DE102021204497A1 - Dichtungsanordnung, Plattenanordnung, elektrochemisches System sowie Verfahren zur Herstellung einer Dichtungsanordnung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung (50), umfassend:- ein elastomeres Dichtelement (52), welches ein aufgeschäumtes Material mit Mikrosphären (54) aufweist, sowie- eine metallische Lage (60) mit einer Oberflächenstrukturierung (62), wobei die Oberflächenstrukturierung (62) eine Vielzahl von Vertiefungen (64) aufweist,wobei das Dichtelement (52) als Beschichtung der metallischen Lage (60) ausgeführt ist und zumindest bereichsweise auf der Oberflächenstrukturierung (62) angeordnet ist,wobei eine Konzentration der Mikrosphären (54) im Dichtelement (52) gemessen senkrecht zur Oberfläche (61) der metallischen Lage (60) inhomogen ist. Außerdem betrifft die Erfindung eine Plattenanordnung (70), ein elektrochemisches System (1) sowie ein Verfahren zur Herstellung der Dichtungsanordnung (50).

Description

• Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung, welche ein elastomeres Dichtelement und eine metallische Lage aufweist. Weiter betrifft die Erfindung eine Plattenanordnung für ein elektrochemisches System sowie ein derartiges elektrochemisches System mit einer derartigen Dichtanordnung. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der Dichtungsanordnung.
• Bekannte elektrochemische Systeme sind beispielsweise Brennstoffzellensysteme oder elektrochemische Verdichtersysteme, insbesondere Elektrolyseure. Bekannte Elektrolyseure sind z. B. derart ausgebildet, dass durch Anlegen eines Potentials neben der Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser diese Gase gleichzeitig unter Druck komprimiert werden. Daneben sind auch elektrochemische Verdichtersysteme wie z. B. elektrochemische Wasserstoffkompressoren bekannt, welchen gasförmiger molekularer Wasserstoff zugeführt wird und in denen dieser durch das Anlegen eines Potentials elektrochemisch verdichtet wird. Diese elektrochemische Verdichtung bietet sich insbesondere für geringe Mengen zu verdichtenden Wasserstoffs an, da eine mechanische Kompression des Wasserstoffs hier deutlich aufwändiger wäre.
• Ferner sind elektrochemische Systeme bekannt, die einen Stapel elektrochemischer Zellen umfassen, welche jeweils durch Bipolarplatten voneinander getrennt sind. Solche Bipolarplatten können z. B. der indirekten elektrischen Kontaktierung der Elektroden der einzelnen elektrochemischen Zellen (z. B. Brennstoffzellen) und/oder der indirekten elektrischen Verbindung benachbarter Zellen dienen (Serienschaltung der Zellen). Die Bipolarplatten können auch eine Kanalstruktur aufweisen oder eine Kanalstruktur bilden, die zur Versorgung der Zellen mit einem oder mehreren Medien und/oder zum Abtransport von Reaktionsprodukten eingerichtet ist. Bei den Medien kann es sich um Brennstoffe (z. B. Wasserstoff oder Methanol), Reaktionsgase (z. B. Luft oder Sauerstoff) oder um Kühlmittel handeln. Eine solche Kanalstruktur ist gewöhnlich in einem elektrochemisch aktiven Bereich angeordnet (Flowfield) sowie in den zu diesem hin- und von diesem wegführenden Verteil- bzw. Sammelbereichen. Ferner können die Bipolarplatten zum Weiterleiten der bei der Umwandlung elektrischer bzw. chemischer Energie in der elektrochemischen Zelle entstehenden Abwärme sowie zum Abdichten der verschiedenen Medienkanäle, einschließlich der Kühlkanäle, gegeneinander und/oder nach außen ausgebildet sein. Beispielsweise können die Bipolarplatten Öffnungen aufweisen, durch die hindurch die zuzuführenden Medien und/oder die Reaktionsprodukte zu den zwischen benachbarten Bipolarplatten des Stapels angeordneten elektrochemischen Zellen geleitet oder von diesen weggeführt werden können.
• Die elektrochemischen Zellen können z. B. jeweils eine oder mehrere Membran-Elektrodeneinheiten (Membrane Electrode Assemblies bzw. MEA) umfassen. Die MEA können eine oder mehrere elektrisch leitfähige Gasdiffusionslagen aufweisen, die üblicherweise zu den Bipolarplatten hin orientiert und z. B. als elektrisch leitfähiges Vlies, insbesondere als Metall- oder Kohlenstoffvlies ausgebildet sind. Die Membran-Elektrodeneinheiten weisen an ihrem Außenrand üblicherweise eine rahmenförmige Abdichtung auf, die insbesondere aus polymerbasiertem Material, vorzugsweise aus polymerbasierten Folien, gebildet ist.
• Die Abdichtung zwischen den Bipolarplatten und der Membran-Elektrodeneinheit erfolgt üblicherweise außerhalb des elektrochemisch aktiven Bereichs und umfasst üblicherweise sowohl mindestens eine Portabdichtung sowie eine Außenabdichtung. Die Bipolarplatten sind üblicherweise aus zwei Separatorplatten aufgebaut, von denen jeweils eine an eine Membran-Elektrodeneinheit angrenzt. Die Separatorplatten können zur Abdichtung gegenüber der Membran-Elektrodeneinheit, insbesondere gegenüber der rahmenförmigen Abdichtung der Membran-Elektrodeneinheit Dichtungen aufweisen, diese können, wenn die Separatorplatten als metallische Platten, z.B. aus Edelstahl, ausgebildet sind, als Dichtsicken in die Separatorplatten eingeformt sein, beispielsweise mittels Prägens, Tiefziehens oder Hydroforming. Zur Verbesserung der Mikroabdichtung weisen derartige Dichtsicken üblicherweise zumindest einseitig polymerbasierte Dichtbeschichtungen auf.
• Bei manchen Anwendungen muss die Dichtvorrichtung in einem Temperaturbereich zwischen einer Minimaltemperatur von z. B. -40°C und einer Maximaltemperatur von z. B. +100 °C gleichermaßen zuverlässig ihre Funktion erfüllen. Derartige Temperaturwechsel können insbesondere beim Betriebsstart eines Brennstoffzellensystems bei Umgebungstemperatur bzw. beim Kaltstart im Winter bei Minusgraden hin zur maximalen Betriebstemperatur des Stapels auftreten. Das rahmenförmige Abdichtelement der Membran-Elektrodeneinheit besteht wie bereits erwähnt gewöhnlich aus polymerbasiertem Material, die Separatorplatten der Bipolarplatte vorzugsweise aus einem metallischen Material. Diese Materialien weisen unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten auf. Insbesondere bei schnellem Kaltstart können sich die Separatorplatte und die Membran-Elektrodeneinheit unterschiedlich ausdehnen und das rahmenförmige Abdichtelement kann sich gegen die Dichtsicken verschieben. Dies kann zu einem Ablösen einer ggf. auf der Dichtsicke vorhandenen Beschichtung führen. Üblicherweise findet dabei kein Abgleiten der Dichtbeschichtung am rahmenförmigen Abdichtelement statt, sondern es kommt zum zumindest zeitweiligen Anhaften der polymerbasierten Dichtbeschichtung am polymerbasierten rahmenförmigen Abdichtelement. Die Auswirkungen des Ablösens und Anhaftens der Beschichtung wird insbesondere beim Zerlegen des Stapels offensichtlich, wobei die Beschichtung auf Grund der zuvor erfolgten Ablösung von der Bipolarplatte abgezogen wird.
• Um die Mikroabdichtung weiter zu verbessern, werden metallische Dichtsicken häufig zumindest im Bereich der die Durchgangsöffnungen umgebenden Sicken mit einer Mikrosphären enthaltenden elastomeren Beschichtung versehen. Derartige Beschichtungen weisen eine näherungsweise regelmäßige Verteilung der Mikrosphären in der Beschichtungsmasse auf, so dass nicht über die gesamte der metallischen Oberfläche zugewandte Oberfläche der Beschichtung eine Verbindung zwischen dem Elastomer und der metallischen Oberfläche vorhanden ist. Daher können sich derartige Mikrosphären enthaltende elastomere Beschichtungen im Verlauf der Zeit besonders leicht ablösen, was zu Undichtigkeiten im jeweiligen System führen kann. Es wäre wünschenswert, wenn die Haftung dieser Beschichtungen verbessert werden kann.
• Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Dichtungsanordnung, eine Plattenanordnung und ein elektrochemisches System bereitzustellen, welche die vorstehend genannten Probleme zumindest teilweise lösen. Außerdem wäre es vorteilhaft, ein Verfahren zur Herstellung einer Dichtungsanordnung zu entwickeln.
• Diese Aufgabe wird durch die Dichtungsanordnung, die Plattenanordnung und das elektrochemische System sowie das Verfahren zur Herstellung einer Dichtungsanordnung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Weiterbildungen sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche und der nachfolgenden Beschreibung.
• Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Dichtungsanordnung bereitgestellt. Die Dichtungsanordnung umfasst:
• - ein elastomeres Dichtelement, welches ein aufgeschäumtes Material mit Mikrosphären aufweist, sowie
• - eine metallische Lage mit einer Oberflächenstrukturierung, wobei die Oberflächenstrukturierung eine Vielzahl von Vertiefungen aufweist.
• Das Dichtelement ist als Beschichtung der metallischen Lage ausgeführt und ist zumindest bereichsweise auf der Oberflächenstrukturierung angeordnet. Eine Konzentration der Mikrosphären im Dichtelement gemessen senkrecht zur Oberfläche der metallischen Lage ist inhomogen. Durch die inhomogene Konzentration der Mikrosphären kann das Dichtelement eine verbesserte Haftung an der metallischen Lage aufweisen.
• Die inhomogene Konzentration soll hier insbesondere nicht so verstanden werden, dass lediglich die Größen der Mikrosphären unterschiedlich ist, sondern dass der Volumenanteil des Gases in der Polymermatrix unterschiedlich ist, d.h. die Summe der Volumina der Mikrosphären bezogen auf ein Volumen der Beschichtungsmasse bestehend aus Polymermatrix und Mikrosphären.
• Es kann vorgesehen sein, dass das Dichtelement eine an die metallische Lage angrenzende erste Grenzschicht aufweist, und die Konzentration der Mikrosphären in dem Dichtelement innerhalb der ersten Grenzschicht geringer ist als außerhalb der ersten Grenzschicht. Insbesondere bei geeigneter Temperaturführung des Beschichtungs-, Vernetzungs- und/oder Expansionsverfahrens kann das Dichtelement eine von der metallischen Lage wegweisende zweite Grenzschicht aufweisen, wobei die Konzentration der Mikrosphären in dem Dichtelement innerhalb der ersten und zweiten Grenzschicht geringer ist als außerhalb der ersten und zweiten Grenzschicht. Hierbei können die erste und ggf. vorhandene zweite Grenzschicht gemeinsam oder jeweils eine Dicke von höchstens 35%, vorzugsweise höchstens 30%, besonders vorzugsweise höchstens 23% bezogen auf eine gesamte maximale Schichtdicke des Dichtelements gemessen senkrecht zur Oberfläche der metallischen Lage aufweisen. Weist nur eine erste Grenzschicht eine geringere Konzentration an Mikrosphären auf, so kann ihr Dickenanteil an der maximalen Schichtdicke des Dichtelements auch nur höchstens 18% betragen.
