DE102021205989A1

DE102021205989A1 - Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelleneinheit

Info

Publication number: DE102021205989A1
Application number: DE102021205989.9A
Authority: DE
Inventors: Anton Ringel; Andreas Ringk
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-06-14
Filing date: 2021-06-14
Publication date: 2022-12-15
Also published as: WO2022263363A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer elektrochemische Zelleneinheit zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit mit gestapelten elektrochemischen Zellen mit den Schritten: zur Verfügung stellen von schichtförmigen Komponenten (6, 10) der elektrochemischen Zellen, nämlich vorzugsweise Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, vorzugsweise Membranelektrodenanordnungen (6), vorzugsweise Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten (10), Aufbringen von Dichtungen (11) aus einem primären Dichtungsstoff (73) auf die schichtförmigen Komponenten (6, 10) zur Abdichtung von Kanälen (12) zum Durchleiten für wenigstens ein Prozessfluid, Stapeln der schichtförmigen Komponenten (6, 10) zu elektrochemischen Zellen und zu einem Stack der elektrochemischen Zelleneinheit, wobei nach dem Aufbringen der Dichtungen (11) aus dem primären Dichtungsstoff (73) auf die schichtförmigen Komponenten (6, 10) die Dichtungen (11) physikalisch und/oder chemisch behandelt werden, so dass nach der physikalischen und/oder chemischen Behandlung der primäre Dichtungsstoff (73) der Dichtungen (11) wenigstens teilweise in einen sekundären Dichtungsstoff (75) umgewandelt wird und der sekundäre Dichtungsstoff (75) einen kleineren Diffusionskoeffizienten aufweist als der primäre Dichtungsstoff (73).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und eine elektrochemische Zelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 12.
Stand der Technik
Brennstoffzelleneinheiten als galvanische Zellen wandeln mittels Redoxreaktionen an einer Anode und Kathode kontinuierlich zugeführten Brennstoff und Oxidationsmittel in elektrische Energie und Wasser um. Brennstoffzellen werden in den unterschiedlichsten stationären und mobilen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in Häusern ohne Anschluss an ein Stromnetz oder in Kraftfahrzeugen, im Schienenverkehr, in der Luftfahrt, in der Raumfahrt und in der Schifffahrt. In Brennstoffzelleneinheiten sind eine Vielzahl von Brennstoffzellen in einem Stapel als Stack angeordnet.
In Brennstoffzelleneinheiten sind eine große Anzahl von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel angeordnet. Innerhalb der Brennstoffzellen ist jeweils ein Gasraum für Oxidationsmittel vorhanden, das heißt ein Strömungsraum zum Durchleiten von Oxidationsmittel, wie beispielsweise Luft aus der Umgebung mit Sauerstoff. Der Gasraum für Oxidationsmittel ist von Kanälen an der Bipolarplatte und von einer Gasdiffusionsschicht für eine Kathode gebildet. Die Kanäle sind somit von einer entsprechenden Kanalstruktur einer Bipolarplatte gebildet und durch die Gasdiffusionsschicht gelangt das Oxidationsmittel, nämlich Sauerstoff, zu der Kathode der Brennstoffzellen. In analoger Weise ist ein Gasraum für Brennstoff vorhanden.
Elektrolysezelleneinheiten aus gestapelt angeordneten Elektrolysezellen, analog wie bei Brennstoffzelleneinheiten, dienen beispielsweise zur elektrolytischen Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser. Ferner sind Brennstoffzelleneinheiten bekannt, die als reversible Brennstoffzelleneinheiten und damit als Elektrolysezelleneinheiten betrieben werden können. Brennstoffzelleneinheiten und Elektrolysezelleinheiten bilden elektrochemische Zelleneinheiten. Brennstoffzellen und Elektrolysezellen bilden elektrochemische Zellen.
Brennstoffzellen weisen somit Kanäle für die Prozessfluide Brennstoff und Oxidationsmittel auf. Elektrolysezellen weisen Kanäle für die Prozessfluide Elektrolyten auf. Diese Kanäle der elektrochemischen Zellen sind mit Dichtungen abgedichtet. Dabei sind die Dichtungen im Allgemeinen zwischen zwei schichtförmigen Komponenten der elektrochemischen Zellen angeordnet. Diese Dichtungen aus einem primären Dichtungsstoff, beispielsweise Silikon, weisen einen großen Diffusionskoeffizienten auf. Aufgrund des großen Diffusionskoeffizienten tritt eine erhebliche Diffusion der Prozessfluide durch die Dichtungen in die Umgebung auf. In nachteiliger Weise tritt damit ein erheblicher Verlust während des Betriebes der elektrochemischen Zellen bzw. der elektrochemischen Zelleneinheit an Prozessfluiden in die Umgebung auf. Dies vermindert den Wirkungsgrad der elektrochemischen Zelleneinheit in nachteiliger Weise und darüber hinaus führt dies zu einer Beeinträchtigung der Umwelt. Häufig sind deshalb zusätzliche Maßnahmen notwendig, um die Leckage des Prozessfluide nach der Diffusion durch die Dichtungen aufzufangen, beispielsweise in einem Auffangbehälter für Elektrolyten. Dies verursacht zusätzliche Kosten und erhöht den Wartungsaufwand für die elektrochemische Zelleneinheit.
Die US 5,176,966 zeigt eine Brennstoffzelleneinheit mit einer Dichtung aus Silikon. Der Dichtungsstoff als das Silikon ist beispielsweise in einer Dichtungsnut angeordnet.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer elektrochemische Zelleneinheit zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit mit gestapelten elektrochemischen Zellen mit den Schritten: zur Verfügung stellen von schichtförmigen Komponenten der elektrochemischen Zellen, nämlich vorzugsweise Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, vorzugsweise Membranelektrodenanordnungen, vorzugsweise Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten, Aufbringen von Dichtungen aus einem primären Dichtungsstoff auf die schichtförmigen Komponenten zur Abdichtung von Kanälen zum Durchleiten für wenigstens ein Prozessfluid, Stapeln der schichtförmigen Komponenten zu elektrochemischen Zellen und zu einem Stack der elektrochemischen Zelleneinheit, wobei nach dem Aufbringen der Dichtungen aus dem primären Dichtungsstoff auf die schichtförmigen Komponenten die Dichtungen physikalisch und/oder chemisch behandelt werden, so dass nach der physikalischen und/oder chemischen Behandlung der primäre Dichtungsstoff der Dichtungen wenigstens teilweise in einen sekundären Dichtungsstoff umgewandelt wird und der sekundäre Dichtungsstoff einen kleineren Diffusionskoeffizienten aufweist als der primäre Dichtungsstoff. Vorzugsweise ist der Diffusionskoeffizienten des sekundären Dichtungsstoffes kleiner als 1%, 5%, 10 %, 20 %, 30 %, 50 % oder 70% des Diffusionskoeffizienten des primären Dichtungsstoffes. Im Rahmen der Herstellung der elektrochemischen Zelleneinheit kann somit der Diffusionskoeffizienten des Dichtungsstoffes der Dichtung verkleinert werden, sodass dadurch in vorteilhafter Weise eine wesentlich reduzierte Diffusion durch die Dichtungen von Prozessfluiden aus den Kanälen in die Umgebung auftritt. Normalerweise tritt dadurch eine technisch im Wesentlichen vernachlässigbare Diffusion der Prozessfluide durch die Dichtungen von den Kanälen in die Umgebung auf, sodass dadurch die elektrochemische Zelleneinheit einen erhöhten Wirkungsgrad aufweist und darüber hinaus keine Maßnahmen notwendig sind, um die durch die Dichtungen diffundierten Prozessfluide aufzufangen und/oder zu sammeln.
In einer weiteren Ausgestaltung bewirkt die physikalische und/oder chemische Behandlung eine Oxidation des primären Dichtungsstoffes zu einem Oxid des primären Dichtungsstoffes und/oder zu einem Oxid eines Elementes oder einer Verbindung in dem primären Dichtungsstoff und das Oxid den sekundären Dichtungsstoff ausbildet. Die chemische Behandlung bewirkt damit eine chemische Oxidation. Das Oxid als der sekundäre Dichtungsstoff weist in vorteilhafter Weise einen wesentlich kleineren Diffusionskoeffizienten auf als der primären Dichtungsstoff, sodass dadurch die Diffusion signifikant durch die Dichtungen reduziert werden kann.
