WO2020007735A1 - Elektrochemische vorrichtung - Google Patents

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WO2020007735A1
WO2020007735A1 PCT/EP2019/067370 EP2019067370W WO2020007735A1 WO 2020007735 A1 WO2020007735 A1 WO 2020007735A1 EP 2019067370 W EP2019067370 W EP 2019067370W WO 2020007735 A1 WO2020007735 A1 WO 2020007735A1
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medium channel
bipolar plate
electrochemical device
flow field
medium
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PCT/EP2019/067370
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Peter Stahl
Jürgen KRAFT
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Elringklinger Ag
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Definitions

  • the present invention relates to an electrochemical device, which comprises:
  • At least one medium channel which extends through a plurality of the electrochemical units along the stacking direction
  • sealing system comprises a flow field sealing arrangement which extends around at least one flow field and at least one medium channel sealing arrangement which extends around a medium channel.
  • the sealing system is connected to one or more gas diffusion layers of the membrane electrode arrangement, so that a so-called seal-on-GDL unit is created.
  • there are larger areas of the sealing system especially in the area of the medium channel sealing arrangements, which are mechanically unstable. Only the areas of the sealing system in the vicinity of the gas diffusion layers, in particular areas of the flow field sealing arrangement, are stabilized by the mechanical rigidity of the gas diffusion layers.
  • these mechanically unstable areas of the sealing system are disadvantageous in the assembly process of the electrochemical device, in particular in the assembly process of the membrane electrode assembly itself and in the assembly process of the membrane electrode assembly on the bipolar plate.
  • the positioning accuracy of the sealing system in the area of the medium channels is significantly reduced by the instability of the sealing system in this area, or an adequate positioning may not be possible at all. This increases the complexity and the costs of the assembly processes that are required to manufacture the electrochemical device.
  • the present invention has for its object to provide an electrochemical device of the type mentioned, in which the
  • Sealing system has a high mechanical stability and can be precisely positioned during assembly of the electrochemical device.
  • this object is achieved according to the invention in that the flow field sealing arrangement is fixed on the membrane electrode arrangement and the at least one medium channel sealing arrangement is fixed on the bipolar plate.
  • the solution according to the invention is based on the concept of mechanically stabilizing the areas of the sealing system which are further away from the membrane electrode arrangement, in particular from the gas diffusion layers, by connection to the bipolar plate and thus to improve their positioning accuracy during assembly of the electrochemical device.
  • the flow field sealing arrangement which seals the electrochemically active area of an electrochemical unit and is located in the immediate vicinity of the membrane electrode arrangement, is connected to the membrane electrode arrangement.
  • the membrane electrode arrangement comprises two gas diffusion layers and the flow field sealing arrangement is fixed to at least one of the gas diffusion layers.
  • the flow field sealing arrangement forms a seal-on-GDL unit together with the at least one gas diffusion layer.
  • the flow field sealing arrangement comprises two flow field sealing elements, each of which is fixed to one of the gas diffusion layers.
  • the flow field sealing arrangement is thus formed in several parts, in particular in two parts.
  • the bipolar plate can in particular comprise at least two bipolar plate layers, and the medium channel sealing arrangement can comprise a medium channel sealing element which is fixed to one of the bipolar plate layers or to both bipolar plate layers.
  • the medium channel sealing element can have been produced on one of the bipolar plate layers before the bipolar plate layers have been fixed to one another. It is possible to position the individual bipolar plate layer on which a
  • Injection molded sealing element is supported on the side facing away from the sealing element.
  • a tool edge which, for example, a
  • Injection mold cavity seals to the environment can be placed with sufficient contact pressure on the bipolar plate layer during the creation of the medium channel sealing element.
  • the bipolar plate layers are fixed to one another along connecting lines, in particular welding lines, which the medium channel sealing element - viewed along the stacking direction - do not cross.
  • the medium channel sealing element has been produced on one of the bipolar plate layers after the bipolar plate layers have been fixed to one another. In this case, damage to the medium channel sealing element by the joining process, by means of which the bipolar plate is formed from the bipolar plate layers, is excluded from the outset.
  • the medium channel seal arrangement can be produced, for example, by means of an injection molding process.
  • the medium channel sealing arrangement is produced by means of a screen printing process.
  • the medium channel sealing arrangement is arranged, in particular fixed, on a bead which is formed in a bipolar plate position of the bipolar plate.
  • the medium channel sealing arrangement bears in a fluid-tight manner on a bead which is formed in a bipolar plate layer of a bipolar plate.
  • the height h of the medium-channel sealing arrangement is preferably less than the height Hi of the bead at which the medium-channel sealing arrangement is fixed and / or less than the height H2 of the bead at which the medium-channel sealing arrangement in the assembled state the electrochemical device is fluid-tight. As an alternative or in addition to this, it can be provided that the height h of the medium channel sealing arrangement is less than the sum of the heights Hi and Hz.
  • the height of an element is to be understood as the extent thereof along the stacking direction.
  • the flow gate preferably comprises a medium passage opening which is formed in the bead on which the medium channel sealing arrangement is fixed or is formed in the bead which is in fluid-tight contact with the medium channel sealing arrangement in the assembled state of the electrochemical device.
  • the medium passage opening is preferably formed on the side of the respective bead facing the medium channel.
  • one of the bipolar plate layers of the bipolar plate has an edge web running around the flow field, it can be provided that a medium passage opening is formed in the edge web.
  • Such a medium passage opening can in particular form part of a flow gate through which the medium channel and the flow field are in fluid communication with one another.
  • the medium passage opening formed in the edge web is preferably arranged on the side of the edge web facing the flow field.
  • the flow field sealing arrangement can be produced in particular by means of an injection molding process, a screen printing process or a dispenser application process.
  • the present invention further relates to a method for producing an electrochemical device which
  • At least one medium channel which extends through a plurality of the electrochemical units along the stacking direction
  • sealing system comprises a flow field sealing arrangement which extends around at least one flow field and at least one medium channel sealing arrangement which extends around a medium channel.
  • the present invention is based on the further object of creating such a method for producing an electrochemical device which achieves high mechanical stability and high positioning accuracy of the sealing system in the manufacture of the electrochemical device.
  • the method according to the invention is particularly suitable for producing an electrochemical device according to the invention.
  • the electrochemical device can in particular be designed as a fuel cell device or an electrolyzer.
  • the fuel cell device can in particular be designed as a polymer electrolyte membrane fuel cell device.
  • the bipolar plate can comprise one or more individual layers.
  • the membrane-electrode unit can in particular comprise a membrane, an anode-side catalyst element, a cathode-side catalyst element and preferably two gas diffusion layers.
  • the electrochemical device comprises manifolds or media channels, via which fluid media, in particular an oxidizing agent, a fuel gas and / or a coolant, can be fed to the electrochemical units in the stacking direction of the electrochemical device and can be removed from the electrochemical units.
  • the electrochemical device can comprise flow gates, via which a fluid medium is fed from a medium channel to a flow field or to the electrochemically active area of an electrochemical unit, or via which a fluid medium from the flow field or from the electrochemically active area to the electrochemical unit a medium channel can be led away.
  • the sealing system seals the media spaces for the anode-side fluid medium, the cathode-side fluid medium and possibly the coolant against one another and against the environment.
  • the flow field sealing arrangement runs around the electrochemically active area of the electrochemical unit.
  • Each of the medium channel sealing arrangements runs around a medium channel or around a medium passage opening in the bipolar plate.
  • the flow field sealing arrangement which runs around the electrochemically active area, is connected to the membrane electrode arrangement.
  • the medium channel sealing arrangements which each run around a medium channel, are connected to the bipolar plate.
  • the flow field sealing arrangement can consist of two parts, each of which is connected to one of the two gas diffusion layers of the membrane electrode arrangement.
  • the medium channel sealing arrangement and / or the flow field sealing arrangement can be produced by means of injection molding, screen printing, dispenser application or by a similar process.
