-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Baugruppe für eine elektrochemisch aktive Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung, welche mindestens eine Gasdiffusionslage und/oder mindestens eine Katalysatorschicht und eine Dichtung, welche mit der mindestens einen Gasdiffusionslage und/oder der mindestens einen Katalysatorschicht verbunden ist, umfasst, wobei die Dichtung einen Strömungsfeldabdichtbereich, welcher ein Strömungsfeld der elektrochemischen Vorrichtung gegenüber mindestens einem Mediumkanal und/oder gegenüber einer Umgebung der elektrochemischen Vorrichtung abdichtet, und einen Mediumkanalabdichtbereich, welcher mindestens einen Mediumkanal gegenüber mindestens einem weiteren Mediumkanal und/oder gegenüber der Umgebung abdichtet, umfasst.
-
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine elektrochemisch aktive Einheit für eine elektrochemische Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe für eine elektrochemisch aktive Einheit.
-
Eine Baugruppe der eingangs genannten Art kann gemeinsam mit einer Membran-Elektroden-Anordnung eine elektrochemisch aktive Einheit bilden. Die elektrochemisch aktive Einheit wiederum kann zusammen mit jeweils einer Bipolarplatte eine elektrochemische Zelle einer elektrochemischen Vorrichtung bilden, welche beispielsweise als ein Brennstoffzellenstapel oder als ein Elektrolyseur ausgebildet ist.
-
Die elektrochemische Vorrichtung umfasst vorzugsweise mehrere in einer Stapelrichtung übereinander angeordnete elektrochemische Zellen sowie vorzugsweise zwei Endplatten, zwischen denen der Stapel von elektrochemischen Zellen angeordnet ist und welche mittels einer Spannvorrichtung gegeneinander verspannbar sind, um die dazwischen angeordneten elektrochemischen Zellen und insbesondere deren elektrochemisch aktive Einheiten mit einer längs der Stapelrichtung gerichteten Spannkraft zu beaufschlagen.
-
In Brennstoffzellenstapeln und in Elektrolyseuren werden in verschiedenen Ebenen einer elektrochemischen Zelle und, je nach Design, auch in verschiedenen Bereichen derselben Ebene, unterschiedliche Medien geführt. Diese Medien können insbesondere ein anodisches Fluid (Brenngas), ein kathodisches Fluid (Oxidationsmittel) und gegebenenfalls auch ein fluides Kühlmittel sein.
-
Die der elektrochemischen Vorrichtung zuzuführenden Medien (kathodisches Fluid, anodisches Fluid, Kühlmittel) werden mittels einer Medienverteilungsstruktur (auch als „Manifold“ bezeichnet) mit Mediumzuführkanälen und Mediumabführkanälen, welche sich in der Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung erstrecken, den verschiedenen Ebenen der elektrochemischen Vorrichtung zugeführt oder aus den verschiedenen Ebenen der elektrochemischen Vorrichtung abgeführt und müssen jeweils aus einem Mediumzuführkanal dem Strömungsfeld (flow field) des betreffenden Mediums einer elektrochemischen Zelle zugeführt und aus dem Strömungsfeld wieder in einen Mediumabführkanal abgeführt werden. Dabei müssen sowohl die Mediumzuführkanäle und Mediumabführkanäle als auch die Strömungsfelder abgedichtet werden, um sowohl Leckagen in den Außenraum der elektrochemischen Vorrichtung als auch zwischen den Räumen, welche von den verschiedenen Medien durchströmt werden, zu verhindern. Die Mediumzuführkanäle und Mediumabführkanäle bilden Mediumkanäle.
-
Die durch die elektrochemische Vorrichtung geführten Medien dürfen sich weder miteinander vermischen noch aus den elektrochemischen Zellen austreten, weshalb in mehreren Ebenen Dichtungen erforderlich sind.
-
Aus der
DE 10 2019 135 277 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Dichtung für eine elektrochemisch aktive Einheit bekannt, bei welchem eine Dichtung in einem Formgebungswerkzeug hergestellt und entnommen wird. Die noch am Formgebungswerkzeug angeordnete Dichtung wird mit mindestens einer Bipolarplattenlage einer Bipolarplatte verbunden und anschließend aus dem Formgebungswerkzeug entfernt.
-
Die
DE 10 2017 117 146 A1 offenbart eine Dichtung, welche in einem Anbindungsbereich mit Randbereichen einer Gasdiffusionslage verbunden, beispielsweise angespritzt, ist.
-
Verfahren, bei welchen eine Dichtung in einem Anbindungsbereich an die Gasdiffusionslage angespritzt wird, haben häufig den Nachteil, dass resultierende Bauteile aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten des Dichtungsmaterials und des Materials der Gasdiffusionslage nicht planar ausgebildet sind. Insbesondere kann in einem Übergangsbereich zwischen der Gasdiffusionslage und dem Dichtungsmaterial die Gasdiffusionslage durch eine Unterwanderung von Dichtungsmaterial aufgestellt werden. So besteht eine erhöhte Gefahr von abstehenden Fasern aus der Gasdiffusionslage.
-
Ferner sind Rahmenkonzepte bekannt, bei welchen separate Rahmenelemente zur Verbindung einzelner Elemente der elektrochemisch aktiven Einheit verwendet werden.
-
Die Herstellung und der Einbau der Rahmenelemente ist allerdings aufwändig und kostenintensiv. Außerdem wird für die Überlappung zwischen Elementen einer die Rahmenelemente umfassenden Rahmenanordnung und der Membran-Elektroden-Anordnung zusätzlicher Bauraum benötigt, wodurch die volumetrische Leistungsdichte der elektrochemischen Vorrichtung sinkt.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Baugruppe der eingangs genannten Art bereitzustellen, deren Herstellung möglichst einfach ist und bei deren Herstellung eine möglichst gleichmäßige Ausbildung der Baugruppe erreichbar ist.