In einer ergänzenden Variante wird die physikalische und/oder chemische Behandlung der Dichtungen nach dem Stapeln der schichtförmigen Komponenten zu elektrochemischen Zellen und zu dem Stack der elektrochemischen Zelleneinheit ausgeführt. Zweckmäßig erfolgt zunächst das vollständige Stapeln der schichtförmigen Komponenten zu der elektrochemischen Zelleneinheit und anschließend wird die physikalische und/oder chemische Behandlung der Dichtungen ausgeführt.
In einer weiteren Variante begrenzen die Dichtungen nach dem Stapeln der schichtförmigen Komponenten zu elektrochemischen Zellen und zu dem Stack der elektrochemischen Zelleneinheit eine Außenseite des Stacks teilweise. Die Dichtungen sind somit an einem äußeren Randbereich des Stacks der elektrochemischen Zelleneinheit ausgebildet.
In einer ergänzenden Ausgestaltung sind die Dichtungen in einer Richtung senkrecht zu fiktiven Ebenen, aufgespannt von den schichtförmigen Komponenten und elektrochemischen Zellen, zwischen den schichtförmigen Komponenten angeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Dichtungen zwischen Bipolarplatten und Membranelektrodenanordnungen zur Abdichtung von Kanälen für Brennstoff und/oder Elektrolyt und/oder zur Abdichtung von Kanälen für Oxidationsmittel und/oder Elektrolyt angeordnet.
In einer zusätzlichen Variante wird die Außenseite des Stacks physikalisch und/oder chemisch behandelt, so dass der primäre Dichtungsstoff der Dichtungen an einem der Außenseite zugewandten Bereich in den sekundären Dichtungsstoff umgewandelt wird.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung wird der primäre Dichtungsstoff der Dichtungen an je einem sekundären Teilbereich in den sekundären Dichtungsstoff umgewandelt und an einem primären Teilbereich wird keine Umwandlung des primären Dichtungsstoffes in den sekundären Dichtungsstoff ausgeführt, so dass hybride Dichtungen mit je einem primären Teilbereich und je einem sekundären Teilbereich hergestellt werden.
Vorzugsweise wird die physikalische und/oder chemischen Behandlung während einer Zeitdauer von 5 s bis 60 min, insbesondere 1 min bis 30 min, ausgeführt.
In einer ergänzenden Ausgestaltung umfasst der primäre Dichtungsstoff Silikon und der sekundäre Dichtungsstoff umfasst Silikonoxid.
In einer zusätzlichen Ausführungsform wird die physikalische und/oder chemische Behandlung mit einem Behandlungsfluid, insbesondere Ozon und/oder Plasma, ausgeführt, so dass während der physikalischen und/oder chemischen Behandlung der primäre Dichtungsstoff mit dem Behandlungsfluid, insbesondere Ozon und/oder dem Plasma, kontaktiert wird.
Erfindungsgemäße elektrochemische Zelleneinheit zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit, umfassend gestapelt angeordnete elektrochemische Zellen und die elektrochemischen Zellen jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten umfassen, die Komponenten der elektrochemischen Zellen vorzugsweise Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, vorzugsweise Membranelektrodenanordnungen, vorzugsweise Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten sind, Kanäle zum Durchleiten von Prozessfluiden, Dichtungen zum Abdichten der Kanäle für die Prozessfluide, wobei die elektrochemische Zelleneinheit mit einem in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Verfahren hergestellt ist und/oder die Dichtungen als hybride Dichtungen ausgebildet sind mit je einem primären Dichtungsstoff an einem primären Teilbereich und je einem sekundären Dichtungsstoff an einem sekundären Teilbereich und der sekundäre Dichtungsstoff einen kleineren Diffusionskoeffizienten aufweist als der primäre Dichtungsstoff.
In einer weiteren Ausführungsform begrenzen die primären Teilbereiche der Dichtungen die Kanäle für die Prozessfluide und die sekundären Teilbereiche der Dichtungen teilweise eine Außenseite des Stacks ausbilden.
In einer zusätzlichen Variante sind Dichtungen zwischen Bipolarplatten und Membranelektrodenanordnungen, insbesondere Subgaskets von Membranelektrodenanordnungen, angeordnet.
Zweckmäßig weist der sekundäre Dichtungsstoff eine größere Härte, insbesondere größere Brinellhärte, auf als der primäre Dichtungsstoff. Vorzugsweise ist die Härte, insbesondere Brinellhärte, des sekundären Dichtungsstoffes um das 1,2-fache, 1,5-fache, 2-fache, 3-fache oder 5-fache größer als die Härte, insbesondere Brinellhärte, des primären Dichtungsstoffes.
In einer weiteren Ausgestaltung dienen die Dichtungen zur Abdichtung von Kanälen für Kühlmittel, insbesondere sind die Dichtungen zwischen zwei Blechen je einer Bipolarplatte angeordnet.
In einer weiteren Ausgestaltung sind an den Dichtungen mit dem sekundären Dichtungsstoff keine Bereiche der Dichtungen vorhanden sind durch welche das Prozessfluid aus den Kanälen durch die Dichtung durch diffundierbar ist ohne einer Durchdringung des sekundären Dichtungsstoffes.
Vorzugsweise wird das Verfahren ausgeführt, sodass an den Dichtungen mit dem sekundären Dichtungsstoff keine Bereiche der Dichtungen vorhanden sind durch welche das Prozessfluid aus den Kanälen durch die Dichtung durch diffundierbar ist ohne einer Durchdringung des sekundären Dichtungsstoffes.
In einer ergänzenden Ausgestaltung sind die Dichtungen dahingehend ausgebildet und/oder werden dahingehend hergestellt, dass in einem Schnitt senkrecht zu einer Diffusionsrichtung des Prozessfluide durch die Dichtung der sekundäre Dichtungsstoff vollständig ausgebildet ist.
In einer ergänzenden Ausführungsform sind die Dichtungen umlaufend, insbesondere vollständig umlaufenden, an der Außenseite des Stacks der elektrochemischen Zelleneinheit ausgebildet.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung weist der sekundäre Teilbereich eine Dicke zwischen 0,1 nm und 2 mm, vorzugsweise zwischen 10 nm und 1 mm, insbesondere zwischen 10 µm und 0,1 mm auf.
In einer ergänzenden Ausgestaltung wird die physikalische und/oder chemische Behandlung mit dem Behandlungsfluid ausgeführt, indem das Behandlungsfluid mit wenigstens einer Düse auf die Brennstoffzelleneinheit aufgebracht wird und/oder die elektrochemische Zelleneinheit in einer Behandlungskammer mit dem Behandlungsfluid angeordnet wird.
In einer ergänzenden Variante wird die physikalische und/oder chemische Behandlung mit dem Behandlungsfluid ausgeführt, indem das Behandlungsfluid durch die Kanäle für das Prozessfluid, insbesondere die Kanäle für das Prozessfluid Brennstoff und/oder Elektrolyt und/oder die Kanäle für das Prozessfluid Oxidationsmittel und/oder Elektrolyten durchgeleitet wird. Bei der Durchleitung des Behandlungsfluides durch die Kanäle für das Prozessfluid wird somit die Herstellung des sekundären Dichtungsstoffes an einer Seite der Dichtung ausgeführt, welcher dem Kanal zugewandt ist.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung wird vor und/oder während der physikalischen und/oder chemischen Behandlung der Dichtungen der Stack der elektrochemischen Zelleneinheit mit einer Druckkraft vorgespannt. Vorzugsweise ist die Druckkraft, mit welcher der Stack während der physikalischen und/oder chemischen Behandlung vorgespannt ist im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 10 %, 20 % oder 30 %, die finale Druckkraft des Stacks der elektrochemischen Zelleneinheit für den Betrieb der elektrochemischen Zelleneinheit. Die finale Druckkraft der Vorspannung des Stacks ist notwendig, damit eine ausreichende Dichtheit gewährleistet und ein kleiner elektrischer Widerstand zwischen den elektrochemischen Zellen auftritt. Nach der Herstellung des sekundären Dichtungsstoffes wird somit vorzugsweise im Wesentlichen keine, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 10 %, 20 % oder 30 %, Veränderung der Vorspannung des Stacks der elektrochemischen Zelleneinheit mit der Druckkraft ausgeführt. Eine größere Veränderung der Vorspannung des Stacks mit der Druckkraft nach der Herstellung des sekundären Dichtungsstoffes könnte zu Rissen in der Dichtung an dem sekundären Dichtungsstoff führen, sodass dadurch die Dichtung insgesamt keinen im Wesentlichen kleineren Dichtungskoeffizienten aufweisen würden, da die Prozessfluide zwischen den Rissen bzw. an den Rissen durchtreten können.
