DE102022126791A1

DE102022126791A1 - Elektrochemische Vorrichtung

Info

Publication number: DE102022126791A1
Application number: DE102022126791.1A
Authority: DE
Inventors: Michael Kazmaier; Thomas Dix-Landgraf; Karsten Dahl
Original assignee: Aerostack GmbH; Ekpo Fuel Cell Technologies GmbH
Current assignee: Aerostack GmbH; Ekpo Fuel Cell Technologies GmbH
Priority date: 2022-10-13
Filing date: 2022-10-13
Publication date: 2024-04-18

Abstract

Um eine elektrochemische Vorrichtung, umfassend einen Stapel aus mehreren, längs einer Stapelrichtung aufeinanderfolgenden elektrochemischen Einheiten, die jeweils eine elektrochemische aktive Membran-Elektroden-Anordnung, eine Bipolarplatte und eine Dichtungsanordnung umfassen, wobei die Dichtungsanordnung einen Strömungsfelddichtbereich umfasst, welcher sich fluiddicht abdichtend um die elektrochemisch aktive Membran-Elektroden-Anordnung herum erstreckt, und Mediumkanaldichtbereiche umfasst, welche sich jeweils fluiddicht abdichtend um einen sich parallel zur Stapelrichtung durch den Stapel aus elektrochemischen Einheiten hindurch erstreckenden Mediumkanal herum erstrecken, zu schaffen, deren Dichtungsanordnung einen höheren Berstdruck und vorzugsweise auch eine höhere Dichtwirkung aufweist, wird vorgeschlagen, dass die Dichtungsanordnung mindestens eine äußere Dichtlippe umfasst, welche außerhalb des Strömungsfelddichtbereichs der Dichtungsanordnung und außerhalb der Mediumkanaldichtbereiche der Dichtungsanordnung angeordnet ist

Description

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, umfasst, wobei die Dichtungsanordnung einen Strömungsfelddichtbereich umfasst, welcher sich fluiddicht abdichtend um die elektrochemisch aktive Membran-Elektroden-Anordnung herum erstreckt, und Mediumkanaldichtbereiche umfasst, welche sich jeweils fluiddicht abdichtend um einen sich parallel zur Stapelrichtung durch den Stapel aus elektrochemischen Einheiten hindurch erstreckenden Mediumkanal herum erstrecken.
Bei bekannten elektrochemischen Vorrichtungen dieser Art werden unterschiedliche Medienräume, im Falle einer Brennstoffzellenvorrichtung beispielsweise ein Anodengas-Medienraum, ein Kathodengas-Medienraum, ein Kühlmittel-Medienraum und die elektrochemisch aktiven Bereiche der Membran-Elektroden-Anordnung, durch einzelne, nicht miteinander zusammenhängende Dichtlippen oder Dichtlippenpaare gegenüber der Umgebung abgedichtet.
Die einzelnen Dichtlippen oder Dichtlippenpaare sind Bestandteil eines Elastomerkörpers, welcher an eine Gasdiffusionslage einer elektrochemischen Einheit angespritzt ist. Eine solche Dichtungsanordnung wird als eine SoGDL („Seal on Gas Diffusion Layer“; Dichtung an der Gasdiffusionslage) bezeichnet.
Bekannte Dichtungsanordnungen dieser Art umfassen einen in einem äußeren Bereich der elektrochemischen Einheit angeordneten Abstandshalterbereich, welcher zur Begrenzung der Dichtungsverpressung und zur mechanischen Stabilisierung des Randbereichs der elektrochemischen Einheiten dient.
Dieser Abstandshalterbereich stützt sich mit einem Abstützsockel an einer benachbarten Bipolarplatte ab und wird auch als „Hard Stop“ bezeichnet.
Der „Hard Stop“ ist nicht umlaufend geschlossen ausgebildet, sondern weist längs seiner Umfangsrichtung Unterbrechungen auf.
Aufgrund der Unterbrechungen des „Hard Stop“ und wegen der geringen Verpressung des „Hard Stop“ im Betriebszustand der elektrochemischen Vorrichtung übernimmt der „Hard Stop“ keine Dichtfunktion und wirkt auch einem sogenannten „Bersten“ der Dichtungsanordnung kaum entgegen.
Im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung entstehen Leckagen der verschiedenen Betriebsmedien der elektrochemischen Vorrichtung (Anodengas, Kathodengas, Kühlmittel), welche es zu minimieren gilt.
Bei hohen Betriebsdrücken oder Druckstößen kommt es ferner zum sogenannten „Bersten“ der Dichtungsanordnung. Hierbei werden einzelne Dichtlippen der Dichtungsanordnung durch den im jeweils von der betreffenden Dichtlippe umschlossenen Bereich einer elektrochemischen Einheit herrschenden Innendruck derart stark verschoben und/oder aus der jeweiligen elektrochemischen Einheit herausgedrückt, dass sie keine Dichtwirkung mehr ausüben können.
Den Berstdruck, bei welchem ein solches Bersten der Dichtungsanordnung auftritt, gilt es zu erhöhen.
