DE102021105017A1

DE102021105017A1 - Electrochemical unit for an electrochemical device and method of making an electrochemical unit for an electrochemical device

Info

Publication number: DE102021105017A1
Application number: DE102021105017.0A
Authority: DE
Inventors: Alexander Höflich; Alejandro Orozco Arenas; David Fischer; Georgios Polymeros; Manuel Salzmann; Michael Götz; Sandra Temmel; Jürgen Kraft; Martin Quintus; Thomas Dix-Landgraf
Original assignee: Ekpo Fuel Cell Technologies GmbH
Current assignee: Ekpo Fuel Cell Technologies GmbH
Priority date: 2021-03-02
Filing date: 2021-03-02
Publication date: 2022-09-08

Abstract

Um eine elektrochemische Einheit für eine elektrochemische Vorrichtung, umfassend eine Membran, eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode, eine erste Gasdiffusionslage, eine zweite Gasdiffusionslage, eine Dichtung, welche mindestens ein Dichtungselement umfasst, das an die erste Gasdiffusionslage angebunden ist, und eine Bipolarplatte, zu schaffen, welche mit einer geringeren Anzahl von Prozessschritten und vorzugsweise auch mit einfacheren und dadurch kostengünstigeren Einzelprozessen herstellbar ist, wird vorgeschlagen, dass zumindest ein Teil der Membran, die zweite Elektrode und die zweite Gasdiffusionslage einen elektrochemisch aktiven Verbund bilden, in dem die zweite Elektrode als eine auf die zweite Gasdiffusionslage applizierte Beschichtung und zumindest ein Teil der Membran als eine auf die zweite Elektrode applizierte Beschichtung ausgebildet ist.An electrochemical unit for an electrochemical device, comprising a membrane, a first electrode, a second electrode, a first gas diffusion layer, a second gas diffusion layer, a seal which comprises at least one sealing element which is connected to the first gas diffusion layer, and a bipolar plate, to create, which can be produced with a smaller number of process steps and preferably also with simpler and therefore more cost-effective individual processes, it is proposed that at least part of the membrane, the second electrode and the second gas diffusion layer form an electrochemically active composite in which the second electrode as a coating applied to the second gas diffusion layer and at least part of the membrane as a coating applied to the second electrode.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Einheit für eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Membran, eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode, eine erste Gasdiffusionslage, eine zweite Gasdiffusionslage, eine Dichtung, welche mindestens ein Dichtungselement umfasst, das an die erste Gasdiffusionslage angebunden ist, und eine Bipolarplatte umfasst.The present invention relates to an electrochemical unit for an electrochemical device, which comprises a membrane, a first electrode, a second electrode, a first gas diffusion layer, a second gas diffusion layer, a seal, which comprises at least one sealing element which is connected to the first gas diffusion layer, and includes a bipolar plate.

Bei aus dem Stand der Technik bekannten elektrochemischen Einheiten dieser Art werden die erste Elektrode und die zweite Elektrode an der Membran ausgebildet, und die aus diesen drei Elementen gebildete Einheit (CCM für „Catalyst Coated Membrane“) wird zwischen die erste Gasdiffusionslage und die zweite Gasdiffusionslage eingelegt. Die Dichtung der elektrochemischen Einheit kann dabei an die erste Gasdiffusionslage und/oder an die zweite Gasdiffusionslage angespritzt sein.In electrochemical units of this type known from the prior art, the first electrode and the second electrode are formed on the membrane, and the unit formed from these three elements (CCM for "Catalyst Coated Membrane") is placed between the first gas diffusion layer and the second gas diffusion layer inserted. The seal of the electrochemical unit can be injection molded onto the first gas diffusion layer and/or onto the second gas diffusion layer.

Die Gesamtheit aus der Membran, der ersten Elektrode, der zweiten Elektrode, der ersten Gasdiffusionslage und der zweiten Gasdiffusionslage wird zusammen als Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) bezeichnet.The entirety of the membrane, the first electrode, the second electrode, the first gas diffusion layer and the second gas diffusion layer is collectively referred to as a membrane-electrode assembly (MEA).

Beim Stand der Technik muss diese MEA aus drei Bauteilen, nämlich aus der mit den beiden Elektroden versehenen Membran (CCM) und den beiden Gasdiffusionslagen, assembliert werden, wodurch sich mehrere Bauteiltoleranzen und Assembliertoleranzen aufsummieren. Die Handhabung dieser drei biegeweichen und empfindlichen Bauteile ist sehr anspruchsvoll. Die an den Gasdiffusionslagen angeordneten Dichtungselemente weisen Verzüge auf. Die Prozesse zur Fertigung der Membran mit den daran angeordneten Elektroden einerseits und der Gasdiffusionslagen mit den daran angeordneten Dichtungselementen andererseits müssen sehr präzise durchgeführt werden und sind daher zeitaufwändig und teuer. Ferner wird zusätzlicher Bauraum zum Ausgleich der bei der Fertigung und Assemblierung auftretenden Toleranzen benötigt.In the prior art, this MEA must be assembled from three components, namely the membrane (CCM) provided with the two electrodes and the two gas diffusion layers, which means that a number of component tolerances and assembly tolerances add up. The handling of these three flexible and sensitive components is very demanding. The sealing elements arranged on the gas diffusion layers show distortions. The processes for manufacturing the membrane with the electrodes arranged thereon on the one hand and the gas diffusion layers with the sealing elements arranged thereon on the other hand have to be carried out very precisely and are therefore time-consuming and expensive. Furthermore, additional space is required to compensate for the tolerances that occur during manufacture and assembly.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrochemische Einheit der eingangs genannten Art zu schaffen, welche mit einer geringeren Anzahl von Prozessschritten und vorzugsweise auch mit einfacheren und dadurch kostengünstigeren Einzelprozessen herstellbar ist.The present invention is based on the object of creating an electrochemical unit of the type mentioned at the outset, which can be produced with a smaller number of process steps and preferably also with simpler and therefore more cost-effective individual processes.

Diese Aufgabe wird bei einer elektrochemischen Einheit mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zumindest ein Teil der Membran, die zweite Elektrode und die zweite Gasdiffusionslage einen elektrochemisch aktiven Verbund bilden, in dem die zweite Elektrode als eine auf die zweite Gasdiffusionslage applizierte Beschichtung und zumindest ein Teil der Membran als eine auf die zweite Elektrode applizierte Beschichtung ausgebildet sind.In the case of an electrochemical unit having the features of the preamble of claim 1, this object is achieved according to the invention in that at least part of the membrane, the second electrode and the second gas diffusion layer form an electrochemically active composite in which the second electrode acts as a layer on the second gas diffusion layer applied coating and at least part of the membrane are formed as a coating applied to the second electrode.

Der erfindungsgemäßen Lösung liegt das Konzept zugrunde, einen elektrochemisch aktiven Verbund zu bilden, welcher zumindest einen Teil der Membran, die zweite Elektrode und die zweite Gasdiffusionslage umfasst. Da zumindest ein Teil der Membran bereits stoffschlüssig (mittelbar, über die zweite Elektrode) mit der zweiten Gasdiffusionslage verbunden ist, entfällt der sonst notwendige Schritt der Assemblierung der zweiten Gasdiffusionslage mit der Membran.The solution according to the invention is based on the concept of forming an electrochemically active composite which comprises at least part of the membrane, the second electrode and the second gas diffusion layer. Since at least part of the membrane is already materially connected (indirectly, via the second electrode) to the second gas diffusion layer, the otherwise necessary step of assembling the second gas diffusion layer with the membrane is omitted.

Durch die Bildung des elektrochemisch aktiven Verbunds innerhalb der Membran-Elektroden-Anordnung wird die Anzahl der miteinander zu assemblierenden Bauteile reduziert. Hierdurch werden die durch Bauteilverzug auftretenden Probleme reduziert, die Toleranzketten werden kürzer und/oder Bauraum kann eingespart werden. Die Anzahl der zur Herstellung der elektrochemischen Einheit erforderlichen Prozessschritte wird verringert, und die für die Herstellung und Assemblierung der Bauteile der elektrochemischen Einheit erforderlichen Einzelprozesse werden vereinfacht und dadurch kostengünstiger.The formation of the electrochemically active compound within the membrane-electrode arrangement reduces the number of components to be assembled with one another. As a result, the problems that occur due to component distortion are reduced, the tolerance chains become shorter and/or installation space can be saved. The number of process steps required for producing the electrochemical unit is reduced, and the individual processes required for producing and assembling the components of the electrochemical unit are simplified and therefore more cost-effective.

Eine Membran-Elektroden-Anordnung, in welcher zumindest ein Teil der Membran und die zweite Elektrode in situ an der zweiten Gasdiffusionslage gebildet werden, wird als „Direct MEA“ bezeichnet.A membrane-electrode assembly in which at least part of the membrane and the second electrode are formed in situ on the second gas diffusion layer is referred to as a "direct MEA".

Eine solche Direct MEA kann in einem kontinuierlichen Rolle-zu-Rolle-Prozess hergestellt werden.Such a direct MEA can be produced in a continuous roll-to-roll process.

Erst am Ende des Herstellungsprozesses der Direct MEA werden die im Rollenprozess hergestellten Membran-Elektroden-Anordnungen vereinzelt.Only at the end of the Direct MEA manufacturing process are the membrane electrode assemblies manufactured in the roll process separated.

Während des Rolle-zu-Rolle-Prozesses können einzelne Lagen der Direct MEA bei Bedarf maskiert werden.Individual layers of the Direct MEA can be masked if necessary during the roll-to-roll process.

Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass ein anderer Teil der Membran, die erste Elektrode und die erste Gasdiffusionslage einen weiteren elektrochemisch aktiven Verbund bilden, in dem die erste Elektrode als eine auf die erste Gasdiffusionslage applizierte Beschichtung und der weitere Teil der Membran als eine auf die erste Elektrode applizierte Beschichtung ausgebildet sind.Basically, it can be provided that another part of the membrane, the first electrode and the first gas diffusion layer form a further electrochemically active composite, in which the first electrode as a coating applied to the first gas diffusion layer and the other part of the membrane as a coating applied to the first Electrode applied coating are formed.

Die Gesamtheit der Membran-Elektroden-Anordnung wird in diesem Fall dadurch hergestellt, dass die beiden elektrochemisch aktiven Verbunde miteinander assembliert werden.In this case, the membrane-electrode assembly as a whole is produced by assembling the two electrochemically active composites with one another.

Hierbei ist aber von Nachteil, dass die erste Gasdiffusionslage, an welche das Dichtungselement der Dichtung angebunden wird, zugleich als Substrat für die Herstellung der ersten Elektrode und eines Teils der Membran der elektrochemischen Vorrichtung dient.The disadvantage here, however, is that the first gas diffusion layer, to which the sealing element of the seal is attached, also serves as a substrate for the production of the first electrode and part of the membrane of the electrochemical device.

Wenn das Dichtungselement durch einen Spritzvorgang an der ersten Gasdiffusionslage ausgebildet wird, nachdem die erste Elektrode und ein Teil der Membran an der ersten Gasdiffusionslage ausgebildet worden sind, hat dies zur Folge, dass hohe Ausschusskosten entstehen, wenn der Anspritzvorgang misslingt und die Einheit aus der ersten Gasdiffusionslage, der ersten Elektrode und einem Teil der Membran sowie dem Dichtungselement verworfen werden muss.If the sealing member is formed by injection molding on the first gas diffusion layer after the first electrode and a part of the membrane have been formed on the first gas diffusion layer, the consequence is that high waste costs are incurred if the molding process fails and the unit from the first Gas diffusion layer, the first electrode and part of the membrane and the sealing element must be discarded.

Es ist daher von Vorteil, wenn die erste Elektrode und die gesamte Membran einen Bestandteil des elektrochemisch aktiven Verbundes bilden, welcher durch Beschichtung der zweiten Gasdiffusionslage hergestellt wird.It is therefore advantageous if the first electrode and the entire membrane form part of the electrochemically active composite, which is produced by coating the second gas diffusion layer.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist deshalb vorgesehen, dass der elektrochemisch aktive Verbund der elektrochemischen Einheit die Membran als Ganzes und die erste Elektrode umfasst, wobei die erste Elektrode als eine auf die Membran applizierte Beschichtung ausgebildet ist.In a preferred embodiment of the invention, it is therefore provided that the electrochemically active composite of the electrochemical unit comprises the membrane as a whole and the first electrode, with the first electrode being designed as a coating applied to the membrane.

In diesem Fall ist die Membran vorzugsweise als Ganzes als eine auf die zweite Elektrode applizierte Beschichtung ausgebildet.In this case, the membrane is preferably designed as a whole as a coating applied to the second electrode.

Ferner ist es günstig, wenn in diesem Fall kein Dichtungselement der Dichtung der elektrochemischen Einheit an die zweite Gasdiffusionslage angebunden ist.Furthermore, it is favorable if in this case no sealing element of the seal of the electrochemical unit is connected to the second gas diffusion layer.

Bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein äußerer Rand der ersten Gasdiffusionslage zumindest abschnittsweise gegenüber einem äußeren Rand der zweiten Gasdiffusionslage nach innen versetzt ist.In a particular embodiment of the invention, it can be provided that an outer edge of the first gas diffusion layer is offset inwards, at least in sections, relative to an outer edge of the second gas diffusion layer.

Die Richtungen „nach innen“ und „nach außen“ beziehen sich dabei auf das Zentrum der Membran-Elektroden-Anordnung oder der elektrochemischen Einheit. „Nach innen versetzt“ bedeutet somit in Richtung auf das Zentrum der Membran-Elektroden-Anordnung beziehungsweise der elektrochemischen Einheit hin versetzt. „Nach außen versetzt“ bedeutet in Richtung vom Zentrum der Membran-Elektroden-Anordnung beziehungsweise der elektrochemischen Einheit weg versetzt. In allen dieser Beschreibung beigefügten Zeichnungen befindet sich das Zentrum der Membran-Elektroden-Anordnung und der elektrochemischen Einheit links von dem äußeren Randbereich der Membran-Elektroden-Anordnung und der elektrochemischen Einheit, der in den zeichnerisch wiedergegebenen Querschnitten dargestellt ist.The directions “inward” and “outward” refer to the center of the membrane-electrode assembly or the electrochemical unit. “Offset inwards” thus means offset in the direction of the center of the membrane-electrode assembly or the electrochemical unit. “Offset” means offset in the direction away from the center of the membrane electrode assembly or the electrochemical unit. In all of the drawings accompanying this specification, the center of the membrane-electrode assembly and electrochemical unit is to the left of the outer edge portion of the membrane-electrode assembly and electrochemical unit shown in the cross-section drawings.

