DE102021132696A1

DE102021132696A1 - Einheit

Info

Publication number: DE102021132696A1
Application number: DE102021132696.6A
Authority: DE
Inventors: Christian Quick; Pascal Wahle; Katharina Hengge; Tilman Jurzinsky; Florian Mack; Ashwin Rangarajan
Original assignee: Carl Freudenberg KG
Current assignee: Carl Freudenberg KG
Priority date: 2021-12-10
Filing date: 2021-12-10
Publication date: 2023-06-15
Also published as: WO2023104970A2; CA3240605A1; WO2023104970A3; IL313395A; KR20240104222A; CN118369793A; AU2022405687A1

Abstract

Einheit, umfassend eine Anordnung (1) aus zwei Gasdiffusionselektroden (2, 3), zwischen denen eine Membran (4) sandwichartig angeordnet ist, wobei die Anordnung (1) mittels einer ersten Dichtung (5) mit einem die Anordnung (1) außenumfangsseitig umschließenden Rahmen (6) dichtend verbunden ist und wobei der Rahmen (6) zwei einander gegenüberliegende Stirnseiten (7, 8) aufweist. Der Rahmen (6) weist leitungsförmige Durchbrechungen (9) auf, die sich von der ersten (7) zur zweiten Stirnseite (8) des Rahmens (6) erstrecken, wobei die Durchbrechungen (9) von zweiten Dichtungen (10.1, 10.2, 10.3, ...) stirnseitig beiderseits des Rahmens (6) umschlossen und während der bestimmungsgemäßen Verwendung der Einheit gegeneinander abgedichtet sind.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Einheit, umfassend eine Anordnung aus zwei Gasdiffusionselektroden, zwischen denen eine Membran sandwichartig angeordnet ist, wobei die Anordnung mittels einer ersten Dichtung mit einem die Anordnung außenumfangsseitig umschließenden Rahmen dichtend verbunden ist und wobei der Rahmen zwei einander gegenüberliegende Stirnseiten aufweist.
Stand der Technik
Eine solche Einheit ist aus der DE 10 2013 014 083 A1 bekannt. Die Einheit ist eine Membran-Elektroden-Einheit. Die Anordnung wird außenumfangsseitig vom Rahmen mit Abstand umschlossen, wobei in dem durch den Abstand gebildeten Spalt die Dichtung angeordnet ist, die die Anordnung und den Rahmen dichtend verbindet. Die Membran-Elektroden-Einheit ist für eine Brennstoffzelle vorgesehen.
Der Rahmen ist, wie die Anordnung auch, sandwichartig aufgebaut und umfasst zwei äußere Rahmenteile, zwischen denen ein inneres Rahmenteil angeordnet ist.
Die Verbindung der Anordnung mit dem Rahmen erfolgt unter Anwendung eines Pressvorgangs unter erhöhter Temperatur. Das Dichtungsmaterial der Dichtung wird vor Durchführung des Pressvorgangs in Pressrichtung zwischen den äußeren Rahmenteilen angeordnet und begrenzt mit diesen den Abstand zur Anordnung. Während des Pressvorgangs werden die äußeren Rahmenteile solange aufeinanderzu bewegt, bis sie das innere Rahmenteil jeweils anliegend berühren. Dabei wird der fließfähige Dichtungswerkstoff so lange in den durch den Abstand gebildeten Spalt gepresst, bis der Spalt abgedichtet ist und der Dichtungswerkstoff in die Begrenzung der angrenzenden Anordnung eindringt. Dadurch entsteht die Membran-Elektroden-Einheit als Verbund aus der Anordnung und dem Rahmen mittels der Dichtung.
Die Membran-Elektroden-Einheit ist durch die Dichtung innerhalb des Rahmens gehalten.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einheit der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass eine damit betriebene elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle, einen weiter vereinfachten Aufbau aufweist und noch einfacher und noch kostengünstiger herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die auf Anspruch 1 direkt oder indirekt rückbezogenen Ansprüche Bezug.
Zur Lösung der Aufgabe ist eine Einheit vorgesehen, umfassend eine Anordnung aus zwei Gasdiffusionselektroden, zwischen denen eine Membran sandwichartig angeordnet ist, wobei die Anordnung mittels einer ersten Dichtung mit einem die Anordnung außenumfangsseitig umschließenden Rahmen dichtend verbunden ist und wobei der Rahmen zwei einander gegenüberliegende Stirnseiten aufweist, wobei der Rahmen leitungsförmige Durchbrechungen aufweist, die sich von der ersten Stirnseite zur zweiten Stirnseite des Rahmens erstrecken und wobei die Durchbrechungen von zweiten Dichtungen stirnseitig beiderseits des Rahmens umschlossen sind und während der bestimmungsgemäßen Verwendung der Einheit gegeneinander abgedichtet sind.
Hierbei ist von Vorteil, dass die Einheit multifunktional ausgebildet ist und dadurch weitere Funktionen aufweist, durch die ein teilearmer kostengünstiger Aufbau einer elektrochemischen Zelle, zum Beispiel einer Brennstoffzelle, ermöglicht wird.
Die Einheit ist als Membran-Elektroden-Einheit ausgebildet.
Üblicherweise muss eine Membran-Elektroden-Einheit, wie aus dem Stand der Technik bekannt und eingangs beschrieben, durch zusätzliche und separat erzeugte Dichtungen innerhalb einer elektrochemischen Zelle, zum Beispiel einer Brennstoffzelle, abgedichtet werden. Durch die Herstellung und Montage der Dichtungen wird die Herstellung der Zelle aufwändig und teuer. Außerdem kann die Funktion der Zelle durch Montagefehler der weiteren Dichtungen beeinträchtigt werden.
