WO2021122159A1 - Elektrochemische vorrichtung und verfahren zum herstellen einer elektrochemischen vorrichtung - Google Patents

Abstract

Um eine elektrochemische Vorrichtung, umfassend mehrere, längs einer Stapelrichtung aufeinanderfolgende elektrochemische Einheiten, welche jeweils eine Membran, eine erste Gasdiffusionslage, eine zweite Gasdiffusionslage, ein stoffschlüssig mit der ersten Gasdiffusionslage verbundenes erstes Dichtelement, ein stoffschlüssig mit der zweiten Gasdiffusionslage verbundenes zweites Dichtelement und eine Bipolarplatte umfassen, zu schaffen, welche in einfacher Weise eine präzise Positionierung der Dichtelemente der elektrochemischen Vorrichtung relativ zu den Bipolarplatten der elektrochemischen Vorrichtung bei der Assemblierung der elektrochemischen Vorrichtung ermöglicht, wird vorgeschlagen, dass das erste Dichtelement mindestens einer elektrochemischen Einheit durch mindestens eine Kopplungseinrichtung mechanisch mit dem zweiten Dichtelement derselben elektrochemischen Einheit, mit dem ersten Dichtelement einer benachbarten elektrochemischen Einheit, mit dem zweiten Dichtelement einer benachbarten elektrochemischen Einheit und/oder mit einer Bipolarplatte gekoppelt ist.

Description

Elektrochemische Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Vorrichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Vorrichtung, welche mehrere, längs einer Stapelrichtung aufeinanderfolgende elektrochemische Einheiten umfasst, wobei jede der elektrochemischen Einheiten jeweils eine Membran, eine erste Gasdiffusionslage, eine zweite Gasdiffusionslage, ein stoffschlüssig mit der ersten Gasdiffusionslage verbundenes erstes Dichtele ment, ein stoffschlüssig mit der zweiten Gasdiffusionslage verbundenes zwei tes Dichtelement und eine Bipolarplatte umfasst.

Ein Dichtelement, das stoffschlüssig mit einer Gasdiffusionslage verbunden ist, wird als ein "Seal on Gas Diffusion Layer" (SoGDL) bezeichnet.

Dabei kann das Dichtelement insbesondere in einem Spritzgießverfahren di rekt an die Gasdiffusionslage angespritzt sein.

Die Gasdiffusionslage kann papierähnlich ausgebildet sein und beispielsweise aus einem Karbongeflecht gebildet sein.

An die Gasdiffusionslage wird das Dichtelement aus einem Elastomermaterial angespritzt.

Der von Elastomermaterial freibleibende Bereich der Gasdiffusionslage ermög licht die Diffusion eines Mediums, beispielsweise eines Brenngases oder eines Oxidationsmittels, zu der in der elektrochemischen Einheit zwischen den zwei Gasdiffusionslagen angeordneten Membran.

Das ein Elastomermaterial umfassende Dichtelement dichtet ein Strömungs feld der elektrochemischen Einheit gegenüber Mediumkanälen der elektrochemischen Vorrichtung und gegenüber der Umgebung der elektro chemischen Vorrichtung und/oder Mediumkanäle der elektrochemischen Vor richtung gegenüber anderen Mediumkanälen und gegenüber der Umgebung der elektrochemischen Vorrichtung ab.

Bei der Assemblierung der elektrochemischen Vorrichtung aus den Gasdiffu sionslagen mit den daran angebundenen Dichtelementen, den Membranen und den Bipolarplatten muss auf eine sehr genaue Positionierung dieser verschie denen Bauteile der elektrochemischen Vorrichtung relativ zueinander geachtet werden.

Aufgrund der hohen Anzahl der zur Assemblierung erforderlichen Verbauvor gänge, die jeweils eine sehr hohe Positioniergenauigkeit erfordern, ist eine Automatisierung des Assembliervorgangs mit großen Herausforderungen ver bunden.

Probleme werden insbesondere verursacht durch die Labilität der stoffschlüssig mit den Gasdiffusionslagen verbundenen Dichtelemente und durch die Un ebenheit der Gasdiffusionslagen und der mit denselben verbundenen Dichtele mente.

Die Unebenheit der Dichtelemente ergibt sich zwangsläufig daraus, dass das Elastomermaterial in das Formgebungswerkzeug bei einer Temperatur von 100 °C oder höher eingespritzt wird und die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Elastomermaterials einerseits und des Materials der Gasdiffusionslage an dererseits sehr unterschiedlich sind. Dadurch ergibt sich beim Abkühlen des an die Gasdiffusionslage angespritzten Dichtelements ein stark unterschiedliches Schrumpfungsverhalten der Werkstoffe des Dichtelements einerseits und der Gasdiffusionslage andererseits, was zu einer Wölbung und/oder Wellenbildung an dem SoGDL-Dichtelement im auf Raumtemperatur abgekühlten Zustand führt. Durch die so erzeugten Unebenheiten ist eine genaue Positionierung der Dichtelemente relativ zu den Bipolarplatten schwierig, weshalb eine Undicht heit in der elektrochemischen Vorrichtung nicht ausgeschlossen werden kann.

Somit können aus einer unpräzisen Positionierung der Dichtelemente relativ zueinander und relativ zu den Bipolarplatten Gas- und Flüssigkeitsleckagen re sultieren.