In einer ergänzenden Ausführungsform ist das Behandlungsfluid eine Flüssigkeit und/oder ein Gas.
Vorzugsweise ist das Behandlungsfluid ein Oxidationsmittel, insbesondere Wasserstoffperoxid und/oder Fluor und/oder Bromat und/oder Sauerstoffdifluorid.
In einer ergänzenden Ausgestaltung wird die Dichtung aus dem primären Dichtungsstoff auf die schichtförmigen Komponenten mit Dispensen und/oder Siebdruck und/oder Schablonendruck und/oder Spritzgießen und/oder Extrusion aufgebracht.
Vorzugsweise sind die Membranelektrodenanordnungen von je einer Protonenaustauschermembran, je wenigstens einem Subgasket, je einer Anode und je einer Kathode gebildet, insbesondere als CCM (catalyst coated membran) mit Katalysatormaterial in den Anoden und Kathoden.
In einer weiteren Variante wird mit dem in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Verfahren eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene elektrochemischen Zelleneinheit hergestellt.
In einer ergänzenden Ausgestaltung wird das Verfahren mit einem Roboter ausgeführt, insbesondere wird wenigstens eine Düse und/oder der Stack mit dem Roboter während der Herstellung bewegt.
Die Erfindung umfasst ferner ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit durchgeführt wird.
Bestandteil der Erfindung ist außerdem ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit durchgeführt wird.
In einer ergänzenden Ausgestaltung ist die elektrochemische Zelleneinheit eine Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie und/oder eine Elektrolysezelleneinheit zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie.
Zweckmäßig sind die Bipolarplatten als Separatorplatten ausgebildet und zwischen je einer Anode und je einer Kathode eine elektrische Isolationsschicht, insbesondere eine Protonenaustauschermembran, angeordnet ist und vorzugsweise die Elektrolysezellen jeweils einen dritten Kanal für die getrennte Durchleitung eines Kühlfluid als drittes Prozessfluid umfassen.
In einer zusätzlichen Variante ist die Elektrolysezelleneinheit zusätzlich als Brennstoffzelleneinheit, insbesondere eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Brennstoffzelleneinheit, ausgebildet, so dass die Elektrolysezelleneinheit eine reversible Brennstoffzelleneinheit bildet.
In einer weiteren Variante ist der erste Stoff Sauerstoff und der zweite Stoff Wasserstoff.
In einer weiteren Variante sind die Elektrolysezellen der Elektrolysezelleneinheit Brennstoffzellen.
In einer weiteren Variante umfasst die elektrochemische Zelleneinheit ein Gehäuse und/oder eine Anschlussplatte. Der Stapel ist von dem Gehäuse und/oder der Anschlussplatte umschlossen.
Erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel mit Brennstoffzellen, einen Druckgasspeicher zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff, eine Gasfördervorrichtung zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden der Brennstoffzellen, wobei die Brennstoffzelleneinheit als eine in dieser Schutzrechtsanmelddung beschriebene Brennstoffzelleneinheit und/oder Elektrolysezelleneinheit ausgebildet ist.
Erfindungsgemäßes Elektrolysesystem und/oder Brennstoffzellensystem, umfassend eine Elektrolysezelleneinheit als Elektrolysezellenstapel mit Elektrolysezellen, vorzugsweise einen Druckgasspeicher zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff, vorzugsweise eine Gasfördervorrichtung zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden der Brennstoffzellen, einen Speicherbehälter für flüssigen Elektrolyten, eine Pumpe zur Förderung des flüssigen Elektrolyten, wobei die Elektrolysezelleneinheit als eine in dieser Schutzrechtsanmelddung beschriebene Elektrolysezelleneinheit und/oder Brennstoffzelleneinheit ausgebildet ist.
In einer weiteren Ausgestaltung bildet die in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Brennstoffzelleneinheit zusätzlich eine Elektrolysezelleneinheit und vorzugsweise umgekehrt.
In einer weiteren Variante umfasst die elektrochemische Zelleneinheit, insbesondere Brennstoffzelleneinheit und/oder die Elektrolysezelleneinheit, wenigstens eine Verbindungsvorrichtung, insbesondere mehrere Verbindungsvorrichtungen, und Spannelemente.
Zweckmäßig sind Komponenten für elektrochemische Zellen, insbesondere Brennstoffzellen und/oder Elektrolysezellen, vorzugsweise Isolationsschichten, insbesondere Protonenaustauschermembranen, vorzugsweise Membranelektrodenanordnungen, Anoden, Kathoden, vorzugsweise Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten, insbesondere Separatorplatten.
In einer weiteren Ausgestaltung umfassen die elektrochemischen Zellen, insbesondere Brennstoffzellen und/oder Elektrolysezellen, jeweils vorzugsweise eine Isolationsschicht, insbesondere Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, vorzugsweise Membranelektrodenanordnungen, vorzugsweise wenigstens eine Gasdiffusionsschicht und wenigstens eine Bipolarplatte, insbesondere wenigstens eine Separatorplatte.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Verbindungsvorrichtung als ein Bolzen ausgebildet und/oder ist stabförmig und/oder ist als ein Spanngurt ausgebildet.
Zweckmäßig sind die Spannelemente als Spannplatten ausgebildet.
In einer weiteren Variante ist die Gasfördervorrichtung als ein Gebläse und/oder ein Kompressor und/oder ein Druckbehälter mit Oxidationsmittel ausgebildet.
Insbesondere umfasst die elektrochemischen Zelleneinheit, insbesondere Brennstoffzelleneinheit und/oder Elektrolysezelleneinheit, wenigstens 3, 4, 5 oder 6 Verbindungsvorrichtungen.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Spannelemente plattenförmig und/oder scheibenförmig und/oder eben ausgebildet und/oder als ein Gitter ausgebildet.
Vorzugsweise ist der Brennstoff Wasserstoff, wasserstoffreiches Gas, Reformatgas oder Erdgas.
Zweckmäßig sind die Brennstoffzellen und/oder Elektrolysezellen im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig ausgebildet.
In einer ergänzenden Variante ist das Oxidationsmittel Luft mit Sauerstoff oder reiner Sauerstoff.
Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit eine PEM-Brennstoffzelleneinheit mit PEM-Brennstoffzellen oder eine SOFC-Brennstoffzelleneinheit mit SOFC-Brennstoffzellen oder eine alkalische Brennstoffzelle (AFC).
Figurenliste
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

1 eine stark vereinfachte Explosionsdarstellung eines elektrochemischen Zellensystems als Brennstoffzellensystem und Elektrolysezellensystem mit Komponenten einer elektrochemischen Zelle als Brennstoffzelle und Elektrolysezelle,
2 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Brennstoffzelle und Elektrolysezelle,
3 einen Längsschnitt durch elektrochemische Zellen als Brennstoffzelle und Elektrolysezelle,
4 eine perspektivische Ansicht einer elektrochemischen Zelleneinheit als Brennstoffzelleneinheit und Elektrolysezelleneinheit als Brennstoffzellenstapel und Elektrolysezellenstapel,
5 eine Seitenansicht der elektrochemischen Zelleneinheit als Brennstoffzelleneinheit und Elektrolysezelleneinheit als Brennstoffzellenstapel und Elektrolysezellenstapel,
6 eine perspektivische Ansicht einer Bipolarplatte,
7 eine perspektivische Ansicht einer Membranelektrodenanordnung,
8 eine Seitenansicht eines Roboters,
9 einen Längsschnitt einer Dichtung zwischen einer Bipolarplatte und einem Subgasket der Membranelektrodenanordnung von der physikalischen und/oder chemischen Behandlung der Dichtung,
10 einen Längsschnitt der Dichtung zwischen der Bipolarplatte und dem Subgasket der Membranelektrodenanordnung gemäß 9 nach der physikalischen und/oder chemischen Behandlung der Dichtung, so dass ein primärer und sekundärer Teilbereich der Dichtung ausgebildet ist,
11 eine perspektivische Ansicht des Stacks der elektrochemischen Zelleneinheit während des Aufbringens eines Behandlungsfluides auf eine Außenseite des Stacks mit einer Düse,
12 eine perspektivische Ansicht des Stacks der elektrochemischen Zelleneinheit während des Aufbringens eines Behandlungsfluides auf eine Außenseite des Stacks mit mehreren Düsen,
13 eine perspektivische Ansicht des Stacks der elektrochemischen Zelleneinheit während der Anordnung des Stacks in einer Behandlungskammer,
14 ein Diagramm der an der Ordinate aufgetragenen Dicke d eines sekundären Teilbereiches in Abhängigkeit von der an der Abszisse aufgetragenen Behandlungszeit t und
15 ein Ablaufdiagramm der Schritte zur Herstellung der elektrochemischen Zelleneinheit.