Der „Hard Stop“ im äußeren Bereich der Dichtungsanordnung wirkt der Verschiebung der Dichtlippen beim Berstvorgang nur teilweise entgegen; durch die gewählte Geometrie des „Hard Stop“ und die damit einhergehende geringe Verpressung im Betriebszustand der elektrochemischen Vorrichtung ist der dem Bersten entgegenwirkende Effekt jedoch eher gering und kommt auch lediglich bei einer hohen Verpressung der Dichtlippen zum Tragen, also dann, wenn der von den Dichtlippen überbrückte Dichtspalt nur eine geringe Höhe, das heißt eine geringe Ausdehnung längs der Stapelrichtung, aufweist.
Wenn dieser Dichtspalt seine Nominalhöhe aufweist oder - aufgrund von Fertigungstoleranzen und/oder Montagetoleranzen - eine Höhe aufweist, welche größer ist als die Nominalhöhe, so wird der „Hard Stop“ im Betriebszustand der elektrochemischen Vorrichtung nur geringfügig oder gar nicht verpresst, wodurch ein dem Bersten der Dichtungsanordnung entgegenwirkender Effekt nicht entsteht.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrochemische Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, deren Dichtungsanordnung einen höheren Berstdruck und vorzugsweise auch eine höhere Dichtwirkung aufweist.
Diese Aufgabe wird bei einer elektrochemischen Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Dichtungsanordnung mindestens eine äußere Dichtlippe umfasst, welche außerhalb des Strömungsfelddichtbereichs der Dichtungsanordnung und außerhalb der Mediumkanaldichtbereiche der Dichtungsanordnung angeordnet ist.
Diese mindestens eine zusätzliche äußere Dichtlippe wirkt durch die an der mindestens einen äußeren Dichtlippe im Betriebszustand der elektrochemischen Vorrichtung auftretende höhere Verpressung einem Bersten der Dichtungsanordnung verstärkt entgegen; dies gilt auch dann, wenn der von der mindestens einen äußeren Dichtlippe überbrückte Dichtspalt seine Nominalhöhe oder - aufgrund von Fertigungs- und/oder Montagetoleranzen - eine Höhe aufweist, welche größer ist als die Nominalhöhe.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens eine äußere Dichtlippe ringförmig geschlossen um den Strömungsfelddichtbereich der Dichtungsanordnung und um die Mediumkanal-Dichtbereiche der Dichtungsanordnung umläuft.
In diesem Fall übernimmt die mindestens eine ringförmig geschlossene äußere Dichtlippe eine zusätzliche Dichtfunktion, durch welche insbesondere im dynamischen Fall eines Betriebszustandswechsels der elektrochemischen Vorrichtung Leckagen reduziert werden, also ein Austreten von Anodengas, Kathodengas oder Kühlmittel aus dem jeweils zugeordneten Strömungsfeld und/oder ein Austreten von Anodengas, Kathodengas oder Kühlmittel aus einem jeweils zugeordneten Mediumkanal verhindert oder zumindest verringert wird.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Dichtungsanordnung mindestens zwei äußere Dichtlippen umfasst, welche außerhalb des Strömungsfelddichtbereichs der Dichtungsanordnung und außerhalb der Mediumkanaldichtbereiche der Dichtungsanordnung angeordnet sind.
Die mindestens eine äußere Dichtlippe der Dichtungsanordnung ist also vorzugsweise außerhalb des von dem Strömungsfelddichtbereich der Dichtungsanordnung umschlossenen Bereichs der elektrochemischen Vorrichtung und außerhalb des von den Mediumkanaldichtbereichen der Dichtungsanordnung umschlossenen Bereichs der elektrochemischen Vorrichtung angeordnet.
Vorzugsweise liegen mindestens zwei der mindestens zwei äußeren Dichtlippen an voneinander verschiedenen Bipolarplatten der elektrochemischen Vorrichtung an.
Dabei kann mindestens eine der mindestens zwei äußeren Dichtlippen an einer Kathodenseite einer benachbarten Bipolarplatte anliegen, während eine andere der mindestens zwei äußeren Dichtlippen an einer Anodenseite einer benachbarten Bipolarplatte der elektrochemischen Vorrichtung anliegt.
Besonders günstig ist es, wenn mindestens zwei der mindestens zwei äußeren Dichtlippen an voneinander verschiedenen Bipolarplatten der elektrochemischen Vorrichtung fluiddicht abdichtend anliegen, weil dadurch Leckagen im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung vermindert werden.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens zwei der mindestens zwei äußeren Dichtlippen längs der Stapelrichtung übereinander liegen.
Grundsätzlich könnte auch vorgesehen sein, dass mindestens zwei der mindestens zwei äußeren Dichtlippen in einer senkrecht zur Stapelrichtung verlaufenden Versatzrichtung gegeneinander versetzt angeordnet sind. Hierdurch würde jedoch der Platzbedarf für die äußeren Dichtlippen der Dichtungsanordnung vergrößert.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass die Dichtungsanordnung ferner einen Abstandshalterbereich umfasst, welcher zwei an die Dichtungsanordnung angrenzende Bipolarplatten der elektrochemischen Vorrichtung auf Abstand voneinander hält und außerhalb der mindestens einen äußeren Dichtlippe der Dichtungsanordnung angeordnet ist.