Bei bekannten Verfahren zur Assemblierung einer solchen elektrochemischen Vorrichtung werden die SoGDL-Dichtelemente mittels Einlege-Schablonen an den Außenkanten der SoGDL-Dichtelemente positioniert.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrochemische Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche in einfacher Weise eine präzise Positionierung der Dichtelemente der elektrochemischen Vorrichtung relativ zueinander und/oder relativ zu den Bipolarplatten der elektrochemischen Vorrichtung bei der Assemblierung der elektrochemischen Vorrichtung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einer elektrochemischen Vorrichtung mit den Merkma len des Oberbegriffs von Anspruch 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das erste Dichtelement mindestens einer elektrochemischen Einheit durch mindestens eine Kopplungseinrichtung mechanisch mit dem zweiten Dichtele ment derselben elektrochemischen Einheit, mit dem ersten Dichtelement einer benachbarten elektrochemischen Einheit, mit dem zweiten Dichtelemente einer benachbarten elektrochemischen Einheit und/oder mit einer Bipolarplatte gekoppelt ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt das Konzept zugrunde, durch eine mechani sche Kopplung zwischen den Dichtelementen einer elektrochemischen Einheit, durch eine mechanische Kopplung zwischen Dichtelementen einander benach barter elektrochemischen Einheiten und/oder durch eine mechanische Kopplung zwischen einem Dichtelement und einer Bipolarplatte einer elektro chemischen Einheit unabhängig von externen Positionierhilfen eine präzise Positionierung der Bauteile einer elektrochemischen Einheit relativ zueinander und relativ zu den Bauteilen einer benachbarten elektrochemischen Einheit zu ermöglichen.

Ferner ist es möglich, das Dichtelement durch Ziehen im Bereich der Kopp lungseinrichtungen bei der Herstellung der mechanischen Kopplung mit einer Vorspannung zu beaufschlagen, um so die Unebenheit oder Welligkeit des Dichtelements und der stoffschlüssig mit dem Dichtelement verbundenen Gas diffusionslage zu reduzieren oder sogar zu eliminieren.

Durch diese verbesserte Ebenheit des Systems aus dem Dichtelement und der damit verbundenen Gasdiffusionslage wird der Assembliervorgang der elektro chemischen Vorrichtung deutlich vereinfacht.

Die Kopplungseinrichtung kann eine Kopplung der miteinander gekoppelten Bauteile insbesondere durch Formschluss und/oder durch Kraftschluss bewir ken.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass min destens eine Kopplungseinrichtung ein Kopplungselement umfasst, welche in Eingriff mit einer Kopplungsöffnung oder einer Kopplungsaufnahme steht.

Ein solches Kopplungselement kann einen Hinterschneidungsbereich aufwei sen, welcher eine Kopplungsöffnung oder einen Rückhaltebereich einer Kopp lungsaufnahme hintergreift.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Kopplungselement einen Zap fen, einen Pilzkopf, einen Napf, einen Druckknopf und/oder einen Saugnapf umfasst. Bei einer möglichen Ausgestaltung eines solchen Kopplungselements ist vorge sehen, dass das Kopplungselement aus einem Elastomermaterial gebildet ist.

Ein solches Kopplungselement wird vorzugsweise in der Nähe eines Anspritz punktes für das Elastomermaterial angeordnet.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eines der Dichtelemente, beispielsweise das erste Dichtelement, als ein Rah- men-Dichtelement ausgebildet ist, welches ein Elastomerteil und einen Rah men umfasst, wobei der Rahmen aus einem Material gebildet ist, das eine hö here Formstabilität aufweist als das Elastomermaterial, aus dem das Elasto merteil gebildet ist.

In diesem Fall ist der Rahmen vorzugsweise mit einem Kopplungselement einer Kopplungseinrichtung und/oder mit einer Kopplungsöffnung oder einer Kopplungsaufnahme einer Kopplungseinrichtung versehen.

Der Rahmen ist vorzugsweise nicht aus einem Elastomermaterial gebildet.

Bei einer solchen Ausgestaltung wird die Baugruppe aus dem Dichtelement und der Gasdiffusionslage, mit welcher das betreffende Dichtelement stoff schlüssig verbunden ist, dadurch stabilisiert, dass der - vorzugsweise um das betreffende Dichtelement umlaufende - formstabile Rahmen in das betref fende Dichtelement integriert wird.

Durch den formstabilen Rahmen wird die Handhabbarkeit der Baugruppe aus dem Dichtelement und der Gasdiffusionslage, mit welcher das Dichtelement stoffschlüssig verbunden ist, verbessert.

Das betreffende Dichtelement weist dadurch eine größere Maßhaltigkeit in der senkrecht zur Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung ausgerichte ten X-Y-Ebene auf. Eine Welligkeit der Gasdiffusionslage und/oder des stoffschlüssig mit der Gas diffusionslage verbundenen Dichtelements in der Z-Richtung (parallel zur Sta pelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung) wird reduziert oder ganz ver mieden.

Dadurch wird eine Automatisierung des Assembliervorgangs der elektrochemi schen Vorrichtung, die das Dichtelement und die Gasdiffusionslage, mit wel cher das Dichtelement stoffschlüssig verbunden ist, enthält, weiter erleichtert.

Durch die Verwendung des zusätzlichen Rahmens in dem Dichtelement wird eine formstabile Baugruppe erzeugt, welche eine Gasdiffusionslage und eine SoGDL-Dichtung umfasst, wobei diese Baugruppe hinsichtlich ihrer Maßhaltig keit und ihrer Handhabbarkeit deutlich verbesserte Eigenschaften aufweist.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass min destens eine Kopplungseinrichtung ein an dem zweiten Dichtelement einer elektrochemischen Einheit vorgesehenes Kopplungselement umfasst, welches in Eingriff mit einer an dem ersten Dichtelement derselben elektrochemischen Einheit vorgesehenen Kopplungsöffnung steht.

In diesem Fall kann ferner vorgesehen sein, dass das Kopplungselement auch in Eingriff mit einer Kopplungsöffnung in einer Bipolarplatte steht.

Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass mindestens eine Kopplungseinrichtung ein an dem ersten Dichtelement einer elektrochemi schen Einheit vorgesehenes Kopplungselement umfasst, welches in Eingriff mit einer an dem ersten Dichtelement einer benachbarten elektrochemischen Ein heit vorgesehenen Kopplungsöffnung steht.

Dabei kann ferner vorgesehen sein, dass das Kopplungselement sich durch eine Durchtrittsöffnung in einer zwischen dem ersten Dichtelement der einen elektrochemischen Einheit und dem ersten Dichtelement der benachbarten elektrochemischen Einheit angeordneten Bipolarplatte hindurch erstreckt.

Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass mindestens eine Kopplungseinrichtung ein an dem ersten Dichtelement einer elektrochemi schen Einheit vorgesehenes Kopplungselement umfasst, welches in Eingriff mit einer Kopplungsöffnung einer Bipolarplatte steht.

Hinsichtlich der Anordnung der Kopplungseinrichtung an dem Dichtelement ist es günstig, wenn mindestens eine Kopplungseinrichtung ein Kopplungsele ment, eine Kopplungsöffnung oder eine Kopplungsaufnahme umfasst, das bzw. die an einer Lasche des Dichtelements angeordnet ist, welche außerhalb eines Dichtbereichs des betreffenden Dichtelements angeordnet ist und sich von dem Dichtbereich weg erstreckt.

Auf diese Weise wird erreicht, dass die Abdichtwirkung des Dichtelements durch die Kopplungseinrichtung nicht beeinträchtigt wird.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass min destens eine Kopplungseinrichtung als eine Rasteinrichtung ausgebildet ist.

Hierdurch wird erreicht, dass durch die Kopplungseinrichtung nicht nur eine präzise Positionierung der miteinander gekoppelten Bauteile relativ zueinander erzielt wird, sondern auch ein Auseinanderbewegen der durch die Kopplungs einrichtung miteinander gekoppelten Bauteile (insbesondere längs der Stapel richtung der elektrochemischen Vorrichtung) verhindert wird, so dass diese Bauteile (und gegebenenfalls dazwischen angeordnete weitere Bauteile) wäh rend des Assembliervorgangs der elektrochemischen Vorrichtung als eine Ein heit gehandhabt werden können. Die Anzahl der Kopplungseinrichtungen und deren Abstand längs des Umfangs des ersten Dichtelements wird so gewählt, dass eine ausreichend präzise Posi tionierung des Dichtelements und eine angestrebte Reduzierung der Welligkeit des Dichtelements erzielt wird.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das erste Dichtelement mindestens einer elektrochemischen Einheit durch mindestens zwei, insbesondere mindestens drei, besonders bevorzugt mindestens vier, Kopplungseinrichtungen mecha nisch mit dem zweiten Dichtelement derselben elektrochemischen Einheit, durch mindestens zwei, insbesondere mindestens drei, besonders bevorzugt mindestens vier, Kopplungseinrichtungen mit dem ersten Dichtelement einer benachbarten elektrochemischen Einheit, durch mindestens zwei, insbesondere mindestens drei, besonders bevorzugt mindestens vier, Kopplungseinrichtungen mit dem zweiten Dichtelement einer benachbarten elektrochemischen Einheit und/oder durch mindestens zwei, insbesondere mindestens drei, besonders bevorzugt mindestens vier, Kopplungseinrichtungen mit einer Bipolarplatte gekoppelt ist.

Bei einer besonderen Ausgestaltung der elektrochemischen Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass die Bauteile einer einer elektrochemischen Einheit der elektrochemischen Vorrichtung benachbarten weiteren elektrochemischen Einheit identisch mit den Bauteilen der elektrochemischen Einheit ausgebildet, jedoch um einen Winkel von 180° um eine parallel zur Stapelrichtung verlau fende mittige Drehachse zueinander verdreht im Stapel montiert sind.

Alternativ hierzu kann auch vorgesehen sein, dass die Bauteile einer einer elektrochemischen Einheit der elektrochemischen Vorrichtung benachbarten weiteren elektrochemischen Einheit nicht nur identisch miteinander ausge bildet sind, sondern auch in derselben Orientierung im Stapel der elektro chemischen Vorrichtung montiert sind, also insbesondere ohne eine Verdre hung um einen Winkel von 180° um eine parallel zur Stapelrichtung verlau fende mittige Drehachse. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Vorrichtung, die mehrere längs einer Stapelrichtung aufeinanderfolgende elektrochemische Einheiten umfasst, wobei die elektrochemischen Einheiten jeweils eine Membran, eine erste Gas diffusionslage, eine zweite Gasdiffusionslage, ein stoffschlüssig mit der ersten Gasdiffusionslage verbundenes erstes Dichtelement, ein stoffschlüssig mit der zweiten Gasdiffusionslage verbundenes zweites Dichtelement und eine Bipolar platte umfassen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der vorstehend genannten Art zu schaffen, welches eine besonders präzise Po sitionierung des ersten Dichtelements relativ zu dem zweiten Dichtelement derselben elektrochemischen Einheit, relativ zu mindestens einem Dichtele ment einer benachbarten elektrochemischen Einheit und/oder relativ zu einer Bipolarplatte ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Herstel len einer elektrochemischen Vorrichtung, wobei das Verfahren Folgendes um fasst: mechanisches Koppeln des ersten Dichtelements mindestens einer elektrochemischen Einheit durch mindestens eine Kopplungseinrichtung mit dem zweiten Dichtelement derselben elektrochemischen Einheit, mit dem ersten Dichtelement einer benachbarten elektrochemischen Einheit, mit dem zweiten Dichtelement einer benachbarten elektrochemischen Einheit oder mit einer Bipolarplatte.

Besondere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind bereits vorstehend im Zusammenhang mit besonderen Ausgestaltungen der erfin dungsgemäßen elektrochemischen Vorrichtung erläutert worden. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zum Herstellen einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Vorrichtung.

Das erste Dichtelement kann eine oder mehrere Durchtrittsöffnungen aufwei sen, in welche externe Positionierelemente, beispielsweise ein Positionierstift oder eine Stange einer Assembliervorrichtung, eingreifen können, um das Dichtelement mit einer Vorspannung zu beaufschlagen und/oder während der Assemblierung der elektrochemischen Vorrichtung präzise zu positionieren.