Das Dichtungselement ist vorzugsweise stoffschlüssig, beispielsweise durch Anspritzen, an die erste Gasdiffusionslage angebunden.The sealing element is preferably integrally bonded to the first gas diffusion layer, for example by injection molding.

Das Dichtungselement kann mindestens einen Anbindungsbereich umfassen, welcher sich in die erste Gasdiffusionslage und/oder in die zweite Gasdiffusionslage hinein erstreckt.The sealing element can comprise at least one connection area, which extends into the first gas diffusion layer and/or into the second gas diffusion layer.

Ein solcher Anbindungsbereich des Dichtungselements bildet somit zugleich einen Infiltrationsbereich der betreffenden Gasdiffusionslage, in welchem die betreffende Gasdiffusionslage mit dem Dichtungsmaterial des Dichtungselements infiltriert ist.Such a connection area of the sealing element thus simultaneously forms an infiltration area of the relevant gas diffusion layer, in which the relevant gas diffusion layer is infiltrated with the sealing material of the sealing element.

Bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Dichtungselement einen Bipolarplatten-Abdichtbereich umfasst, welcher im montierten Zustand der elektrochemischen Einheit an der Bipolarplatte der elektrochemischen Einheit abdichtend anliegt.In a particular embodiment of the invention, it is provided that the sealing element comprises a bipolar plate sealing area which, when the electrochemical unit is in the assembled state, rests against the bipolar plate of the electrochemical unit in a sealing manner.

Wenn in dieser Beschreibung und in den beigefügten Ansprüchen davon die Rede ist, dass ein Element an einem anderen abdichtend anliegt, so ist dies so zu verstehen, dass die betreffenden Elemente nicht stoffschlüssig miteinander verbunden sind, sondern durch eine Abdichtkraft, welche vorzugsweise mittels einer Spannvorrichtung der elektrochemischen Vorrichtung erzeugt wird, im montierten Zustand der elektrochemischen Einheit gegeneinander gepresst werden.If in this description and in the appended claims it is mentioned that one element rests sealingly on another, this is to be understood in such a way that the elements in question are not connected to one another by a material bond, but by a sealing force, which is preferably exerted by means of a clamping device the electrochemical device is generated, are pressed against each other in the assembled state of the electrochemical unit.

Der Bipolarplatten-Abdichtbereich kann grundsätzlich als eine Flachdichtung oder eine Streifendichtung ausgebildet sein.In principle, the bipolar plate sealing area can be designed as a flat seal or a strip seal.

Eine solche Streifendichtung weist eine Dichtfläche auf, die aus sich kreuzenden Dichtungsstreifen gebildet ist, welche Ausnehmungen in Form von Prismen mit polygonalem Querschnitt begrenzen. Dieser polygonale Querschnitt kann beispielsweise die Form eines Quadrats, einer Raute oder eines Sechsecks aufweisen.Such a strip seal has a sealing surface formed from intersecting sealing strips which delimit recesses in the form of prisms with a polygonal cross section. This polygonal cross section can have the shape of a square, a rhombus or a hexagon, for example.

Im Fall einer Flächendichtung oder Streifendichtung liegt der Bipolarplatten-Abdichtbereich vorzugsweise mit einer im Wesentlichen ebenen Dichtfläche an einer vorzugsweise ebenfalls im Wesentlichen ebenen Dichtfläche der Bipolarplatte der elektrochemischen Einheit an.In the case of a surface seal or strip seal, the bipolar plate sealing area preferably bears with an essentially flat sealing surface against a preferably also essentially flat sealing surface of the bipolar plate of the electrochemical unit.

Alternativ oder ergänzend hierzu kann auch vorgesehen sein, dass der Bipolarplatten-Abdichtbereich eine, zwei oder mehr Dichtlippen aufweist, mit welcher der Bipolarplatten-Abdichtbereich im montierten Zustand der elektrochemischen Einheit an der Bipolarplatte der elektrochemischen Einheit abdichtend anliegt.Alternatively or additionally, it can also be provided that the bipolar plate sealing area has one, two or more sealing lips, with which the bipolar plate sealing area bears sealingly against the bipolar plate of the electrochemical unit when the electrochemical unit is in the assembled state.

Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass das Dichtungselement einen der Bipolarplatte der elektrochemischen Einheit abgewandten weiteren Bipolarplatten-Abdichtbereich umfasst, welcher im montierten Zustand der elektrochemischen Einheit an einer Bipolarplatte einer der elektrochemischen Einheit benachbarten elektrochemischen Einheit der elektrochemischen Vorrichtung abdichtend anliegt.Alternatively or in addition to this, it can be provided that the sealing element comprises a further bipolar plate sealing region which faces away from the bipolar plate of the electrochemical unit and which, when the electrochemical unit is in the assembled state, bears sealingly against a bipolar plate of an electrochemical unit of the electrochemical device that is adjacent to the electrochemical unit.

Vorzugsweise folgt dabei die der elektrochemischen Einheit benachbarte weitere elektrochemische Einheit längs einer Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung auf die erste elektrochemische Einheit.The further electrochemical unit adjacent to the electrochemical unit preferably follows the first electrochemical unit in a stacking direction of the electrochemical device.

Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass der weitere Bipolarplatten-Abdichtbereich als eine Flachdichtung oder eine Streifendichtung ausgebildet ist.In principle, it can be provided that the further bipolar plate sealing area is designed as a flat seal or a strip seal.

In diesem Fall liegt der Bipolarplatten-Abdichtbereich vorzugsweise mit einer im Wesentlichen ebenen Dichtfläche an einer vorzugsweise ebenfalls im Wesentlichen ebenen Dichtfläche der Bipolarplatte der der elektrochemischen Einheit benachbarten weiteren elektrochemischen Einheit der elektrochemischen Vorrichtung abdichtend an.In this case, the bipolar plate sealing area is preferably in sealing contact with a substantially flat sealing surface against a preferably likewise substantially flat sealing surface of the bipolar plate of the further electrochemical unit of the electrochemical device adjacent to the electrochemical unit.

Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass der weitere Bipolarplatten-Abdichtbereich eine, zwei oder mehr Dichtlippen aufweist, mit welchen der weitere Bipolarplatten-Abdichtbereich an der Bipolarplatte der der elektrochemischen Einheit benachbarten weiteren elektrochemischen Einheit der elektrochemischen Vorrichtung abdichtend anliegt.Alternatively or additionally, it can be provided that the additional bipolar plate sealing area has one, two or more sealing lips with which the additional bipolar plate sealing area bears sealingly against the bipolar plate of the additional electrochemical unit of the electrochemical device adjacent to the electrochemical unit.

Ferner kann bei einer besonderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen elektrochemischen Einheit vorgesehen sein, dass das Dichtungselement einen Elektroden-Abdichtbereich umfasst, welcher im montierten Zustand der elektrochemischen Einheit an der ersten Elektrode oder an der zweiten Elektrode der elektrochemischen Einheit abdichtend anliegt.Furthermore, in a particular embodiment of the electrochemical unit according to the invention, it can be provided that the sealing element comprises an electrode sealing area which, when the electrochemical unit is in the assembled state, rests sealingly on the first electrode or on the second electrode of the electrochemical unit.

Grundsätzlich kann ein solcher Elektroden-Abdichtbereich als eine Flachdichtung oder eine Streifendichtung ausgebildet sein.In principle, such an electrode sealing area can be designed as a flat seal or a strip seal.

In diesem Fall liegt der Elektroden-Abdichtbereich vorzugsweise mit einer im Wesentlichen ebenen Dichtfläche an einer vorzugsweise ebenfalls im Wesentlichen ebenen Dichtfläche der ersten Elektrode beziehungsweise der zweiten Elektrode abdichtend an.In this case, the electrode sealing area is preferably in sealing contact with a substantially flat sealing surface against a preferably likewise substantially flat sealing surface of the first electrode or the second electrode.

Alternativ oder ergänzend hierzu kann auch vorgesehen sein, dass der Elektroden-Abdichtbereich des Dichtungselements eine, zwei oder mehr Dichtlippen aufweist, mit welchen der Elektroden-Abdichtbereich im montierten Zustand der elektrochemischen Einheit an der ersten Elektrode beziehungsweise an der zweiten Elektrode abdichtend anliegt.Alternatively or additionally, it can also be provided that the electrode sealing area of the sealing element has one, two or more sealing lips, with which the electrode sealing area bears sealingly on the first electrode or on the second electrode when the electrochemical unit is in the assembled state.

Bei einer besonderen Ausgestaltung der elektrochemischen Einheit kann vorgesehen sein, dass ein äußerer Rand der ersten Elektrode zumindest abschnittsweise gegenüber einem äußeren Rand der Membran, gegenüber einem äußeren Rand der zweiten Elektrode und/oder gegenüber einem äußeren Rand der zweiten Gasdiffusionslage nach innen, das heißt zu dem Zentrum der Membran-Elektroden-Anordnung hin, versetzt ist.In a particular configuration of the electrochemical unit, it can be provided that an outer edge of the first electrode, at least in sections, faces inwards, i.e. towards towards the center of the membrane electrode assembly.

Das Dichtungselement kann einen Membran-Abdichtbereich umfassen, welcher im montierten Zustand der elektrochemischen Einheit an der Membran der elektrochemischen Einheit abdichtend anliegt.The sealing element can comprise a membrane sealing area which, when the electrochemical unit is in the assembled state, rests against the membrane of the electrochemical unit in a sealing manner.

Ein solcher Membran-Abdichtbereich kann grundsätzlich als eine Flachdichtung oder eine Streifendichtung ausgebildet sein.Such a membrane sealing area can basically be designed as a flat seal or a strip seal.

In diesem Fall liegt der Membran-Abdichtbereich vorzugsweise mit einer im Wesentlichen ebenen Dichtfläche an einer vorzugsweise ebenfalls im Wesentlichen ebenen Dichtfläche der Membran der elektrochemischen Einheit abdichtend an.In this case, the membrane sealing area is preferably in sealing contact with a substantially flat sealing surface against a preferably likewise substantially flat sealing surface of the membrane of the electrochemical unit.

Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass der Membran-Abdichtbereich eine, zwei oder mehr Dichtlippen aufweist, mit welchen der Membran-Abdichtbereich im montierten Zustand der elektrochemischen Einheit an der Membran der elektrochemischen Einheit abdichtend anliegt.Alternatively or additionally, it can be provided that the membrane sealing area has one, two or more sealing lips, with which the membrane sealing area bears sealingly against the membrane of the electrochemical unit in the assembled state of the electrochemical unit.

Um eine Relativverschiebung zwischen dem Dichtungselement und anderen Elementen der elektrochemischen Einheit im Zuge der Assemblierung der elektrochemischen Vorrichtung zu vermeiden, kann vorgesehen sein, dass das Dichtungselement durch Verklebung an der ersten Elektrode, an der Membran, an der zweiten Elektrode und/oder an der Bipolarplatte der elektrochemischen Einheit oder an einer Bipolarplatte einer der elektrochemischen Einheit benachbarten weiteren elektrochemischen Einheit festgelegt ist.In order to avoid a relative displacement between the sealing element and other elements of the electrochemical unit during the assembly of the electrochemical device, it can be provided that the sealing element is bonded to the first electrode, to the membrane, to the second electrode and/or to the bipolar plate of the electrochemical unit or on a bipolar plate of a further electrochemical unit adjacent to the electrochemical unit.

Ferner kann vorgesehen sein, dass das Dichtungselement der Dichtung der elektrochemischen Einheit an die Bipolarplatte der elektrochemischen Einheit und/oder an eine Bipolarplatte einer der elektrochemischen Einheit benachbarten weiteren elektrochemischen Einheit der elektrochemischen Vorrichtung angespritzt oder angeklebt ist.Furthermore, it can be provided that the sealing element of the seal of the electrochemical unit is injection molded or glued onto the bipolar plate of the electrochemical unit and/or onto a bipolar plate of a further electrochemical unit of the electrochemical device adjacent to the electrochemical unit.

Bei einer besonderen Ausgestaltung der elektrochemischen Einheit ist vorgesehen, dass das Dichtungselement nicht nur an die erste Gasdiffusionslage, sondern auch an die zweite Gasdiffusionslage angebunden ist.In a special configuration of the electrochemical unit, it is provided that the sealing element is connected not only to the first gas diffusion layer but also to the second gas diffusion layer.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Dichtungselement stoffschlüssig an die zweite Gasdiffusionslage angebunden ist, beispielsweise durch Anspritzen.In particular, it can be provided that the sealing element is integrally bonded to the second gas diffusion layer, for example by injection molding.

Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass das Dichtungselement an die erste Elektrode, an die zweite Elektrode und/oder an die Membran der elektrochemischen Einheit angebunden ist.As an alternative or in addition to this, it can be provided that the sealing element is connected to the first electrode, to the second electrode and/or to the membrane of the electrochemical unit.

Dabei ist das Dichtungselement vorzugsweise stoffschlüssig an die erste Elektrode, an die zweite Elektrode und/oder an die Membran angebunden, beispielsweise durch Anspritzen.The sealing element is preferably bonded to the first electrode, to the second electrode and/or to the membrane, for example by injection molding.

Ferner kann vorgesehen sein, dass die erste Gasdiffusionslage mit der ersten Elektrode stoffschlüssig verbunden ist, beispielsweise durch Verklebung. Furthermore, it can be provided that the first gas diffusion layer is materially connected to the first electrode, for example by gluing.

Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die erste Gasdiffusionslage auf die erste Elektrode laminiert ist.For example, it can be provided that the first gas diffusion layer is laminated onto the first electrode.

