WO2020007731A1 - Verfahren zum erzeugen eines dichtelements an einer gasdiffusionslage einer elektrochemischen einheit und baugruppe aus einer gasdiffusionslage und einem dichtelement - Google Patents

Verfahren zum erzeugen eines dichtelements an einer gasdiffusionslage einer elektrochemischen einheit und baugruppe aus einer gasdiffusionslage und einem dichtelement Download PDF

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diffusion layer
gas diffusion
injection molding
deformation limiting
sealing element
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Peter Stahl
Manuel Morcos
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Elringklinger Ag
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Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a sealing element on a gas diffusion layer of an electrochemical unit.
  • Such an electrochemical unit can form part of an electrochemical device, which is designed, for example, as a fuel cell device or as an electrolyzer.
  • the electrochemical device preferably comprises a plurality of electrochemical units arranged one above the other in a stacking direction, and preferably two end plates, between which the stack of electrochemical units is arranged and which can be clamped against one another by means of a tensioning device, around the electrochemical units arranged between them, and in particular to apply their sealing elements with a clamping force directed along the stacking direction.
  • different media are carried in different levels of an electrochemical unit and, depending on the design, also in different areas of the same level.
  • These media can in particular be an anodic fluid (fuel gas), a cathodic fluid (oxidizing agent) and possibly also a fluid coolant.
  • the media to be supplied to the electrochemical device are by means of a media distribution structure (also referred to as “manifold”) with medium supply channels and medium discharge channels which extend in the stacking direction of the electrochemical device, the different levels of electrochemical Device supplied or discharged from the various levels of the electrochemical device and each have to be fed from a medium supply channel to the flow field of the medium in question in an electrochemical unit and removed from the flow field again into a medium discharge channel.
  • the medium supply channels and medium discharge channels as well as the flow fields must be sealed in order to prevent both leakages in the exterior of the electrochemical device and between the spaces through which the various media flow.
  • the media passed through the electrochemical device must neither mix with one another nor emerge from the electrochemical units, which is why seals are required on several levels.
  • seals can be implemented, for example, on the basis of elastomer materials.
  • the seals can be realized completely or partially by beads in the bipolar plate or by seals based on elastomer materials.
  • the bipolar plates can be formed in one piece or comprise at least two individual layers (bipolar plate layers).
  • the bipolar plate layers of a multilayer bipolar plate can be connected to one another by joining methods such as welding or gluing.
  • a seal can be inserted as a separate component in the stack of electrochemical units or fixed on a bipolar plate or on another component of an electrochemical unit, for example on a gas diffusion layer. If a sealing element is connected directly to a gas diffusion layer, a smooth transition between the seal and the gas diffusion layer is created.
  • a membrane pressed between two assemblies, each consisting of a gas diffusion layer and a sealing element, does not experience excessive stress peaks.
  • a cell structure with assemblies each consisting of a gas diffusion layer and a sealing element can be constructed very compactly in comparison to a sealing solution with an edge reinforcement arrangement, since no additional space has to be provided for the overlap between the edge reinforcement arrangement and the membrane electrode arrangement.
  • the sealing element can be connected to the gas diffusion layer, for example, in an injection molding process.
  • a gas diffusion layer is placed in a (preferably multi-part) injection molding tool and overmolded on its outer circumference with a sealing material or injection molding material.
  • This penetration area creates a cohesive and / or positive connection between the gas diffusion layer and the sealing element, so that the gas diffusion layer and the sealing element are mechanically sufficiently well connected to one another during the subsequent assembly steps and during operation of the electrochemical device.
  • the pores of the gas diffusion layer are filled with the injection molding material, which forms the sealing material after curing, so that in this area the transport of a cathodic fluid or an anodic fluid to the electrochemically active area of the electrochemical unit is made more difficult.
  • the penetration area should therefore include as small a part of the gas diffusion layer as possible, but should be sufficiently large to ensure a stable mechanical connection between the gas diffusion layer and the sealing element.
  • the gas diffusion layer which is mechanically compressible in its thickness direction (parallel to the stacking direction of the electrochemical device), is pressed locally in the injection mold by means of a pressing edge.
  • the capillary pressure in the pores of the gas diffusion layer rises locally, and the penetration of the gas diffusion layer with the injection molding material is limited in the x and y directions perpendicular to the thickness direction (z direction).
  • the pressure edge must press the gas diffusion layer with a minimum pressure in order to limit the penetration of the gas diffusion layer with the injection molding material.
  • the local compression of the gas diffusion layer by the pressure edge must not be too high, since the gas diffusion layer can be damaged by excessive compression, for example by fiber breakage.
  • the degree of penetration of the gas diffusion layer by the injection molding material depends on the local pressure in the respective area of the gas diffusion layer of the injection molding compound in the injection mold.
  • the degree of penetration of the gas diffusion layer with the injection molding material depends on the viscosity of the injection molding material, on the temperature of the injection molding tool (which influences, among other things, the viscosity of the injection molding material) and on the properties of the gas diffusion layer in the area of the pressure edge and in remaining area of the gas diffusion layer, in particular of porosity, of tortuosity (that is, of the degree of tortuousness of the transport routes within the gas diffusion layer), of the capillary pressure and of the hydrophobization.
  • injection molding material is introduced into the cavity of the injection mold at one injection point or at several injection points and then spreads along flow paths with the formation of a flow front in the cavity.
  • the injection points for the injection molding material lie outside the connection area between the sealing element and the gas diffusion layer, it can fold over in this connection area during the filling of the cavity of the injection molding tool with the injection molding material, that is to say a deformation of the gas diffusion layer.
  • the gas diffusion layer is brought locally out of its usually flat shape and subjected to bending.
  • the gas diffusion layer can be damaged, for example due to breakage, by the bending of the gas diffusion layer in the deformed connection area.
  • connection area can be mechanically weakened by the gas diffusion layer protruding into the connection area lying in the thickness direction above the gas diffusion layer, which is also referred to as the connection lip, and thus the flow of (in particular elastomeric) injection molding material prevented in this area. It is then not guaranteed that the cavity of the injection molding tool in the area of the connection lip is completely filled, which increases the risk of mechanical damage to the connection area of the sealing element, in particular due to the formation of cracks.
  • the present invention is therefore based on the object of providing a method for producing a sealing element on a gas diffusion layer of an electrochemical unit of the type mentioned at the outset, in which damage to the gas diffusion layer is avoided and a sealing element with a mechanically stable connection area is produced.
  • the injection molding tool comprises at least one deformation limiting element which limits or prevents deformation of the gas diffusion layer during the introduction of the injection molding material into the cavity.
  • the present invention is based on the concept of preventing one or more deformation limiting elements in the interior of the cavity of the injection molding tool from preventing the gas diffusion layer from deforming excessively during the introduction of the injection molding material into the cavity of the injection molding tool under the internal mold pressure or injection pressure that occurs. It is hereby achieved that the regions of the cavity lying outside the at least one deformation limiting element are completely filled with the injection molding material. This reduces the risk of mechanical damage to the connection area of the sealing element, in particular cracking.
  • the injection mold comprises at least one push-off tool part which has a push-off projection for pressing the gas diffusion layer.
  • a push-off edge of the injection mold can in particular be arranged on such a push-off projection.
  • the at least one deformation limiting element can be formed separately from the push-off tool part and / or separately from other tool parts of the injection molding tool, in particular separately from a support tool part.
  • the at least one deformation limiting element is formed in one piece with a tool part of the injection molding tool, for example in one piece with a push-off tool part.
  • the deformation limiting element can be in contact with the push-off projection of the push-off tool part during the introduction of the injection molding material into the cavity of the injection molding tool.
  • the deformation limiting element is spaced from the push-off projection of the push-off tool part during the introduction of the injection molding material into the cavity of the injection molding tool.
  • the deformation-limiting element can be arranged in a thickness direction of the gas diffusion layer above or below a penetration area of the gas diffusion layer, which is penetrated by the injection molding material during the introduction of the injection molding material into the cavity.
  • the at least one deformation limiting element can touch the gas diffusion layer before the injection molding material is introduced into the cavity of the injection molding tool.
  • the deformation limiting element can also be spaced from the gas diffusion layer before the injection molding material is introduced into the cavity of the injection molding tool. In this case, deformation of the gas diffusion layer due to the exposure to the injection molding material is reduced.
  • a plurality of deformation limiting elements are provided, which are spaced apart from one another along a circumferential direction of the gas diffusion layer.
  • the distance from two deformation limiting elements which follow one another in the circumferential direction of the gas diffusion layer can in particular be less than twice the longitudinal extent of a deformation limiting element along the circumferential direction, in particular less than that
  • a single deformation limiting element is provided which extends along the circumferential direction of the gas diffusion layer around the gas diffusion layer.
  • at least one deformation limiting element is provided which has a height which varies along a circumferential direction of the gas diffusion layer and / or whose outer edge has a distance from an outer edge of the gas diffusion layer which varies along a circumferential direction of the gas diffusion layer.
  • the height of the at least one deformation limiting element can vary, for example, in a wave-like manner or in sections linearly.
  • the distance of the outer edge of the at least one deformation limiting element from the outer edge of the gas diffusion layer can vary, for example in a wave-like manner or in sections linearly.
  • An outer edge of the at least one deformation-limiting element facing away from the push-off edge of the injection molding tool can, for example, be designed in a wave-like manner or in sections linearly, the linear sections running at an acute angle with respect to the push-off edge.
  • At least one deformation limiting element is arranged movably on the relevant part of the injection mold relative to a part of the injection mold and is moved relative to the relevant part of the injection mold by the gas diffusion layer and / or by injection molding to produce the generated sealing element from the relevant part of the injection mold.
  • the deformation limiting element can therefore in particular be in the form of a
  • Ejectors are used to after injection molding and
  • the relevant part of the injection mold can in particular be a push-off tool part of the injection mold, which has a push-off projection for pressing the gas diffusion layer.
  • the relevant part of the injection molding tool can, for example, by means of a hydraulic movement device, a pneumatic one
  • Movement device are generated.
  • the deformation limiting element can be coupled to a plunger, which is moved by means of a movement device relative to the relevant part of the injection mold.
  • the plunger can be perpendicular to its direction of movement
  • the tappet can be displaceably guided on a part of the injection mold, in particular on a push-off tool part.
  • the present invention further relates to an assembly of an electrochemical device, for example a fuel cell device or an electrolyzer, which has a gas diffusion layer and a sealing element fixed to the gas diffusion layer, which has a sealing area lying outwards from an outer edge of the gas diffusion layer and an inward area from the outer edge of the gas diffusion layer includes connection area.
  • the present invention has for its object to provide such an assembly in which damage to the gas diffusion layer is avoided during the manufacture of the assembly and which has a mechanically stable connection area.
  • connection area is provided with at least one recess on an inner edge of the connection area and / or outwards from the inner edge of the connection area.
  • the relevant recess is preferably created in that the region of the recess is occupied by a deformation limiting element, which is arranged in the cavity of the injection molding tool, during the production of the sealing element on the gas diffusion layer.
  • the at least one recess has a shape which corresponds to the shape of a deformation limiting element used in the production of the sealing element on the gas diffusion layer.
  • the method according to the invention for producing a sealing element on a gas diffusion layer is particularly suitable for producing the assembly according to the invention.
  • An electrochemical device which contains an assembly according to the invention can in particular be designed as a polymer electrolyte membrane fuel cell device.
  • support or deformation limiting elements can be introduced in the connection area between a gas diffusion layer and a sealing element in an injection molding tool, which prevent the gas diffusion layer from deforming during an injection process of injection molding material under the mold cavity pressure or injection pressure that occurs.
  • the support or deformation limiting elements can be designed in such a way that in the connection area between the gas diffusion layer and the sealing element, only support or deformation limiting elements are provided in certain areas, so that there is sealing material between the individual support or deformation limiting elements a good mechanical connection of the sealing element to the gas diffusion layer ensures.