Mit Kopplungseinrichtungen versehene Bereiche des ersten Dichtelements können nach dem Assembliervorgang in der elektrochemischen Vorrichtung verbleiben oder, beispielsweise zur Beseitigung von geometrischen und/oder funktionellen Einschränkungen, nach dem Assembliervorgang entfernt werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgen den Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispie len.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht von oben auf eine Anordnung aus mehreren elektrochemischen Einheiten, welche jeweils eine Membran, eine erste Gasdiffusionslage, eine zweite Gasdiffusionslage, ein stoff schlüssig mit der ersten Gasdiffusionslage verbundenes erstes Dichtelement, ein stoffschlüssig mit der zweiten Gasdiffusionslage verbundenes zweites Dichtelement und eine mehrlagige Bipolar platte umfassen;

Fig. 2 einen parallel zur Stapelrichtung genommenen Querschnitt durch die Anordnung aus Fig. 1 im Bereich einer Strömungsfeld-Abdich tung, längs der Linie 2 - 2 in Fig. 1; Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs I aus Fig. 1;

Fig. 4 einen Querschnitt durch die Anordnung aus Fig. 3 im Bereich einer Mediumkanal-Abdichtung, längs der Linie 4 - 4 in Fig. 3;

Fig. 5 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs II aus Fig. 1;

Fig. 6 einen Querschnitt durch die Anordnung aus Fig. 5 im Bereich einer Kopplungseinrichtung, durch welche das zweite Dichtele ment mechanisch mit einem formstabilen Rahmen des ersten Dichtelements und mit einer Bipolarplatte gekoppelt ist, längs der Linie 6 - 6 in Fig. 5;

Fig. 7 eine weitere vergrößerte Darstellung des Bereichs II aus Fig. 1;

Fig. 8 einen Querschnitt durch die Anordnung aus Fig. 7 im Bereich einer Kopplungseinrichtung, durch welche ein Rahmen eines ersten Dichtelements einer elektrochemischen Einheit mit einem Elastomerteil eines ersten Dichtelements einer benachbarten elektrochemischen Einheit gekoppelt ist, längs der Linie 8 - 8 in Fig. 7;

Fig. 9 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs III aus Fig. 1;

Fig. 10 einen Querschnitt durch die Anordnung aus Fig. 9 im Bereich einer Mediumkanal-Abdichtung, längs der Linie 10 - 10 in Fig. 9;

Fig. 11 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs IV aus Fig. 1; Fig. 12 einen Querschnitt durch die Anordnung aus Fig. 11 im Bereich einer Kopplungseinrichtung, durch welche der Rahmen eines ersten Dichtelements einer elektrochemischen Einheit mit einem Elastomerteil des ersten Dichtelements einer benachbarten elektrochemischen Einheit gekoppelt ist;

Fig. 13 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs V aus Fig. 12;

Fig. 14 eine Draufsicht von oben auf den Rahmen des ersten Dichtele ments einer der elektrochemischen Einheiten der Anordnung aus Fig. 1;

Fig. 15 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs VI aus Fig. 14;

Fig. 16 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs VII aus Fig. 14;

Fig. 17 eine Draufsicht auf eine kathodenseitige Bipolarplattenlage der Bi polarplatte einer der elektrochemischen Einheiten aus Fig. 1;

Fig. 18 eine Draufsicht auf eine anodenseitige Bipolarplattenlage der Bi polarplatte einer der elektrochemischen Einheiten der Anordnung aus Fig. 1;

Fig. 19 eine Draufsicht auf das Elastomerteil des ersten Dichtelements einer der elektrochemischen Einheiten der Anordnung aus Fig. 1;

Fig. 20 eine Draufsicht auf das zweite Dichtelement einer der elektroche mischen Einheiten der Anordnung aus Fig. 1, wobei dieses zweites Dichtelement nur ein Elastomerteil umfasst; Fig. 21 eine Draufsicht auf das erste Dichtelement einer der elektroche mischen Einheiten der Anordnung aus Fig. 1, wobei das erste Dichtelement ein Elastomerteil und einen formstabilen Rahmen umfasst;

Fig. 22 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs VIII aus Fig. 21;

Fig. 23 einen Querschnitt durch das erste Dichtelement aus den Fig. 21 und 22 in einem Entlüftungsbereich des Rahmens;

Fig. 24 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs IX aus Fig. 21;

Fig. 25 einen Querschnitt durch das erste Dichtelement aus Fig. 24 im Bereich einer Strömungsfeld-Abdichtung, längs der Linie 25 - 25 in Fig. 24;

Fig. 26 einen Querschnitt durch das erste Dichtelement aus Fig. 24 im Bereich einer Kopplungsöffnung in dem Elastomerteil des ersten Dichtelements, längs der Linie 26 - 26 in Fig. 24;

Fig. 27 einen Querschnitt durch das erste Dichtelement aus Fig. 24 im

Bereich einer Mediumkanal-Abdichtung, längs der Linie 27 - 27 in Fig. 24;

Fig. 28 einen der Fig. 13 entsprechenden Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer Anordnung aus mehreren elektrochemi schen Einheiten im Bereich einer Kopplungseinrichtung, durch welche der Rahmen des ersten Dichtelements einer elektrochemi schen Einheit mit einer benachbarten Bipolarplatte gekoppelt ist; Fig. 29 eine Draufsicht auf einen Abschnitt eines ersten Dichtelements einer elektrochemischen Einheit bei einer dritten Ausführungs form, bei welcher der Rahmen des ersten Dichtelements mehrtei lig ausgebildet ist und längs seines Umfangs mindestens einen Spalt aufweist, der zwei Rahmenteile des Rahmens voneinander trennt;

Fig. 30 einen parallel zur Stapelrichtung genommenen Querschnitt durch eine Anordnung aus mehreren elektrochemischen Einheiten bei einer vierten Ausführungsform der elektrochemischen Vorrich tung, bei welcher der Rahmen des Rahmen-Dichtelements gestuft ausgebildet ist, längs der Linie 30 - 30 in Fig. 1;

Fig. 31 Querschnitt durch eine fünfte Ausführungsform der elektrochemi schen Vorrichtung, bei welcher der Rahmen des Rahmen-Dicht elements als ein in das Elastomermaterial des Elastomerteils ein gebettetes metallisches Einlegeteil ausgebildet ist, welches einen äußeren Rahmenbereich und einen inneren Rahmenbereich um fasst, wobei der äußere Rahmenbereich über einen gebogenen Bereich mit dem inneren Rahmenbereich verbunden ist und mit dem inneren Rahmenbereich einen stumpfen Winkel einschließt;