Ferner kann vorgesehen sein, dass die erste Gasdiffusionslage vor dem Trocknen der ersten Elektrode auf die erste Elektrode aufgelegt wird und so im Zuge des Trocknungsvorgangs der ersten Elektrode stoffschlüssig mit der ersten Elektrode verbunden wird.Furthermore, it can be provided that the first gas diffusion layer is placed on the first electrode before the drying of the first electrode and is thus cohesively connected to the first electrode in the course of the drying process of the first electrode.

Bei einer besonderen Ausgestaltung der elektrochemischen Einheit ist vorgesehen, dass die elektrochemische Einheit eine Randverstärkungsanordnung oder ein sogenanntes „Subgasket“ umfasst, die beziehungsweise das an die erste Elektrode, an die Membran und/oder an die zweite Elektrode der elektrochemischen Einheit angebunden ist.In a particular configuration of the electrochemical unit, it is provided that the electrochemical unit comprises an edge reinforcement arrangement or what is known as a “subgasket” which is connected to the first electrode, to the membrane and/or to the second electrode of the electrochemical unit.

Ein solches Subgasket kann insbesondere eine Folie umfassen.Such a subgasket can in particular comprise a film.

Das Subgasket kann beispielsweise durch Verklebung und/oder durch Heißverpressung an die erste Elektrode, an die Membran und/oder an die zweite Elektrode der elektrochemischen Einheit angebunden sein.The subgasket can be attached to the first electrode, to the membrane and/or to the second electrode of the electrochemical unit, for example by gluing and/or by hot pressing.

Bei einer besonderen Ausgestaltung der elektrochemischen Einheit kann das Dichtungselement mindestens einen Subgasket-Abdichtbereich umfassen, welcher im montierten Zustand der elektrochemischen Einheit abdichtend an dem Subgasket anliegt.In a special configuration of the electrochemical unit, the sealing element can comprise at least one subgasket sealing area which, when the electrochemical unit is in the assembled state, rests against the subgasket in a sealing manner.

Ein solcher Subgasket-Abdichtbereich kann grundsätzlich als eine Flachdichtung oder eine Streifendichtung ausgebildet sein.Such a subgasket sealing area can basically be designed as a flat seal or a strip seal.

In diesem Fall liegt der betreffende Subgasket-Abdichtbereich vorzugsweise mit einer im Wesentlichen ebenen Dichtfläche an einer vorzugsweise ebenfalls im Wesentlichen ebenen Dichtfläche des Subgaskets an.In this case, the subgasket sealing area in question preferably bears with an essentially flat sealing surface against a preferably also essentially flat sealing surface of the subgasket.

Alternativ oder ergänzend hierzu kann auch vorgesehen sein, dass der betreffende Subgasket-Abdichtbereich eine, zwei oder mehr Dichtlippen aufweist, mittels welchen der betreffende Subgasket-Abdichtbereich im montierten Zustand der elektrochemischen Einheit abdichtend an dem Subgasket anliegt.Alternatively or additionally, it can also be provided that the subgasket sealing area in question has one, two or more sealing lips, by means of which the subgasket sealing area in question bears sealingly against the subgasket when the electrochemical unit is in the assembled state.

Das Dichtungselement kann einen ersten Subgasket-Abdichtbereich umfassen, welcher im montierten Zustand der elektrochemischen Einheit an einem ersten Bereich des Subgaskets abdichtend anliegt, der an der ersten Elektrode, an der zweiten Elektrode oder an der Membran der elektronischen Einheit festgelegt ist.The sealing element can comprise a first subgasket sealing area which, in the assembled state of the electrochemical unit, bears sealingly against a first area of the subgasket which is fixed to the first electrode, to the second electrode or to the membrane of the electronic unit.

Ferner kann das Dichtungselement einen zweiten Subgasket-Abdichtbereich umfassen, welcher im montierten Zustand der elektrochemischen Einheit abdichtend an einem zweiten Bereich des Subgaskets anliegt, welcher im montierten Zustand der elektrochemischen Einheit abdichtend an der Bipolarplatte der elektrochemischen Einheit oder an einer Bipolarplatte einer der elektrochemischen Einheit benachbarten weiteren elektrochemischen Einheit der elektrochemischen Vorrichtung abdichtend anliegt.Furthermore, the sealing element can comprise a second subgasket sealing area which, when the electrochemical unit is in the assembled state, rests sealingly on a second area of the subgasket, which in the assembled state of the electrochemical unit is in sealing contact with the bipolar plate of the electrochemical unit or on a bipolar plate of one of the electrochemical unit adjacent further electrochemical unit of the electrochemical device rests sealingly.

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Einheit für eine elektrochemische Vorrichtung.The present invention further relates to a method of manufacturing an electrochemical unit for an electrochemical device.

Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein solches Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Einheit für eine elektrochemische Vorrichtung zu schaffen, welches eine geringe Anzahl von Prozessschritten erfordert und bei welchem die Einzelprozesse vorzugsweise einfach und kostengünstig durchführbar sind.The present invention is based on the further object of creating such a method for producing an electrochemical unit for an electrochemical device, which requires a small number of process steps and in which the individual processes can preferably be carried out simply and inexpensively.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Einheit für eine elektrochemische Vorrichtung gelöst, welches Folgendes umfasst:

- Anbinden mindestens eines Dichtungselements einer Dichtung der elektrochemischen Einheit an eine erste Gasdiffusionslage der elektrochemischen Einheit;
- Applizieren einer Elektrode als Beschichtung auf eine zweite Gasdiffusionslage der elektrochemischen Einheit;
- Applizieren zumindest eines Teils einer Membran als Beschichtung auf die Elektrode;
- Assemblieren eines elektrochemisch aktiven Verbundes, welcher zumindest einen Teil der Membran, die Elektrode und die zweite Gasdiffusionslage umfasst, der ersten Gasdiffusionslage mit dem an dieselbe angebundenen Dichtungselement und einer Bipolarplatte der elektrochemischen Einheit.

This object is achieved according to the invention by a method for producing an electrochemical unit for an electrochemical device, which comprises the following:

- Attaching at least one sealing element of a seal of the electrochemical unit to a first gas diffusion layer of the electrochemical unit;
- Applying an electrode as a coating on a second gas diffusion layer of the electrochemical unit;
- Applying at least part of a membrane as a coating on the electrode;
- Assembling an electrochemically active composite, which comprises at least part of the membrane, the electrode and the second gas diffusion layer, the first gas diffusion layer with the sealing element connected thereto and a bipolar plate of the electrochemical unit.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung der erfindungsgemäßen elektrochemischen Einheit für eine elektrochemische Vorrichtung.The method according to the invention is particularly suitable for producing the electrochemical unit according to the invention for an electrochemical device.

Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer elektrochemischen Einheit für eine elektrochemische Vorrichtung umfasst Folgendes:

- Applizieren der gesamten Membran als Beschichtung auf die Elektrode; und
- Applizieren einer weiteren Elektrode als Beschichtung auf die Membran.

A preferred embodiment of the method according to the invention for producing an electrochemical unit for an electrochemical device comprises the following:

- Applying the entire membrane as a coating to the electrode; and
- Application of another electrode as a coating on the membrane.

Dabei umfasst der hergestellte elektrochemisch aktive Verbund die zweite Gasdiffusionslage, die auf die zweite Gasdiffusionslage applizierte Elektrode, die auf die Elektrode applizierte Membran und die auf die Membran applizierte weitere Elektrode.In this case, the electrochemically active composite produced comprises the second gas diffusion layer, the electrode applied to the second gas diffusion layer, the membrane applied to the electrode and the further electrode applied to the membrane.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer elektrochemischen Einheit für eine elektrochemische Vorrichtung sind bereits vorstehend im Zusammenhang mit den besonderen Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen elektrochemischen Einheit für eine elektrochemische Vorrichtung erläutert worden.Further preferred configurations of the method according to the invention for producing an electrochemical unit for an electrochemical device have already been explained above in connection with the special configurations of the electrochemical unit according to the invention for an electrochemical device.

Die erfindungsgemäße elektrochemische Einheit eignet sich insbesondere als Bestandteil einer elektrochemischen Vorrichtung, welche eine Mehrzahl solcher elektrochemischer Einheiten umfasst, die längs einer Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung aufeinanderfolgen.The electrochemical unit according to the invention is suitable in particular as a component of an electrochemical device which comprises a plurality of such electrochemical units which follow one another in a stacking direction of the electrochemical device.

Die erfindungsgemäße elektrochemische Einheit eignet sich insbesondere zur Verwendung in einer elektrochemischen Vorrichtung, die als ein Brennstoffzellenstapel, insbesondere ein Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellenstapel, oder als ein Elektrolyseur ausgebildet ist.The electrochemical unit according to the invention is suitable in particular for use in an electrochemical device which is designed as a fuel cell stack, in particular a polymer electrolyte membrane fuel cell stack, or as an electrolyzer.

Ein solcher Brennstoffzellenstapel eignet sich insbesondere zur Verwendung in Kraftfahrzeugen.Such a fuel cell stack is particularly suitable for use in motor vehicles.

Das mindestens eine Dichtungselement der elektrochemischen Einheit umfasst vorzugsweise ein Elastomermaterial, beispielsweise ein silikonhaltiges und/oder silikonbasiertes Elastomermaterial, oder ist aus einem solchen Elastomermaterial gebildet.The at least one sealing element of the electrochemical unit preferably comprises an elastomeric material, for example a silicone-containing and/or silicone-based elastomeric material, or is formed from such an elastomeric material.

Vorzugsweise umfasst das mindestens eine Dichtungselement ein spritzgießfähiges Material und ein brennstoffzellentaugliches Material oder ist aus einem solchen Material gebildet.The at least one sealing element preferably comprises an injection moldable material and a material suitable for fuel cells or is formed from such a material.

Wenn in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen davon die Rede ist, dass ein erstes Element als Beschichtung auf ein zweites Element appliziert wird, so ist darunter zu verstehen, dass das erste Element durch einen Beschichtungsvorgang in situ an dem zweiten Element gebildet wird. Dieser Ausdruck umfasst nicht das Verbinden eines separat von dem zweiten Element hergestellten ersten Elements mit dem zweiten Element nach der Herstellung des ersten Elements.Whenever it is mentioned in this specification and the appended claims that a first element is applied as a coating to a second element, it is to be understood that the first element is formed by an in situ coating operation on the second element. This expression does not include joining a first element manufactured separately from the second element to the second element after manufacture of the first element.

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 of the following description and the graphic representation of exemplary embodiments.

In den Zeichnungen zeigen:

1 einen schematischen Längsschnitt durch einen Randbereich einer elektrochemischen Einheit für eine elektrochemische Vorrichtung, welche eine Membran, eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode, eine erste Gasdiffusionslage, eine zweite Gasdiffusionslage, eine Dichtung, welche ein Dichtungselement umfasst, das an die erste Gasdiffusionslage angebunden ist, und eine Bipolarplatte umfasst;
2 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit für eine elektrochemische Vorrichtung, bei welcher das Dichtungselement mit einem Bipolarplatten-Abdichtbereich, der eine im Wesentlichen ebene Dichtfläche aufweist, an der Bipolarplatte der elektrochemischen Einheit abdichtend anliegt;
3 einen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit für eine elektrochemische Vorrichtung, bei welcher ein äußerer Rand der ersten Elektrode gegenüber einem äußeren Rand der zweiten Elektrode nach innen, das heißt zum Zentrum der elektrochemischen Einheit hin, versetzt ist und das Dichtungselement mit einem Membran-Abdichtbereich an der Membran der elektrochemischen Einheit abdichtend anliegt;
4 einen Längsschnitt durch eine vierte Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit für eine elektrochemische Vorrichtung, bei welcher das Dichtungselement durch Verklebung mit einer Elektrode der elektrochemischen Einheit verbunden ist;
5 einen Längsschnitt durch eine fünfte Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit für eine elektrochemische Vorrichtung, bei welcher das Dichtungselement nicht nur an die erste Gasdiffusionslage, sondern auch an die Bipolarplatte der elektrochemischen Einheit angebunden ist, beispielsweise durch Anspritzen;
6 einen Längsschnitt durch eine sechste Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit für eine elektrochemische Vorrichtung, bei welcher das Dichtungselement an beide Gasdiffusionslagen der elektrochemischen Einheit angebunden ist, beispielsweise durch Anspritzen; und
7 einen Längsschnitt durch eine siebte Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit für eine elektrochemische Vorrichtung, bei welcher die elektrochemische Einheit zusätzlich ein Subgasket umfasst, das an eine Elektrode der elektrochemischen Einheit angebunden ist, beispielsweise durch Verklebung oder Heißverpressung, und wobei die erste Gasdiffusionslage vorzugsweise stoffschlüssig, beispielsweise durch Anspritzen oder Verklebung, an die Bipolarplatte der elektrochemischen Einheit angebunden ist.

In the drawings show:

1 a schematic longitudinal section through an edge region of an electrochemical unit for an electrochemical device which comprises a membrane, a first electrode, a second electrode, a first gas diffusion layer, a second gas diffusion layer, a seal which includes a sealing element which is connected to the first gas diffusion layer, and a bipolar plate;
2 a longitudinal section through a second embodiment of an electrochemical unit for an electrochemical device, in which the sealing element with a bipolar plate sealing area, which has a substantially flat sealing surface, on the bipo lar plate of the electrochemical unit sealingly abuts;
3 a longitudinal section through a third embodiment of an electrochemical unit for an electrochemical device, in which an outer edge of the first electrode relative to an outer edge of the second electrode is offset inwards, ie towards the center of the electrochemical unit, and the sealing element is provided with a membrane sealing area sealingly abuts the membrane of the electrochemical unit;
4 a longitudinal section through a fourth embodiment of an electrochemical unit for an electrochemical device, in which the sealing element is connected by gluing to an electrode of the electrochemical unit;
5 a longitudinal section through a fifth embodiment of an electrochemical unit for an electrochemical device, in which the sealing element is connected not only to the first gas diffusion layer, but also to the bipolar plate of the electrochemical unit, for example by injection molding;
6 a longitudinal section through a sixth embodiment of an electrochemical unit for an electrochemical device, in which the sealing element is connected to both gas diffusion layers of the electrochemical unit, for example by injection molding; and
7 a longitudinal section through a seventh embodiment of an electrochemical unit for an electrochemical device, in which the electrochemical unit additionally comprises a subgasket which is connected to an electrode of the electrochemical unit, for example by gluing or hot pressing, and wherein the first gas diffusion layer is preferably cohesive, for example by Molding or gluing to which the bipolar plate of the electrochemical unit is attached.