Ein solcher Abstandshalterbereich kann sich über einen äußeren Rand mindestens einer der Bipolarplatten, welche der Abstandshalterbereich auf Abstand voneinander hält, hinaus erstrecken.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Abstandshalterbereich sich über einen äußeren Rand beider Bipolarplatten, welche der Abstandshalterbereich auf Abstand voneinander hält, hinaus erstreckt.
Der Abstandshalterbereich kann von der mindestens einen äußeren Dichtlippe der Dichtungsanordnung durch einen höhenreduzierten Bereich der Dichtungsanordnung getrennt sein, in welchem die Höhe der Dichtungsanordnung kleiner ist als in dem Abstandshalterbereich und kleiner ist als im Bereich der mindestens einen äußeren Dichtlippe.
Mit der „Höhe der Dichtungsanordnung“ ist dabei deren Erstreckung längs der Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung gemeint.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Strömungsfelddichtbereich mindestens zwei Dichtlippen, besonders bevorzugt mindestens vier Dichtlippen, aufweist, welche sich um die elektrochemisch aktive Membran-Elektroden-Anordnung herum erstrecken.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass jeder der Mediumkanal-Dichtbereiche der Dichtungsanordnung jeweils mindestens zwei Dichtlippen, besonders bevorzugt jeweils mindestens vier Dichtlippen, aufweist, welche sich um den jeweils zugeordneten Mediumkanal herum erstrecken.
Wenn die mindestens eine äußere Dichtlippe eine dem Strömungsfelddichtbereich und/oder einem Mediumkanaldichtbereich der Dichtungsanordnung zugewandte innere Flanke und eine dem Strömungsfelddichtbereich und/oder einem Mediumkanaldichtbereich der Dichtungsanordnung abgewandte äußere Flanke aufweist, so ist die innere Flanke gegenüber der Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung vorzugsweise um einen Winkel α geneigt, welcher größer ist als ein Winkel β, um welchen die äußere Flanke gegenüber der Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung geneigt ist.
Die erfindungsgemäße elektrochemische Vorrichtung ist vorzugsweise als eine Brennstoffzellenvorrichtung oder als ein Elektrolyseur ausgebildet.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die elektrochemische Vorrichtung als eine Polymerelektrolytmembran(PEM)-Brennstoffzellenvorrichtung ausgebildet ist.
Die mindestens eine äußere Dichtlippe der Dichtungsanordnung bildet vorzugsweise einen Bestandteil eines Elastomerkörpers, welcher vorzugsweise auch mindestens eine Dichtlippe des Strömungsfelddichtbereichs der Dichtungsanordnung und/oder mindestens eine Dichtlippe eines Mediumkanaldichtbereichs der Dichtungsanordnung umfasst.
Ein solcher Elastomerkörper ist vorzugsweise stoffschlüssig mit einer Gasdiffusionslage der betreffenden elektrochemischen Einheit verbunden, beispielsweise an die Gasdiffusionslage angespritzt oder angegossen.
Dabei kann die Gasdiffusionslage auf der Anodenseite oder auf der Kathodenseite der Membran-Elektroden-Anordnung der betreffenden elektrochemischen Einheit angeordnet sein.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels.
In den Zeichnungen zeigen:

1 eine Draufsicht von oben längs der Stapelrichtung eines Brennstoffzellenstapels einer Brennstoffzellenvorrichtung auf einen Ausschnitt eines Teils des Brennstoffzellenstapels, welcher eine Brennstoffzelleneinheit und eine über der Brennstoffzelleneinheit liegende Bipolarplatte einer weiteren Brennstoffzelleneinheit umfasst;
2 einen ausschnittsweisen Längsschnitt durch den Teil des Brennstoffzellenstapels aus 1, längs der Linie 2 - 2 in 1, wobei die Brennstoffzelleneinheit eine Dichtungsanordnung umfasst, welche mit einer Bipolarplatte der Brennstoffzelleneinheit und mit der weiteren Bipolarplatte einer benachbarten Brennstoffzelleneinheit in Kontakt steht, wobei die Dichtungsanordnung einen Strömungsfelddichtbereich umfasst, welcher sich fluiddicht abdichtend um die elektrochemisch aktive Membran-Elektroden-Anordnung der Brennstoffzelleneinheit herum erstreckt, und Mediumkanaldichtbereiche umfasst, die sich jeweils fluiddicht abdichtend um einen sich parallel zur Stapelrichtung durch den Brennstoffzellenstapel hindurch erstreckenden Mediumkanal herum erstrecken, und wobei die Dichtungsanordnung einen Abstandshalter aufweist, welcher die Bipolarplatte der Brennstoffzelleneinheit und die weitere Bipolarplatte der benachbarten Brennstoffzelleneinheit auf Abstand voneinander hält;
3 eine der 1 entsprechende Draufsicht von oben längs der Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels der Brennstoffzellenvorrichtung auf einen Teil des Brennstoffzellenstapels, welcher nur eine Brennstoffzelleneinheit umfasst, nachdem die weitere Bipolarplatte der benachbarten Brennstoffzelleneinheit entfernt worden ist;