Fig. 32 einen den Fig. 30 und 31 entsprechenden Querschnitt durch eine sechste Ausführungsform der elektrochemischen Vorrichtung, bei welcher der Rahmen mit einer Dichtlippe versehen ist, welche von dem Elastomerteil beabstandet und zwischen dem Elastomerteil und einem äußeren Rand des Rahmens des Rahmen-Dichtele ments angeordnet ist; Fig. 33 eine ausschnittsweise Draufsicht von oben auf den Rahmen eines Rahmen-Dichtelements bei einer Variante der ersten Ausfüh rungsform einer elektrochemischen Vorrichtung, bei welcher eine an dem Rahmen vorgesehene Ausnehmung als eine Durchtritts öffnung mit einem geschlossenen Rand ausgebildet ist; und

Fig. 34 einen der Fig. 6 entsprechenden Querschnitt durch eine siebte

Ausführungsform der elektrochemischen Vorrichtung, bei welcher die Bauteile von einander in der Stapelrichtung der elektrochemi schen Vorrichtung benachbarten elektrochemischen Einheiten identisch miteinander ausgebildet und ohne Verdrehung um einen Winkel von 180° um eine parallel zur Stapelrichtung verlaufende mittige Drehachse, also mit identischer Orientierung, im Stapel montiert sind.

Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit densel ben Bezugszeichen bezeichnet.

Eine als Ganzes mit 100 bezeichnete elektrochemische Vorrichtung, beispiels weise eine Brennstoffzellenvorrichtung oder ein Elektrolyseur, umfasst einen Stapel 102, der mehrere in einer Stapelrichtung 104 aufeinanderfolgende elektrochemische Einheiten 106, beispielsweise Brennstoffzelleneinheiten oder Elektrolyseeinheiten, und eine (nicht dargestellte) Spannvorrichtung zum Be aufschlagen der elektrochemischen Einheiten 106 mit einer längs der Stapel richtung 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 erste Gasdiffu sionslage 108, eine zweite Gasdiffusionslage 110, eine zwischen den Gasdiffu sionslagen 108 und 110 angeordnete Membran 112, insbesondere eine katalysatorbeschichtete Membran (CCM), ein stoffschlüssig mit der ersten Gasdiffusionslage 108 verbundenes erstes Dichtelement 114, ein stoffschlüssig mit der zweiten Gasdiffusionslage 110 verbundenes zweites Dichtelement 116 und eine Bipolarplatte 118.

Die Bipolarplatte 118 ist beispielsweise aus einem metallischen Material oder aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoffmaterial gebildet.

Jede Bipolarplatte 118 umfasst bei der zeichnerisch dargestellten Ausführungs form eine erste Bipolarplattenlage 120, welche der ersten Gasdiffusionslage 108 der jeweiligen elektrochemischen Einheit 106 zugewandt ist, und eine zweite Bipolarplattenlage 122, welche der ersten Gasdiffusionslage 108 der je weiligen elektrochemischen Einheit 106 abgewandt und der zweiten Gasdiffu sionslage 110 einer benachbarten elektrochemischen Einheit 106' zugewandt ist.

Die beiden Bipolarplattenlagen 120 und 122 jeder Bipolarplatte 118 sind stoff schlüssig, insbesondere durch Verschweißung, beispielsweise durch Laser schweißung, fluiddicht aneinander festgelegt.

Die erste Bipolarplattenlage 120 ist einzeln in Fig. 18 dargestellt.

Die zweite Bipolarplattenlage 122 ist einzeln in Fig. 17 dargestellt.

An ihrem äußeren Umfang ist die zweite Bipolarplatte 122 mit mindestens einer Kontaktierungslasche 121 versehen, an welcher die Bipolarplatte 118 mit einem (nicht dargestellten) Spannungsabgriffselement kontaktierbar ist.

Ferner ist die zweite Bipolarplattenlage 122 an ihrem äußeren Umfang mit mindestens einer Stapelkante 123 versehen, an welcher während eines Assembliervorgangs der elektrochemischen Vorrichtung 100 ein (nicht darge stelltes) Stapelhilfsmittel angreifen kann, um die Bauteile des Stapels 102 prä zise auszurichten. Die Kontaktierungslasche 121 und/oder die Stapelkante 123 können alternativ oder ergänzend hierzu auch an der ersten Bipolarplattenlage 120 angeordnet sein.

Das erste Dichtelement 114 ist einzeln in Fig. 21 dargestellt.

Das zweite Dichtelement 116 ist einzeln in Fig. 20 dargestellt.

Die erste Gasdiffusionslage 108 kann beispielsweise eine anodenseitige Gasdif fusionslage der elektrochemischen Einheit 106 sein.

Die zweite Gasdiffusionslage 110 kann beispielsweise eine kathodenseitige Gasdiffusionslage der elektrochemischen Einheit 106 sein.

Grundsätzlich können aber auch Anodenseite und Kathodenseite der elektro chemischen Einheit 106 miteinander vertauscht werden, so dass dann die erste Gasdiffusionslage 108 die kathodenseitige Gasdiffusionslage und die zweite Gasdiffusionslage 110 die anodenseitige Gasdiffusionslage ist.

Die Bauteile der benachbarten elektrochemischen Einheit 106' sind vorzugs weise identisch mit den Bauteilen der elektrochemischen Einheit 106 ausgebil det, jedoch um einen Winkel von 180° um eine parallel zur Stapelrichtung 104 verlaufende mittige Drehachse zueinander verdreht im Stapel 102 montiert.

Das erste Dichtelement 114 ist als ein Rahmen-Dichtelement 124 ausgebildet, welches ein in Fig. 19 einzeln dargestelltes Elastomerteil 126 und einen in Fig. 14 einzeln dargestellten Rahmen 128 umfasst.

