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Die Erfindung betrifft ein Modul
für eine Brennstoffzellenanordnung
und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Moduls sowie
eine damit hergestellte Brennstoffzellenanordnung.
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Brennstoffzellen dienen der Erzeugung
von elektrischer Energie mittels einer chemischen Reaktion und können beispielsweise
in Form eines Blocks realisiert sein, der eine Vielzahl von übereinander
gestapelten Einzelmodulen aufweist, in denen jeweils die chemische
Reaktion abläuft.
Die Reaktionspartner werden der Brennstoffzelle häufig in
einem gasförmigen
Zustand zugeführt,
beispielsweise in Form von Wasserstoff und Sauerstoff bzw. Luft,
so dass eine zuverlässige
Abdichtung der Brennstoffzellenanordnung erforderlich ist.
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Eine Dichtung für Brennstoffzellen ist beispielsweise
aus der
DE 100 28
395 A1 bekannt. Dort ist eine Dichtung offenbart, die einen
Trägerkörper mit
einem darauf angeordneten Elastomermaterial aufweist. Das Elastomermaterial
wird in Form eines flüssigen
Gummivulkanisats auf den Trägerkörper aufgebracht
und anschließend
vernetzt oder vulkanisiert.
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Aus der
EP 1 032 065 A2 ist eine
Dichtungsanordnung insbesondere für Bipolarplatten mit zwischengelegten
Innenaustausch-Membran-Einheiten in Brennstoffzellen bekannt. Bei
dieser Dichtungsanordnung sind Dichtelemente aus polymeren Material in
Ausnehmungen der Bipolarplatten eingespritzt und bilden mit der
jeweiligen dazugehörigen
Bipolarplatte eine integrale Einheit. Die Dichtelemente füllen die Ausnehmungen
allerdings nicht vollständig
aus, sondern es verbleiben Freiräume
oder Spalten zwischen den Seitenwänden der Dichtelemente und
der benachbarten Wände
der Ausnehmungen. Dadurch ist gewährleistet, dass die Dichtelemente
beim Zusammenpressen ausweichen können. Zudem stehen die Dichtelemente
aus den Ausnehmungen hervor, d. h. die Höhe der Dichtelemente ist größer als
die Tiefe der Ausnehmungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den
Herstellungsaufwand für
eine Brennstoffzellenanordnung möglichst
gering zu halten und gleichzeitig eine zuverlässige Abdichtung zu gewährleisten.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination
des Anspruchs 1 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Modul für eine Brennstoffzellenanordnung
weist mehrere stapelförmig
angeordnete Platten auf. Dabei weisen wenigstens zwei Platten ein
gemeinsames Dichtelement aus polymeren Material auf, das an die
Platten angespritzt ist und durch das die Platten zumindest partiell miteinander
verbunden sind. Dies hat den Vorteil, dass die Anzahl der für den Zusammenbau
einer Brennstoffzellenanordnung benötigten Einzelteile reduziert
wird und dass der Zusammenbau mit einer vergleichsweise geringen
Anzahl von Arbeitsschritten möglich
ist. Ein weiterer Vorteil besteht dann, dass das Dichtelement die
Platten gleichzeitig mechanisch fixiert und somit für diese
Fixierung keinerlei zusätzliche
Maßnahmen
erforderlich sind.
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Die Platten können über das Dichtelement haftschlüssig miteinander
verbunden sein. Ebenso können
die Platten über
das Dichtelement auch formschlüssig miteinander
verbunden sein und es ist auch eine Kombination der beiden Verbindungsarten
möglich.
Dadurch kann in der Regel eine für
den jeweiligen Anwendungsfall geeignete Verbindung zwischen den
Platten hergestellt werden.
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Das Dichtelement ist bevorzugt an
beiden Hauptflächen
des durch die Platten gebildeten Stapels ausgebildet. Dadurch kann
beim Übereinanderstapeln
der erfindungsgemäßen Module
zu einer Brennstoffzellenanordnung eine sehr gute Abdichtung zwischen
den erfindungsgemäßen Modulen hergestellt
werden. Ebenso kann durch das Dichtelement ein zwischen benachbarten
Platten ausgebildeter Zwischenraum abgedichtet werden, so dass mittels
des Dichtelements nicht nur eine Abdichtung zwischen den einzelnen
erfindungsgemäßen Modulen sondern
jeweils auch zwischen den einzelnen Platten eines erfindungsgemäßen Moduls
bewirkt wird.
