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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Vorrichtung, welche einen Stapel aus mehreren, längs einer Stapelrichtung aufeinanderfolgenden elektrochemischen Einheiten, die jeweils eine elektrochemisch aktive Membran-Elektroden-Anordnung, eine Bipolarplatte und eine Dichtungsanordnung umfassen,
mindestens einen Mediumkanal, der sich längs der Stapelrichtung durch mehrere der elektrochemischen Einheiten hindurch erstreckt,
mindestens ein Strömungsfeld, durch welches ein Medium aus dem Mediumkanal quer zu der Stapelrichtung von dem Mediumkanal zu einem anderen Mediumkanal strömen kann, und
mindestens einen Verbindungskanal, durch welchen das Strömungsfeld und der Mediumkanal in Fluidverbindung miteinander stehen,
umfasst,
wobei der Verbindungskanal einen Randsteg umfasst, welcher im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung von dem Medium aus dem Mediumkanal durchströmt wird,
wobei ein von dem Innenraum des Randstegs durch eine Fügelinie getrennter Kühlmittelkanal im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung von einem Kühlmittel durchströmt wird,
wobei das Strömungsfeld einen Randkanal umfasst, welcher zwischen dem Randsteg und dem Kühlmittelkanal angeordnet ist und im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung von dem Medium aus dem Mediumkanal durchströmt wird, und
wobei die Dichtungsanordnung sich längs der Umfangsrichtung des Strömungsfeldes um das Strömungsfeld herum erstreckt und einen inneren Rand aufweist, welcher eine kathodenseitige elektrochemisch aktive Fläche oder eine anodenseitige elektrochemisch aktive Fläche der Membran-Elektroden-Anordnung berandet.
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Eine solche elektrochemische Vorrichtung kann insbesondere als eine Brennstoffzellenvorrichtung oder als eine Elektrolysevorrichtung ausgebildet sein.
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Wenn der Verbindungskanal, durch welchen ein Strömungsfeld und ein Mediumkanal in Fluidverbindung miteinander stehen, im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung nicht von einem Kühlmittel durchströmt wird, sondern von einem anderen Gas, beispielsweise von einem Anodengas oder von einem Kathodengas der elektrochemischen Vorrichtung, trägt das den Randsteg durchströmende fluide Medium nichts zur Kühlung der dem Randsteg benachbarten Bereiche der Membran-Elektroden-Anordnung bei. Die elektrochemische Aktivität ist in diesen Bereichen der Membran-Elektroden-Anordnung aber nicht geringer als in anderen Bereichen der Membran-Elektroden-Anordnung, insbesondere nicht geringer als in anderen Bereichen der Membran-Elektroden-Anordnung, welche benachbart zu einem Randsteg angeordnet sind, der einen Teil eines Kühlmittel-Verbindungskanals bildet.
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Aufgrund der größeren Entfernung zum ersten kühlmittelführenden Kanal des Kühlmittel-Strömungsfeldes (entsprechend dem ersten Steg innerhalb des angrenzenden Gas-Strömungsfelds), tritt im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung in einem Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung, welcher einem kein Kühlmittel führenden Randsteg benachbart ist, eine lokal höhere Temperatur auf.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrochemische Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher eine lokale Temperaturerhöhung aufgrund von mangelnder Kühlung im Bereich eines Randstegs eines Verbindungskanals, der nicht von einem Kühlmittel durchströmt wird, vermieden oder zumindest reduziert wird.
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Diese Aufgabe wird bei einer elektrochemischen Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der innere Rand der Dichtungsanordnung auf der dem Mediumkanal abgewandten Seite des Randstegs liegt.
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Hierdurch wird erreicht, dass die Dichtungsanordnung im Bereich des Verbindungskanals lokal über den Randsteg hinaus in den Bereich des Randkanals des Strömungsfelds ragt.
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Dadurch wird ein äußerer Rand der elektrochemisch aktiven Fläche der Membran-Elektroden-Anordnung nach innen, das heißt zum Zentrum des Strömungsfeldes hin, versetzt, wodurch die maximale Entfernung vom äußersten vom Kühlmittel durchströmten Kanal des Kühlmittel-Strömungsfeldes reduziert wird.
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Gemäß der Erfindung wird vorzugsweise die Dichtungsanordnung in den Bereichen verbreitert, in denen sie die Verbindungskanäle quert, welche im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung nicht von einem Kühlmittel durchströmt werden.