In den 1 bis 3 ist der grundlegende Aufbau einer Brennstoffzelle 2 als einer PEM-Brennstoffzelle 3 (Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle 3) dargestellt. Das Prinzip von Brennstoffzellen 2 besteht darin, dass mittels einer elektrochemischen Reaktion elektrische Energie bzw. elektrischer Strom erzeugt wird. An eine Anode 7 wird Wasserstoff H₂ als gasförmiger Brennstoff geleitet und die Anode 7 bildet den Minuspol. An eine Kathode 8 wird ein gasförmiges Oxidationsmittel, nämlich Luft mit Sauerstoff, geleitet, d. h. der Sauerstoff in der Luft stellt das notwendige gasförmige Oxidationsmittel zur Verfügung. An der Kathode 8 findet eine Reduktion (Elektronenaufnahme) statt. Die Oxidation als Elektronenabgabe wird an der Anode 7 ausgeführt.
Die Redoxgleichungen der elektrochemischen Vorgänge lauten:

Kathode: O₂ + 4 H⁺ + 4 e^- --» 2 H₂O
Anode: 2 H₂ --» 4 H⁺ + 4 e^-
Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode: 2 H₂ + O₂ --» 2 H₂O

Die Differenz der Normalpotentiale der Elektrodenpaare unter Standardbedingungen als reversible Brennstoffzellenspannung oder Leerlaufspannung der unbelasteten Brennstoffzelle 2 beträgt 1,23 V. Diese theoretische Spannung von 1,23 V wird in der Praxis nicht erreicht. Im Ruhezustand und bei kleinen Strömen können Spannungen über 1,0 V erreicht werden und im Betrieb mit größeren Strömen werden Spannungen zwischen 0,5 V und 1,0 V erreicht. Die Reihenschaltung von mehreren Brennstoffzellen 2, insbesondere eine Brennstoffzelleneinheit 1 als Brennstoffzellenstapel 1 von mehreren gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2, weist eine höhere Spannung auf, welche der Zahl der Brennstoffzellen 2 multipliziert mit der Einzelspannung je einer Brennstoffzelle 2 entspricht.
Die Brennstoffzelle 2 umfasst außerdem eine Protonenaustauschermembran 5 (Proton Exchange Membrane, PEM), welche zwischen der Anode 7 und der Kathode 8 angeordnet ist. Die Anode 7 und Kathode 8 sind schichtförmig bzw. scheibenförmig ausgebildet. Die PEM 5 fungiert als Elektrolyt, Katalysatorträger und Separator für die Reaktionsgase. Die PEM 5 fungiert außerdem als elektrischer Isolator und verhindert einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Anode 7 und Kathode 8. Im Allgemeinen werden 12 µm bis 150 µm dicke, protonenleitende Folien aus perfluorierten und sulfonierten Polymeren eingesetzt. Die PEM 5 leitet die Protonen H⁺ und sperrt andere Ionen als Protonen H⁺ im Wesentlichen, so dass aufgrund der Durchlässigkeit der PEM 5 für die Protonen H⁺ der Ladungstransport erfolgen kann. Die PEM 5 ist für die Reaktionsgase Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ im Wesentlichen undurchlässig, d. h. sperrt die Strömung von Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ zwischen einem Gasraum 31 an der Anode 7 mit Brennstoff Wasserstoff H₂ und dem Gasraum 32 an der Kathode 8 mit Luft bzw. Sauerstoff O₂ als Oxidationsmittel. Die Protonenleitfähigkeit der PEM 5 vergrößert sich mit steigender Temperatur und steigenden Wassergehalt.
Auf den beiden Seiten der PEM 5, jeweils zugewandt zu den Gasräumen 31, 32, liegen die Elektroden 7, 8 als die Anode 7 und Kathode 8 auf. Eine Einheit aus der PEM 5 und den Elektroden 7, 8 wird als Membranelektrodenanordnung 6 (Membran Electrode Assembly, MEA) bezeichnet. Die Elektroden 7, 8 sind mit der PEM 5 verpresst. Die Elektroden 7, 8 sind platinhaltige Kohlenstoffpartikel, die an PTFE (Polytetrafluorethylen), FEP (Fluoriertes Ethylen-Propylen-Copolymer), PFA (Perfluoralkoxy), PVDF (Polyvinylidenfluorid) und/oder PVA (Polyvinylalkohol) gebunden sind und in mikroporösen Kohlefaser-, Glasfaser- oder Kunststoffmatten heißverpresst sind. An den Elektroden 7, 8 sind auf der Seite zu den Gasräumen 31, 32 hin normalerweise jeweils eine Katalysatorschichten 30 aufgebracht (nicht dargestellt). Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 31 mit Brennstoff an der Anode 7 umfasst nanodisperses Platin-Ruthenium auf grafitierten Rußpartikeln, die an einem Bindemittel gebunden sind. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 32 mit Oxidationsmittel an der Kathode 8 umfasst analog nanodisperses Platin. Als Bindemittel werden beispielsweise Nation®, eine PTFE-Emulsion oder Polyvinylalkohol eingesetzt.
Abweichend hiervon sind die Elektroden 7, 8 aus einem lonomer, beispielsweise Nation®, platinhaltigen Kohlenstoffpartikeln und Zusatzstoffen aufgebaut. Diese Elektroden 7, 8 mit dem lonomer sind aufgrund der Kohlenstoffpartikel elektrisch leitfähig und leiten auch die Protonen H⁺ und fungieren zusätzlich auch als Katalysatorschicht 30 wegen der platinhaltigen Kohlenstoffpartikel. Membranelektrodenanordnungen 6 mit diesen Elektroden 7, 8 umfassend das lonomer bilden Membranelektrodenanordnungen 6 als CCM (catalyst coated membran).
Auf der Anode 7 und der Kathode 8 liegt eine Gasdiffusionsschicht 9 (Gas Diffusion Layer, GDL) auf. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Anode 7 verteilt den Brennstoff aus Kanälen 12 für Brennstoff gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Anode 7. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Kathode 8 verteilt das Oxidationsmittel aus Kanälen 13 für Oxidationsmittel gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Kathode 8. Die GDL 9 zieht außerdem Reaktionswasser in umgekehrter Richtung zur Strömungsrichtung der Reaktionsgase ab, d. h. in einer Richtung je von der Katalysatorschicht 30 zu den Kanälen 12, 13. Ferner hält die GDL 9 die PEM 5 feucht und leitet den Strom.
Die GDL 9 ist beispielsweise aus einem hydrophobierten Kohlepapier als Träger- und Substratschicht und einer gebundenen Kohlepulverschicht als mikroporöser Schicht (microporous layer) aufgebaut.
Auf der GDL 9 liegt eine Bipolarplatte 10 auf. Die elektrisch leitfähige Bipolarplatte 10 dient als Stromkollektor, zur Wasserableitung und zur Leitung der Reaktionsgase als Prozessfluide durch die Kanalstrukturen 29 und/oder Flussfelder 29 und zur Ableitung der Abwärme, welche insbesondere bei der exothermischen elektrochemischen Reaktion an der Kathode 8 auftritt. Zum Ableiten der Abwärme sind in die Bipolarplatte 10 Kanäle 14 als Kanalstruktur 29 zur Durchleitung eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels als Prozessfluid eingearbeitet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 31 für Brennstoff ist von Kanälen 12 gebildet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel ist von Kanälen 13 gebildet. Als Material für die Bipolarplatten 10 werden beispielsweise Metall, leitfähige Kunststoffe und Kompositwerkstoffe und/oder Graphit eingesetzt.
