DE102021134243A1

DE102021134243A1 - Elektrochemische Einheit für eine elektrochemische Vorrichtung und elektrochemische Vorrichtung

Info

Publication number: DE102021134243A1
Application number: DE102021134243.0A
Authority: DE
Inventors: Manuel Salzmann; Michael Götz
Original assignee: Ekpo Fuel Cell Technologies GmbH
Current assignee: Ekpo Fuel Cell Technologies GmbH
Priority date: 2021-12-22
Filing date: 2021-12-22
Publication date: 2023-06-22

Abstract

Um eine elektrochemische Einheit für eine elektrochemische Vorrichtung, in welcher mehrere elektrochemische Einheiten längs einer Stapelrichtung aufeinander folgen,wobei die elektrochemische Einheit eine Membran-Elektroden-Anordnung, eine Bipolarplatte und eine Dichtungsanordnung umfasst undwobei die Dichtungsanordnung mindestens ein Elastomer-Dichtelement undmindestens ein Versteifungselement umfasst, zu schaffen, bei welcher in einfacher und zuverlässiger Weise eine fixe Positionierung des Versteifungselements relativ zu der Bipolarplatte der elektrochemischen Einheit erreicht werden kann, wird vorgeschlagen, dass die elektrochemische Einheit mindestens ein Kopplungselement umfasst, welches sich bei einer Belastung längs der Stapelrichtung zumindest teilweise elastisch verformt und eine Relativbewegung zwischen dem Versteifungselement und der Bipolarplatte längs einer senkrecht zur Stapelrichtung ausgerichteten Querrichtung behindert oder verhindert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Einheit für eine elektrochemische Vorrichtung, in welcher mehrere elektrochemische Einheiten längs einer Stapelrichtung aufeinander folgen, wobei die elektrochemische Einheit eine Membran-Elektroden-Anordnung, eine Bipolarplatte und eine Dichtungsanordnung umfasst und wobei die Dichtungsanordnung ein Elastomer-Dichtelement und mindestens ein Versteifungselement umfasst.
Die elektrochemische Vorrichtung kann beispielsweise als eine Brennstoffzellenvorrichtung oder als ein Elektrolyseur ausgebildet sein.
Die elektrochemische Einheit kann beispielsweise als eine Brennstoffzelleneinheit oder als eine Elektrolyseeinheit ausgebildet sein.
In der Membran-Elektroden-Anordnung der elektrochemischen Einheit läuft die jeweilige elektrochemische Reaktion ab.
Die Bipolarplatten der elektrochemischen Einheiten umfassen Strömungsfelder, durch welche ein Anodengas zu einer Anodenseite der Membran-Elektroden-Anordnungen geleitet wird oder ein Kathodengas zu einer Kathodenseite der Membran-Elektroden-Anordnungen geleitet wird. Die Dichtungsanordnungen der elektrochemischen Einheiten dienen dazu, die Strömungsfelder gegenüber der Umgebung und/oder gegenüber Mediumkanälen, durch welche die für den Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung erforderlichen fluiden Medien dem Stapel aus elektrochemischen Einheiten zugeführt oder aus dem Stapel aus elektrochemischen Einheiten abgeführt werden, abzudichten. Ferner können die Dichtungsanordnungen auch dazu dienen, die Mediumkanäle der elektrochemischen Vorrichtung gegenüber der Umgebung abzudichten.
Das mindestens eine Elastomer-Dichtelement jeder Dichtungsanordnung kann beispielsweise an einer Gasdiffusionslage der elektrochemischen Einheit oder an der Membran-Elektroden-Anordnung einer elektrochemischen Einheit, vorzugsweise stoffschlüssig, festgelegt sein.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine Elastomer-Dichtelement der Dichtungsanordnung an eine Gasdiffusionslage der elektrochemischen Einheit angespritzt ist. Dies bietet den Vorteil, dass die Gasdiffusionslagen der elektrochemischen Einheit thermisch und mechanisch belastbar sind und ein Anspritzen von Elastomermaterial an die Gasdiffusionslagen unproblematisch umsetzbar ist.
Der große Vorteil von Dichtungsanordnungen, deren Elastomer-Dichtelemente an eine Gasdiffusionslage angespritzt sind (sogenannte „Seal-On-GDL-Dichtung“) oder an die Membran-Elektroden-Anordnung angespritzt sind (sogenannte „Seal-On-MEA-Dichtung“), im Vergleich zu Dichtungsanordnungen, deren Elastomer-Dichtelemente auf die Bipolarplatten aufgebracht sind, ist der sehr geringe Überlapp zwischen dem Elastomer-Dichtelement und der katalysatorbeschichteten Membran („Catalyst Coated Membrane“; CCM) der Membran-Elektroden-Anordnung, so dass eine sehr gute Ausnutzung der katalysatorbeschichteten Membran erreicht wird, welche die teuerste Komponente des Stapels aus elektrochemischen Einheiten darstellt.
Um eine verbesserte Handhabbarkeit und bessere mechanische Eigenschaften einer Seal-On-GDL-Dichtungsanordnung bzw. einer Seal-On-MEA-Dichtungsanordnung zu erreichen, umfasst die Dichtungsanordnung ferner mindestens ein Versteifungselement, welches eine höhere Biegesteifigkeit aufweist als die biegeschlaffen Elastomer-Dichtelemente der Dichtungsanordnung.
Das Versteifungselement, das aus einem Material gebildet ist, welches härter ist und/oder einen größeren Elastizitätsmodul aufweist als das Material, aus welchem das mindestens eine Elastomer-Dichtelement gebildet ist, ermöglicht es, die Dichtlippen der Elastomer-Dichtelemente längs der Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung genau übereinander zu positionieren, um einen optimalen Kraftschluss für die Dichtung zu erreichen.
Ein solches Versteifungselement kann beispielsweise als ein Rahmen aus einem festen Kunststoffmaterial ausgebildet sein.
Das Versteifungselement kann vollständig oder partiell um ein jeweils zugeordnetes Elastomer-Dichtelement der Dichtungsanordnung umlaufen.
Das mindestens eine Elastomer-Dichtelement und das mindestens eine Versteifungselement der Dichtungsanordnung werden bevorzugt in einem Spritzgießprozess hergestellt, wobei vorzugsweise zeitgleich mit der Ausbildung des Elastomer-Dichtelements auch das demselben zugeordnete Versteifungselement gespritzt wird.
Da in einem Stapel aus elektrochemischen Einheiten der Kraft-Hauptschluss über die elektrochemisch aktive Fläche der Membran-Elektroden-Anordnungen erfolgen muss, darf nur ein geringer Bruchteil der Verspannkraft, welche auf die in dem Stapel angeordneten elektrochemischen Einheiten wirkt, über die Dichtungsanordnungen einschließlich der Versteifungselemente übertragen werden.
Das Versteifungselement ist daher vorzugsweise so ausgelegt, dass es den Spalt zwischen zwei benachbarten Bipolarplatten nicht vollständig ausfüllt, um im Falle von auftretenden Fertigungstoleranzen (beispielsweise einer zu dünnen Membran-Elektroden-Anordnung, einer zu niedrigen Steghöhe im Strömungsfeld der Bipolarplatte oder eines zu dicken Versteifungselements) sicher zu vermeiden, dass ein nennenswerter Teil der Verspannkraft über das Versteifungselement übertragen und damit die über den elektrochemisch aktiven Bereich der elektrochemischen Einheit übertragene Verspannkraft wesentlich reduziert wird.
Das Vorhandensein dieses minimalen Spalts zwischen dem Versteifungselement einerseits und den benachbarten Bipolarplatten andererseits, welches dazu erforderlich ist, um Fertigungstoleranzen der Komponenten der elektrochemischen Einheit ausgleichen zu können, führt jedoch dazu, dass das Versteifungselement in einer senkrecht zur Stapelrichtung ausgerichteten Querrichtung der elektrochemischen Vorrichtung nicht in seiner Position relativ zu den Bipolarplatten fixiert ist.
Dies hat zur Folge, dass das Versteifungselement in einer Assembliervorrichtung zum Assemblieren der elektrochemischen Vorrichtung zum Assemblieren der elektrochemischen Vorrichtung durch die nicht vorhandene Haftreibung zwischen dem Versteifungselement und den benachbarten Bipolarplatten längs der Querrichtung gleiten kann, was eine Fehlassemblierung zur Folge haben kann.