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Vorzugsweise wird die Dichtungsanordnung in Bereichen verbreitert, welche sich längs der Umfangsrichtung der Dichtungsanordnung über die Enden der nicht von Kühlmittel durchströmten Randstege hinaus erstrecken.
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Zur Vermeidung von Temperaturspitzen wird die Dichtungsanordnung im Bereich der Verbindungskanäle, welche nicht von einem Kühlmittel durchströmt werden, lokal bis in den Bereich des jeweils zugeordneten Strömungsfelds erstreckt.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der innere Rand der Dichtungsanordnung auf der dem Mediumkanal zugewandten Seite des Kühlmittelkanals liegt.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass der innere Rand der Dichtungsanordnung im Bereich des Randkanals liegt.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Verbindungskanal zwischen zwei Bipolarplattenlagen ausgebildet ist, welche an der Fügelinie aneinander festgelegt sind.
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Die beiden Bipolarplattenlagen können insbesondere durch Schweißung, beispielsweise durch Laserschweißung, stoffschlüssig aneinander festgelegt sein.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der innere Rand der Dichtungsanordnung auf der dem Mediumkanal abgewandten Seite der Fügelinie liegt.
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Der innere Rand der Dichtungsanordnung kann an einem Dichtelement der Dichtungsanordnung ausgebildet sein, welches stoffschlüssig mit einer Gasdiffusionslage der betreffenden elektrochemischen Einheit verbunden ist.
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Das Dichtelement ist vorzugsweise aus einem Elastomermaterial gebildet.
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Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das Elastomermaterial des Dichtelements einen Anbindungsbereich der Gasdiffusionslage durchdringt.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass das Dichtelement einen Dichtungsvorsprung umfasst, welcher im Bereich des Verbindungskanals von einem Grundkörper des Dichtelements aus in einer dem Mediumkanal abgewandten Vorspringrichtung vorspringt.
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Ein solcher Dichtungsvorsprung erstreckt sich vorzugsweise längs der Umfangsrichtung des Grundkörpers des Dichtelements nur über einen Teil des Umfangs des Grundkörpers des Dichtelements.
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Besonders günstig ist es, wenn der Dichtungsvorsprung sich längs der Umfangsrichtung des Grundkörpers des Dichtelements nur über weniger als 50 %, besonders bevorzugt über weniger als 25 %, des Umfangs des Grundkörpers des Dichtelements erstreckt.
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Insbesondere erstreckt sich der Dichtungsvorsprung vorzugsweise nur über einen Teil des Umfangs des Grundkörpers des Dichtelements, welcher einen Verbindungskanal quert, der im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung nicht von einem Kühlmittel durchströmt wird.
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Der Dichtungsvorsprung kann lokal unterbrochen sein.
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Der Dichtungsvorsprung kann mehrere Abschnitte umfassen, welche längs der Umfangsrichtung des Grundkörpers voneinander beabstandet sind.
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Die Ausdehnung (Breite) des Dichtungsvorsprungs senkrecht zu seiner Umfangsrichtung und senkrecht zu der Stapelrichtung ist vorzugsweise größer als die Ausdehnung (Breite) des Randstegs des Strömungsfeldes senkrecht zu der Umfangsrichtung und senkrecht zu der Stapelrichtung.
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Eine Ausdehnung (Breite) der Dichtungsanordnung senkrecht zu ihrer Umfangsrichtung und senkrecht zu der Stapelrichtung ist vorzugsweise im Bereich des Verbindungskanals größer als in mindestens einem Bereich außerhalb des Bereichs des Verbindungskanals. Hierdurch wird erreicht, dass die Größe der elektrochemisch aktiven Fläche der Membran-Elektroden-Anordnung nur im Bereich des Verbindungskanals reduziert wird, in welchem der Randsteg nicht von einem Kühlmittel durchströmt wird und daher keine ausreichende Kühlwirkung bietet, während die elektrochemisch aktive Fläche der Membran-Elektroden-Anordnung im Bereich eines Verbindungskanals, der im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung von einem Kühlmittel durchströmt wird, und in den außerhalb der Bereiche der Verbindungskanäle liegenden Bereichen der Membran-Elektroden-Anordnung nicht unnötig reduziert wird.
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Das Medium, das im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung durch den Verbindungskanal strömt, ist vorzugsweise ein Anodengas (Brenngas, insbesondere wasserstoffhaltig) oder ein Kathodengas (Oxidationsmittel, insbesondere sauerstoffhaltig) der elektrochemischen Vorrichtung.