In einer Brennstoffzelleneinheit 1 und/oder einem Brennstoffzellenstapel 1 und/oder einem Brennstoffzellenstack 1 sind mehrere Brennstoffzellen 2 fluchtend gestapelt angeordnet (4 und 5). In 1 ist eine Explosionsdarstellung von zwei fluchtend gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2 abgebildet. Dichtungen 11 dichten die Gasräume 31, 32 bzw. Kanäle 12, 13 fluiddicht ab. In einem Druckgasspeicher 21 (1) ist Wasserstoff H₂ als Brennstoff mit einem Druck von beispielsweise 350 bar bis 700 bar gespeichert. Aus dem Druckgasspeicher 21 wird der Brennstoff durch eine Hochdruckleitung 18 zu einem Druckminderer 20 geleitet zur Reduzierung des Druckes des Brennstoffes in einer Mitteldruckleitung 17 von ungefähr 10 bar bis 20 bar. Aus der Mitteldruckleitung 17 wird der Brennstoff zu einem Injektor 19 geleitet. An dem Injektor 19 wird der Druck des Brennstoffes auf einen Einblasdruck zwischen 1 bar und 3 bar reduziert. Von dem Injektor 19 wird der Brennstoff einer Zufuhrleitung 16 für Brennstoff (1) zugeführt und von der Zufuhrleitung 16 den Kanälen 12 für Brennstoff, welche die Kanalstruktur 29 für Brennstoff bilden. Der Brennstoff durchströmt dadurch den Gasraum 31 für den Brennstoff. Der Gasraum 31 für den Brennstoff ist von den Kanälen 12 und der GDL 9 an der Anode 7 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 12 wird der nicht in der Redoxreaktion an der Anode 7 verbrauchte Brennstoff und gegebenenfalls Wasser aus einer kontrollieren Befeuchtung der Anode 7 durch eine Abfuhrleitung 15 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet.
Eine Gasfördereinrichtung 22, beispielsweise als ein Gebläse 23 oder ein Kompressor 24 ausgebildet, fördert Luft aus der Umgebung als Oxidationsmittel in eine Zufuhrleitung 25 für Oxidationsmittel. Aus der Zufuhrleitung 25 wird die Luft den Kanälen 13 für Oxidationsmittel, welche eine Kanalstruktur 29 an den Bipolarplatten 10 für Oxidationsmittel bilden, zugeführt, so dass das Oxidationsmittel den Gasraum 32 für das Oxidationsmittel durchströmt. Der Gasraum 32 für das Oxidationsmittel ist von den Kanälen 13 und der GDL 9 an der Kathode 8 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 13 bzw. des Gasraumes 32 für das Oxidationsmittel 32 wird das nicht an der Kathode 8 verbrauchte Oxidationsmittel und das an der Kathode 8 aufgrund der elektrochemischen Redoxreaktion entstehenden Reaktionswasser durch eine Abfuhrleitung 26 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet. Eine Zufuhrleitung 27 dient zur Zuführung von Kühlmittel in die Kanäle 14 für Kühlmittel und eine Abfuhrleitung 28 dient zur Ableitung des durch die Kanäle 14 geleiteten Kühlmittels. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 sind in 1 aus Vereinfachungsgründen als gesonderte Leitungen dargestellt. Am Endbereich in der Nähe der Kanäle 12, 13, 14 sind im Stapel als Stack der Brennstoffzelleneinheit 1 fluchtende Fluidöffnungen 41 an Abdichtplatten 39 als Verlängerung am Endbereich 40 der aufeinander liegender Bipolarplatten 10 (6) und Membranelektrodenanordnungen 6 (7) ausgebildet. Die Brennstoffzellen 2 und die Komponenten der Brennstoffzellen 2 sind scheibenförmig ausgebildet und spannen zueinander im Wesentlichen parallel ausgerichtete fiktive Ebenen 59 auf. Die fluchtenden Fluidöffnungen 41 und Dichtungen (nicht dargestellt) in einer Richtung senkrecht zu den fiktiven Ebenen 59 zwischen den Fluidöffnungen 41 bilden somit einen Zuführkanal 42 für Oxidationsmittel, einen Abführkanal 43 für Oxidationsmittel, einen Zuführkanal 44 für Brennstoff, einen Abführkanal 45 für Brennstoff, einen Zuführkanal 46 für Kühlmittel und einen Abführkanal 47 für Kühlmittel. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 außerhalb des Stapels der Brennstoffzelleneinheit 1 sind als Prozessfluidleitungen ausgebildet. Die Zufuhr- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 außerhalb des Stapels der Brennstoffzelleneinheit 1 münden in die Zuführ- und Abführkanäle 42, 43, 44, 45, 46, 47 innerhalb des Stapels der Brennstoffzelleneinheit 1. Der Brennstoffzellenstack 1 zusammen mit dem Druckgasspeicher 21 und der Gasfördereinrichtung 22 bildet ein Brennstoffzellensystem 4.
In der Brennstoffzelleneinheit 1 sind die Brennstoffzellen 2 zwischen zwei Spannelementen 33 als Spannplatten 34 angeordnet. Eine erste Spannplatte 35 liegt auf der ersten Brennstoffzelle 2 auf und eine zweiten Spannplatte 36 liegt auf der letzten Brennstoffzelle 2 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst ungefähr 200 bis 400 Brennstoffzellen 2, die aus zeichnerischen Gründen nicht alle in 4 und 5 dargestellt sind. Die Spannelemente 33 bringen auf die Brennstoffzellen 2 eine Druckkraft auf, d. h. die erste Spannplatte 35 liegt mit einer Druckkraft auf der ersten Brennstoffzelle 2 auf und die zweite Spannplatte 36 liegt mit einer Druckkraft auf der letzten Brennstoffzelle 2 auf. Damit ist der Brennstoffzellenstapel 2 verspannt, um die Dichtheit für den Brennstoff, das Oxidationsmittel und das Kühlmittel, insbesondere aufgrund der elastischen Dichtungen 11, zu gewährleisten und außerdem den elektrischen Kontaktwiderstand innerhalb des Brennstoffzellenstapels 1 möglichst klein zu halten. Zur Verspannung der Brennstoffzellen 2 mit den Spannelementen 33 sind an der Brennstoffzelleneinheit 1 vier Verbindungsvorrichtungen 37 als Bolzen 38 ausgebildet, welche auf Zug beansprucht sind. Die vier Bolzen 38 sind mit den Spanplatten 34 verbunden.
In 6 ist die Bipolarplatte 10 der Brennstoffzelle 2 dargestellt. Die Bipolarplatte 10 umfasst die Kanäle 12, 13 und 14 als drei getrennte Kanalstrukturen 29. Die Kanäle 12, 13 und 14 sind in 6 nicht gesondert dargestellt, sondern lediglich vereinfacht als Schicht einer Kanalstruktur 29. Die Fluidöffnungen 41 an den Abdichtplatten 39 der Bipolarplatten 10 (6) und Membranelektrodenanordnungen 6 (7) sind fluchtend gestapelt angeordnet innerhalb der Brennstoffzelleneinheit 1, so dass sich Zuführ- und Abführkanäle 42, 43, 44, 45, 46, 47 ausbilden. Dabei sind zwischen den Abdichtplatten 39 nicht dargestellte Dichtungen angeordnet zur fluiddichten Abdichtung der von den Fluidöffnungen 41 gebildeten Zuführ- und Abführkanäle 42, 43, 44, 45, 46, 47.
Da die Bipolarplatte 10 auch den Gasraum 31 für Brennstoff von dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel fluiddicht abtrennt und ferner auch den Kanal 14 für Kühlmittel fluiddicht abdichtet kann für die Bipolarplatte 10 ergänzend auch der Begriff der Separatorplatte 51 zur fluiddichten Trennung bzw. Separierung von Prozessfluiden gewählt werden. Damit wird unter dem Begriff der Bipolarplatte 10 auch der Begriff der Separatorplatte 51 subsumiert und umgekehrt. Die Kanäle 12 für Brennstoff, die Kanäle 13 für Oxidationsmittel und die Kanäle 14 für Kühlmittel der Brennstoffzelle 2 sind auch an der elektrochemische Zelle 52 ausgebildet, jedoch mit einer anderen Funktion.
Die Brennstoffzelleneinheit 1 kann auch als Elektrolysezelleneinheit 49 eingesetzt und betrieben werden, d. h. bildet eine reversible Brennstoffzelleneinheit 1. Im Nachfolgenden werden einige Merkmale beschrieben, die den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 1 als Elektrolysezelleneinheit 49 ermöglichen. Für die Elektrolyse wird ein flüssiger Elektrolyt, nämlich stark verdünnte Schwefelsäure mit einer Konzentration von ungefähr c (H₂SO₄) = 1 mol/l, verwendet. Eine ausrechende Konzentration von Oxoniumionen H₃O⁺ in dem flüssigen Elektrolyten ist notwendig für die Elektrolyse.