  • Such areas of the connection area of the sealing element provided between the support or deformation limiting elements are referred to as stabilization areas.
  • the support or deformation limiting elements can be designed such that an outer edge of the gas diffusion layer is enclosed with sealing material over its entire circumference.
  • the support or deformation limiting elements can be designed in such a way that they touch and / or compress the gas diffusion layer in the injection mold.
  • connection area between the sealing element and the gas diffusion layer in which the connection lip is interrupted in some areas.
  • the transition between the stabilization area and a recess, in which a support or deformation limiting element is arranged when the sealing element is produced from the injection molding material can be embodied discretely, in a wave shape, in a triangular shape or in other shapes.
  • the support or deformation limiting elements can be designed such that they do not touch the gas diffusion layer in the injection mold (in particular before the injection molding process), but in the event of the gas diffusion layer being deformed during the injection molding process, they prevent the gas diffusion layer from folding too far.
  • the support or deformation limiting elements can be designed such that they protrude beyond an outer edge of the gas diffusion layer.
  • the support or deformation limiting elements can be designed such that they do not extend beyond an outer edge of the gas diffusion layer, but are arranged entirely within the region of the cavity of the injection mold that is covered by the gas diffusion layer.
  • support or deformation limiting elements can be provided in an injection molding tool, which prevent a gas diffusion layer from folding over during an injection molding process if a sealing element is connected to one or more porous layers, in particular gas diffusion layers, in an injection molding process.
  • FIG. 1 shows a schematic section through an injection molding tool and a gas diffusion layer projecting into a cavity of the injection molding tool, a deformed state of the gas diffusion layer caused by the introduction of injection molding material into the cavity being shown in broken lines;
  • FIG. 2 shows a schematic section through an injection molding tool which has a plurality of deformation limiting elements which are spaced apart from one another in a circumferential direction of the gas diffusion layer and which touch the gas diffusion layer before the injection molding material is introduced into the cavity of the injection molding tool and come into contact with an impression projection of an impression - Press tool part of the injection mold.
  • FIG. 3 shows a partial plan view from above of an assembly comprising the gas diffusion layer and a sealing element fixed to the gas diffusion layer, which was produced by means of the injection molding tool from FIG. 2;
  • FIG. 4 shows a partial plan view of an alternative assembly consisting of a gas diffusion layer and a sealing element, which has been produced by means of a deformation limiting element, the outer edge of which has a distance that varies in a wave shape along the circumferential direction of the gas diffusion layer from an outer edge of the gas diffusion layer;
  • 5 shows a partial plan view of a further assembly consisting of a gas diffusion layer and a sealing element which has been produced by means of a deformation limiting element, the outer edge of which has a linearly varying distance from the outer edge of the gas diffusion layer in sections along the circumferential direction of the gas diffusion layer;
  • FIG. 6 shows a schematic section through an injection molding tool which comprises a plurality of deformation limiting elements which are spaced apart from one another along the circumferential direction of the gas diffusion layer, are spaced apart from a push-off projection of a push-off tool part of the injection molding tool and the gas diffusion layer before the injection molding material is introduced into the cavity of the Touch the injection mold.
  • Fig. 7 is a partial plan view of an assembly from a
  • FIG. 8 shows a schematic section through an injection molding tool which comprises a deformation limiting element which has a height which varies in a wave-like manner along the circumferential direction of the gas diffusion layer, the deformation limiting element in the sectional plane of FIG. 8 having its maximum height and there the Touches the gas diffusion layer before introducing the injection molding material into the cavity of the injection molding tool;
  • Fig. 9 is a partial side view of an assembly from a
  • Gas diffusion layer and a sealing element which was generated by means of the injection mold from FIG. 8, with the viewing direction in the direction of arrow 9 in FIG. 8;
  • 10 is a partial side view corresponding to FIG. 9 of an assembly consisting of a gas diffusion layer and a sealing element which has been produced by means of an injection molding tool which has a plurality of deformation limiting elements which follow one another along the circumferential direction of the gas diffusion layer, with two of the gas diffusion successive deformation-limiting elements, a stabilizing region of the sealing element is formed in each case;
  • FIG. 11 shows a schematic section through an injection molding tool which comprises a deformation limiting element which has a height which varies in a wave-like manner along the circumferential direction of the gas diffusion layer, the maximum height of the deformation limiting element being selected such that the deformation limiting element in front of the gas diffusion layer Introducing the injection molding material into the cavity of the injection molding tool;
  • Fig. 12 is a partial side view of an assembly from a
  • Fig. 13 is a partial side view of an assembly from a
  • Gas diffusion layer and a sealing element which has been produced by means of an injection molding tool which comprises a deformation limiting element which has a height which varies linearly in sections along the circumferential direction of the gas diffusion layer, the maximum height of the Deformation limiting element is selected such that the deformation limiting element does not touch the gas diffusion layer before the injection molding material is introduced into the cavity of the injection molding tool;
  • FIG. 14 shows a schematic section through an injection molding tool which has a plurality of deformation limiting elements which are spaced apart in a circumferential direction of the gas diffusion layer and which touch the gas diffusion layer before the injection molding material is introduced into the cavity of the injection molding tool and relative to a push-off tool part of the
  • Injection mold are movably arranged on the pressing tool part and after the injection molding process and the opening of the injection mold are moved relative to the pressing tool in order to detach the gas diffusion layer and the sealing element produced by injection molding from the pressing tool part, the
  • Deformation limiting elements are each coupled to a plunger which is displaceably guided on the push-off tool part and the plunger in a perpendicular to it
  • Direction of movement is a smaller direction
  • FIG. 15 shows a schematic section through a variant of the injection mold shown in FIG. 14, in which the plungers have the same extent in a direction oriented perpendicular to their direction of displacement as the deformation limiting element coupled to the plunger.
  • FIG. 1 A method according to the invention for producing a sealing element 100 on a gas diffusion layer 102 of a (otherwise not shown) membrane-electrode arrangement of an electrochemical device (not shown as a whole), for example a fuel cell device or an electrolyzer, is shown in FIG. 1 ,
  • FIG. 1 shows a multi-part injection mold 104 which comprises a push-off tool part 106 and a support tool part 108.
  • the gas diffusion layer 102 projects into this cavity 110.
  • the push-off tool part 106 has a push-off projection 112 which is provided with a push-off edge 114.
  • the gas diffusion layer 102 inserted into the injection mold 104 which is mechanically compressible in its thickness direction 117 (in the assembled state of the electrochemical device parallel to the stacking direction of the electrochemical device) is pressed locally by means of the pressing edge 114.
  • the capillary pressure in the pores of the porous gas diffusion layer 102 increases locally, and the penetration of the gas diffusion layer 102 with the
  • Injection molding material is limited in the x and y directions perpendicular to the thickness direction (z direction).
  • the sealing element 100 When the sealing element 100 is produced by means of an injection molding process in the injection molding tool 104, very high injection pressures occur in the cavity 110 of the injection molding tool 104. If the injection point or the injection points through which the injection molding material is introduced into the cavity 110 lie outside the connection areas between the sealing element 100 and the gas diffusion layer 102, it can occur during the filling of the cavity 110 of the injection molding tool 104 Injection molding material in these connection areas to fold over, that is to say to deform the gas diffusion layer 102.
  • the deformed state of the gas diffusion layer 102 caused by the injection molding material introduced into the cavity 110 is shown in broken lines in FIG. 1.
  • the gas diffusion layer 102 is locally brought out of its original flat shape and subjected to bending.
  • the gas diffusion layer 102 By bending the gas diffusion layer 102 in the deformed connection area, the gas diffusion layer 102 can be damaged, for example by breakage.
  • connection area can be mechanically weakened by the gas diffusion layer 102 projecting into the connection area 116 lying in the thickness direction 117 above the gas diffusion layer 102, which is also referred to as the connection lip 118, and thus the flow of (especially elastomeric) injection molding material in this area.
  • Sealing material of the sealing element 100 is the production of the sealing element 100 on the gas diffusion layer 102 and thus the formation of an assembly 120 which comprises the gas diffusion layer 102 and the sealing element 100 fixed on the gas diffusion layer 102 and also as a seal-on-GDL unit 122 - is completed.
  • the assembly 120 can be used in the assembly of the membrane-electrode arrangement and the assembly of the electrochemical device.
  • the sealing element 100 of the finished assembly 120 comprises a sealing area 124 with a sealing lip 126, a penetration area 128, in which the injection molding material has penetrated into the porous material of the gas diffusion layer 102 and which extends from an outer edge 130 of the gas diffusion layer 102 inwards into the Extends the area of the pressing edge 114, and a connection area 116 in the form of a connection lip 118 outside the gas diffusion layer 102, in the thickness direction 117 above and / or below the gas diffusion layer 102.
  • a plurality of deformation-limiting elements 132 are provided in the cavity 110 of the injection mold 104, which elements are located in a parallel to the outer edge 130 of the gas diffusion layer 102 and parallel to the pressing edge 114 of the Extraction tool part 106 aligned circumferential direction 134 of the gas diffusion layer 102 are spaced apart.
  • the deformation limiting elements 132 are formed separately from the push-off tool part 106 and separately from the support tool part 108 of the injection mold 104 in the exemplary embodiment shown.
  • the deformation limiting elements 132 can also be formed in one piece with another component of the injection molding tool 104, for example with the push-off tool part 106 or with the support tool part 108.
  • the deformation limiting elements 132 are in contact with the push-off projection 112 of the push-off tool part 106.
  • the deformation limiting elements 132 touch the gas diffusion layer 102 on its main surface 136 facing the pressing edge 114 even before the injection molding material is introduced into the cavity 110 of the injection molding tool 104.
  • each deformation limiting element 132 facing away from the pressing edge 114 is arranged between the outer edge 130 of the gas diffusion layer 102 on the one hand and the pressing edge 114 of the injection molding tool 104 on the other hand, so that the deformation limiting elements 132 protrude from the area protruding into the cavity 110 of the injection molding tool 104 Do not completely cover gas diffusion layer 102.
  • the deformation limiting elements 132 arranged in the connection area between the gas diffusion layer 102 and the sealing element 100 in the injection mold 104 prevent the gas diffusion layer 102 from deforming during the introduction of the injection molding material into the cavity 110 of the injection molding tool 104 under the mold cavity pressure or injection pressure that occurs, as shown in Fig. 1. It is thereby achieved that the areas of the cavity 110 lying outside the deformation limiting elements 132 are completely filled with the injection molding material. This reduces the risk of mechanical damage to the connection area 116 of the sealing element 100, in particular the formation of cracks.
  • FIG. 3 which shows a partial plan view of the finished assembly 120 comprising the gas diffusion layer 102 and the sealing element 100 removed from the injection mold 104
  • the connection area 116 of the sealing element 100 is due to the presence of the deformation limiting elements 132 in FIG Cavity 110 of the injection mold 104 is provided on an inner edge 140 of the same with recesses 142 which are arranged at the locations at which the deformation-limiting elements 132 were arranged, while the gas diffusion layer 102 was inserted into the injection mold 104.
  • the deformation limiting elements 132 have a cross-sectional, in particular semicircular, cross section, taken perpendicular to the thickness direction 117 of the gas diffusion layer 102.
  • Stabilization areas 146 are arranged between the recesses 142 in the connection area 116 of the sealing element 100, in which the sealing element 100 has a greater material thickness than in the area of the recesses 142, so that the stabilization areas 146 for a stable mechanical connection of the Provide sealing element 100 to the gas diffusion layer 102.
  • the position of the outer edge 130 of the gas diffusion layer 102 is indicated in FIG. 3 by the dash-and-dot line 130.
  • the position of the tip of the sealing lip 126 of the sealing element 100 is indicated in FIG. 3 by the broken line 144.