Das Elastomerteil 126 ist aus einem Elastomermaterial, beispielsweise aus einem Silikonmaterial, gebildet. Der Rahmen 128 ist aus einem Material gebildet, das eine höhere Formstabili tät aufweist als das Elastomermaterial, aus dem das Elastomerteil 126 gebildet ist.

Als Material für den Rahmen 128 kann beispielsweise ein Werkstoff mit der Be zeichnung PPS GF40 verwendet werden, weicher ein Polyphenylensulfid-Mate- rial mit einem Zusatz von Glasfasern in einem Anteil von 40 Gewichtsprozent Glasfasern enthält.

Alternativ oder ergänzend hierzu kann als Material für den Rahmen 128 ein Werkstoff mit der Bezeichnung PPA GF35 verwendet werden, welcher ein Polyphtalamid-Material mit einem Zusatz von Glasfasern in einem Anteil von 35 Gewichtsprozent Glasfasern enthält.

Ferner kann als Material für den Rahmen 128 ein Leiterplattenwerkstoff ver wendet werden, insbesondere ein Hartpapier.

Insbesondere kann als Material für den Rahmen 128 ein flammhemmendes Leiterplatten-Basismaterial, beispielsweise das Leiterplatten-Basismaterial mit der Bezeichnung FR2, FR3 oder FR4 (dabei steht "FR" für "flame retardant", also flammhemmend), verwendet werden.

Das Leiterplatten-Basismaterial FR2 umfasst ein Papier in Standardqualität und Phenolharz.

Das Leiterplatten-Basismaterial FR3 umfasst einen Kern aus Epoxidharz und Papier.

Das Leiterplatten-Basismaterial FR4 umfasst ein Epoxidharz und ein Glasfaser gewebe. Bei Verwendung eines der vorstehend genannten Materialien für den Rahmen 128 kann das erste Dichtelement 114 durch ein Spritzgießverfahren hergestellt werden, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:

Einbringen der ersten Gasdiffusionslage 108 in ein (nicht dargestelltes) Formgebungswerkzeug;

Einbringen des Rahmens 128 als Einlegeteil in das Formgebungswerk zeug;

Erzeugen des Elastomerteils 126, welches stoffschlüssig mit der ersten Gasdiffusionslage 108 und stoffschlüssig mit dem Rahmen 128 verbun den ist, durch einen Spritzgießvorgang in dem Formgebungswerkzeug.

Alternativ hierzu kann das erste Dichtelement 114 auch in einem Mehr-Kom- ponenten-Spritzgießverfahren, insbesondere in einem Zwei-Komponenten- Spritzgießverfahren, hergestellt werden, wobei das Verfahren Folgendes um fasst:

Einbringen der ersten Gasdiffusionslage 108 in ein Formgebungswerk zeug;

Erzeugen des Rahmens 128 durch einen Spritzgießvorgang in dem Form gebungswerkzeug, wobei der Rahmen 128 beispielsweise aus einem Polybuthylen-Teraphthalat (PBTP), aus dem Werkstoff mit der Be zeichnung PPS GF40 (Polyphenylensulfid mit einem Zusatz von Glasfa sern in einem Anteil von 40 Gewichtsprozent Glasfasern) oder aus dem Werkstoff mit der Bezeichnung PPA GF35 (Polyphtalamid mit einem Zusatz von Glasfasern in einem Anteil von 35 Gewichtsprozent Glasfasern) gebildet wird; Erzeugen des Elastomerteils 126, welches stoffschlüssig mit der ersten Gasdiffusionslage und stoffschlüssig mit dem Rahmen 128 verbunden ist, durch einen zweiten Spritzgießvorgang in dem Formgebungswerkzeug.

Jede Bipolarplattenlage 120, 122 und das Elastomerteil 126 des Rahmen- Dichtelements 124 weist jeweils mehrere Medium-Durchtrittsöffnungen 130 auf, durch welche jeweils ein der elektrochemischen Vorrichtung 100 zuzufüh rendes fluides Medium (im Falle einer Brennstoffzellenvorrichtung beispiels weise ein Brenngas, ein Oxidationsmittel oder ein Kühlmittel) durch die jewei lige Bipolarplattenlage 120, 122 beziehungsweise durch das Elastomerteil 126 des Rahmen-Dichtelements 124 hindurchtreten kann.

Die Medium-Durchtrittsöffnungen 130 der im Stapel 102 aufeinanderfolgenden Bipolarplattenlagen 120, 122 und der dazwischen angeordneten Elastomerteile 126 der Rahmen-Dichtelemente 124 bilden zusammen jeweils einen Medium kanal 132.

Jedem Mediumkanal 132, durch welchen ein fluides Medium der elektrochemi schen Vorrichtung 100 zuführbar ist, ist jeweils mindestens ein anderer Me diumkanal 132 zugeordnet, durch welchen das betreffende fluide Medium aus der elektrochemischen Vorrichtung 100 abführbar ist.

Durch ein dazwischenliegendes Strömungsfeld, welches vorzugsweise an einer Oberfläche einer benachbarten Bipolarplattenlage 120, 122 oder (insbesondere im Falle eines Kühlmittel-Strömungsfelds) im Zwischenraum zwischen der ersten Bipolarplattenlage 120 und der zweiten Bipolarplattenlage 122 einer Bi polarplatte 118 ausgebildet ist, kann das Medium aus dem ersten Mediumka nal 132 quer, vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht, zu der Stapelrichtung 104 zu dem jeweils zugeordneten zweiten Mediumkanal 132 strömen. In den Fig. 1, 17, 18 und 19 sind beispielsweise zwei Mediumkanäle 134 für ein Oxidationsmittel der elektrochemischen Vorrichtung 100, zwei Mediumka näle 136 für ein Kühlmittel der elektrochemischen Vorrichtung 100 und zwei Mediumkanäle 138 für ein Brenngas oder ein Rest-Brenngas der elektrochemi schen Vorrichtung 100 dargestellt.

Wie aus den Fig. 17 und 18 zu ersehen ist, steht jeder Mediumkanal 132 durch jeweils eine Strömungspforte 140 in Fluidverbindung mit einem jeweils zuge ordneten Strömungsfeld.