4 eine der 1 entsprechende Draufsicht von oben längs der Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels einer Brennstoffzellenvorrichtung auf einen Ausschnitt eines Teils einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Brennstoffzellenstapels, welcher eine Brennstoffzelleneinheit und eine über der Brennstoffzelleneinheit liegende Bipolarplatte einer weiteren Brennstoffzelleneinheit umfasst; 5 einen ausschnittsweisen Längsschnitt durch den Teil des Brennstoffzellenstapels aus 4, längs der Linie 5 - 5 in 4, wobei die Brennstoffzelleneinheit eine Dichtungsanordnung umfasst, welche mit der Bipolarplatte der Brennstoffzelleneinheit und mit der weiteren Bipolarplatte der benachbarten Brennstoffzelleneinheit in Kontakt steht, wobei die Dichtungsanordnung einen Strömungsfelddichtbereich umfasst, welcher sich fluiddicht abdichtend um die elektrochemisch aktive Membran-Elektroden-Anordnung der Brennstoffzelleneinheit herum erstreckt, und Mediumkanaldichtbereiche umfasst, die sich jeweils fluiddicht abdichtend um einen sich parallel zur Stapelrichtung durch den Brennstoffzellenstapel hindurch erstreckenden Mediumkanal herum erstrecken, wobei die Dichtungsanordnung zwei äußere Dichtlippen umfasst, welche außerhalb des Strömungsfelddichtbereichs der Dichtungsanordnung und außerhalb der Mediumkanaldichtbereiche der Dichtungsanordnung angeordnet sind, und wobei die Dichtungsanordnung einen Abstandshalterbereich umfasst, welcher die Bipolarplatte der Brennstoffzelleneinheit und die weitere Bipolarplatte der benachbarten Brennstoffzelleneinheit auf Abstand voneinander hält und außerhalb der äußeren Dichtlippen der Dichtungsanordnung angeordnet ist; und
6 eine der 4 entsprechende Draufsicht von oben längs der Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels der Brennstoffzellenvorrichtung auf die Brennstoffzelleneinheit, nachdem die über der Brennstoffzelleneinheit liegende weitere Bipolarplatte der benachbarten Brennstoffzelleneinheit entfernt worden ist.

Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Eine in den 1 bis 3 ausschnittsweise 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 von 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 zur Stapelrichtung 110 gerichteten Spannkraft umfasst (siehe insbesondere 2).
Wie am besten aus der Schnittdarstellung in 2 zu ersehen ist, umfasst jede elektrochemische Einheit 106 der elektrochemischen Vorrichtung 100 jeweils eine Bipolarplatte 112 und eine elektrochemisch aktive Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) 114. Die Membran-Elektroden-Anordnung 114 umfasst beispielsweise eine katalysatorbeschichtete Membran („Catalyst Coated Membrane“; CCM) und zwei Gasdiffusionslagen 116 und 118, wobei die erste Gasdiffusionslage 116 beispielsweise kathodenseitig und die zweite Gasdiffusionslage 118 beispielsweise anodenseitig angeordnet ist.
Die Bipolarplatte 112 ist beispielsweise aus einem metallischen Material gebildet.
Wie am besten aus 1 zu ersehen ist, weist die Bipolarplatte 112 mehrere Medium-Durchtrittsöffnungen 120 auf, durch welche jeweils ein der elektrochemischen Vorrichtung 100 zuzuführendes fluides Medium (im Falle 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.
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.
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.
In 1 ist beispielsweise ein Anodengas-Zuführkanal 126, ein Kathodengas-Zuführkanal 130 und ein Kühlmittel-Zuführkanal 134 dargestellt.
In 1 ist nur eine Hälfte des Stapels 104 aus elektrochemischen Einheiten 106 dargestellt, welche in der Darstellung der 1 rechts von der parallel zur Stapelrichtung 110 verlaufenden Quermittelebene 128 liegt.
In der links von der Quermittelebene 128 liegenden Hälfte des Stapels 104 aus elektrochemischen Einheiten 106 ist ein Anodengas-Abführkanal, ein Kathodengas-Abführkanal und ein Kühlmittel-Abführkanal angeordnet.
Jedes Strömungsfeld 124 steht über jeweils einen Verbindungskanal in Verbindung mit einem Medium-Zuführkanal und mit einem Medium-Abführkanal. Die Strömungsfelder 124 für Anodengas und für Kathodengas werden an ihrem äußeren Rand von jeweils einem Randsteg 138 begrenzt, welcher fluiddicht abdichtend an einer benachbarten Membran-Elektroden-Anordnung 114 anliegt.
Jede Bipolarplatte 112 umfasst bei der zeichnerisch dargestellten Ausführungsform eine erste Bipolarplattenlage 140 und eine zweite Bipolarplattenlage 142, die längs Verbindungslinien 144, welche senkrecht zu der Zeichenebene der 2 verlaufen, vorzugsweise stoffschlüssig, insbesondere durch Verschwei-ßung, beispielsweise durch Laserschweißung, fluiddicht aneinander festgelegt sind.
Ein unerwünschtes Austreten der fluiden Medien aus den Strömungsfeldern 124 der elektrochemischen Vorrichtung 100 wird in jeder elektrochemischen Einheit 106 durch eine Dichtungsanordnung 146 verhindert, welche sich längs der Umfangsrichtung 148 der Strömungsfelder 124 um die Strömungsfelder 124 und längs der Umfangsrichtung 149 der Membran-Elektroden-Anordnung 114 um die Membran-Elektroden-Anordnung 114 herum erstreckt.