-
Diese Aufgabe wird bei einer Baugruppe mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens eine der mindestens einen Gasdiffusionslage sich in den Mediumkanalabdichtbereich der Baugruppe hinein erstreckt.
-
Vorzugsweise erstreckt sich die mindestens eine Gasdiffusionslage teilweise oder vollständig in den Mediumkanalabdichtbereich der Baugruppe hinein.
-
Ergänzend oder alternativ erstreckt sich mindestens eine der mindestens einen Katalysatorschicht in den Mediumkanalabdichtbereich der Baugruppe hinein.
-
Die Dichtung kann einteilig oder mehrteilig sein.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Dichtung einteilig, insbesondere derart, dass der Strömungsfeldabdichtbereich und der Mediumkanalabdichtbereich unmittelbar aneinander angrenzen und/oder ineinander übergehen.
-
Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Dichtung mehrteilig ausgebildet ist. Beispielsweise ist jeder Mediumkanal von einem separaten Dichtungsteil umgeben. Ein weiteres Dichtungsteil umgibt beispielsweise einen aktiven Bereich der elektrochemischen Vorrichtung.
-
Die Dichtungsteile oder die Dichtung als Ganzes können jeweils ein, zwei oder mehrere Dichtlippen aufweisen.
-
Einzelne Dichtungsteile können beispielsweise in einem senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des Bauteils genommenen Querschnitt eine Flachkontur aufweisen.
-
Es kann vorgesehen sein, dass die Dichtungsteile oder die Dichtung als Ganzes eine ebene Dichtungsfläche aufweisen.
-
Beispielsweise verläuft jeweils ein Dichtungsteil entlang einer Längsrichtung um die Mediumkanäle herum.
-
Ein weiteres Dichtungsteil verläuft beispielsweise entlang einer Längsrichtung um das Strömungsfeld und/oder den aktiven Bereich herum.
-
Es kann vorgesehen sein, dass das eine oder die mehreren Dichtungsteile in einem senkrecht zu ihrer Längsrichtung genommenen Querschnitt trapezförmig, dreieckförmig oder kreissegmentförmig ausgebildet sind.
-
Vorzugsweise ist der Mediumkanalabdichtbereich die Summe aus sämtlichen einen oder mehrere Mediumkanäle abdichtenden Abschnitten der Dichtung.
-
Der Strömungsfeldabdichtbereich ist vorzugsweise die Summe aus sämtlichen das Strömungsfeld abdichtenden Abschnitten der Dichtung.
-
Dadurch, dass die mindestens eine Gasdiffusionslage sich in den Mediumkanalabdichtbereich der Baugruppe hinein erstreckt, werden vorzugsweise biegeschlaffe Bereiche des Manifolds im Mediumkanalabdichtbereich der Baugruppe durch die Gasdiffusionslage unterstützt und/oder stabilisiert. Separate Rahmenelemente sind insbesondere entbehrlich.
-
Ergänzend oder alternativ kann dadurch, dass sich die mindestens eine Katalysatorschicht in den Mediumkanalabdichtbereich der Baugruppe hinein erstreckt, eine optimierte Stabilisierung ausgebildet werden.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die mindestens eine Gasdiffusionslage, welche sich in den Mediumkanalabdichtbereich der Baugruppe hinein erstreckt, eine oder mehrere Mediumkanalöffnungen auf und/oder umgibt einen oder mehrere Mediumkanäle längs deren Umfangsrichtung.
-
Günstig kann es sein, wenn die mindestens eine Gasdiffusionslage, welche sich in den Mediumkanalabdichtbereich hinein erstreckt, bis an einen Rand eines oder mehrerer Mediumkanäle heranreicht und/oder den Rand des einen oder der mehreren Mediumkanäle teilweise oder vollständig bildet.
-
Vorzugsweise umgibt die mindestens eine Gasdiffusionslage, welche sich in den Mediumkanalabdichtbereich hinein erstreckt, einen oder mehrere der folgenden Mediumkanäle teilweise oder vollständig längs deren Umfangsrichtung:
- - einen Brenngaszuführkanal; und/oder
- - einen Brenngasabführkanal; und/oder
- - einen Oxidationsmittelzuführkanal; und/oder
- - einen Oxidationsmittelabführkanal; und/oder
- - einen Kühlmittelzuführkanal; und/oder
- - einen Kühlmittelabführkanal.
-
Vorzugsweise weist die Baugruppe in mindestens einem Bereich des Mediumkanalabdichtbereichs, in welchen die mindestens eine Gasdiffusionslage sich hinein erstreckt, homogene Wärmeausdehnungseigenschaften auf. Beispielsweise sind Materialspannungen aufgrund von unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten eines Dichtungsmaterials der Dichtung und des Materials der mindestens einen Gasdiffusionslage, welche sich in den Mediumkanalabdichtbereich hinein erstreckt, minimiert.
-
Insbesondere ist der Mediumkanalabdichtbereich eben und/oder planar ausgebildet.
-
So kann eine Assemblierung einer elektrochemischen Vorrichtung, welche die Baugruppe umfasst, erleichtert sein. Insbesondere ist die Verwendung komplexer Automatisierungsanlagen zur Assemblierung der elektrochemischen Vorrichtung entbehrlich. So können Kosten, welche aufgrund der komplexen Technik im Zusammenhang mit komplexen Automatisierungsanlagen entstehen, eingespart werden.
-
Durch die verringerte Anzahl von Bauteilen im Vergleich zu Baugruppen, in welchen Rahmenelemente verwendet werden, weist die Baugruppe vorzugsweise eine geringere Bauteilkomplexität auf.