Bei der Elektrolyse laufen die nachfolgenden Redoxreaktionen ab:

Kathode: 4 H₃O⁺ + 4 e^- --» 2 H₂ + 4 H₂O
Anode: 6 H₂O --» O₂ + 4 H₃O⁺ + 4 e^-
Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode: 2 H₂O --» 2 H₂ + O₂

Die Polung der Elektroden 7, 8 erfolgt mit Elektrolyse bei dem Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 umgekehrt (nicht dargestellt) wie bei dem Betrieb als Brennstoffzelleneinheit 1, so dass sich in den Kanälen 12 für Brennstoff, durch den der flüssige Elektrolyt geleitet wird, an den Kathoden Wasserstoff H₂ als zweiter Stoff gebildet wird und der Wasserstoff H₂ von dem flüssigen Elektrolyten aufgenommen und gelöst mittransportiert wird. Analog wird durch die Kanäle 13 für Oxidationsmittel der flüssige Elektrolyt geleitet und an den Anoden in bzw. an Kanälen 13 für Oxidationsmittel Sauerstoff O₂ als erster Stoff gebildet wird. Die Brennstoffzellen 2 der Brennstoffzelleneinheit 1 fungieren beim Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 als Elektrolysezellen 50. Die Brennstoffzellen 2 und Elektrolysezellen 50 bilden damit elektrochemische Zellen 52. Der gebildete Sauerstoff O₂ wird von dem flüssigen Elektrolyten aufgenommen und gelöst mittransportiert. Der flüssige Elektrolyt ist in einem Speicherbehälter 54 gelagert. In 1 sind aus zeichnerischen Vereinfachungsgründen zwei Speicherbehälter 54 des Brennstoffzellensystem 4 dargestellt, welches auch als Elektrolysezellensystem 48 fungiert. Das 3-Wege-Ventil 55 an der Zuführleitung 16 für Brennstoff wird im Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 umgeschaltet, so dass nicht Brennstoff aus dem Druckgasspeicher 21, sondern das flüssige Elektrolyt mit einer Pumpe 56 aus dem Speicherbehälter 54 in die Zuführleitung 16 für Brennstoff eingeleitet wird. Ein 3-Wege-Ventil 55 an der Zuführleitung 25 für Oxidationsmittel wird im Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 umgeschaltet, so dass nicht Oxidationsmittel als Luft aus der Gasfördereinrichtung 22, sondern das flüssige Elektrolyt mit der Pumpe 56 aus dem Speicherbehälter 54 in die Zuführleitung 25 für Oxidationsmittel eingeleitet wird. Die Brennstoffzelleneinheit 1, welche auch als Elektrolysezelleneinheit 49 fungiert, weist im Vergleich zu einer nur als Brennstoffzelleneinheit 1 betreibbaren Brennstoffzelleneinheit 1 optional Modifikationen an den Elektroden 7, 8 und der Gasdiffusionsschicht 9 auf: beispielsweise ist die Gasdiffusionsschicht 9 nicht saugfähig, so das der flüssige Elektrolyt leicht vollständig abläuft oder die Gasdiffusionsschicht 9 ist nicht ausgebildet oder die Gasdiffusionsschicht 9 ist eine Struktur an der Bipolarplatte 10. Die Elektrolysezelleneinheit 49 mit dem Speicherbehälter 54, der Pumpe 56 und den Abscheidern 57, 58 und vorzugsweise dem 3-Wege-Ventil 55 bildet ein elektrochemisches Zellensystem 60.
An der Abführleitung 15 für Brennstoff ist ein Abscheider 57 für Wasserstoff angeordnet. Der Abscheider 57 scheidet aus dem Elektrolyten mit Wasserstoff den Wasserstoff ab und der abgeschiedene Wasserstoff wird mit einem nicht dargestellten Verdichter in den Druckgasspeicher 21 eingeleitet. Der aus dem Abscheider 57 für Wasserstoff abgeleitete Elektrolyt wird anschließend wieder dem Speicherbehälter 54 für den Elektrolyten mit einer Leitung zugeführt. An der Abführleitung 26 für Brennstoff ist ein Abscheider 58 für Sauerstoff angeordnet. Der Abscheider 58 scheidet aus dem Elektrolyten mit Sauerstoff den Sauerstoff ab und der abgeschiedene Sauerstoff wird mit einem nicht dargestellten Verdichter in einem nicht dargestellten Druckgasspeicher für Sauerstoff eingeleitet. Der Sauerstoff in dem nicht dargestellten Druckgasspeicher für Sauerstoff kann optional für den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 1 genutzt werden indem mit einer nicht dargestellten Leitung der Sauerstoff in die Zuführleitung 25 für Oxidationsmittel gleitet wird beim Betrieb als Brennstoffzelleneinheit 1. Der aus dem Abscheider 58 für Sauerstoff abgeleitete Elektrolyt wird anschließend wieder dem Speicherbehälter 54 für den Elektrolyten mit einer Leitung zugeführt. Die Kanäle 12, 13 und die Abführ- und Zuführleitungen 15, 16, 25, 26 sind dahingehend ausgebildet, dass nach der Verwendung als Elektrolysezelleneinheit 49 und dem Abschalten der Pumpe 56 der flüssige Elektrolyt wieder vollständig in den Speicherbehälter 54 zurück läuft aufgrund der Schwerkraft. Optional wird nach der Verwendung als Elektrolysezelleneinheit 49 und vor der Verwendung als Brennstoffzelleneinheit 1 durch die Kanäle 12, 13 und die Abführ- und Zuführleitungen 15, 16, 25, 26 ein Inertgas durchgeleitet zum vollständigen Entfernen des flüssigen Elektrolyten vor dem Durchleiten von gasförmigem Brennstoff und Oxidationsmittel. Die Brennstoffzellen 2 und die Elektrolysezellen 2 bilden damit elektrochemische Zellen 52. Die Brennstoffzelleneinheit 1 und die Elektrolysezelleneinheit 49 bilden somit eine elektrochemische Zelleneinheit 53. Die Kanäle 12 für Brennstoff und der Kanäle für Oxidationsmittel bilden damit Kanäle 12, 13 zum Durchleiten des flüssigen Elektrolyten beim Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 und dies gilt analog für die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26. Eine Elektrolysezelleneinheit 49 benötigt aus prozesstechnischen Gründen normalerweise keine Kanäle 14 zum Durchleiten von Kühlmittel. In einer elektrochemischen Zelleneinheit 49 bilden die Kanäle 12 für Brennstoff auch Kanäle 12 zum Durchleiten von Brennstoff und/oder Elektrolyten und die Kanäle 13 für Oxidationsmittel bilden auch Kanäle 13 zum Durchleiten von Brennstoff und/oder Elektrolyten.
In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Brennstoffzelleneinheit 1 als eine alkalische Brennstoffzelleneinheit 1 ausgebildet. Als mobiler Elektrolyt wird Kalilauge als Kaliumhydroxid-Lösung eingesetzt. Die Brennstoffzellen 2 sind gestapelt angeordnet. Dabei kann ein monopolarer Zellaufbau oder ein bipolarer Zellaufbau ausgebildet sein. Die Kaliumhydroxid-Lösung zirkuliert zwischen einer Anode und Kathode und transportiert Reaktionswasser, Wärme und Verunreinigungen (Carbonate, Gelöstgase) ab. Die Brennstoffzelleneinheit 1 kann auch als reversible Brennstoffzelleneinheit 1, d. h. als Elektrolysezelleneinheit 49, betrieben werden.
In 8 ist ein Roboter 61 zur Herstellung der elektrochemischen Zelleneinheit 53 dargestellt. Der Roboter 61 umfasst Roboterarme 62 und Robotergelenke 63. An einem Endbereich eines letzten Roboterarmes 62 sind eine Prozesseinheit 65 als ein mechanischer Greifer 66 und eine Kamera 64 befestigt. Der Greifer 66 ist mit einem motorisch bewegbaren Kugelgelenk (nicht dargestellt) an dem letzten Roboterarm 62 befestigt. Ein Computer 67 mit einem Prozessor und einem Datenspeicher steuert der Roboter 61. Die Kamera 64 erfasst optisch den Stack 70 und mit einer Bildverarbeitungssoftware in dem Computer 67 wird die tatsächliche relative Position des Stacks 70 zu dem Roboter 48 erfasst. Die Steuerung der Bewegung des Roboters 61 erfolgt somit in Abhängigkeit von den in dem Datenspeicher gespeicherten vorgesehenen Positionsdaten und/oder den von der Bildverarbeitungssoftware bestimmten Daten zur tatsächlichen Position des Stacks 70 relativ zu dem Roboter 48.