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 Einheit, von der in 1 ein Längsschnitt durch einen äußeren Randbereich derselben dargestellt ist, ist beispielsweise als eine Brennstoffzelle 102 ausgebildet.An electrochemical unit, designated as a whole by 100, of which 1 a longitudinal section through an outer edge region thereof is shown, for example, as a fuel cell 102 is formed.

Ein Stapel aus solchen elektrochemischen Einheiten 102 wird aus einer Mehrzahl von elektrochemischen Einheiten 100 gebildet, welche längs einer Stapelrichtung (z-Richtung) 104 aufeinanderfolgen.A stack of such electrochemical units 102 is formed from a plurality of electrochemical units 100 which follow one another along a stacking direction (z-direction) 104 .

Der Stapel aus elektrochemischen Einheiten 100, insbesondere ein Brennstoffzellenstapel, bildet einen Bestandteil einer elektrochemischen Vorrichtung 106, die einer Umwandlung von chemischer Reaktionsenergie, welche bei einer Reaktion eines Brennstoffs mit einem Oxidationsmittel entsteht, in elektrische Energie dient. Als Brennstoffe eignen sich insbesondere Wasserstoff, Alkohol, insbesondere Methanol, Butan oder Erdgas.The stack of electrochemical units 100, in particular a fuel cell stack, forms part of an electrochemical device 106, which is used to convert chemical reaction energy, which is produced when a fuel reacts with an oxidizing agent, into electrical energy. Hydrogen, alcohol, in particular methanol, butane or natural gas are particularly suitable as fuels.

Vorzugsweise handelt es sich bei der Brennstoffzelle 102 um eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, welche als eine Niedrigtemperaturbrennstoffe ausgebildet ist und üblicherweise bei einer Betriebstemperatur im Bereich von ungefähr 60° C bis ungefähr 120° C betrieben wird.Preferably, the fuel cell 102 is a polymer electrolyte fuel cell configured as a low temperature fuel and is typically operated at an operating temperature in the range of about 60°C to about 120°C.

Jede der elektrochemischen Einheiten 100 umfasst eine elektrochemisch aktive Einheit 108, in welcher im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung die elektrochemischen Reaktionen ablaufen.Each of the electrochemical units 100 includes an electrochemically active unit 108 in which the electrochemical reactions take place during operation of the electrochemical device.

Die elektrochemisch aktive Einheit 108 umfasst eine erste Elektrode 110, eine zweite Elektrode 112 und eine zwischen den beiden Elektroden 110 und 112 angeordnete Membran 114.The electrochemically active unit 108 comprises a first electrode 110, a second electrode 112 and a membrane 114 arranged between the two electrodes 110 and 112.

Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die erste Elektrode 110 als eine Kathode 116 ausgebildet ist, an welcher im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 106 Sauerstoff reduziert wird.For example, it can be provided that the first electrode 110 is designed as a cathode 116 at which oxygen is reduced during operation of the electrochemical device 106 .

Ferner kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die zweite Elektrode 112 als eine Anode 118 ausgebildet ist, an welcher im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 106 Wasserstoff oxidiert wird.Provision can furthermore be made, for example, for the second electrode 112 to be in the form of an anode 118 at which hydrogen is oxidized during operation of the electrochemical device 106 .

Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die erste Elektrode 110 als Anode und die zweite Elektrode 112 als Kathode 116 ausgebildet ist. Dies gilt für die in 1 dargestellte Ausführungsform und auch für alle anderen nachstehend beschriebenen und/oder zeichnerisch dargestellten Ausführungsformen von elektrochemischen Einheiten 100.However, it can also be provided that the first electrode 110 is in the form of an anode and the second electrode 112 is in the form of a cathode 116 . This applies to the in 1 embodiment shown and also for all other embodiments of electrochemical units 100 described below and/or shown in the drawing.

Die Membran 114 dient einer Protonenleitung von der Anode 118 zu der Kathode 116.The membrane 114 serves to conduct protons from the anode 118 to the cathode 116.

Die Membran 114 kann mehrlagig aufgebaut sein.The membrane 114 can be constructed in multiple layers.

Vorzugsweise ist mindestens eine der Lagen der Membran 114 als eine Kompositschicht ausgebildet, welche vorzugsweise ein Ionomermaterial umfasst.Preferably, at least one of the layers of the membrane 114 is formed as a composite layer, which preferably includes an ionomer material.

Die elektrochemische Einheit 100 umfasst ferner eine erste Gasdiffusionslage 120, welche benachbart zu der ersten Elektrode 110 angeordnet ist, und eine zweite Gasdiffusionslage 122, welche benachbart zu der zweiten Elektrode 112 angeordnet ist.The electrochemical unit 100 further includes a first gas diffusion layer 120 disposed adjacent to the first electrode 110 and a second gas diffusion layer 122 disposed adjacent to the second electrode 112 .

Die Gasdiffusionslagen 120 und 122 dienen dem Transport von gasförmigen Medien (Oxidationsmittel auf der Kathodenseite; Brenngas auf der Anodenseite) zu der ersten Elektrode 110 bzw. zu der zweiten Elektrode 112.The gas diffusion layers 120 and 122 serve to transport gaseous media (oxidant on the cathode side; fuel gas on the anode side) to the first electrode 110 and to the second electrode 112.

Ferner weisen die Gasdiffusionslagen 120 und 122 eine elektrische Leitfähigkeit auf.Furthermore, the gas diffusion layers 120 and 122 have electrical conductivity.

Die erste Gasdiffusionslage 120 und/oder die zweite Gasdiffusionslage 122 können beispielsweise aus nicht gewebten Kohlenstofffasern gebildet sein (sogenannte Karbon-Papiere).The first gas diffusion layer 120 and/or the second gas diffusion layer 122 can be formed from non-woven carbon fibers (so-called carbon papers), for example.

Dabei können die Kohlenstofffasern durch eine Beschichtung mit Polytetrafluorethylen (PTFE) hydrophobisiert sein.The carbon fibers can be made hydrophobic by coating them with polytetrafluoroethylene (PTFE).

Die erste Gasdiffusionslage 120 und/oder die zweite Gasdiffusionslage 122 können jeweils eine mikroporöse Schicht (MPL) umfassen.The first gas diffusion layer 120 and/or the second gas diffusion layer 122 may each comprise a microporous layer (MPL).

Die mikroporöse Schicht ist vorzugsweise der elektrochemisch aktiven Einheit 108 zugewandt.The microporous layer preferably faces the electrochemically active unit 108 .

Ferner umfasst jede elektrochemische Einheit 100 eine Bipolarplatte 124, welche benachbart zu der ersten Gasdiffusionslage 120 der betreffenden elektrochemischen Einheit 100 angeordnet ist.Furthermore, each electrochemical unit 100 comprises a bipolar plate 124 which is arranged adjacent to the first gas diffusion layer 120 of the electrochemical unit 100 in question.

Benachbart zu der zweiten Gasdiffusionslage 122 der elektrochemischen Einheit 100 ist eine Bipolarplatte 124' einer der elektrochemischen Einheit 100 benachbarten weiteren elektrochemischen Einheit 100' der elektrochemischen Vorrichtung 106 angeordnet.A bipolar plate 124 ′ of a further electrochemical unit 100 ′ of the electrochemical device 106 adjacent to the electrochemical unit 100 is arranged adjacent to the second gas diffusion layer 122 of the electrochemical unit 100 .

Die Bipolarplatten 124, 124' trennen die Gasräume von längs der Stapelrichtung 104 aufeinanderfolgenden elektrochemischen Einheiten 100, 100' voneinander.The bipolar plates 124, 124' separate the gas spaces of electrochemical units 100, 100' that follow one another along the stacking direction 104.

Ferner dienen die Bipolarplatten 124, 124' dazu, in der Stapelrichtung 104 aufeinanderfolgende elektrochemischen Einheiten 100, 100' elektronenleitfähig miteinander zu verbinden und somit elektrisch in Reihe zu schalten.Furthermore, the bipolar plates 124, 124' serve to connect electrochemical units 100, 100' that follow one another in the stacking direction 104 in an electron-conductive manner and thus to connect them electrically in series.

Die Bipolarplatten 124, 124' sind vorzugsweise aus einem metallischen Material gebildet. Grundsätzlich kann aber auch vorgesehen sein, dass die Bipolarplatten 124, 124' aus einem Graphitmaterial gebildet sind.The bipolar plates 124, 124' are preferably formed from a metallic material. In principle, however, it can also be provided that the bipolar plates 124, 124' are formed from a graphite material.

Jede der Bipolarplatten 124, 124' kann mehrlagig, insbesondere zweilagig, ausgebildet sein.Each of the bipolar plates 124, 124' can be multi-layered, in particular two-layered.

In diesem Fall umschließt jede Bipolarplatte 124, 124' vorzugsweise einen inneren Hohlraum, der beispielsweise im Betriebszustand der elektrochemischen Vorrichtung 106 von einem Kühlmedium durchströmbar ist.In this case, each bipolar plate 124, 124′ preferably encloses an inner cavity through which a cooling medium can flow, for example in the operating state of the electrochemical device 106 .

Jede der Bipolarplatten 124, 124' weist auf jeder ihrer Seiten jeweils ein Gas-Strömungsfeld auf, nämlich ein einer Anode 118 einer elektrochemischen Einheit 100 zugewandtes anodenseitiges Strömungsfeld, welches im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 106 von einem Brenngas durchströmbar ist, und ein einer Kathode 116 einer elektrochemischen Einheit 100 zugewandtes kathodenseitiges Strömungsfeld, welches im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 106 von einem Oxidationsmittel durchströmbar ist.Each of the bipolar plates 124, 124' has a gas flow field on each of its sides, namely an anode-side flow field facing an anode 118 of an electrochemical unit 100, through which a fuel gas can flow during operation of the electrochemical device 106, and a cathode 116 an electrochemical unit 100 facing the cathode-side flow field, through which an oxidizing agent can flow during the operation of the electrochemical device 106 .

Um eine fluiddichte Abdichtung dieser Gas-Strömungsfelder gegenüber der Umgebung der elektrochemischen Einheit 100 und der elektrochemischen Vorrichtung 106, gegeneinander und/oder gegenüber (nicht dargestellten) Mediumkanälen, welche die elektrochemische Vorrichtung 106 parallel zu der Stapelrichtung 104 durchsetzen und der Zufuhr von Brenngas und Oxidationsmittel zu den elektrochemischen Einheiten 100 oder der Abfuhr von Reaktionsprodukten aus den elektrochemischen Einheiten 100 dienen, bereitzustellen, umfasst jede elektrochemische Einheit 100 ferner eine Dichtung 126, die mindestens ein Dichtungselement 128 umfasst.To ensure a fluid-tight seal of these gas flow fields from the environment of the electrochemical unit 100 and the electrochemical device 106, from one another and/or from medium channels (not shown), which pass through the electrochemical device 106 parallel to the stacking direction 104 and the supply of fuel gas and oxidizing agent serve to the electrochemical units 100 or the removal of reaction products from the electrochemical units 100, each electrochemical unit 100 further comprises a seal 126, which comprises at least one sealing element 128.

Das Dichtungselement 128 ist vorzugsweise aus einem Elastomermaterial gebildet.The sealing member 128 is preferably formed from an elastomeric material.

Das Dichtungselement 128 verläuft parallel zu einem äußeren Rand 130 der Membran 114, parallel zu einem äußeren Rand 132 der ersten Elektrode 110, parallel zu einem äußeren Rand 134 der zweiten Elektrode 112, parallel zu einem äußeren Rand 136 der ersten Gasdiffusionslage 120 und/oder parallel zu einem äußeren Rand 138 der zweiten Gasdiffusionslage 122 der elektrochemischen Einheit 100.The sealing element 128 runs parallel to an outer edge 130 of the membrane 114, parallel to an outer edge 132 of the first electrode 110, parallel to an outer edge 134 of the second electrode 112, parallel to an outer edge 136 of the first gas diffusion layer 120 and/or parallel to an outer edge 138 of the second gas diffusion layer 122 of the electrochemical unit 100.

Das Dichtungselement 128 läuft vorzugsweise längs des Umfangs der elektrochemischen Einheit 100 um und ist vorzugsweise ringförmig geschlossen.The sealing element 128 preferably runs along the circumference of the electrochemical unit 100 and is preferably closed in the form of a ring.

Wie aus 1 zu ersehen ist, ist das Dichtungselement 128 an die erste Gasdiffusionslage 120 angebunden.How out 1 As can be seen, the sealing member 128 is bonded to the first gas diffusion layer 120 .

Vorzugsweise ist das Dichtungselement 128 stoffschlüssig, beispielsweise durch Anspritzen, an die erste Gasdiffusionslage 120 angebunden.The sealing element 128 is preferably bonded to the first gas diffusion layer 120 in a cohesive manner, for example by injection molding.

Das Dichtungselement 128 umfasst vorzugsweise einen Anbindungsbereich 140, welcher sich in die erste Gasdiffusionslage 120 hinein erstreckt.The sealing element 128 preferably comprises a connection area 140 which extends into the first gas diffusion layer 120 .

Das poröse Material, aus welchem die erste Gasdiffusionslage 120 gebildet ist, wird in diesem Anbindungsbereich 140 von dem Dichtungsmaterial, aus welchem das Dichtungselement 128 gebildet ist, infiltriert.The porous material from which the first gas diffusion layer 120 is formed is infiltrated in this connection region 140 by the sealing material from which the sealing element 128 is formed.

Benachbart zu dem Anbindungsbereich 140 ist ein Elektroden-Abdichtbereich 142 des Dichtungselements 128 angeordnet, welcher im montierten Zustand der elektrochemischen Einheit 100 abdichtend an einer der Elektroden 110, 112 der elektrochemischen Einheit 100, vorzugsweise an der ersten Elektrode 110, abdichtend anliegt.Adjacent to the connection area 140 is an electrode sealing area 142 of the sealing element 128, which in the installed state of the electrochemical unit 100 rests sealingly on one of the electrodes 110, 112 of the electrochemical unit 100, preferably on the first electrode 110.