-
Vorzugsweise erstreckt die mindestens eine Gasdiffusionslage, welche sich in den Mediumkanalabdichtbereich hinein erstreckt, sich über den Strömungsfeldabdichtbereich hinaus. Beispielsweise ist ein Gasdiffusionslagenunterstützter Mediumkanalabdichtbereich ausgebildet.
-
Es kann vorgesehen sein, dass der Mediumkanalabdichtbereich und der Strömungsfeldabdichtbereich chemisch identisch sind.
-
Vorteilhaft kann es sein, wenn der Mediumkanalabdichtbereich der Baugruppe bezüglich einer Mittelachse der Baugruppe radial außenliegend vom Strömungsfeldabdichtbereich angeordnet ist. Die Mittelachse der Baugruppe ist vorzugsweise eine Symmetrieachse und/oder zumindest näherungsweise senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der Baugruppe angeordnet. Die Mittelachse der Baugruppe ist vorzugsweise parallel zur Stapelrichtung im montierten Zustand der Dichtungsanordnung in einer elektrochemischen Vorrichtung angeordnet.
-
Der Strömungsfeldabdichtbereich der Baugruppe umgibt und/oder begrenzt vorzugsweise einen aktiven Bereich, in welchem in einem montierten Zustand der Baugruppe in einer elektrochemisch aktiven Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung und bei deren Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung eine elektrochemische Reaktion stattfindet.
-
Vorzugsweise weist der Strömungsfeldabdichtbereich in einem parallel zur Haupterstreckungsebene der Baugruppe genommenen Querschnitt zumindest näherungsweise eine Rechteckform auf.
-
Vorzugsweise bildet der Mediumkanalabdichtbereich denjenigen Teil der Baugruppe, welcher die Mediumkanäle umgibt und/oder einen Rand der Baugruppe bildet. Der Mediumkanalabdichtbereich ist vorzugsweise ein elektrochemisch inaktiver Bereich, in welchem insbesondere keine elektrochemischen Reaktionen stattfinden.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich die mindestens eine Gasdiffusionslage, welche sich in den Mediumkanalabdichtbereich hinein erstreckt, in einem parallel zur Haupterstreckungsebene der Baugruppe genommenen Querschnitt über die gesamte Baugruppe. Vorzugsweise erstreckt sich die mindestens eine Gasdiffusionslage, welche sich in den Mediumkanalabdichtbereich hinein erstreckt, über oder um den gesamten Mediumkanalabdichtbereich.
-
Vorteilhaft kann es sein, wenn die mindestens eine Gasdiffusionslage, welche sich in den Mediumkanalabdichtbereich hinein erstreckt, am Rand der Baugruppe bündig mit der Dichtung abschließt.
-
Die Dichtung umfasst vorzugsweise ein Elastomermaterial, beispielsweise ein silikonhaltiges und/oder silikonbasiertes Elastomermaterial, oder ist daraus gebildet.
-
Vorzugsweise umfasst die Dichtung ein spritzgießfähiges Material und/oder ein brennstoffzellentaugliches Material oder ist daraus gebildet.
-
Vorzugsweise ist die Baugruppe separat handhabbar. Dies ist insbesondere vorteilhaft gegenüber direkt an einer Bipolarplatte festgelegten Dichtungen, da ein Austausch der Baugruppe getrennt von einem Austausch der Bipolarplatte möglich ist. Insbesondere ist auch die Wartung einer entsprechenden elektrochemischen Vorrichtung im Vergleich zu elektrochemischen Vorrichtungen, bei welchen Dichtungen direkt an einer Bipolarplatte festgelegt sind, vereinfacht.
-
Vorteilhaft kann es sein, wenn die mindestens eine Gasdiffusionslage, welche sich in den Mediumkanalabdichtbereich hinein erstreckt, sich über ungefähr 20 % oder mehr, insbesondere über ungefähr 50 % oder mehr, insbesondere über ungefähr 70 % oder mehr, beispielsweise über ungefähr 90 % oder mehr, einer Querschnittsfläche des Mediumkanalabdichtbereichs erstreckt. Aufgrund einer im Vergleich zum Dichtungsmaterial der Dichtung erhöhten Steifigkeit der mindestens einen Gasdiffusionslage weist der Mediumkanalabdichtbereich so vorzugsweise eine erhöhte Stabilisierung und/oder Steifigkeit auf.
-
Die Querschnittsfläche ist vorzugsweise senkrecht zur Haupterstreckungsebene der Baugruppe definiert.
-
Die Haupterstreckungsebene der Baugruppe ist vorzugsweise eine Ebene, welche quer, insbesondere senkrecht, zur Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung angeordnet ist.
-
Vorzugsweise ist im Mediumkanalabdichtbereich der Dichtung eine Überlappung und/oder zumindest teilweise Verschränkung eines Dichtungsmaterials der Dichtung und der mindestens einen Gasdiffusionslage, welche sich in den Mediumkanalabdichtbereich hinein erstreckt, ineinander in einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene der Baugruppe verlaufenden Richtung ausgebildet.
-
So kann die Baugruppe beispielsweise homogene Materialeigenschaften im Mediumkanalabdichtbereich aufweisen. Ein vom Mediumkanalabdichtbereich chemisch und/oder räumlich verschiedener Anbindungsbereich ist insbesondere entbehrlich.
-
Vorteilhaft kann es sein, wenn die mindestens eine Gasdiffusionslage, welche sich in den Mediumkanalabdichtbereich hinein erstreckt, im Mediumkanalabdichtbereich und/oder im Strömungsfeldabdichtbereich teilweise oder vollständig von dem Dichtungsmaterial der Dichtung durchdrungen ist.