• Im Umkehrschluss ist bevorzugt auch die Konzentration des polymerbasierten Beschichtungsmaterials, d.h. der Polymermatrix abzüglich der Mikrosphären inhomogen. Insbesondere kann der Masseanteil der Polymermatrix in der ersten und ggf. auch der zweiten Grenzschicht größer sein als außerhalb der ersten und ggf. der zweiten Grenzschicht. Dies kann beispielsweise anhand einer Messung mittels Terahertzstrahlung oder Computertomographie überprüft werden.
• Eine mögliche Erklärung für die verbesserte Haftung besteht darin, dass die mit der Oberflächenstrukturierung versehene Oberfläche der metallischen Lage in der Regel rauer ist als die unbehandelte Oberfläche. Die Mikrosphären können eine geringere Affinität für die rauere Oberfläche haben als das elastomere Basismaterial, wodurch das elastomere Basismaterial im Bereich der Oberflächenstrukturierung besser an der metallischen Lage haftet als an glatten, unstrukturierten metallischen Lagen. Insgesamt kann durch die Oberflächenstrukturierung eine Zunahme des Elastomeranteils bzw. des Anteils der Polymermatrix in der Grenzschicht zur metallischen Lage bewirkt werden. Durch die geringere Konzentration an Mikrosphären in der Grenzschicht kann in diesem Bereich die Haftung des Dichtelements an der metallischen Lage verbessert werden. Diese stark verbesserte Haftung des Dichtelements auf der metallischen Lage wurde in verschiedenen Tests bestätigt, in denen die in dieser Anmeldung vorgeschlagene Dichtungsanordnung mit ähnlichen Dichtungsanordnungen ohne Oberflächenstrukturierung verglichen wurde. Hierzu wurden die zu vergleichenden Dichtungsanordnungen mit organischen Lösungsmitteln beträufelt und anschließend mechanisch beansprucht. In diesen Tests hat sich herausgestellt, dass die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung eine bis zu zehnfach stärkere Haftung aufweist.
• Die Dichtungsanordnung kann eine in die metallische Lage eingeformte, elastisch verformbare Sicke aufweisen, welche manchmal auch als Dichtsicke bezeichnet wird. Die Oberflächenstrukturierung kann auf nur einer oder auf beiden Oberflächen der Sicke ausgebildet sein. Vorzugsweise ist das Dichtelement zumindest bereichsweise auf der Sicke angeordnet. Die Sicke kann z.B. ein Sickendach und mindestens eine an das Sickendach angrenzende Sickenflanke oder auch nur ein gewölbtes Sickendach ohne explizite Sickenflanken aufweisen. Die Oberflächenstrukturierung kann sich zumindest bereichsweise über das Sickendach und/oder die mindestens einen Sickenflanke erstrecken. Die Oberflächenstrukturierung kann aber auch seitlich über den Bereich der Sickenflanke hinaus ausgedehnt werden. Es kann vorgesehen sein, dass die Oberflächenstrukturierung die Oberfläche der Sicke auf wenigstens einer Seite der metallischen Lage zumindest bereichsweise oder vollständig bedeckt. Die Sicke ist vorzugsweise auf wenigstens der Seite der metallischen Lage, die dem abzudichtenden Bauteil, also insbesondere einem abdichtenden Randbereich einer Membran-Elektrodeneinheit, zugewandt ist, zumindest bereichsweise oder vollständig mit einer Oberflächenstrukturierung versehen. Vorzugsweise sind die Oberflächenstrukturierung und das Dichtelement also auf der konvexen, nach außen ausgewölbten, Oberfläche der Sicke ausgebildet. Die Sicke weist üblicherweise eine Querrichtung auf, die von einer Sickenflanke zum Sickendach bzw. zur ggf. vorhandenen zweiten Sickenflanke weist oder sich entlang der Wölbung des gewölbten Sickendachs erstreckt. Die Längsrichtung der Sicke entspricht in der Regel ihrer Erstreckungsrichtung, d.h. beispielsweise um einen Port in einer Separatorplatte.
• In der Dichtungsanordnung kann ein mittlerer Durchmesser der Mikrosphären mindestens 20 um, insbesondere mindestens 30 um und/oder höchstens 80 µm, insbesondere höchstens 60 µm betragen. Üblicherweise sind die Mikrosphären mit einem gasförmigen Medium, insbesondere einem Treibmittel, vorzugsweise einem gasförmigen Kohlenwasserstoff, insbesondere einem gesättigten Kohlenwasserstoff wie n-Pentan, Isopentan oder Isobutan gefüllt. Das gasförmige Medium ist in der Regel in den Mikrosphären eingeschlossen. Das kompressible gasförmige Medium in den Mikrosphären kann die Elastizität des Dichtelements vergrößern und damit die Abdichtfunktion des Dichtelements verbessern.
• In manchen Ausführungsformen weisen die Mikrosphären einen mittleren Durchmesser auf, der größer als eine Breite der Vertiefungen ist. In manchen Ausführungsformen weisen die Mikrosphären einen mittleren Durchmesser auf, der kleiner als eine Breite der Vertiefungen ist. In diesem Fall kann ein weiterer Mechanismus zur besseren Haftung vorgeschlagen werden. Dadurch, dass der mittlere Durchmesser der Mikrosphären größer als eine laterale Ausdehnung der Vertiefungen ist, können sich die Mikrosphären nicht oder nur teilweise im Bereich der Grenzschicht ablagern. Insgesamt ist somit die Konzentration der Mikrosphären in der Grenzschicht kleiner als außerhalb der Grenzschicht.
• Die Schichtdicke des Dichtelements der Dichtungsanordnung kann zum Beispiel insgesamt höchstens 500 µm, bevorzugt höchstens 300 µm, vorzugsweise höchstens 200 µm, insbesondere höchstens 150 µm sein. In manchen Ausführungsformen ist die metallische Lage vollflächig oder partiell mit dem als Beschichtung ausgestalteten Dichtelement versehen. Für das elastomere Dichtelement kommen verschiedene Elastomere in Betracht. Beispielsweise enthält das Dichtelement FPM (Fluorelastomer), Silikon-Kautschuk oder NBR-Kautschuk (Nitril-Butadien-Kautschuk), PUR (Polyurethan), NR (Naturkautschuk), FFKM (Perfluorkautschuk), SBR (Styrol-Butadien-Kautschuk), BR (Butylkautschuk), FVSQ (Fluorsilikon), CSM (Chlorsulfoniertes Polyethylen), Silikonharz, Epoxidharz oder Mischungen der vorgenannten Stoffe, oder Haftklebstoff und/oder physikalisch abbindenden Klebstoff. Das Dichtelement kann auch Schichtungen aufweisen, welche jeweils eines oder mehrere der vorstehenden Materialien umfassen.
• Die Vertiefungen können eine Breite und/oder einen Durchmesser, insbesondere gemessen auf halber Höhe der Vertiefungen und/oder parallel zur unbehandelten bzw. unstrukturierten Metalloberfläche, von maximal 150 um, vorzugsweise maximal 100 um, insbesondere maximal 70 µm aufweisen. Die Vertiefungen können eine Tiefe, vorzugsweise gemessen von der unbehandelten Oberfläche der metallischen Lage in der Umgebung der Vertiefung bis zur tiefsten Stelle der Vertiefung, von wenigstens 2 µm und/oder höchstens 40 µm aufweisen. Die Vertiefungen können eine Tiefe von höchstens 20% der Dicke der metallischen Lage aufweisen. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass die metallische Lage keine Materialschwächungen aufweist, welche im Betrieb zu Undichtigkeiten oder Brüchen des Materials führen. Die Dicke der metallischen Lage wird manchmal auch Stärke der metallischen Lage genannt.
• Um einen ausreichenden Effekt der Oberflächenbehandlung zu erzielen, sollte ein Maximalabstand von benachbarten Vertiefungen höchstens den fünffachen Durchmesser einer Vertiefung betragen. Andererseits sollten die Vertiefungen nicht zu dicht aneinander angeordnet sein, da dies eine Materialzerstörung zur Folge haben könnte. Benachbarte Vertiefungen weisen vorzugsweise einen Mindestabstand auf, welcher einem halben Durchmesser der Vertiefungen entspricht. Der Abstand zwischen benachbarten Vertiefungen kann in Längsrichtung und in Querrichtung des Dichtelements unterschiedlich ausgestaltet sein. In Querrichtung sollte der Mindestabstand mindestens dem halben Durchmesser entsprechen. Weiter kann in Querrichtung der Maximalabstand maximal dem dreifachen Durchmesser entsprechen. In Längsrichtung kann der Mindestabstand mindestens dem Durchmesser einer Vertiefung entsprechen. In Längsrichtung sollte der Maximalabstand das Fünffache des Durchmessers betragen. Wird ein solches Dichtelement mit einer Dichtsicke kombiniert, so entsprechen die Längs- und Querrichtung des Dichtelements der Längs- bzw. Querrichtung der Dichtsicke.
• Ein Umfangsrand der Vertiefungen kann zum Beispiel im Wesentlichen rund, elliptisch oder oval sein. Die Form des Umfangsrandes kann von der jeweiligen Position der Vertiefungen auf der metallischen Lage abhängen. Beispielsweise kann der Umfangsrand der auf dem Sickendach angeordneten Vertiefungen sich vom Umfangsrand der auf der mindestens einen Sickenflanke angeordneten Vertiefungen unterscheiden (s. weiter unten).
• Die Vertiefungen sind vorzugsweise mittels Laserstrahlung erzeugt. In anderen Ausführungsformen sind die Vertiefungen mechanisch erzeugt, z.B. durch Einprägen oder Einritzen der metallischen Lage. Die Vertiefungen können zumindest teilweise von Erhöhungen umgeben sein. Die Erhöhungen können am jeweiligen Umfangsrand der Vertiefungen ausgebildet sein. Die jeweilige Erhöhung kann über die unbehandelte Oberfläche der metallischen Lage vorstehen. Die genannte Erhöhung kann zum Beispiel als Kraterrand ausgebildet sein. Typischerweise entsteht der Kraterrand bei der Ausbildung der Vertiefungen, beispielsweise durch Laserstrahlung, wobei der Kraterrand durch Erstarren von geschmolzenem Material gebildet wird. Der Kraterrand bzw. die Erhöhung können somit aus dem aus den Vertiefungen abgewanderten Material gebildet sein.
• Die metallische Lage kann weitere Prägestrukturen aufweisen, welche z.B. mittels Tiefziehens, Prägens und/oder Hydroforming erzeugt sind. Diese weiteren Prägestrukturen können neben den bereits vorgenannten Dichtsicken Strukturen zur Medienführung entlang der metallischen Lage, wie ein Strömungsfeld und/oder Kanalstrukturen, aufweisen. Das Dichtelement kann die Prägestrukturen umgeben, z.B. in sich geschlossen umgeben. Die Dichtungsanordnung kann z.B. eine Perimetersicke aufweisen, also eine Dichtsicke, die das Strömungsfeld umläuft und dieses gegenüber der Umgebung der metallischen Lage abdichtet und dabei zumindest abschnittsweise die vorgenannten Oberflächenstrukturierung aufweist und von einem elastomeren Dichtelement bedeckt ist.