Ferner kann es bei Einwirkung von Vibrationen und/oder einer Schockkraft im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung zu einer Relativbewegung zwischen dem Versteifungselement einerseits und den Bipolarplatten andererseits kommen, so dass dann eine korrekte Positionierung des Versteifungselements relativ zu den Bipolarplatten nicht mehr gegeben ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrochemische Einheit der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher in einfacher und zuverlässiger Weise eine fixe Positionierung des Versteifungselements relativ zu der Bipolarplatte der elektrochemischen Einheit erreicht werden kann.
Diese Aufgabe wird bei einer elektrochemischen Einheit für eine elektrochemische Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die elektrochemische Einheit mindestens ein Kopplungselement umfasst, welches sich bei einer Belastung längs der Stapelrichtung zumindest teilweise elastisch verformt und eine Relativbewegung zwischen dem Versteifungselement und der Bipolarplatte längs einer senkrecht zur Stapelrichtung ausgerichteten Querrichtung behindert oder verhindert.
Bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Kopplungselement ein an der Bipolarplatte ausgebildetes Federelement umfasst.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das Kopplungselement eine federnde Zunge umfasst.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass das Kopplungselement einen Vorsprung der Bipolarplatte umfasst.
Eine besonders wirksame Fixierung der Position des Versteifungselements relativ zu der Bipolarplatte wird erreicht, wenn das Kopplungselement eine Spitze und/oder eine Kante aufweist, welche sich in das Versteifungselement oder in eine Beschichtung des Versteifungselements eingräbt.
Die Beschichtung des Versteifungselements kann insbesondere aus einem Elastomermaterial gebildet sein.
Um das Versteifungselement durch Formschluss relativ zu der Bipolarplatte in seiner Position zu fixieren, kann vorgesehen sein, dass das Versteifungselement oder eine Beschichtung des Versteifungselements eine Ausnehmung aufweist, in welche das Kopplungselement eingreift.
Eine solche Beschichtung des Versteifungselements kann insbesondere aus einem Elastomermaterial gebildet sein.
Bei einer weiteren besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Kopplungselement mindestens ein an dem Versteifungselement angeordnetes Reibungserhöhungselement und/oder mindestens eine an dem Versteifungselement oder an der Bipolarplatte angeordnete rutschhemmende Beschichtung umfasst.
Ein solches Reibungserhöhungselement kann ein Elastomermaterial umfassen und vorzugsweise im Wesentlichen vollständig aus einem Elastomermaterial gebildet sein.
Das Reibungserhöhungselement kann eine Basis umfassen, welche ganz oder teilweise in einer an dem Versteifungselement vorgesehenen Ausnehmung aufgenommen ist.
Um die Position des Versteifungselements in Bezug auf beide dem Versteifungselement benachbarte Bipolarplatten zu fixieren, kann vorgesehen sein, dass auf einer der Bipolarplatte der elektrochemischen Einheit abgewandten Seite des Versteifungselements mindestens ein weiteres Reibungserhöhungselement angeordnet ist, welches im montierten Zustand der elektrochemischen Vorrichtung das Versteifungselement mit einer Bipolarplatte einer benachbarten elektrochemischen Einheit koppelt.
Dabei kann vorgesehen sein, dass mindestens ein Reibungserhöhungselement, das an der der Bipolarplatte der elektrochemischen Einheit zugewandten Seite des Versteifungselements angeordnet ist, mit jeweils einem Reibungserhöhungselement, das an der der Bipolarplatte der elektrochemischen Einheit abgewandten Seite des Versteifungselements angeordnet ist, fluchtend angeordnet ist.
Besonders günstig ist es, wenn alle Reibungserhöhungselemente, die an der der Bipolarplatte der elektrochemischen Einheit zugewandten Seite des Versteifungselements angeordnet sind, mit jeweils einem Reibungserhöhungselement, das an der der Bipolarplatte der elektrochemischen Einheit abgewandten Seite des Versteifungselements angeordnet ist, fluchtend angeordnet sind.
Alternativ hierzu kann auch vorgesehen sein, dass mehrere Reibungserhöhungselemente, die an der der Bipolarplatte der elektrochemischen Einheit zugewandten Seite des Versteifungselements angeordnet sind, in der Querrichtung versetzt zu mehreren Reibungserhöhungselementen, die an der der Bipolarplatte der elektrochemischen Einheit abgewandten Seite des Versteifungselements angeordnet sind, angeordnet sind.
Die rutschhemmende Beschichtung kann beispielsweise ein Elastomermaterial umfassen.
Bei einer weiteren besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Kopplungselement einen formelastischen Abschnitt des Versteifungselements und/oder einen formelastischen Abschnitt der Bipolarplatte (vorzugsweise in einem äußeren Randbereich der Bipolarplatte) umfasst.
Ein solcher formelastischer Abschnitt des Versteifungselements liegt vorzugsweise an Kopplungsstellen an den beiden dem Versteifungselement benachbarten Bipolarplatten an.
Ein solcher formelastischer Abschnitt der Bipolarplatte liegt vorzugsweise an Kopplungsstellen an den beiden der Bipolarplatte benachbarten Versteifungselementen an.
Um die Haftung des formelastischen Abschnitts des Versteifungselements an den Bipolarplatten zu erhöhen, kann vorgesehen sein, dass der formelastische Abschnitt des Versteifungselements im Bereich der Kopplungsstellen mit einer Beschichtung, vorzugsweise mit einer Beschichtung aus einem Elastomermaterial, versehen ist.
Um die Haftung des formelastischen Abschnitts der Bipolarplatte an den Versteifungselementen zu erhöhen, kann vorgesehen sein, dass der formelastische Abschnitt der Bipolarplatte im Bereich der Kopplungsstellen mit einer Beschichtung, vorzugsweise mit einer Beschichtung aus einem Elastomermaterial, versehen ist.
Das Versteifungselement kann in dem formelastischen Abschnitt des Versteifungselements im Querschnitt beispielsweise wellenförmig oder zickzackförmig ausgebildet sein.
Die Bipolarplatte kann in dem formelastischen Abschnitt der Bipolarplatte im Querschnitt beispielsweise wellenförmig oder zickzackförmig ausgebildet sein.
Bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die elektrochemische Einheit mindestens ein weiteres Kopplungselement umfasst, welches sich bei einer Belastung längs der Stapelrichtung zumindest teilweise elastisch verformt und eine Relativbewegung zwischen der Bipolarplatte und einem Versteifungselement einer der elektrochemischen Einheit benachbarten weiteren elektrochemischen Einheit längs einer senkrecht zur Stapelrichtung ausgerichteten Querrichtung behindert oder verhindert.
Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Bipolarplatte beidseitig mit Kopplungselementen versehen ist, so dass die Bipolarplatte relativ zu beiden der Bipolarplatte benachbarten Versteifungselementen hinsichtlich ihrer Position fixiert ist. Da die Bipolarplatte der der elektrochemischen Einheit benachbarten weiteren elektrochemischen Einheit ebenfalls über mindestens ein Kopplungselement mit dem Versteifungselement der weiteren elektrochemischen Einheit gekoppelt ist, sind somit die einander benachbarten Bipolarplatten der elektrochemischen Einheit und der der elektrochemischen Einheit benachbarten weiteren elektrochemischen Einheit durch die Kopplungselemente der beiden Bipolarplatten und durch das dazwischen angeordnete Versteifungselement hindurch durch Kraftschluss und/oder durch Formschluss so miteinander gekoppelt, dass eine Relativbewegung zwischen diesen beiden benachbarten Bipolarplatten längs einer senkrecht zur Stapelrichtung ausgerichteten Querrichtung behindert oder verhindert wird.
Die erfindungsgemäße elektrochemische Einheit eignet sich insbesondere zur Verwendung in einer elektrochemischen Vorrichtung, welche mehrere erfindungsgemäße elektrochemische Einheiten umfasst, welche längs einer Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung aufeinander folgen.
Das Versteifungselement kann durch ein oder mehrere Federelemente, die in der Bipolarplatte der elektrochemischen Einheit ausgeformt sind, relativ zu der Bipolarplatte fixiert und im Stapel der elektrochemischen Einheiten auf Position gehalten werden.
Ein als Federelement ausgebildetes Kopplungselement gleicht eine hohe Fertigungstoleranz, vor allem eine Fertigungstoleranz der Dicke des Versteifungselements, aus.
Als Federelement ausgebildete Kopplungselemente verhindern eine unerwünschte Aufnahme einer Verspannkraft durch das Versteifungselement, wenn die zwischen den Bipolarplatten von zwei benachbarten elektrochemischen Einheiten vorgesehene Dichtspalthöhe unterschritten wird und/oder wenn die für das Versteifungselement vorgesehene Höhe überschritten wird.