Für die Herstellung einer elektrochemischen Zelleneinheit 53 erfolgt zunächst ein zur Verfügung stellen 79 der schichtförmigen Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51 von elektrochemischen Zellen 52. Die schichtförmigen Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51 sind beispielsweise bei einer Brennstoffzelleneinheit 1 eine Protonenaustauschermembran 5, eine Anode 7, eine Kathode 8, eine Gasdiffusionsschicht 9 und eine Bipolarplatte 10. Dabei bilden die Anode 7, die Kathode 8 und die Protonenaustauschermembran 5 eine Membranelektrodenanordnungen 6 mit Subgasket 69 als Abdichtschicht 68 (7) bei denen in die Anode 7 und die Kathode 8 als CCM (catalyst coated membrane) zusätzlich mit einem Katalysatorstoff versehen sind, sodass die Anode 7 und die Kathode 8 zusätzlich eine Katalysatorschicht 30 bilden. Die schichtförmigen Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51 der Brennstoffzellen 2 werden zu einem beispielsweise in 3 und 4 dargestellten Stapel 70 als Stack 70 gestapelt.
Nach dem zur Verfügung stellen 79 der schichtförmigen Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51 wird ein Stapeln 81 der schichtförmigen Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51 und ein Aufbringen 80 von Dichtungen 11 auf die Bipolarplatten 10 und/oder die Subgaskets 69 der Membranelektrodenanordnungen 6 ausgeführt.
Das Aufbringen 80 wird beispielsweise mittels Extrusion oder Dispensen ausgeführt. Nach dem Stapeln 81 sind die Dichtungen 11 zwischen den Bipolarplatten 10 und Membranelektrodenanordnungen 6 angeordnet. Die Dichtungen 11 sind an einer Außenseite 71 des Stacks 70 vollständig umlaufend ausgebildet und dienen zur Abdichtung der Kanäle 12 für Brennstoff zwischen den Bipolarplatten 10 und den Subgasket 69 der Membranelektrodenanordnungen 6. Die Dichtungen 11 fungieren analog auch zum Abdichten der Kanäle 13 (nicht dargestellt). Die Dichtungen 11 sind nach dem Aufbringen auf die schichtförmigen Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51 vollständig aus einem primären Dichtungsstoff, im Wesentlichen Silikon, ausgebildet. Im Allgemeinen wird dabei nacheinander ein Stapeln 81 der schichtförmigen Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51 und ein Aufbringen 80 der Dichtungen 11 auf die schichtförmigen Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51 ausgeführt. Nach dem Stapeln 81 sämtlicher schichtförmige Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51 der elektrochemischen Zelleneinheit 53 als der Brennstoffzelleneinheit 1 wird der Stacks 70 mit den zwei Spannelementen 33 mit der finalen Druckkraft für den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 1 vorgespannt, d. h. es wird ein Vorspannen 82 des Stacks 70 ausgeführt.
Anschließend wird die physikalische und/oder chemische Behandlung 83 der Dichtungen 11 mit einem Behandlungsfluid, beispielsweise Ozon (O₃) oder Plasma, ausgeführt, sodass aufgrund physikalischer und/oder chemischer Vorgänge die Herstellung 84 eines sekundären Dichtungsstoffes 75 aus dem primären Dichtungsstoff 73 ausgeführt wird (9 und 10). Während der Behandlung 83 wird eine Oxidation des Silikons zu Silikonoxid (SiO₂) als dem sekundären Dichtungsstoff 75 ausgeführt. In 9 ist der Schnitt durch die Dichtung 71 vor der Behandlung 83 dargestellt und in 10 ist der Schnitt durch die Dichtungen 11 nach der Behandlung 83 dargestellt. Nach der Behandlung 83 ist eine hybride Dichtungen 11 vorhanden, d. h. primäre Teilbereiche 74 mit dem nicht veränderten und aufgebrachten primären Dichtungsstoff 73 und der sekundäre Teilbereich 76 mit dem sekundären Dichtungsstoff 75. Die Behandlung 83 wird mit einem Behandlungsfluid ausgeführt, welches auf eine Außenseite 71 des Stacks 70 aufgebracht wird, sodass dadurch die Oxidation des primären Dichtungsstoffes 73 teilweise an dem der Außenseite 71 zugewandten sekundären Teilbereich 76 ausgeführt wird. Aus dem primären Dichtungsstoff 73 wird somit mittels Oxidation ein Herstellen 84 des sekundären Dichtungsstoffes 75 ausgeführt. Der sekundäre Dichtungsstoff 75 aus dem Siliziumoxid weist einen wesentlich kleineren Diffusionskoeffizienten auf als der primäre Dichtungsstoff 73. Da der sekundäre Dichtungsstoff 75 auf der gesamten Außenseite 71 der Dichtung 21 ausgebildet wird und/oder ausgebildet ist muss das Prozessfluid Brennstoff zum Austreten aus den Kanal 12 in die Umgebung durch den sekundären Teilbereich 76 durchtreten, sodass dadurch in vorteilhafter Weise aufgrund des kleinen Diffusionskoeffizienten des sekundären Dichtungsstoffes 75 im Wesentlichen keine Diffusion des Brennstoffes in die Umgebung auftritt.
In 11 ist ein 1. Ausführungsbeispiel für die Behandlung 83 der Dichtungen 11 dargestellt. Das Behandlungsfluid, nämlich Ozon oder ein Plasma, wird mit einer Düse 77 gleichmäßig auf die gesamte Außenseite 71 des Stacks 70 aufgebracht. Die Düse 77 wird dabei von dem Greifer 66 des Roboters 66 bewegt. Die Düse 77 wird somit um den gesamten Stacks 70 herum bewegt.
In 12 ist ein 2. Ausführungsbeispiel für die Behandlung 83 der Dichtungen 11 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem 1. Ausführungsbeispiel gemäß 11 beschrieben. Für die Behandlung 83 werden abweichend nicht eine Düse 77, sondern mehrere Düsen 77 eingesetzt, welche an einem nicht dargestellten Verbindungsmittel, beispielsweise einem Verbindungstab, angeordnet sind. Die an dem Verbindungsmittel befestigten Düsen 77 werden analog dem 1. Ausführungsbeispiel von dem Greifer 66 des Roboters 61 um den gesamten Stack 70 der elektrochemischen Zelleneinheit 53 herumbewegt.
In 13 ist ein 3. Ausführungsbeispiel für die Behandlung 83 der Dichtungen 11 dargestellt. Der Stack 70 ist in einer Behandlungskammer 78 angeordnet während der Behandlung 83. Die Behandlungskammer 78 kann an einer, nicht gesondert dargestellt Deckwandung geöffnet werden und anschließend wird mit dem Greifer 66 des Roboters 61 der Stack 70 in die geöffnete Behandlungskammer 71 eingefügt. Anschließend wird die Behandlungskammer 78 mit der Deckwandung geschlossen und anschließend wird das Behandlungsfluid in die Behandlungskammer 78 eingeleitet. Während der Anordnung des Stacks 70 in der Behandlungskammer 78 sind die Öffnungen der Kanäle 12, 13, 14 in die Umgebung des Stacks 70 geschlossen, damit das Behandlungsfluid nicht in die Kanäle 12,13 und 14 eindringt.
In 14 ist in einem Diagramm an der Abszisse die Behandlungszeit t der Behandlung 83 mit dem Behandlungsfluid in Minuten (min) aufgetragen und an der Ordinate ist die Dicke Buchstabe d des sekundären Teilbereiches 76 nach der Behandlung 83 aufgetragen in Nanometer (nm). Die Dicke d ist somit eine Funktion der Behandlungszeit t und je länger die Behandlungszeit t ist, desto größer ist die Dicke d. Die Behandlungszeit t kann beispielsweise über die Verweilzeit des Stacks 70 in der Behandlungskammer 78 oder über die Geschwindigkeit der Bewegung der Düsen 77 um den Stack 70 herum gesteuert werden. In Abhängigkeit von dem verwendeten Behandlungsfluid und/oder dem primären Dichtungsstoff 73 können auch wesentlich größere Dicken d als beispielsweise 2 oder 3 nm erzeugt werden, beispielsweise Dicken von 1 mm oder 100 µm.