• In bestimmten Ausführungen kann die Dichtungsanordnung zumindest eine in der metallischen Lage ausgebildete Durchgangsöffnung für Gas oder Flüssigkeit in sich geschlossen umgeben. In manchen Ausführungsformen umgibt die genannte Sicke die Durchgangsöffnung in sich geschlossen. Beispielsweise kann die Dichtungsanordnung eine Portsicke aufweisen, also eine Dichtsicke, die die Durchgangsöffnung für Medien abdichtet.
• Oftmals ist die metallische Lage als Separatorplatte oder Teil einer Bipolarplatte für ein elektrochemisches System ausgeführt.
• Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Plattenanordnung für ein elektrochemisches System vorgeschlagen. Diese umfasst eine Dichtungsanordnung mit einem elastomeren Dichtelement, welches ein aufgeschäumtes Material mit Mikrosphären aufweist. Dabei weist das System weiter zwei als metallische Lagen ausgebildete Separatorplatten auf, die wie die vorgenannten metallischen Lagen zumindest abschnittsweise mit einer Oberflächenstrukturierung versehen sind. Wie bei den vorgenannten Dichtungsanordnungen weist die Oberflächenstrukturierung eine Vielzahl von Vertiefungen auf. Die Plattenanordnung weist weiterhin eine zwischen den Separatorplatten angeordnete Membran-Elektrodeneinheit auf. Das Dichtelement ist dabei als mindestens einseitige, insbesondere genau einseitige Beschichtung jeder der Separatorplatten ausgeführt und zumindest bereichsweise auf der Oberflächenstrukturierung angeordnet. Die Dichtungsanordnung ist dabei vorzugsweise auf der der Membran-Elektrodeneinheit zugewandten Oberfläche der Separatorplatten angeordnet. Dabei ist wie bei den vorgenannten Dichtungsanordnungen eine Konzentration der Mikrosphären im Dichtelement gemessen senkrecht zur Oberfläche der metallischen Lage inhomogen.
• Jede Plattenanordnung umfasst dabei vorzugsweise nur genau zwei Separatorplatten, die jeweils von der Membran-Elektrodeneinheit voneinander getrennt werden. Jede Separatorplatte kann Bestandteil einer Bipolarplatte sein, wobei die Bipolarplatte typischerweise zwei aneinander anliegende Separatorplatten umfasst. Eine Bipolarplatte gehört somit vorzugsweise zu zwei verschiedenen Plattenanordnungen.
• Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein elektrochemisches System vorgeschlagen. Das elektrochemische System weist beispielsweise eine Vielzahl der Plattenanordnungen der zuvor beschriebenen Art auf. Alternativ oder ergänzend weist das elektrochemische System eine Vielzahl von Dichtungsanordnungen der zuvor beschriebenen Art auf.
• Üblicherweise wird der die Bipolarplatten und die elektrochemischen Zellen umfassende Stapel, d.h. das elektrochemische System an den Enden des Stapels jeweils durch eine Endplatte abgeschlossen. Wenigstens eine der Endplatten weist typischerweise einen oder mehrere Ports auf. An diese können Leitungen zum Zuführen der Medien und/oder zum Abführen der Reaktionsprodukte angeschlossen werden. Zudem weist wenigstens eine der Endplatten gewöhnlich elektrische Anschlüsse auf, über die der Zellstapel mit einem Verbraucher oder mit einer Spannungsquelle elektrisch verbindbar ist. Dementsprechend kann das elektrochemische System Endplatten aufweisen.
• Außerdem wird mit der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Dichtungsanordnung vorgeschlagen, insbesondere der Dichtungsanordnung der zuvor beschriebenen Art. Das Verfahren weist zumindest folgende Schritte auf:
• - Bereitstellen einer metallischen Lage,
• - Versehen der metallischen Lage mit einer Oberflächenstrukturierung, wobei die Oberflächenstrukturierung eine Vielzahl von Vertiefungen aufweist,
• - Aufbringen eines aufschäumbaren Materials mit expandierbaren Mikrosphären auf die Oberflächenstrukturierung,
• - Ausbilden eines elastomeren Dichtelements auf der metallischen Lage unter Expansion der Mikrosphären, wobei eine Verteilung der expandierten Mikrosphären im Dichtelement gemessen senkrecht zur Oberfläche der metallischen Lage inhomogen ist.
• Wiederum soll die inhomogene Konzentration hier insbesondere nicht so verstanden werden, dass lediglich die Größen der Mikrosphären unterschiedlich ist, sondern dass der Volumenanteil des Gases in der Polymermatrix unterschiedlich ist, d.h. die Summe der Volumina der Mikrosphären bezogen auf ein Volumen der Beschichtungsmasse bestehend aus Polymermatrix und Mikrosphären. Im Umkehrschluss ist bevorzugt auch hier die Konzentration des polymerbasierten Beschichtungsmaterials, d.h. der Polymermatrix abzüglich der Mikrosphären inhomogen.
• Die Mikrosphären können im nicht-expandierten Zustand einen mittleren Durchmesser von mindestens 5 und/oder höchstens 50 µm aufweisen. Außerdem können die Mikrosphären im expandierten Zustand einen mittleren Durchmesser von mindestens 20 und/oder höchstens 80 µm aufweisen. Dieser Wert kann beispielsweise von einer Vernetzungsgeschwindigkeit und/oder einem Vernetzungsgrad des Elastomers abhängen. Je schneller die Vernetzung des Elastomers hierbei ist, desto geringer ist der Expansionsgrad der Mikrosphären.
• Durch das Expandieren der Mikrosphären dehnt sich die maximale Dicke des als Schicht aufgetragenen Dichtelements typischerweise auf ein Vielfaches aus. Beispielsweise weist das fertiggestellte Dichtelement eine maximale Schichtdicke auf, welche wenigstens zweimal, vorzugsweise wenigstens dreimal, insbesondere wenigstens viermal die Schichtdicke des aufschäumbaren Materials beträgt.
• In einer bevorzugten Variante werden die Vertiefungen der Oberflächenstrukturierung durch Laserstrahlung erzeugt. Hierzu kann insbesondere ein gepulster Laser verwendet werden. Die Vertiefungen bilden sich dann durch ein Aufschmelzen des Materials der metallischen Lage. Durch die infolge der Laserbestrahlung erzeugte Hitze werden feinste Partikel aus Metall oder Metallverbindungen aus der Oberfläche herausgelöst und verdampft. Offenbar findet im Bereich der Vertiefungen zumindest partiell eine Veränderung der physikalischen Oberflächenstruktur im Material der metallischen Lage statt (z.B. elektronische und/oder geometrische Strukturveränderung). In einigen Fällen kommt es auch zu einer chemischen Veränderung des Materials der metallischen Lage (z.B. veränderte chemische Zusammensetzung). Falls zum Beispiel die metallische Lage aus Edelstahl ist, kann das Chrom-Eisen Verhältnis oder der Sauerstoffgehalt im Bereich der Vertiefungen, d.h. in der Oberfläche einer Vertiefung und/oder in der Oberfläche in der unmittelbaren Umgebung einer Vertiefung, also insbesondere im oberflächennahen Bereich des Kraterrandes, anders sein als im Bereich der nicht strukturierten, unbehandelten Oberfläche. Die Oberflächenbehandlung mittels Laserstrahlung wird zweckmäßig so durchgeführt, dass es nicht zu einer Schädigung der mechanischen Eigenschaften des Materials der metallischen Lage oder zu einer unerwünschten Schwächung der metallischen Lage kommt.
• Gemäß einer alternativen Variante des Verfahrens werden die Vertiefungen mechanisch, z.B. durch mikrostrukturierendes Prägen erzeugt. Die Vertiefungen können in diesem Fall auch durch Anritzen der metallischen Lage gebildet werden.
• In einem weiteren optionalen Verfahrensschritt wird in die mindestens eine metallische Lage eine Dichtsicke eingeformt, insbesondere eingeprägt, mittels Tiefziehens und/oder unter Zuhilfenahme von hydraulischen Methoden eingeformt. Dies kann vor, gleichzeitig mit oder nach dem Einbringen der Oberflächenstrukturierung erfolgen. Insbesondere bei einem Einprägen der Oberflächenstrukturierung kann ein gleichzeitiges Einprägen der Dichtsicke erfolgen. Erfolgt die Oberflächenstrukturierung mittels mikrostrukturierenden Prägens oder Laserbestrahlung, so wird die Dichtsicke vorzugsweise vorab eingeformt.
• Das aufschäumbare Material kann mittels Sprühens, Tampongalvanisierens, Siebdruck-, Walzendruck-, Schablonendruck- oder Dosierverfahrens aufgetragen werden.
• Sowohl die Oberflächenstrukturierung als auch der Auftrag des aufschäumbaren Materials erfolgt vorzugsweise nur auf der konvexen Oberfläche der Dichtsicke.
• Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung der oben beschriebenen Dichtungsanordnung, der Plattenanordnung und/oder des elektrochemischen Systems. Merkmale, die im Zusammenhang mit der Dichtungsanordnung, der Plattenanordnung und/oder des elektrochemischen Systems beschrieben sind, können daher mit dem Verfahren kombiniert bzw. beansprucht werden und andersherum.
• Ausführungsbeispiele der Dichtungsanordnung, der Plattenanordnung, des elektrochemischen Systems und der Herstellungsverfahren sind in den Figuren dargestellt und werden anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
• 1 schematisch in einer perspektivischen Darstellung ein elektrochemisches System mit einer Vielzahl von in einem Stapel angeordneten Separatorplatten oder Bipolarplatten;
• 2 schematisch in einer perspektivischen Darstellung zwei Bipolarplatten des Systems gemäß 1 mit einer zwischen den Bipolarplatten angeordneten Membran-Elektrodeneinheit (MEA);
• 3 schematisch einen Schnitt durch einen Plattenstapel eines Systems nach Art des Systems gemäß 1;
• 4 schematisch einen weiteren Schnitt durch einen Plattenstapel eines Systems nach Art des Systems gemäß 1;
• 5 einen Schnitt durch eine Dichtungsanordnung gemäß dem Stand der Technik;
• 6 einen Schnitt durch eine Dichtungsanordnung gemäß einer Ausführungsform;
• 7 einen Schnitt durch eine Dichtungsanordnung gemäß einer Ausführungsform;
• 8 einen Schnitt durch eine Dichtungsanordnung gemäß einer Ausführungsform;
• 9 einen Schnitt durch eine Dichtungsanordnung gemäß einer Ausführungsform;
• 10 einen Schnitt durch eine Sicke gemäß dem Stand der Technik;
• 11 einen Schnitt durch eine Sicke gemäß einer Ausführungsform;
• 12 einen Schnitt durch eine Sicke gemäß einer Ausführungsform;
• 13 einen Schnitt durch eine Sicke gemäß einer Ausführungsform;
• 14 einen Schnitt durch eine Sicke gemäß einer Ausführungsform;
• 15 einen Schnitt durch eine Sicke gemäß einer Ausführungsform;
• 16 einen Schnitt durch eine Sicke gemäß einer Ausführungsform;
• 17 einen Schnitt durch eine Sicke gemäß einer Ausführungsform;
• 18 einen Schnitt durch eine Sicke gemäß einer Ausführungsform;
• 19 ein Ablaufschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Dichtungsanordnung; und
• 20 eine mikroskopische Aufnahme einer metallischen Lage für eine Dichtungsanordnung, wobei die metallische Lage mit einer Oberflächenstrukturierung versehen ist.