Ein als Federelement ausgebildetes Kopplungselement bringt auch bei einem Setzen des Materials des Versteifungselements weiterhin eine elastische Federkraft auf und fixiert das Versteifungselement weiterhin relativ zu der Bipolarplatte.
Durch ein als Federelement ausgebildetes Kopplungselement kann ein Setzen des Stapels aus elektrochemischen Einheiten erfolgen, ohne dass das Versteifungselement einer elektrochemischen Einheit einen unzulässig hohen Anteil der Verspannkraft aufnimmt.
Durch das Anbringen von Elastomerstrukturen an dem Versteifungselement kann das Versteifungselement unter relativ geringer Kraftaufnahme sicher in seiner Position relativ zu der Bipolarplatte fixiert werden. Ferner wird die Haftreibung zwischen dem Versteifungselement und der Bipolarplatte erhöht, was ein Verrutschen des Versteifungselements relativ zu der Bipolarplatte beim Assemblieren der elektrochemischen Vorrichtung und im Betriebszustand der elektrochemischen Vorrichtung verhindert.
Die an dem Versteifungselement angebrachten Elastomerstrukturen können beispielsweise punktförmig, linienförmig oder flächenförmig ausgebildet sein.
Die Elastomerstrukturen können so ausgebildet sein, dass eine sehr geringe Kraft zu deren Verpressung ausreicht. In diesem Fall haben diese Elastomerstrukturen keine Auswirkung auf den Kraftaufwand, der zur Verspannung des Stapels aus elektrochemischen Einheiten erforderlich ist.
Die Schwankungen der Dicken (Erstreckungen längs der Stapelrichtung) von anderen Komponenten der elektrochemischen Einheiten des Stapels können durch Kopplungselemente, die als Elastomerstrukturen oder als Federelemente ausgebildet sind, ausgeglichen werden.
In das Versteifungselement können eine oder mehrere vertiefte Ausprägungen eingearbeitet sein, um hierdurch die Dichtlippenstärke zu erhöhen, was mit dem Erreichen eines besseren Federverhaltens des Kopplungselements verbunden ist.
Ein Kopplungselement kann auch dadurch gebildet werden, dass in das Versteifungselement eine definierte Welligkeit eingebracht wird, welche im montierten Zustand der elektrochemischen Vorrichtung eine definierte Federkraft aufbringt und hierdurch das Versteifungselement relativ zu den benachbarten Bipolarplatten fixiert.
Die Fixierung des Versteifungselements relativ zu den benachbarten Bipolarplatten kann durch eine lokal angeordnete und/oder flächige Beschichtung aus einem Elastomermaterial unterstützt werden, durch welche die Haftreibungskraft zwischen dem Versteifungselement und der jeweiligen Bipolarplatte erhöht wird.
Eine Fixierung der Position des Versteifungselements relativ zu der Bipolarplatte kann auch durch Strukturen an der Bipolarplatte und an dem Versteifungselement erfolgen, die ineinandergreifen und hierdurch eine Relativbewegung zwischen dem Versteifungselement und der Bipolarplatte weitgehend verhindern.
Beispielsweise kann ein solches Kopplungselement als ein Nippel an der Bipolarplatte ausgebildet sein, der in eine hierzu korrespondierende Vertiefung an dem Versteifungselement eintaucht und somit durch Formschluss eine Relativbewegung zwischen dem Versteifungselement und der Bipolarplatte verhindert.
Bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird das Versteifungselement in seiner Einbaulage relativ zu der Bipolarplatte der elektrochemischen Einheit fixiert und unterstützt, und zwar vorzugsweise bei jeder Größe des Dichtspalts zwischen dem Versteifungselement und der jeweils benachbarten Bipolarplatte.
Ein als Federelement ausgebildetes Kopplungselement kann beispielsweise aus Metall gebildet sein. In diesem Fall ist das Kopplungselement vorzugsweise als ein Teil der Bipolarplatte ausgebildet.
Ein als Federelement ausgebildetes Kopplungselement kann aber auch aus einem Kunststoffmaterial und/oder aus einem Elastomermaterial gebildet sein. In diesem Fall ist das Kopplungselement vorzugsweise als ein Teil des Versteifungselements ausgebildet oder an das Versteifungselement angefügt.
Bei besonderen Ausgestaltungen der Erfindung ist vorgesehen, dass das Versteifungselement relativ zu der Bipolarplatte durch eine erhöhte Haftreibung aufgrund von mindestens einem an dem Versteifungselement und/oder an der Bipolarplatte angeordneten Bereich aus Elastomermaterial fixiert ist.
Die Oberfläche des Versteifungselements und/oder die Oberfläche der Bipolarplatte kann durch Einbringen von Strukturen und/oder einer definierten Rauheit strukturiert werden, um die Anbindung des Elastomermaterials eines solchen Elastomerbereichs an das Versteifungselement bzw. an die Bipolarplatte zu verbessern.
Durch eine definierte Formgebung des Versteifungselements kann erreicht werden, dass das Versteifungselement sich selbst zwischen zwei benachbarten Bipolarplatten in seiner Position fixiert, ohne dass das Versteifungselement den Spalt (längs der Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung) zwischen diesen Bipolarplatten vollständig ausfüllt. Bei dieser Ausführungsform eines Kopplungselements kann an Kontaktstellen zwischen dem Versteifungselement und der einen Bipolarplatte oder der anderen Bipolarplatte eine Beschichtung aus einem Elastomermaterial an dem Versteifungselement und/oder an der jeweiligen Bipolarplatte angeordnet sein, um die Reibung zwischen dem Versteifungselement und der jeweiligen Bipolarplatte zu erhöhen und so eine weitere Verbesserung der Positionsstabilität des Versteifungselements relativ zu den Bipolarplatten zu bewirken.
Das Versteifungselement weist vorzugsweise eine höhere Biegesteifigkeit auf als das eine oder die mehreren Elastomer-Dichtelemente der Dichtungsanordnung.
Die erfindungsgemäße elektrochemische Einheit ist vorzugsweise eine Polymerelektrolytmembran(PEM)-Brennstoffzelleneinheit.
