aufweisen
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird vorgeschlagen, dass eine solche Anzahl von unterschiedlichen Dichtelementen gefertigt wird, bei denen jeweils die fertigungsbedingte Unregelmäßigkeit in einem unterschiedlichen Teilbereich des Dichtelementes angeordnet ist, die notwendig ist, um über das Zusammenwirken nebeneinander angeordneter elektrochemische Zellen mit solchen Dichtelementen den Effekt auf die Dichtheit des Stapels von elektrochemischen Zellen zu minimieren.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird vorgeschlagen, dass die Unregelmäßigkeiten auf den Umfang des Dichtelementes einer elektrochemischen Zelle so verteilt werden, dass sie unterhalb einer Klammer, die den Anpressdruck des Stapels von elektrochemischen Zellen bewirkt, angeordnet sind. D.h. die Unregelmäßigkeiten können in Bezug auf den Einfluss auf die Dichtheit der elektrochemischen Zellen dadurch noch weiter reduziert werden, dass sie in einem Bereich mit einem erhöhten Druck angeordnet sind.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird vorgeschlagen, dass die Unregelmäßigkeiten auf den Umfang des Dichtelementes einer elektrochemischen Zelle so verteilt werden wie es Anzahl von unterschiedlichen Fertigungstypen von Dichtelementen gibt
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Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Systemeinheit wie sie zuvor beschrieben wird, vorgeschlagen, wobei die mindestens zwei Fertigungstypen der Dichtungselemente durch eine Variation des Anfangs-Punktes der Fertigung der Dichtungselemente bewirkt wird.
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Es wird die Verwendung einer elektrochemischen Systemeinheit, wie sie zuvor beschrieben ist, zur Energieversorgung einer mobilen Plattform vorgeschlagen.
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Unter einer mobilen Plattform kann ein zumindest teilweise automatisiertes System verstanden werden, welches mobil ist, und/oder ein Fahrerassistenzsystem. Ein Beispiel kann ein zumindest teilweise automatisiertes Fahrzeug bzw. ein Fahrzeug mit einem Fahrerassistenzsystem sein. Das heißt, in diesem Zusammenhang beinhaltet ein zumindest teilweise automatisiertes System eine mobile Plattform in Bezug auf eine zumindest teilweise automatisierte Funktionalität, aber eine mobile Plattform beinhaltet auch Fahrzeuge und andere mobile Maschinen einschließlich Fahrerassistenzsysteme. Weitere Beispiele für mobile Plattformen können Fahrerassistenzsysteme mit mehreren Sensoren, mobile Multisensor-Roboter wie z.B. Roboterstaubsauger oder Rasenmäher, ein Multisensor-Überwachungssystem, eine Fertigungsmaschine, ein persönlicher Assistent oder ein Zugangskontrollsystem sein. Jedes dieser Systeme kann ein vollständig oder teilweise automatisiertes System sein.
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Ausführungsbeispiel
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den 1 bis 4 dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert und dienen dem besseren Verständnis der Erfindung.
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Es zeigen:
- 1 Dichtelemente mit unterschiedlichen Anspritzpunkten;
- 2 ein Spritzgusswerkzeug mit vier unterschiedlichen Anspritzpunkten;
- 3 einen Querschnitt durch eine Brennstoffzelle mit angrenzendem Kühlraum; und
- 4 eine Explosionszeichnung einer Elektrode einer elektrochemischen Zelle mit Dichtelementen.
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In den Figuren sind gleiche oder ähnliche Komponenten mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei in Einzelfällen auf eine wiederholte Beschreibung dieser Komponenten verzichtet wird.
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Die 1 zeigt schematisch vier unterschiedliche Fertigungstypen 10a bis 10d des Dichtelementes 38, wobei in diesen Beispielen die Unregelmäßigkeit 12 des Dichtelementes 38 in Form der Anspritzpunkte 12 vorliegt, und diese vier unterschiedlichen Fertigungstypen 10a bis 10d des Dichtelementes 38 diese Unregelmäßigkeit an entsprechend vier unterschiedlichen Teilbereichen des Dichtungselementes 38 aufweisen.
Skizziert ist in der 1 für den einen Fertigungstyp 10a des Dichtelementes 38 eine Anspritzdrüse 14, die bei der Fertigung des Typs 10a des Dichtelementes 38 den Anspritzpunkt 12 verursacht. Dabei kann die Unregelmäßigkeit 12 dieses Fertigungstyps 10a des Dichtelementes 38 über die reine Vergrößerung der Dichtfläche in diesem Bereich hinausgehen und beispielsweise eine Veränderung des Materials des Dichtelementes 10a, 38 aufgrund des größeren Wärmeeintrags an dieser Stelle zurückzuführen sein.
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Die 2 zeigt schematisch ein Spritzgusswerkzeug 20, in dem beispielsweise eine Vertiefung 24 für die Fertigung eines Dichtelementes 38 vorgesehen ist. Für die Fertigung von vier unterschiedlichen Fertigungstypen 10a bis 10d der Dichtelemente 38 weist das Spritzgusswerkzeug 20 beispielsweise vier unterschiedlichen Anspritzdrüsen 22a bis 22d auf. Bei der Verwendung eines solchen Spritzgusswerkzeuges 20 für die Fertigung unterschiedlicher Fertigungstypen10a bis 10d von Dichtelementen 38 kann auch eine größere Anzahl von Anspritzdrüsen 22a bis 22 d verwendet werden, die entsprechend in unterschiedlichen Teilbereichen des Dichtelementes 38 angeordnet sind. In dem Beispiel der Spritzgusswerkzeuges 20 der 2 lassen sich beispielsweise, bei der Verwendung von je zwei der Spritzdüsen 22a, 22b, 22c oder 22d entsprechend zwei unterschiedliche Fertigungstypen von Dichtelementen fertigen.
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Die 3 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine elektrochemische Zelle 30 mit angrenzendem Kühlraum 35 mit einer Anoden-Platte 32, einer Kathoden-Platte 36, einer Membran-Elektroden-Anordnung 34 einem Anodenraum 31, einem Kathodenraum 33 und Dichtelementen 38. Durch eine außen wirkende Kraft, den ein montierter Brennstoffzellenstapel auf die Elektrodenplatten 32, 36 einer so aufgebauten Brennstoffzelle bzw. elektrochemischen Zelle 30 ausübt, werden die Dichtelemente 38 im engen Kontakt mit sowohl der Membran-Elektroden-Anordnung 34 als auch einer entsprechend gegenüberliegenden Elektrode 32, 36 gebracht, durch die die Dichtwirkung des Dichtelementes 38 resultiert.
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Die 4 zeigt schematisch eine Elektrode 36 einer elektrochemischen Zelle 30 mit Durchbrüchen 36a, 36b an einem oberen bzw. unteren Ende der Elektrode 32, 36, die bei einer Aneinanderreihung von elektrochemischen Zellen 30, wie Brennstoffzellen, Kanäle für die Zu- und Abführung von Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel bilden und mittels der Dichtelemente 38a, 38b, die sowohl an einer Oberseite als auch an einer Unterseite der Elektrode 32, 36 angeordnet sein können, gegeneinander abgetrennt werden.
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In der 4 sind zwei unterschiedliche Fertigungstypen 38a, 38b des Dichtelementes 38 verwendet, die die fertigungsbedingte Unregelmäßigkeit 40a bzw. 40b in entsprechenden unterschiedlichen Teilbereichen der Dichtelemente 38a, 38b aufweisen.