  • Stabilization areas 146 are located between the recesses 142, in which the hardened injection molding material of the sealing element 100 ensures a good mechanical connection of the sealing element 100 to the gas diffusion layer 102.
  • the outer edge of the gas diffusion layer 102 is enclosed over the entire circumference of the gas diffusion layer 102 with sealing material, that is to say with hardened injection molding material.
  • connection region 116 of the sealing element 100 produced in this way comprises an inner edge 140, which is also wave-shaped and which
  • the wave-shaped deformation limiting element 132 extends outward at least in sections over the outer edge 130 of the gas diffusion layer 102, so that in the finished assembly 120 the outer edge 130 of the gas diffusion layer 102 extends the inner edge 140 of the connecting region - Realm 116 of the sealing element 100 - seen along the thickness direction 117 of the gas diffusion layer 102 - cuts.
  • the sealing element 100 points outward in the areas in which the inner edge 140 of the connecting area 116 runs from the outer edge 130 of the gas diffusion layer 102, but there are no through holes.
  • the outer edge 138 of the deformation-limiting element 132 always lies between the outer edge 130 of the gas diffusion layer 102 and the pressing edge 114, so that in the finished assembly 120 the outer edge 130 of the gas diffusion layer 102 has the inner edge 140 of the connection region 116 of the sealing element 100 - as seen along the thickness direction 117 of the gas diffusion layer 102 - does not cut.
  • the alternative method shown schematically in FIG.
  • the injection molding tool 104 comprises a plurality of deformation limiting elements 132, which are spaced apart from one another along the circumferential direction 134 of the gas diffusion layer 102 and are spaced apart from the pressing edge 114 of the injection molding tool 104 and touch the gas diffusion layer 102 before the injection molding material is introduced into the cavity 110 of the injection mold 104.
  • FIG. 7 shows a partial plan view of an assembly 120 produced by means of the injection mold from FIG. 6.
  • connection area 116 of the sealing element 100 of this assembly 120 is provided with recesses 142 which are arranged outward from the inner edge 140 of the connection area 116 and are spaced apart from one another in the circumferential direction 134 of the gas diffusion layer 102.
  • the deformation limiting elements 132 in this embodiment have, for example, a circular cross section — taken perpendicular to the thickness direction 117 of the gas diffusion layer 102 — so that the recesses 142 in the connection area 116 also have a circular cross section exhibit.
  • the deformation-limiting elements 132 are arranged between the outer edge 130 of the gas diffusion layer 102 and the pressing edge 114 of the injection mold 104, so that in the finished assembly 120 the outer edge 130 of the gas diffusion layer 102 - as seen along the thickness direction 117 of the gas diffusion layer 102 - the recesses 124 does not cut in the connection area 116 of the sealing element 100.
  • the injection mold 104 comprises a deformation limiting element 132 which has a height which varies in a wave-like manner along the circumferential direction 134 of the gas diffusion layer 102.
  • the deformation limiting element 132 in the sectional plane of FIG. 8 has its maximum height, so that the deformation limiting element 132 touches the gas diffusion layer 102 in this plane even before the injection molding material is introduced into the cavity 110 of the injection molding tool 104.
  • FIG. 9 The finished assembly 120 produced by means of the injection mold 104 from FIG. 8 is shown in FIG. 9 in a partial side view with the viewing direction in the direction of the arrow 9 in FIG. 8.
  • connection area 116 of the sealing element 100 of this assembly 120 is provided with recesses 142 which follow one another along the circumferential direction 134 of the gas diffusion layer 102 and which have a wave-shaped varying height (that is to say extension along the thickness direction 117 of the gas diffusion layer 102).
  • These recesses 142 are separated from one another by intermediate stabilization areas 146, which likewise have a height that varies in a wave shape and follow one another in the circumferential direction 134 of the gas diffusion layer 102.
  • An alternative embodiment of an assembly 120, shown in detail in FIG. 10, consisting of a sealing element 100 and a gas diffusion layer 102 is produced by means of an injection molding tool 104, which instead of a deformation limiting element 132 with variable height comprises a plurality of deformation limiting elements 132, which in the circumferential direction 134 of FIG Gas diffusion layer 102 follow one another and in the circumferential direction 134 of the gas diffusion layer 102 are spaced apart from one another, so that the connection region 116 of the finished sealing element 100 has stabilization regions 146 formed between the positions of the deformation limiting elements 132.
  • the cross section of the deformation limiting elements 132 taken perpendicular to the thickness direction 117 of the gas diffusion layer 102, can in principle have any shape, for example a polygonal, in particular a quadrangular, for example a rectangular shape, or a shape with a curved edge line, for example an ellipse section shape or a circular section shape, in particular a semicircular shape.
  • FIG. 11 schematically shows a further embodiment of a method for producing the sealing element 100 on the gas diffusion layer 102, in which a deformation limiting element 132, which extends in the circumferential direction 134 of the gas diffusion layer 102, is used, which is located on the forcing projection 112 and on one of the forcing projection 112
  • Adjacent boundary wall 148 (preferably oriented perpendicular to the thickness direction 117 of the gas diffusion layer 102) of the push-off tool part 106 and has a height which varies along the circumferential direction 134 of the gas diffusion layer 102, in particular in an undulating manner.
  • the maximum height of the deformation limiting element 132 is, however, smaller than the distance between the limiting wall 148 of the push-off tool part 106 on the one hand and the main surface 136 of the gas diffusion layer 102 facing the limiting wall 148 on the other hand, so that the deformation limiting element 132 before introduction of the injection molding material into the cavity 110 of the injection mold 104 does not touch the gas diffusion layer 102.
  • an outer edge 138 of the deformation-limiting element 132 is - seen in a plan view of the gas diffusion layer 102 along the thickness direction 117 of the gas diffusion layer 102 - between the
  • the outer edge 130 of the gas diffusion layer 102 and the pressure edge 114 are arranged.
  • the assembly 120 produced from the gas diffusion layer 102 and the sealing element 100 by means of the injection mold 104 shown in FIG. 11 is shown in detail in FIG. 12.
  • FIG. 13 shows a variant of the assembly from FIG. 12, which is produced using a deformation limiting element 132, the height of which does not vary in a wave-like manner along the circumferential direction 134, but rather linearly in sections, so that the connection area 116 of the sealing element 100 has a ( to the deformation limiting element 132 has a stabilizing area 146, the height (ie the extent thereof along the thickness direction 117 of the gas diffusion layer 102) varies linearly in sections.
  • the injection mold 104 comprises a plurality of deformation limiting elements 132, which are spaced apart from one another along the circumferential direction 134 of the gas diffusion layer 102 and are each coupled to a plunger 150, which along one Displacement direction 152 is guided displaceably on the push-off tool part 106 of the injection mold 104.
  • the displacement direction 152 which corresponds to a movement direction 154 of the respectively assigned deformation limiting element 132, is preferably oriented essentially parallel to the thickness direction 117 of the gas diffusion layer 102.
  • Each plunger 150 is coupled to a movement device (not shown), by means of which a movement of the plunger 150 along the displacement direction 152 and thus a movement of the respectively assigned deformation limiting element 132 along the movement direction 154 can be generated.
  • the deformation limiting elements 132 which are movable relative to the pressing-off tool part 106, are brought into the rest position shown in FIG. 14, in which they deform the gas diffusion layer 102 during the introduction of the Limit or prevent injection molding material into cavity 110.
  • the deformation-limiting elements 132 become actuated relative to the push-off tool part 106 against the gas diffusion layer 102 and / or moved against the sealing element 100 produced by injection molding that the gas diffusion layer 102 and / or the sealing element 100 produced by injection molding is detached from the push-off tool part 106.
  • the deformation limiting elements 132 thus act as ejectors 156 for ejecting the gas diffusion layer 102 and / or the sealing element 100 produced thereon by injection molding from the injection mold 104.
  • the movement device can in particular be designed as a hydraulic movement device, a pneumatic movement device and / or an electromotive movement device.
  • Deformation limiting element 132 can be produced, for example, by the tappet 150 being integral with the respectively associated one
  • Deformation limiting element 132 is formed.
  • the extension d of the plunger 150 in a direction oriented perpendicular to the displacement direction 152 and preferably perpendicular to the circumferential direction 134 of the gas diffusion layer 102 can be smaller than the extension D of the respectively assigned deformation limiting element 132 in the same direction, as shown in FIG. 14.
  • An alternative method for producing the sealing element 100 on the gas diffusion layer 102 differs from the method shown in FIG. 14 in that the extension d of the plunger 150 is perpendicular to its displacement direction 152 and preferably perpendicular to the circumferential direction 134 of the gas diffusion layer 102 is essentially the same size as the extension D of the deformation limiting element 132 coupled to the plunger 150 along the same direction.
  • FIG. 15 corresponds to the method shown in FIG. 14, to the above description of which reference is made in this regard.

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Abstract

Um ein Verfahren zum Erzeugen eines Dichtelements an einer Gasdiffusionslage einer elektrochemischen Einheit, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: - Anordnen eines Spritzgießwerkzeugs an der Gasdiffusionslage; - Einbringen von Spritzgießmaterial in eine Kavität des Spritzgießwerkzeugs; zu schaffen, bei welchem eine Beschädigung der Gasdiffusionslage vermieden und ein Dichtelement mit einem mechanisch stabilen Anbindungsbereich erzeugt wird, wird vorgeschlagen, dass das Spritzgießwerkzeug mindestens ein Verformungsbegrenzungselement umfasst, welches eine Verformung der Gasdiffusionslage während des Einbringens des Spritzgießmaterials in die Kavität begrenzt oder verhindert.

Description

Verfahren zum Erzeugen eines Dichtelements an einer Gasdiffusionslage einer elektrochemischen Einheit und Baugruppe aus einer Gasdiffusionslage und einem Dichtelement
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Dichtele- ments an einer Gasdiffusionslage einer elektrochemischen Einheit.
Eine solche elektrochemische Einheit kann einen Bestandteil einer elektroche- mischen Vorrichtung bilden, welche beispielsweise als eine Brennstoffzellen- vorrichtung oder als ein Elektrolyseur ausgebildet ist.
Die elektrochemische Vorrichtung umfasst vorzugsweise mehrere in einer Stapelrichtung übereinander angeordnete elektrochemische Einheiten sowie vorzugsweise zwei Endplatten, zwischen denen der Stapel von elektrochemi- schen Einheiten angeordnet ist und welche mittels einer Spannvorrichtung ge- geneinander verspannbar sind, um die dazwischen angeordneten elektroche- mischen Einheiten und insbesondere deren Dichtelemente mit einer längs der Stapelrichtung gerichteten Spannkraft zu beaufschlagen.
In Brennstoffzellenvorrichtungen und in Elektrolyseuren werden in verschiede- nen Ebenen einer elektrochemischen Einheit und, je nach Design, auch in ver- schiedenen Bereichen derselben Ebene unterschiedliche Medien geführt. Diese Medien können insbesondere ein anodisches Fluid (Brenngas), ein kathodi- sches Fluid (Oxidationsmittel) und gegebenenfalls auch ein fluides Kühlmittel sein.
Die der elektrochemischen Vorrichtung zuzuführenden Medien (kathodisches Fluid, anodisches Fluid, Kühlmittel) werden mittels einer Medienverteilungs- struktur (auch als "Manifold" bezeichnet) mit Medium-Zuführkanälen und Me- dium-Abführkanälen, welche sich in der Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung erstrecken, den verschiedenen Ebenen der elektrochemischen Vorrichtung zugeführt oder aus den verschiedenen Ebenen der elektrochemi- schen Vorrichtung abgeführt und müssen jeweils aus einem Medium-Zuführ- kanal dem Strömungsfeld (Flow Field) des betreffenden Mediums in einer elektrochemischen Einheit zugeführt und aus dem Strömungsfeld wieder in einen Medium-Abführkanal abgeführt werden. Dabei müssen sowohl die Me- dium-Zuführkanäle und Medium-Abführkanäle als auch die Strömungsfelder abgedichtet werden, um sowohl Leckagen in den Außenraum der elektroche- mischen Vorrichtung als auch zwischen den Räumen, welche von den ver- schiedenen Medien durchströmt werden, zu verhindern.