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Je nach Ausführungsform kann das Dichtelement
die Stirnseiten der Platten wenigstens bereichsweise umschließen. Ebenso
ist es auch möglich, dass
sich das Dichtelement durch wenigstens einen Durchbruch in den Platten
hindurch erstreckt. Dazu können
in benachbarten Platten jeweils insbesondere langlochartige Durchbrüche ausgebildet
sein, wobei sich die Durchbrüche
der einen Platte und die Durchbrüche
der anderen Platte jeweils überlappen. Schließlich ist
es noch möglich,
dass sich das Dichtelement in wenigstens einem tunnelartigen Hohlraum zwischen
den Platten erstreckt. Dabei weist der tunnelartige Hohlraum in
der Regel wenigstens eine Öffnung
auf. Es stehen somit zahlreiche Varianten zur konkreten Ausgestaltung
der Verbindung der Platten mittels des Dichtelements zur Verfügung, wobei
bei allen Ausführungsbeispielen
sowohl eine haftschlüssige
als auch eine formschlüssige
Verbindung hergestellt werden kann und zudem jeweils die Möglichkeit besteht,
den Zwischenraum zwischen den Platten ebenfalls abzudichten.
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Auch für die Formgebung des Dichtelements stehen
eine Reihe von Varianten zur Verfügung. So kann das Dichtelement
im Bereich einer der Platten einen Querschnittsbereich mit einer
ebenen Oberfläche
aufweisen. Ebenso ist es auch möglich,
dass das Dichtelement im Bereich einer der Platten einen Querschnittsbereich
mit einer spitz zulaufenden Oberfläche aufweist. Diese beiden
Möglichkeiten können beim
erfindungsgemäßen Modul
besonders vorteilhaft derart miteinander kombiniert werden, dass
das Dichtelement auf der einen Seite des erfindungsgemäßen Moduls
eine ebene und auf der anderen Seite eine spitz zulaufende Oberfläche aufweist.
Beim Übereinanderstapeln
der erfindungsgemäßen Module
zu einer Brennstoffzellenanordnung liegt dann jeweils eine spitz
zulaufende Oberfläche des
Dichtelements an einer ebenen Oberfläche an, so dass eine – sehr gute
Dichtwirkung erzielt werden kann. In einem weiteren Ausführungsbeispiel
weist das Dichtelement im Bereich derselben Platte einen Querschnittsbereich
mit einer ebenen Oberfläche und
einen Querschnittsbereich mit einer spitz zulaufenden Oberfläche aus.
Insbesondere kann dabei jeder Querschnittsbereich mit einer ebenen
Oberfläche von
dem Oberschnittsbereich mit einer spitz zulaufenden Oberfläche durch
eine Vertiefung relativ zur ebenen Oberfläche getrennt sein. Bei dieser
Ausführungsform
des Dichtelements dienen die Querschnittsbereiche mit einer ebenen
Oberfläche
beim Übereinanderstapeln
der erfindungsgemäßen Module
als Anschlag, bis zu dem die Querschnittsbereiche mit einer spitz
zulaufenden Oberfläche
maximal zusammengepresst werden können. Durch die Vertiefungen
wird dabei die Flexibilität
der Querschnittsbereiche mit einer spitz zulaufenden Oberfläche erhöht und das
beim Zusammenpressen dieser Querschnittsbereiche verdrängte Material
aufgenommen. Dieses Ausführungsbeispiel
hat somit den Vorteil, dass eine sehr unkomplizierte Handhabung
der erfindungsgemäßen Module
beim Übereinanderstapeln zu
einer Brennstoffzellenanordnung möglich ist und die Dichtelemente
vor einer Beschädigung
durch ein übermäßiges Zusammenpressen
der Querschnittsbereiche mit einer spitz zulaufenden Oberfläche geschützt sind.