Die Dichtungsanordnung 146 umfasst vorzugsweise zwei Dichtelemente 150, wobei ein erstes Dichtelement 152 vorzugsweise an der kathodenseitigen ersten Gasdiffusionslage 116 und ein zweites Dichtelement 154 vorzugsweise an der anodenseitigen zweiten Gasdiffusionslage 118 der Membran-Elektroden-Anordnung 114 festgelegt ist.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Dichtelemente 152 und 154 an die jeweils zugeordnete Gasdiffusionslage 116 beziehungsweise 118 angespritzt oder angegossen sind.
Das erste Dichtelement 152 weist vorzugsweise eine oder mehrere, besonders bevorzugt zwei, Dichtlippen 156 auf, mit welchen das erste Dichtelement 152 fluiddicht abdichtend an der ersten Bipolarplattenlage 140 einer Bipolarplatte 112' einer benachbarten elektrochemischen Einheit 106' anliegt, um jeweils eine Dichtlinie 158 zu bilden, welche sich um ein Strömungsfeld 124 der elektrochemischen Vorrichtung 100 herum erstreckt, so dass ein Entweichen von Medium aus dem Strömungsfeld 124 in die Umgebung oder in einen der Mediumkanäle 122, welche anderen Medien zugeordnet sind als das betreffende Strömungsfeld 124, verhindert wird (siehe 2).
Das zweite Dichtelement 154 weist vorzugsweise eine oder mehrere, besonders bevorzugt zwei, Dichtlippen 160 auf, mit welchen das zweite Dichtelement 154 fluiddicht an der zweiten Bipolarplattenlage 142 der Bipolarplatte 112 der elektrochemischen Einheit 106 anliegt, um jeweils eine Dichtlinie 162 zu bilden, welche sich um ein Strömungsfeld 124 der elektrochemischen Vorrichtung 100 herum erstreckt, so dass ein Entweichen von Medium aus dem betreffenden Strömungsfeld 124 in die Umgebung oder in Mediumkanäle 122, welche anderen Medien zugeordnet sind als das betreffende Strömungsfeld 124, verhindert wird.
In 2 sind die Dichtlippen 156, 160 in ihrem verpressten Zustand dargestellt, welchen dieselben einnehmen, wenn die elektrochemischen Einheiten 106 des Stapels 104 gegeneinander verspannt worden sind.
In diesem verpressten Zustand sind die Kuppen der Dichtlippen 156, 160 abgeflacht. Die Dichtlinien 158, 162 der Dichtungsanordnung 146 verlaufen dann ungefähr dort, wo im unverpressten Zustand der elektrochemischen Vorrichtung 100 die Kuppen der Dichtlippen 156, 160 lagen.
Das erste Dichtelement 152, welches die Dichtlippen 156 umfasst, und die Dichtlippen 160 des zweiten Dichtelements 154 bilden zusammen einen Strömungsfelddichtbereich 164 der Dichtungsanordnung 146, welcher sich fluiddicht abdichtend um die elektrochemisch aktive Membran-Elektroden-Anordnung 114 der elektrochemischen Einheit 106 herum erstreckt, wie dies auch aus 3 zu ersehen ist.
Die Dichtungsanordnung 146 umfasst ferner für jeden Mediumkanal 122 jeweils einen Mediumkanaldichtbereich 166, der sich jeweils fluiddicht abdichtend um einen der Mediumkanäle 122 herum erstreckt.
Jeder der Mediumkanaldichtbereiche 166 weist eine oder mehrere Dichtlippen 168, besonders bevorzugt jeweils zwei Dichtlippen 168 für jede benachbarte Bipolarplatte 112, auf, mit welchen der jeweilige Mediumkanaldichtbereich 166 fluiddicht abdichtend an den benachbarten Bipolarplattenlagen 112 anliegt, um jeweils eine Dichtlinie zu bilden, welche sich um den betreffenden Mediumkanal 122 herum erstreckt, so dass ein Entweichen von Medium aus dem Mediumkanal 122 in die Umgebung, in eines der Strömungsfelder 124 oder in einen der Mediumkanäle 122, welche anderen Medien zugeordnet sind als der betreffende Mediumkanal 122, verhindert wird (siehe 3).
Im zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Dichtungsanordnung 146 also sechs Mediumkanaldichtbereiche 166 auf, wovon in 3 drei Mediumkanaldichtbereiche 166 dargestellt sind, nämlich die Mediumkanaldichtbereiche 166, welche sich um den Anodengas-Zuführkanal 126, um den Kathodengas-Zuführkanal 130 und um den Kühlmittel-Zuführkanal 134 herum erstrecken.
Wie am besten aus 2 zu ersehen ist, umfasst die Dichtungsanordnung 146 ferner einen außerhalb der Dichtlinien 158, 162 des Strömungsfelddichtbereichs 164 der Dichtungsanordnung 146 und außerhalb der Dichtlinien der Mediumkanaldichtbereiche 166 angeordneten Abstandshalterbereich 170, welcher die beiden an die Dichtungsanordnung 146 angrenzenden Bipolarplatten 112, 112' der elektrochemischen Vorrichtung 100 auf Abstand voneinander hält.
Bei der zeichnerisch dargestellten Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 ist vorgesehen, dass der Abstandshalterbereich 170 einstückig mit dem anodenseitigen zweiten Dichtelement 154 der Dichtungsanordnung 146 ausgebildet ist.