Der Elektroden-Abdichtbereich 142 kann grundsätzlich mit einer im Wesentlichen ebenen Dichtfläche an einer ebenfalls im Wesentlichen ebenen Dichtfläche 144 der betreffenden Elektrode 110 oder 112, also vorzugsweise der ersten Elektrode 110, abdichtend anliegen.In principle, the electrode sealing region 142 can bear in a sealing manner with an essentially flat sealing surface against a likewise essentially flat sealing surface 144 of the relevant electrode 110 or 112 , ie preferably the first electrode 110 .

Vorzugsweise ist jedoch vorgesehen, dass der Elektroden-Abdichtbereich 142 des Dichtungselements 128 eine, zwei oder mehr Dichtlippen 146 aufweist, mit denen der Elektroden-Abdichtbereich 142 im montierten Zustand der elektrochemischen Einheit 100 an der betreffenden Elektrode 110, 112 der elektrochemischen Einheit 100 abdichtend anliegt.However, it is preferably provided that the electrode sealing area 142 of the sealing element 128 has one, two or more sealing lips 146, with which the electrode sealing area 142 in the assembled state of the electrochemical unit 100 rests sealingly on the relevant electrode 110, 112 of the electrochemical unit 100 .

Das Dichtungselement 128 umfasst vorzugsweise ferner einen Bipolarplatten-Abdichtbereich 148, mit welchem das Dichtungselement 128 im montierten Zustand der elektrochemischen Einheit 100 an der Bipolarplatte 124 der elektrochemischen Einheit 100 abdichtend anliegt.The sealing element 128 preferably further comprises a bipolar plate sealing region 148 with which the sealing element 128 rests sealingly on the bipolar plate 124 of the electrochemical unit 100 when the electrochemical unit 100 is in the assembled state.

Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass der Bipolarplatten-Abdichtbereich 148 mit einer im Wesentlichen ebenen Dichtfläche an einer ebenfalls im Wesentlichen ebenen Dichtfläche 150 der Bipolarplatte 124 der elektrochemischen Einheit 100 anliegt.In principle, it can be provided that the bipolar plate sealing area 148 bears with a substantially flat sealing surface against a likewise substantially flat sealing surface 150 of the bipolar plate 124 of the electrochemical unit 100 .

Vorzugsweise weist der Bipolarplatten-Abdichtbereich 148 jedoch eine, zwei oder mehr Dichtlippen 152 auf, mit welchen der Bipolarplatten-Abdichtbereich 148 im montierten Zustand der elektrochemischen Einheit 100 abdichtend an der Bipolarplatte 124 der elektrochemischen Einheit 100 anliegt.However, the bipolar plate sealing area 148 preferably has one, two or more sealing lips 152 with which the bipolar plate sealing area 148 bears sealingly against the bipolar plate 124 of the electrochemical unit 100 when the electrochemical unit 100 is in the assembled state.

Ferner umfasst das Dichtungselement 128 einen im montierten Zustand der elektrochemischen Einheit 100 der Bipolarplatte 124 der elektrochemischen Einheit 100 abgewandten weiteren Bipolarplatten-Abdichtbereich 154, mit welchem das Dichtungselement 128 im montierten Zustand der elektrochemischen Einheit 100 an der Bipolarplatte 124' der der elektrochemischen Einheit 100 benachbarten weiteren elektrochemischen Einheit 100' der elektrochemischen Vorrichtung 106 abdichtend anliegt.Furthermore, the sealing element 128 comprises a further bipolar plate sealing region 154 which faces away from the bipolar plate 124 of the electrochemical unit 100 in the assembled state of the electrochemical unit 100 and with which the sealing element 128 in the assembled state of the electrochemical unit 100 on the bipolar plate 124' of the bipolar plate 124' adjacent to the electrochemical unit 100 further electrochemical unit 100 'of the electrochemical device 106 rests sealingly.

Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass der weitere Bipolarplatten-Abdichtbereich 154 des Dichtungselements 128 eine im Wesentlichen ebene Dichtfläche aufweist, mit welcher der weitere Bipolarplatten-Abdichtbereich 154 im montierten Zustand der elektrochemischen Einheit 100 an einer ebenfalls im Wesentlichen ebenen Dichtfläche 150' der Bipolarplatte 124' der benachbarten elektrochemischen Einheit 100' abdichtend anliegt.In principle, it can be provided that the additional bipolar plate sealing area 154 of the sealing element 128 has an essentially flat sealing surface, with which the additional bipolar plate sealing area 154 in the assembled state of the electrochemical unit 100 can be connected to an also essentially flat sealing surface 150 ′ of the bipolar plate 124 ′. the adjacent electrochemical unit 100' sealingly abuts.

Vorzugsweise weist der weitere Bipolarplatten-Abdichtbereich 154 jedoch eine, zwei oder mehr Dichtlippen 156 auf, mit welchen der weitere Bipolarplatten-Abdichtbereich 154 im montierten Zustand der elektrochemischen Einheit 100 abdichtend an der Bipolarplatte 124' der benachbarten elektrochemischen Einheit 100' anliegt.However, the additional bipolar plate sealing area 154 preferably has one, two or more sealing lips 156, with which the additional bipolar plate sealing area 154 rests sealingly on the bipolar plate 124′ of the adjacent electrochemical unit 100′ when the electrochemical unit 100 is in the assembled state.

Das Dichtungselement 128 der Dichtung 126 der elektrochemischen Einheit 100 wird vorzugsweise in einem Spritzgießvorgang an der ersten Gasdiffusionslage 120 gebildet.The sealing element 128 of the gasket 126 of the electrochemical assembly 100 is preferably formed on the first gas diffusion layer 120 in an injection molding process.

Hierfür wird die erste Gasdiffusionslage 120 in ein - vorzugsweise mehrteiliges - Spritzgießwerkzeug eingelegt und eine in dem Spritzgießwerkzeug verbleibende Kavität mit dem zunächst fließfähigen Dichtungsmaterial des Dichtungselements 128 befüllt, wobei dieses Dichtungsmaterial in den Bereich der ersten Gasdiffusionslage 120 eindringt, welcher später den Anbindungsbereich 140 des Dichtungselements 128 bildet.For this purpose, the first gas diffusion layer 120 is placed in a - preferably multi-part - injection mold and a cavity remaining in the injection mold is filled with the initially flowable sealing material of the sealing element 128, with this sealing material penetrating into the region of the first gas diffusion layer 120, which later forms the connection region 140 of the sealing element 128 forms.

Nach dem (zumindest teilweisen) Aushärten des Dichtungsmaterials des Dichtungselements 128 wird das Spritzgießwerkzeug geöffnet und die Einheit aus der ersten Gasdiffusionslage 120 und dem an dieselbe angespritzten Dichtungselement 128 entnommen.After the (at least partial) curing of the sealing material of the sealing element 128, the injection mold is opened and the unit is removed from the first gas diffusion layer 120 and the sealing element 128 molded onto the same.

Die erste Elektrode 110, die Membran 114, die zweite Elektrode 112 und die zweite Gasdiffusionslage 122 der elektrochemischen Einheit 100 bilden bei dieser Ausführungsform einen elektrochemisch aktiven Verbund 158, in dem die zweite Elektrode 112 als eine auf die zweite Gasdiffusionslage 122 applizierte Beschichtung, die Membran 114 als eine auf die zweite Elektrode 112 applizierte Beschichtung und die erste Elektrode 110 als eine auf die Membran 114 applizierte Beschichtung ausgebildet ist.In this embodiment, the first electrode 110, the membrane 114, the second electrode 112 and the second gas diffusion layer 122 of the electrochemical unit 100 form an electrochemically active composite 158 in which the second electrode 112 as a coating applied to the second gas diffusion layer 122, the membrane 114 as one coating applied to the second electrode 112 and the first electrode 110 as one coating applied to the membrane 114 is formed.

Eine solche elektrochemisch aktive Einheit 108, die durch einen oder mehrere Beschichtungsvorgänge direkt an einer Gasdiffusionslage gebildet ist, wird als eine „Direct MEA“ bezeichnet.Such an electrochemically active unit 108, which is formed directly on a gas diffusion layer by one or more coating processes, is referred to as a “direct MEA”.

Der elektrochemisch aktive Verbund 158 kann beispielsweise wie folgt hergestellt werden:

Ein Elektrodenmaterial wird auf die zweite Gasdiffusionslage 122 aufgebracht, beispielsweise mittels einer Sprühbeschichtung. Dabei bildet die zweite Gasdiffusionslage 122 ein Substrat für die zweite Elektrode 112.

The electrochemically active composite 158 can be produced, for example, as follows:

An electrode material is applied to the second gas diffusion layer 122, for example by means of a spray coating. The second gas diffusion layer 122 forms a substrate for the second electrode 112.

Zur Aufbringung des Elektrodenmaterials kann eine Applikationsvorrichtung über eine Oberfläche der zweiten Gasdiffusionslage 122 bewegt werden. Alternativ hierzu kann die Applikationsvorrichtung stationär angeordnet sein und die zweite Gasdiffusionslage 122 relativ zu der Applikationsvorrichtung bewegt werden.To apply the electrode material, an application device can be moved over a surface of the second gas diffusion layer 122 . As an alternative to this, the application device can be arranged in a stationary manner and the second gas diffusion layer 122 can be moved relative to the application device.

Nach Ausbildung der zweiten Elektrode 112 auf der zweiten Gasdiffusionslage 122 wird ein Membranmaterial mittels einer weiteren Applikationsvorrichtung auf einen Oberflächenbereich der zweiten Elektrode 112 aufgebracht, woraufhin sich an dieser Oberfläche die Membran 114 bildet.After the formation of the second electrode 112 on the second gas diffusion layer 122, a membrane material is applied to a surface area of the second electrode 112 by means of a further application device, whereupon the membrane 114 forms on this surface.

Das Membranmaterial kann beispielsweise mittels eines Sprühbeschichtungsverfahrens auf die zweite Elektrode 112 aufgebracht werden.The membrane material can be applied to the second electrode 112 by means of a spray coating method, for example.

Die Anordnung aus der zweiten Gasdiffusionslage 122 und der zweiten Elektrode 112 bildet hierbei ein Substrat für die Membran 114.The arrangement of the second gas diffusion layer 122 and the second electrode 112 forms a substrate for the membrane 114.

Das Membranmaterial kann beispielsweise in Form einer Nanostäbchen-Ionomer-Dispersion aufgebracht werden.The membrane material can be applied, for example, in the form of a nanorod ionomer dispersion.

Eine solche Nanostäbchen-Ionomer-Dispersion wird beispielsweise durch Dispergieren von Nanostäbchen in einem flüssigen Medium, welches eine Ionomer-Komponente und ein Dispersionsmittel umfasst, hergestellt.Such a nanorod-ionomer dispersion is made, for example, by dispersing nanorods in a liquid medium comprising an ionomer component and a dispersant.

Die Nanostäbchen werden beispielsweise durch Zerkleinern eines Nanofasermaterials bereitgestellt.The nanorods are provided, for example, by crushing a nanofiber material.

Das Nanofasermaterial kann beispielsweise mittels eines Elektrospinning-Verfahrens bereitsgestellt werden. Elektrospinning-Verfahren für Nanofasern aus Polymermaterialien sind beispielsweise in dem Artikel von H. Fong et al.: „Beaded nanofibers formed during electrospinning“, erschienen in: Polymer, Vol. 40 (1999), Seiten 4585 bis 4592, beschrieben.The nanofiber material can be provided by means of an electrospinning process, for example. Electrospinning processes for nanofibers made from polymer materials are described, for example, in the article by H. Fong et al.: "Beaded nanofibers formed during electrospinning", published in: Polymer, Vol. 40 (1999), pages 4585 to 4592.

Ein geeignetes Nanofasermaterial umfasst beispielsweise eines oder mehrere der folgenden Materialien:

ein Oxid, vorzugsweise Zeroxid und/oder ein Übergangsmetalloxid,
insbesondere Titandioxid und/oder Manganoxid; und/oder ein Polymermaterial, insbesondere ein hydrophobes Polymer, beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polybenzimidazol (PBI), ein Polyolefin, beispielsweise Polyethylen (PE) und/oder Polypropylen (PP), und/oder Polyetheretherketon (PEEK), oder ein hydrophiles Polymer, beispielsweise Polyvinylpyrrolidon (PVP).

A suitable nanofiber material includes, for example, one or more of the following materials:

an oxide, preferably cerium oxide and/or a transition metal oxide,
in particular titanium dioxide and/or manganese oxide; and/or a polymer material, in particular a hydrophobic polymer, for example polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polybenzimidazole (PBI), a polyolefin, for example polyethylene (PE) and/or polypropylene (PP), and/or polyetheretherketone (PEEK) , or a hydrophilic polymer such as polyvinylpyrrolidone (PVP).

Unter Nanostäbchen werden in der vorliegenden Beschreibung Strukturen verstanden, deren Erstreckung in einer Vorzugsrichtung um einen Faktor 100 oder mehr größer ist als deren Erstreckung in den anderen Raumrichtungen, welche senkrecht zu der Vorzugsrichtung ausgerichtet sind, wobei die Erstreckungen in diesen anderen Raumrichtungen maximal 3000 nm oder weniger betragen. Der Begriff Nanostäbchen umfasst auch sogenannte Nanodrähte (Nanowires) und sogenannte Nanowhiskers.In the present description, nanorods are structures whose extension in a preferred direction is greater by a factor of 100 or more than their extension in the other spatial directions, which are aligned perpendicular to the preferred direction, the extensions in these other spatial directions being a maximum of 3000 nm or be less. The term nanorods also includes so-called nanowires (nanowires) and so-called nanowhiskers.

Das Nanofasermaterial wird beispielsweise als Faserkörper bereitgestellt, vorzugsweise als Wirrgelege, als Vlies und/oder als Fasermatte.The nanofiber material is provided, for example, as a fiber body, preferably as a tangled fabric, as a fleece and/or as a fiber mat.

Die Ionomer-Komponente des flüssigen Mediums, in welchem die Nanostäbchen dispergiert werden, umfasst vorzugsweise mindestens ein Polymer, welches eine oder mehrere Sulfonat-Funktionalitäten aufweist. Ein typisches Beispiel für solche Ionomer-Komponenten stellt das unter der Marke Nafion^® erhältliche perfluorierte Copolymer dar.The ionomer component of the liquid medium in which the nanorods are dispersed preferably comprises at least one polymer having one or more sulfonate functionalities. A typical example of such ionomer components is the perfluorinated copolymer available under the trademark ^Nafion® .