Die durch die elektrochemische Vorrichtung geführten Medien dürfen sich weder miteinander vermischen noch aus den elektrochemischen Einheiten aus- treten, weshalb in mehreren Ebenen Dichtungen erforderlich sind.
Diese Dichtungen können beispielsweise auf der Basis von Elastomermateria- lien realisiert werden.
In elektrochemischen Einheiten mit metallischen Bipolarplatten können die Dichtungen vollständig oder teilweise durch Sicken in der Bipolarplatte oder durch Dichtungen auf der Basis von Elastomermaterialien verwirklicht sein.
Die Bipolarplatten (auch Separatoren oder Interkonnektoren genannt) können einteilig ausgebildet sein oder mindestens zwei Einzellagen (Bipolarplatten- lagen) umfassen.
Die Bipolarplattenlagen einer mehrlagigen Bipolarplatte können durch Füge- verfahren wie Schweißen oder Kleben miteinander verbunden werden.
Eine Dichtung kann als separate Komponente in den Stapel aus elektrochemi- schen Einheiten eingelegt oder an einer Bipolarplatte oder an einem anderen Bestandteil einer elektrochemischen Einheit, beispielsweise an einer Gasdiffu- sionslage, festgelegt sein. Wenn ein Dichtelement direkt an eine Gasdiffusionslage angebunden wird, wird ein fließender Übergang zwischen der Dichtung und der Gasdiffusionslage geschaffen.
Eine zwischen zwei Baugruppen aus jeweils einer Gasdiffusionslage und einem Dichtelement verpresste Membran erfährt keine übermäßigen Spannungs- spitzen.
Ein Zellaufbau mit Baugruppen aus jeweils einer Gasdiffusionslage und einem Dichtelement kann im Vergleich zu einer Dichtungslösung mit einer Randver- stärkungsanordnung sehr kompakt aufgebaut werden, da kein zusätzlicher Platz für die Überlappung zwischen der Randverstärkungsanordnung und der Membran-Elektroden-Anordnung vorgesehen werden muss.
Die Anbindung des Dichtelements an die Gasdiffusionslage kann beispielsweise in einem Spritzgießprozess erfolgen. Dabei wird eine Gasdiffusionslage in ein (vorzugsweise mehrteiliges) Spritzgießwerkzeug eingelegt und an ihrem äuße- ren Umfang mit einem Dichtungsmaterial oder Spritzgießmaterial umspritzt.
Hierbei entsteht ein Durchdringungsbereich am Übergang zwischen der Gas- diffusionslage und dem Dichtelement, in welchem das Spritzgießmaterial einen Teil der porösen Gasdiffusionslage durchdringt.
Dieser Durchdringungsbereich schafft eine stoffschlüssige und/oder form- schlüssige Verbindung zwischen der Gasdiffusionslage und dem Dichtelement, so dass die Gasdiffusionslage und das Dichtelement während der nachfol- genden Montageschritte und während des Betriebs der elektrochemischen Vorrichtung mechanisch ausreichend gut miteinander verbunden sind. Im Durchdringungsbereich sind die Poren der Gasdiffusionslage mit dem Spritzgießmaterial, welches nach dem Aushärten das Dichtungsmaterial bildet, verfüllt, so dass in diesem Bereich der Transport eines kathodischen Fluids oder eines anodischen Fluids zum elektrochemisch aktiven Bereich der elektro- chemischen Einheit erschwert wird. Der Durchdringungsbereich soll daher einen möglichst geringen Teil der Gasdiffusionslage umfassen, dabei jedoch ausreichend groß sein, um eine stabile mechanische Anbindung zwischen der Gasdiffusionslage und dem Dichtelement zu gewährleisten.
Um den Durchdringungsbereich auf der Gasdiffusionslagenseite zu begrenzen, wird die Gasdiffusionslage, die in ihrer Dickenrichtung (parallel zur Stapelrich- tung der elektrochemischen Vorrichtung) mechanisch kompressibel ist, im Spritzgießwerkzeug lokal mittels einer Abdrückkante verpresst. Hierdurch steigt der Kapillardruck in den Poren der Gasdiffusionslage lokal an, und die Durchdringung der Gasdiffusionslage mit dem Spritzgießmaterial wird in den zur Dickenrichtung (z-Richtung) senkrechten x- und y-Richtungen begrenzt.
Die Abdrückkante muss die Gasdiffusionslage mit einem Mindestdruck ver- pressen, um die Durchdringung der Gasdiffusionslage mit dem Spritzgieß- material zu begrenzen. Allerdings darf die lokale Verpressung der Gasdiffu- sionslage durch die Abdrückkante auch nicht zu hoch sein, da die Gasdiffu- sionslage bei übermäßiger Verpressung beschädigt werden kann, beispiels- weise durch Faserbruch.
Das Maß der Durchdringung der Gasdiffusionslage mit dem Spritzgießmaterial ist abhängig vom lokal, im jeweiligen Bereich der Gasdiffusionslage, anliegen- den Druck der Spritzgießmasse im Spritzgießwerkzeug. Außerdem hängt der Grad der Durchdringung der Gasdiffusionslage mit dem Spritzgießmaterial von der Viskosität des Spritzgießmaterials, von der Temperatur des Spritzgieß- werkzeugs (welche unter anderem die Viskosität des Spritzgießmaterials be- einflusst) und von den Eigenschaften der Gasdiffusionslage im Bereich der Ab- drückkante und im restlichen Bereich der Gasdiffusionslage ab, insbesondere von der Porosität, von der Tortuosität (das heißt vom Grad der Gewundenheit der Transportwege innerhalb der Gasdiffusionslage), vom Kapillardruck und von der Hydrophobierung.
Bei der Anbindung eines Dichtelements an eine Gasdiffusionslage in einem Spritzgießprozess oder einem ähnlichen Verfahren wird Spritzgießmaterial an einem Einspritzpunkt oder an mehreren Einspritzpunkten in die Kavität des Spritzgießwerkzeugs eingeleitet und breitet sich dann entlang von Fließwegen unter Ausbildung einer Fließfront in der Kavität aus.
In der Kavität des Spritzgießwerkzeugs treten während des Einbringens des Spritzgießmaterials sehr große Spritzdrücke auf.
Wenn die Einspritzpunkte für das Spritzgießmaterial außerhalb des An- bindungsbereichs zwischen dem Dichtelement und der Gasdiffusionslage liegen, kann es während der Befüllung der Kavität des Spritzgießwerkzeugs mit dem Spritzgießmaterial in diesem Anbindungsbereich zu einem Um klappen, das heißt zu einer Verformung der Gasdiffusionslage, kommen.
Durch diesen Verformungsvorgang wird die Gasdiffusionslage lokal aus ihrer üblicherweise ebenen Form gebracht und auf Biegung beansprucht.
Durch die Biegung der Gasdiffusionslage in dem verformten Anbindungsbe- reich kann die Gasdiffusionslage, beispielsweise durch Bruch, beschädigt werden.
Außerdem kann bei einer starken Verbiegung der Gasdiffusionslage der An- bindungsbereich mechanisch geschwächt werden, indem die Gasdiffusionslage in den in der Dickenrichtung über der Gasdiffusionslage liegenden Anbindungs- bereich, der auch als Anbindungslippe bezeichnet wird, hineinragt und so das Fließen von (insbesondere elastomerem) Spritzgießmaterial in diesem Bereich unterbindet. Es ist dann nicht gewährleistet, dass die Kavität des Spritzgießwerkzeugs im Bereich der Anbindungslippe vollständig gefüllt wird, wodurch die Gefahr einer mechanischen Beschädigung des Anbindungsbereichs des Dichtelements, ins- besondere durch eine Rissbildung, steigt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erzeugen eines Dichtelements an einer Gasdiffusionslage einer elektro- chemischen Einheit der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem eine Beschädigung der Gasdiffusionslage vermieden und ein Dichtelement mit einem mechanisch stabilen Anbindungsbereich erzeugt wird.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Spritzgießwerk- zeug mindestens ein Verformungsbegrenzungselement umfasst, welches eine Verformung der Gasdiffusionslage während des Einbringens des Spritzgieß- materials in die Kavität begrenzt oder verhindert.
Der vorliegenden Erfindung liegt das Konzept zugrunde, durch das Vorsehen eines oder mehrerer Verformungsbegrenzungselemente im Innenraum der Kavität des Spritzgießwerkzeugs zu verhindern, dass die Gasdiffusionslage sich während des Einbringens des Spritzgießmaterials in die Kavität des Spritz- gießwerkzeugs unter dem auftretenden Werkzeuginnendruck oder Spritzdruck übermäßig verformt. Hierdurch wird erreicht, dass die außerhalb des min- destens einen Verformungsbegrenzungselements liegenden Bereiche der Ka- vität vollständig mit dem Spritzgießmaterial gefüllt werden. Die Gefahr einer mechanischen Beschädigung des Anbindungsbereichs des Dichtelements, ins- besondere einer Rissbildung, wird hierdurch verringert.
Außerdem wird eine Beschädigung der Gasdiffusionslage durch eine Biegebe- anspruchung aufgrund einer Verformung der Gasdiffusionslage vermieden. Bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Spritzgießwerkzeug mindestens ein Abdrück-Werkzeugteil umfasst, das einen Abdrückvorsprung zum Verpressen der Gasdiffusionslage aufweist.
An einem solchen Abdrückvorsprung kann insbesondere eine Abdrückkante des Spritzgießwerkzeugs angeordnet sein.
Das mindestens eine Verformungsbegrenzungselement kann separat von dem Abdrück-Werkzeugteil und/oder separat von anderen Werkzeugteilen des Spritzgießwerkzeugs, insbesondere separat von einem Abstütz-Werkzeugteil, ausgebildet sein.
Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine Verfor- mungsbegrenzungselement einstückig mit einem Werkzeugteil des Spritzgieß- werkzeugs, beispielsweise einstückig mit einem Abdrück-Werkzeugteil, ausge- bildet ist.
Das Verformungsbegrenzungselement kann während des Einbringens des Spritzgießmaterials in die Kavität des Spritzgießwerkzeugs in Kontakt mit dem Abdrückvorsprung des Abdrück-Werkzeugteils stehen.
Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass das Verformungsbegrenzungs- element während des Einbringens des Spritzgießmaterials in die Kavität des Spritzgießwerkzeugs von dem Abdrückvorsprung des Abdrück-Werkzeugteils beabstandet ist.
Das Verformungsbegrenzungselement kann in einer Dickenrichtung der Gas- diffusionslage über oder unter einem Durchdringungsbereich der Gasdiffu- sionslage angeordnet sein, welcher während des Einbringens des Spritzgieß- materials in die Kavität von dem Spritzgießmaterial durchdrungen wird. Das mindestens eine Verformungsbegrenzungselement kann vor dem Ein- bringen des Spritzgießmaterials in die Kavität des Spritzgießwerkzeugs die Gasdiffusionslage berühren.
Auf diese Weise wird eine Verformung der Gasdiffusionslage aufgrund der Be- aufschlagung mit dem Spritzgießmaterial weitgehend vermieden.
Alternativ hierzu kann auch vorgesehen sein, dass das Verformungsbegren- zungselement vor dem Einbringen des Spritzgießmaterials in die Kavität des Spritzgießwerkzeugs von der Gasdiffusionslage beabstandet ist. In diesem Fall wird eine Verformung der Gasdiffusionslage aufgrund der Beaufschlagung mit dem Spritzgießmaterial verringert.
Bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere Verformungs- begrenzungselemente vorgesehen, welche längs einer Umfangsrichtung der Gasdiffusionslage voneinander beabstandet sind.
Der Abstand von zwei in der Umfangsrichtung der Gasdiffusionslage auf- einanderfolgenden Verformungsbegrenzungselementen kann insbesondere kleiner als das Doppelte der Längserstreckung eines Verformungsbegren- zungselements längs der Umfangsrichtung, insbesondere kleiner als die
Längserstreckung eines Verformungsbegrenzungselements längs der Um fangsrichtung, sein.
Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass nur ein einziges Verformungsbe- grenzungselement vorgesehen ist, welches sich längs der Umfangsrichtung der Gasdiffusionslage um die Gasdiffusionslage herum erstreckt. Bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens ein Verfor- mungsbegrenzungselement vorgesehen, welches eine längs einer Umfangs- richtung der Gasdiffusionslage variierende Höhe aufweist und/oder dessen äußerer Rand einen längs einer Umfangsrichtung der Gasdiffusionslage variierenden Abstand von einem Außenrand der Gasdiffusionslage aufweist.
Dabei kann die Höhe des mindestens einen Verformungsbegrenzungselements beispielsweise wellenförmig oder abschnittsweise linear variieren.
Ferner kann der Abstand des äußeren Randes des mindestens einen Verfor- mungsbegrenzungselements von dem Außenrand der Gasdiffusionslage bei- spielsweise wellenförmig oder abschnittsweise linear variieren.
Ein der Abdrückkante des Spritzgießwerkzeugs abgewandter äußerer Rand des mindestens einen Verformungsbegrenzungselements kann beispielsweise wellenförmig oder abschnittsweise linear, wobei die linearen Abschnitte unter einem spitzen Winkel gegenüber der Abdrückkante verlaufen, ausgebildet sein.
Bei einer besonderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass mindestens ein Verformungsbegrenzungselement relativ zu einem Teil des Spritzgießwerkzeugs beweglich an dem betreffenden Teil des Spritzgießwerkzeugs angeordnet ist und relativ zu dem betreffenden Teil des Spritzgießwerkzeugs bewegt wird, um die Gasdiffusionslage und/oder das durch Spritzgießen erzeugte Dichtelement von dem betreffenden Teil des Spritzgießwerkzeugs zu lösen.
Das Verformungsbegrenzungselement kann also insbesondere als ein
Auswerfer verwendet werden, um nach dem Spritzgießvorgang und
vorzugsweise nach dem Öffnen des Spritzgießwerkzeugs die Gasdiffusionslage und das daran erzeugte Dichtelement von dem betreffenden Teil des
Spritzgießwerkzeugs zu lösen. Der betreffende Teil des Spritzgießwerkzeugs kann dabei insbesondere ein Abdrück-Werkzeugteil des Spritzgießwerkzeugs sein, das einen Abdrück- vorsprung zum Verpressen der Gasdiffusionslage aufweist.
Die Bewegung des Verformungsbegrenzungselements relativ zu dem
betreffenden Teil des Spritzgießwerkzeugs kann beispielsweise mittels einer hydraulischen Bewegungsvorrichtung, einer pneumatischen
Bewegungsvorrichtung und/oder einer elektromotorisch betätigten
Bewegungsvorrichtung erzeugt werden.
Das Verformungsbegrenzungselement kann mit einem Stößel gekoppelt sein, welcher mittels einer Bewegungsvorrichtung relativ zu dem betreffenden Teil des Spritzgießwerkzeugs bewegt wird.
Dabei kann der Stößel senkrecht zu seiner Bewegungsrichtung eine
Ausdehnung aufweisen, welche kleiner ist oder im Wesentlichen gleich groß ist wie die Ausdehnung des Verformungsbegrenzungselements längs derselben Richtung.
Der Stößel kann an einem Teil des Spritzgießwerkzeugs, insbesondere an einem Abdrück-Werkzeugteil, verschieblich geführt sein.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Baugruppe einer elektrochemi- schen Vorrichtung, beispielsweise einer Brennstoffzellenvorrichtung oder eines Elektrolyseurs, welche eine Gasdiffusionslage und ein an der Gasdiffusionslage festgelegtes Dichtelement, das einen auswärts von einem Außenrand der Gas- diffusionslage liegenden Abdichtbereich und einen einwärts von dem Außen- rand der Gasdiffusionslage liegenden Anbindungsbereich umfasst, umfasst. Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, eine solche Baugruppe zu schaffen, bei welcher eine Beschädigung der Gasdiffusionslage während der Herstellung der Baugruppe vermieden wird und welche einen me chanisch stabilen Anbindungsbereich aufweist.
Diese Aufgabe wird bei einer Baugruppe mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 11 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Anbindungsbe- reich an einem Innenrand des Anbindungsbereichs und/oder auswärts von dem Innenrand des Anbindungsbereichs mit mindestens einer Ausnehmung versehen ist.
Die betreffende Ausnehmung entsteht dabei vorzugsweise dadurch, dass der Bereich der Ausnehmung während der Erzeugung des Dichtelements an der Gasdiffusionslage von einem Verformungsbegrenzungselement, das in der Kavität des Spritzgießwerkzeugs angeordnet ist, eingenommen wird.
Insbesondere kann daher vorgesehen sein, dass die mindestens eine Ausneh- mung eine Form aufweist, welche der Form eines bei der Erzeugung des Dichtelements an der Gasdiffusionslage verwendeten Verformungsbegren- zungselements entspricht.
Weitere Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Baugruppe sind bereits vorstehend im Zusammenhang mit besonderen Ausführungsformen des er- findungsgemäßen Verfahrens zum Erzeugen eines Dichtelements an einer Gasdiffusionslage einer elektrochemischen Einheit erläutert worden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erzeugen eines Dichtelements an einer Gasdiffusionslage eignet sich insbesondere zur Herstellung der erfindungsge- mäßen Baugruppe. Eine elektrochemische Vorrichtung, welche eine erfindungsgemäße Baugruppe enthält, kann insbesondere als eine Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoff- zellenvorrichtung ausgebildet sein.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können im Anbindungsbereich zwischen einer Gasdiffusionslage und einem Dichtelement in einem Spritzgießwerkzeug Abstütz- oder Verformungsbegrenzungselemente eingebracht werden, welche verhindern, dass die Gasdiffusionslage sich während eines Einspritzvorgangs von Spritzgießmaterial unter dem auftretenden Werkzeuginnendruck oder Spritzdruck verformt.
Die Abstütz- oder Verformungsbegrenzungselemente können dabei so gestal- tet sein, dass im Anbindungsbereich zwischen der Gasdiffusionslage und dem Dichtelement nur bereichsweise Abstütz- beziehungsweise Verformungsbe- grenzungselemente vorgesehen sind, so dass sich zwischen den einzelnen Ab- stütz- oder Verformungsbegrenzungselementen Dichtungsmaterial befindet, das für eine gute mechanische Anbindung des Dichtelements an die Gasdiffu- sionslage sorgt. Solche zwischen den Abstütz- oder Verformungsbegrenzungs- elementen vorgesehenen Bereiche des Anbindungsbereichs des Dichtelements werden als Stabilisierungsbereiche bezeichnet.
Außerdem können die Abstütz- oder Verformungsbegrenzungselemente so gestaltet sein, dass eine Außenkante der Gasdiffusionslage über ihren ge- samten Umfang hinweg mit Dichtungsmaterial umschlossen ist.
Die Abstütz- oder Verformungsbegrenzungselemente können so gestaltet sein, dass sie im Spritzgießwerkzeug die Gasdiffusionslage berühren und/oder ver- pressen.
In der fertigen Baugruppe kann im Anbindungsbereich zwischen dem Dicht- element und der Gasdiffusionslage ein Bereich entstehen, in dem die An- bindungslippe bereichsweise unterbrochen ist. Der Übergang zwischen dem Stabilisierungsbereich und einer Ausnehmung, in welcher bei dem Erzeugen des Dichtelements aus dem Spritzgießmaterial ein Abstütz- oder Verformungsbegrenzungselement angeordnet ist, kann diskret, in Wellenform, in Dreiecksform oder in anderen Formen ausgeführt sein.
Die Abstütz- oder Verformungsbegrenzungselemente können so ausgeführt sein, dass sie die Gasdiffusionslage im Spritzgießwerkzeug (insbesondere vor dem Spritzgießvorgang) nicht berühren, im Falle einer Verformung der Gas- diffusionslage während des Spritzgießvorgangs die Gasdiffusionslage aber an einem zu starken Umklappen hindern.
Die Abstütz- oder Verformungsbegrenzungselemente können so ausgeführt sein, dass sie über einen Außenrand der Gasdiffusionslage überstehen.
Die Abstütz- oder Verformungsbegrenzungselemente können so ausgeführt sein, dass sie sich nicht über einen Außenrand der Gasdiffusionslage hinaus erstrecken, sondern vollständig innerhalb des von der Gasdiffusionslage über- deckten Bereichs der Kavität des Spritzgießwerkzeugs angeordnet sind.
Erfindungsgemäß können in einem Spritzgießwerkzeug Abstütz- oder Verfor- mungsbegrenzungselemente vorgesehen sein, die ein Umklappen einer Gas- diffusionslage während eines Spritzgießvorgangs verhindern, wenn ein Dicht- element in einem Spritzgießverfahren an eine oder mehrere poröse Lagen, insbesondere Gasdiffusionslagen, angebunden wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfol- genden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbei- spielen. In den Zeichnungen zeigen :
Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch ein Spritzgießwerkzeug und eine in eine Kavität des Spritzgießwerkzeugs vorstehende Gas- diffusionslage, wobei ein durch das Einbringen von Spritzgieß- material in die Kavität verursachter verformter Zustand der Gas- diffusionslage in gebrochenen Linien dargestellt ist;
Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch ein Spritzgießwerkzeug, das mehrere in einer Umfangsrichtung der Gasdiffusionslage von- einander beabstandete Verformungsbegrenzungselemente auf- weist, welche die Gasdiffusionslage vor dem Einbringen des Spritzgießmaterials in die Kavität des Spritzgießwerkzeugs be- rühren und in Kontakt mit einem Abdrückvorsprung eines Ab- drück-Werkzeugteils des Spritzgießwerkzeugs stehen.
Fig. 3 eine ausschnittsweise Draufsicht von oben auf eine Baugruppe aus der Gasdiffusionslage und einem an der Gasdiffusionslage festgelegten Dichtelement, welches mittels des Spritzgießwerk- zeugs aus Fig. 2 erzeugt worden ist;
Fig. 4 eine ausschnittsweise Draufsicht auf eine alternative Baugruppe aus einer Gasdiffusionslage und einem Dichtelement, welches mittels eines Verformungsbegrenzungselements erzeugt worden ist, dessen äußerer Rand einen längs der Umfangsrichtung der Gasdiffusionslage wellenförmig variierenden Abstand von einem Außenrand der Gasdiffusionslage aufweist; Fig. 5 eine ausschnittsweise Draufsicht auf eine weitere Baugruppe aus einer Gasdiffusionslage und einem Dichtelement, welches mittels eines Verformungsbegrenzungselements erzeugt worden ist, dessen äußerer Rand einen längs der Umfangsrichtung der Gas- diffusionslage abschnittsweise linear variierenden Abstand von dem Außenrand der Gasdiffusionslage aufweist;
Fig. 6 einen schematischen Schnitt durch ein Spritzgießwerkzeug, das mehrere Verformungsbegrenzungselemente umfasst, welche längs der Umfangsrichtung der Gasdiffusionslage voneinander be- abstandet sind, von einem Abdrückvorsprung eines Abdrück- Werkzeugteils des Spritzgießwerkzeugs beabstandet sind und die Gasdiffusionslage vor dem Einbringen des Spritzgießmaterials in die Kavität des Spritzgießwerkzeugs berühren.