Bei der erfindungsgemäßen Einheit werden diese Nachteile vermieden. Der Rahmen umfasst dafür die leitungsförmigen Durchbrechungen, die sich von der ersten zur zweiten Stirnseite des Rahmens erstrecken, wobei die Durchbrechungen von zweiten Dichtungen stirnseitig beiderseits des Rahmens umschlossen sind.
Die Anordnung und die zweiten Dichtungen bilden eine vormontierte Einheit.
Die Durchbrechungen im Rahmen sind bei Verwendung der Einheit in einer Brennstoffzelle deckungsgleich mit den Öffnungen in den stirnseitig beiderseits angrenzenden Bipolarplatten ausgebildet, wobei die Öffnungen in den Bipolarplatten durch Kühlmittelein- und -auslässe sowie Gasein- und -auslässe gebildet sind.
Dadurch, dass die Durchbrechungen und die die Durchbrechungen abdichtenden zweiten Dichtungen einen integralen Bestandteil der Einheit bilden, sind die Herstellung und die Montage einer elektrochemischen Zelle kostengünstig und vereinfacht.
Alternativ kann eine Einheit zur Anwendung gelangen, umfassend eine Anordnung aus zwei Gasdiffusionslagen, zwischen denen eine katalysator-beschichtete Membran sandwichartig angeordnet ist, wobei die Anordnung mittels einer ersten Dichtung mit einem die Anordnung außenumfangsseitig umschließenden Rahmen dichtend verbunden ist, wobei der Rahmen zwei einander gegenüberliegende Stirnseiten aufweist, wobei der Rahmen leitungsförmige Durchbrechungen aufweist, die sich von der ersten Stirnseite zur zweiten Stirnseite des Rahmens erstrecken und wobei die Durchbrechungen von zweiten Dichtungen stirnseitig beiderseits des Rahmens umschlossen und während der bestimmungsgemäßen Verwendung der Einheit gegeneinander abgedichtet sind.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass die zweiten Dichtungen aus einem elastomeren Dichtungswerkstoff bestehen. Elastomere Dichtungswerkstoffe sind in vielen Spezifikationen häufig kostengünstig verfügbar.
Zumindest zwei, weiter bevorzugt alle zweiten Dichtungen können einstückig ineinander übergehend und materialeinheitlich ausgebildet sein. Dabei ist von Vorteil, dass die zumindest zwei, weiter bevorzugt alle Dichtungen in nur einem Verfahrensschritt herstellbar sind und dass durch die Einstückigkeit Übergänge zwischen einander benachbarten zweiten Dichtungen und damit einhergehend die Gefahr von Undichtigkeiten zwischen den zweiten Dichtungen vermieden werden.
Die zweiten Dichtungen können profiliert sein.
Der Rahmen ist bevorzugt sandwichartig ausgebildet und umfasst zwei äußere Rahmenteile, zwischen denen ein inneres Rahmenteil angeordnet ist. Eine solche Rahmenkonstruktion hat, wie eingangs beschrieben, den Vorteil, dass die erste Dichtung durch Verpressung zwischen den äußeren Rahmenteilen eine dichtende Verbindung zwischen der Anordnung und dem Rahmen der Einheit herstellt.
Die Rahmenkonstruktion kann zum Beispiel aus einem thermoplastischen Filmmaterial wie Polyester bestehen.
Das innere Rahmenteil steht außenumfangsseitig über die äußere Rahmenteile über und bildet dadurch einen Überstand am Rahmen. In diesem Überstand sind die Durchbrechungen angeordnet.
Die zweiten Dichtungen sind mit dem inneren Rahmenteil dichtend verbunden und umschließen die Durchbrechungen während der bestimmungsgemäßen Verwendung der elektrochemischen Zelle, in der die Einheit zur Anwendung gelangt, dichtend.
Um eine dauerhaltbare und dichte Verbindung zwischen den zweiten Dichtungen und dem inneren Rahmenteil zu erreichen, sind die zweiten Dichtungen bevorzugt stoff- und/ oder formschlüssig mit dem inneren Rahmenteil verbunden. Dazu kann es vorgesehen sein, dass die zweiten Dichtungen an das innere Rahmenteil angespritzt sind. Dadurch ergibt sich eine stoffschlüssige Verbindung.
Ein Formschluss zwischen den zweiten Dichtungen und dem inneren Rahmen kann dadurch erreicht werden, dass das innere Rahmenteil Befestigungsdurchbrechungen aufweist, die vom Dichtungswerkstoff der zweiten Dichtungen herstellungsbedingt durchdrungen sind. Dadurch lassen sich die zweiten Dichtungen einfach herstellen, die stirnseitig beiderseits des inneren Rahmenteils angeordnet sind.
Das zuvor beschriebene Konzept ist sinngemäß sowohl auf Brennstoffzellen als auch auf Elektrolyseure oder Redox-Flussbatterien anwendbar.
Einer Brennstoffzelle werden Wasserstoff und Sauerstoff zugeführt, sodass Wasser und Energie entstehen.
Einem Elektrolyseur werden demgegenüber Wasser und Energie zugeführt, sodass Wasserstoff und Sauerstoff entstehen.
Eine Redox-Flussbatterie verarbeitet Elektrolytflüssigkeiten in einer chemischen Reaktion (Redox-Reaktion), die nutzbare elektrische Energie bereitstellt.
Figurenliste
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einheit wird nachfolgend anhand der schematisch dargestellten 1 und 2 näher beschrieben.
Diese zeigen:

1 einen schematischen Schnitt durch die Membran-Elektroden-Einheit gemäß 2 entlang der Linie A-B,
2 die Einheit aus 1 in einer Draufsicht.

Ausführung der Erfindung
In den 1 und 2 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einheit gezeigt.
1 zeigt den Schnitt A-B aus 2.
Die Einheit umfasst die Anordnung 1, die aus den beiden Gasdiffusionselektroden 2, 3 und der Membran 4 gebildet ist, wobei die Membran 4 sandwichartig zwischen den Gasdiffusionselektroden 2, 3 angeordnet ist. Die Anordnung 1 ist außenumfangsseitig vom Rahmen 6 umschlossen, wobei die Anordnung 1 mittels der ersten Dichtung 5 im Rahmen 6 dichtend gehalten ist.
Der Rahmen 6 ist mehrteilig ausgebildet und umfasst die beiden äußeren Rahmenteile 11, 12, die die Stirnseiten 7, 8 bilden. Zwischen den äußeren Rahmenteilen 11, 12 ist das innere Rahmenteil 13 sandwichartig angeordnet.
Im inneren Rahmenteil 13 sind die leitungsförmigen Durchbrechungen 9 angeordnet, die deckungsgleich mit hier nicht dargestellten Ein- und Auslässen von Bipolarplatten einer elektrochemischen Zelle, hier eines Brennstoffzellen-Stacks, ausgebildet sind. Um die Durchbrechungen 9 sind die zweiten Dichtungen 10.1, 10.2, 10.3, ... angeordnet, wobei diese einstückig ineinander übergehend und materialeinheitlich ausgebildet sind. Die zweiten Dichtungen 10.1, 10.2, 10.3, ... sind stirnseitig beiderseits des Rahmens 6 angeordnet und dichten die Durchbrechungen 9 während der bestimmungsgemäßen Verwendung der Einheit, also in deren eingebautem Zustand, gegeneinander ab.
Das innere Rahmenteil 13 ist mit Befestigungsdurchbrechungen 14 versehen, die vom Dichtungswerkstoff der zweiten Dichtungen 10.1, 10.2, 10.3, ... durchdrungen sind. Dadurch können einerseits die zweiten Dichtungen 10.1, 10.2, 10.3, ... stirnseitig beiderseits des Rahmens 6 einfach angebracht werden. Andererseits ergibt sich dadurch eine dauerhaltbare und dichte Verbindung der zweiten Dichtungen 10.1, 10.2, 10.3, ... auf dem inneren Rahmenteil 13 während einer langen Gebrauchsdauer.
In 2 ist eine Draufsicht auf die Einheit aus 1 gezeigt. Die äußeren Rahmenteile 11, 12 umschließen die Anordnung 1 außenumfangsseitig, wobei das innere Rahmenteil 13, das in der Zeichnungsebene zwischen den äußeren Rahmenteilen 11, 12 angeordnet ist, umfangsseitig über die äußeren Rahmenteile 11, 12 übersteht. In diesem Überstand des inneren Rahmenteils 13 sind die Durchbrechungen 9 angeordnet, die von den einstückig miteinander ausgebildeten zweiten Dichtungen 10.1, 10.2, 10.3, ..., stirnseitig beiderseits des inneren Rahmenteils, wie in 1 dargestellt, umschlossen sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013014083 A1 [0002]