Das flüssige Medium kann als Dispersionsmittel beispielsweise einen Alkohol, ein Alkoholgemisch oder eine Alkohol-Wasser-Mischung enthalten, beispielsweise Methanol, Ethanol, 2-Propanol oder 1-Butanol, Gemische aus diesen Alkoholen oder Gemische dieser Alkohole mit Wasser.The liquid medium can contain, for example, an alcohol, an alcohol mixture or an alcohol-water mixture as a dispersant, for example methanol, ethanol, 2-propanol or 1-butanol, mixtures of these alcohols or mixtures of these alcohols with water.

Zur Bildung der Membran 114 wird die Kompositschicht, welche während und/oder nach dem Aufbringen der Nanostäbchen-Ionomer-Dispersion gebildet wird, vernetzt. Bei der Vernetzung findet eine chemische Reaktion von Molekülen eines Polymers eines Nanostäbchens mit Molekülen eines Polymers eines weiteren Nanostäbchens statt, wobei die Nanostäbchen für eine Vernetzung eine räumliche Kontaktstelle aufweisen müssen.To form membrane 114, the composite layer formed during and/or after application of the nanorod ionomer dispersion is crosslinked. During crosslinking, a chemical reaction of molecules of a polymer of a nanorod with molecules of a polymer of another nanorod takes place, with the nanorods having to have a spatial contact point for crosslinking.

Ergänzend oder alternativ hierzu findet eine chemische Reaktion von Molekülen eines Polymers der Ionomer-Komponente mit anderen Molekülen eines Polymers der Ionomer-Komponente und/oder eine chemische Reaktion mit Molekülen eines Polymers der Nanostäbchen statt.In addition or as an alternative to this, a chemical reaction of molecules of a polymer of the ionomer component with other molecules of a polymer of the ionomer component and/or a chemical reaction with molecules of a polymer of the nanorods takes place.

Die chemische Vernetzungsreaktion wird durch eine Wärmebehandlung und/oder eine Behandlung mit elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise mit Strahlung im ultravioletten Bereich, gestartet.The chemical crosslinking reaction is started by a heat treatment and/or a treatment with electromagnetic radiation, for example with radiation in the ultraviolet range.

Für die Ausbildung der Vernetzung können Vernetzungsmittel, welche mit einem Material der Nanostäbchen reagieren können, vor der Herstellung des Nanofasermaterials und/oder nach Ausbildung der Kompositschicht, beispielsweise durch Eintauchen der Kompositschicht in eine Vernetzungsmittel-Lösung, zur Reaktion bereitgestellt werden. Als Vernetzungsmittel für eine Vernetzung von Nanostäbchen, welche PVDF umfassen, eigenen sich beispielsweise Di-, Tri- oder Polyamine, insbesondere primäre Diamine.To form the crosslinking, crosslinking agents that can react with a material of the nanorods can be provided for the reaction before the production of the nanofiber material and/or after the formation of the composite layer, for example by immersing the composite layer in a crosslinking agent solution. Suitable crosslinking agents for crosslinking nanorods which comprise PVDF are, for example, di-, tri- or polyamines, in particular primary diamines.

Für eine Vernetzung von Nanostäbchen, welche PBI umfassen, eignen sich beispielsweise ein Dialdehyd, insbesondere Glutaraldehyd, oder eine Dibromverbindung, insbesondere (α, α')-Dibrom-para-Xylol, oder eine Diiodverbindung, insbesondere Diiodoktan, beispielsweise 1,8-Diiodoktan, als Vernetzungsmittel.A dialdehyde, in particular glutaraldehyde, or a dibromo compound, in particular (α,α′)-dibromo-para-xylene, or a diiodo compound, in particular diiodoctane, for example 1,8-diiodoctane, are suitable for crosslinking nanorods which comprise PBI , as a crosslinking agent.

Nach Ausbildung und Vernetzung der Kompositschicht, welche zur Bildung der Membran 114 führt, wird mittels einer Applikationsvorrichtung, die relativ zu einer Oberfläche der Membran 114 bewegt wird, die erste Elektrode 110 auf die Membran 114 aufgebracht.After the formation and crosslinking of the composite layer, which leads to the formation of the membrane 114, the first electrode 110 is applied to the membrane 114 by means of an application device that is moved relative to a surface of the membrane 114.

Damit ist die Herstellung des elektrochemisch aktiven Verbundes 158, welcher die zweite Gasdiffusionslage 122, die zweite Elektrode 112, die Membran 114 und die erste Elektrode 110 umfasst, abgeschlossen.This completes the production of the electrochemically active composite 158, which comprises the second gas diffusion layer 122, the second electrode 112, the membrane 114 and the first electrode 110.

Ein Beispiel für die Herstellung eines solchen elektrochemisch aktiven Verbundes 158 ist im Abschnitt 2.1 des Artikels von M. Breitwieser et al.: „A fully spray-coated fuel cell membrane electrode assembly using Aquivion ionomer with a graphene oxide/cerium oxide interlayer“, Journal of Power Sources 351 (2017), Seiten 145 bis 150, detailliert beschrieben.An example of the production of such an electrochemically active composite 158 is given in Section 2.1 of the article by M. Breitwieser et al.: "A fully spray-coated fuel cell membrane electrode assembly using Aquivion ionomer with a graphene oxide/cerium oxide interlayer", Journal of Power Sources 351 (2017), pages 145 to 150.

Bei der Assemblierung der elektrochemischen Vorrichtung 106 werden für jede elektrochemische Einheit 100 ein elektrochemisch aktiver Verbund 158, eine Einheit aus erster Gasdiffusionslage 120 und Dichtungselement 128 sowie eine Bipolarplatte 124 so relativ zueinander angeordnet, wie dies aus 1 zu ersehen ist, und diese Abfolge von Elementen wird für die weiteren elektrochemischen Einheiten 100' wiederholt, bis ein Stapel aus der gewünschten Anzahl von elektrochemischen Einheiten gebildet ist.When assembling the electrochemical device 106, for each electrochemical unit 100, an electrochemically active composite 158, a first gas diffusion layer 120 and sealing member 128 unit, and a bipolar plate 124 are positioned relative to each other as shown 1 can be seen, and this sequence of elements is repeated for the further electrochemical units 100' until a stack of the desired number of electrochemical units is formed.

Eine in 2 ausschnittsweise dargestellte zweite Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit 100 für eine elektrochemische Vorrichtung 106 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass der Bipolarplatten-Abdichtbereich 148 des Dichtungselements 128 keine Dichtlippen 152 aufweist, sondern als eine Flachdichtung oder eine Streifendichtung ausgebildet ist.one inside 2 The second embodiment of an electrochemical unit 100 for an electrochemical device 106, which is shown in part, differs from that in 1 illustrated first embodiment characterized in that the bipolar plate sealing area 148 of the sealing element 128 has no sealing lips 152, but is designed as a flat seal or a strip seal.

Der Bipolarplatten-Abdichtbereich 148 liegt bei dieser Ausführungsform mit einer im Wesentlichen ebenen Dichtfläche 160 abdichtend an der ebenfalls im Wesentlichen ebenen Dichtfläche 150 der Bipolarplatte 124 der elektrochemischen Einheit 100 an.In this embodiment, the bipolar plate sealing area 148 rests with a substantially flat sealing surface 160 in a sealing manner against the likewise substantially flat sealing surface 150 of the bipolar plate 124 of the electrochemical unit 100 .

Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass der weitere Bipolarplatten-Abdichtbereich 154 des Dichtungselements 128 keine Dichtlippen 156 aufweist, sondern als eine Flachdichtung oder eine Streifendichtung ausgebildet ist.As an alternative or in addition to this, it can be provided that the further bipolar plate sealing area 154 of the sealing element 128 does not have any sealing lips 156, but is designed as a flat seal or a strip seal.

In diesem Fall liegt der weitere Bipolarplatten-Abdichtbereich 154 im montierten Zustand der elektrochemischen Einheit 100 mit einer im Wesentlichen ebenen Dichtfläche an der ebenfalls im Wesentlichen ebenen Dichtfläche 150' der Bipolarplatte 124' der der elektrochemischen Einheit 100 benachbarten weiteren elektrochemischen Einheit 100' abdichtend an.In this case, when the electrochemical unit 100 is in the assembled state, the further bipolar plate sealing area 154 lies sealingly with a substantially flat sealing surface against the likewise substantially flat sealing surface 150 ′ of the bipolar plate 124 ′ of the further electrochemical unit 100 ′ adjacent to the electrochemical unit 100 .

Alternativ oder ergänzend hierzu kann auch vorgesehen sein, dass der Elektroden-Abdichtbereich 142 des Dichtungselements 128 bei dieser Ausführungsform keine Dichtlippen 146 aufweist, sondern als eine Flachdichtung oder eine Streifendichtung ausgebildet ist.As an alternative or in addition to this, it can also be provided that the electrode sealing area 142 of the sealing element 128 does not have any sealing lips 146 in this embodiment, but is designed as a flat seal or a strip seal.

In diesem Fall liegt der Elektroden-Abdichtbereich 142 im montierten Zustand der elektrochemischen Einheit 100 mit einer im Wesentlichen ebenen Dichtfläche an einer ebenfalls im Wesentlichen ebenen Dichtfläche der ersten Elektrode 110 der elektrochemischen Einheit 100 an.In this case, when the electrochemical unit 100 is in the assembled state, the electrode sealing region 142 rests with an essentially flat sealing surface on a likewise essentially flat sealing surface of the first electrode 110 of the electrochemical unit 100 .

Im Übrigen stimmt die in 2 dargestellte zweite Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit 100 für eine elektrochemische Vorrichtung 106 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.Incidentally, the in 2 illustrated second embodiment of an electrochemical unit 100 for an electrochemical device 106 in terms of structure, function and manufacturing method with the in 1 illustrated first embodiment match, to the above description reference is made to that extent.

Eine in 3 ausschnittsweise dargestellte dritte Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit 100 für eine elektrochemische Vorrichtung 106 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass ein äußerer Rand eines der Elemente der elektrochemisch aktiven Einheit 108 gegenüber einem äußeren Rand 138 der zweiten Gasdiffusionslage 122 oder gegenüber dem äußeren Rand eines anderen Elements der elektrochemisch aktiven Einheit 108 zumindest abschnittsweise nach innen, das heißt zu dem Zentrum der elektrochemisch aktiven Einheit 108 hin, versetzt ist.one inside 3 A third specific embodiment of an electrochemical unit 100 for an electrochemical device 106, which is shown in part, differs from that in 1 illustrated first embodiment in that an outer edge of one of the elements of electrochemically active unit 108 faces inwards at least in sections, i.e. towards the center of the electrochemically active unit 108 out, is offset.

Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass ein äußerer Rand 132 der ersten Elektrode 110 gegenüber einem äußeren Rand 130 der Membran 114, gegenüber einem äußeren Rand 134 der zweiten Elektrode 112 und/oder gegenüber einem äußeren Rand 138 der zweiten Gasdiffusionslage 122 nach innen, das heißt zum Zentrum der elektrochemisch aktiven Einheit 108 hin, versetzt ist.For example, it can be provided that an outer edge 132 of the first electrode 110 faces inwards opposite an outer edge 130 of the membrane 114, opposite an outer edge 134 of the second electrode 112 and/or opposite an outer edge 138 of the second gas diffusion layer 122, i.e. to the Center of the electrochemically active unit 108 out, is offset.

Der äußere Rand 132 der ersten Elektrode 110 kann beispielsweise im Wesentlichen bündig mit dem äußeren Rand 136 der ersten Gasdiffusionslage 120 der elektrochemischen Einheit 100 ausgebildet und angeordnet sein.The outer edge 132 of the first electrode 110 can, for example, be formed and arranged essentially flush with the outer edge 136 of the first gas diffusion layer 120 of the electrochemical unit 100 .

In diesem Fall umfasst das Dichtungselement 128 statt eines Elektroden-Abdichtbereichs 142 einen Membran-Abdichtbereich 160, welcher im montierten Zustand der elektrochemischen Einheit 100 an der Membran 114 der elektrochemischen Einheit 100 abdichtend anliegt.In this case, the sealing element 128 comprises, instead of an electrode sealing area 142, a membrane sealing area 160, which in the installed state of the electrochemical unit 100 bears against the membrane 114 of the electrochemical unit 100 in a sealing manner.

Dabei kann vorgesehen sein, dass der Membran-Abdichtbereich 160 als eine Flachdichtung oder eine Streifendichtung ausgebildet ist, welche mit einer im Wesentlichen ebenen Dichtfläche an einer ebenfalls im Wesentlichen ebenen Dichtfläche 164 der Membran 114 der elektrochemischen Einheit 100 abdichtend anliegt.It can be provided that the membrane sealing area 160 is designed as a flat seal or a strip seal, which bears sealingly with a substantially flat sealing surface against a likewise substantially flat sealing surface 164 of the membrane 114 of the electrochemical unit 100 .

Vorzugsweise weist der Membran-Abdichtbereich 160 aber, wie in 3 dargestellt, eine, zwei oder mehr Dichtlippen 162 auf, mit welchen der Membran-Abdichtbereich 160 im montierten Zustand der elektrochemischen Einheit 100 abdichtend an der im Wesentlichen ebenen Dichtfläche 164 der Membran 114 anliegt.However, the membrane sealing area 160 preferably has, as in 3 shown, one, two or more sealing lips 162, with which the membrane sealing area 160 in the assembled state of the electrochemical unit 100 rests sealingly on the essentially planar sealing surface 164 of the membrane 114.

Im Übrigen stimmt die in 3 dargestellte dritte Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit 100 für eine elektrochemische Vorrichtung 106 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.Incidentally, the in 3 illustrated third embodiment of an electrochemical unit 100 for an electrochemical device 106 in terms of structure, function and manufacturing method with the in 1 illustrated first embodiment match, to the above description reference is made to that extent.