Fig. 7 eine ausschnittsweise Draufsicht auf eine Baugruppe aus einer
Gasdiffusionslage und einem Dichtelement, das mittels des in Fig. 6 dargestellten Spritzgießwerkzeugs erzeugt worden ist;
Fig. 8 einen schematischen Schnitt durch ein Spritzgießwerkzeug, das ein Verformungsbegrenzungselement umfasst, welches eine längs der Umfangsrichtung der Gasdiffusionslage wellenförmig vari- ierende Höhe aufweist, wobei das Verformungsbegrenzungsele- ment in der Schnittebene von Fig. 8 seine maximale Höhe auf- weist und dort die Gasdiffusionslage vor dem Einbringen des Spritzgießmaterials in die Kavität des Spritzgießwerkzeugs be- rührt;
Fig. 9 eine ausschnittsweise Seitenansicht einer Baugruppe aus einer
Gasdiffusionslage und einem Dichtelement, welches mittels des Spritzgießwerkzeugs aus Fig. 8 erzeugt worden ist, mit der Blick- richtung in Richtung des Pfeiles 9 in Fig. 8; Fig. 10 eine der Fig. 9 entsprechende ausschnittsweise Seitenansicht einer Baugruppe aus einer Gasdiffusionslage und einem Dichtele- ment, welches mittels eines Spritzgießwerkzeugs erzeugt worden ist, das mehrere längs der Umfangsrichtung der Gasdiffusionslage aufeinanderfolgende Verformungsbegrenzungselemente aufweist, wobei zwischen zwei in der Umfangsrichtung der Gasdiffusions- lage aufeinanderfolgenden Verformungsbegrenzungselementen jeweils ein Stabilisierungsbereich des Dichtelements ausgebildet wird;
Fig. 11 einen schematischen Schnitt durch ein Spritzgießwerkzeug, das ein Verformungsbegrenzungselement umfasst, welches eine längs der Umfangsrichtung der Gasdiffusionslage wellenförmig vari- ierende Höhe aufweist, wobei die maximale Höhe des Verfor- mungsbegrenzungselements so gewählt ist, dass das Verfor- mungsbegrenzungselement die Gasdiffusionslage vor dem Ein- bringen des Spritzgießmaterials in die Kavität des Spritzgießwerk- zeugs nicht berührt;
Fig. 12 eine ausschnittsweise Seitenansicht einer Baugruppe aus einer
Gasdiffusionslage und einem Dichtelement, welches mittels des Spritzgießwerkzeugs aus Fig. 11 erzeugt worden ist, mit der Blickrichtung in Richtung des Pfeils 12 in Fig. 11;
Fig. 13 eine ausschnittsweise Seitenansicht einer Baugruppe aus einer
Gasdiffusionslage und einem Dichtelement, das mittels eines Spritzgießwerkzeugs erzeugt worden ist, welches ein Verfor- mungsbegrenzungselement umfasst, das eine längs der Um fangsrichtung der Gasdiffusionslage abschnittsweise linear vari- ierende Höhe aufweist, wobei die maximale Höhe des Verformungsbegrenzungselements so gewählt ist, dass das Verformungsbegrenzungselement vor dem Einbringen des Spritzgießmaterials in die Kavität des Spritzgießwerkzeugs die Gasdiffusionslage nicht berührt;
Fig. 14 einen schematischen Schnitt durch ein Spritzgießwerkzeug, das mehrere in einer Umfangsrichtung der Gasdiffusionslage voneinander beabstandete Verformungsbegrenzungselemente aufweist, welche die Gasdiffusionslage vor dem Einbringen des Spritzgießmaterials in die Kavität des Spritzgießwerkzeugs berühren und relativ zu einem Abdrück-Werkzeugteil des
Spritzgießwerkzeugs beweglich an dem Abdrück-Werkzeugteil angeordnet sind und nach dem Spritzgießvorgang und dem Öffnen des Spritzgießwerkzeugs relativ zu dem Abdrück- Werkzeug bewegt werden, um die Gasdiffusionslage und das durch Spritzgießen erzeugte Dichtelement von dem Abdrück- Werkzeugteil zu lösen, wobei die
Verformungsbegrenzungselemente jeweils mit einem verschieblich an dem Abdrück-Werkzeugteil geführten Stößel gekoppelt sind und die Stößel in einer senkrecht zu ihrer
Verschieberichtung ausgerichteten Richtung eine kleinere
Erstreckung aufweisen als das jeweils mit dem Stößel gekoppelte Verformungsbegrenzungselement; und
Fig. 15 einen schematischen Schnitt durch eine Variante des in Fig. 14 dargestellten Spritzgießwerkzeugs, bei welchem die Stößel in einer senkrecht zu ihrer Verschieberichtung ausgerichteten Richtung dieselbe Ausdehnung aufweisen wie das jeweils an den Stößel gekoppelte Verformungsbegrenzungselement.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit den- selben Bezugszeichen bezeichnet. Ein nicht erfindungsgemäßes Verfahren zum Erzeugen eines Dichtelements 100 an einer Gasdiffusionslage 102 einer (im Übrigen nicht dargestellten) Membran-Elektroden-Anordnung einer (nicht als Ganzes dargestellten) elektrochemischen Vorrichtung, beispielsweise einer Brennstoffzellenvorrich- tung oder eines Elektrolyseurs, ist in Fig. 1 dargestellt.
Fig. 1 zeigt ein mehrteiliges Spritzgießwerkzeug 104, welches ein Abdrück- Werkzeugteil 106 und ein Abstütz-Werkzeugteil 108 umfasst.
Das Abdrück-Werkzeugteil 106 und das Abstütz-Werkzeugteil 108 umschließen gemeinsam eine Kavität 110, in welche während des Spritzgießvorgangs ein Spritzgießmaterial in fließfähigem Zustand eingebracht wird.
In diese Kavität 110 ragt die Gasdiffusionslage 102 hinein.
Das Abdrück-Werkzeugteil 106 weist einen Abdrückvorsprung 112 auf, welcher mit einer Abdrückkante 114 versehen ist.
Die in das Spritzgießwerkzeug 104 eingelegte Gasdiffusionslage 102, welche in ihrer Dickenrichtung 117 (im montierten Zustand der elektrochemischen Vor- richtung parallel zur Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung) me chanisch kompressibel ist, wird lokal mittels der Abdrückkante 114 verpresst. Hierdurch steigt der Kapillardruck in den Poren der porösen Gasdiffusionslage 102 lokal an, und die Durchdringung der Gasdiffusionslage 102 mit dem
Spritzgießmaterial wird in den zur Dickenrichtung (z-Richtung) senkrechten x- und y-Richtungen begrenzt.
Beim Erzeugen des Dichtelements 100 mittels eines Spritzgießvorgangs in dem Spritzgießwerkzeug 104 treten in der Kavität 110 des Spritzgießwerk- zeugs 104 sehr hohe Spritzdrücke auf. Wenn der Anspritzpunkt oder die Anspritzpunkte, durch welche das Spritz- gießmaterial in die Kavität 110 eingebracht wird, außerhalb der Anbindungs- bereiche zwischen dem Dichtelement 100 und der Gasdiffusionslage 102 liegen, kann es während der Befüllung der Kavität 110 des Spritzgießwerk- zeugs 104 mit dem Spritzgießmaterial in diesen Anbindungsbereichen zu einem Umklappen, das heißt zu einer Verformung der Gasdiffusionslage 102, kommen.
Der durch das in die Kavität 110 eingebrachte Spritzgießmaterial verursachte verformte Zustand der Gasdiffusionslage 102 ist in Fig. 1 in gebrochenen Linien dargestellt.
Durch diesen Verformungsvorgang wird die Gasdiffusionslage 102 lokal aus ihrer ursprünglichen ebenen Form gebracht und auf Biegung beansprucht.
Durch die Biegung der Gasdiffusionslage 102 in dem verformten Anbindungs- bereich kann die Gasdiffusionslage 102, beispielsweise durch Bruch, be- schädigt werden.
Außerdem kann bei einer starken Verbiegung der Gasdiffusionslage 102 der Anbindungsbereich mechanisch geschwächt werden, indem die Gasdiffusions- lage 102 in den in der Dickenrichtung 117 über der Gasdiffusionslage 102 liegenden Anbindungsbereich 116, der auch als Anbindungslippe 118 bezeich- net wird, hineinragt und so das Fließen von (insbesondere elastomerem) Spritzgießmaterial in diesem Bereich unterbindet.
Es ist dann nicht gewährleistet, dass die Kavität 110 des Spritzgießwerkzeugs 104 im Bereich der Anbindungslippe 118 vollständig gefüllt wird, wodurch die Gefahr einer mechanischen Beschädigung des Anbindungsbereichs 116 des Dichtelements 100, insbesondere durch eine Rissbildung, steigt. Nach dem Einbringen des Spritzgießmaterials in die Kavität 110 des Spritz- gießwerkzeugs 104 und dem Aushärten des Spritzgießmaterials zu dem
Dichtungsmaterial des Dichtelements 100 ist die Erzeugung des Dichtelements 100 an der Gasdiffusionslage 102 und somit die Bildung einer Baugruppe 120, welche die Gasdiffusionslage 102 und das an der Gasdiffusionslage 102 fest- gelegte Dichtelement 100 umfasst und auch als Seal-on-GDL-Einheit 122 be- zeichnet wird, abgeschlossen.
Nach dem Öffnen des Spritzgießwerkzeugs 104, durch Entfernen des Abdrück- Werkzeugteils 106 von dem Abstütz-Werkzeugteil 108, kann die Baugruppe 120 bei der Assemblierung der Membran-Elektroden-Anordnung und der Montage der elektrochemischen Vorrichtung verwendet werden.
Das Dichtelement 100 der fertig hergestellten Baugruppe 120 umfasst einen Abdichtbereich 124 mit einer Dichtlippe 126, einen Durchdringungsbereich 128, in welchem das Spritzgießmaterial in das poröse Material der Gasdiffu- sionslage 102 eingedrungen ist und welches sich von einem Außenrand 130 der Gasdiffusionslage 102 einwärts bis in den Bereich der Abdrückkante 114 erstreckt, und einen außerhalb der Gasdiffusionslage 102, in der Dickenrich- tung 117 über und/oder unter der Gasdiffusionslage 102 liegenden, An- bindungsbereich 116 in Form einer Anbindungslippe 118.
Bei dem in Fig. 2 schematisch dargestellten erfindungsgemäßen Verfahren zum Erzeugen des Dichtelements 110 an der Gasdiffusionslage 102 sind in der Kavität 110 des Spritzgießwerkzeugs 104 mehrere Verformungsbegrenzungs- elemente 132 vorgesehen, welche in einer parallel zum Außenrand 130 der Gasdiffusionslage 102 und parallel zur Abdrückkante 114 des Abdrück-Werk- zeugteils 106 ausgerichteten Umfangsrichtung 134 der Gasdiffusionslage 102 voneinander beabstandet sind. Die Verformungsbegrenzungselemente 132 sind in dem dargestellten Ausfüh- rungsbeispiel separat von dem Abdrück-Werkzeugteil 106 und separat von dem Abstütz-Werkzeugteil 108 des Spritzgießwerkzeugs 104 ausgebildet.
Die Verformungsbegrenzungselemente 132 können grundsätzlich aber auch einstückig mit einem anderen Bestandteil des Spritzgießwerkzeugs 104, bei- spielsweise mit dem Abdrück-Werkzeugteil 106 oder mit dem Abstütz-Werk- zeugteil 108, ausgebildet sein.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 stehen die Verformungsbegrenzungs- elemente 132 in Kontakt mit dem Abdrückvorsprung 112 des Abdrück-Werk- zeugteils 106.