  • Each of the medium channel sealing arrangements can be connected to a single layer of the bipolar plate or to a bipolar plate consisting of several individual layers.
  • the process in which the respective medium channel sealing arrangement is produced on the bipolar plate can be followed by a joining process, in particular a welding process, in which several layers of the bipolar plate are joined to one another, in particular welded to one another.
  • Fig. 1 is a partial schematic plan view of a
  • FIG. 2 shows a schematic section through the oxidant supply of the electrochemical unit from FIG. 1, along the line 2-2 in FIG. I;
  • Fig. 3 is a partial schematic plan view of a second
  • Embodiment of an electrochemical unit of an electrochemical device comprising a plurality of electrochemical units which follow one another in a stacking direction, in the region of a residual fuel gas discharge, a coolant supply and an oxidant supply;
  • Fig. 4 shows a schematic section through the fuel gas supply
  • a fuel cell device or an electrolyser designated as a whole by 100, for example a fuel cell device or an electrolyser, comprises a stack 102 which comprises a plurality of electrochemical units 106, for example fuel cell units or electrolysis units, which follow one another in a stacking direction 104. and a clamping device (not shown) for applying a clamping force directed along the stacking direction 104 to the electrochemical units.
  • each electrochemical unit 106 of the electrochemical device 100 comprises a bipolar plate 108, a membrane electrode assembly (MEA) 110 and a sealing system
  • the membrane electrode arrangement 110 comprises, for example, a catalyst coated membrane (CCM) 113 and two gas diffusion layers 114 and 116, a first gas diffusion layer 114 being arranged on the anode side and a second gas diffusion layer 116 on the cathode side.
  • CCM catalyst coated membrane
  • the bipolar plate 108 is formed, for example, from a metallic material.
  • the bipolar plate 108 has a plurality of medium passage openings 118, through which a fluid medium to be fed to the electrochemical device 100 (in the case of a fuel cell device, for example, a fuel gas, an oxidizing agent or a coolant) can pass through the bipolar plate 108.
  • a fluid medium to be fed to the electrochemical device 100 in the case of a fuel cell device, for example, a fuel gas, an oxidizing agent or a coolant
  • the medium passage openings 118 of the successive bipolar plates 108 in the stack 102 and the intermediate spaces lying in the stacking direction 104 between the medium passage openings 118 each form a medium channel 120.
  • Each medium channel 120, through which a fluid medium can be supplied to the electrochemical device 100, is assigned at least one other medium channel, through which the fluid medium in question can be removed from the electrochemical device 100.
  • the medium from the first medium channel 120 can cross, preferably essentially flow perpendicular to the stacking direction 104 to the second medium channel.
  • 1 shows, for example, a medium channel 124 for an oxidizing agent of the electrochemical device 100, a medium channel 126 for a coolant of the electrochemical device 100 and a medium channel 128 for a fuel gas or a residual fuel gas of the electrochemical device 100.
  • Each medium channel 120 is in fluid communication with the respectively associated flow field 122 through a flow gate 130.
  • each bipolar plate 108 comprises a first bipolar plate layer 132 and a second bipolar plate layer 134, the along connecting lines 136, which in FIG.
  • broken lines are shown, preferably in a fluid-tight manner, in particular by welding, for example by laser welding.
  • the medium channel 124 for oxidizing agent is in fluid communication via a flow gate 138 for oxidizing agent with a flow field 140 for the oxidizing agent, which is formed between the second bipolar plate layer 134 and the second gas diffusion layer 116.
  • the flow gate 138 comprises a connection chamber 142, which is formed by a space between the first bipolar plate layer 132 and the second bipolar plate layer 134 and has inlet openings 144 facing the oxidant medium in fluid communication with the medium channel 124 and above the flow field 140 for the oxidant facing outlet openings 146 is in fluid communication with the flow field 140.
  • the medium channel 126 for coolant is in fluid communication with a flow field via a flow gate 148 for coolant, which is formed by a space between the first bipolar plate layer 132 and the second bipolar plate layer 134 of the bipolar plate 108 for the coolant which is formed in the space between the first bipolar plate layer 132 and the second bipolar plate layer 134.
  • the medium channel 128 for fuel gas or residual fuel gas is in fluid communication with a flow field for the fuel gas, which is formed between the first bipolar plate layer 132 and the first gas diffusion layer 114, via a flow gate 150 for fuel gas.
  • the first bipolar plate layer 132 and the second bipolar plate layer 134 of the bipolar plate 108 are provided in the region of the flow fields 122 with flow guide elements 152, which can be designed, for example, in the form of raised beads ,
  • the sealing system 112 prevents an undesired escape of the fluid media from the medium channels 120 and the flow fields 122 of the electrochemical device.
  • the sealing system 112 includes a flow field seal assembly 154 that extends around the flow fields 122.
  • the sealing lines 156 of this flow field sealing arrangement 154 are shown in the top view of FIG. 1 by dash-and-dot lines.
  • the sealing system 112 comprises a plurality of medium channel sealing arrangements 158, which each extend around a medium channel 120.
  • the sealing lines 160 of these medium-channel sealing arrangements 158 are shown in the top view of FIG. 1 by dash-dotted lines.
  • the flow field sealing arrangement 154 comprises a first flow field sealing element 162, which is fixed on the (anode-side) first gas diffusion layer 114, and a second flow field sealing element 164, which on the ( cathode-side) second gas diffusion layer 116 is fixed.
  • the flow field sealing elements 162 and 164 are preferably produced by means of an injection molding process, a screen printing process or a dispenser application process on the respectively assigned gas diffusion layer 114 or 116.
  • the flow field sealing elements 162 and 164 preferably comprise an elastomer material and in particular can be formed essentially entirely from an elastomer material.
  • the flow field sealing elements 162 and 164 preferably abut one another in a fluid-tight manner without being fixed to one another.
  • the first flow field sealing element 162 and the second flow field sealing element 164 are preferably - seen in the stacking direction 104 - congruent with one another.
  • each of the flow field sealing elements 162 and 164 is in fluid-tight contact with a bipolar plate layer 132 or 134 without being fixed to the bipolar plate layer 132 or 134 in question.
  • Each of the medium channel sealing arrangements 158 preferably comprises a medium channel sealing element 166, which is fixed to one of the bipolar plate layers 132 or 134 of the bipolar plate 108, for example to the first bipolar plate layer 132.
  • the medium-channel sealing element 166 lies with a sealing surface 168 on the bipolar plate 108 of an electrochemical unit 106 adjacent in the stacking direction 104 in a fluid-tight manner.
  • the medium channel sealing element 166 can be produced on the bipolar plate 108, for example, by means of an injection molding process, a screen printing process or a dispenser application process.
  • the medium channel sealing element 166 preferably comprises an elastomer material and can, in particular, essentially consist entirely of one
  • the medium channel sealing element 166 can have been produced on one of the bipolar plate layers 132, 134 of the bipolar plate 108 after the bipolar plate layers 132 and 134 have been fixed to one another.
  • the medium channel sealing element 166 has been produced on one of the bipolar plate layers 132, 134 before the bipolar plate layers 132 and 134 have been fixed to one another.
  • the connecting lines 142 in particular welding lines, along which the bipolar plate layers 132 and 134 are fixed to one another, do not cross the medium-channel sealing element 166 — viewed along the stacking direction 104 — so that damage to the
  • Medium channel sealing arrangement 158 is avoided during the connection process of the bipolar plate layers 132 and 134, in particular during a welding process, by means of which the bipolar plate layers 132 and 134 are fixed to one another.
  • the medium channel sealing arrangements 158 which extend around the medium channels 120, were produced in one operation on the bipolar plate 108 of the respective electrochemical unit 106.
  • the flow field sealing elements 162 and 164 of the flow field sealing arrangement 154 have each been produced at one of the gas diffusion layers 114 or 116.