Eine in 4 ausschnittsweise dargestellte vierte Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit 100 für eine elektrochemische Vorrichtung 106 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass der Elektroden-Abdichtbereich 142 des Dichtungselements 128 nicht über eine oder mehrere Dichtlippen 146 an der ersten Elektrode 110 anliegt, sondern mittels einer Klebstoffschicht mit der ersten Elektrode 110 verklebt ist.one inside 4 The fourth specific embodiment of an electrochemical unit 100 for an electrochemical device 106, which is shown in part, differs from that in 1 illustrated first embodiment in that the electrode sealing region 142 of the sealing element 128 does not rest on the first electrode 110 via one or more sealing lips 146, but is bonded to the first electrode 110 by means of an adhesive layer.

Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass der Bipolarplatten-Abdichtbereich 148 des Dichtungselements 128 nicht über eine oder mehrere Dichtlippen 152 an der Bipolarplatte 124 der elektrochemischen Einheit 100 anliegt, sondern mittels einer (nicht dargestellten) Klebstoffschicht mit der Bipolarplatte 124 verklebt ist.Alternatively or additionally, it can be provided that the bipolar plate sealing area 148 of the sealing element 128 does not rest on the bipolar plate 124 of the electrochemical unit 100 via one or more sealing lips 152, but is bonded to the bipolar plate 124 by means of an adhesive layer (not shown).

Ferner kann alternativ oder ergänzend hierzu vorgesehen sein, dass der weitere Bipolarplatten-Abdichtbereich 154 des Dichtungselements 128 nicht über eine oder mehrere Dichtlippen 156 abdichtend an der Bipolarplatte 124' der der elektrochemischen Einheit 100 benachbarten weiteren elektrochemischen Einheit 100' anliegt, sondern mittels einer (nicht dargestellten) Klebstoffschicht 166 mit der Bipolarplatte 124' der der elektrochemischen Einheit 100 benachbarten weiteren elektrochemischen Einheit 100' verklebt ist.Furthermore, as an alternative or in addition to this, it can be provided that the further bipolar plate sealing region 154 of the sealing element 128 does not rest against the bipolar plate 124' of the further electrochemical unit 100' adjacent to the electrochemical unit 100 in a sealing manner via one or more sealing lips 156, but rather by means of a (not shown) adhesive layer 166 with the bipolar plate 124 'of the electrochemical unit 100 adjacent further electrochemical unit 100' is glued.

Im Übrigen stimmt die in 4 dargestellte vierte Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit 100 für eine elektrochemische Vorrichtung 106 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.Incidentally, the in 4 illustrated fourth embodiment of an electrochemical unit 100 for an electrochemical device 106 in terms of structure, function and manufacturing method with the in 1 illustrated first embodiment match, to the above description reference is made to that extent.

Eine in 5 ausschnittsweise dargestellte fünfte Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit 100 für eine elektrochemische Vorrichtung 106 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten Ausführungsform dadurch, dass das Dichtungselement 128 der Dichtung 126 der elektrochemischen Einheit 100 nicht nur an die erste Gasdiffusionslage 120, sondern auch an die Bipolarplatte 124 der elektrochemischen Einheit 100 angebunden ist.one inside 5 The fifth specific embodiment of an electrochemical unit 100 for an electrochemical device 106, which is shown in part, differs from that in 1 illustrated embodiment in that the sealing element 128 of the seal 126 of the electrochemical unit 100 is connected not only to the first gas diffusion layer 120 but also to the bipolar plate 124 of the electrochemical unit 100 .

Vorzugsweise ist dabei das Dichtungselement 128 stoffschlüssig mit der Bipolarplatte 124 verbunden.The sealing element 128 is preferably bonded to the bipolar plate 124 in this case.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Dichtungselement 128 an die Bipolarplatte 124 der elektrochemischen Einheit 100 angespritzt ist.In particular, it can be provided that the sealing element 128 is injection molded onto the bipolar plate 124 of the electrochemical unit 100 .

In diesem Fall bilden die erste Gasdiffusionslage 120, das Dichtungselement 128 und die Bipolarplatte 124 der elektrochemischen Einheit 100 eine gemeinsam handhabbare Baugruppe, die beim Assemblieren der elektrochemischen Vorrichtung 106 mit jeweils einem elektrochemisch aktiven Verbund 158 in Kontakt gebracht wird, um jeweils eine der elektrochemischen Einheiten 100 der elektrochemischen Vorrichtung 106 zu bilden.In this case, the first gas diffusion layer 120, the sealing element 128 and the bipolar plate 124 of the electrochemical unit 100 form one jointly manageable subassembly which is brought into contact with an electrochemically active compound 158 when assembling the electrochemical device 106 in order to form one of the electrochemical units 100 of the electrochemical device 106 in each case.

Die Baugruppe aus der ersten Gasdiffusionslage 120, dem Dichtungselement 128 und der Bipolarplatte 124 kann beispielsweise durch einen Spritzgießvorgang in einem Spritzgießwerkzeug hergestellt werden, wobei die erste Gasdiffusionslage 120 und die Bipolarplatte 124 in eine Kavität des Spritzgießwerkzeugs eingelegt werden und das zunächst fließfähige Dichtungsmaterial, aus welchem das Dichtungselement 128 gebildet wird, in die Kavität des Spritzgießwerkzeugs eingespritzt wird.The assembly of the first gas diffusion layer 120, the sealing element 128 and the bipolar plate 124 can be produced, for example, by an injection molding process in an injection mold, with the first gas diffusion layer 120 and the bipolar plate 124 being placed in a cavity of the injection mold and the initially flowable sealing material from which the sealing element 128 is formed, is injected into the cavity of the injection mold.

Im Übrigen stimmt die in 5 dargestellte fünfte Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit 100 für eine elektrochemische Vorrichtung 106 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.Incidentally, the in 5 illustrated fifth embodiment of an electrochemical unit 100 for an electrochemical device 106 in terms of structure, function and manufacturing method with the in 1 illustrated first embodiment match, to the above description reference is made to that extent.

Eine in 6 ausschnittsweise dargestellte sechste Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit 100 für eine elektrochemische Vorrichtung 106 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass das Dichtungselement 128 nicht nur an die erste Gasdiffusionslage 120, sondern auch an die zweite Gasdiffusionslage 122 angebunden ist. Dies wird beispielsweise dadurch bewerkstelligt, dass die erste Gasdiffusionslage 120 vor dem Erzeugen des Dichtungselements 128 auf den elektrochemisch aktiven Verbund 158 laminiert wird oder vor dem Trocknen oder Aushärten der ersten Elektrode 110 „nass in nass“ auf die erste Elektrode 110 aufgelegt wird.one inside 6 A sixth specific embodiment of an electrochemical unit 100 for an electrochemical device 106, which is shown in part, differs from that in 1 illustrated first embodiment in that the sealing element 128 is connected not only to the first gas diffusion layer 120 but also to the second gas diffusion layer 122 . This is accomplished, for example, in that the first gas diffusion layer 120 is laminated onto the electrochemically active composite 158 before the sealing element 128 is produced, or is placed “wet on wet” onto the first electrode 110 before the first electrode 110 is dried or cured.

Auf diese Weise wird auch die erste Gasdiffusionslage 120 in den elektrochemisch aktiven Verbund 158 integriert, welcher die zweite Gasdiffusionslage 122, die zweite Elektrode 112, die Membran 114 und die erste Elektrode 110 umfasst.In this way, the first gas diffusion layer 120 is also integrated into the electrochemically active composite 158 , which comprises the second gas diffusion layer 122 , the second electrode 112 , the membrane 114 and the first electrode 110 .

Nach der Integration der ersten Gasdiffusionslage 120 in den elektrochemisch aktiven Verbund 158 wird das Dichtungselement 128 an den elektrochemisch aktiven Verbund 158 angebunden, vorzugsweise stoffschlüssig.After the integration of the first gas diffusion layer 120 into the electrochemically active composite 158, the sealing element 128 is connected to the electrochemically active composite 158, preferably with a material bond.

Die Anbindung des Dichtungselements 128 an den elektrochemisch aktiven Verbund 158 kann insbesondere durch Anspritzen des Dichtungselements 128 an die erste Gasdiffusionslage 120, die zweite Gasdiffusionslage 122 und vorzugsweise auch an die erste Elektrode 110, die zweite Elektrode 112 und die Membran 114, erfolgen.The sealing element 128 can be connected to the electrochemically active composite 158, in particular by molding the sealing element 128 onto the first gas diffusion layer 120, the second gas diffusion layer 122 and preferably also onto the first electrode 110, the second electrode 112 and the membrane 114.

Dieses Anspritzen kann beispielsweise durch einen Spritzgießvorgang in einer Kavität eines Spritzgießwerkzeugs erfolgen, in welche der um die erste Gasdiffusionslage 120 erweiterte elektrochemisch aktive Verbund 158 eingelegt wird, worauf dann der im Spritzgießwerkzeug verbleibende Hohlraum mit dem zunächst fließfähigen Dichtungsmaterial, aus welchem das Dichtungselement 128 gebildet wird, befüllt wird.This injection molding can be carried out, for example, by an injection molding process in a cavity of an injection mold, into which the electrochemically active composite 158 expanded by the first gas diffusion layer 120 is placed, whereupon the cavity remaining in the injection mold is filled with the initially flowable sealing material from which the sealing element 128 is formed , is filled.

Der Anbindungsbereich 140 des Dichtungselements 128 erstreckt sich bei dieser Ausführungsform nicht nur in die erste Gasdiffusionslage 120, sondern auch in die zweite Gasdiffusionslage 122 und optional auch in die erste Elektrode 110, die zweite Elektrode 112 und/oder die Membran 114 hinein.In this embodiment, the connection region 140 of the sealing element 128 extends not only into the first gas diffusion layer 120, but also into the second gas diffusion layer 122 and optionally also into the first electrode 110, the second electrode 112 and/or the membrane 114.

Das Material der ersten Gasdiffusionslage 120, das Material der zweiten Gasdiffusionslage 122 und optional auch das Material der ersten Elektrode 110, das Material der zweiten Elektrode 112 und/oder das Material der Membran 114 werden somit mit dem Dichtungsmaterial, aus welchem das Dichtungselement 128 gebildet wird, infiltriert.The material of the first gas diffusion layer 120, the material of the second gas diffusion layer 122 and optionally also the material of the first electrode 110, the material of the second electrode 112 and/or the material of the membrane 114 are thus combined with the sealing material from which the sealing element 128 is formed , infiltrated.

Bei dieser Ausführungsform ist vorzugsweise der äußere Rand 136 der ersten Gasdiffusionslage 120 nicht gegenüber dem äußeren Rand 138 der zweiten Gasdiffusionslage 122, gegenüber dem äußeren Rand 130 der Membran 114, gegenüber dem äußeren Rand 132 der ersten Elektrode 110 und/oder gegenüber dem äußeren Rand 134 der zweiten Elektrode 112 nach innen, das heißt zum Zentrum der elektrochemisch aktiven Einheit 108 hin, versetzt.In this embodiment, the outer edge 136 of the first gas diffusion layer 120 is preferably not opposite the outer edge 138 of the second gas diffusion layer 122, opposite the outer edge 130 of the membrane 114, opposite the outer edge 132 of the first electrode 110 and/or opposite the outer edge 134 of the second electrode 112 inwards, that is to say towards the center of the electrochemically active unit 108 .

Vielmehr ist der äußere Rand 136 der ersten Gasdiffusionslage 120 vorzugsweise bündig mit dem äußeren Rand 138 der zweiten Gasdiffusionslage 122, mit dem äußeren Rand 130 der Membran 114, mit dem äußeren Rand 132 der ersten Elektrode 110 und/oder mit dem äußeren Rand 134 der zweiten Elektrode 112 ausgebildet und angeordnet.Rather, the outer edge 136 of the first gas diffusion layer 120 is preferably flush with the outer edge 138 of the second gas diffusion layer 122, with the outer edge 130 of the membrane 114, with the outer edge 132 of the first electrode 110 and/or with the outer edge 134 of the second Electrode 112 formed and arranged.

Im Übrigen stimmt die in 6 dargestellte sechste Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit 100 für eine elektrochemische Vorrichtung 106 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.Incidentally, the in 6 illustrated sixth embodiment of an electrochemical unit 100 for an electrochemical device 106 in terms of structure, function and manufacturing method with the in 1 illustrated first embodiment match, to the above description reference is made to that extent.

Eine in 7 ausschnittsweise dargestellte siebte Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit 100 für eine elektrochemische Vorrichtung 106 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass das Dichtungselement 128 nicht unmittelbar mit dem elektrochemisch aktiven Verbund 158 in Kontakt steht.one inside 7 The seventh embodiment of an electrochemical unit 100 for an electrochemical device 106, which is shown in part, differs from that in 1 illustrated first embodiment in that the sealing element 128 is not directly in contact with the electrochemically active composite 158.

Bei dieser Ausführungsform umfasst die elektrochemische Einheit 100 eine Randverstärkungsanordnung oder Subgasket 168, das an den elektrochemisch aktiven Verbund 158, beispielsweise an die erste Elektrode 110, an die Membran 114 und/oder an die zweite Elektrode 112, angebunden ist.In this embodiment, the electrochemical assembly 100 includes a rim reinforcement assembly or subgasket 168 bonded to the electrochemically active composite 158, such as the first electrode 110, the membrane 114, and/or the second electrode 112.

Vorzugsweise ist das Subgasket 168 stoffschlüssig an den elektrochemisch aktiven Verbund 158 angebunden.The subgasket 168 is preferably bonded to the electrochemically active composite 158 in a materially bonded manner.

Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das Subgasket 168 durch Verklebung und/oder durch Heißverpressen an den elektrochemisch aktiven Verbund 158, vorzugsweise an die erste Elektrode 110, an die Membran 114 oder an die zweite Elektrode 112, angebunden ist.For example, it can be provided that the subgasket 168 is connected to the electrochemically active composite 158, preferably to the first electrode 110, to the membrane 114 or to the second electrode 112, by gluing and/or by hot pressing.

Das Dichtungselement 128 umfasst bei dieser Ausführungsform einen Subgasket-Abdichtbereich 170, der einwärts von dem weiteren Bipolarplatten-Abdichtbereich 154 des Dichtungselements 128 angeordnet ist.In this embodiment, the sealing element 128 comprises a subgasket sealing region 170 which is arranged inwardly of the further bipolar plate sealing region 154 of the sealing element 128 .