Ferner berühren die Verformungsbegrenzungselemente 132 schon vor dem Einbringen des Spritzgießmaterials in die Kavität 110 des Spritzgießwerkzeugs 104 die Gasdiffusionslage 102 an deren der Abdrückkante 114 zugewandten Hauptfläche 136.
Ein der Abdrückkante 114 abgewandter äußerer Rand 138 jedes Verformungs- begrenzungselements 132 ist zwischen dem Außenrand 130 der Gasdiffu- sionslage 102 einerseits und der Abdrückkante 114 des Spritzgießwerkzeugs 104 andererseits angeordnet, so dass die Verformungsbegrenzungselemente 132 den in die Kavität 110 des Spritzgießwerkzeugs 104 vorstehenden Bereich der Gasdiffusionslage 102 nicht vollständig überdecken.
Die im Anbindungsbereich zwischen der Gasdiffusionslage 102 und dem Dicht- element 100 im Spritzgießwerkzeug 104 angeordneten Verformungsbegren- zungselemente 132 verhindern, dass die Gasdiffusionslage 102 sich während des Einbringens des Spritzgießmaterials in die Kavität 110 des Spritzgießwerk- zeugs 104 unter dem auftretenden Werkzeuginnendruck oder Spritzdruck verformt, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Hierdurch wird erreicht, dass die außerhalb der Verformungsbegrenzungsele- mente 132 liegenden Bereiche der Kavität 110 vollständig mit dem Spritz- gießmaterial gefüllt werden. Die Gefahr einer mechanischen Beschädigung des Anbindungsbereichs 116 des Dichtelements 100, insbesondere einer Rissbil- dung, wird hierdurch verringert.
Außerdem wird eine Beschädigung der Gasdiffusionslage 102 durch eine Biegebeanspruchung aufgrund einer Verformung der Gasdiffusionslage 102 vermieden.
Wie aus Fig. 3 zu ersehen ist, welche eine ausschnittsweise Draufsicht auf die aus dem Spritzgießwerkzeug 104 entnommene fertige Baugruppe 120 aus Gasdiffusionslage 102 und Dichtelement 100 darstellt, ist der Anbindungsbe- reich 116 des Dichtelements 100 aufgrund der Anwesenheit der Verformungs- begrenzungselemente 132 in der Kavität 110 des Spritzgießwerkzeugs 104 an einem Innenrand 140 desselben mit Ausnehmungen 142 versehen, welche an den Stellen angeordnet sind, an welchen die Verformungsbegrenzungsele- mente 132 angeordnet waren, während die Gasdiffusionslage 102 in das Spritzgießwerkzeug 104 eingelegt war.
Wie aus Fig. 3 zu ersehen ist, kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Verformungsbegrenzungselemente 132 einen - senkrecht zur Dickenrichtung 117 der Gasdiffusionslage 102 genommenen - kreisabschnittsförmigen, insbe- sondere halbkreisförmigen, Querschnitt aufweisen.
Zwischen den Ausnehmungen 142 sind im Anbindungsbereich 116 des Dicht- elements 100 Stabilisierungsbereiche 146 angeordnet, in welchen das Dicht- element 100 eine größere Materialstärke aufweist als im Bereich der Ausneh- mungen 142, so dass die Stabilisierungsbereiche 146 für eine stabile mecha- nische Anbindung des Dichtelements 100 an die Gasdiffusionslage 102 sorgen. Die Position des Außenrandes 130 der Gasdiffusionslage 102 ist in Fig. 3 durch die strichdoppelpunktierte Linie 130 angegeben.
Die Position der Kuppe der Dichtlippe 126 des Dichtelements 100 ist in Fig. 3 durch die gebrochene Linie 144 angegeben.
Die in Fig. 4 in einer ausschnittsweisen Draufsicht gezeigte alternative Bau- gruppe 120 aus einer Gasdiffusionslage 102 und einem Dichtelement 100 ist mittels eines Spritzgießwerkzeugs 104 hergestellt worden, welches statt einer Mehrzahl von längs der Umfangsrichtung 134 der Gasdiffusionslage 102 von- einander beabstandeten Verformungsbegrenzungselementen 132 ein Verfor- mungsbegrenzungselement 132 umfasst, das einen wellenförmigen äußeren Rand 138 und daher einen längs der Umfangsrichtung 134 der Gasdiffusions- lage 102 wellenförmig variierenden Abstand von dem Außenrand 130 der Gas- diffusionslage 102 aufweist.
Zwischen den Ausnehmungen 142 befinden sich Stabilisierungsbereiche 146, in denen das ausgehärtete Spritzgießmaterial des Dichtelements 100 für eine gute mechanische Anbindung des Dichtelements 100 an die Gasdiffusionslage 102 sorgt.
Der Außenrand der Gasdiffusionslage 102 ist über den gesamten Umfang der Gasdiffusionslage 102 hinweg mit Dichtungsmaterial, das heißt mit ausge- härtetem Spritzgießmaterial, umschlossen.
Der Anbindungsbereich 116 des so hergestellten Dichtelements 100 umfasst einen ebenfalls wellenförmig ausgebildeten Innenrand 140, welcher
komplementär zum äußeren Rand des Verformungsbegrenzungselements 132 ausgebildet ist. Außerdem erstreckt sich bei dieser Ausführungsform des Herstellungsver- fahrens das wellenförmig ausgebildete Verformungsbegrenzungselement 132 zumindest abschnittsweise nach auswärts über den Außenrand 130 der Gas- diffusionslage 102 hinweg, so dass in der fertigen Baugruppe 120 der Außen- rand 130 der Gasdiffusionslage 102 den Innenrand 140 des Anbindungsbe- reichs 116 des Dichtelements 100 - längs der Dickenrichtung 117 der Gas- diffusionslage 102 gesehen - schneidet.
Da das Verformungsbegrenzungselement 132 sich nicht in die Ebene der Gas- diffusionslage 102 hinein erstreckt und der Abdichtbereich 124 des Dichtele- ments 100 sich unmittelbar an den Durchdringungsbereich 128 anschließt, weist das Dichtelement 100 in den Bereichen, in welchen der Innenrand 140 des Anbindungsbereichs 116 auswärts von dem Außenrand 130 der Gasdiffu- sionslage 102 verläuft, dennoch keine Durchtrittslöcher auf.
Die in Fig. 5 in einer ausschnittsweisen Draufsicht gezeigte weitere Baugruppe 120 aus einer Gasdiffusionslage 102 und einem Dichtelement 100 ist unter Verwendung eines Verformungsbegrenzungselements 132 erzeugt worden, dessen äußerer Rand 138 einen längs der Umfangsrichtung 134 der Gasdiffu- sionslage 102 abschnittsweise linear variierenden Abstand von dem Außenrand 130 der Gasdiffusionslage 102 aufweist.
Ferner liegt bei dieser Ausführungsform der äußere Rand 138 des Verfor- mungsbegrenzungselements 132 stets zwischen dem Außenrand 130 der Gas- diffusionslage 102 und der Abdrückkante 114, so dass bei der fertigen Bau- gruppe 120 der Außenrand 130 der Gasdiffusionslage 102 den Innenrand 140 des Anbindungsbereichs 116 des Dichtelements 100 - längs der Dickenrich- tung 117 der Gasdiffusionslage 102 gesehen - nicht schneidet. Bei dem in Fig. 6 schematisch dargestellten alternativen Verfahren zum Er- zeugen des Dichtelements 100 an der Gasdiffusionslage 102 umfasst das Spritzgießwerkzeug 104 mehrere Verformungsbegrenzungselemente 132, welche längs der Umfangsrichtung 134 der Gasdiffusionslage 102 voneinander beabstandet sind, von der Abdrückkante 114 des Spritzgießwerkzeugs 104 beabstandet sind und die Gasdiffusionslage 102 schon vor dem Einbringen des Spritzgießmaterials in die Kavität 110 des Spritzgießwerkzeugs 104 berühren.
Fig. 7 zeigt eine ausschnittsweise Draufsicht auf eine mittels des Spritzgieß- werkzeugs aus Fig. 6 hergestellte Baugruppe 120.
Der Anbindungsbereich 116 des Dichtelements 100 dieser Baugruppe 120 ist mit Ausnehmungen 142 versehen, welche auswärts von dem Innenrand 140 des Anbindungsbereichs 116 angeordnet und in der Umfangsrichtung 134 der Gasdiffusionslage 102 voneinander beabstandet sind.
Wie aus Fig. 7 zu ersehen ist, weisen die Verformungsbegrenzungselemente 132 bei dieser Ausführungsform beispielsweise einen - senkrecht zur Dicken- richtung 117 der Gasdiffusionslage 102 genommenen - kreisförmigen Quer- schnitt auf, so dass die Ausnehmungen 142 im Anbindungsbereich 116 eben- falls einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.
Die Verformungsbegrenzungselemente 132 sind bei dieser Ausführungsform zwischen dem Außenrand 130 der Gasdiffusionslage 102 und der Abdrück- kante 114 des Spritzgießwerkzeugs 104 angeordnet, so dass in der fertigen Baugruppe 120 der Außenrand 130 der Gasdiffusionslage 102 - längs der Dickenrichtung 117 der Gasdiffusionslage 102 gesehen - die Ausnehmungen 124 im Anbindungsbereich 116 des Dichtelements 100 nicht schneidet. Bei einem in Fig. 8 schematisch dargestellten alternativen Verfahren zum Er- zeugen des Dichtelements 100 an der Gasdiffusionslage 102 umfasst das Spritzgießwerkzeug 104 ein Verformungsbegrenzungselement 132, welches eine längs der Umfangsrichtung 134 der Gasdiffusionslage 102 wellenförmig variierende Höhe aufweist.
Dabei weist das Verformungsbegrenzungselement 132 in der Schnittebene von Fig. 8 seine maximale Höhe auf, so dass das Verformungsbegrenzungselement 132 in dieser Ebene die Gasdiffusionslage 102 schon vor dem Einbringen des Spritzgießmaterials in die Kavität 110 des Spritzgießwerkzeugs 104 berührt.
Die mittels des Spritzgießwerkzeugs 104 aus Fig. 8 hergestellte fertige Bau- gruppe 120 ist in Fig. 9 in einer ausschnittsweisen Seitenansicht mit der Blick- richtung in Richtung des Pfeiles 9 in Fig. 8 dargestellt.
Der Anbindungsbereich 116 des Dichtelements 100 dieser Baugruppe 120 ist mit längs der Umfangsrichtung 134 der Gasdiffusionslage 102 aufeinander- folgenden Ausnehmungen 142 versehen, welche eine wellenförmig variierende Höhe (das heißt Erstreckung längs der Dickenrichtung 117 der Gasdiffusions- lage 102) aufweisen.
Diese Ausnehmungen 142 sind durch dazwischenliegende Stabilisierungsbe- reiche 146 voneinander getrennt, welche ebenfalls eine wellenförmig vari- ierende Höhe aufweisen und in der Umfangsrichtung 134 der Gasdiffusionslage 102 aufeinanderfolgen.
Eine in Fig. 10 ausschnittsweise dargestellte alternative Ausführungsform einer Baugruppe 120 aus einem Dichtelement 100 und einer Gasdiffusionslage 102 ist mittels eines Spritzgießwerkzeugs 104 hergestellt, welches statt eines Ver- formungsbegrenzungselements 132 mit variabler Höhe eine Mehrzahl von Verformungsbegrenzungselementen 132 umfasst, die in der Umfangsrichtung 134 der Gasdiffusionslage 102 aufeinanderfolgen und in der Umfangsrichtung 134 der Gasdiffusionslage 102 voneinander beabstandet sind, so dass der An- bindungsbereich 116 des fertigen Dichtelements 100 zwischen den Positionen der Verformungsbegrenzungselemente 132 ausgebildete Stabilisierungsbe- reiche 146 aufweist.