• Hier und im Folgenden sind in verschiedenen Figuren wiederkehrende Merkmale jeweils mit denselben oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet.
• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung, insbesondere kann die Dichtungsanordnung in einem elektrochemischen System 1 (vgl. 1-4) verwendet werden.
• 1 zeigt ein elektrochemisches System 1 mit einer Mehrzahl von baugleichen metallischen Bipolarplatten 2, die in einem Stapel 6 angeordnet und entlang einer z-Richtung 7 gestapelt sind. Die Bipolarplatten 2 des Stapels 6 sind zwischen zwei Endplatten 3, 4 eingespannt. Die z-Richtung 7 wird auch Stapelrichtung genannt. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich bei dem System 1 um einen Brennstoffzellenstapel. Je zwei benachbarte Bipolarplatten 2 bzw. die einander zugewandten Separatorplatten X jeder dieser Bipolarplatten 2 des Stapels begrenzen also eine elektrochemische Zelle, die z. B. der Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie dient. Zur Ausbildung der elektrochemischen Zellen des Systems 1 ist zwischen benachbarten Bipolarplatten 2 des Stapels jeweils eine Membran-Elektrodeneinheit (MEA) angeordnet (siehe z. B. 2). Die MEA beinhaltet typischerweise wenigstens eine Membran, z. B. eine Elektrolytmembran. Ferner kann auf einer oder beiden Oberflächen der MEA eine Gasdiffusionslage (GDL) angeordnet sein.
• Bei alternativen Ausführungsformen kann das System 1 ebenso als Elektrolyseur, elektrochemischer Verdichter oder als Redox-Flow-Batterie ausgebildet sein. Bei diesen elektrochemischen Systemen können ebenfalls Bipolarplatten verwendet werden. Der Aufbau dieser Bipolarplatten kann dann dem Aufbau der hier näher erläuterten Bipolarplatten 2 entsprechen, auch wenn sich die auf bzw. durch die Bipolarplatten geführten Medien bei einem Elektrolyseur, bei einem elektrochemischen Verdichter oder bei einer Redox-Flow-Batterie jeweils von den für ein Brennstoffzellensystem verwendeten Medien unterscheiden können.
• Die z-Achse 7 spannt zusammen mit einer x-Achse 8 und einer y-Achse 9 ein rechtshändiges kartesisches Koordinatensystem auf. Die Bipolarplatten 2 definieren jeweils eine Plattenebene, wobei die Plattenebenen der Separatorplatten 2a, 2b der Bipolarplatten 2 jeweils parallel zur x-y-Ebene und damit senkrecht zur Stapelrichtung bzw. zur z-Achse 7 ausgerichtet sind. Die Endplatte 4 weist eine Vielzahl von Medienanschlüssen 5 auf, über die dem System 1 Medien zuführbar und über die Medien aus dem System 1 abführbar sind. Diese dem System 1 zuführbaren und aus dem System 1 abführbaren Medien können z. B. Brennstoffe wie molekularen Wasserstoff oder Methanol, Reaktionsgase wie Luft oder Sauerstoff, Reaktionsprodukte wie Wasserdampf oder abgereicherte Brennstoffe oder Kühlmittel wie Wasser und/oder Glykol umfassen.
• 2 zeigt perspektivisch zwei benachbarte Bipolarplatten 2 eines elektrochemischen Systems von der Art des Systems 1 aus 1 sowie eine zwischen diesen benachbarten Bipolarplatten 2 angeordnete aus dem Stand der Technik bekannte Membran-Elektrodeneinheit (MEA) 10, wobei die MEA 10 in 2 zum größten Teil durch die dem Betrachter zugewandte Bipolarplatte 2 verdeckt ist. Die Bipolarplatte 2 ist aus zwei stoffschlüssig zusammengefügten Separatorplatten 2a, 2b gebildet (siehe z. B. 3), von denen in 2 jeweils nur die dem Betrachter zugewandte erste Separatorplatte 2a sichtbar ist, die die zweite Separatorplatte 2b verdeckt. Die Separatorplatten 2a, 2b können jeweils aus einem Metallblech gefertigt sein, z. B. aus einem Edelstahlblech. Die Separatorplatten 2a, 2b können z. B. miteinander verschweißt sein, z. B. durch Laserschweißverbindungen.
• Die Separatorplatten 2a, 2b weisen miteinander fluchtende Durchgangsöffnungen auf, die die Durchgangsöffnungen 11a-c der Bipolarplatte 2 bilden. Bei Stapelung einer Mehrzahl von Bipolarplatten von der Art der Bipolarplatte 2 bilden die Durchgangsöffnungen 11a-c Leitungen, die sich in der Stapelrichtung 7 durch den Stapel 6 erstrecken (siehe 1). Typischerweise ist jede der durch die Durchgangsöffnungen 11a-c gebildeten Leitungen jeweils in Fluidverbindung mit einem der Ports 5 in der Endplatte 4 des Systems 1. Über die von den Durchgangsöffnungen 11a gebildeten Leitungen kann z. B. Kühlmittel in den Stapel eingeleitet oder aus dem Stapel abgeleitet werden. Die von den Durchgangsöffnungen 11b, 11c gebildeten Leitungen dagegen können zur Versorgung der elektrochemischen Zellen des Brennstoffzellenstapels 6 des Systems 1 mit Brennstoff und mit Reaktionsgas sowie zum Ableiten der Reaktionsprodukte aus dem Stapel ausgebildet sein. Die medienführenden Durchgangsöffnungen 11a-11c sind im Wesentlichen parallel zur Plattenebene ausgebildet.
• Zum Abdichten der Durchgangsöffnungen 11a-c gegenüber dem Inneren des Stapels 6 und gegenüber der Umgebung weisen die ersten Separatorplatten 2a üblicherweise jeweils Dichtanordnungen in Gestalt von Dichtsicken 12a-c auf, die jeweils um die Durchgangsöffnungen 11a-c herum angeordnet sind und die die Durchgangsöffnungen 11a-c jeweils vollständig umschließen. Die zweiten Separatorplatten 2b weisen an der vom Betrachter der 2 abgewandten Rückseite der Bipolarplatten 2 entsprechende Dichtsicken zum Abdichten der Durchgangsöffnungen 11a-c auf (nicht gezeigt).
• In einem elektrochemisch aktiven Bereich 18 weisen die ersten Separatorplatten 2a an ihrer dem Betrachter der 2 zugewandten Vorderseite ein Strömungsfeld 17 mit Strukturen zum Führen eines Reaktionsmediums entlang der Vorderseite der Separatorplatte 2a auf. Diese Strukturen sind in 2 durch eine Vielzahl von Stegen und zwischen den Stegen verlaufenden und durch die Stege begrenzten Kanälen gegeben. An der dem Betrachter der 2 zugewandten Vorderseite der Bipolarplatten 2 weisen die ersten Separatorplatten 2a zudem jeweils einen Verteil- oder Sammelbereich 20 auf. Der Verteil- oder Sammelbereich 20 umfasst Strukturen, die eingerichtet sind, ein ausgehend von einer ersten der beiden Durchgangsöffnungen 11b in den Verteil- oder Sammelbereich 20 eingeleitetes Medium über den aktiven Bereich 18 zu verteilen und/oder ein ausgehend vom aktiven Bereich 18 zur zweiten der Durchgangsöffnungen 11b hin strömendes Medium zu sammeln oder zu bündeln. Die Verteilstrukturen des Verteil- oder Sammelbereichs 20 sind in 2 ebenfalls durch Stege und zwischen den Stegen verlaufende und durch die Stege begrenzte Kanäle gegeben. Generell können die Elemente 17, 18, 20 also als medienleitende Prägestrukturen aufgefasst werden.
• Die Dichtsicken 12a-12c weisen in der Regel Durchführungen 13a-13c, die hier zumindest teilweise als lokale Anhebungen der Sicke ausgeführt sind, auf, von denen die Durchführungen 13a sowohl auf der Unterseite der oben liegenden Separatorplatte 2a als auch auf der Oberseite der unten liegenden Separatorplatte 2b ausgeführt sind, während die Durchführungen 13b in der oben liegenden Separatorplatte 2a und die Durchführungen 13c in der unten liegenden Separatorplatte 2b ausgebildet sind. Beispielsweise ermöglichen die Durchführungen 13a eine Passage von Kühlmittel zwischen der Durchgangsöffnung 12a und dem Verteilbereich, so dass das Kühlmittel in den Verteilbereich zwischen den Separatorplatten gelangt bzw. aus diesem herausgeführt wird. Weiterhin ermöglichen die Durchführungen 13b eine Passage von Wasserstoff zwischen der Durchgangsöffnung 12b und dem Verteilbereich auf der Oberseite der oben liegenden Separatorplatte 2a, diese Durchführungen 13b sind durch dem Verteilbereich zugewandte, schräg zur Plattenebene verlaufende Perforationen charakterisiert. Durch die Durchführungen 13b strömt also beispielsweise Wasserstoff von der Durchgangsöffnung 12b zum Verteilbereich auf der Oberseite der oben liegenden Separatorplatte 2a oder in entgegengesetzter Richtung. Die Durchführungen 13c ermöglichen eine Passage von beispielsweise Luft zwischen der Durchgangsöffnung 12c und dem Verteilbereich, so dass Luft in den Verteilbereich auf der Unterseite der unten liegenden Separatorplatte 2b gelangt bzw. aus diesem herausgeführt wird. Die zugehörigen Perforationen sind hier nicht sichtbar.
• Die ersten Separatorplatten 2a weisen typischerweise ferner jeweils eine weitere Dichtanordnung in Gestalt einer Perimetersicke 12d auf, die das Strömungsfeld 17 des aktiven Bereichs 18, den Verteil- oder Sammelbereich 20 und die Durchgangsöffnungen 11b, 11c umläuft und diese gegenüber der Durchgangsöffnung 11a, d. h. gegenüber dem Kühlmittelkreislauf, und gegenüber der Umgebung des Systems 1 abdichtet. Die zweiten Separatorplatten 2b umfassen jeweils entsprechende Perimetersicken. Die Strukturen des aktiven Bereichs 18, die Verteilstrukturen des Verteil- oder Sammelbereichs 20 und die Dichtsicken 12a-d sind jeweils einteilig mit den Separatorplatten 2a ausgebildet und in die Separatorplatten 2a eingeformt, z. B. in einem Prägeprozess, Tiefziehprozess und/oder mittels Hydroforming. Dasselbe gilt für die entsprechenden Verteilstrukturen und Dichtsicken der zweiten Separatorplatten 2b. Außerhalb des von der Perimetersicke 12d umgebenen Bereichs ergibt sich in jeder Separatorplatte 2a, 2b ein überwiegend unstrukturierter Außenrandbereich 22.
• Die beiden Durchgangsöffnungen 11b bzw. die von den Durchgangsöffnungen 11b gebildeten Leitungen durch den Plattenstapel des Systems 1 sind jeweils über Durchführungen 13b in den Dichtsicken 12b, über die Verteilstrukturen des Verteil- oder Sammelbereichs 20 und über das Strömungsfeld 17 im aktiven Bereich 18 der dem Betrachter der 2 zugewandten ersten Separatorplatten 2a miteinander in Fluidverbindung. In analoger Weise sind die beiden Durchgangsöffnungen 11c bzw. die von den Durchgangsöffnungen 11c gebildeten Leitungen durch den Plattenstapel des Systems 1 jeweils über entsprechende Sickendurchführungen, über entsprechende Verteilstrukturen und über ein entsprechendes Strömungsfeld an einer Außenseite der vom Betrachter der 2 abgewandten zweiten Separatorplatten 2b miteinander in Fluidverbindung. Die Durchgangsöffnungen 11a dagegen bzw. die von den Durchgangsöffnungen 11a gebildeten Leitungen durch den Plattenstapel des Systems 1 sind jeweils über einen von den Separatorplatten 2a, 2b eingeschlossenen oder umschlossenen Hohlraum 19 miteinander in Fluidverbindung. Dieser Hohlraum 19 dient jeweils zum Führen eines Kühlmittels durch die Bipolarplatte 2, insbesondere zum Kühlen des elektrochemisch aktiven Bereichs 18 der Bipolarplatte 2.