Das Subgasket 168 umfasst einen ersten Bereich 172a, welcher an dem elektrochemisch aktiven Verbund 158 der elektrochemischen Einheit 100, beispielsweise an der ersten Elektrode 110, an der Membran 114 oder an der zweiten Elektrode 112, festgelegt ist.The subgasket 168 includes a first region 172a, which is fixed to the electrochemically active composite 158 of the electrochemical unit 100, for example to the first electrode 110, to the membrane 114 or to the second electrode 112.

Das Dichtungselement 128 liegt mit dem Subgasket-Abdichtbereich 170 im montierten Zustand der elektrochemischen Einheit 100 abdichtend an einem zweiten Bereich 172b des Subgaskets 168 an, welcher seinerseits abdichtend an der Bipolarplatte 124' der der elektrochemischen Einheit 100 benachbarten weiteren elektrochemischen Einheit 100' abdichtend anliegt.When the electrochemical unit 100 is in the assembled state, the sealing element 128 with the subgasket sealing area 170 bears in a sealing manner against a second area 172b of the subgasket 168, which in turn bears in a sealing manner on the bipolar plate 124′ of the further electrochemical unit 100′ adjacent to the electrochemical unit 100.

In dem zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der Subgasket-Abdichtbereich 170 eine, zwei oder mehr Dichtlippen 178 aufweist, mit welchen der Subgasket-Abdichtbereich 170 abdichtend an dem zweiten Bereich 172b des Subgaskets 168 anliegt.In the exemplary embodiment shown in the drawing, it is provided that the subgasket sealing area 170 has one, two or more sealing lips 178 with which the subgasket sealing area 170 bears sealingly against the second area 172b of the subgasket 168 .

Alternativ hierzu könnte auch vorgesehen sein, dass der Subgasket-Abdichtbereich 170 des Dichtungselements 128 als eine Flachdichtung oder eine Streifendichtung ausgebildet ist, welche mit einer im Wesentlichen ebenen Dichtfläche an der ebenfalls im Wesentlichen ebenen Dichtfläche 180 des zweiten Bereichs 172b des Subgaskets 168 abdichtend anliegt.As an alternative to this, it could also be provided that the subgasket sealing area 170 of the sealing element 128 is designed as a flat seal or a strip seal, which with an essentially flat sealing surface rests sealingly on the likewise essentially flat sealing surface 180 of the second region 172b of the subgasket 168.

Die erste Gasdiffusionslage 120 kann im montierten Zustand der elektrochemischen Einheit 100 unter einer Anpresskraft an der Bipolarplatte 124 der elektrochemischen Einheit 100 anliegen.When the electrochemical unit 100 is in the assembled state, the first gas diffusion layer 120 can be in contact with the bipolar plate 124 of the electrochemical unit 100 under a contact force.

Es kann auch vorgesehen sein, dass die erste Gasdiffusionslage 120 stoffschlüssig an die Bipolarplatte 124 der elektrochemischen Einheit 100 angebunden ist.Provision can also be made for the first gas diffusion layer 120 to be materially bonded to the bipolar plate 124 of the electrochemical unit 100 .

Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die erste Gasdiffusionslage 120 an die Bipolarplatte 124 angespritzt oder mit der Bipolarplatte 124 verklebt ist.For example, it can be provided that the first gas diffusion layer 120 is injection molded onto the bipolar plate 124 or is glued to the bipolar plate 124 .

Eine solche stoffschlüssige Verbindung zwischen der ersten Gasdiffusionslage 120 und der Bipolarplatte 124 der elektrochemischen Einheit 100 kann auch bei allen anderen vorstehend beschriebenen, insbesondere bei den in den 1 bis 6 zeichnerisch dargestellten, Ausführungsformen einer elektrochemischen Einheit 100 für eine elektrochemische Vorrichtung 106 verwirklicht sein.Such a materially bonded connection between the first gas diffusion layer 120 and the bipolar plate 124 of the electrochemical unit 100 can also be used with all the others described above, in particular with those in FIGS 1 until 6 illustrated embodiments of an electrochemical unit 100 for an electrochemical device 106 can be realized.

Das Dichtungselement 128 ist vorzugsweise stoffschlüssig, beispielsweise durch Anspritzen, an die erste Gasdiffusionslage 120 angebunden.The sealing element 128 is preferably integrally bonded to the first gas diffusion layer 120, for example by injection molding.

Der äußere Rand 136 der ersten Gasdiffusionslage 120 ist bei dieser Ausführungsform vorzugsweise im Wesentlichen bündig mit dem äußeren Rand 138 der zweiten Gasdiffusionslage 122 der elektrochemischen Einheit 100 ausgebildet und angeordnet.In this embodiment, the outer edge 136 of the first gas diffusion layer 120 is preferably formed and arranged essentially flush with the outer edge 138 of the second gas diffusion layer 122 of the electrochemical unit 100 .

Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der äußere Rand 136 der ersten Gasdiffusionslage 120 gegenüber dem äußeren Rand 138 der zweiten Gasdiffusionslage 122, gegenüber dem äußeren Rand 132 der ersten Elektrode 110, gegenüber dem äußeren Rand 130 der Membran 114 und/oder gegenüber dem äußeren Rand 134 der zweiten Elektrode 112 nach innen, das heißt zum Zentrum der elektrochemischen Einheit 100 hin, versetzt ist, wie dies bei den in den 1 bis 6 dargestellten Ausführungsformen der Fall ist.However, it can also be provided that the outer edge 136 of the first gas diffusion layer 120 is opposite the outer edge 138 of the second gas diffusion layer 122, opposite the outer edge 132 of the first electrode 110, opposite the outer edge 130 of the membrane 114 and/or opposite the outer Edge 134 of the second electrode 112 is inwardly offset, that is, towards the center of the electrochemical unit 100, as is the case in FIGS 1 until 6 illustrated embodiments is the case.

Ferner kann auch vorgesehen sein, dass eines oder mehrere Elemente des elektrochemisch aktiven Verbunds 158 einen äußeren Rand aufweist, welcher gegenüber dem äußeren Rand 138 der zweiten Gasdiffusionslage 122 nach innen, das heißt zum Zentrum der elektrochemischen Einheit 100 hin, versetzt ist.Furthermore, it can also be provided that one or more elements of the electrochemical active composite 158 has an outer edge which is offset inward relative to the outer edge 138 of the second gas diffusion layer 122 , ie towards the center of the electrochemical unit 100 .

Beispielsweise kann der äußere Rand 132 der ersten Elektrode 110, der äußere Rand 130 der Membran 114 und/oder der äußere Rand 134 der zweiten Elektrode 112 gegenüber dem äußeren Rand 138 der zweiten Gasdiffusionslage 122 der elektrochemischen Einheit 100 nach innen, das heißt zum Zentrum der elektrochemischen Einheit 100 hin, versetzt sein.For example, the outer edge 132 of the first electrode 110, the outer edge 130 of the membrane 114 and/or the outer edge 134 of the second electrode 112 can face inward relative to the outer edge 138 of the second gas diffusion layer 122 of the electrochemical unit 100, i.e. towards the center of the electrochemical unit 100 out.

Benachbart zu dem Subgasket-Abdichtbereich 170 des Dichtungselements 128 ist ein (neben dem Bipolarplatten-Abdichtbereich 148) weiterer Bipolarplatten-Abdichtbereich 154 des Dichtungselements 128 angeordnet, mit welchem das Dichtungselement 128 im montierten Zustand der elektrochemischen Einheit 100 an der Bipolarplatte 124' der der elektrochemischen Einheit 100 benachbarten weiteren elektrochemischen Einheit 100' der elektrochemischen Vorrichtung 106 abdichtend anliegt.Adjacent to the subgasket sealing area 170 of the sealing element 128 (next to the bipolar plate sealing area 148) is another bipolar plate sealing area 154 of the sealing element 128, with which the sealing element 128 in the mounted state of the electrochemical unit 100 on the bipolar plate 124 'of the electrochemical Unit 100 adjacent further electrochemical unit 100 'of the electrochemical device 106 rests sealingly.

Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass der weitere Bipolarplatten-Abdichtbereich 154 des Dichtungselements 128 eine im Wesentlichen ebene Dichtfläche aufweist, mit welcher der weitere Bipolarplatten-Abdichtbereich 154 im montierten Zustand der elektrochemischen Einheit 100 an der ebenfalls im Wesentlichen ebenen Dichtfläche 150' der Bipolarplatte 124' der benachbarten elektrochemischen Einheit 100' abdichtend anliegt. Basically, it can be provided that the further bipolar plate sealing area 154 of the sealing element 128 has an essentially flat sealing surface, with which the further bipolar plate sealing area 154 in the assembled state of the electrochemical unit 100 on the also essentially flat sealing surface 150 ′ of the bipolar plate 124 ′. the adjacent electrochemical unit 100' sealingly abuts.

Im Übrigen stimmt die in 7 dargestellte siebte Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit 100 für eine elektrochemische Vorrichtung 106 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.Incidentally, the in 7 illustrated seventh embodiment of an electrochemical unit 100 for an electrochemical device 106 in terms of structure, function and manufacturing method with the in 1 illustrated first embodiment match, to the above description reference is made to that extent.

Claims

Electrochemical assembly for an electrochemical device (106) comprising a membrane (114), a first electrode (110), a second electrode (112), a first gas diffusion layer (120), a second gas diffusion layer (122), a gasket (126) , which comprises at least one sealing element (128), which is connected to the first gas diffusion layer (120), and a bipolar plate (124), characterized in that at least a part of the membrane (114), the second electrode (112) and the second Gas diffusion layer (122) form an electrochemically active composite (158), in which the second electrode (112) as a coating applied to the second gas diffusion layer (122) and at least part of the membrane (114) as a coating applied to the second electrode (112) applied coating is formed.

Electrochemical unit after claim 1 , characterized in that the electrochemically active composite (158) of the electrochemical unit (100) comprises the membrane (114) as a whole and the first electrode (110), the first electrode (110) being applied as one to the membrane (114). Coating is formed.

Electrochemical unit according to one of Claims 1 or 2 , characterized in that an outer edge (136) of the first gas diffusion layer (120) is offset inwards at least in sections relative to an outer edge (138) of the second gas diffusion layer (122).

Electrochemical unit according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that the sealing element (128) comprises at least one connection region (140) which extends into the first gas diffusion layer (120) and/or into the second gas diffusion layer (122).

Electrochemical unit according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that the sealing element (128) comprises a bipolar plate sealing area (148) which in the assembled state of the electrochemical unit (100) on the bipolar plate (124) of the electrochemical unit (100) bears sealingly.

Electrochemical unit after claim 5 , characterized in that the bipolar plate sealing area (148) has one, two or more sealing lips (152).

Electrochemical unit according to one of Claims 5 or 6 , characterized in that the sealing element (128) comprises a bipolar plate (124) of the electrochemical unit (100) facing away from another bipolar plate sealing area (154), which in the assembled state of the electrochemical unit (100) on a bipolar plate (124 ') of a the electrochemical unit (100) adjacent further electrochemical Unit (100 ') of the electrochemical device (106) rests sealingly.

Electrochemical unit after claim 7 , characterized in that the further bipolar plate sealing area (154) has one, two or more sealing lips (156).

Electrochemical unit according to one of Claims 1 until 8th , characterized in that the sealing element (128) comprises an electrode sealing area (142), which in the assembled state of the electrochemical unit (100) on the first electrode (110) or on the second electrode (112) of the electrochemical unit (100) sealing.

Electrochemical unit according to one of Claims 1 until 9 , characterized in that an outer edge (132) of the first electrode (110) at least in sections opposite an outer edge (130) of the membrane (114), opposite an outer edge (134) of the second electrode (112) and/or opposite a outer edge (138) of the second gas diffusion layer (122) is offset inwards.

Electrochemical unit according to one of Claims 1 until 10 , characterized in that the sealing element (128) comprises a membrane sealing area (160) which in the mounted state of the electrochemical unit (100) on the membrane (114) of the electrochemical unit (100) bears sealingly.

Electrochemical unit after claim 11 , characterized in that the membrane sealing area (160) has one, two or more sealing lips (162).

Electrochemical unit according to one of Claims 1 until 12 , characterized in that the sealing element (128) by gluing on the first electrode (110), on the membrane (114), on the second electrode (112) and / or on the bipolar plate (124) of the electrochemical unit (100) or is fixed to a bipolar plate (124') of an electrochemical unit (100') adjacent to the electrochemical unit (100).

Electrochemical unit according to one of Claims 1 until 13 , characterized in that the sealing element (128) of the seal (126) of the electrochemical unit (100) to the bipolar plate (124) of the electrochemical unit (100) and / or to a bipolar plate (124 ') of the electrochemical unit (100) adjacent further electrochemical unit (100 ') is molded or glued.

Electrochemical unit according to one of Claims 1 until 14 , characterized in that the sealing element (128) is connected to the second gas diffusion layer (122).

Electrochemical unit according to one of Claims 1 until 15 , characterized in that the first gas diffusion layer (120) is materially bonded to the first electrode (110).

Electrochemical unit according to one of Claims 1 until 16 , characterized in that the electrochemical unit (100) comprises a subgasket (168) connected to the first electrode (110), to the membrane (114) and/or to the second electrode (112) of the electrochemical unit (100). is.

Electrochemical unit after Claim 17 , characterized in that the sealing element (128) comprises at least one subgasket sealing region (170) which in the assembled state of the electrochemical unit (100) rests sealingly on the subgasket (168).

A method of making an electrochemical unit (100) for an electrochemical device (106), comprising: - Connecting at least one sealing element (128) of a seal (126) of the electrochemical unit (100) to a first gas diffusion layer (120) of the electrochemical unit (100); - Applying an electrode (112) as a coating on a second gas diffusion layer (122) of the electrochemical unit (100); - Applying at least part of a membrane (114) as a coating on the electrode (112); - Assembling an electrochemically active composite (158), which comprises at least part of the membrane (114), the electrode (112) and the second gas diffusion layer (122), the first gas diffusion layer (120) with the sealing element (128) connected to the same and a bipolar plate (124) of the electrochemical unit (100).