-
Insbesondere bilden der Mediumkanalabdichtbereich und/oder der Strömungsfeldabdichtbereich einen Durchdringungsbereich, in welchem das Dichtungsmaterial die mindestens eine poröse Gasdiffusionslage, welche sich in den Mediumkanalabdichtbereich hinein erstreckt, durchdringt und/oder in Poren der mindestens einen Gasdiffusionslage, welche sich in den Mediumkanalabdichtbereich hinein erstreckt, eindringt.
-
Es kann vorgesehen sein, dass die Dichtung die mindestens eine Gasdiffusionslage, welche sich in den Mediumkanalabdichtbereich hinein erstreckt, an Randbereichen teilweise oder vollständig umgibt und/oder ummantelt.
-
Günstig kann es sein, wenn mindestens eine Gasdiffusionslage, beispielsweise die mindestens eine Gasdiffusionslage, welche sich in den Mediumkanalabdichtbereich hinein erstreckt, ein oder mehrere Kontrollelemente zur Überprüfung und/oder Bestimmung von Dimensionen der elektrochemisch aktiven Einheit und/oder der elektrochemischen Zelle als Ganzes umfasst. Das eine oder die mehreren Kontrollelemente sind vorzugsweise eine oder mehrere Durchtrittsöffnungen zwischen Dichtlippen einzelner Bereiche und/oder in der mindestens einen Gasdiffusionslage. Beispielsweise sind das eine oder die mehreren Kontrollelemente durch Ausstanzen gebildet. Das eine oder die mehreren Kontrollelemente sind vorzugsweise im Mediumkanalabdichtbereich und/oder im Strömungsfeldabdichtbereich angeordnet. So kann eine elektrochemische Reaktion im aktiven Bereich der elektrochemischen Vorrichtung ungehindert ablaufen.
-
Das eine oder die mehreren Kontrollelemente sind vorzugsweise in einem parallel zur Haupterstreckungsebene der Baugruppe genommenen Querschnitt zumindest näherungsweise rechteckförmig oder kreisförmig. Das eine oder die mehreren Kontrollelemente dienen vorzugsweise einer Bestimmung eines Bezugssystems, wodurch beispielsweise eine Vermessung der mindestens einen Gasdiffusionslage und/oder eine Überwachung einer Assemblierung und/oder Positionierung der mindestens einen Gasdiffusionslage im Werkzeug vorgenommen werden kann. Dies dient insbesondere dazu, die mindestens eine Gasdiffusionslage beim Stapeln des Stacks korrekt zu positionieren.
-
Vorzugsweise weist die Baugruppe im Mediumkanalabdichtbereich und/oder im Strömungsfeldabdichtbereich, insbesondere bezüglich einer Kompression längs senkrecht zur Haupterstreckungsebene der Baugruppe verlaufenden Richtungen, homogene Kompressibilitätseigenschaften auf. Insbesondere weist die Baugruppe im Mediumkanalabdichtbereich und/oder im Strömungsfeldabdichtbereich homogene Materialeigenschaften hinsichtlich einer Verpressungscharakteristik auf.
-
Günstig kann es sein, wenn ein Verhältnis einer Querschnittsfläche der Dichtung zu einer Querschnittsfläche der mindestens einen Gasdiffusionslage, welche sich in den Mediumkanalabdichtbereich hinein erstreckt, ungefähr 1:3 oder mehr und/oder ungefähr 1:1 oder weniger beträgt.
-
Die Querschnittsfläche der Dichtung und/oder die Querschnittsfläche der mindestens einen Gasdiffusionslage ist vorzugsweise parallel zur Haupterstreckungsebene der Baugruppe definiert.
-
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Baugruppe in mindestens einem Bereich des Mediumkanalabdichtbereichs, in welchem die mindestens eine Gasdiffusionslage, welche sich in den Mediumkanalabdichtbereich hinein erstreckt, angeordnet ist, eine Biegesteifigkeit aufweist, welche um einen Faktor von ungefähr 1,0 oder mehr, insbesondere von ungefähr 1,2 oder mehr, größer ist als die Biegesteifigkeit der Baugruppe in mindestens einem Bereich des Mediumkanalabdichtbereichs, in welchen die mindestens eine Gasdiffusionslage, welche sich in den Mediumkanalabdichtbereich hinein erstreckt, sich nicht hinein erstreckt.
-
Vorzugsweise weist die Baugruppe im Mediumkanalabdichtbereich eine Biegesteifigkeit auf, welche um einen Faktor von ungefähr 1,0 oder mehr, insbesondere von ungefähr 1,2 oder mehr, größer ist als die Biegesteifigkeit einer Baugruppe in einem Mediumkanalabdichtbereich ohne Gasdiffusionslage.
-
Günstig kann es sein, wenn die Dichtung ein Spritzgusselement ist.
-
Beispielsweise ist und/oder wird die Dichtung an die mindestens eine Gasdiffusionslage, welche sich in den Mediumkanalabdichtbereich hinein erstreckt, angespritzt und/oder um die mindestens eine Gasdiffusionslage, welche sich in den Mediumkanalabdichtbereich hinein erstreckt, herumgespritzt.
-
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Dichtung die mindestens eine Gasdiffusionslage, welche sich in den Mediumkanalabdichtbereich hinein erstreckt, im Mediumkanalabdichtbereich einseitig oder beidseitig vollständig umgibt und/oder durchdringt.