Die Dichtelemente gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
können
beim Übereinanderstapeln der
erfindungsgemäßen Module
entweder mit vollständig
eben ausgebildeten Dichtelementen zusammenwirken oder mit gleichartigen
Dichtelementen. Um die letztgenannte Kombination zu realisieren, werden
die Querschnittsbereiche mit einer ebenen Oberfläche beiderseits des Querschnittsbereichs
mit einer spitz zulaufenden Oberfläche assymetrisch ausgebildet,
so dass beim Übereinanderstapeln zweier
Dichtelemente die Querschnittsbereiche mit einer spitz zulaufenden
Oberfläche
jeweils an einem Querschnittsbereich mit einer ebenen Oberfläche des
jeweils anderen Dichtelements anliegen und dadurch zwei hintereinander
geschaltete Dichtstellen ausgebildet werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung
eines Moduls für
eine Brennstoffzellenanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens zwei
Platten wenigstens bereichsweise in eine Gussform eingelegt werden
und ein polymeres Dichtmaterial in die Gussform eingefüllt wird,
so dass sich das Dichtmaterial an beiden Platten anlagert. Damit
kann auf sehr effiziente Weise bei mehreren Platten gleichzeitig
ein Dichtelement ausgebildet werden und im gleichen Prozessschritt
kann sogar noch eine mechanische Verbindung zwischen den Platten
hergestellt werden.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand
der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen näher erläutert.
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Es zeigen
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1 eine
Brennstoffzellenanordnung, bei der das erfindungsgemäße Modul
eingesetzt wird, in Aufsicht,
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2 die
Brennstoffzellenanordnung aus 1 in
Schnittdarstellung,
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3 ein
Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Moduls
in perspektivischer Darstellung,
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4 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Moduls
in perspektivischer Darstellung,
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5 das
Ausführungsbeispiel
aus 4 in Aufsicht,
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6 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Moduls
in perspektivischer Darstellung,
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7 das
Ausführungsbeispiel
aus 6 in Aufsicht,
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8, 9 und 10 weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Moduls
in Schnittdarstellung,
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1 zeigt
eine Brennstoffzellenanordnung, bei der das erfindungsgemäße Modul
eingesetzt wird, in Aufsicht. Die Brennstoffzellenanordnung wird typischerweise
mit den Gasen Wasserstoff und Sauerstoff bzw. Luft betrieben und
wandelt diese unter Erzeugung von elektrischer Energie in Wasser
um. Die in 1 dargestellte
Brennstoffzellenanordnung besteht aus einer Vielzahl von Einzelelementen,
die jeweils als rechteckige Platten oder als Schichten ausgebildet
sind und stapelförmig übereinander
angeordnet sind. Um die in verschiedenen Ebenen angeordneten Einzelelemente
jeweils mit dem benötigten
Gas zu versorgen bzw. um das gebildete Wasser abzuführen, erstrecken
sich durch den gesamten Stapel senkrecht zu den einzelnen Platten
oder Schichten gasdicht verschlossene Schächte 1. Von diesen
Schächten 1 zweigen
bisweilen Kanäle 2 quer ab,
die das in den Schächten
geförderte
Medium jeweils lateral verteilen.
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2 zeigt
die Brennstoffzellenanordnung aus 1 in
Schnittdarstellung. Der Schnitt wurde entlang der in 1 eingezeichneten Schnittlinie
AB geführt.
Die Brennstoffzellenanordnung besteht aus einer periodisch sich
wiederholenden Aufeinanderfolge von Elektroden 3, ersten
Katalysatorplatten 4, Membranen 5 und zweiten
Katalysatorplatten 6, die jeweils unter Hinzunahme einer
weiteren Elektrode 3 eine Brennstoffzelle ausbilden. Ein
wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, dass die Elektroden 3 jeweils
aus zwei dünnen
Platten 7 und 8 zusammengesetzt sind, die mit
ihren Hauptflächen
aneinander liegen und durch ein Dichtelement 9 aus einem polymeren
Material zusammengehalten werden, so dass jeweils ein erfindungsgemäßes Modul 10 ausgebildet
wird. Dabei übernimmt
das Dichtelement 9 zum einen eine statische Funktion, in
dem es die beiden Platten 7 und 8 mechanisch zusammenhält. Wie der 2 weiterhin zu entnehmen
ist, übernimmt
das Dichtelement 9 zudem auch eine Dichtfunktion, indem übereinander
gestapelte Dichtelemente 9 beispielsweise den Schacht 1 abdichten.