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Grundsätzlich kann der innere Rand der Dichtungsanordnung, welcher nach innen, das heißt zum Zentrum des Strömungsfeldes hin, versetzt wird, ein innerer Rand eines anodenseitigen Bereichs der Dichtungsanordnung oder ein innerer Rand eines kathodenseitigen Bereichs der Dichtungsanordnung sein.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der innere Rand der Dichtungsanordnung eine kathodenseitige elektrochemisch aktive Fläche der Membran-Elektroden-Anordnung berandet.
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Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der innere Rand der Dichtungsanordnung eine kathodenseitige elektrochemisch aktive Fläche der Membran-Elektroden-Anordnung berandet und eine weitere Dichtungsanordnung vorgesehen ist, welche eine anodenseitige elektrochemisch aktive Fläche der Membran-Elektroden-Anordnung berandet, wobei der innere Rand der kathodenseitigen Dichtungsanordnung auf der dem Mediumkanal abgewandten Seite des inneren Rands der weiteren, anodenseitigen Dichtungsanordnung liegt.
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In diesem Fall liegt einem Bereich der kathodenseitigen elektrochemisch aktiven Fläche stets ein Bereich der anodenseitigen elektrochemisch aktiven Fläche der Membran-Elektroden-Anordnung gegenüber. Es gibt dann keinen Bereich der Membran-Elektroden-Einheit, der zwar kathodenseitig mit Oxidationsmittel, aber nicht auch anodenseitig mit Brenngas versorgt wird. Hierdurch wird eine lokal verstärkte Alterung der Membran-Elektroden-Einheit vermieden, welche auftreten kann, wenn ein Bereich der Membran-Elektroden-Einheit im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung nur mit Oxidationsmittel versorgt wird, nicht aber mit Brenngas.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der elektrochemischen Vorrichtung ist daher auch vorgesehen, dass ein äußerer Rand einer kathodenseitigen elektrochemisch aktiven Fläche der Membran-Elektroden-Anordnung gegenüber einem äußeren Rand einer anodenseitigen elektrochemisch aktiven Fläche der Membran-Elektroden-Anordnung nach innen, das heißt zum Zentrum des Strömungsfelds hin, versetzt ist.
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Die erfindungsgemäße elektrochemische Vorrichtung kann insbesondere als eine Polymerelektrolytmembran(PEM)-Brennstoffzellenvorrichtung ausgebildet sein, bei welcher die Membran-Elektroden-Einheiten der elektrochemischen Einheiten der elektrochemischen Vorrichtung jeweils eine Polymerelektrolytmembran enthalten.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels. In den Zeichnungen zeigen:
- 1 eine perspektivische Darstellung eines Ausschnitts eines Brennstoffzellenstapels einer Brennstoffzellenvorrichtung im Bereich eines Verbindungskanals, welcher einen Mediumkanal und ein Strömungsfeld der Brennstoffzellenvorrichtung miteinander verbindet, wobei von dem Brennstoffzellenstapel zwei in einer Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels aufeinanderfolgende Brennstoffzelleneinheiten und eine über den beiden Brennstoffzelleneinheiten liegende Bipolarplatte einer dritten Brennstoffzelleneinheit dargestellt sind;
- 2 eine Draufsicht von oben längs der Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels auf den Ausschnitt aus dem Brennstoffzellenstapel aus 1;
- 3 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs I aus 2;
- 4 einen Längsschnitt durch den Brennstoffzellenstapel aus den 1 bis 3, längs der Linie 4 - 4 in 3;
- 5 eine der 1 entsprechende perspektivische Darstellung des Ausschnitts des Brennstoffzellenstapels, wobei nur die Membran-Elektroden-Anordnung und die Dichtungsanordnung einer einzigen Brennstoffzelleneinheit dargestellt sind; und
- 6 eine Draufsicht von oben längs der Stapelrichtung auf die Membran-Elektroden-Anordnung und die Dichtungsanordnung aus 5.