  • the large medium channel sealing arrangements 158 By connecting the large medium channel sealing arrangements 158 to the bipolar plate 108, in particular in a tool-based process (for example in an injection molding process or a screen printing process), the otherwise expensive positioning of the sealing system 112 in the area of the medium channels 120 relative to the bipolar plate 108 is eliminated the assembly of the electrochemical device 100.
  • the positioning tolerance of the sealing system 112 on the bipolar plate 108 is therefore composed only of the positioning tolerance of the bipolar plate 108 in the tool that is used to manufacture the medium channel sealing arrangements 158 and the manufacturing tolerance, in particular the tool tolerance, of the medium channel sealing arrangements 158 ,
  • the two seal-on-GDL units 170 are assembled together with the membrane 113 of the membrane-electrode assembly 110 during the assembly of the electrochemical device 100.
  • a second embodiment of an electrochemical device 100 shown in FIGS. 3 and 4 differs from the first embodiment shown in FIGS. 1 and 2 in that the medium channel sealing arrangements 158 each have a bead 172 which is arranged in a of the bipolar plate layers 132, 134 of the bipolar plate 108 is formed.
  • the height h of the medium channel sealing arrangement 158 is preferably less than the height Hi of the bead 172 in the bipolar plate layer 132 or 134, at which the medium channel sealing arrangement 158 is fixed.
  • the medium channel sealing arrangement 158 bears in the assembled state of the electrochemical device 100 via a sealing surface 168 on the bipolar plate 108 of an electrochemical unit 106 adjacent in the stacking direction 104.
  • a bead 174 is preferably also formed in the bipolar plate layer 134 or 132, on which the medium channel sealing arrangement 158 with the sealing surface 168 is in a fluid-tight manner, on which the medium channel sealing arrangement 158 lies.
  • the height h of the medium-channel sealing arrangement 158 is preferably less than the height H2 of the bead 174 in the bipolar plate layer 134 or 132, against which the medium-channel sealing arrangement 158 bears in a fluid-tight manner in the assembled state of the electrochemical device 100.
  • the height h of the medium channel seal arrangement 158 is less than the sum of the height Hi of the bead 172 in the bipolar plate layer 132 or 134, on which the medium channel seal arrangement 158 is fixed, and the height H2 of the bead 174 in the bipolar plate layer 134 or 132, on which the medium channel seal arrangement 158 bears in a fluid-tight manner in the assembled state of the electrochemical device 100, without being fixed thereon.
  • the required height h of the medium channel sealing arrangement 158 in the area of these beads 172, 174 is reduced, so that in particular less elastomer material is required for the production of the medium channel sealing arrangement 158.
  • the medium channel sealing arrangement 158 can be easily produced on the bipolar plate 108 after the two bipolar plate layers 132 and 134 have been fixed to one another, for example by a welding process.
  • the two bipolar plate layers 132 and 134 are fixed to one another, in particular by a welding process, before a seal has been produced on the bipolar plate layers 132, 134, so that there is no risk of such a seal being contaminated by the joining process consists.
  • the connecting lines 136, in particular the welding lines, along which the two bipolar plate layers 132 and 134 are fixed to one another can easily cross the medium channel sealing arrangements 158 — viewed in the stacking direction 104 — since the medium channels - Sealing arrangements 158 are only produced after the bipolar plate layers 132 and 134 have been connected to one another and therefore no damage to the medium channel sealing arrangements 158 can occur during the joining process of the bipolar plate layers 132 and 134.
  • FIG. 4 shows a schematic section through the second embodiment of the electrochemical device 100 in the region of a flow gate 150 for the fuel gas.
  • the flow gate 150 comprises a connecting chamber 142, which is formed by a space between the first bipolar plate layer 132 and the second bipolar plate layer 134 and has inlet openings 144 facing the fuel channel or residual fuel gas in fluid communication with the medium channel 128 and above the flow field 176 for the fuel gas facing outlet openings 146 is in fluid communication with the flow field 176 for the fuel gas.
  • the inlet openings 144 are preferably formed in the bead 172, on which the medium channel sealing arrangement 158 is arranged, specifically preferably on the side of the bead 172 facing the medium channel 120.
  • the outlet openings 146 of the flow gate 130 are preferably formed in an edge web 178 which runs around the flow field 120, in particular the flow field 176 for the fuel gas, preferably on the side of the edge web 178 facing the flow field 120.
  • the flow field sealing arrangement 154 preferably has a lower height than in sections lying outside the flow gates 130.
  • the second embodiment of an electrochemical device 100 shown in FIGS. 3 and 4 corresponds in structure, function and method of manufacture to the first embodiment shown in FIGS. 1 and 2, to the above description of which reference is made in this regard ,

Abstract

Um eine elektrochemische Vorrichtung, umfassend einen Stapel aus mehreren längs einer Stapelrichtung aufeinanderfolgenden elektrochemischen Einheiten, die jeweils eine elektrochemisch aktive Membran-Elektroden-Anordnung, eine Bipolarplatte und ein Dichtungssystem umfassen, mindestens einen Mediumkanal, der sich längs der Stapelrichtung durch mehrere der elektrochemischen Einheiten hindurch erstreckt, und mindestens ein Strömungsfeld, durch welches ein Medium aus dem Mediumkanal quer zu der Stapelrichtung von dem Mediumkanal zu einem anderen Mediumkanal strömen kann, wobei das Dichtungssystem eine Strömungsfeld-Dichtungsanordnung, welche sich um mindestens ein Strömungsfeld herum erstreckt, und mindestens eine Mediumkanal-Dichtungsanordnung, welche sich um einen Mediumkanal herum erstreckt, umfasst, zu schaffen, bei welcher das Dichtungssystem einehohe mechanische Stabilität aufweist und bei der Montage der elektrochemischen Vorrichtung präzise positionierbar ist, wird vorgeschlagen, dass die Strömungsfeld-Dichtungsanordnung an der Membran-Elektroden-Anordnung festgelegt ist und die mindestens eine Mediumkanal-Dichtungsanordnung an der Bipolarplatte festgelegt ist.

Description

Elektrochemische Vorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Vorrichtung, welche Folgendes umfasst:
einen Stapel aus mehreren längs einer Stapelrichtung aufeinanderfolgenden elektrochemischen Einheiten, die jeweils eine elektrochemisch aktive
Membran-Elektroden-Anordnung, eine Bipolarplatte und ein Dichtungssystem umfassen,
mindestens einen Mediumkanal, der sich längs der Stapelrichtung durch mehrere der elektrochemischen Einheiten hindurch erstreckt, und
mindestens ein Strömungsfeld, durch welches ein Medium aus dem Medium- kanal quer zu der Stapelrichtung von dem Mediumkanal zu einem anderen Mediumkanal strömen kann,
wobei das Dichtungssystem eine Strömungsfeld-Dichtungsanordnung, welche sich um mindestens ein Strömungsfeld herum erstreckt, und mindestens eine Mediumkanal-Dichtungsanordnung, welche sich um einen Mediumkanal herum erstreckt, umfasst.
Bei bekannten elektrochemischen Vorrichtung dieser Art ist das Dichtungs- system an eine oder an mehrere Gasdiffusionslagen der Membran-Elektroden- Anordnung angebunden, so dass eine sogenannte Seal-on-GDL-Einheit ge- schaffen wird. Hierbei gibt es jedoch größere Bereiche des Dichtungssystems, vor allem im Bereich der Mediumkanal-Dichtungsanordnungen, welche mecha- nisch instabil sind. Nur die Bereiche des Dichtungssystems in der Nähe der Gasdiffusionslagen, insbesondere Bereiche der Strömungsfeld-Dichtungsanord- nung, werden durch die mechanische Steifheit der Gasdiffusionslagen stabili- siert. Bei großen Zelldesigns mit großen Mediumkanal-Bereichen sind diese mecha- nisch instabilen Bereiche des Dichtungssystems unvorteilhaft im Montagepro- zess der elektrochemischen Vorrichtung, insbesondere im Assemblierprozess der Membran-Elektroden-Anordnung selbst und im Assemblierprozess der Membran-Elektroden-Anordnung an der Bipolarplatte. Die Positioniergenauig- keit des Dichtungssystems im Bereich der Mediumkanäle wird durch die In- stabilität des Dichtungssystems in diesem Bereich deutlich vermindert, oder eine adäquate Positionierung ist unter Umständen gar nicht möglich. Hierdurch steigen die Komplexität und die Kosten der Montageprozesse, welche zur Her- stellung der elektrochemischen Vorrichtung erforderlich sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrochemische Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher das
Dichtungssystem eine hohe mechanische Stabilität aufweist und bei der Montage der elektrochemischen Vorrichtung präzise positionierbar ist.