Dabei ist es möglich,
die Dichtelemente 9 so zu konstruieren, dass die Brennstoffzellenanordnung
ohne zusätzliche
Dichtungen vollständig
abgedichtet werden kann.
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Zur Herstellung des Moduls 10 werden
jeweils zwei Platten 7 und 8 mit einer gewünschten
Relativpositionierung zueinander wenigstens in den Bereichen, in
denen das Dichtelement 9 ausgebildet werden soll, in eine
Spritzgussform eingelegt und mit einem spritzfähigen polymeren Material umspritzt. Dabei
werden die beiden Platten 7 und 8 durch das Spritzgussmaterial
haftschlüssig
und/oder formschlüssig
miteinander verbunden. Falls dies gewünscht wird, kann auf diese
Weise zudem der Stoßbereich
zwischen den beiden verbundenen Platten 7 und 8 hermetisch
abgedichtet werden. Das so hergestellte Modul 10 kann beim
Zusammenbau der Brennstoffzellenanordnung jeweils als Einheit verarbeitet
werden.
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Verschiedene Ausführungsformen des Moduls 10 sind
in den 3 bis 10 dargestellt und werden
im folgenden näher
erläutert.
Dabei unterscheiden sich die Ausführungsbeispiele in den 3 bis 7 zum Teil durch die Ausbildung der Platten 7 und 9 im Bereich
des Dichtelements 9 voneinander. Die Ausführungsbeispiele
der 8 bis 10 unterscheiden sich hinsichtlich
der Ausbildung des Dichtelements 9 voneinander.
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3 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
des Moduls 10 in perspektivischer Darstellung. Bei diesem Ausführungsbeispiel
umschließt
das Dichtelement 9 die Stirnseiten der beiden Platten 7 und 8 und
ist auf beiden Plattenseiten identisch geformt. Der Querschnitt
des Dichtungselements 9 hat die Form eines Trapezes, wobei
zwei sich parallel gegenüberliegende
Seiten des Trapezes parallel zu den Platten 7 und 8 verlaufen.
Somit ergibt sich sowohl im Bereich der Platte 7 als auch
im Bereich der Platte 8 jeweils ein abgeflachtes und sich
mit zunehmender Entfernung von der Plattenoberfläche verjüngendes Dichtprofil. Beim dargestellten
Ausführungsbeispiel
ist zwischen den Platten 7 und 8 ein Zwischenraum 11 ausgebildet.
Dadurch, dass das Dichtelement 7 die Stirnseiten der beiden
Platten 7 und 8 umschließt, dichtet es gleichzeitig
den Zwischenraum 11 nach außen ab.
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4 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel des
Moduls 10 in perspektivischer Darstellung. Eine zugehörige Aufsicht
ist in 5 dargestellt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist das Dichtelement 9 nicht am Rand der Platten 7 und 8 angeordnet,
sondern im Platteninneren. Um dennoch mit dem Dichtelement 9 eine
Verbindung zwischen den Platten 7 und 8 herstellen
zu können,
weisen die Platten Durchbrüche
auf, die jeweils in der Form von Langlöchern 12 ausgebildet
sind und sich bereichsweise überlappen.
Der Versatz zwischen den Langlöchern 12 in
der Platte 7 und in der Platte 8 wird dabei sehr viel
kleiner gewählt
als die Längserstreckung
der Langlöcher 12,
so dass jedes Langloch 12 mit seinen beiden Nachbarn überlappt.