Die erfindungsgemäße elektrochemische Vorrichtung ist vorzugsweise eine Polymerelektrolytmembran(PEM)-Brennstoffzellenvorrichtung.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
In den Zeichnungen zeigen:

1 eine perspektivische Darstellung eines äußeren Randbereichs einer elektrochemischen Einheit für eine elektrochemische Vorrichtung, in welcher mehrere elektrochemische Einheiten längs einer Stapelrichtung aufeinanderfolgen, wobei die elektrochemische Einheit eine Membran-Elektroden-Anordnung, eine Bipolarplatte und eine Dichtungsanordnung umfasst, wobei die Dichtungsanordnung mindestens ein Elastomer-Dichtelement und mindestens ein Versteifungselement umfasst und wobei die elektrochemische Einheit mindestens ein Kopplungselement umfasst, welches sich bei einer Belastung längs der Stapelrichtung zumindest teilweise elastisch verformt und eine Relativbewegung zwischen dem Versteifungselement und der Bipolarplatte längs einer senkrecht zur Stapelrichtung ausgerichteten Querrichtung behindert oder verhindert, wobei das Kopplungselement ein an der Bipolarplatte ausgebildetes Federelement umfasst;
2 eine Draufsicht längs der Stapelrichtung auf den Randbereich der elektrochemischen Einheit aus 1;
3 einen ausschnittsweisen Querschnitt durch den Randbereich der elektrochemischen Einheit und eine Bipolarplatte einer benachbarten elektrochemischen Einheit aus den 1 und 2, im Bereich des Federelements der Bipolarplatte, längs der Linie 3 - 3 in 2;
4 einen ausschnittsweisen Querschnitt durch den Randbereich einer Variante der ersten Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit aus den 1 bis 3 und eine Bipolarplatte einer benachbarten elektrochemischen Einheit, entsprechend dem Querschnitt von 3;
5 einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines Kopplungselements, das mehrere an der Bipolarplatte ausgebildete federnde Zungen umfasst, welche sich mit jeweils einer Kante in das Versteifungselement eingraben;
6 einen Querschnitt durch eine dritte Ausführungsform eines Kopplungselements, das einen an der Bipolarplatte ausgebildeten Vorsprung umfasst, welcher eine Spitze aufweist, die sich in das Versteifungselement eingräbt;
7 einen Querschnitt durch eine vierte Ausführungsform eines Kopplungselements, das mehrere an der Bipolarplatte ausgebildete federnde Zungen umfasst, welche sich in eine Elastomerbeschichtung des Versteifungselements eingraben;
8 einen Querschnitt durch eine fünfte Ausführungsform eines Kopplungselements, das einen an der Bipolarplatte ausgebildeten Vorsprung und eine an dem Versteifungselement ausgebildete Ausnehmung umfasst, wobei im montierten Zustand der elektrochemischen Vorrichtung der Vorsprung der Bipolarplatte in die Ausnehmung des Versteifungselements eingreift;
9 einen Querschnitt durch eine sechste Ausführungsform eines Kopplungselements, das Reibungserhöhungselemente umfasst, die an der der Bipolarplatte zugewandten Seite des Versteifungselements angeordnet sind;
10 einen Querschnitt durch eine siebte Ausführungsform eines Kopplungselements, das einen formelastischen Abschnitt des Versteifungselements umfasst, wobei das Versteifungselement in dem formelastischen Abschnitt einen wellenförmigen Querschnitt aufweist;
11 einen Querschnitt durch eine achte Ausführungsform eines Kopplungselements, das einen formelastischen Abschnitt des Versteifungselements umfasst, wobei das Versteifungselement in dem formelastischen Abschnitt einen zickzackförmigen Querschnitt aufweist;
12 einen Querschnitt durch eine neunte Ausführungsform eines Kopplungselements, welches Reibungserhöhungselemente umfasst, die an dem Versteifungselement angeordnet sind, wobei jedes Reibungserhöhungselement teilweise in einer Ausnehmung des Versteifungselements aufgenommen ist, erste Reibungserhöhungselemente an der der Bipolarplatte der elektrochemischen Einheit zugewandten Seite des Versteifungselements angeordnet sind, zweite Reibungserhöhungselemente an der der Bipolarplatte der elektrochemischen Einheit abgewandten Seite des Versteifungselements angeordnet sind und die ersten Reibungserhöhungselemente - längs der Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung gesehen - mit den zweiten Reibungserhöhungselementen fluchten;
13 einen Querschnitt durch eine zehnte Ausführungsform eines Kopplungselements, welches Reibungserhöhungselemente umfasst, die an dem Versteifungselement angeordnet sind, wobei jedes der Reibungserhöhungselemente in einer Ausnehmung des Versteifungselements aufgenommen ist, erste Reibungserhöhungselemente an der der Bipolarplatte der elektrochemischen Einheit zugewandten Seite des Versteifungselements angeordnet sind, zweite Reibungserhöhungselemente an der der Bipolarplatte der elektrochemischen Einheit abgewandten Seite des Versteifungselements angeordnet sind und die ersten Reibungserhöhungselemente - in der Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung gesehen - gegenüber den zweiten reibungserhöhenden Elementen versetzt angeordnet sind;
14 einen Querschnitt durch eine elfte Ausführungsform eines Kopplungselements, das eine erste Bipolarplattenlage der Bipolarplatte mit einem ersten Versteifungselement koppelt, und eines zweiten Kopplungselements, das eine zweite Bipolarplattenlage der Bipolarplatte mit einem zweiten Versteifungselement koppelt, wobei die beiden Kopplungselemente an einander entsprechenden Positionen an den beiden Bipolarplattenlagen in einander entgegengesetzte Richtungen zu den jeweils anzukoppelnden Versteifungselementen vorspringen;
15 einen Querschnitt durch eine zwölfte Ausführungsform eines Kopplungselements, das eine erste Bipolarplattenlage der Bipolarplatte mit einem ersten Versteifungselement koppelt, und eines zweiten Kopplungselements, das eine zweite Bipolarplattenlage der Bipolarplatte mit einem zweiten Versteifungselement koppelt, wobei die Kopplungselemente von gegeneinander versetzten Positionen an den beiden Bipolarplattenlagen aus in einander entgegengesetzte Richtungen zu den jeweils anzukoppelnden Versteifungselementen vorspringen;
16 einen Querschnitt durch eine dreizehnte Ausführungsform eines Kopplungselements, das an einer einlagigen Bipolarplatte zur Kopplung mit einem ersten Versteifungselement vorgesehen ist, und eines zweiten Kopplungselements, das an der einlagigen Bipolarplatte zur Kopplung mit einem zweiten Versteifungselement vorgesehen ist, wobei die beiden Kopplungselemente von gegeneinander versetzten Positionen an der Bipolarplatte aus in einander entgegengesetzten Richtungen zu dem jeweils anzukoppelnden Versteifungselement vorspringen; und
17 einen Querschnitt durch eine Variante der in 6 dargestellten dritten Ausführungsform eines Kopplungselements, wobei das Kopplungselement statt einer Spitze eine breite Kuppe aufweist, welche über eine rutschhemmende Beschichtung aus einem Elastomermaterial an dem Versteifungselement anliegt.

Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Eine in den 1 bis 3 ausschnittsweise dargestellte elektrochemische Einheit 100 für eine elektrochemische Vorrichtung 102, in welcher mehrere elektrochemische Einheiten 100 längs einer Stapelrichtung 104 aufeinander folgen, umfasst eine Membran-Elektroden-Anordnung, eine Bipolarplatte 106 und eine Dichtungsanordnung 108.
Dabei umfasst die Dichtungsanordnung 108 mindestens ein Elastomer-Dichtelement und mindestens ein Versteifungselement 110, welches abschnittsweise in den 1 bis 3 dargestellt ist.
Wie am besten aus 3 zu ersehen ist, ist das Versteifungselement 110 im dargestellten Randbereich der elektrochemischen Einheit 100 zwischen der Bipolarplatte 106 der elektrochemischen Einheit 100 und einer Bipolarplatte 106' einer der elektrochemischen Einheit 100 benachbarten weiteren elektrochemischen Einheit 100' angeordnet.
Das Versteifungselement 110 ist vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial gebildet, welches eine größere Biegesteifigkeit, eine größere Härte und/oder einen größeren Elastizitätsmodul aufweist als das Material des (nicht dargestellten) Elastomer-Dichtelements der Dichtungsanordnung 108.
Die Bipolarplatte 106 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel nahe ihres äußeren Randes 116 mit einer - vorzugsweise im Wesentlichen parallel zu dem äußeren Rand 116 der Bipolarplatte 106 verlaufenden - Sicke 118 versehen.
Die Sicke 118 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als eine Vollsicke 120 ausgebildet, welche eine dem äußeren Rand 116 der Bipolarplatte 106 zugewandte äußere Sickenflanke 122, eine dem äußeren Rand 116 der Bipolarplatte 106 abgewandte innere Sickenflanke 124 und eine die innere Sickenflanke 124 und die äußere Sickenflanke 122 miteinander verbindende Sickenkuppe 126 umfasst.
Die Sickenkuppe 126 steht bei der zeichnerisch dargestellten Ausführungsform gegenüber an die Sicke 118 angrenzenden Bereichen 128 und 130 der Bipolarplatte 106 in der Stapelrichtung 104 zu dem Versteifungselement 100 hin vor.
Der äußere Randbereich 128 der Bipolarplatte 106 wird nach außen hin durch den äußeren Rand 116 der Bipolarplatte 106 und nach innen hin durch die äußere Sickenflanke 122 der Sicke 118 begrenzt.
Der innere Bereich 130 der Bipolarplatte 106 wird nach außen hin durch die innere Sickenflanke 124 der Sicke 118 begrenzt und nach innen hin durch das (nicht dargestellte) Strömungsfeld der Bipolarplatte 106.
Der äußere Rand 116 der Bipolarplatte 106 und die Sicke 118 erstrecken sich längs einer Längsrichtung 132, welche senkrecht zu der Stapelrichtung 104 der elektrochemischen Vorrichtung 102 ausgerichtet ist.
Bei einer Variante der in den 1 bis 3 zeichnerisch dargestellten Ausführungsform kann die Sicke 118 statt als Vollsicke 120 als eine Halbsicke ausgebildet sein.
Eine solche Halbsicke erstreckt sich vorzugsweise längs der Längsrichtung 132, welche senkrecht zu der Stapelrichtung 104 der elektrochemischen Vorrichtung 102 ausgerichtet ist, ringförmig geschlossen um den elektrochemisch aktiven Bereich der elektrochemischen Einheit 100 herum.
Das Versteifungselement 110 steht vorzugsweise in einer Querrichtung 134, welche senkrecht zu der Längsrichtung 132 und senkrecht zu der Stapelrichtung 104 der elektrochemischen Vorrichtung 102 ausgerichtet ist, über den äußeren Rand 116 der Bipolarplatte 106 nach außen in den Außenraum der elektrochemischen Vorrichtung 102 über.
Dieser überstehende Randbereich 136 des Versteifungselements 110 kann mit einer Verdickung 138 versehen sein.