• Die 3 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Abschnitt des Plattenstapels 6 des Systems 1 aus 1, wobei die Schnittebene in z-Richtung und damit senkrecht zu den Plattenebenen der Bipolarplatten 2 ausgerichtet ist, sie kann beispielsweise entlang des geknickten Schnitts A-A in 2 verlaufen.
• Die baugleichen Bipolarplatten 2 des Stapels umfassen jeweils die zuvor beschriebene erste metallische Separatorplatte 2a und die zuvor beschriebene zweite metallische Separatorplatte 2b. Jede metallische Separatorplatte 2a, 2b hat eine Dicke von etwa 75 µm. Zu erkennen sind Strukturen zur Medienleitung entlang der Außenflächen der Bipolarplatten 2, hier insbesondere jeweils in Form von Stegen und durch die Stege begrenzten Kanälen. Insbesondere sind Kanäle 29 auf den voneinander wegweisenden Oberflächen aneinander angrenzender Separatorplatten 2a, 2b sowie Kühlkanäle 19 zwischen aneinander grenzenden Separatorplatten 2a, 2b gezeigt. Zwischen den Kühlkanälen 19 liegen die beiden Separatorplatten 2a, 2b in einem Kontaktbereich 24 aufeinander auf und sind dort jeweils miteinander verbunden, im vorliegenden Beispiel mittels Laserschweißnähten.
• Zwischen benachbarten Bipolarplatten 2 des Stapels ist jeweils eine z. B. aus dem Stand der Technik bekannte Membran-Elektrodeneinheit (MEA) 10 angeordnet. Die MEA 10 umfasst typischerweise jeweils eine Membran 14, z. B. eine Elektrolytmembran, und einen mit der Membran verbundenen abdichtenden Randbereich 15. Beispielsweise kann der abdichtende Randbereich stoffschlüssig mit der Membran verbunden sein, z. B. durch eine Klebeverbindung oder durch Laminieren.
• Die Membran der MEA 10 erstreckt sich jeweils wenigstens über den aktiven Bereich 18 der angrenzenden Bipolarplatten 2 und ermöglicht dort einen Protonenübergang über oder durch die Membran. Die Membran reicht nicht in den Verteil- oder Sammelbereich 20 hinein. Der abdichtende Randbereich 15 der MEA 10 dient jeweils dem Positionieren, Befestigen und Abdichten der Membran zwischen den angrenzenden Bipolarplatten 2. Wenn die Bipolarplatten 2 des Systems 1 in Stapelrichtung zwischen den Endplatten 3, 4 eingespannt werden (siehe 1), kann der abdichtende Randbereich 15 der MEA 10 beispielsweise jeweils zwischen den Portsicken 12a-c der jeweils angrenzenden Bipolarplatten 2 und/oder jeweils wenigstens zwischen den Perimetersicken 12d der angrenzenden Bipolarplatten 2 verpresst werden, um die MEA 10 auf diese Weise zwischen den angrenzenden Bipolarplatten 2 zu fixieren und abzudichten.
• Der abdichtende Randbereich 15 überdeckt jeweils den Verteil- oder Sammelbereich 20 der angrenzenden Bipolarplatten 2. Nach außen kann der Randabschnitt 15 auch über die Perimetersicke 12d hinaus reichen und dort an den Außenrandbereich 22 der Separatorplatten 2a, 2b angrenzen (vgl. 2).
• Weiter können im aktiven Bereich 18 zusätzlich Gasdiffusionslagen 16 angeordnet sein. Die Gasdiffusionslagen 16 ermöglichen das Anströmen der Membran 14 über einen möglichst großen Bereich der Oberfläche der Membran 14 und können so den Protonenübergang über die Membran 14 verbessern. Die Gasdiffusionslagen 16 können z. B. jeweils beiderseits der Membran 14 im aktiven Bereich 18 zwischen den angrenzenden Separatorplatten 2 angeordnet sein. Die Gasdiffusionslagen 16 können z. B. aus einem elektrisch leitfähigen Vlies gebildet sein oder ein elektrisch leitfähiges Vlies umfassen. Das elektrisch leitfähige Vlies ist insbesondere ein Metallvlies oder ein Kohlenstoffvlies.
• Die 4 zeigt schematisch einen weiteren Schnitt durch einen Abschnitt des Plattenstapels 6 des Systems 1 aus 1. Hierbei wurde der Schnitt so gewählt, dass er durch zwei zueinander benachbarte Bipolarplatten 2 verläuft. Der Schnitt ist aus Platzgründen zu beiden Außenseiten der um die Durchgangsöffnung 11b umlaufenden Sicken 12b gebrochen dargestellt. Zwischen jeder Bipolarplatte 2 und dem abdichtenden Randbereich 15 der Membran-Elektrodeneinheit 10 sind im Bereich der umlaufenden Sicke 12b jeweils erfindungsgemäße Dichtungsanordnungen 50', 50'', 50''', 50'''' mit jeweils einem Dichtelement 52', 52'', 52''', 52'''' angeordnet, welches weiter unten näher beschrieben wird.
• Die erste Dichtungsanordnung 50' umfasst die als metallische Lage 60 ausgebildete Separatorplatte 2b, welche auf ihrem Sickendach 68, also ihrer konvexen Seite, mit einer Oberflächenstrukturierung 62' der zuvor beschriebenen Art versehen ist. Auf der Oberflächenstrukturierung 62' ist ein elastomeres Dichtelement 52' mit Mikrosphären 54 angeordnet. Die zweite Dichtungsanordnung 50" umfasst die als metallische Lage 60 ausgebildete Separatorplatte 2a welche ebenfalls auf Ihrem Sickendach mit einer Oberflächenstrukturierung 62" versehen ist. Auf der Oberflächenstrukturierung 62" ist ein weiteres elastomeres Dichtelement 52" mit Mikrosphären 54 angeordnet. Die Dichtelemente 52' und 52" können aus dem gleichen elastomeren Material oder aus unterschiedlichen elastomeren Materialien gefertigt sein. Die erste Dichtungsanordnung 50' ist der zweiten Dichtungsanordnung 50" zugewandt. Auf ihren konkaven Seiten sind die Dichtungsanordnungen 50', 50" jeweils ohne eine Oberflächenstrukturierung und ohne Elastomerbeschichtung ausgeführt. Die erste Dichtungsanordnung 50' und die zweite Dichtungsanordnung 50" liegen an beiden Seiten des abdichtenden Randbereichs 15 der Membran-Elektrodeneinheit an, sie dichten umlaufend um die Portsicke 12b ab. Die metallischen Lagen 60 der Separatorplatten 2a, 2b einerseits und die aus polymerbasierten Materialien gebildeten abdichtenden Randbereiche 15 weisen unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten auf. Insbesondere bei schnellem Kaltstart können sich die Separatorplatte 2a, 2b und die abdichtenden Randbereiche 15 unterschiedlich ausdehnen und das rahmenförmige Abdichtelement kann sich gegen die Dichtsicken verschieben. Durch den hohen Anteil an Mikrosphären im jeweiligen elastomeren Dichtelement 52', 52" kann dieses der Verschiebung zumindest teilweise folgen. Weiterhin sorgt die Oberflächenstrukturierung 62, 62' der metallischen Lagen 60 mit der geringeren Mikrosphärenkonzentration in der ersten Grenzschicht 57 der elastomeren Dichtelemente 52', 52" (s. 6-9) für eine bessere Haftung der elastomeren Dichtelemente 52', 52" auf der jeweiligen Separatorplatte 2a, 2b.
• Sowohl 3 als auch 4 zeigen, dass jeweils nur eine Separatorplatte 2b und eine Separatorplatte 2a zu einer erfindungsgemäßen Plattenanordnung 70 gehört. In beiden Beispielen zählen die auf der Oberseite der Membran-Elektrodeneinheit 10 angeordnete Separatorplatte 2b und die auf der Unterseite der Membran-Elektrodeneinheit 10 angeordnete Separatorplatte 2a zur explizit mit einem Bezugszeichen versehenen Plattenanordnung 70. Die Separatorplatte 2a der auf der Oberseite der Membran-Elektrodeneinheit 10 angeordneten Bipolarplatte 2 gehört bereits zur nächsten Plattenanordnung.
• Wie oben angedeutet, weist das elektrochemische System 1 Dichtungsanordnungen 50 auf, welche im Folgenden näher beschrieben werden.
• Die 5 zeigt einen Schnitt einer Dichtungsanordnung 50 gemäß dem Stand der Technik, welche ein elastomeres Dichtelement 52 und eine metallische Lage 60 aufweist. Das elastomere Dichtelement 52 ist als Beschichtung der metallischen Lage 60 ausgeführt und umfasst ein aufgeschäumtes Material mit Mikrosphären 54. Hierbei ist eine Konzentration der Mikrosphären 54 im Dichtelement 52 gemessen senkrecht zur Oberfläche 61 der metallischen Lage 60 im Wesentlichen homogen. Auch wenn die Mikrosphären 54 in 5-9 idealisiert als runde und insbesondere jeweils gleich große Elemente dargestellt sind, bedeutet dies nicht, dass sie alle dieselbe Größe aufweisen. Eine homogene Verteilung der Konzentration der Mikrosphären 54 ist entsprechend so zu verstehen, dass der Volumenanteil des Gases bezogen auf einen ausreichend langen Abschnitt, beispielsweise entlang eines Abschnitts, der mindestens der zehnfachen Breite der Dichtungsanordnung 50 entspricht, der Dichtungsanordnung 50 in Richtung senkrecht zur Oberfläche 61 der metallischen Lage 60 im Wesentlichen nicht ändert. Ebenso bleibt in diesem Abschnitt der Dichtungsanordnung 50 in derselben Richtung der Volumen- bzw. Masseanteil der Polymermatrix konstant.
• Es hat sich herausgestellt, dass die in 5 gezeigte Dichtungsanordnung 50 den mechanischen und/oder thermischen Beanspruchungen, welche während des Betriebs des elektrochemischen Systems 1, stattfinden, nicht immer im gewünschten Maß standhalten kann. Mitunter kann die Haftung des Dichtelements 52 an der metallischen Lage 60 unzureichend sein, wodurch sich das elastomere Dichtelement 52 von der metallischen Lage 60 ablösen kann.
• Nach Durchführung verschiedener Tests haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung herausgefunden, dass sich die Haftung des elastomeren Dichtelements 52 an der metallischen Lage 60 wesentlich verbessern lässt, wenn die metallische Lage 60 eine Oberflächenstrukturierung 62 aufweist.
• Die 6-9 zeigen Schnitte durch erfindungsgemäße Dichtungsanordnungen 50, wobei deren metallische Lagen 60 derartige Oberflächenstrukturierungen 62 aufweisen. Wie bei der Dichtungsanordnung 50 der 5, umfassen die in 6-9 gezeigten Dichtungsanordnungen 50 jeweils ein elastomeres Dichtelement 52 und eine metallische Lage 60. Das elastomere Dichtelement 52 ist als Beschichtung einer Oberfläche 61 der metallischen Lage 60 ausgeführt und umfasst ein aufgeschäumtes Material mit Mikrosphären 54.