-
Die Baugruppe weist vorzugsweise im Mediumkanalabdichtbereich und/oder im Strömungskanalabdichtbereich eine homogene Materialzusammensetzung auf. So ist beispielsweise die Durchführung eines Spritzgießverfahrens mit verringerten Vernetzungstemperaturen im Werkzeug entbehrlich. Die Durchführung des Spritzgießverfahrens mit verringerten Vernetzungstemperaturen ist beispielsweise notwendig, um eine nicht-planare Ausbildung bei einer Baugruppe zu vermeiden, bei welcher eine Dichtung nur in einem schmalen Anbindungsbereich mit der Gasdiffusionslage verbunden ist. Die nicht-planare Ausbildung ist häufig eine Folge von voneinander abweichenden Wärmeausdehnungskoeffizienten des Dichtungsmaterials und des Materials der Gasdiffusionslage.
-
Das Dichtungsmaterial und die mindestens eine poröse Gasdiffusionslage sind vorzugsweise im Mediumkanalabdichtbereich und/oder Strömungsfeldabdichtbereich ineinander verschränkt und/oder überlappen sich in parallel zur Haupterstreckungsebene der Baugruppe verlaufenden Richtungen.
-
So ist vorzugsweise die Verwendung eines Dichtungsmaterials, welches einen vergleichsweise geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, entbehrlich.
-
Insbesondere sind, beispielsweise designtechnische, Maßnahmen zum Ausgleich unterschiedlicher Wärmeausdehnungszonen, beispielsweise Entlastungsschnitte, ein verringerter Querschnitt und/oder ein Filmanguss, entbehrlich.
-
Vorzugsweise gelten die zuvor im Zusammenhang mit der mindestens einen Gasdiffusionslage, welche sich in den Mediumkanalabdichtbereich hinein erstreckt, beschriebenen Abmessungen und Verhältnisse für die mindestens eine Katalysatorschicht, welche sich in den Mediumkanalabdichtbereich hinein erstreckt, gleichermaßen.
-
Die Erfindung betrifft ferner eine elektrochemisch aktive Einheit für eine elektrochemische Vorrichtung.
-
Der Erfindung liegt diesbezüglich die Aufgabe zugrunde, eine elektrochemisch aktive Einheit bereitzustellen, welche möglichst einfach herstellbar ist und welche möglichst optimierte Eigenschaften aufweist.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektrochemisch aktive Einheit für eine elektrochemische Vorrichtung gemäß dem unabhängigen, auf eine elektrochemisch aktive Einheit gerichteten Anspruch gelöst.
-
Die elektrochemisch aktive Einheit für eine elektrochemische Vorrichtung umfasst eine Membran-Elektroden-Anordnung und eine oder mehrere erfindungsgemäße Baugruppen.
-
Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße elektrochemisch aktive Einheit eines oder mehrere Merkmale und/oder einen oder mehrere Vorteile der erfindungsgemäßen Baugruppe auf.
-
Die erfindungsgemäße elektrochemisch aktive Einheit kann beispielsweise in einer Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere in einer PEM (polymer electrolyte membrane)-Brennstoffzellenvorrichtung oder in einem Elektrolyseur, verwendet werden.
-
Ferner kann die Dichtung auch an die Membran-Elektroden-Anordnung der elektrochemisch aktiven Einheit und/oder an eine Bipolarplatte der elektrochemischen Vorrichtung angebunden sein.
-
Weiter betrifft die vorliegende Erfindung eine elektrochemische Vorrichtung, umfassend mindestens eine Membran-Elektroden-Einheit, mindestens eine erfindungsgemäße Baugruppe und mindestens eine Bipolarplatte.
-
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe für eine elektrochemisch aktive Einheit, beispielsweise zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Baugruppe.
-
Der Erfindung liegt diesbezüglich die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe bereitzustellen, mittels welchem eine Baugruppe mit optimierten Eigenschaften möglichst einfach herstellbar ist.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Verfahrensanspruch gelöst.
-
Vorzugsweise wird mindestens eine Gasdiffusionslage in ein Werkzeug, beispielsweise ein mehrteiliges Werkzeug, eingelegt. Das Werkzeug ist vorzugsweise ein Spritzgießwerkzeug.
-
Ergänzend oder alternativ wird vorzugsweise mindestens eine Katalysatorschicht in ein Werkzeug, beispielsweise ein mehrteiliges Werkzeug, eingelegt. Das Werkzeug ist vorzugsweise ein Spritzgießwerkzeug.
-
Anschließend wird vorzugsweise ein Dichtungsmaterial in einen Randbereich einer von dem Werkzeug gebildeten Kavität eingebracht, beispielsweise eingespritzt. Die mindestens eine Gasdiffusionslage erstreckt sich vorzugsweise in einen mindestens einen Mediumkanal abdichtenden Mediumkanalabdichtbereich hinein.
-
Ergänzend oder alternativ erstreckt sich die mindestens eine Katalysatorschicht vorzugsweise in einen mindestens einen Mediumkanal abdichtenden Mediumkanalabdichtbereich hinein.
-
Günstig kann es sein, wenn ungefähr 20 % einer Oberfläche der mindestens einen Gasdiffusionslage, welche sich in den Mediumkanalabdichtbereich hinein erstreckt, oder mehr, insbesondere ungefähr 30 % einer Oberfläche der Gasdiffusionslage, welche sich in den Mediumkanalabdichtbereich hinein erstreckt, oder mehr, mit dem Dichtungsmaterial umspritzt werden.
-
Vorteilhaft kann es sein, wenn ungefähr 20 % einer Oberfläche der mindestens einen Katalysatorschicht, welche sich in den Mediumkanalabdichtbereich hinein erstreckt, oder mehr, insbesondere ungefähr 30 % einer Oberfläche der Katalysatorschicht, welche sich in den Mediumkanalabdichtbereich hinein erstreckt, oder mehr, mit dem Dichtungsmaterial umspritzt werden.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird neben der mindestens einen Gasdiffusionslage und/oder der mindestens einen Katalysatorschicht keine weitere Komponente, beispielsweise kein Rahmenelement, in das Werkzeug eingelegt.