Wie aus den 1, 2 und 3 zu ersehen ist, umfasst die elektrochemische Einheit 100 ferner ein Kopplungselement 140, welches bei dieser Ausführungsform als ein an der Bipolarplatte 106 ausgebildetes Federelement 142 ausgebildet ist.
Das Kopplungselement 140 umfasst bei dieser Ausführungsform eine elastisch federnde Zunge 144, welche längs einer Biegelinie 146 an den inneren Bereich 130 der Bipolarplatte 106 angrenzt und durch eine elastische Rückstellkraft gegen das Versteifungselement 110 vorgespannt ist.
Wie am besten aus 4 zu ersehen ist, endet das Kopplungselement 140 an einer scharfen Kante 148, welche sich in das Material des Versteifungselements 110 eingräbt und dadurch verhindert, dass das Versteifungselement 110 sich relativ zu dem Kopplungselement 140 und damit relativ zu der Bipolarplatte 106 längs der Querrichtung 134 bewegt.
Bei einer Belastung der elektrochemischen Einheit 100 längs der Stapelrichtung 104 verformt sich das Kopplungselement 140 zumindest teilweise elastisch, wobei seine Höhe H, das heißt seine Erstreckung längs der Stapelrichtung 104, sich vergrößert oder verkleinert, so dass Höhentoleranzen innerhalb der elektrochemischen Einheiten 100 der elektrochemischen Vorrichtung 102 sowohl bei der Montage der elektrochemischen Vorrichtung 102 als auch während des Betriebs der elektrochemischen Vorrichtung 102 ausgeglichen werden.
Dabei bleibt das Versteifungselement 110 auch dann stets in Kontakt mit dem Kopplungselement 140, wenn sich die Bipolarplatte 106 längs der Stapelrichtung 104 von dem Versteifungselement 110 weg bewegen sollte.
Das Federelement 142 ist elastisch gegen das Versteifungselement 110 vorgespannt.
Das Kopplungselement 140 sorgt somit in jedem Betriebszustand der elektrochemischen Vorrichtung 102 zuverlässig dafür, dass eine Relativbewegung zwischen dem Versteifungselement 110 und der Bipolarplatte 106 längs der senkrecht zur Stapelrichtung 104 ausgerichteten Querrichtung 134 verhindert oder zumindest behindert wird.
Die Kante 148, längs welcher das Kopplungselement 140 sich in das Versteifungselement 110 eingräbt, verläuft vorzugsweise im Wesentlichen parallel zu der Längsrichtung 132 und somit im Wesentlichen parallel zu dem äußeren Rand 116 der Bipolarplatte 106 und/oder im Wesentlichen parallel zu der Sicke 118 der Bipolarplatte 106.
Wie am besten aus den 1 und 2 zu ersehen ist, unterbricht das Kopplungselement 140 bei dieser Ausführungsform die Sicke 118, welche im äußeren Randbereich der Bipolarplatte 106 verläuft.
Alternativ hierzu kann auch vorgesehen, dass das Kopplungselement 140 die Sicke 118 nicht unterbricht, sondern auf der den Strömungsfeldern der Bipolarplatte 106 zugewandten inneren Seite der Sicke 118 oder auf der dem äußeren Rand der Bipolarplatte 106 zugewandten äußeren Seite der Sicke 118 angeordnet ist.
Die Sicke 118 ist vorzugsweise ringförmig geschlossen ausgebildet.
Mehrere solcher Kopplungselemente 140 können in der Längsrichtung 132 des äußeren Randes 116 der Bipolarplatte 106 und/oder in der Längsrichtung 132 der Sicke 118 im Abstand voneinander aufeinander folgen.
Radial einwärts von dem dargestellten Randbereich der elektrochemischen Einheit 100, das heißt zu den Strömungsfeldern der Bipolarplatten 106, 106' hin, ist das Versteifungselement 110 mit mindestens einem Elastomer-Dichtelement der Dichtungsanordnung 108, vorzugsweise stoffschlüssig und/oder formschlüssig, verbunden.
Dieses mindestens eine Elastomer-Dichtelement der Dichtungsanordnung 108 ist vorzugsweise stoffschlüssig mit einer Gasdiffusionslage der Membran-Elektroden-Anordnung der elektrochemischen Einheit 100 verbunden.
Das mindestens eine Elastomer-Dichtelement weist vorzugsweise mindestens eine Dichtlippe auf, mit welcher das Dichtelement fluiddicht an einer der Bipolarplatten 106, 106' anliegt.
Das Kopplungselement 140 weist zwei vorzugsweise senkrecht zu der äußeren Kante 148 verlaufende Seitenkanten 150 auf, längs welcher das Kopplungselement 140 aus einem Ausgangsmaterial der Bipolarplatte 106 herausgetrennt worden ist, und zwar vorzugsweise bevor die Sicke 118 durch Umformung des Ausgangsmaterials gebildet worden ist.
Eine in 4 ausschnittsweise dargestellte Variante der in den 1 bis 3 dargestellten ersten Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit 100 für eine elektrochemische Vorrichtung 102 unterscheidet sich von der in den 1 bis 3 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass das Kopplungselement 140 statt des an der Bipolarplatte 106 ausgebildeten Federelements 142 ein an dem Versteifungselement 110 angeordnetes erstes Abstützelement 112 umfasst, mit welchem das Versteifungselement 110 sich an der Bipolarplatte 106 der elektrochemischen Einheit 100 abstützt.
Ferner ist an dem Versteifungselement 110 ein zweites Abstützelement 114 angeordnet, mit welchem das Versteifungselement 110 sich an der Bipolarplatte 106' der benachbarten elektrochemischen Einheit 100' abstützt.
Das erste Abstützelement 112 und/oder das zweite Abstützelement 114 ist vorzugsweise aus einem Elastomermaterial gebildet.
Das Elastomermaterial, aus welchem das erste Abstützelement 112 und/oder das zweite Abstützelement 114 gebildet ist, weist vorzugsweise eine kleinere Biegesteifigkeit, eine kleinere Härte und/oder einen kleineren Elastizitätsmodul auf als das Material, aus welchem das Versteifungselement 110 gebildet ist.
Das erste Abstützelement 112 und/oder das zweite Abstützelement 114 ist vorzugsweise stoffschlüssig mit dem Versteifungselement 110 verbunden.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das erste Abstützelement 112 und/oder das zweite Abstützelement 114 an das Versteifungselement 110 angegossen oder angespritzt ist.
Bei einer Belastung der elektrochemischen Einheit 100 längs der Stapelrichtung 104 verformen sich das erste Abstützelement 112 und das zweite Abstützelement 114 zumindest teilweise elastisch, wobei deren Höhe, das heißt deren Erstreckung längs der Stapelrichtung 104, sich vergrößert oder verkleinert, so dass Höhentoleranzen innerhalb der elektrochemischen Einheiten 100 der elektrochemischen Vorrichtung 102 sowohl bei der Montage der elektrochemischen Vorrichtung 102 als auch während des Betriebs der elektrochemischen Vorrichtung 102 ausgeglichen werden.
Dabei bleibt die Bipolarplatte 106 auch dann stets in Kontakt mit dem ersten Abstützelement 112, wenn sich die Bipolarplatte 106 längs der Stapelrichtung 104 von dem Versteifungselement 110 weg bewegen sollte.
Ferner bleibt die Bipolarplatte 106' der der elektrochemischen Einheit 100 benachbarten weiteren elektrochemischen Einheit 100' auch dann stets in Kontakt mit dem zweiten Abstützelement 114, wenn sich die Bipolarplatte 106' längs der Stapelrichtung 104 von dem Versteifungselement 110 weg bewegen sollte.
Das das erste Abstützelement 112 umfassende Kopplungselement 140 sorgt somit in jedem Betriebszustand der elektrochemischen Vorrichtung 102 zuverlässig dafür, dass eine Relativbewegung zwischen dem Versteifungselement 110 und der Bipolarplatte 106 längs der senkrecht zur Stapelrichtung 104 ausgerichteten Querrichtung 134 verhindert oder zumindest behindert wird.
Ferner bildet das zweite Abstützelement 114 ein weiteres Kopplungselement 140', welches in jedem Betriebszustand der elektrochemischen Vorrichtung 102 zuverlässig dafür sorgt, dass eine Relativbewegung zwischen dem Versteifungselement 110 und der Bipolarplatte 106' längs der senkrecht zur Stapelrichtung 104 ausgerichteten Querrichtung 134 verhindert oder zumindest behindert wird.