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Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
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Eine in den 1 bis 6 dargestellte, als Ganzes mit 100 bezeichnete elektrochemische Vorrichtung, beispielsweise eine Brennstoffzellenvorrichtung 102 oder ein Elektrolyseur, umfasst einen Stapel 104 von elektrochemischen Einheiten 106, beispielsweise von Brennstoffzelleneinheiten 108 oder Elektrolyseureinheiten, wobei der Stapel 104 mehrere in einer Stapelrichtung 110 aufeinanderfolgende elektrochemische Einheiten 106 und eine (nicht dargestellte) Spannvorrichtung zum Beaufschlagen der elektrochemischen Einheiten 106 mit einer längs der Stapelrichtung 110 gerichteten Spannkraft umfasst.
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Wie am besten aus der Schnittdarstellung in 4 zu ersehen ist, umfasst jede elektrochemische Einheit 106 der elektrochemischen Vorrichtung 100 jeweils eine Bipolarplatte 112 und eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) 114.
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Die Membran-Elektroden-Anordnung 114 umfasst beispielsweise eine katalysatorbeschichtete Membran („Catalyst Coated Membrane“; CCM) und zwei Gasdiffusionslagen 116 und 118, wobei die erste Gasdiffusionslagen 116 beispielsweise anodenseitig und die zweite Gasdiffusionslage 118 beispielsweise kathodenseitig angeordnet ist.
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Die Bipolarplatte 112 ist beispielweise aus einem metallischen Material gebildet.
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Die Bipolarplatte 112 weist mehrere Medium-Durchtrittsöffnungen 120 auf, durch welche jeweils ein der elektrochemischen Vorrichtung 100 zuzuführendes fluides Medium (im Fall eines Brennstoffzellenstapels beispielsweise ein Brenngas oder Anodengas, ein Oxidationsmittel oder Kathodengas oder ein Kühlmittel) durch die Bipolarplatte 112 hindurchtreten kann. Die Medium-Durchtrittsöffnungen 120 der im Stapel 104 aufeinanderfolgenden Bipolarplatten 112 und die in der Stapelrichtung 110 zwischen den Medium-Durchtrittsöffnungen 120 liegenden Zwischenräume bilden zusammen jeweils einen Mediumkanal 122.
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Jedem Mediumkanal 122, durch welchen ein fluides Medium der elektrochemischen Vorrichtung 100 zuführbar ist, ist jeweils mindestens ein anderer Mediumkanal 122 zugeordnet, durch welchen das betreffende fluide Medium aus der elektrochemischen Vorrichtung 100 abführbar ist.
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Durch ein dazwischenliegendes Strömungsfeld 124, welches vorzugsweise an einer Oberfläche einer benachbarten Bipolarplatte 112 oder (beispielsweise im Falle eines Kühlmittel-Strömungsfeldes) im Zwischenraum zwischen den Lagen einer mehrlagigen Bipolarplatte 112 ausgebildet ist, kann das Medium aus dem ersten Mediumkanal 122 quer, vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht, zu der Stapelrichtung 110 durch das jeweilige Strömungsfeld 124 zu dem zweiten Mediumkanal 122 strömen.
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In 4 ist beispielsweise ein Anodengas-Mediumkanal 126 für ein Anodengas der elektrochemischen Vorrichtung 100 dargestellt.
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Durch jeweils mindestens einen Verbindungskanal 128 steht jeder Mediumkanal 122 in Fluidverbindung mit den jeweils zugeordneten Strömungsfeldern 124.
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Jede Bipolarplatte 112 umfasst bei der zeichnerisch dargestellten Ausführungsform eine erste Bipolarplattenlage 130 und eine zweite Bipolarplattenlage 132, die längs Verbindungslinien 134, welche senkrecht zu der Zeichenebene der 4 verlaufen, vorzugsweise stoffschlüssig, insbesondere durch Verschweißung, beispielsweise durch Laserschweißung, fluiddicht aneinander festgelegt sind.
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Wie aus 4 zu ersehen ist, steht der Anodengas-Mediumkanal 126 über einen Anodengas-Verbindungskanal 136, der durch einen Zwischenraum zwischen der ersten Bipolarplattenlage 130 und der zweiten Bipolarplattenlage 132 ausgebildet ist, in Fluidverbindung mit einem Strömungsfeld 138 für das Anodengas, von welchem nur ein Randkanal 140 dargestellt ist. Dieser Randkanal 140 bildet den äußersten Kanal des Strömungsfeldes 138, ist zu der Membran-Elektroden-Anordnung 114 hin offen und auf seiner äußeren, dem Mediumkanal 122 zugewandten Seite von einem Randsteg 142 begrenzt, welcher abdichtend an der Membran-Elektroden-Anordnung 114 anliegt.