• Im Gegensatz zur 5 weist die metallische Lage 60 jedoch eine Oberfläche 61 mit einer Oberflächenstrukturierung 62 auf. Die Oberflächenstrukturierung 62 der metallischen Lage 60 umfasst eine Vielzahl von Vertiefungen 64. Das Dichtelement 52 ist zumindest bereichsweise auf der Oberflächenstrukturierung 62 angeordnet. Es hat sich herausgestellt, dass eine Konzentration der Mikrosphären 54, d.h. der Volumenanteil an Gas, im Dichtelement 52 gemessen senkrecht zur Oberfläche 61 der metallischen Lage 60 inhomogen ist. Das Dichtelement 52 kann insbesondere eine an die metallische Lage 60 angrenzende erste Grenzschicht 57 aufweisen, wobei die Konzentration der Mikrosphären 54, d.h. der Volumenanteil an Gas, in dem Dichtelement 52 innerhalb der ersten Grenzschicht 57 geringer ist als außerhalb der ersten Grenzschicht 57. Umgekehrt ist der Masseanteil der Polymermatrix in der ersten Grenzschicht 57 höher als außerhalb der ersten Grenzschicht 57. Die erste Grenzschicht 57 kann zum Beispiel eine Dicke von höchstens 35%, vorzugsweise höchstens 30%, vorzugsweise höchstens 23%, besonders vorzugsweise höchstens 18% bezogen auf eine gesamte maximale Schichtdicke des Dichtelements 52 gemessen senkrecht zur Oberfläche 61 der metallischen Lage 60 aufweisen. Das Dichtelement 52 kann darüber hinaus auch eine von der metallischen Lage 60 wegweisende zweite Grenzschicht 59 aufweisen, wobei die Konzentration der Mikrosphären 54, d.h. der Volumenanteil an Gas, in dem Dichtelement 52 innerhalb der zweiten Grenzschicht 59 geringer ist als außerhalb der ersten und zweiten Grenzschicht 57, 59. Umgekehrt ist der Masseanteil der Polymermatrix in der ersten und zweiten Grenzschicht 57, 59 höher als außerhalb der ersten und zweiten Grenzschicht 57, 59. Die erste und zweite Grenzschicht 57, 59 können gemeinsam, d.h. in Summe entlang einer Linie senkrecht zur Oberfläche der Metalllage zum Beispiel eine Dicke von höchstens 35%, vorzugsweise höchstens 30%, besonders vorzugsweise höchstens 23% bezogen auf eine gesamte maximale Schichtdicke des Dichtelements 52 gemessen senkrecht zur Oberfläche 61 der metallischen Lage 60 aufweisen. Zur Ausbildung einer solchen zweiten Grenzschicht 59 des Dichtelements 52 kommt es bei geeigneter Prozessführung, insbesondere bei geeigneter Temperaturführung des Beschichtungs-, Vernetzungs- und/oder Expansionsverfahrens. Vorteilhafterweise eilt die Vernetzung der Expansion in der ersten und ggf. zweiten Grenzschicht voran.
• Ein möglicher erster Mechanismus (bzw. Erklärung) für die inhomogene Konzentration der Mikrosphären 54 im elastomeren Dichtelement 52 wäre, dass das Beschichtungsmaterial des Dichtelements 52 ohne Mikrosphären eine höhere Affinität für die Oberflächenstrukturierung 62 hat als das Beschichtungsmaterial mit den Mikrosphären 54. Die veränderte (höhere) Affinität kann möglicherweise dadurch begründet werden, dass die chemische Oberflächenzusammensetzung der metallischen Lage 60 im Bereich der Oberflächenstrukturierung 62 anders ist als im unbehandelten, nicht-strukturierten Bereich und/oder dadurch, dass die Rauigkeit der metallischen Lage 60 im Bereich der Oberflächenstrukturierung 62 anders ist als im unbehandelten, nicht-strukturierten Bereich. Dies kann insbesondere bei einer Laserbehandlung der metallischen Lage 60 zutreffen (s. Herstellungsverfahren unten). Ein möglicher zweiter Mechanismus hierfür wäre, dass die Vertiefungen 64 der Oberflächenbehandlung Dimensionen aufweisen, welche kleiner sind als die Dimensionen der Mikrosphären 54. Die Mikrosphären 54 passen geometrisch nicht in die Vertiefungen 64 und folglich ist die Konzentration der Mikrosphären 54 in der Grenzschicht 59 kleiner als oberhalb der Grenzschicht 59. Es sei angemerkt, dass die beiden vorgestellten Mechanismen sich nicht gegenseitig ausschließen und gegebenenfalls gleichzeitig stattfinden können.
• Die Dichtelemente 52 der in den 6 und 7 gezeigten Dichtungsanordnungen 50 sind lediglich auf einem Oberflächenbereich der metallischen Lage 60 angeordnet, der die Oberflächenstrukturierung 62 aufweist. Mit anderen Worten befinden sich die Dichtungsanordnungen 50 nicht auf unbehandelten Stellen der metallischen Lage 60.
• Das in der 8 gezeigte Dichtelement 52 ist teilweise auf der Oberflächenstrukturierung 62 angeordnet. Das Dichtelement 52 ist außerdem bereichsweise auf einem unbehandelten, glatten Bereich 63 der metallischen Lage 60 angeordnet. Die Oberflächenstrukturierung 62 ist also lediglich abschnittsweise auf der durch das Dichtelement 52 beschichteten Oberfläche 61 der metallischen Lage 60 vorhanden. Das in der 9 dargestellte Dichtelement 52 reicht zu beiden Seiten geringfügig über die Oberflächenstrukturierung 62 in den unbehandelten Bereich 63 hinaus, auch hier ist also die Oberflächenstrukturierung 62 nur abschnittsweise auf der durch das Dichtelement 52 beschichteten Oberfläche 61 der metallischen Lage 60 vorhanden.
• Die Schichtdicke des Dichtelements 52 kann zum Beispiel insgesamt höchstens 500 µm, bevorzugt höchstens 300 µm, vorzugsweise höchstens 200 µm, insbesondere höchstens 150 µm sein. Die Schichtdicke wird hierbei vorzugsweise senkrecht zur Oberfläche 61 der metallischen Lage 60 bestimmt. Das elastomere Dichtelement 52 kann insbesondere folgende Stoffe enthalten: FPM (Fluorelastomer), Silikon-Kautschuk oder NBR-Kautschuk (Nitril-Butadien-Kautschuk), PUR (Polyurethan), NR (Naturkautschuk), FFKM (Perfluorkautschuk), SBR (Styrol-Butadien-Kautschuk), BR (Butylkautschuk), FVSQ (Fluorsilikon), CSM (Chlorsulfoniertes Polyethylen), Silikonharz, Epoxidharz oder Mischungen der vorgenannten Stoffe, oder Haftklebstoff und/oder physikalisch abbindenden Klebstoff. Weiter können im elastomeren Material des Dichtelements 52 Füllstoffe oder weitere Zusatzstoffe vorgesehen sein.
• Die Mikrosphären sind im expandierten Zustand gewöhnlich mit einem gasförmigen Medium 58 gefüllt, wobei das Gas 58 zum Beispiel ein gesättigter Kohlenwasserstoff, wie n-Pentan, Isopentan oder Isobutan, sein kann. Das Gas 58 ist in der Regel in den Mikrosphären 54 eingeschlossen und kann vorzugsweise nicht aus dem Dichtelement 52 entweichen.
• Ein mittlerer Durchmesser der Mikrosphären 54 kann im expandierten Zustand mindestens 20 um und/oder höchstens 80 µm betragen. Gemäß einem Beispiel haben die Mikrosphären 54 einen mittleren Durchmesser im Bereich 35 bis 55 µm. Die Vertiefungen 64 können eine Breite oder einen Durchmesser, insbesondere gemessen auf halber Höhe der Vertiefungen 64 und/oder parallel zur unbehandelten Metalloberfläche 61, von maximal 150 um, vorzugsweise maximal 100 um, insbesondere maximal 70 µm aufweisen. Aufgrund der Ausdehnung der Vertiefungen 64 im Mikrometerbereich kann die Oberflächenstrukturierung auch als Oberflächenmikrostrukturierung bezeichnet werden. Benachbarte Vertiefungen 64 sind vorzugsweise voneinander beabstandet und gehen somit nicht ineinander über.
• Gemäß der Ausführungsform der 6 haben die Vertiefungen 64 einen Durchmesser, welcher größer ist als ein mittlerer Durchmesser der Mikrosphären 54. Gemäß der Ausführungsform der 7 ist der Durchmesser der Vertiefungen 64 kleiner als ein mittlerer Durchmesser der Mikrosphären 54. Die 5 bis 9 sind dahingehend vereinfacht gezeichnet, dass sämtlich Mikrosphären mit demselben Durchmesser dargestellt sind, tatsächlich weisen sie jedoch immer eine Bandbreite an Durchmessern auf.
• Weiter sei in diesem Zusammenhang auf die 20 verwiesen, welche eine mikroskopische Aufnahme der metallischen Lage 60 mit der Oberflächenstrukturierung 62 in Form von Vertiefungen 64 zeigt. Auf die 20 wird weiter unten nochmals eingegangen.
• Generell können die Vertiefungen 64 eine Tiefe von wenigstens 2 µm und/oder höchstens 40 µm aufweisen. Die Tiefe der Vertiefungen 64 kann insbesondere höchstens 20% der Dicke der metallischen Lage 60 betragen. Die Tiefe der Vertiefungen 64 wird vorzugsweise gemessen von der unbehandelten Oberfläche 61 bis zur tiefsten Stelle der Vertiefung 64.
• Eine Größe der einzelnen Vertiefungen 64 liegt zum Beispiel in einem Bereich von 0,0001 bis 0,05 mm², insbesondere 0,001 bis 0,02 mm² und bevorzugt 0,0008 bis 0,01 mm². Gemäß einer Variante sind etwa 500 bis 100000, bevorzugt etwa 4000 bis 20000, Vertiefungen 64 pro Quadratzentimeter vorhanden. Es kann vorgesehen sein, dass 10 bis 90 %, bevorzugt 20 bis 50 % und insbesondere 25 bis 50 %, der mit einer Oberflächenstrukturierung 62 versehenen Oberfläche 61 der metallischen Lage 60 von den Vertiefungen 64 eingenommen werden.
• Die Vertiefungen 64 sind vorzugsweise mittels Laserstrahlung erzeugt. In anderen Ausführungsformen sind die Vertiefungen 64 mechanisch erzeugt, z.B. durch Einprägen oder Einritzen der metallischen Lage 60.
• In den 10-18 sind Schnitte durch beispielhafte Sicken 65 von metallischen Lagen 60 gezeigt.
• Hierbei ist in der 10 eine metallische Lage 60 gemäß dem Stand der Technik gezeigt, welche eine Sicke 65 aufweist. Die metallische Lage 60 bzw. die Sicke 65 hat eine relativ glatte, unstrukturierte Oberfläche 63 und weist somit insbesondere keine Oberflächenstrukturierung 62 auf.
• Im Gegensatz hierzu weisen die in den 11-18 gezeigten metallischen Lagen 60 bzw. deren Sicken 65 zumindest abschnittsweise eine Oberflächenstrukturierung 62 auf. Die Oberflächenstrukturierung 62 ist auf einer Oberfläche der Sicke 65 ausgebildet, nämlich auf der Oberfläche der Lage 60, auf der die die konvexe Seite der Sicke 65 auskragt. Zur Deutlichkeit wurde hier auf die Darstellung des Dichtelements 52 verzichtet. Einem Fachmann ist klar, dass sich das Dichtelement 52 in der Dichtungsanordnung 50 auf der Sicke 65 befindet, die Breite (laterale Ausdehnung) des Dichtelements ist jeweils mit einer Klammer 52 angedeutet.
• Jede in den 11-18 gezeigte Sicke 65 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist in die metallische Lage 60 eingeformt, beispielsweise durch Prägen, Tiefziehen und/oder Hydroforming. In einem Teil der Ausführungsformen, dargestellt in 11-14 und 16-18 weist jede Sicke 65 mindestens eine Sickenflanke 66, 66' und ein Sickendach 68 auf, wobei das Sickendach 68 beidseitig an die Sickenflanken 66, 66' angrenzt. Das Sickendach 68 bildet eine Erhöhung gegenüber einer durch die metallische Lage 60, beispielsweise in ihrem Außenrandbereich 22 definierte Plattenebene. Im Bereich der Sickenflanken 66, 66' erhebt sich das Material der Lage 60 schräg aus der Plattenebene. Das Sickendach 68 kann ein im Wesentlichen parallel zur Plattenebene verlaufender Bereich der Sicke 65 sein, wie in den 11-14 und 18 gezeigt oder eine Wölbung aufweisen, wie in 16-17 dargestellt. In der Ausführungsform der 15 weist die Sicke 65 hingegen nur ein stark gewölbtes Sickendach 68' auf, so dass die Flanken in dieser Wölbung integriert sind, also keine expliziten Sickenflanken vorhanden sind.
• Wie aus den 11-18 erkennbar ist, erstreckt die Oberflächenstrukturierung 62 sich zumindest bereichsweise über das Sickendach 68, 68' und/oder die ggf. vorhandene mindestens eine Sickenflanke 66, 66'.
• So ist in den Varianten der 11, 13 und 15-18 angedeutet, dass das gesamte Sickendach 68 vollständig mit der Oberflächenstrukturierung 62 versehen ist, während das Sickendach 68 der 12 und 14 bereichsweise eine Oberflächenstrukturierung 62 hat, aber in der Mitte oder zumindest von den Sickenflanken 66, 66' beabstandet mindestens einen unstrukturierten Bereich 63 aufweist.