Ein unerwünschtes Austreten der fluiden Medien aus dem Mediumkanälen 132 und den Strömungsfeldern der elektrochemischen Vorrichtung wird durch die Dichtelemente 114 und 116 der elektrochemischen Einheiten 106 vermieden.

Wie beispielsweise aus Fig. 2 zu ersehen ist, umfasst das Elastomerteil 126 des ersten Dichtelements 114 einen Strömungsfeld-Dichtbereich 142, welcher sich um ein Strömungsfeld, beispielsweise um das Strömungsfeld für das Brenngas, herum erstreckt und eine oder mehrere, bei der dargestellten Aus führungsform zwei, Dichtlippen 144 umfasst, welche an der ersten Bipolarplat tenlage 120 der Bipolarplatte 118 fluiddicht anliegen, ohne an derselben fest gelegt zu sein.

Ferner umfasst das Elastomerteil 126 des ersten Dichtelements 114, wie bei spielsweise aus den Fig. 4 und 19 zu ersehen ist, mehrere Mediumkanal-Dicht- bereiche 146, welche sich um jeweils einen Mediumkanal 132 herum er strecken und an der ersten Bipolarplattenlage 120 der Bipolarplatte 118 der selben elektrochemischen Einheit 106 sowie an der zweiten Bipolarplattenlage 122 der Bipolarplatte 118 einer benachbarten elektrochemischen Einheit 106' fluiddicht anliegen, ohne an diesen Bipolarplattenlagen 120 beziehungsweise 122 festgelegt zu sein. Der Mediumkanal-Dichtbereich 146 weist vorzugsweise eine oder mehrere Dichtlippen 148 auf, mit denen das Elastomerteil 126 an der ersten Bipolar plattenlage 120 anliegt.

Ferner umfasst der Mediumkanal-Dichtbereich 146 vorzugsweise eine oder mehrere Dichtlippen 150, mit denen das Elastomerteil 126 an der zweiten Bi polarplattenlage 122 der benachbarten elektrochemischen Einheit 106 anliegt.

Das zweite Dichtelement 116 umfasst, wie beispielsweise aus Fig. 2 und Fig.

20 zu ersehen ist, einen Strömungsfeld-Dichtbereich 152, welcher sich um ein Strömungsfeld der elektrochemischen Einheit 106, beispielsweise um das Strö mungsfeld für Oxidationsmittel, herum erstreckt.

Der Strömungsfeld-Dichtbereich 152 des zweiten Dichtelements 116 umfasst vorzugsweise eine oder mehrere Dichtlippen 154, mit denen das zweite Dicht element 116 an einer zweiten Bipolarplattenlage 122 einer benachbarten elektrochemischen Einheit fluiddicht anliegt, ohne an der Bipolarplattenlage 122 festgelegt zu sein.

Ferner liegen der Strömungsfeld-Dichtbereich 152 des zweiten Dichtelements 116 und der Strömungsfeld-Dichtbereich 142 des ersten Dichtelements 114 mit ihren einander zugewandten, vorzugsweise im Wesentlichen ebenen Kon taktflächen 156a beziehungsweise 156b fluiddicht aneinander an, ohne aneinander festgelegt zu sein.

Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Rahmen 128 des ersten Dicht elements 114 nicht direkt mit der ersten Gasdiffusionslage 108 verbunden, mit welcher das Elastomerteil 126 des ersten Dichtelements 114 stoffschlüssig verbunden ist. Der Rahmen 128 umfasst aber einen Rahmen-Kontaktbereich 158, an wel chem der Rahmen 128 stoffschlüssig mit dem Elastomerteil 126 verbunden ist (siehe insbesondere die Fig. 2 und 4).

Der Rahmen 128 ist zur verbesserten Anbindung des Elastomerteils 126 an den Rahmen 128 in dem Rahmen-Kontaktbereich 158 abgeflacht ausgebildet; die Ausdehnung des Rahmens 128 längs der Stapelrichtung 104 ist somit in dem Rahmen-Kontaktbereich 158 geringer als in dem an den Rahmen-Kon taktbereich 158 angrenzenden Rahmen-Grundkörper 160.

Das Elastomerteil 126 umfasst einen oberen Elastomerteil-Kontaktbereich 162, der in der Stapelrichtung 104 über dem Rahmen-Kontaktbereich 158 angeord net ist, und einen unteren Elastomerteil-Kontaktbereich 164, der in der Stapel richtung 104 unter dem Rahmen-Kontaktbereich 158 angeordnet ist.

Wie aus den Fig. 4, 23 und 27 zu ersehen ist, umfasst das Elastomerteil 126 mindestens einen, vorzugsweise mehrere Elastomerteil-Hinterschneidungsbe- reiche 166, welche jeweils einen Bereich des Rahmens 128 hintergreifen (in einer zur Stapelrichtung 104 senkrechten Hinterschneidungsrichtung 168 ge sehen).

Ferner umfasst der Rahmen 128 mindestens einen, vorzugsweise mehrere, Rahmen-Hinterschneidungsbereiche 170, welche jeweils einen Bereich des Elastomerteils 126 hintergreifen.

Wie insbesondere aus den Fig. 4 und 27 zu ersehen ist, kann der Rahmen 128 insbesondere mindestens eine Durchtrittsöffnung 172 aufweisen, durch welche das Elastomerteil 126 sich hindurch erstreckt.

Ferner umfasst der Rahmen 128 mindestens eine Ausnehmung 174 (siehe Fig. 15 und Fig. 16), die an einer Mündungsöffnung 176 mündet, welche an einem elastomerteilseitigen Rand 178 des Rahmens 128 angeordnet ist, wobei die Ausnehmung 174 eine der Mündungsöffnung 176 benachbarte Engstelle 180 und einen erweiterten Bereich 182, welcher über die Engstelle 180 mit der Mündungsöffnung 176 der Ausnehmung 174 verbunden ist, umfasst.