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Im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100 strömt das Medium aus dem Mediumkanal 122 durch den Verbindungskanal 128 in den Innenraum 144 des Randstegs 142, von wo es durch Durchtrittsöffnungen 145 durch die den Innenraum 144 des Randstegs 142 von dem Randkanal 140 trennende Flanke 146 des Randstegs 142 hindurch in den Randkanal 140 gelangt.
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Ein Kühlmittelkanal 148, welcher im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100 von einem Kühlmittel durchströmt wird und zwischen der ersten Bipolarplattenlage 130 und der zweiten Bipolarplattenlage 132 jeweils einer Bipolarplatte 112 ausgebildet ist, ist von dem Innenraum 144 des Randstegs 142 durch eine Fügelinie 134 getrennt, welche die erste Bipolarplattenlage 130 und die zweiten Bipolarplattenlage 132 miteinander verbindet.
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Ein unerwünschtes Austreten der fluiden Medien aus den Strömungsfeldern 124 der elektrochemischen Vorrichtung 100 wird durch eine Dichtungsanordnung 150 verhindert, welche sich längs der Umfangsrichtung 152 der Strömungsfelder 124 um die Strömungsfelder 124 herum erstreckt und zwei innere Ränder 155, nämlich einen anodenseitigen inneren Rand 154 und einen kathodenseitigen inneren Rand 156 aufweist.
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Der anodenseitige innere Rand 154 der Dichtungsanordnung 150 begrenzt eine anodenseitige elektrochemisch aktive Fläche 158 der Membran-Elektroden-Anordnung 114, und der kathodenseitige innere Rand 156 der Dichtungsanordnung 150 begrenzt eine kathodenseitige elektrochemisch aktive Fläche 160 der Membran-Elektroden-Anordnung 114.
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Wie am besten aus 4 zu ersehen ist, umfasst die Dichtungsanordnung 150 vorzugsweise zwei Dichtelemente 161, wobei ein erstes Dichtelement 162 vorzugsweise an der anodenseitigen Gasdiffusionslage 116 und ein zweites Dichtelement 164 vorzugsweise an der kathodenseitigen zweiten Gasdiffusionslage 118 der Membran-Elektroden-Anordnung 114 festgelegt ist.
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Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Dichtelemente 162 und 164 an die jeweils zugeordnete Gasdiffusionslage 116 bzw. 118 angespritzt oder angegossen sind.
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Das erste Dichtelement 162 weist vorzugsweise eine oder mehrere Dichtlippen 166 auf, mit welchen das erste Dichtelement 164 fluiddicht an der ersten Bipolarplattenlage 130 einer benachbarten Bipolarplatte 112 anliegt.
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Das erste Dichtelement 162 kann darüber hinaus weitere Dichtlippen 168 aufweisen, mit welchen das erste Dichtelement 162 fluiddicht an der ersten Bipolarplattenlage 130 einer ersten benachbarten Bipolarplattenlage 112 und an der zweiten Bipolarplattenlage 132 einer zweiten benachbarten Bipolarplatte 112 anliegt, um einen Mediumkanal-Abschnitt 170 der Dichtungsanordnung 150 zu bilden, der sich um einen Mediumkanal 122 der elektrochemischen Vorrichtung 100 herum erstreckt, so dass ein Entweichen von Medium aus dem Mediumkanal 122 in die Umgebung der elektrochemischen Vorrichtung 100 und/oder in anderen Medien zugeordnete Strömungsfelder 124 der elektrochemischen Vorrichtung 100 verhindert wird.
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Das zweite Dichtelement 164 weist vorzugsweise eine oder mehrere Dichtlippen 166 auf, mit welchen das zweite Dichtelement 164 fluiddicht an der zweiten Bipolarplattenlage 132 einer benachbarten Bipolarplatte 112 anliegt.
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Die Dichtelemente 162 und 164 der Dichtungsanordnung 150 sind vorzugsweise aus einem Elastomermaterial gebildet.
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Dieses Elastomermaterial durchdringt vorzugsweise auch die an die Dichtelemente 162 bzw. 164 angrenzenden Bereiche der ersten Gasdiffusionslage 116 bzw. der zweiten Gasdiffusionslage 118, so dass die Gasdiffusionslagen 116 und 118 in diesen Durchdringungsbereichen nicht porös sind, sondern weder von dem Anodengas noch von dem Kathodengas durchdrungen werden können.