Im Übrigen stimmt die in 4 dargestellte Variante der ersten Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit 100 für eine elektrochemische Vorrichtung 102 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in den 1 bis 3 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 5 ausschnittsweise dargestellte zweite Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit 100 für eine elektrochemische Vorrichtung 102 unterscheidet sich von der in den 1 bis 4 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass das Kopplungselement 140 mehrere Federelemente 142 in Form von federnden Zungen 144 umfasst, welche längs Seitenkanten 150 und Kanten 148 aus einem Ausgangsmaterial der Bipolarplatte 106 herausgetrennt und durch einen Umformvorgang längs einer Biegelinie 146 aus der Hauptebene der Bipolarplatte 106 herausgebogen worden sind.
Auch bei dieser Ausführungsform graben sich die scharfen Kanten 148 des Kopplungselements 140 in das Material des Versteifungselements 110 ein, um eine Relativbewegung zwischen dem Versteifungselement 110 und der Bipolarplatte 106 längs einer senkrecht zur Stapelrichtung ausgerichteten Querrichtung 134 zu verhindern oder zumindest zu behindern.
In der in 5 dargestellten Ausführungsform umfasst jedes Kopplungselement 140 zwei federnde Zungen 144, welche jeweils ein Federelement 142 des Kopplungselements 140 bilden.
Im Übrigen stimmt die in 5 dargestellte zweite Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit 100 für eine elektrochemische Vorrichtung 102 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in den 1 bis 4 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 6 ausschnittsweise dargestellte dritte Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit 100 für eine elektrochemische Vorrichtung 102 unterscheidet sich von der in 5 dargestellten Ausführungsform dadurch, dass das Kopplungselement 140 nicht mehrere federnde Zungen 144 umfasst, sondern einen elastisch federnden Vorsprung 152, welcher eine Spitze 154 aufweist, die sich in das Material des Versteifungselements 110 eingräbt.
Der Vorsprung 152 ist vorzugsweise streifenförmig ausgebildet und längs seiner Seitenkanten 150 aus einem Ausgangsmaterial der Bipolarplatte 106 herausgetrennt.
Durch das Eingraben der Spitze 154 in das Versteifungselement 110 verhindert das Kopplungselement 140 auch bei dieser Ausführungsform eine Relativbewegung zwischen dem Versteifungselement 110 und der Bipolarplatte 106 längs der senkrecht zur Stapelrichtung 104 ausgerichteten Querrichtung 134 oder behindert eine solche Relativbewegung zumindest.
Im Übrigen stimmt die in 6 dargestellte dritte Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit 100 für eine elektrochemische Vorrichtung 102 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in 5 dargestellten zweiten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 17 ausschnittsweise dargestellte Variante der in 6 dargestellten dritten Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit 100 für eine elektrochemische Vorrichtung 102 unterscheidet sich von der in 6 dargestellten dritten Ausführungsform dadurch, dass der elastisch verformbare Vorsprung 152 des Kopplungselements 140 statt einer Spitze 154 eine breite Kuppe 158 aufweist, welche mit einer reibungserhöhenden Beschichtung 178, beispielsweise aus einem Elastomermaterial, versehen ist.
Über die Beschichtung 178 liegt der Vorsprung 152 an dem Versteifungselement 110 an und klemmt das Versteifungselement 110 in seiner Position ein, ohne es zu beschädigen.
Bei dieser Ausführungsform verhindert somit ein Reibschluss zwischen dem Kopplungselement 140 in Form des Vorsprungs 152 einschließlich der Beschichtung 178 einerseits und dem Versteifungselement 110 andererseits, dass eine Relativbewegung zwischen dem Versteifungselement 110 und der Bipolarplatte 106 längs der senkrecht zur Stapelrichtung 104 ausgerichteten Querrichtung 134 stattfindet.
Im Übrigen stimmt die in 17 dargestellte Variante der in 6 dargestellten dritten Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit 100 für eine elektrochemische Vorrichtung 102 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in 6 dargestellten dritten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 7 ausschnittsweise dargestellte vierte Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit 100 für eine elektrochemische Vorrichtung 102 unterscheidet sich von der in 5 dargestellten zweiten Ausführungsform dadurch, dass die federnden Zungen 144 des Kopplungselements 140 sich nicht in das Material des Versteifungselements 110 eingraben, welches eine größere Härte und/oder einen größeren Elastizitätsmodul aufweist als ein Elastomermaterial, sondern sich statt dessen in eine Beschichtung 156 aus einem Elastomermaterial eingraben, welche an der dem Kopplungselement 140 zugewandten Seite des Versteifungselements 110 vorgesehen ist.
Die Beschichtung 156 aus dem Elastomermaterial ist vorzugsweise stoffschlüssig mit dem Versteifungselement 110 verbunden.
Durch das Vorhandensein der Beschichtung 156 aus einem Elastomermaterial können sich die scharfen Kanten 148 der federnden Zungen 144 des Kopplungselements 140 noch leichter eingraben und somit eine Relativbewegung zwischen dem Versteifungselement 110 einerseits und der Bipolarplatte 106 andererseits längs der senkrecht zur Stapelrichtung 104 ausgerichteten Querrichtung 134 noch wirksamer behindern oder ganz verhindern.
Im Übrigen stimmt die in 7 dargestellte vierte Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit 100 für eine elektrochemische Vorrichtung 102 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in 5 dargestellten zweiten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 8 ausschnittsweise dargestellte fünfte Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit 100 für eine elektrochemische Vorrichtung 102 unterscheidet sich von der in 6 dargestellten dritten Ausführungsform dadurch, dass der elastisch verformbare Vorsprung 152 des Kopplungselements 140 statt einer Spitze 154 eine breite Kuppe 158 aufweist, welche in eine an dem Versteifungselement 110 vorgesehene Ausnehmung 160 eingreift.
Die Ausnehmung 160 ist komplementär zu der Kuppe 158 des Vorsprungs 152 und zu den an die Kuppe 158 angrenzenden Flanken 162 des Vorsprungs 152 des Kopplungselements 140 ausgebildet, so dass der Vorsprung 152 mit geringem Spiel in der Ausnehmung 160 des Versteifungselements 110 aufgenommen ist.
Bei dieser Ausführungsform verhindert somit ein Formschluss zwischen dem Kopplungselement 140 in Form des Vorsprungs 152 einerseits und der Ausnehmung 160 des Versteifungselements 110 andererseits, dass eine Relativbewegung zwischen dem Versteifungselement 110 und der Bipolarplatte 106 längs der senkrecht zur Stapelrichtung 104 ausgerichteten Querrichtung 134 stattfindet.
Im Übrigen stimmt die in 8 dargestellte fünfte Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit 100 für eine elektrochemische Vorrichtung 102 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in 6 dargestellten dritten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 9 ausschnittsweise dargestellte sechste Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit 100 für eine elektrochemische Vorrichtung 102 unterscheidet sich von den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen dadurch, dass das Kopplungselement 140 nicht an der Bipolarplatte 106, sondern an dem Versteifungselement 110 angeordnet ist.
Das Kopplungselement 140 umfasst in diesem Fall eines oder mehrere an dem Versteifungselement 110 angeordnete Reibungserhöhungselemente 164, welche - vorzugsweise stoffschlüssig - an dem Versteifungselement 110 festgelegt sind und sich an der Bipolarplatte 106 abstützen.
Die Reibungserhöhungselemente 164 umfassen vorzugsweise ein Elastomermaterial und sind besonders bevorzugt im Wesentlichen vollständig aus einem Elastomermaterial gebildet.
Bei dieser Ausführungsform wird durch die erhöhte Haftreibung zwischen den Reibungserhöhungselementen 164 einerseits und der Bipolarplatte 106 andererseits eine Relativbewegung zwischen dem Versteifungselement 110 und der Bipolarplatte 106 längs der senkrecht zur Stapelrichtung 104 ausgerichteten Querrichtung 134 verhindert oder zumindest behindert.
Die Reibungserhöhungselemente 164 können beispielsweise kegelstumpfförmig oder pyramidenstumpfförmig ausgebildet sein.
Vorzugsweise nimmt die Breite B der Reibungserhöhungselemente, das heißt deren Ausdehnung längs der Querrichtung 134, mit wachsendem Abstand von dem Versteifungselement 110 ab.
Im Übrigen stimmt die in 9 dargestellte sechste Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit 100 für eine elektrochemische Vorrichtung 102 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in den 1 bis 4 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 10 ausschnittsweise dargestellte siebte Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit 100 für eine elektrochemische Vorrichtung 102 unterscheidet sich von den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen dadurch, dass das Kopplungselement 140 einen formelastischen Abschnitt 166 des Versteifungselements 110 selbst umfasst.