Diese Aufgabe wird bei einer elektrochemischen Vorrichtung mit den Merk- malen des Oberbegriffs von Anspruch 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Strömungsfeld-Dichtungsanordnung an der Membran-Elektroden-Anord- nung festgelegt ist und die mindestens eine Mediumkanal-Dichtungsanordnung an der Bipolarplatte festgelegt ist.
Der erfindungsgemäßen Lösung liegt das Konzept zugrunde, die weiter von der Membran-Elektroden-Anordnung, insbesondere von den Gasdiffusionslagen, entfernten Bereiche des Dichtungssystems durch Anbindung an die Bipolar- platte mechanisch zu stabilisieren und so deren Positioniergenauigkeit bei der Montage der elektrochemischen Vorrichtung zu verbessern.
Die Strömungsfeld-Dichtungsanordnung, welche den elektrochemisch aktiven Bereich einer elektrochemischen Einheit abdichtet und sich in unmittelbarer Nähe zu der Membran-Elektroden-Anordnung befindet, wird hingegen an die Membran-Elektroden-Anordnung angebunden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Membran-Elektroden-Anordnung zwei Gasdiffusionslagen umfasst und die Strömungsfeld-Dichtungsanordnung an mindestens einer der Gasdiffusionslagen festgelegt ist.
In diesem Fall bildet die Strömungsfeld-Dichtungsanordnung zusammen mit der mindestens einen Gasdiffusionslage eine Seal-on-GDL-Einheit.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Strömungsfeld-Dichtungsanord- nung zwei Strömungsfeld-Dichtelemente umfasst, von denen jedes an jeweils einer der Gasdiffusionslagen festgelegt ist.
In diesem Fall ist die Strömungsfeld-Dichtungsanordnung also mehrteilig, ins- besondere zweiteilig, ausgebildet.
Die Bipolarplatte kann insbesondere mindestens zwei Bipolarplattenlagen um fassen, und die Mediumkanal-Dichtungsanordnung kann ein Mediumkanal- Dichtelement umfassen, das an einer der Bipolarplattenlagen oder an beiden Bipolarplattenlagen festgelegt ist.
Das Mediumkanal-Dichtelement kann an einer der Bipolarplattenlagen erzeugt worden sein, bevor die Bipolarplattenlagen aneinander festgelegt worden sind. Hierbei ist es möglich, die einzelne Bipolarplattenlage, an welcher ein
Dichtelement angespritzt wird, auf der dem Dichtelement abgewandten Seite abzustützen. Eine Werkzeug-Abdrückkante, welche beispielsweise eine
Spritzgießwerkzeug-Kavität zur Umgebung hin abdichtet, kann während der Erzeugung des Mediumkanal-Dichtelements mit ausreichendem Anpressdruck an der Bipolarplattenlage platziert werden. Um das an einer Bipolarplattenlage erzeugte Mediumkanal-Dichtelement beim Fügen der Bipolarplattenlagen zu der Bipolarplatte nicht zu beschädigen, ist es günstig, wenn die Bipolarplattenlagen längs Verbindungslinien, insbesondere Schweißlinien, aneinander festgelegt sind, welche das Mediumkanal-Dichtele- ment - längs der Stapelrichtung gesehen - nicht kreuzen.
Bei einer alternativen Ausgestaltung der elektrochemischen Vorrichtung ist vorgesehen, dass das Mediumkanal-Dichtelement an einer der Bipolarplatten- lagen erzeugt worden ist, nachdem die Bipolarplattenlagen aneinander fest- gelegt worden sind. In diesem Fall ist eine Beschädigung des Mediumkanal- Dichtelements durch den Fügevorgang, mittels welchem die Bipolarplatte aus den Bipolarplattenlagen gebildet wird, von vornherein ausgeschlossen.
Die Mediumkanal-Dichtungsanordnung kann beispielsweise mittels eines Spritzgießvorgangs erzeugt sein.
Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass die Mediumkanal-Dichtungsan- ordnung mittels eines Siebdruckvorgangs erzeugt ist.
Bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Mediumkanal-Dichtungsanordnung an einer Sicke, die in einer Bipolarplatten- lage der Bipolarplatte ausgebildet ist, angeordnet, insbesondere festgelegt, ist.
Ferner kann vorgesehen sein, dass im montierten Zustand der elektrochemi- schen Vorrichtung die Mediumkanal-Dichtungsanordnung an einer Sicke, die in einer Bipolarplattenlage einer Bipolarplatte ausgebildet ist, fluiddicht anliegt.
Die Höhe h der Mediumkanal-Dichtungsanordnung ist vorzugsweise kleiner als die Höhe Hi der Sicke, an welcher die Mediumkanal-Dichtungsanordnung fest- gelegt ist, und/oder kleiner als die Höhe H2 der Sicke, an welcher die Medium- kanal-Dichtungsanordnung im montierten Zustand der elektrochemischen Vorrichtung fluiddicht anliegt. Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass die Höhe h der Mediumkanal-Dichtungsanordnung kleiner ist als die Summe der Höhen Hi und Hz.
Unter der Höhe eines Elements ist in dieser Beschreibung und in den beigefüg- ten Ansprüchen dessen Ausdehnung längs der Stapelrichtung zu verstehen.
Wenn der Mediumkanal und das Strömungsfeld durch eine Strömungspforte miteinander in Fluidverbindung stehen, so umfasst die Strömungspforte vor- zugsweise eine Medium-Durchtrittsöffnung, welche in der Sicke ausgebildet ist, an welcher die Mediumkanal-Dichtungsanordnung festgelegt ist, oder in der Sicke ausgebildet ist, an welcher die Mediumkanal-Dichtungsanordnung im montierten Zustand der elektrochemischen Vorrichtung fluiddicht anliegt.
Die Medium-Durchtrittsöffnung ist dabei vorzugsweise auf der dem Medium- kanal zugewandten Seite der jeweiligen Sicke ausgebildet.
Wenn eine der Bipolarplattenlagen der Bipolarplatte einen um das Strömungs- feld umlaufenden Randsteg aufweist, so kann vorgesehen sein, dass in dem Randsteg eine Medium-Durchtrittsöffnung ausgebildet ist.
Eine solche Medium-Durchtrittsöffnung kann insbesondere einen Bestandteil einer Strömungspforte bilden, durch welche der Mediumkanal und das Strö- mungsfeld miteinander in Fluidverbindung stehen.
Die in dem Randsteg ausgebildete Medium-Durchtrittsöffnung ist dabei vor- zugsweise auf der dem Strömungsfeld zugewandten Seite des Randstegs an- geordnet. Die Strömungsfeld-Dichtungsanordnung kann insbesondere mittels eines Spritzgießvorgangs, eines Siebdruckvorgangs oder eines Dispenserauftrags- vorgangs erzeugt sein.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Vorrichtung, welche
einen Stapel aus mehreren, längs einer Stapelrichtung aufeinanderfolgenden elektrochemischen Einheiten, die jeweils eine elektrochemisch aktive
Membran-Elektroden-Anordnung, eine Bipolarplatte und ein Dichtungssystem umfassen,
mindestens einen Mediumkanal, der sich längs der Stapelrichtung durch mehrere der elektrochemischen Einheiten hindurch erstreckt, und
mindestens ein Strömungsfeld, durch welches ein Medium aus dem Medium- kanal quer zu der Stapelrichtung von dem Mediumkanal zu einem anderen Mediumkanal strömen kann,
umfasst,
wobei das Dichtungssystem eine Strömungsfeld-Dichtungsanordnung, welche sich um mindestens ein Strömungsfeld herum erstreckt, und mindestens eine Mediumkanal-Dichtungsanordnung, welche sich um einen Mediumkanal herum erstreckt, umfasst.
Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein solches Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Vorrichtung zu schaffen, durch welches eine hohe mechanische Stabilität und eine hohe Positionier- genauigkeit des Dichtungssystems bei der Herstellung der elektrochemischen Vorrichtung erzielt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der vorstehend ge- nannten Art gelöst, welches Folgendes umfasst:
Erzeugen der Strömungsfeld-Dichtungsanordnung an der Membran- Elektroden-Anordnung; Erzeugen der mindestens einen Mediumkanal-Dichtungsanordnung an der Bipolarplatte.
Besondere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind bereits vorstehend im Zusammenhang mit besonderen Ausgestaltungen der er- findungsgemäßen elektrochemischen Vorrichtung erläutert worden.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zum Herstellen einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Vorrichtung.
Die elektrochemische Vorrichtung kann insbesondere als eine Brennstoff- zellenvorrichtung oder ein Elektrolyseur ausgebildet sein.
Die Brennstoffzellenvorrichtung kann insbesondere als eine Polymer-Elektro- lyt-Membran-Brennstoffzellenvorrichtung ausgebildet sein.
Die Bipolarplatte kann eine oder mehrere Einzellagen umfassen.
Die Membran-Elektroden-Einheit kann insbesondere eine Membran, ein anodenseitiges Katalysatorelement, ein kathodenseitiges Katalysatorelement und vorzugsweise zwei Gasdiffusionslagen umfassen.
Die elektrochemische Vorrichtung umfasst Manifolds oder Medienkanäle, über welche fluide Medien, insbesondere ein Oxidationsmittel, ein Brenngas und/oder ein Kühlmittel, in der Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrich- tung den elektrochemischen Einheiten zugeführt und aus den elektrochemi- schen Einheiten abgeführt werden können. Die elektrochemische Vorrichtung kann Strömungspforten umfassen, über welche jeweils ein fluides Medium aus einem Mediumkanal zu einem Strö- mungsfeld beziehungsweise zum elektrochemisch aktiven Bereich einer elektrochemischen Einheit zugeführt oder über welche jeweils ein fluides Medium aus dem Strömungsfeld beziehungsweise aus dem elektrochemisch aktiven Bereich der elektrochemischen Einheit zu einem Mediumkanal abge- führt werden kann.
Das Dichtungssystem dichtet die Medienräume für das anodenseitige fluide Medium, das kathodenseitige fluide Medium und gegebenenfalls das Kühlmittel gegeneinander und gegenüber der Umgebung ab.
Die Strömungsfeld-Dichtungsanordnung verläuft rund um den elektrochemisch aktiven Bereich der elektrochemischen Einheit.
Jede der Mediumkanal-Dichtungsanordnungen verläuft jeweils rund um jeweils einen Mediumkanal oder um eine Medium-Durchtrittsöffnung in der Bipolar- platte.
Die Strömungsfeld-Dichtungsanordnung, welche rund um den elektrochemisch aktiven Bereich verläuft, wird an die Membran-Elektroden-Anordnung ange- bunden.
Die Mediumkanal-Dichtungsanordnungen, welche rund um jeweils einen Mediumkanal verlaufen, werden an die Bipolarplatte angebunden.
Die Strömungsfeld-Dichtungsanordnung kann an die gesamte Membran- Elektroden-Anordnung oder an eine oder mehrere Komponenten der
Membran-Elektroden-Anordnung angebunden sein. Die Strömungsfeld-Dichtungsanordnung kann aus zwei Teilen bestehen, welche jeweils an eine der beiden Gasdiffusionslagen der Membran-Elektro- den-Anordnung angebunden sind.
Die Mediumkanal-Dichtungsanordnung und/oder die Strömungsfeld-Dich- tungsanordnung können mittels Spritzguss, Siebdruck, Dispenserauftrag oder durch ein ähnliches Verfahren hergestellt werden.
Jede der Mediumkanal-Dichtungsanordnungen kann jeweils an eine Einzellage der Bipolarplatte oder an eine aus mehreren Einzellagen bestehende Bipolar- platte angebunden werden.
Dem Prozess, in dem die jeweilige Mediumkanal-Dichtungsanordnung an der Bipolarplatte erzeugt wird, kann ein Fügeprozess, insbesondere ein Schweiß- prozess, nachgelagert sein, in welchem mehrere Lagen der Bipolarplatte mit- einander gefügt, insbesondere miteinander verschweißt, werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nach- folgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungs- beispielen.
In den Zeichnungen zeigen :
Fig. 1 eine ausschnittsweise schematische Draufsicht auf eine
elektrochemische Einheit einer mehrere längs einer Stapelrich- tung aufeinanderfolgende elektrochemische Einheiten um fassenden elektrochemischen Vorrichtung, im Bereich einer Oxidationsmittelzufuhr, einer Kühlmittelzufuhr und einer Rest- Brenngasabfuhr; Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch die Oxidationsmittelzufuhr der elektrochemischen Einheit aus Fig. 1, längs der Linie 2 - 2 in Fig. i;
Fig. 3 eine ausschnittsweise schematische Draufsicht auf eine zweite
Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit einer mehrere längs einer Stapelrichtung aufeinanderfolgende elektrochemische Einheiten umfassenden elektrochemischen Vorrichtung, im Be- reich einer Rest-Brenngasabfuhr, einer Kühlmittelzufuhr und einer Oxidationsmittelzufuhr; und
Fig. 4 einen schematischen Schnitt durch die Brenngaszufuhr der
elektrochemischen Einheit aus Fig. 3, längs der Linie 4 - 4 in Fig.
3.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit den- selben Bezugszeichen bezeichnet.
Eine in den Fig. 1 und 2 dargestellte, als Ganzes mit 100 bezeichnete elektro- chemische Vorrichtung, beispielsweise eine Brennstoffzellenvorrichtung oder ein Elektrolyseur, umfasst einen Stapel 102, der mehrere in einer Stapelrich- tung 104 aufeinanderfolgende elektrochemische Einheiten 106, beispielsweise Brennstoffzelleneinheiten oder Elektrolyseeinheiten, und eine (nicht darge- stellte) Spannvorrichtung zum Beaufschlagen der elektrochemischen Einheiten mit einer längs der Stapelrichtung 104 gerichteten Spannkraft umfasst.
Wie am besten aus Fig. 2 zu ersehen ist, umfasst jede elektrochemische Ein- heit 106 der elektrochemischen Vorrichtung 100 jeweils eine Bipolarplatte 108, eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) 110 und ein Dichtungssystem Die Membran-Elektroden-Anordnung 110 umfasst beispielsweise eine katalysatorbeschichtete Membran ("catalyst coated membrane"; CCM) 113 und zwei Gasdiffusionslagen 114 und 116, wobei eine erste Gasdiffusionslage 114 anodenseitig und eine zweite Gasdiffusionslage 116 kathodenseitig ange- ordnet ist.
Die Bipolarplatte 108 ist beispielsweise aus einem metallischen Material gebil- det.
Die Bipolarplatte 108 weist mehrere Medium-Durchtrittsöffnungen 118 auf, durch welche jeweils ein der elektrochemischen Vorrichtung 100 zuzu- führendes fluides Medium (im Falle einer Brennstoffzellenvorrichtung bei- spielsweise ein Brenngas, ein Oxidationsmittel oder ein Kühlmittel) durch die Bipolarplatte 108 hindurchtreten kann.