-
Beispielsweise werden in die mindestens eine Gasdiffusionslage ein oder mehrere Kontrollelemente eingebracht, beispielsweise ausgestanzt. Das eine oder die mehreren Kontrollelemente werden beispielsweise in Randbereiche der Gasdiffusionslage eingebracht, welche anschließend mit dem Dichtungsmaterial umspritzt werden.
-
Vorzugsweise weist das erfindungsgemäße Verfahren eines oder mehrere Merkmale und/oder einen oder mehrere Vorteile der erfindungsgemäßen Baugruppe auf.
-
Weitere bevorzugte Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels.
- 1 eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform einer Baugruppe einer elektrochemisch aktiven Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung, bei welcher sich eine Gasdiffusionslage über die gesamte Baugruppe erstreckt.
-
Eine in 1 dargestellte, als Ganzes mit 100 bezeichnete Ausführungsform einer Baugruppe bildet vorzugsweise einen Bestandteil einer zeichnerisch nicht als Ganzes dargestellten elektrochemisch aktiven Einheit 102 einer ebenfalls zeichnerisch nicht als Ganzes dargestellten elektrochemischen Vorrichtung 105.
-
Die elektrochemisch aktive Einheit 102 eignet sich beispielsweise zur Verwendung in einer elektrochemischen Vorrichtung in Form eines Brennstoffzellstapels oder eines Elektrolyseurs.
-
Die elektrochemisch aktive Einheit 102 umfasst mindestens eine Baugruppe 100 und mindestens eine (nicht vollständig dargestellte) Membran-Elektroden-Anordnung, wobei ein Teil der mindestens einen Membran-Elektroden-Anordnung, nämlich mindestens eine Katalysatorschicht 103, einen Bestandteil der mindestens einen Baugruppe 100 bilden kann.
-
Die elektrochemische Vorrichtung 105 umfasst beispielsweise eine Anordnung, welche eine Bipolarplatte 106, eine erste Baugruppe 100, eine Membran-Elektroden-Anordnung und eine zweite Baugruppe 100 umfasst. Beispielsweise sind mehrere Anordnungen in der elektrochemischen Vorrichtung 105 längs einer Stapelrichtung 107 übereinandergestapelt und/oder aneinandergereiht. Die Baugruppen sind vorzugsweise längs der Stapelrichtung 107 miteinander verspannt.
-
Die Bipolarplatte 106 umfasst vorzugsweise mehrere Strömungskanäle, welche einer Verteilung von Reaktionsmedien, beispielsweise einem anodischen Fluid in Form eines Brenngases und einem kathodischen Fluid in Form eines Oxidationsmittels, dienen. Die Strömungskanäle bilden vorzugsweise einen Bestandteil eines Strömungsfelds 104 der elektrochemischen Vorrichtung 105.
-
Das Strömungsfeld 104 bildet im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 105 einen Bestandteil eines aktiven Bereichs der elektrochemischen Vorrichtung 105, in welchem eine elektrochemische Reaktion abläuft.
-
Zur Zuführung und Abführung von Medien (anodisches Fluid, kathodisches Fluid, Kühlmittel) umfasst die elektrochemische Vorrichtung 105 Mediumkanäle 112. Beispielsweise umfasst die elektrochemische Vorrichtung 105 einen Oxidationsmittelzuführkanal 116 und einen Oxidationsmittelabführkanal 118, welche an einander gegenüberliegenden Seiten des Strömungsfelds 104 angeordnet sind.
-
Ferner umfasst die elektrochemische Vorrichtung 105 vorliegend einen Brenngaszuführkanal 120 und einen Brenngasabführkanal 122, welche an einander gegenüberliegenden Seiten des Strömungsfelds angeordnet sind. Insbesondere sind der Oxidationsmittelzuführkanal 116 und der Brenngasabführkanal 122 auf derselben Seite des Strömungsfelds 104 angeordnet. Entsprechend sind vorzugsweise der Oxidationsmittelabführkanal 118 und der Brenngaszuführkanal 120 auf derselben Seite des Strömungsfelds 104 angeordnet.
-
Vorliegend ist zwischen dem Oxidationsmittelzuführkanal 116 und dem Brenngasabführkanal 122 ein Kühlmittelabführkanal 124 zur Kühlmittelabführung angeordnet. Zwischen dem Oxidationsmittelabführkanal 118 und dem Brenngaszuführkanal 126 ist vorliegend ein Kühlmittelzuführkanal 126 zur Kühlmittelzuführung angeordnet.
-
Hierfür umfassen beispielsweise die Bipolarplatte 106 und/oder die Baugruppe 100 entsprechende Öffnungen in einer parallel zur Stapelrichtung 107 verlaufenden Richtung.
-
Die Baugruppe 100 umfasst eine Gasdiffusionslage 108 und eine Dichtung 110.
-
Ergänzend oder alternativ dazu, dass die Baugruppe 100 eine Gasdiffusionslage 108 umfasst, kann vorgesehen sein, dass die Baugruppe 100 eine Katalysatorschicht 103 (welche insbesondere einen Bestandteil der Membran-Elektroden-Anordnung bildet) umfasst.
-
Die Gasdiffusionslage 108 dient vorzugsweise einem Transport von Medien und/oder Wärme. Beispielsweise dient die Gasdiffusionslage 108 einer Verteilung von gasförmigen Reaktionsmedien an der Membran-Elektroden-Anordnung und einem Abtransport von Strom, Wasser und/oder Wärme.