Claims

Einheit, umfassend eine Anordnung (1) aus zwei Gasdiffusionselektroden (2, 3), zwischen denen eine Membran (4) sandwichartig angeordnet ist, wobei die Anordnung (1) mittels einer ersten Dichtung (5) mit einem die Anordnung (1) außenumfangsseitig umschließenden Rahmen (6) dichtend verbunden ist und wobei der Rahmen (6) zwei einander gegenüberliegende Stirnseiten (7, 8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (6) leitungsförmige Durchbrechungen (9) aufweist, die sich von der ersten Stirnseite (7) zur zweiten Stirnseite (8) des Rahmens (6) erstrecken und dass die Durchbrechungen (9) von zweiten Dichtungen (10.1, 10.2, 10.3,...) stirnseitig beiderseits des Rahmens (6) umschlossen und während der bestimmungsgemäßen Verwendung der Einheit gegeneinander abgedichtet sind.
Einheit, umfassend eine Anordnung (1) aus zwei Gasdiffusionslagen (2, 3), zwischen denen eine katalysator-beschichtete Membran (4) sandwichartig angeordnet ist, wobei die Anordnung (1) mittels einer ersten Dichtung (5) mit einem die Anordnung (1) außenumfangsseitig umschließenden Rahmen (6) dichtend verbunden ist, wobei der Rahmen (6) zwei einander gegenüberliegende Stirnseiten (7, 8) aufweist, wobei der Rahmen (6) leitungsförmige Durchbrechungen (9) aufweist, die sich von der ersten Stirnseite (7) zur zweiten Stirnseite (8) des Rahmens (6) erstrecken und wobei die Durchbrechungen (9) von zweiten Dichtungen (10.1, 10.2, 10.3,...) stirnseitig beiderseits des Rahmens (6) umschlossen und während der bestimmungsgemäßen Verwendung der Einheit gegeneinander abgedichtet sind.
Einheit nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Dichtungen (10.1, 10.2, 10.3, ...) aus einem elastomeren Dichtungswerkstoff bestehen.
Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei (10.1, 10.2) der zweiten Dichtungen (10.1, 10.2, 10.3, ...) einstückig ineinander übergehend und materialeinheitlich ausgebildet sind.
Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass alle zweiten Dichtungen (10.1, 10.2, 10.3, ...) einstückig ineinander übergehend und materialeinheitlich ausgebildet sind.
Einheit nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (6) sandwichartig ausgebildet ist.
Einheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (6) zwei äußere Rahmenteile (11, 12) aufweist, zwischen denen ein inneres Rahmenteil (13) angeordnet ist.
Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrechungen (9) nur im inneren Rahmenteil (13) angeordnet sind.
Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Dichtungen (10.1, 10.2, 10.3, ...) mit dem inneren Rahmenteil (13) dichtend verbunden sind und die Durchbrechungen (9) dichtend umschließen.
Einheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Dichtungen (10.1, 10.2, 10.3, ...) und das innere Rahmenteil (13) stoff- und/ oder formschlüssig verbunden sind.
Einheit nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Rahmenteil (13) Befestigungsdurchbrechungen (14) aufweist, die vom Dichtungswerkstoff der zweiten Dichtungen (10.1, 10.2, 10.3, ...) durchdrungen sind.