Die Medium-Durchtrittsöffnungen 118 der im Stapel 102 aufeinanderfolgenden Bipolarplatten 108 und die in der Stapelrichtung 104 zwischen den Medium- Durchtrittsöffnungen 118 liegenden Zwischenräume bilden zusammen jeweils einen Mediumkanal 120.
Jedem Mediumkanal 120, durch welchen ein fluides Medium der elektrochemi- schen Vorrichtung 100 zuführbar ist, ist jeweils mindestens ein anderer Mediumkanal zugeordnet, durch welchen das betreffende fluide Medium aus der elektrochemischen Vorrichtung 100 abführbar ist.
Durch ein dazwischenliegendes Strömungsfeld 122, welches vorzugsweise an einer Oberfläche einer benachbarten Bipolarplatte 108 oder (beispielsweise im Falle eines Kühlmittel-Strömungsfelds) im Zwischenraum zwischen den Lagen einer mehrlagigen Bipolarplatte 108 ausgebildet ist, kann das Medium aus dem ersten Mediumkanal 120 quer, vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht, zu der Stapelrichtung 104 zu dem zweiten Mediumkanal strömen. In Fig. 1 sind beispielsweise ein Mediumkanal 124 für ein Oxidationsmittel der elektrochemischen Vorrichtung 100, ein Mediumkanal 126 für ein Kühlmittel der elektrochemischen Vorrichtung 100 und ein Mediumkanal 128 für ein Brenngas oder ein Rest-Brenngas der elektrochemischen Vorrichtung 100 dargestellt.
Durch jeweils eine Strömungspforte 130 steht jeder Mediumkanal 120 in Fluidverbindung mit dem jeweils zugeordneten Strömungsfeld 122.
Jede Bipolarplatte 108 umfasst bei der in den Zeichnungen dargestellten Aus- führungsform eine erste Bipolarplattenlage 132 und eine zweite Bipolar- plattenlage 134, die längs Verbindungslinien 136, welche in Fig. 1 in
gebrochenen Linien dargestellt sind, vorzugsweise stoffschlüssig, insbesondere durch Verschweißung, beispielsweise durch Laserschweißung, fluiddicht an- einander festgelegt sind.
Wie aus Fig. 1 zu ersehen ist, steht der Mediumkanal 124 für Oxidationsmittel über eine Strömungspforte 138 für Oxidationsmittel in Fluidverbindung mit einem Strömungsfeld 140 für das Oxidationsmittel, welches zwischen der zweiten Bipolarplattenlage 134 und der zweiten Gasdiffusionslage 116 ausge- bildet ist.
Die Strömungspforte 138 umfasst eine Verbindungskammer 142, die durch einen Zwischenraum zwischen der ersten Bipolarplattenlage 132 und der zweiten Bipolarplattenlage 134 gebildet ist und über dem Mediumkanal 124 für Oxidationsmittel zugewandte Eintrittsöffnungen 144 in Fluidverbindung mit dem Mediumkanal 124 und über dem Strömungsfeld 140 für das Oxidations- mittel zugewandte Austrittsöffnungen 146 in Fluidverbindung mit dem Strö- mungsfeld 140 steht. Wie ferner aus Fig. 1 zu ersehen ist, steht der Mediumkanal 126 für Kühlmittel über eine Strömungspforte 148 für Kühlmittel, die durch einen Zwischenraum zwischen der ersten Bipolarplattenlage 132 und der zweiten Bipolarplattenlage 134 der Bipolarplatte 108 ausgebildet ist, in Fluidverbindung mit einem Strö- mungsfeld für das Kühlmittel, welches im Zwischenraum zwischen der ersten Bipolarplattenlage 132 und der zweiten Bipolarplattenlage 134 ausgebildet ist.
Der Mediumkanal 128 für Brenngas oder Rest-Brenngas steht über eine Strö- mungspforte 150 für Brenngas in Fluidverbindung mit einem Strömungsfeld für das Brenngas, welches zwischen der ersten Bipolarplattenlage 132 und der ersten Gasdiffusionslage 114 ausgebildet ist.
Um die Strömung der Medien durch die jeweils zugeordneten Strömungsfelder 122 zu führen, sind die erste Bipolarplattenlage 132 und die zweite Bipolar- plattenlage 134 der Bipolarplatte 108 im Bereich der Strömungsfelder 122 mit Strömungsleitelementen 152 versehen, welche beispielsweise in Form er- habener Sicken ausgebildet sein können.
Ein unerwünschtes Austreten der fluiden Medien aus den Mediumkanälen 120 und den Strömungsfeldern 122 der elektrochemischen Vorrichtung wird durch das Dichtungssystem 112 vermieden.
Das Dichtungssystem 112 umfasst eine Strömungsfeld-Dichtungsanordnung 154, welche sich um die Strömungsfelder 122 herum erstreckt. Die Dichtlinien 156 dieser Strömungsfeld-Dichtungsanordnung 154 sind in der Draufsicht von Fig. 1 durch strichdoppelpunktierte Linien dargestellt.
Ferner umfasst das Dichtungssystem 112 mehrere Mediumkanal-Dichtungsan- ordnungen 158, welche sich um jeweils einen Mediumkanal 120 herum er- strecken. Die Dichtlinien 160 dieser Mediumkanal-Dichtungsanordnungen 158 sind in der Draufsicht von Fig. 1 durch strichpunktierte Linien dargestellt. Wie am besten aus Fig. 2 zu ersehen ist, umfasst die Strömungsfeld-Dich- tungsanordnung 154 ein erstes Strömungsfeld-Dichtelement 162, welches an der (anodenseitigen) ersten Gasdiffusionslage 114 festgelegt ist, und ein zweites Strömungsfeld-Dichtelement 164, welches an der (kathodenseitigen) zweiten Gasdiffusionslage 116 festgelegt ist.
Die Strömungsfeld-Dichtelemente 162 und 164 sind vorzugsweise mittels eines Spritzgießvorgangs, eines Siebdruckvorgangs oder eines Dispenserauf- tragsvorgangs an der jeweils zugeordneten Gasdiffusionslage 114 bezie- hungsweise 116 erzeugt.
Die Strömungsfeld-Dichtelemente 162 und 164 umfassen vorzugsweise ein Elastomermaterial und können insbesondere im Wesentlichen vollständig aus einem Elastomermaterial gebildet sein.
Die Strömungsfeld-Dichtelemente 162 und 164 liegen im montierten Zustand der elektrochemischen Vorrichtung 100 vorzugsweise fluiddicht aneinander an, ohne aneinander festgelegt zu sein.
Das erste Strömungsfeld-Dichtelement 162 und das zweite Strömungsfeld- Dichtelement 164 sind vorzugsweise - in der Stapelrichtung 104 ge- sehen - miteinander deckungsgleich ausgebildet.
Jedes der Strömungsfeld-Dichtelemente 162 und 164 liegt im montierten Zu- stand der elektrochemischen Vorrichtung 100 fluiddicht an jeweils einer Bi- polarplattenlage 132 beziehungsweise 134 an, ohne an der betreffenden Bi- polarplattenlage 132 beziehungsweise 134 festgelegt zu sein.
Jede der Mediumkanal-Dichtungsanordnungen 158 umfasst vorzugsweise je- weils ein Mediumkanal-Dichtelement 166, welches an einer der Bipolar- plattenlagen 132 oder 134 der Bipolarplatte 108, beispielsweise an der ersten Bipolarplattenlage 132, festgelegt ist. Im montierten Zustand der elektrochemischen Vorrichtung 100 liegt das Mediumkanal-Dichtelement 166 mit einer Dichtfläche 168 an der Bipolarplatte 108 einer in der Stapelrichtung 104 benachbarten elektrochemischen Einheit 106 fluiddicht an.