-
Die Katalysatorschicht 103 dient vorzugsweise einer Beschleunigung und/oder einer Ermöglichung einer elektrochemischen Reaktion.
-
Die Dichtung 110 dient vorzugsweise einer Abdichtung
- - des Strömungsfelds 104 und/oder des aktiven Bereichs gegenüber den Mediumkanälen 112;
- - der Mediumkanäle 112 untereinander;
- - des Strömungsfelds 104 und/oder des aktiven Bereichs gegenüber einer Umgebung 114; und
- - der Mediumkanäle 112 gegenüber der Umgebung 114.
-
Es kann vorgesehen sein, dass die Dichtung 110 eine ebene Dichtungsfläche aufweist.
-
Vorzugsweise umfasst die Dichtung 110 eine, zwei oder mehrere Dichtlippen.
-
Insbesondere im Bereich der einen, der zwei oder der mehreren Dichtlippen ist die Dichtung 110 in einem senkrecht zur Haupterstreckungsebene der Baugruppe 100 genommenen Querschnitt vorzugsweise linienförmig ausgebildet.
-
Beispielsweise umfasst die Dichtung 110 mehrere Dichtungsteile, welche entlang einer Längsrichtung um den aktiven Bereich und/oder um die Mediumkanäle 112 herum verlaufen.
-
Beispielsweise weisen die Dichtungsteile oder die Dichtung 110 als Ganzes in einem senkrecht zur Längsrichtung genommenen Querschnitt einen trapezförmigen, dreieckförmigen oder kreissegmentförmigen Querschnitt auf.
-
Die Längsrichtung verläuft vorzugsweise parallel zur Haupterstreckungsebene der Baugruppe 100.
-
Ergänzend oder alternativ kann vorgesehen sein, dass die Dichtung 110 bereichsweise oder vollständig flächig ausgebildet ist.
-
Die Dichtung 110 umfasst einen Strömungsfeldabdichtbereich 128, welcher das Strömungsfeld 104 gegenüber den Mediumkanälen 112 und der Umgebung 114 abdichtet.
-
Ferner umfasst die Dichtung 110 einen Mediumkanalabdichtbereich 130, welcher die Mediumkanäle 112 gegenüber der Umgebung 114 und untereinander abdichtet.
-
Der Mediumkanalabdichtbereich 130 grenzt vorliegend an den Strömungsfeldabdichtbereich 128 an.
-
Öffnungen für die Mediumkanäle 112 sind im Mediumkanalabdichtbereich 130 angeordnet.
-
Die Dichtung 110 ist Gasdiffusionslagen-unterstützt. Die Gasdiffusionslage 108 und/oder die Katalysatorschicht 103 erstreckt sich über den Strömungsfeldabdichtbereich 128 hinaus und in den Mediumkanalabdichtbereich 130 hinein.
-
Vorliegend weist die Gasdiffusionslage 108 Mediumkanalöffnungen 132 für die Mediumkanäle 112 auf. Die Gasdiffusionslage 108 umgibt insbesondere die Mediumkanäle 112 vollständig längs deren Umfangsrichtung.
-
Die Gasdiffusionslage 108 erstreckt sich vorzugsweise über ungefähr 20 % oder mehr, insbesondere über ungefähr 50 % oder mehr, insbesondere über ungefähr 70 % oder mehr, beispielsweise über ungefähr 90 % oder mehr, einer Querschnittsfläche des Mediumkanalabdichtbereichs 130.
-
Die Querschnittsfläche ist parallel zu einer Haupterstreckungsebene der Baugruppe 100 definiert.
-
Vorliegend erstreckt sich die Gasdiffusionslage 108 vollständig über die Baugruppe 100. Insbesondere bilden Randbereiche der Gasdiffusionslage 108 einen Rand der Baugruppe 100 als Ganzes.
-
Vorteilhaft kann es sein, wenn ein Dichtungsmaterial der Dichtung 110 die Gasdiffusionslage 108 im Mediumkanalabdichtbereich 130 teilweise oder vollständig durchdringt, beispielsweise in Poren der porösen Gasdiffusionslage 108 eindringt. Insbesondere durchdringt das Dichtungsmaterial der Dichtung 110 die Gasdiffusionslage 108 im Strömungsfeldabdichtbereich 128 vollständig und dringt beispielsweise in Poren der porösen Gasdiffusionslage 108 ein.
-
Ergänzend oder alternativ kann vorgesehen sein, dass das Dichtungsmaterial der Dichtung 110 die Gasdiffusionslage 108 und/oder die Katalysatorschicht 103 an deren Randbereichen ummantelt.
-
Im Mediumkanalabdichtbereich 130 sind das Dichtungsmaterial und ein Material der Gasdiffusionslage 108 vorzugsweise ineinander verschränkt und/oder chemisch miteinander verbunden. So können Materialinhomogenitäten an Übergangsbereichen zwischen der Gasdiffusionslage 108 und der Dichtung 110 vermieden werden.
-
Die Baugruppe 100 weist vorzugsweise im gesamten Mediumkanalabdichtbereich 130 homogene Kompressibilitätseigenschaften bezüglich einer Kompression längs senkrecht zur Haupterstreckungsebene der Baugruppe 100 verlaufenden Richtungen auf. Insbesondere weist die Baugruppe 100 im gesamten Strömungsfeldabdichtbereich 128 homogene Kompressibilitätseigenschaften bezüglich einer Kompression längs senkrecht zur Haupterstreckungsebene der Baugruppe 100 verlaufenden Richtungen auf.
-
Die Baugruppe 100 wird vorzugsweise in einem Spritzgießwerkzeug hergestellt.
-
Vorzugsweise ist die Dichtung 110 ein Spritzgusselement.