Der formelastische Abschnitt 166 des Versteifungselements 110 weist bei der in 10 dargestellten Ausgestaltung einen - parallel zur Querrichtung 134 und zur Stapelrichtung 104 genommenen - wellenförmigen Querschnitt auf.
Die Wellenberge und die Wellentäler des wellenförmigen formelastischen Abschnitts 166 des Versteifungselements 110 bilden jeweils Kopplungsstellen 168, an denen der formelastische Abschnitt 166 des Versteifungselements 110 in Kontakt mit der Bipolarplatte 106 der elektrochemischen Einheit 100 oder in Kontakt mit der Bipolarplatte 106' einer benachbarten elektrochemischen Einheit 100 in Kontakt steht.
Diese Kopplungsstellen 168 können linienförmig oder punktförmig ausgebildet sein.
Der Abstand zwischen den Bipolarplatten 106 und 106' wird im montierten Zustand der elektrochemischen Vorrichtung 102 so gewählt, dass der formelastische Abschnitt 166 des Versteifungselements 110 unter einer elastischen Vorspannung steht, welche die Kopplungsstellen 168 des formelastischen Abschnitts 166 gegen die jeweils angrenzende Bipolarplatte 106 bzw. 106' presst.
Hierdurch entsteht an den Kopplungsstellen 168 eine große Haftreibungskraft, welche eine Relativbewegung zwischen dem Versteifungselement 110 einerseits und den Bipolarplatten 106 sowie 106' andererseits längs der senkrecht zur Stapelrichtung 104 ausgerichteten Querrichtung 134 verhindert oder zumindest behindert.
Im Übrigen stimmt die in 10 dargestellte siebte Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit 100 für eine elektrochemische Vorrichtung 102 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in den 1 bis 4 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 11 ausschnittsweise dargestellte achte Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit 100 für eine elektrochemische Vorrichtung 102 unterscheidet sich von der in 10 dargestellten siebten Ausführungsform dadurch, dass der formelastische Abschnitt 166 des Versteifungselements 110, welcher als Kopplungselement 140 dient, bei dieser Ausführungsform in einem - parallel zu der Querrichtung 134 und parallel zu der Stapelrichtung 104 genommenen - Querschnitt nicht wellenförmig, sondern zickzackförmig ausgebildet ist.
In diesem Fall sind die Kopplungsstellen 168, an denen der formelastische Abschnitt 166 mit den Bipolarplatten 106 bzw. 106' in Kontakt steht, als scharfe Kanten 170 oder als punktförmige Spitzen ausgebildet, so dass unter der Einwirkung der elastischen Vorspannung, mit welcher der formelastische Abschnitt 166 gegen die angrenzenden Bipolarplatten 106 und 106' gepresst wird, lokal ein hoher Anpressdruck erzeugt wird. Wenn die Bipolarplatten 106 und 106' nicht aus einem metallischen Material, sondern aus einem weicheren Material gebildet sind, können die scharfen Kanten 170 oder die punktförmigen Spitzen sich in das Material der Bipolarplatte 106 bzw. in das Material der Bipolarplatte 106' eingraben.
Durch die hohe Reibung aufgrund des hohen Anpressdrucks und/oder durch das Eingraben der Kanten 170 oder Spitzen des formelastischen Abschnitts 166 des Versteifungselements 110 in die Bipolarplatten 106 und 106' wird eine Relativbewegung zwischen dem Versteifungselement 110 einerseits und den Bipolarplatten 106 und 106' andererseits längs der senkrecht zur Stapelrichtung 104 ausgerichteten Querrichtung 134 verhindert oder zumindest behindert.
Im Übrigen stimmt die in 11 dargestellte achte Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit 100 für eine elektrochemische Vorrichtung 102 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in 10 dargestellten siebten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 12 ausschnittsweise dargestellte neunte Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit 100 für eine elektrochemische Vorrichtung 102 unterscheidet sich von der in 9 dargestellten sechsten Ausführungsform dadurch, dass nicht nur die der Bipolarplatte 106 der elektrochemischen Einheit 100 zugewandte Seite 172 des Versteifungselements 110 mit Reibungserhöhungselementen 164 versehen ist, sondern auch die der Bipolarplatte 106 der elektrochemischen Einheit 100 abgewandte und der Bipolarplatte 106' der benachbarten elektrochemischen Einheit 100' zugewandte Seite 174 des Versteifungselements 110.
Diese weiteren Reibungserhöhungselemente 164' koppeln im montierten Zustand der elektrochemischen Vorrichtung 102 das Versteifungselement 110 mit der Bipolarplatte 106' der benachbarten elektrochemischen Einheit 100'.
Jedes der Reibungserhöhungselemente 164, 164' kann eine Basis 176 umfassen, welche ganz oder teilweise in einer hierzu im Wesentlichen komplementären Ausnehmung 178 des Versteifungselements 110 aufgenommen ist.
Die Reibungserhöhungselemente 164, die an der der Bipolarplatte 106 der elektrochemischen Einheit 100 zugewandten Seite 172 des Versteifungselements 110 angeordnet sind, sind bei der in 12 dargestellten Ausführungsform mit jeweils einem weiteren Reibungserhöhungselement 164', das an der der Bipolarplatte 106 der elektrochemischen Einheit 100 abgewandten Seite 174 des Versteifungselements 110 angeordnet ist, fluchtend angeordnet (bei Betrachtung längs der Stapelrichtung 104 der elektrochemischen Vorrichtung 102).
Durch den Reibschluss zwischen den Reibungserhöhungselementen 164 mit der Bipolarplatte 106 der elektrochemischen Einheit 100 wird eine Relativbewegung zwischen dem Versteifungselement 110 und der Bipolarplatte 106 der elektrochemischen Einheit 100 längs der senkrecht zur Stapelrichtung 104 ausgerichteten Querrichtung 134 verhindert oder zumindest behindert.
Durch den Reibschluss der Reibungserhöhungselemente 164' mit der Bipolarplatte 106' der benachbarten elektrochemischen Einheit 100' wird eine Relativbewegung zwischen dem Versteifungselement 110 und der Bipolarplatte 106' der benachbarten elektrochemischen Einheit 100' längs der senkrecht zur Stapelrichtung 104 ausgerichteten Querrichtung 134 verhindert oder zumindest behindert.
Im Übrigen stimmt die in 12 dargestellte neunte Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit 100 für eine elektrochemische Vorrichtung 102 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in 9 dargestellten sechsten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 13 ausschnittsweise dargestellte zehnte Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit 100 für eine elektrochemische Vorrichtung 102 unterscheidet sich von der in 12 dargestellten neunten Ausführungsform dadurch, dass die Reibungserhöhungselemente 164, die an der der Bipolarplatte 106 der elektrochemischen Einheit 100 zugewandten Seite 172 des Versteifungselements 110 angeordnet sind, versetzt zu den Reibungserhöhungselementen 164', die an der der Bipolarplatte 106 der elektrochemischen Einheit 100 abgewandten Seite 174 des Versteifungselements 110 angeordnet sind, angeordnet sind (bei Betrachtung längs der Stapelrichtung 104 der elektrochemischen Vorrichtung 102).
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass - längs der Stapelrichtung 104 gesehen - jedes der Reibungserhöhungselemente 164' an der der Bipolarplatte 106 der elektrochemischen Einheit 100 abgewandten Seite 174 des Versteifungselements 110 jeweils ungefähr mittig zwischen zwei Reibungserhöhungselementen 164 an der der Bipolarplatte 106 der elektrochemischen Einheit 100 zugewandten Seite 172 des Versteifungselements 110 angeordnet sind.
Im Übrigen stimmt die in 13 dargestellte zehnte Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit für eine elektrochemische Vorrichtung 102 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in 12 dargestellten neunten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 14 ausschnittsweise dargestellte elfte Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit 100 für eine elektrochemische Vorrichtung 102 unterscheidet sich von den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen dadurch, dass die Bipolarplatte 106 durch mindestens ein erstes Kopplungselement 140 mit einem ersten Versteifungselement 110 und mittels mindestens eines zweiten Kopplungselements 140' mit einem zweiten Versteifungselement 110' (das heißt einem Versteifungselement einer der elektrochemischen Einheit 100 benachbarten weiteren elektrochemischen Einheit 100') gekoppelt ist.
Die Bipolarplatte 106 ist dabei zweilagig ausgebildet und umfasst eine erste Bipolarplattenlage 180 und eine zweite Bipolarplattenlage 182.