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Der anodenseitige innere Rand 154 der Dichtungsanordnung 150 ist auf der dem Mediumkanal 122 zugewandten Seite eines Randstegs 142 einer Bipolarplatte 112 angeordnet. Wenn nun auch der kathodenseitige innere Rand 156 der Dichtungsanordnung 150 auf der dem Mediumkanal 122 zugewandten Seite eines Randstegs 142 einer Bipolarplatte 112 angeordnet wäre, wie dies bei bekannten elektrochemischen Vorrichtungen 100 der Fall ist, so würden sich sowohl die kathodenseitige elektrochemisch aktive Fläche 160 als auch die anodenseitige elektrochemisch aktive Fläche 158 der Membran-Elektroden-Anordnung 114 bis in den Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung 114 erstrecken, welcher zwischen den Randstegen 142 und dem Mediumkanal 122 liegt.
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Der äußere Randbereich dieser elektrochemisch aktiven Flächen 158, 160 wäre jedoch von dem am weitesten außen liegenden Kühlmittelkanal 148 soweit entfernt, dass eine ausreichende Kühlung dieses äußeren Randbereichs durch das Kühlmittel, welches den Kühlmittelkanal 148 durchströmt, nicht gewährleistet wäre, so dass die Temperatur der elektrochemischen Vorrichtung 100 in diesem äußeren Randbereich der Membran-Elektroden-Anordnung 114 lokal ansteigen würde.
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Um dieses Problem einer lokalen Temperaturerhöhung im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100 zu beheben, ist die Dichtungsanordnung 150 bei der zeichnerisch dargestellten Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 so ausgebildet, dass der kathodenseitige innere Rand 156 der Dichtungsanordnung 150 auf der dem Mediumkanal 122 abgewandten Seite des Randstegs 142 liegt.
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Hierdurch wird erreicht, dass im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100 eine elektrochemische Aktivität nicht schon in dem äußeren Randbereich der Membran-Elektroden-Anordnung 114 stattfindet, welcher zwischen den Randstegen 142 und dem Mediumkanal 122 liegt, sondern erst in dem weiter innen liegenden Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung 114, welcher an die Randkanäle 140 angrenzt und somit näher an den Kühlmittelkanälen 148 liegt.
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Der äußerste Rand der Membran-Elektroden-Anordnung 114, welcher im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100 eine elektrochemische Aktivität zeigt, ist somit bei der zeichnerisch dargestellten Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 nach innen, das heißt zum Zentrum der Strömungsfelder 124 hin, verschoben, wodurch die maximale Entfernung eines elektrochemisch aktiven Bereichs der Membran-Elektroden-Anordnung 114 von den Kanälen des Kühlmittel-Strömungsfelds reduziert wird.
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Wie weit der kathodenseitige innere Rand 156 der Dichtungsanordnung 150 nach innen, zum Zentrum der Strömungsfelder 124 hin, verlegt wird, hängt von der geometrischen Struktur der Dichtungsanordnung 150 und der Bipolarplatte 112 in diesem Bereich ab sowie von der Ausdehnung des Anbindungsbereichs der Dichtungsanordnung 150, in welchem das Elastomermaterial der Dichtungsanordnung 150 die angrenzenden Gasdiffusionslagen 116 bzw. 118 durchdringt, und von der gewünschten Temperaturverteilung, welche ihrerseits von der Breite der Randkanäle 140 und der Kühlmittelkanäle 148 sowie von der Wärmeleitfähigkeit der Materialien der Membran-Elektroden-Anordnung 114 und der Bipolarplatten 112 abhängt. Das Auftreten von Druckspitzen durch die Verlängerung der Dichtungsanordnung 150 zum Zentrum der Strömungsfelder 124 hin sollte vermieden werden.
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Durch das Erstrecken der Dichtungsanordnung 150 im Bereich eines Verbindungskanals 128 über die Positionen der Randstege 142 der Bipolarplatten 112 hinweg nach innen, zum Zentrum der Strömungsfelder 124 hin, können lokale Temperaturspitzen im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100 wirksam vermieden werden.
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Vorzugsweise liegt der kathodenseitige innere Rand 156 der Dichtungsanordnung 150 auf der dem Mediumkanal 122 zugewandten Seite des Kühlmittelkanals 148.
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Ferner ist es günstig, wenn der kathodenseitige innere Rand 156 der Dichtungsanordnung 150 im Bereich des Randkanals 140 liegt.