In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Behandlung 83 mit dem Behandlungsfluid dadurch, dass das Behandlungsfluid durch die Kanäle 12,13 für Brennstoff und/oder Oxidationsmittel geleitet wird, sodass der sekundäre Teilbereich 76 aus dem sekundären Dichtungsstoff 75 an einer den Kanälen 12,13 zugewandten Seite aus dem primären Dichtungsstoff 73 gebildet wird. An einer den Kanälen 12,13 abgewandten Seite der Dichtungen 11, d. h. der Seite der Dichtungen 11, welche teilweise auch die Außenseite 71 des Stacks 70 bilden, wird somit kein sekundärer Dichtungsstoff 75 gemäß diesem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel während der Behandlung 83 ausgebildet.
Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der elektrochemischen Zelleneinheit 53 und der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelleneinheit 53 wesentliche Vorteile verbunden. Während der Behandlung 83 der Dichtungen 11 mit dem Ozon (O₃) oder dem Plasma wird aus dem primären Dichtungsstoff 73 der sekundäre Dichtungsstoff 75 mit dem wesentlich kleineren Diffusionskoeffizienten und damit auch mit der größeren Dichtungswirkung gebildet, weil an dem sekundären Dichtungsstoff 75 eine im Wesentlichen vernachlässigbare Diffusion auftritt. Die Ausbildung des sekundären Dichtungsstoffes 75 wird dabei auf der gesamten Außenseite 71 der Dichtung 11 ausgebildet, sodass keine Bereiche der Dichtung 11 vorhanden sind durch welche das Prozessfluid durch die Dichtung 11 durch diffundierbar ist ohne eine Durchdringung des sekundären Dichtungsstoffes 75. Der sekundäre Dichtungsstoff 75 kann mit einem geringen technischen Aufwand preiswert hergestellt werden, sodass die elektrochemische Zelleneinheit 53 bei im Wesentlichen gleichen Herstellungskosten wesentliche Vorteile aufweist. Der Wirkungsgrad der elektrochemischen Zelleneinheit 53 ist wesentlich größer, weil im Wesentlichen keine Verluste an Prozessfluiden in die Umgebung auftreten. Darüber hinaus sind keine aufwendigen und teuren Vorrichtungen zum Sammeln von durch die Dichtungen 11 durch diffundierten Prozessfluiden notwendig.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5176966 [0006]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer elektrochemische Zelleneinheit (1, 49, 53) zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit (1) und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit (49) mit gestapelten elektrochemischen Zellen (2, 50, 52) mit den Schritten: - zur Verfügung stellen von schichtförmigen Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51) der elektrochemischen Zellen (2, 50, 52), nämlich vorzugsweise Protonenaustauschermembranen (5), Anoden (7), Kathoden (8), vorzugsweise Membranelektrodenanordnungen (6), vorzugsweise Gasdiffusionsschichten (9) und Bipolarplatten (10), - Aufbringen von Dichtungen (11) aus einem primären Dichtungsstoff (73) auf die schichtförmigen Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51) zur Abdichtung von Kanälen (12, 13, 14) zum Durchleiten für wenigstens ein Prozessfluid, - Stapeln der schichtförmigen Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51) zu elektrochemischen Zellen (2, 50, 52) und zu einem Stack (70) der elektrochemischen Zelleneinheit (1, 49, 53), dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufbringen der Dichtungen (11) aus dem primären Dichtungsstoff (73) auf die schichtförmigen Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51) die Dichtungen (11) physikalisch und/oder chemisch behandelt werden, so dass nach der physikalischen und/oder chemischen Behandlung der primäre Dichtungsstoff (73) der Dichtungen (11) wenigstens teilweise in einen sekundären Dichtungsstoff (75) umgewandelt wird und der sekundäre Dichtungsstoff (75) einen kleineren Diffusionskoeffizienten aufweist als der primäre Dichtungsstoff (73).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die physikalische und/oder chemische Behandlung eine Oxidation des primären Dichtungsstoffes (73) zu einem Oxid des primären Dichtungsstoffes (73) und/oder zu einem Oxid eines Elementes oder einer Verbindung in dem primären Dichtungsstoff (73) bewirkt und das Oxid den sekundären Dichtungsstoff (75) ausbildet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die physikalische und/oder chemische Behandlung der Dichtungen (11) nach dem Stapeln der schichtförmigen Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51) zu elektrochemischen Zellen (2, 50, 52) und zu dem Stack (70) der elektrochemischen Zelleneinheit (1, 49, 53) ausgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungen (11) nach dem Stapeln der schichtförmigen Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51) zu elektrochemischen Zellen (2, 50, 52) und zu dem Stack (70) der elektrochemischen Zelleneinheit (1, 49, 53) eine Außenseite (71) des Stacks (70) teilweise begrenzen.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungen (11) in einer Richtung senkrecht zu fiktiven Ebenen (59), aufgespannt von den schichtförmigen Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51) und elektrochemischen Zellen (2, 50, 52), zwischen den schichtförmigen Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51) angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungen (11) zwischen Bipolarplatten (10) und Membranelektrodenanordnungen (6) zur Abdichtung von Kanälen (12) für Brennstoff und/oder Elektrolyt und/oder zur Abdichtung von Kanälen (13) für Oxidationsmittel und/oder Elektrolyt angeordnet sind.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenseite (71) des Stacks (70) physikalisch und/oder chemisch behandelt wird, so dass der primäre Dichtungsstoff (73) der Dichtungen (11) an einem der Außenseite (71) zugewandten Bereich in den sekundären Dichtungsstoff (75) umgewandelt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der primäre Dichtungsstoff (73) der Dichtungen (11) an je einem sekundären Teilbereich (76) in den sekundären Dichtungsstoff (75) umgewandelt wird und an einem primären Teilbereich (74) keine Umwandlung des primären Dichtungsstoffes (73) in den sekundären Dichtungsstoff (73) ausgeführt wird, so dass hybride Dichtungen (11) mit je einem primären Teilbereich (74) und je einem sekundären Teilbereich (76) hergestellt werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die physikalische und/oder chemischen Behandlung während einer Zeitdauer von 5 s bis 60 min, insbesondere 1 min bis 30 min, ausgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der primäre Dichtungsstoff (73) Silikon umfasst und der sekundäre Dichtungsstoff (75) Silikonoxid umfasst.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die physikalische und/oder chemische Behandlung mit einem Behandlungsfluid, insbesondere Ozon und/oder Plasma, ausgeführt wird, so dass während der physikalischen und/oder chemischen Behandlung der primäre Dichtungsstoff (73) mit dem Behandlungsfluid, insbesondere Ozon und/oder dem Plasma, kontaktiert wird.
Elektrochemische Zelleneinheit (1, 49, 53) zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit (1) und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit (49), umfassend - gestapelt angeordnete elektrochemische Zellen (2, 50, 52) und die elektrochemischen Zellen (52) jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51) umfassen, - die Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51) der elektrochemischen Zellen (2, 50, 52) vorzugsweise Protonenaustauschermembranen (5), Anoden (7), Kathoden (8), vorzugsweise Membranelektrodenanordnungen (6), vorzugsweise Gasdiffusionsschichten (9) und Bipolarplatten (10) sind, - Kanäle (12, 13, 14) zum Durchleiten von Prozessfluiden, - Dichtungen (11) zum Abdichten der Kanäle (12, 13, 14) für die Prozessfluide, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Zelleneinheit (1, 49, 53)) mit einem Verfahren gemäß einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist und/oder die Dichtungen (11) als hybride Dichtungen (11) ausgebildet sind mit je einem primären Dichtungsstoff (73) an einem primären Teilbereich (74) und je einem sekundären Dichtungsstoff (75) an einem sekundären Teilbereich (75) und der sekundäre Dichtungsstoff (75) einen kleineren Diffusionskoeffizienten aufweist als der primäre Dichtungsstoff (73).
Elektrochemische Zelleneinheit nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die primären Teilbereiche (74) der Dichtungen (11) die Kanäle (12, 13, 14) für die Prozessfluide begrenzen und die sekundären Teilbereiche (76) der Dichtungen (11) teilweise eine Außenseite (71) des Stacks (70) ausbilden.
Elektrochemische Zelleneinheit nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass Dichtungen (11) zwischen Bipolarplatten (10) und Membranelektrodenanordnungen (6), insbesondere Subgaskets (69) von Membranelektrodenanordnungen (6), angeordnet sind.
Elektrochemische Zelleneinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der sekundäre Dichtungsstoff (75) eine größere Härte, insbesondere größere Brinellhärte, aufweist als der primäre Dichtungsstoff (73).