Das Mediumkanal-Dichtelement 166 kann beispielsweise mittels eines Spritz- gießvorgangs, eines Siebdruckvorgangs oder eines Dispenserauftragsvorgangs an der Bipolarplatte 108 erzeugt sein.
Das Mediumkanal-Dichtelement 166 umfasst vorzugsweise ein Elastomer- material und kann insbesondere im Wesentlichen vollständig aus einem
Elastomermaterial gebildet sein.
Das Mediumkanal-Dichtelement 166 kann an einer der Bipolarplattenlagen 132, 134 der Bipolarplatte 108 erzeugt worden sein, nachdem die Bipolar- plattenlagen 132 und 134 aneinander festgelegt worden sind.
Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass das Mediumkanal-Dichtelement 166 an einer der Bipolarplattenlagen 132, 134 erzeugt worden ist, bevor die Bipolarplattenlagen 132 und 134 aneinander festgelegt worden sind.
In diesem Fall ist es günstig, wenn die Verbindungslinien 142, insbesondere Schweißlinien, längs welcher die Bipolarplattenlagen 132 und 134 aneinander festgelegt werden, das Mediumkanal-Dichtelement 166 - längs der Stapel- richtung 104 gesehen - nicht kreuzen, so dass eine Beschädigung der
Mediumkanal-Dichtungsanordnung 158 während des Verbindungsvorgangs der Bipolarplattenlagen 132 und 134, insbesondere während eines Schweißvor- gangs, durch welchen die Bipolarplattenlagen 132 und 134 aneinander festge- legt werden, vermieden wird. Bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten elektrochemischen Vorrichtung 100 sind die Mediumkanal-Dichtungsanordnungen 158, welche sich rund um die Mediumkanäle 120 erstrecken, in einem Arbeitsvorgang an der Bipolarplatte 108 der jeweiligen elektrochemischen Einheit 106 erzeugt worden.
Die Strömungsfeld-Dichtelemente 162 und 164 der Strömungsfeld-Dichtungs- anordnung 154 sind jeweils an einer der Gasdiffusionslagen 114 beziehungs- weise 116 erzeugt worden.
Durch die Anbindung der großen Mediumkanal-Dichtungsanordnungen 158 an die Bipolarplatte 108, insbesondere in einem werkzeuggebundenen Prozess (beispielsweise in einem Spritzgießvorgang oder einem Siebdruckvorgang) entfällt die sonst erforderliche aufwändige Positionierung des Dichtungs- systems 112 im Bereich der Mediumkanäle 120 relativ zu der Bipolarplatte 108 bei der Montage der elektrochemischen Vorrichtung 100.
Die Positioniertoleranz des Dichtungssystems 112 an der Bipolarplatte 108 setzt sich daher nur aus der Positioniertoleranz der Bipolarplatte 108 in dem Werkzeug, das zur Herstellung der Mediumkanal-Dichtungsanordnungen 158 verwendet wird, und der Fertigungstoleranz, insbesondere der Werkzeugtole- ranz, der Mediumkanal-Dichtungsanordnungen 158 zusammen.
Jede der Gasdiffusionslagen 114 und 116 bildet zusammen mit dem jeweils daran festgelegten Strömungsfeld-Dichtelement 162 beziehungsweise 164, welches relativ schmal ausgebildet sein kann und um die jeweils zugeordnete Gasdiffusionslage 114 beziehungsweise 116 umläuft, jeweils eine Seal-on- GDL-Einheit 170, welche durch die mechanische Steifigkeit der jeweiligen Gas- diffusionslage 114 beziehungsweise 116 sehr formstabil und damit bei der Montage der elektrochemischen Vorrichtung 100 leicht zu positionieren ist. Die beiden Seal-on-GDL-Einheiten 170 werden bei der Montage der elektro- chemischen Vorrichtung 100 gemeinsam mit der Membran 113 der Membran- Elektroden-Anordnung 110 assembliert.
Eine in den Fig. 3 und 4 dargestellte zweite Ausführungsform einer elektro- chemischen Vorrichtung 100 unterscheidet sich von der in den Fig. 1 und 2 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass die Mediumkanal-Dich- tungsanordnungen 158 jeweils an einer Sicke 172, die in einer der Bipolar- plattenlagen 132, 134 der Bipolarplatte 108 ausgebildet ist, festgelegt sind.
Dabei ist die Höhe h der Mediumkanal-Dichtungsanordnung 158 vorzugsweise kleiner als die Höhe Hi der Sicke 172 in der Bipolarplattenlage 132 bezie- hungsweise 134, an welcher die Mediumkanal-Dichtungsanordnung 158 fest- gelegt ist.
Die Mediumkanal-Dichtungsanordnung 158 liegt auch bei dieser Ausführungs- form im montierten Zustand der elektrochemischen Vorrichtung 100 über eine Dichtfläche 168 an der Bipolarplatte 108 einer in der Stapelrichtung 104 be- nachbarten elektrochemischen Einheit 106 an.
Dabei ist auch in der Bipolarplattenlage 134 beziehungsweise 132, an welcher die Mediumkanal-Dichtungsanordnung 158 mit der Dichtfläche 168 fluiddicht anliegt, vorzugsweise eine Sicke 174 ausgebildet, an welcher die Medium- kanal-Dichtungsanordnung 158 anliegt.
Vorzugsweise ist die Höhe h der Mediumkanal-Dichtungsanordnung 158 kleiner als die Höhe H2 der Sicke 174 in der Bipolarplattenlage 134 bezie- hungsweise 132, an welcher die Mediumkanal-Dichtungsanordnung 158 im montierten Zustand der elektrochemischen Vorrichtung 100 fluiddicht anliegt. Zumindest aber ist es günstig, wenn die Höhe h der Mediumkanal-Dichtungs- anordnung 158 kleiner ist als die Summe der Höhe Hi der Sicke 172 in der Bipolarplattenlage 132 oder 134, an welcher die Mediumkanal-Dichtungsan- ordnung 158 festgelegt ist, und der Höhe H2 der Sicke 174 in der Bipolar- plattenlage 134 beziehungsweise 132, an welcher die Mediumkanal-Dich- tungsanordnung 158 im montierten Zustand der elektrochemischen Vorrich- tung 100 fluiddicht anliegt, ohne an derselben festgelegt zu sein.
Durch die in den Bipolarplattenlagen 132, 134 vorgesehenen Sicken 172, 174 wird die erforderliche Höhe h der Mediumkanal-Dichtungsanordnung 158 im Bereich dieser Sicken 172, 174 reduziert, so dass insbesondere weniger Elastomermaterial für die Erzeugung der Mediumkanal-Dichtungsanordnung 158 benötigt wird.
Es ist daher insbesondere einfacher, die Mediumkanal-Dichtungsanordnung 158 mittels eines Siebdruckvorgangs auf eine der Bipolarplattenlagen 132,
134 aufzubringen.
Da bei der Erzeugung der Mediumkanal-Dichtungsanordnung 158 mittels eines Siebdruckvorgangs kein Werkzeug mit einem hohen Anpressdruck gegen die Bipolarplatte 108 gepresst werden muss, kann die Mediumkanal-Dichtungsan- ordnung 158 ohne Weiteres an der Bipolarplatte 108 erzeugt werden, nach- dem die beiden Bipolarplattenlagen 132 und 134 aneinander festgelegt worden sind, beispielsweise durch einen Schweißvorgang.
Die Festlegung der beiden Bipolarplattenlagen 132 und 134 aneinander, insbe- sondere durch einen Schweißvorgang, kann in diesem Fall erfolgen, bevor eine Dichtung an den Bipolarplattenlagen 132, 134 erzeugt worden ist, so dass keine Gefahr einer Verschmutzung einer solchen Dichtung durch den Fügevor- gang besteht. Ferner können in diesem Fall ohne Weiteres die Verbindungslinien 136, insbe- sondere die Schweißlinien, längs welcher die beiden Bipolarplattenlagen 132 und 134 aneinander festgelegt sind, ohne Weiteres die Mediumkanal-Dich- tungsanordnungen 158 - in der Stapelrichtung 104 gesehen - kreuzen, da die Mediumkanal-Dichtungsanordnungen 158 erst nach der Verbindung der Bi- polarplattenlagen 132 und 134 miteinander erzeugt werden und somit keine Beschädigung der Mediumkanal-Dichtungsanordnungen 158 beim Fügevor- gang der Bipolarplattenlagen 132 und 134 auftreten kann.