• Gemäß den Varianten der 11, 12 und 14 ist etwa ein Drittel jeder Sickenflanke 66, 66' mit der Oberflächenstrukturierung 62 versehen. Die Oberflächenstrukturierung 62 der Sickenflanken 66, 66' grenzt dabei an die Oberflächenstrukturierung 62 des Sickendachs 68 an.
• Gemäß der Variante der 13 umfasst lediglich die Sickenflanke 66' eine Oberflächenstrukturierung 62, während die Sickenflanke 66 unstrukturiert bzw. glatt ist. In weiteren Varianten kann die Strukturierung 62 im Verlauf der Sicke 65 von Sickenflanke 66' zu Sickenflanke 66 wechseln und wieder zurück, wobei der Wechsel mehrmals stattfinden kann. Dies ist beispielsweise in der Variante der 18 der Fall, in der ein Schnitt durch eine Sicke 65 gezeigt ist, die nach links in eine Durchführung 13 übergeht und bei der rechts im Hintergrund die nächste, zur geschnittenen Durchführung 13 versetzte Durchführung 13' sichtbar ist. Die Durchführungen 13, 13' sind dabei frei von Oberflächenstrukturierungen und Beschichtungen. Bei einer solchen zwischen den Sickenflanken 66, 66' wechselnden Oberflächenstrukturierung 62 kann sich die Gesamtbreite der Oberflächenstrukturierung 62 entlang ihres Verlaufs bzw. des Wechsels ändern oder gleich bleiben.
• Die Oberflächenstrukturierung 62 kann alternativ aber auch seitlich über den Bereich der jeweiligen Sickenflanke 66, 66' hinaus ausgedehnt werden und einen Teil des Sickenfußes 67, 67' überdecken, wie in der Variante der 14 gezeigt.
• Die in den 11-18 gezeigte Sicke 65 kann zum Beispiel eine der oben genannten Sicken 12a-d sein oder umfassen. Dementsprechend kann die Sicke 65 eine der Durchgangsöffnungen 11a-c für Fluide oder das Strömungsfeld 17 in sich geschlossen umgeben und als Dichtsicke 12a-d ausgebildet sein.
• Die metallische Lage 60 kann zum Beispiel als eine der zuvor genannten Lagen bzw. Platten 2, 2a, 2b, insbesondere als Separatorplatte 2a, 2b (vgl. 1-4) ausgeführt sein.
• In der 19 ist ein Ablaufschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Dichtungsanordnung 50, insbesondere der zuvor beschriebenen Dichtungsanordnung, gezeigt.
• Das Verfahren weist zumindest folgende Schritte auf.
• - Bereitstellen S1 einer metallischen Lage 60,
• - Versehen S2 der metallischen Lage 60 mit einer Oberflächenstrukturierung 62, wobei die Oberflächenstrukturierung 62 eine Vielzahl von Vertiefungen 64 aufweist,
• - Aufbringen S3 eines aufschäumbaren Materials mit expandierbaren Mikrosphären 54 auf die Oberflächenstrukturierung 62,
• - Ausbilden S4 eines elastomeren Dichtelements 52 auf der metallischen Lage 60 unter Expansion der Mikrosphären 54, wobei eine Verteilung der expandierten Mikrosphären 54 im Dichtelement 52 gemessen senkrecht zur Oberfläche 61 der metallischen Lage 60 inhomogen ist.
• In bevorzugten Varianten werden die Vertiefungen 64 in Schritt S2 durch Laserstrahlung erzeugt. Hierfür kann zum Beispiel ein gepulster Laser verwendet werden.
• In einem optionalen Verfahrensschritt P wird eine Dichtsicke 12a-d, 65 in die metallische Lage 60 eingeformt, beispielsweise mittels Prägens, Tiefziehens und/oder Hydroforming. Dies kann vor, gleichzeitig mit oder nach dem Einbringen der Oberflächenstrukturierung 62 in die metallische Lage 60 erfolgen.
• In der 20 ist eine mikroskopische Aufnahme einer metallischen Lage 60 gezeigt, welche mittels eines Lasers mit einer Oberflächenstrukturierung 62 versehen wurde. Das hier verwendete Lasersystem hat eine Leistung von 100 Watt Laser bei einer Wellenlänge von 1064 nm, einer Brennweite von 254 mm und einer Flächenrate von etwa 25 cm²/s. Selbstverständlich eignen sich auch andere Lasersysteme bzw. Laser für die Erzeugung der Oberflächenstrukturierung 62 bzw. Vertiefungen 64.
• Für die Eigenschaften der Vertiefungen 64 der Oberflächenstrukturierung 62 wird auf die obigen Ausführungen verwiesen. Wie außerdem aus der 20 hervorgeht, können die Vertiefungen 64 beispielsweise in parallel zueinander verlaufenden Reihen oder Bahnen 69 angeordnet sein, dies ist insbesondere bei Oberflächenstrukturierungen von gerade verlaufenden Abschnitten einer Perimetersicke der Fall. Die Reihenanordnung 69 der Vertiefungen 64 kann eine Folge der Herstellung der Vertiefungen 64 mittels des Lasers sein. Ebenso ist es möglich, die Vertiefungen auf konzentrischen Kreisen anzuordnen, wie dies beispielsweise bei Portsicken zur Anwendung kommen kann. Die konzentrischen Kreise bilden in diesem Fall die Bahnen 69. Viele weitere Formen sind denkbar, vorzugsweise sind die Vertiefungen so nebeneinander auf Bahnen 69 angeordnet, dass die Bahnen dem Verlauf der zu strukturierenden Oberfläche folgen, im Falle wellenförmig sich erstreckender Sicken also insbesondere zumindest näherungsweise wellenförmig. Die Vertiefungen 64 können jeweils zumindest teilweise von Erhöhungen 75 umgeben sein, welche am jeweiligen Umfangsrand der Vertiefungen ausgebildet sind. Die jeweilige Erhöhung 75 kann über die unbehandelte Oberfläche 63 der metallischen Lage 60 vorstehen. Die genannte Erhöhung 75 entsteht typischerweise bei der Ausbildung der Vertiefungen 64, beispielsweise durch Laserstrahlung, wobei die Erhöhung 75 durch Erstarren von geschmolzenem Material als Kraterrand gebildet wird. Der Kraterrand bzw. die Erhöhung 75 können somit aus dem aus den Vertiefungen 64 abgewanderten Material gebildet sein.
• In der 20 ist außerdem erkennbar, dass der Umfangsrand der Vertiefungen 64 im Wesentlichen rund ist. Die im Wesentlichen runden Vertiefungen 64 haben einen Durchmesser von etwa 65 µm. Die Form des Umfangsrandes der Vertiefungen kann von der lateralen Ausdehnung des verwendeten Laserstrahls und dem Einfallswinkel des Laserstrahls auf die metallische Lage 60 abhängen. Die Form des Umfangsrandes kann somit auch von der jeweiligen Position der Vertiefungen 64 auf der metallischen Lage 60 abhängen. Beispielsweise kann der Umfangsrand der auf dem Sickendach 68 angeordneten Vertiefungen 64 rund sein, während der Umfangsrand der auf der Sickenflanke 66, 66' angeordneten Vertiefungen 64 elliptisch oder oval sein kann. Der Grund dieser Abhängigkeit kann in der oben genannten Abhängigkeit vom Einfallswinkel des Laserlichts liegen, da das Sickendach 68 und die Sickenflanke 66, 66' in der Regel unterschiedliche Oberflächennormalen aufweisen.
• Um einen ausreichenden Effekt der Oberflächenstrukturierung 62 zu erzielen, sollte ein Maximalabstand von zueinander benachbarten Vertiefungen 64 höchstens den fünffachen Durchmesser einer Vertiefung 64 betragen. Andererseits sollten die Vertiefungen 64 nicht zu dicht aneinander angeordnet sein, da dies eine Materialzerstörung zur Folge haben könnte. Benachbarte Vertiefungen 64 weisen vorzugsweise einen Mindestabstand auf, welcher einem halben Durchmesser der Vertiefungen 64 entspricht. Der Abstand zwischen benachbarten Vertiefungen 64 kann in Längsrichtung (also in Längsrichtung der Reihe oder Bahn 69) und in Querrichtung des Dichtelements 52 unterschiedlich ausgestaltet sein. In Querrichtung sollte der Mindestabstand mindestens dem halben Durchmesser entsprechen. Weiter kann in Querrichtung der Maximalabstand maximal dem dreifachen Durchmesser entsprechen. In Längsrichtung kann der Mindestabstand mindestens dem Durchmesser einer Vertiefung entsprechen. In Längsrichtung sollte der Maximalabstand dem fünffachen des Durchmessers betragen. Hierbei werden Abstände nur innerhalb eines zusammenhängend oberflächenstrukturierten Bereichs betrachtet, im Beispiel der 12 also einerseits im Bereich der Sickenflanke 66 und dem linken Bereich des Sickendachs 68 und andererseits im Bereich der Sickenflanke 66' und dem rechten Bereich des Sickendachs 68.
• In alternativen Varianten des Verfahrens werden die Vertiefungen 64 zum Beispiel durch mikrostrukturierendes Prägen oder Ritzen erzeugt. In diesem Fall können die Vertiefungen 64 sowohl als runde als auch als elliptische oder ovale Vertiefungen ausgebildet werden, insbesondere können diese Formen miteinander kombiniert werden.
• In Schritt S3 kann das aufschäumbare Material mittels Sprühens, Tampongalvanisierens, Siebdruck-, Walzendruck-, Schablonendruck- oder Dosierverfahrens auf die metallische Lage 60 bzw. deren Oberflächenstrukturierung 62 aufgetragen werden. Nach dem Aufbringen bzw. Auftragen des aufschäumbaren Materials auf die Oberflächenstrukturierung 62 kann ein in dem aufschäumbaren Material befindliches Lösungsmittel verdampfen. Das Verdampfen des Lösungsmittels kann durch Anlegen eines Unterdrucks bzw. Vakuums oder eine Erhöhung auf eine erste Temperatur begünstigt werden. In einem weiteren Schritt kann das elastomere Material vernetzt bzw. teilvernetzt werden. Diese (Teil)Vernetzung kann z.B. durch einen Temperatursprung, z.B. durch eine Erhöhung auf eine zweite Temperatur, welche vorzugsweise höher als die erste Temperatur ist, oder durch UV-Strahlung begünstigt werden.
• Aufgrund der Temperaturerhöhung expandieren die Mikrosphären 54 durch einen Phasenwechsel des darin befindlichen Mediums von der Flüssig- zur Gasphase. Die expandierte Form der Mikrosphären bleibt aufgrund der Vernetzung des Polymers und die Einbindung der Hülle der Mikrosphären in das sie umgebende Polymer auch bei Abkühlung erhalten.
• In manchen Ausführungsformen des Verfahrens haben die Mikrosphären 54 im nicht-expandierten Zustand einen mittleren Durchmesser von mindestens 5 µm und/oder höchstens 50 µm. Im expandierten Zustand können die Mikrosphären 54 einen mittleren Durchmesser von mindestens 20 und/oder höchstens 80 µm aufweisen. Durch das Expandieren der Mikrosphären 54 dehnt sich die maximale Dicke des als Schicht aufgetragenen Dichtelements 52 typischerweise auf ein Vielfaches aus. Beispielsweise hat das fertiggestellte Dichtelement 52 eine maximale Schichtdicke, welche viermal die Schichtdicke des aufschäumbaren Materials beträgt.
• Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung der oben beschriebenen Dichtungsanordnung 50, der Plattenanordnung 70 und/oder des elektrochemischen Systems 1. Merkmale, die im Zusammenhang mit der Dichtungsanordnung 50, der Plattenanordnung 70 und/oder dem elektrochemischen System 1 beschrieben sind, können daher mit dem Verfahren kombiniert bzw. beansprucht werden und andersherum.
• Bezugszeichenliste