Das erste Kopplungselement 140 umfasst einen elastisch verformbaren Vorsprung 152 an der ersten Bipolarplattenlage 180, welcher zu dem ersten Versteifungselement 110 hin vorspringt und eine breite Kuppe 158 aufweist, welche an dem ersten Versteifungselement 110 anliegt und dieses durch Kraftschluss in seiner Position relativ zu der Bipolarplatte 106 fixiert.
Das zweite Kopplungselement 140' umfasst einen elastisch verformbaren Vorsprung 152 an der zweiten Bipolarplattenlage 182, welcher zu dem zweiten Versteifungselement 110', an welchem der Vorsprung 152 mit einer breiten Kuppe 158 anliegt, hin vorspringt. Somit fixiert das zweite Kopplungselement 140' das zweite Versteifungselement 110' durch Kraftschluss in seiner Position relativ zu der Bipolarplatte 106.
Die beiden Bipolarplattenlagen 180 und 182 liegen längs einer Hauptebene 184 der Bipolarplatte 106, welche senkrecht zu der Stapelrichtung 104 der elektrochemischen Vorrichtung 102 ausgerichtet ist, aneinander an.
Bei der in 14 dargestellten Ausführungsform sind das erste Kopplungselement 140 und das zweite Kopplungselement 140' in Bezug auf diese Hauptebene 184 der Bipolarplatte 106 symmetrisch zueinander ausgebildet.
Da beide Versteifungselemente 110 und 110' auf ihren der Bipolarplatte 106 abgewandten Seiten mit jeweils einer weiteren Bipolarplatte einer weiteren elektrochemischen Einheit 100 gekoppelt sind, sind die Bipolarplatten 106, 106' einander benachbarter elektrochemischer Einheiten 100 bei dieser Ausführungsform über die jeweils dazwischen angeordneten Versteifungselemente 110, 110' mechanisch aneinander gekoppelt, so dass auch eine gewisse Fixierung der Positionen der Bipolarplatten 106, 106' zueinander erreicht wird.
Im Übrigen stimmt die in 14 dargestellte elfte Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit 100 für eine elektrochemische Vorrichtung 102 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in den 1 bis 3 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 15 ausschnittsweise dargestellte zwölfte Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit 100 für eine elektrochemische Vorrichtung 102 unterscheidet sich von der in 14 dargestellten elften Ausführungsform dadurch, dass die Kopplungselemente 140 und 140' nicht bezüglich der Hauptebene 184 der Bipolarplatte 106 spiegelsymmetrisch zueinander ausgebildet sind, sondern gegeneinander versetzt sind, vorzugsweise längs der Querrichtung 134 und/oder längs der Längsrichtung 132 gegeneinander versetzt sind. In Abhängigkeit vom Abstand der Kopplungselemente 140 und 140' voneinander und in Abhängigkeit von der Biegesteifigkeit der Versteifungselemente 110, 110' kann auch hier eine Kopplung der Bipolarplatten 106 und 106' von einander benachbarten elektrochemischen Einheiten 100 erreicht werden. Ferner ist auch hier eine Fixierung der Position der Versteifungselemente 110 und 110' relativ zu der Bipolarplatte 106 gegeben.
Im Übrigen stimmt die in 15 dargestellte zwölfte Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit 100 für eine elektrochemische Vorrichtung 102 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in 14 dargestellten elften Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 16 ausschnittsweise dargestellte dreizehnte Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit für eine elektrochemische Vorrichtung 102 unterscheidet sich von der in 15 dargestellten zwölften Ausführungsform dadurch, dass die Bipolarplatte 106, welche mit dem ersten Kopplungselement 140 und dem zweiten Kopplungselement 140' versehen ist, nicht zweilagig, sondern einlagig ausgebildet ist.
Alternativ hierzu könnte auch vorgesehen sein, dass die Bipolarplatte 106 zwar mehrlagig ausgebildet ist, beide Bipolarplattenlagen der Bipolarplatte 106 aber in derselben Weise umgeformt sind, so dass alle Flächen der beiden Bipolarplattenlagen 180, 182 parallel zueinander ausgerichtet sind.
Im Übrigen stimmt die in 16 dargestellte dreizehnte Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit 100 für eine elektrochemische Vorrichtung 102 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in 15 dargestellten zwölften Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.

Claims

Elektrochemische Einheit für eine elektrochemische Vorrichtung (102), in welcher mehrere elektrochemische Einheiten (100) längs einer Stapelrichtung (104) aufeinander folgen, wobei die elektrochemische Einheit (100) eine Membran-Elektroden-Anordnung, eine Bipolarplatte (106) und eine Dichtungsanordnung (108) umfasst und wobei die Dichtungsanordnung (108) mindestens ein Elastomer-Dichtelement und mindestens ein Versteifungselement (110) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Einheit (100) mindestens ein Kopplungselement (140) umfasst, welches sich bei einer Belastung längs der Stapelrichtung (104) zumindest teilweise elastisch verformt und eine Relativbewegung zwischen dem Versteifungselement (110) und der Bipolarplatte (106) längs einer senkrecht zur Stapelrichtung (104) ausgerichteten Querrichtung (134) behindert oder verhindert.
Elektrochemische Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungselement (140) ein an der Bipolarplatte (106) ausgebildetes Federelement (142) umfasst.
Elektrochemische Einheit nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungselement (140) eine federnde Zunge (144) umfasst.
Elektrochemische Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungselement (140) einen Vorsprung (152) der Bipolarplatte (106) umfasst.
Elektrochemische Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungselement (140) eine Spitze (154) und/oder eine Kante (148) aufweist, welche sich in das Versteifungselement (110) oder in eine Beschichtung (156) des Versteifungselements (110) eingräbt.
Elektrochemische Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Versteifungselement (110) oder eine Beschichtung (156) des Versteifungselements (110) eine Ausnehmung (160) aufweist, in welche das Kopplungselement (140) eingreift.
Elektrochemische Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungselement (140) mindestens ein an dem Versteifungselement (110) angeordnetes Reibungserhöhungselement (164) und/oder mindestens eine an dem Versteifungselement (110) oder an der Bipolarplatte (106) angeordnete rutschhemmende Beschichtung (178) umfasst.
Elektrochemische Einheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer der Bipolarplatte (106) der elektrochemischen Einheit (100) abgewandten Seite (174) des Versteifungselements (110) mindestens ein weiteres Reibungserhöhungselement (164') angeordnet ist, welches im montierten Zustand der elektrochemischen Vorrichtung (102) das Versteifungselement (110) mit einer Bipolarplatte (106') einer benachbarten elektrochemischen Einheit (100') koppelt.
Elektrochemische Einheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Reibungserhöhungselement (164), das an der der Bipolarplatte (106) der elektrochemischen Einheit (100) zugewandten Seite (172) des Versteifungselements (110) angeordnet ist, mit jeweils einem Reibungserhöhungselement (164'), das an der der Bipolarplatte (106) der elektrochemischen Einheit (100) abgewandten Seite (174) des Versteifungselements (110) angeordnet ist, fluchtend angeordnet ist.
Elektrochemische Einheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Reibungserhöhungselemente (164), die an der der Bipolarplatte (106) der elektrochemischen Einheit (100) zugewandten Seite (172) des Versteifungselements (110) angeordnet sind, versetzt zu mehreren Reibungserhöhungselementen (164'), die an der der Bipolarplatte (106) der elektrochemischen Einheit (100) abgewandten Seite (174) des Versteifungselements (110) angeordnet sind, angeordnet sind.
Elektrochemische Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungselement (140) einen formelastischen Abschnitt (166) des Versteifungselements (110) und/oder einen formelastischen Abschnitt der Bipolarplatte (106) umfasst.
Elektrochemische Einheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Versteifungselement (110) in dem formelastischen Abschnitt (166) des Versteifungselements (110) und/oder die Bipolarplatte (106) in dem formelastischen Abschnitt der Bipolarplatte (106) im Querschnitt wellenförmig oder zickzackförmig ausgebildet ist.
Elektrochemische Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Einheit (100) mindestens ein weiteres Kopplungselement (140') umfasst, welches sich bei einer Belastung längs der Stapelrichtung (104) zumindest teilweise elastisch verformt und eine Relativbewegung zwischen der Bipolarplatte (106) und einem Versteifungselement (110') einer der elektrochemischen Einheit (100) benachbarten weiteren elektrochemischen Einheit (100') längs einer senkrecht zur Stapelrichtung (104) ausgerichteten Querrichtung (134) behindert oder verhindert.
Elektrochemische Vorrichtung, umfassend mehrere elektrochemische Einheiten (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, welche längs einer Stapelrichtung (104) der elektrochemischen Vorrichtung (102) aufeinander folgen.