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Günstig ist es ferner, wenn der kathodenseitige innere Rand 156 der Dichtungsanordnung 150 auf der dem Mediumkanal 122 abgewandten Seite der Fügelinie 134 liegt, an welcher die erste Bipolarplattenlage 130 und die zweite Bipolarplattenlage 132 einer Bipolarplatte 112 aneinander festgelegt sind.
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Außerhalb des Bereichs der Verbindungskanäle 128 für das Anodengas oder für das Kathodengas, durch welche das Anodengas bzw. das Kathodengas aus ihren jeweiligen Mediumkanälen 122 in die jeweils zugeordneten Strömungsfelder 124 strömen oder aus den jeweiligen Strömungsfeldern 124 in die jeweils zugeordneten Mediumkanäle 122 strömen bilden, die Innenräume 144 der Randstege 142 der Bipolarplatten 112 keine Bestandteile solcher Verbindungskanäle 128, sondern werden von Kühlmittel durchströmt. Deshalb besteht das vorstehend erläuterte Problem einer lokal unzureichenden Kühlung in der Nähe der Randstege 142 nur dort, wo sich die Verbindungskanäle 128 für Anodengas oder für Kathodengas befinden.
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Der kathodenseitige innere Rand 156 der Dichtungsanordnung 150 muss also nur dort, wo sich diese Verbindungskanäle 128 für Anodengas oder Kathodengas befinden, auf die einem Mediumkanal 122 abgewandte Seite der Randstege 142 verlegt werden.
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Dort, wo keine solche Verbindungskanäle 128 verlaufen, kann der kathodenseitige innere Rand 156 der Dichtungsanordnung 150 hingegen auf der dem jeweiligen Mediumkanal 122 zugewandten Seite der Randstege 142 liegen, wodurch die zur Verfügung stehende elektrochemisch aktive Fläche der Membran-Elektroden-Anordnungen 114 in den Bereichen außerhalb der Verbindungskanäle 128 für Anodengas und für Kathodengas vergrößert wird.
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Bei der zeichnerisch dargestellten Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 ist daher vorgesehen, dass der kathodenseitige innere Rand 156 der Dichtungsanordnung 150 an einem Dichtungsvorsprung 172 des zweiten Dichtelements 164 vorgesehen ist, wobei der Dichtungsvorsprung 172 im Bereich eines Verbindungskanals 128 von einem Grundkörper 174 des zweiten Dichtelements 164 aus in einer dem Mediumkanal abgewandten Vorspringrichtung 176 vorspringt (siehe die 5 und 6).
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Wenn die Umfangsrichtung der Strömungsfelder 124 im Bereich des Verbindungskanals 128 variiert, wie dies insbesondere an Eckbereichen der Strömungsfelder 124 der Fall ist, so kann die Vorspringrichtung 176 lokal unterschiedliche Ausrichtungen aufweisen (siehe die 5 und 6).
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Der Dichtungsvorsprung 172 erstreckt sich längs der Umfangsrichtung des Grundkörpers 174 des ersten Dichtelements 162 nur über einen Teil des Umfangs des Grundkörpers 174 des ersten Dichtelements 162, vorzugsweise über weniger als 50 % des Umfangs des Grundkörpers 174 des ersten Dichtelements 162, besonders bevorzugt über weniger als 25 % des Umfangs des Grundkörpers 174 des ersten Dichtelements 162.
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Die Ausdehnung (Breite B) des Dichtungsvorsprungs 172 senkrecht zu seiner Umfangsrichtung und senkrecht zu der Stapelrichtung 110 ist vorzugsweise größer als die Ausdehnung (Breite b) eines Randstegs 142 senkrecht zu dessen Umfangsrichtung und senkrecht zu der Stapelrichtung 110.
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Die senkrecht zur Umfangsrichtung des Dichtungsvorsprungs 172 genommene Breite B des Dichtungsvorsprungs 172 ist somit größer als die senkrecht zur Umfangsrichtung eines Randstegs 142 genommene Breite b des Randstegs 142.
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Durch das Vorhandensein des Dichtungsvorsprungs 172 ist die Ausdehnung der Dichtungsanordnung 150 senkrecht zu ihrer Umfangsrichtung im Bereich mindestens eines Verbindungskanals 128 größer als in mindestens einem Bereich außerhalb des Bereichs des Verbindungskanals.