1

elektrochemisches System

2

Bipolarplatte

2a

Separatorplatte (Einzelplatte)

2b

Separatorplatte (Einzelplatte)

3

Endplatte

4

Endplatte

5

Medienanschluss

6

Stapel

7

z-Richtung

8

x-Richtung

9

y-Richtung

10

Membran-Elektrodeneinheit

11a-c

Durchgangsöffnungen

12a-d

Dichtsicken

13

Durchführungen

13a-c

Durchführungen

14

Membran

15

abdichtender Randbereich

16

Gasdiffusionslage

17

Strömungsfeld

18

elektrochemisch aktiver Bereich

19

Hohlraum

20

Verteil- und Sammelbereich

22

Außenrandbereich

24

Kontaktbereich

29

Kanal

50

Dichtungsanordnung

52

elastomeres Dichtelement

54

Mikrosphären

56

Elastomer

57

erste Grenzschicht (Blech - Elastomer)

58

Gas

59

zweite Grenzschicht (Elastomer - Umgebung)

60

metallische Lage

61

Oberfläche der metallischen Lage

62

Oberflächenstrukturierung

63

unbehandelter Bereich

64

Vertiefungen

65

Sicke

66, 66'

Sickenflanke

67, 67'

Sickenfuß

68

Sickendach

69

Reihe von Vertiefungen

70

Plattenanordnung

75

Kraterrand

Claims (20)

1. Dichtungsanordnung (50), umfassend: - ein elastomeres Dichtelement (52), welches ein aufgeschäumtes Material mit Mikrosphären (54) aufweist, sowie - eine metallische Lage (60) mit einer Oberflächenstrukturierung (62), wobei die Oberflächenstrukturierung (62) eine Vielzahl von Vertiefungen (64) aufweist, wobei das Dichtelement (52) als Beschichtung der metallischen Lage (60) ausgeführt ist und zumindest bereichsweise auf der Oberflächenstrukturierung (62) angeordnet ist, wobei eine Konzentration der Mikrosphären (54) im Dichtelement (52) gemessen senkrecht zur Oberfläche (61) der metallischen Lage (60) inhomogen ist.
2. Dichtungsanordnung (50) nach Anspruch 1, wobei das Dichtelement (52) eine an die metallische Lage (60) angrenzende erste Grenzschicht (57) aufweist, und die Konzentration der Mikrosphären (54) in dem Dichtelement (52) innerhalb der ersten Grenzschicht (57) geringer ist als außerhalb der ersten Grenzschicht (57).
3. Dichtungsanordnung (50) nach Anspruch 2, wobei das Dichtelement (52) eine von der metallischen Lage (60) wegweisende zweite Grenzschicht (59) aufweist, und die Konzentration der Mikrosphären (54) in dem Dichtelement (52) innerhalb der zweiten Grenzschicht (59) geringer ist als außerhalb der ersten Grenzschicht (57) und zweiten Grenzschicht (59).
4. Dichtungsanordnung (50) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und ggf. zweite Grenzschicht (57, 59) jeweils oder gemeinsam eine Dicke von höchstens 35%, vorzugsweise höchstens 30%, besonders vorzugsweise höchstens 23% bezogen auf eine gesamte maximale Schichtdicke des Dichtelements (52) gemessen senkrecht zur Oberfläche (61) der metallischen Lage (60) aufweist.
5. Dichtungsanordnung (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein mittlerer Durchmesser der Mikrosphären (54) mindestens 20 µm und/oder höchstens 80 µm beträgt.
6. Dichtungsanordnung (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Vertiefungen (64) eine Breite und/oder einen Durchmesser, insbesondere gemessen auf halber Höhe der Vertiefungen (64) und/oder parallel zur unbehandelten Metalloberfläche (61), von maximal 150 µm, vorzugsweise maximal 100 um, insbesondere maximal 70 µm aufweisen.
7. Dichtungsanordnung (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Vertiefungen (64) eine Tiefe, vorzugsweise gemessen von der unbehandelten Oberfläche (61) bis zur tiefsten Stelle der Vertiefung, von wenigstens 2 µm und/oder höchstens 40 µm aufweisen und/oder wobei die Vertiefungen (64) eine Tiefe von höchstens 20% der Dicke der metallischen Lage (60) aufweisen.
8. Dichtungsanordnung (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens eine in die metallische Lage (60) eingeformte Sicke (65), wobei die Oberflächenstrukturierung (62) auf einer Oberfläche der Sicke (65) ausgebildet ist und das Dichtelement (52) auf der Sicke (65) angeordnet ist.
9. Dichtungsanordnung (50) nach Anspruch 7, wobei die Sicke (65) ein Sickendach (68) und mindestens eine an das Sickendach (68) angrenzende Sickenflanke (66, 66') aufweist, wobei die Oberflächenstrukturierung (62) sich zumindest bereichsweise über das Sickendach (68) und/oder die mindestens einen Sickenflanke (66, 66') erstreckt.
10. Dichtungsanordnung (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das elastomere Dichtelement (52) FPM (Fluorelastomer), Silikon-Kautschuk oder NBR-Kautschuk (Nitril-Butadien-Kautschuk), PUR (Polyurethan), NR (Naturkautschuk), FFKM (Perfluorkautschuk), SBR (Styrol-Butadien-Kautschuk), BR (Butylkautschuk), FVSQ (Fluorsilikon), CSM (Chlorsulfoniertes Polyethylen), Silikonharz, Epoxidharz oder Mischungen der vorgenannten Stoffe, oder Haftklebstoff und/oder physikalisch abbindenden Klebstoff enthält.
11. Dichtungsanordnung (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Mikrosphären (54) mit einem gasförmigen Medium, insbesondere einem gasförmigen Kohlenwasserstoff, insbesondere einem gesättigten Kohlenwasserstoff wie n-Pentan, Isopentan oder Isobutan gefüllt sind.
12. Dichtungsanordnung (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Dichtelement (52) zumindest eine in der metallischen Lage (60) ausgebildete Durchgangsöffnung (11a-c) für Gas oder Flüssigkeit in sich geschlossen umgibt.
13. Dichtungsanordnung (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die metallische Lage (60) als Separatorplatte (2a, 2b) oder als Teil einer Bipolarplatte (2) für ein elektrochemisches System ausgeführt ist.
14. Plattenanordnung (70) für ein elektrochemisches System, umfassend eine Dichtungsanordnung (50) mit einem elastomeren Dichtelement (52), welches ein aufgeschäumtes Material mit Mikrosphären (54) aufweist, sowie zwei als metallische Lagen (60) ausgebildete Separatorplatten (2a, 2b), mit einer zumindest abschnittsweisen Oberflächenstrukturierung (62), wobei die Oberflächenstrukturierung (62) eine Vielzahl von Vertiefungen (64) aufweist, sowie eine zwischen den Separatorplatten (2a, 2b) angeordnete Membran-Elektrodeneinheit (10), wobei das Dichtelement (52) als mindestens einseitige Beschichtung jeder der Separatorplatten (2a, 2b) ausgeführt ist und zumindest bereichsweise auf der Oberflächenstrukturierung (62) angeordnet ist und wobei eine Konzentration der Mikrosphären (54) im Dichtelement (52) gemessen senkrecht zur Oberfläche (61) der metallischen Lage (60) inhomogen ist.
15. Elektrochemisches System, mit einer Vielzahl von Dichtungsanordnungen nach Anspruch 13 und/oder einer Vielzahl von Plattenanordnungen nach Anspruch 14.
16. Verfahren zur Herstellung einer Dichtungsanordnung (50), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 13, mit den Schritten: - Bereitstellen (S1) einer metallischen Lage (60), - Versehen (S2) der metallischen Lage (60) mit einer Oberflächenstrukturierung (62), wobei die Oberflächenstrukturierung (62) eine Vielzahl von Vertiefungen (64) aufweist, - Aufbringen (S3) eines aufschäumbaren Materials mit expandierbaren Mikrosphären (54) auf die Oberflächenstrukturierung (62), - Ausbilden (S4) eines elastomeren Dichtelements (52) auf der metallischen Lage (60) unter Expansion der Mikrosphären (54), wobei eine Verteilung der expandierten Mikrosphären (54) im Dichtelement (52) gemessen senkrecht zur Oberfläche (61) der metallischen Lage (60) inhomogen ist.
17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Mikrosphären (54) im nicht-expandierten Zustand einen mittleren Durchmesser von mindestens 5 und/oder höchstens 50 µm aufweisen, wobei die Mikrosphären (54) im expandierten Zustand einen mittleren Durchmesser von mindestens 20 und/oder höchstens 80 µm aufweisen.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 17, wobei die Vertiefungen (64) durch Laserstrahlung erzeugt werden und insbesondere ein gepulster Laser verwendet wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 17, wobei die Vertiefungen (64) durch mikrostrukturierendes Prägen erzeugt werden.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei das aufschäumbare Material mittels Sprühens, Tampongalvanisierens, Siebdruck-, Walzendruck-, Schablonendruck- oder Dosierverfahrens aufgetragen wird.

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