Dadurch soll die bereits bei 3 erwähnte Abdichtung
des Zwischenraums 11 sichergestellt werden. Der Überlappungsbereich der
Langlöcher 12 in
den Platten 7 und 8 ist durchgehend von dem Dichtelement 9 ausgefüllt, d.
h. das Dichtelement 9 erstreckt sich im Überlappungsbereich
von der Außenfläche der
Platte 7 durch die Langlöcher 12 hindurch bis
zur Außenfläche der
Platte 8, so dass auf diese Weise ein formschlüssiger und ein
haftschlüssiger
Verbund zwischen den Platten 7 und 8 hergestellt
werden kann. Der Querschnitt des Dichtelements 9 entspricht
bezüglich
seiner Form dem in 3 dargestellten
Ausführungsbeispiel. Statt
der Langlöcher 12 können auch
andersartig geformte Durchbrüche
in den Platten 7 und 8 ausgebildet sein. Bei einer
geeigneten Dimensionierung der Größe und Anzahl der Langlöcher 12 entfällt die
Notwendigkeit, die Platten 7 und 8 zur Herstellung
einer sicheren Verbindung mittels des Dichtelements 9 parallel
zur Längserstreckung
der Langlöcher 12 vor dem
Ausbringen des Dichtelements 9 ausrichten zu müssen.
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6 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Moduls
in perspektivischer Darstellung und 7 eine
Aufsicht auf dieses Ausführungsbeispiel.
Das Ausführungsbeispiel
gemäß den 6 und 7 zeichnet sich dadurch aus, dass durch
die Platten 7 und 8 in dem Bereich, in dem das Dichtelement 9 angeordnet
ist tunnelartige Hohlräume 13 ausgebildet
sind. Die Hohlräume 13 sind über Öffnungen 14 zugänglich,
die in eine der Platten 7 oder 8 oder auch in
beide Platten 7 und 8 eingearbeitet sind. Durch
die Öffnungen 14 kann
bei der Herstellung der Dichtelemente 9 das Dichtmaterial
in die Hohlräume 13 eindringen
und diese ausfüllen.
Dabei kann insbesondere auch mit den Bereichen der Platten 7 und 8,
die die Hohlräume 13 begrenzen,
eine haftschlüssige
und/oder formschlüssige
Verbindung hergestellt werden, durch die die Platten 7 und 8 zusammengehalten
werden. Auch das in den 6 und 7 dargestellte Ausführungsbeispiel
des Moduls 10 kann ein Dichtelement mit der gleichen Querschnittsform
aufweisen, wie in 3 dargestellt. Durch
das Ausfüllen
des tunnelartigen Hohlraums 13 mit Dichtmaterial wird erreicht,
dass der Stoßbereich zwischen
den beiden Platten 7 und 8 über die gesamte Länge des
tunnelartigen Hohlraums 13 abgedichtet wird. Mit dem Dichtelement 9 wird
beim dargestellten Ausführungsbeispiel
somit wiederum zusätzlich zur
mechanischen Verbindung der beiden Platten 7 und 8 und
zur Abdichtung aufeinanderfolgender Module 10 gegeneinander
eine Abdichtung der zwischen den Platten 7 und 8 ausgebildeten
Zwischenräume 11 erreicht.
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Die 8, 9 und 10 zeigen weitere Ausführungsbeispiele
des Moduls 10 in Schnittdarstellung. Die Ausführungsbeispiele
unterscheiden sich hinsichtlich der Ausbildung des Querschnitts
des Dichtelements 9, der jeweils an die Stelle des bislang
beschriebenen sechseckigen Querschnitts tritt.
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In 8 ist
der Querschnitt des Dichtelements 9 so ausgebildet, dass
auf der Seite der Platte 7 ein spitz zulaufender Teilquerschnitt 15 geformt
ist und auf der Seite der Platte 8 ein rechteckiger Teilquerschnitt 16.
Mit anderen Worten, auf der Seite der Platte 7 weist das
Dichtelement 9 eine spitz zulaufende Oberfläche auf
und auf der Seite der Platte 8 eine ebene Oberfläche. Diese
Ausbildung des Dichtelements 9 fuhrt dazu, dass bei einem übereinander Stapeln
der einzelnen Module 10 zu einer Brennstoffzellenanordnung
jeweils ein spitz zulaufender Teilquerschnitt 15 des Dichtelements 9 an
einem rechteckigen Teilquerschnitt 16 anliegt und somit
gute Voraussetzungen für
eine zuverlässige
Abdichtung der Module 10 untereinander durch die Dichtelemente 9 gegeben
sind.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 9 ist auf der Platte 7 wiederum
ein spitz zulaufender Teilquerschnitt 15 ausgebildet und
auf der zweiten Platte 8 ein rechteckiger Teilquerschnitt 16.
Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel
gemäß 8 sind auf der Platte 7 jedoch
beiderseits des spitz zulaufenden Teilquerschnitts 15 zusätzlich je
ein Anschlagbereich 17 mit einer ebenen Oberfläche ausgebildet. Der
spitz zulaufende Teilquerschnitt 15 steht über die Anschlagbereiche 17 über und
ist beiderseits durch Vertiefungen 18 von den Anschlagsbereichen 17 getrennt.
Dabei ist der spitz zulaufende Teilquerschnitt 15 etwa
mittig in der lateralen Gesamterstreckung des Querschnitts des Dichtelements 9 angeordnet. Das
in 9 dargestellte Ausführungsbeispiel
des Dichtelements 9 entfaltet in entsprechender Weise wie
das Ausführungsbeispiel
gemäß 8 beim Übereinanderstapeln der Module 10 eine
Dichtwirkung. Allerdings weist das Ausführungsbeispiel gemäß 9 in sofern eine Zusatzfunktion
auf, als die Anschlagbereiche 17 beim Übereinanderstapeln der Module 10 als
Anschlag wirken und verhindern, dass der spitz zulaufende Teilquerschnitt 15 zu
stark zusammengedrückt
wird und dadurch möglicherweise beschädigt wird.
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Das in 10 dargestellte
Ausführungsbeispiel
des Dichtelements 9 ist dem Ausführungsbeispiel aus 9 sehr ähnlich und weist die dort auf der
ersten Platte 7 vorhandene Profilierung des Dichtelements 9 auch
auf der zweiten Platte 8 auf, d. h. den spitz zulaufende
Teilquerschnitt 14, der durch die Vertiefungen 18 von
den beiderseits verlaufenden Anschlagsbereichen 17 getrennt
ist. Ein kleiner Unterschied besteht allerdings in sofern, als beim
Ausführungsbeispiel
der 10 die spitz zulaufenden Teilquerschnitte 15 jeweils
nicht mittig in der lateralen Gesamterstreckung des Querschnitts
des Dichtelements 9 angeordnet sind, sondern in zueinander
entgegengesetzten Richtungen aus der Mitte versetzt sind. Dadurch
ist gewährleistet,
dass beim Übereinanderstapeln
der Module 10 zu einer Brennstoffzellenanordnung jeweils
ein spitz zulaufender Teilquerschnitt 15 an einem Anschlagbereich 17 anliegt,
wobei jeweils bei beiden Platten 7 und 8 zwei
spitz zulaufende Teilquerschnitte 15 nebeneinander zu liegen
kommen. Dies bedeutet, dass zwei Dichtstellen hintereinander angeordnet
sind und somit eine besonders zuverlässige Abdichtung mittels des
Dichtelements 9 erfolgt.
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Falls dies bei einer Abwägung von
Aufwand und Nutzen vorteilhaft erscheint, werden die Platten 7 und 8 vor
dem Umspritzen mit dem Spritzgussmaterial miteinander verschweißt oder
auf andere Art und Weise miteinander verbunden. Dadurch kann eine
hohe mechanische Belastbarkeit erreicht werden und ein niedriger Übergangswiderstand
zwischen den Platten 7 und 8 eingehalten werden.
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- 1
- Schacht
- 2
- Kanal
- 3
- Elektrode
- 4
- erste
Katalysatorplatte
- 5
- Membran
- 6
- azweite
Katalysatorplatte
- 7
- Platte
- 8
- Platte
- 9
- Dichtelement
- 10
- Modul
- 11
- Zwischenraum
- 12
- Langloch
- 13
- Hohlraum
- 14
- Öffnung
- 15
- spitz
zulaufender Teilquerschnitt
- 16
- rechteckiger
Teilquerschnitt
- 17
- Anschlagbereich