Der - senkrecht zur Dickenrichtung 117 der Gasdiffusionslage 102 ge- nommene - Querschnitt der Verformungsbegrenzungselemente 132 kann grundsätzlich eine beliebige Form aufweisen, beispielsweise eine polygonale, insbesondere eine viereckige, beispielsweise eine rechteckige, Form oder eine Form mit einer gekrümmten Randlinie, beispielsweise eine Ellipsenabschnitts- form oder eine Kreisabschnittsform, insbesondere eine Halbkreisform.
In Fig. 11 ist eine weitere Ausführungsform eines Verfahrens zum Erzeugen des Dichtelements 100 an der Gasdiffusionslage 102 schematisch dargestellt, bei welcher ein sich in der Umfangsrichtung 134 der Gasdiffusionslage 102 erstreckendes Verformungsbegrenzungselement 132 verwendet wird, das an dem Abdrückvorsprung 112 und an einer dem Abdrückvorsprung 112 benach- barten (vorzugsweise senkrecht zur Dickenrichtung 117 der Gasdiffusionslage 102 ausgerichteten) Begrenzungswand 148 des Abdrück-Werkzeugteils 106 anliegt und eine Höhe aufweist, welche längs der Umfangsrichtung 134 der Gasdiffusionslage 102, insbesondere wellenförmig, variiert.
Die maximale Höhe des Verformungsbegrenzungselements 132 ist dabei je- doch kleiner als der Abstand zwischen der Begrenzungswand 148 des Ab- drück-Werkzeugteils 106 einerseits und der der Begrenzungswand 148 zuge- wandten Hauptfläche 136 der Gasdiffusionslage 102 andererseits, so dass das Verformungsbegrenzungselement 132 vor dem Einbringen des Spritzgießma- terials in die Kavität 110 des Spritzgießwerkzeugs 104 die Gasdiffusionslage 102 nicht berührt. Ein äußerer Rand 138 des Verformungsbegrenzungselements 132 ist bei dieser Ausführungsform - in einer Draufsicht auf die Gasdiffusionslage 102 längs der Dickenrichtung 117 der Gasdiffusionslage 102 gesehen - zwischen dem
Außenrand 130 der Gasdiffusionslage 102 und der Abdrück-Kante 114 ange- ordnet.
Die mittels des in Fig. 11 dargestellten Spritzgießwerkzeugs 104 hergestellte Baugruppe 120 aus der Gasdiffusionslage 102 und dem Dichtelement 100 ist ausschnittsweise in Fig. 12 dargestellt.
Fig. 13 zeigt eine Variante der Baugruppe aus Fig. 12, welche unter Ver- wendung eines Verformungsbegrenzungselements 132 hergestellt ist, dessen Höhe längs der Umfangsrichtung 134 nicht wellenförmig, sondern abschnitts- weise linear variiert, so dass der Anbindungsbereich 116 des Dichtelements 100 einen (zu dem Verformungsbegrenzungselement 132 komplementär aus- gebildeten) Stabilisierungsbereich 146 aufweist, dessen Höhe (das heißt dessen Ausdehnung längs der Dickenrichtung 117 der Gasdiffusionslage 102) abschnittsweise linear variiert.
Bei dem in Fig. 14 schematisch dargestellten alternativen Verfahren zum Erzeugen des Dichtelements 100 an der Gasdiffusionslage 102 umfasst das Spritzgießwerkzeug 104 mehrere Verformungsbegrenzungselemente 132, welche längs der Umfangsrichtung 134 der Gasdiffusionslage 102 voneinander beabstandet sind und jeweils mit einem Stößel 150 gekoppelt sind, welcher längs einer Verschieberichtung 152 verschieblich an dem Abdrück-Werkzeug- teil 106 des Spritzgießwerkzeugs 104 geführt ist.
Die Verschieberichtung 152, welche einer Bewegungsrichtung 154 des jeweils zugeordneten Verformungsbegrenzungselements 132 entspricht, ist vorzugs- weise im Wesentlichen parallel zu der Dickenrichtung 117 der Gasdiffusions- lage 102 ausgerichtet. Jeder Stößel 150 ist mit einer (nicht dargestellten) Bewegungsvorrichtung gekoppelt, mittels welcher eine Bewegung des Stößels 150 längs der Verschie- berichtung 152 und damit eine Bewegung des jeweils zugeordneten Verfor- mungsbegrenzungselements 132 längs der Bewegungsrichtung 154 erzeugbar ist.
Vor dem Einbringen des Spritzgießmaterials in die Kavität 110 des Spritzgieß- werkzeugs 104 werden die relativ zu dem Abdrück-Werkzeugteil 106 bewegli- chen Verformungsbegrenzungselemente 132 in die in Fig. 14 dargestellte Ruhestellung gebracht, in welcher sie eine Verformung der Gasdiffusionslage 102 während des Einbringens des Spritzgießmaterials in die Kavität 110 begrenzen oder verhindern.
Wenn nach dem Abschluss des Spritzgießvorgangs das Spritzgießwerkzeug 104 durch Entfernen des Abstütz-Werkzeugteils 108 von dem Abdrück-Werk- zeugteil 106 geöffnet wird, werden die Verformungsbegrenzungselemente 132 durch Betätigen der Bewegungsvorrichtung so relativ zu dem Abdrück-Werk- zeugteil 106 gegen die Gasdiffusionslage 102 und/oder gegen das durch Spritzgießen erzeugte Dichtelement 100 bewegt, dass die Gasdiffusionslage 102 und/oder das durch Spritzgießen erzeugte Dichtelement 100 von dem Abdrück-Werkzeugteil 106 gelöst wird.
Die Verformungsbegrenzungselemente 132 wirken bei dieser Ausführungsform somit als Auswerfer 156 zum Auswerfen der Gasdiffusionslage 102 und/oder des durch Spritzgießen daran erzeugten Dichtelements 100 aus dem Spritz- gießwerkzeug 104.
Die Bewegungsvorrichtung kann insbesondere als eine hydraulische Bewe- gungsvorrichtung, eine pneumatische Bewegungsvorrichtung und/oder eine elektromotorische Bewegungsvorrichtung ausgebildet sein. Die Kopplung zwischen dem Stößel 150 und dem jeweils zugeordneten
Verformungsbegrenzungselement 132 kann beispielsweise dadurch erzeugt werden, dass der Stößel 150 einstückig mit dem jeweils zugeordneten
Verformungsbegrenzungselement 132 ausgebildet ist.
Die Ausdehnung d des Stößels 150 in einer senkrecht zur Verschieberichtung 152 und vorzugsweise senkrecht zur Umfangsrichtung 134 der Gasdiffusions- lage 102 ausgerichteten Richtung kann kleiner sein als die Ausdehnung D des jeweils zugeordneten Verformungsbegrenzungselements 132 in derselben Richtung, wie in Fig. 14 dargestellt.
Im Übrigen stimmt das in Fig. 14 schematisch dargestellte Verfahren mit dem in Fig. 2 dargestellten Verfahren überein, auf dessen vorstehende Beschrei- bung insoweit Bezug genommen wird.
Ein in Fig. 15 schematisch dargestelltes alternatives Verfahren zum Erzeugen des Dichtelements 100 an der Gasdiffusionslage 102 unterscheidet sich von dem in Fig. 14 dargestellten Verfahren dadurch, dass die Ausdehnung d des Stößels 150 senkrecht zu seiner Verschieberichtung 152 und vorzugsweise senkrecht zur Umfangsrichtung 134 der Gasdiffusionslage 102 im Wesent- lichen gleich groß ist wie die Ausdehnung D des mit dem Stößel 150 gekoppel- ten Verformungsbegrenzungselements 132 längs derselben Richtung.
Im Übrigen stimmt das in Fig. 15 schematisch dargestellte Verfahren mit dem in Fig. 14 dargestellten Verfahren überein, auf dessen vorstehende Beschrei- bung insoweit Bezug genommen wird.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Erzeugen eines Dichtelements (100) an einer Gasdiffu- sionslage (102) einer elektrochemischen Einheit, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
Anordnen eines Spritzgießwerkzeugs (104) an der Gasdiffusions- lage (102);
Einbringen von Spritzgießmaterial in eine Kavität (110) des Spritz- gießwerkzeugs (104); d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Spritzgießwerkzeug (104) mindestens ein Verformungsbe- grenzungselement (132) umfasst, welches eine Verformung der Gas- diffusionslage (102) während des Einbringens des Spritzgießmaterials in die Kavität (110) begrenzt oder verhindert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das
Spritzgießwerkzeug (104) mindestens ein Abdrück-Werkzeugteil (106) umfasst, das einen Abdrückvorsprung (112) zum Verpressen der Gas- diffusionslage (102) aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfor- mungsbegrenzungselement (132) separat von dem Abdrück-Werkzeug- teil (106) ausgebildet ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfor- mungsbegrenzungselement (132) während des Einbringens des Spritz- gießmaterials in die Kavität (110) des Spritzgießwerkzeugs (104) in Kontakt mit dem Abdrückvorsprung (112) des Abdrück-Werkzeugteils (106) steht.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfor- mungsbegrenzungselement (132) während des Einbringens des Spritz- gießmaterials in die Kavität (110) des Spritzgießwerkzeugs (104) von dem Abdrückvorsprung (112) des Abdrück-Werkzeugteils (106) beab- standet ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verformungsbegrenzungselement (132) in einer Dickenrichtung (117) der Gasdiffusionslage (102) über oder unter einem Durchdrin- gungsbereich (128) der Gasdiffusionslage (102) angeordnet ist, welcher während des Einbringens des Spritzgießmaterials in die Kavität (110) von dem Spritzgießmaterial durchdrungen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verformungsbegrenzungselement (132) vor dem Einbringen des Spritzgießmaterials in die Kavität (110) des Spritzgießwerkzeugs (104) die Gasdiffusionslage (102) berührt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verformungsbegrenzungselement (132) vor dem Einbringen des Spritzgießmaterials in die Kavität (110) des Spritzgießwerkzeugs (104) von der Gasdiffusionslage (102) beabstandet ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Verformungsbegrenzungselemente (132) vorgesehen sind, welche längs einer Umfangsrichtung (134) der Gasdiffusionslage (102) voneinander beabstandet sind.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Verformungsbegrenzungselement (132) vorgesehen ist, welches eine längs einer Umfangsrichtung (134) der Gasdiffusions- lage (102) variierende Höhe aufweist
und/oder
dessen äußerer Rand (138) einen längs einer Umfangsrichtung (134) der Gasdiffusionslage (102) variierenden Abstand von einem Außenrand (130) der Gasdiffusionslage (102) aufweist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Verformungsbegrenzungselement (132) relativ zu einem Teil des Spritzgießwerkzeugs (104) beweglich an dem betreffen- den Teil des Spritzgießwerkzeugs (104) angeordnet ist und relativ zu dem betreffenden Teil des Spritzgießwerkzeugs (104) bewegt wird, um die Gasdiffusionslage (102) und/oder das durch Spritzgießen erzeugte Dichtelement (100) von dem betreffenden Teil des Spritzgießwerkzeugs (104) zu lösen.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Verformungsbegrenzungselement (132) über einen Außenrand (130) der Gasdiffusionslage (102) übersteht.
13. Baugruppe einer elektrochemischen Vorrichtung, umfassend eine Gas- diffusionslage (102) und ein an der Gasdiffusionslage (102) festgelegtes Dichtelement (100), das einen auswärts von einem Außenrand (130) der Gasdiffusionslage (102) liegenden Abdichtbereich (124) und einen ein- wärts von dem Außenrand (130) der Gasdiffusionslage (102) liegenden Anbindungsbereich (116) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Anbindungsbereich (116) an einem Innenrand (140) des Anbindungs- bereichs (116) und/oder auswärts von dem Innenrand (140) des
Anbindungsbereichs (116) mit mindestens einer Ausnehmung (142) versehen ist.
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