Grundsätzlich könnte aber auch vorgesehen sein, dass der Elastomerkörper 168 einstückig mit dem kathodenseitigen ersten Dichtelement 152 der Dichtungsanordnung 146 ausgebildet ist.
Der Abstandshalter 170 der Dichtungsanordnung 146 umfasst ferner einen Abstützsockel 172, mit welchem der Abstandshalterbereich 170 sich an einer der beiden benachbarten Bipolarplatten 112, 112' abstützt.
Im zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel stützt sich der Abstandshalterbereich 170 mit dem Abstützsockel 172 an der anodenseitigen zweiten Bipoplarplattenlage 142 der Bipolarplatte 112 der elektrochemischen Einheit 106 ab.
Im Bereich des Abstützsockels 172 weist der Abstandshalterbereich 170 seine größte Höhe H, das heißt seine größte Erstreckung längs der Stapelrichtung 110 des Stapels 104 aus elektrochemischen Einheiten 106, auf.
Die Höhe H des Abstandshalterbereichs 170 im Bereich des Abstützsockels 172 entspricht ungefähr dem minimalen tolerierbaren Abstand zwischen den längs der Stapelrichtung aufeinanderfolgenden Bipolarplatten 112 und 112'.
Durch das Vorhandensein des Abstützsockels 172 wird ein Durchbiegen des Abstandshalterbereichs 170 zu der Bipolarplatte 112 hin, an welcher der Abstützsockel 172 sich abstützt, vermieden.
Wie ferner aus 2 zu ersehen ist, erstreckt der Abstandshalterbereich 170 der Dichtungsanordnung 146 sich über einen äußeren Rand 176 der benachbarten Bipolarplatten 112, 112', welche der Abstandshalterbereich 170 auf Abstand voneinander hält, hinaus in einen Außenraum 174 der elektrochemischen Vorrichtung 100.
Das erste Dichtelement 152 der Dichtungsanordnung 146 ist als ein einstückiger erster Elastomerkörper 178 ausgebildet.
Das zweite Dichtelement 154 der Dichtungsanordnung 146 ist als ein einstückiger zweiter Elastomerkörper 180 ausgebildet.
Der Abstandshalterbereich 170 der Dichtungsanordnung 146 dient zur Begrenzung der Verpressung der Dichtungsanordnung 146 im Betriebszustand der elektrochemischen Vorrichtung 100 und zur mechanischen Stabilisierung des äußeren Randbereichs der elektrochemischen Einheiten 106 der elektrochemischen Vorrichtung 100.
Wie am besten aus 3 zu ersehen ist, ist der Abstützsockel 172 des Abstandshalterbereichs 170 nicht umlaufend geschlossen ausgebildet, sondern weist Unterbrechungen 182 auf.
Aufgrund der Unterbrechungen 182 des Abstützsockels 172 und wegen der geringen Verpressung des Abstandshalterbereichs 170 im Betriebszustand der elektrochemischen Vorrichtung 100 übernimmt der Abstandshalterbereich 170 keine Dichtfunktion und wirkt auch dem sogenannten „Bersten“ der Dichtungsanordnung 146 kaum entgegen.
Im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100 entstehen daher Leckagen, welche es zu minimieren gilt.
Bei hohen Betriebsdrücken oder Druckstößen kommt es ferner zum sogenannten „Bersten“ der Dichtungsanordnung 146. Hierbei werden einzelne Dichtlippen 156, 160, 168 der Dichtungsanordnung 146 durch den im jeweils von der betreffenden Dichtlippe 156, 160, 168 umschlossenen Bereich einer elektrochemischen Einheit 106 herrschenden Innendruck derart stark verschoben und/oder aus der jeweiligen elektrochemischen Einheit 106 herausgedrückt, dass sie keine Dichtwirkung mehr ausüben können.
Den Berstdruck, bei welchem ein solches Bersten der Dichtungsanordnung 146 auftritt, gilt es zu erhöhen.
Der Abstandshalterbereich 170 im äußeren Bereich der Dichtungsanordnung 146 wirkt der Verschiebung der Dichtlippen 156, 160, 168 beim Berstvorgang teilweise entgegen; durch die gewählte Geometrie des Abstandshalterbereichs 170 und der damit einhergehenden geringen Verpressung im Betriebszustand der elektrochemischen Vorrichtung 100 ist der dem Bersten entgegenwirkende Effekt jedoch eher gering und kommt auch lediglich bei einer hohen Verpressung der Dichtlippen 156, 160 zum Tragen, also dann, wenn der von den Dichtlippen 156, 160, 168 überdrückte Dichtspalt nur eine geringe Höhe, das heißt eine geringe Ausdehnung längs der Stapelrichtung 110, aufweist. Wenn dieser Dichtspalt seine Nominalhöhe aufweist oder - aufgrund von Fertigungstoleranzen und/oder Montagetoleranzen - eine Höhe aufweist, welche größer ist als die Nominalhöhe, so wird der Abstandshalterbereich 170 im Betriebszustand der elektrochemischen Vorrichtung 100 nur geringfügig oder gar nicht verpresst, wodurch ein dem Bersten der Dichtungsanordnung 146 entgegenwirkender Effekt nicht entsteht.