Fig. 4 zeigt einen schematischen Schnitt durch die zweite Ausführungsform der elektrochemischen Vorrichtung 100 im Bereich einer Strömungspforte 150 für das Brenngas.
Die Strömungspforte 150 umfasst eine Verbindungskammer 142, die durch einen Zwischenraum zwischen der ersten Bipolarplattenlage 132 und der zweiten Bipolarplattenlage 134 gebildet ist und über dem Mediumkanal 128 für Brenngas oder Rest-Brenngas zugewandte Eintrittsöffnungen 144 in Fluidver- bindung mit dem Mediumkanal 128 und über dem Strömungsfeld 176 für das Brenngas zugewandte Austrittsöffnungen 146 in Fluidverbindung mit dem Strömungsfeld 176 für das Brenngas steht.
Die Eintrittsöffnungen 144 sind vorzugsweise in der Sicke 172 ausgebildet, an welcher die Mediumkanal-Dichtungsanordnung 158 angeordnet ist, und zwar vorzugsweise auf der dem Mediumkanal 120 zugewandten Seite der Sicke 172.
Die Austrittsöffnungen 146 der Strömungspforte 130 sind vorzugsweise in einem Randsteg 178 ausgebildet, welcher um das Strömungsfeld 120, insbe- sondere das Strömungsfeld 176 für das Brenngas, umläuft, und zwar vor- zugsweise auf der dem Strömungsfeld 120 zugewandten Seite des Randstegs 178. Im Bereich der Strömungspforten 130 weist die Strömungsfeld-Dichtungsan- ordnung 154 vorzugsweise eine geringere Höhe auf als in außerhalb der Strö- mungspforten 130 liegenden Abschnitten.
Im Übrigen stimmt die in den Fig. 3 und 4 dargestellte zweite Ausführungs- form einer elektrochemischen Vorrichtung 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in den Fig. 1 und 2 dargestellten ersten Aus- führungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrochemische Vorrichtung, umfassend
einen Stapel (102) aus mehreren längs einer Stapelrichtung (104) auf- einanderfolgenden elektrochemischen Einheiten (106), die jeweils eine elektrochemisch aktive Membran-Elektroden-Anordnung (110), eine Bi- polarplatte (108) und ein Dichtungssystem (112) umfassen,
mindestens einen Mediumkanal (120), der sich längs der Stapelrichtung (104) durch mehrere der elektrochemischen Einheiten (106) hindurch erstreckt, und
mindestens ein Strömungsfeld (122), durch welches ein Medium aus dem Mediumkanal (120) quer zu der Stapelrichtung (104) von dem Mediumkanal (120) zu einem anderen Mediumkanal strömen kann, wobei das Dichtungssystem (112) eine Strömungsfeld-Dichtungsanord- nung (154), welche sich um mindestens ein Strömungsfeld (122) herum erstreckt, und
mindestens eine Mediumkanal-Dichtungsanordnung (158), welche sich um einen Mediumkanal (120) herum erstreckt,
umfasst, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Strömungsfeld-Dichtungsanordnung (154) an der Membran- Elektroden-Anordnung (110) festgelegt ist und die mindestens eine Mediumkanal-Dichtungsanordnung (158) an der Bipolarplatte (108) fest- gelegt ist.
2. Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran-Elektroden-Anordnung (110) zwei Gasdiffusionslagen (114, 116) umfasst und die Strömungsfeld-Dichtungsanordnung (154) an mindestens einer der Gasdiffusionslagen (114, 116) festgelegt ist.
3. Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsfeld-Dichtungsanordnung (154) zwei Strömungsfeld- Dichtelemente (162, 164) umfasst, von denen jedes an jeweils einer der Gasdiffusionslagen (114, 116) festgelegt ist.
4. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (108) mindestens zwei Bipolarplattenlagen (132, 134) umfasst und die Mediumkanal-Dichtungs- anordnung (158) ein Mediumkanal-Dichtelement (166) umfasst, das an einer der Bipolarplattenlagen (132, 134) oder an beiden Bipolarplatten- lagen (132, 134) festgelegt ist.
5. Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Mediumkanal-Dichtelement (166) an einer der Bipolarplatten- lagen (132, 134) erzeugt worden ist, bevor die Bipolarplattenlagen (132, 134) aneinander festgelegt worden sind.
6. Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplattenlagen (132, 134) längs Verbindungslinien (136) aneinander festgelegt sind und die Verbindungslinien (136) das Medium- kanal-Dichtelement (166) - längs der Stapelrichtung (104) ge- sehen - nicht kreuzen.
7. Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Mediumkanal-Dichtelement (166) an einer der Bipolarplatten- lagen (132, 134) erzeugt worden ist, nachdem die Bipolarplattenlagen (132, 134) aneinander festgelegt worden sind.
8. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die Mediumkanal-Dichtungsanordnung (158) mittels eines Spritzgießvorgangs erzeugt ist.
9. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mediumkanal-Dichtungsanordnung (158) mittels eines Siebdruckvorgangs erzeugt ist.
10. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass die Mediumkanal-Dichtungsanordnung (158) an einer Sicke (172, 174), die in einer Bipolarplattenlage (132, 134) der Bipolarplatte (108) ausgebildet ist, angeordnet ist.
11. Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich- net, dass die Höhe (h) der Mediumkanal-Dichtungsanordnung (158) kleiner ist als die Höhe (Hi, H2) der Sicke (172, 174).
12. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Mediumkanal (120) und das Strö- mungsfeld (122) durch eine Strömungspforte (130) miteinander in Fluid- verbindung stehen und die Strömungspforte (130) eine Medium-Durch- trittsöffnung umfasst, welche in der Sicke (172, 174) ausgebildet ist.
13. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass eine der Bipolarplattenlagen (132, 134) der Bipolarplatte (108) einen um das Strömungsfeld (122) umlaufenden Randsteg (178) aufweist und in dem Randsteg (178) eine Medium- Durchtrittsöffnung ausgebildet ist.
14. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsfeld-Dichtungsanordnung (154) mittels eines Spritzgießvorgangs, eines Siebdruckvorgangs oder eines Dispenserauftragsvorgangs erzeugt ist.
15. Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Vorrichtung (100), welche
einen Stapel (102) aus mehreren, längs einer Stapelrichtung (104) auf- einanderfolgenden elektrochemischen Einheiten (106), die jeweils eine elektrochemisch aktive Membran-Elektroden-Anordnung (110), eine Bi- polarplatte (108) und ein Dichtungssystem (112) umfassen,
mindestens einen Mediumkanal (120), der sich längs der Stapelrichtung (104) durch mehrere der elektrochemischen Einheiten (106) hindurch erstreckt, und
mindestens ein Strömungsfeld (122), durch welches ein Medium aus dem Mediumkanal (120) quer zu der Stapelrichtung (104) von dem Mediumkanal (120) zu einem anderen Mediumkanal strömen kann, umfasst,
wobei das Dichtungssystem (112) eine Strömungsfeld-Dichtungsanord- nung (154), welche sich um mindestens ein Strömungsfeld (172) herum erstreckt, und mindestens eine Mediumkanal-Dichtungsanordnung (158), welche sich um einen Mediumkanal (120) herum erstreckt, umfasst, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
Erzeugen der Strömungsfeld-Dichtungsanordnung (154) an der Membran-Elektroden-Anordnung (110);
Erzeugen der mindestens einen Mediumkanal-Dichtungsanordnung (158) an der Bipolarplatte (108).
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