-
Beispielsweise wird ein (nicht dargestelltes) erstes Spritzgießwerkzeug-Teil mit einer Abdrückkante auf die Gasdiffusionslage 108, beispielsweise auf eine in der resultierenden Baugruppe 100 einen Diffusionsbereich des Gasdiffusionslage 108 im montierten Zustand begrenzende Fläche der Gasdiffusionslage 108, aufgesetzt, und ein zweites (nicht dargestelltes) Spritzgießwerkzeug-Teil wird an die jeweils gegenüber liegende Fläche der Gasdiffusionslage 108 angelegt, um als Gegenhalter für die Verpressung der Gasdiffusionslage 108 im Bereich der Abdrückkante des ersten Spritzgießwerkzeug-Teils zu dienen, so dass zwischen den beiden Spritzgießwerkzeug-Teilen eine mit dem, vorzugsweise elastomeren, Dichtungsmaterial auszufüllende Kavität gebildet wird.
-
Das Dichtungsmaterial umfasst vorzugsweise ein spritzgießbares und/oder brennstoffzellentaugliches Material oder ist daraus gebildet.
-
Bevorzugte Dichtungsmaterialien sind, insbesondere silikonhaltige und/oder silikonbasierte, Elastomermaterialien.
-
Der Diffusionsbereich der Gasdiffusionslage 108 entspricht vorzugsweise dem aktiven Bereich und/oder ist vom Strömungsfeldabdichtbereich 128 umgeben und/oder begrenzt.
-
Die Gasdiffusionslage 108 reicht vorliegend in die Kavität hinein, so dass vorzugsweise Dichtungsmaterial an einen Randbereich der Gasdiffusionslage 108 angespritzt und/oder die Gasdiffusionslage 108 in Randbereichen mit dem Dichtungsmaterial umspritzt wird.
-
Vorzugsweise werden ungefähr 20 % einer Oberfläche der Gasdiffusionslage 108 oder mehr, insbesondere ungefähr 30 % einer Oberfläche der Gasdiffusionslage 108 oder mehr, mit dem Dichtungsmaterial umspritzt.
-
Günstig kann es sein, wenn die Gasdiffusionslage 108 ein oder mehrere, vorliegend mehrere, Kontrollelemente 134 aufweist, welche insbesondere einer Überwachung einer Position der Gasdiffusionslage 108 bei einer Positionierung und/oder einer Vermessung von Dimensionen der elektrochemisch aktiven Einheit 102 und/oder einer elektrochemischen Zelle als Ganzes dienen.
-
Günstig kann es sein, wenn die Kontrollelemente 134 als Durchtrittsöffnungen, beispielsweise mit einem zumindest näherungsweise rechteckförmigen Querschnitt, ausgebildet sind. Der Querschnitt ist vorzugsweise parallel zur Haupterstreckungsebene der Baugruppe 100 genommen.
-
Alternativ zu einer rechteckförmigen Ausbildung der Kontrollelemente 134 können diese auch zumindest näherungsweise kreisförmig ausgebildet sein.
-
Vorzugsweise werden die Kontrollelemente 134 durch Ausstanzen in die Gasdiffusionslage 108 eingebracht.
-
Die Kontrollelemente 134 sind beispielsweise im außerhalb des aktiven Bereichs angeordnet, beispielsweise im Mediumkanalabdichtbereich 130.
-
Die Baugruppe 100 weist durch die Gasdiffusionslage 108 im Mediumkanalabdichtbereich 130 insbesondere optimierte Steifigkeitseigenschaften, beispielsweise eine optimierte Biegesteifigkeit, auf.
-
Beispielsweise ist die Biegesteifigkeit der Baugruppe 100 im Mediumkanalabdichtbereich 130 um einen Faktor von ungefähr 1,0 oder mehr, beispielsweise von ungefähr 1,2 oder mehr, größer als die Biegesteifigkeit einer Baugruppe 100 gleicher Zusammensetzung, bei welcher die Gasdiffusionslage 108 sich nicht in den Mediumkanalabdichtbereich 130 hinein erstreckt.
-
Ein Verhältnis der parallel zur Haupterstreckungsebene der Baugruppe 100 verlaufenden Querschnittsfläche der Dichtung 110 zu einer parallel zur Haupterstreckungsebene der Baugruppe 100 verlaufenden Querschnittsfläche der Gasdiffusionslage 108 beträgt vorzugsweise ungefähr 1:3 oder mehr und/oder ungefähr 1:1 oder weniger.
-
Durch die Vergrößerung der Gasdiffusionslage 108 über den aktiven Bereich hinaus und/oder durch die großflächige Einbringung der Gasdiffusionslage 108 ist vorzugsweise eine Baugruppe 100 mit optimierten Eigenschaften im Hinblick auf Stabilisierung, Steifigkeit und/oder Formtreue im Mediumkanalabdichtbereich 130 ausgebildet. Dies bietet Vorteile bei der Herstellung, Vermessung, Automatisierung und Assemblierung der Baugruppe 100 in einer elektrochemisch aktiven Einheit 102.
-
In Ausführungsformen, in welchen die Baugruppe 100 eine Katalysatorschicht 103 umfasst, gelten die zuvor im Zusammenhang mit der Gasdiffusionslage 108 beschriebenen Abmessungen und Verhältnisse für die Katalysatorschicht 103 vorzugsweise gleichermaßen.
-
Elektrochemisch aktive Einheiten 102 oder elektrochemische Vorrichtungen 105, welche zuvor beschriebene Baugruppen 100 aufweisen, weisen vorzugsweise eine erhöhte Qualität und/oder Lebensdauer auf.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102019135277 A1 [0008]
- DE 102017117146 A1 [0009]