Eine in den 4 bis 6 ausschnittsweise dargestellte, erfindungsgemäße zweite Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 unterscheidet sich von der in den 1 bis 3 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass die Dichtungsanordnung 146 jeder elektrochemischen Einheit 106 der elektrochemischen Vorrichtung 100 mindestens eine äußere Dichtlippe 184 umfasst, welche außerhalb des Strömungsfelddichtbereichs 164 der betreffenden Dichtungsanordnung 146 und außerhalb der Mediumkanaldichtbereiche 166 der betreffenden Dichtungsanordnung 146 angeordnet ist.
Bei der in den 4 bis 6 dargestellten zweiten Ausführungsform umfasst die Dichtungsanordnung 146 eine erste äußere Dichtlippe 184a, welche an der Bipolarplatte 112 der elektrochemischen Einheit 106 fluiddicht abdichtend anliegt, und eine zweite äußere Dichtlippe 184b, welche an der Bipolarplatte 112' der benachbarten elektrochemischen Einheit 106' fluiddicht abdichtend anliegt.
Die beiden äußeren Dichtlippen 184a und 184b liegen vorzugsweise längs der Stapelrichtung 110 (im Rahmen der Fertigungs- und Montagetoleranzen) übereinander.
Die beiden äußeren Dichtlippen 184a, 184b sind ringförmig geschlossen um den Strömungsfelddichtbereich 164 der Dichtungsanordnung 146 und um die Mediumkanaldichtbereiche 166 der Dichtungsanordnung 146 umlaufend ausgebildet.
Die äußeren Dichtlippen 184a, 184b sind zwischen dem Abstandshalterbereich 170 der Dichtungsanordnung 146 einerseits und dem Strömungsfelddichtbereich 164 oder jeweils einem der Mediumkanaldichtbereiche 166 der Dichtungsanordnung 146 andererseits angeordnet.
Der Abstandshalterbereich 170 der Dichtungsanordnung 146 ist von mindestens einer der äußeren Dichtlippen 184 durch einen höhenreduzierten Bereich 186 getrennt, in welchem die Höhe der Dichtungsanordnung 146, das heißt deren Erstreckung längs der Stapelrichtung 110, kleiner ist als in dem Abstandshalterbereich 170 und kleiner ist als im Bereich der mindestens einen äußeren Dichtlippe 184.
Der Abstützsockel 172 kann bei dem Abstandshalterbereich 170 dieser zweiten Ausführungsform der elektrochemischen Vorrichtung 100 entfallen.
Wie am besten aus 5 zu ersehen ist, weist jede der äußeren Dichtlippen 184a, 184b jeweils eine dem Strömungsfelddichtbereich 164 und/oder einem der Mediumkanaldichtbereiche 166 der Dichtungsanordnung 146 zugewandte innere Flanke 188 auf, wobei die innere Flanke 188 gegenüber der Stapelrichtung 110 um einen Winkel α geneigt ist.
Ferner weist jede der äußeren Dichtlippen 184a, 184b eine dem Strömungsfelddichtbereich 164 und/oder einem der Mediumkanaldichtbereiche 166 abgewandte äußere Flanke 190 auf, wobei die äußere Flanke 190 gegenüber der Stapelrichtung 110 um einen Winkel β geneigt ist.
Vorzugsweise ist dabei der Winkel α, um welchen die innere Flanke 188 der äußeren Dichtlippe 184 gegenüber der Stapelrichtung 100 geneigt ist, größer als der Winkel β, um welchen die äußere Flanke 190 der äußeren Dichtlippe 184 gegenüber der Stapelrichtung 110 geneigt ist.
Die zusätzlichen äußeren Dichtlippen 184a, 184b übernehmen zum einen eine zusätzliche Dichtfunktion, durch welche insbesondere im dynamischen Fall eines Betriebszustandswechsels der elektrochemischen Vorrichtung 100 Leckagen reduziert werden, also ein Austreten von Anodengas, Kathodengas oder Kühlmittel aus dem jeweils zugeordneten Strömungsfeld 124 und/oder ein Austreten von Anodengas, Kathodengas oder Kühlmittel aus einem jeweils zugeordneten Mediumkanal 122 verhindert oder zumindest verringert wird.
Zum anderen wirken die zusätzlichen äußeren Dichtlippen 184 durch die an diesen äußeren Dichtlippen 184 im Betriebszustand der elektrochemischen Vorrichtung 100 auftretende höhere Verpressung einem Bersten der Dichtungsanordung 146 verstärkt entgegen; dies gilt auch dann, wenn der von den äußeren Dichtlippen 184 überbrückte Dichtspalt seine Nominalhöhe oder - aufgrund von Fertigungs- und/oder Montagetoleranzen - eine Höhe aufweist, welche größer ist als die Nominalhöhe.
Bei der in den 4 bis 6 dargestellten Ausführungsform sind die äußeren Dichtlippen 184 ringförmig geschlossen und ununterbrochen ausgeführt.
Grundsätzlich könnte auch vorgesehen sein, dass die äußeren Dichtlippen 184 längs ihrer Umfangsrichtung unterbrochen ausgeführt sind. In diesem Fall ergibt sich dann durch die äußeren Dichtlippen 184 keine zusätzliche Abdichtfunktion; die äußeren Dichtlippen 184 wirken aber auch in einem solchen Fall weiterhin dem Bersten der Dichtungsanordnung 146 wirksam entgegen.
Durch die Geometrie der äußeren Dichtlippen 184 können dieselben stärker verpresst werden als der Abstandshalterbereich 170 bei der in den 1 bis 3 dargestellten ersten Ausführungsform, was zum einen eine höhere Abdichtwirkung und damit eine geringere Leckage und zum anderen einen höheren Berstdruck, auch bei Nominalhöhe des Dichtspalts oder bei einer die Nominalhöhe übersteigenden Höhe des Dichtspalts, zur Folge hat.
Ferner entsteht durch die ununterbrochenen äußeren Dichtlippen 184, wie sie in den 4 bis 6 dargestellt sind, im Gegensatz zum Abstandshalterbereich 170 mit einem unterbrochenen Abstützsockel 172, wie er in den 1 bis 3 dargestellt ist, eine zusätzliche Dichtwirkung und somit eine zusätzliche Sicherung gegenüber Leckagen.
Im Übrigen stimmt die in den 4 bis 6 dargestellte zweite Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in den 1 bis 3 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.

Claims

Elektrochemische Vorrichtung, umfassend einen Stapel (104) aus mehreren, längs einer Stapelrichtung (110) aufeinanderfolgenden elektrochemischen Einheiten (106), die jeweils eine elektrochemische aktive Membran-Elektroden-Anordnung (114), eine Bipolarplatte (112) und eine Dichtungsanordnung (146) umfassen, wobei die Dichtungsanordnung (146) einen Strömungsfelddichtbereich (164) umfasst, welcher sich fluiddicht abdichtend um die elektrochemisch aktive Membran-Elektroden-Anordnung (114) herum erstreckt, und Mediumkanaldichtbereiche (166) umfasst, welche sich jeweils fluiddicht abdichtend um einen sich parallel zur Stapelrichtung (110) durch den Stapel (104) aus elektrochemischen Einheiten (106) hindurch erstreckenden Mediumkanal (122) herum erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsanordnung (146) mindestens eine äußere Dichtlippe (184) umfasst, welche außerhalb des Strömungsfelddichtbereichs (164) der Dichtungsanordnung (146) und außerhalb der Mediumkanaldichtbereiche (166) der Dichtungsanordnung (146) angeordnet ist.
Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine äußere Dichtlippe (184) ringförmig geschlossen um den Strömungsfelddichtbereich (164) der Dichtungsanordnung (146) und um die Mediumkanaldichtbereiche (166) der Dichtungsanordnung (146) umläuft.
Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsanordnung (146) mindestens zwei äußere Dichtlippen (184) umfasst, welche außerhalb des Strömungsfelddichtbereichs (164) der Dichtungsanordnung (146) und außerhalb der Mediumkanaldichtbereiche (166) der Dichtungsanordnung (146) angeordnet sind.
Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der mindestens zwei äußeren Dichtlippen (184) an voneinander verschiedenen Bipolarplatten (112, 112') der elektrochemischen Vorrichtung (100) anliegen.
Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der mindestens zwei äußeren Dichtlippen (184) längs der Stapelrichtung (110) übereinander liegen.
Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsanordnung (146) ferner einen Abstandshalterbereich (170) umfasst, welcher zwei an die Dichtungsanordnung (146) angrenzende Bipolarplatten (112, 112') der elektrochemischen Vorrichtung (100) auf Abstand voneinander hält und außerhalb der mindestens einen äußeren Dichtlippe (184) der Dichtungsanordnung (146) angeordnet ist.
Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandshalterbereich (170) sich über einen äußeren Rand (176) mindestens einer der Bipolarplatten (112, 112'), welche der Abstandshalterbereich (170) auf Abstand voneinander hält, hinaus erstreckt.
Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandshalterbereich (170) von der mindestens einen äußeren Dichtlippe (184) durch einen höhenreduzierten Bereich (186) der Dichtungsanordnung (146) getrennt ist, in welchem die Höhe der Dichtungsanordnung (146) kleiner ist als in dem Abstandshalterbereich (170) und kleiner ist als im Bereich der mindestens einen äußeren Dichtlippe (184).
Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsfelddichtbereich (164) mindestens zwei Dichtlippen (156, 160) aufweist, welche sich um die elektrochemisch aktive Membran-Elektroden-Anordnung (114) herum erstrecken, und/oder dass jeder der Mediumkanaldichtbereiche (166) jeweils mindestens zwei Dichtlippen (168) aufweist, welche sich um den jeweils zugeordneten Mediumkanal (122) herum erstrecken.
Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine äußere Dichtlippe (184) eine dem Strömungsfelddichtbereich (164) und/oder einem Mediumkanaldichtbereich (166) der Dichtungsanordnung (146) zugewandte innere Flanke (188) und eine dem Strömungsfelddichtbereich (164) und/oder einem Mediumkanaldichtbereich (166) der Dichtungsanordnung (146) abgewandte äußere Flanke (190) aufweist, wobei die innere Flanke (188) gegenüber der Stapelrichtung (110) um einen Winkel (α) geneigt ist, welcher größer ist als ein Winkel (β), um welchen die äußere Flanke (190) gegenüber der Stapelrichtung (110) geneigt ist.