Bei einer Variante dieser Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrich tung 100 kann vorgesehen sein, dass die Ausnehmung 174 nicht an einer Mündungsöffnung 176 mündet, sondern als eine Durchtrittsöffnung 224 in dem Rahmen 128 ausgebildet ist, welche einen ringförmig geschlossenen Rand 226 aufweist. Das Elastomerteil 126 erstreckt sich durch diese Durchtrittsöff nung 224 hindurch, wodurch eine besonders belastbare formschlüssige Verbin dung zwischen dem Elastomerteil 126 und dem Rahmen 128 erzielt wird, weil ein zwischen der Durchtrittsöffnung 224 und einem inneren Rand 227 des Rahmens 128 liegender Rahmen-Hinterschneidungsbereich 228 das Elasto merteil 126 hintergreift.

Wie aus Fig. 1 zu ersehen ist, stehen die Kontaktierungslaschen 121 und die Stapelränder 123 der Bipolarplatte 118 seitlich, in einer zur Stapelrichtung 104 senkrechten Richtung, über den Rahmen 124 über.

Um die Rahmen 128 der ersten Dichtelemente 114 von in der Stapelrichtung 104 aufeinanderfolgenden elektrochemischen Einheiten 106 in einfacher weise präzise relativ zueinander positionieren zu können, weist der Rahmen 128 mindestens ein Positionierelement 184 auf, das mit einer Positionieröffnung 186 des ersten Dichtelements 114 einer benachbarten elektrochemischen Ein heit 106' in Eingriff steht (siehe Fig. 12 und Fig. 13).

Das Positionierelement 184 ist beispielsweise als ein in der Stapelrichtung 104 von dem Rahmen-Grundkörper 160 vorstehender, beispielsweise im Wesentli chen zylindrischer, Zapfen 188 ausgebildet.

Die Positionieröffnung 186 ist in dem Elastomerteil 126 des ersten Dichtele ments 114 der benachbarten elektrochemischen Einheit 106 ausgebildet und weist vor der Assemblierung der elektrochemischen Vorrichtung 100 ein Un termaß gegenüber dem Positionierelement 184 auf, welches bei der Assem blierung in die Positionieröffnung 186 eingebracht wird.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Durchmesser der Positionieröff nung 186 vor der Assemblierung kleiner ist als der Außendurchmesser des Po sitionierelements 184, vorzugsweise um mindestens 0,1 mm, insbesondere um mindestens 0,2 mm.

Das Positionierelement 184 ist somit durch Kraftschluss, insbesondere durch Presspassung, mechanisch mit dem Elastomerteil 126, in welchem die Positio nieröffnung 186 ausgebildet ist, gekoppelt.

Das Positionierelement 184 bildet somit auch ein Kopplungselement 190, und die Positionieröffnung 186 bildet eine Kopplungsöffnung 192, wobei das Kopp lungselement 190 und die Kopplungsöffnung 192 zusammen eine Kopplungs einrichtung 194 bilden, durch welche das erste Dichtelement 114 der einen elektrochemischen Einheit 106 mechanisch mit dem ersten Dichtelement 114 der benachbarten elektrochemischen Einheit 106' gekoppelt ist.

Das Kopplungselement 190 beziehungsweise das Positionierelement 184 er streckt sich durch eine Durchtrittsöffnung 196 in den Bipolarplattenlagen 120 und 122 der zwischen dem ersten Dichtelement 114 der einen elektrochemi schen Einheit 106 und dem ersten Dichtelement 114 der benachbarten elekt rochemischen Einheit 106' angeordneten Bipolarplatte 118 hindurch.

Die elektrochemische Vorrichtung 100 umfasst ferner eine in Fig. 6 darge stellte weitere Kopplungseinrichtung 198, durch welche das zweite Dichtele ment 116 der einen elektrochemischen Einheit 106 mechanisch mit dem Rah men 128 des ersten Dichtelements 114 derselben elektrochemischen Einheit 106 und mit der dem ersten Dichtelement 114 benachbarten Bipolarplatte 118 gekoppelt ist. Diese weitere Kopplungseinrichtung 198 umfasst ein als Napf oder Pilzkopf 200 ausgebildetes Kopplungselement 190, welches einstückig mit dem aus Elastomermaterial gebildeten zweiten Dichtelement 116 ausgebildet ist und sich durch eine Kopplungsöffnung 192 hindurch erstreckt, welche im Rahmen 128 des ersten Dichtelements 114 vorgesehen ist.

Das Kopplungselement 198 weist einen Hinterschneidungsbereich 202 auf, weicher den Rand der Kopplungsöffnung 192 in dem Rahmen 128 des ersten Dichtelements 114 (in der Stapelrichtung 104 gesehen) hintergreift.

Das Kopplungselement 190 der weiteren Kopplungseinrichtung 198 steht auch in Eingriff mit einer weiteren Kopplungsöffnung 204, die in den Bipolarplatten lagen 120 und 122 der dem ersten Dichtelement 114 benachbarten Bipolar platte 118 vorgesehen ist.

Somit ist das zweite Dichtelement 116 durch die weitere Kopplungseinrichtung 198 auch mit der Bipolarplatte 118 gekoppelt.

Wie am besten aus Fig. 20 zu ersehen ist, ist das Kopplungselement 190 der weiteren Kopplungseinrichtung 198 an einer Lasche 206 des zweiten Dichtele ments 116 angeordnet, welche außerhalb des Strömungsfeld-Dichtbereichs 152 des zweiten Dichtelements 116 angeordnet ist und sich von dem Strö- mungsfeld-Dichtbereich 152 des zweiten Dichtelements 116 weg erstreckt.

Die Kopplungseinrichtung 198 ist als eine Rasteinrichtung 208 ausgebildet, durch welche das zweite Dichtelement 116 der elektrochemischen Einheit 106 mit dem ersten Dichtelement 114 derselben elektrochemischen Einheit 106 verrastet ist.

Das Kopplungselement 190 der Kopplungseinrichtung 198 weist einen Hohl raum 210 auf, in welchen bei der Assemblierung der elektrochemischen Einheit 106 ein Positionierstift einer Handhabungsvorrichtung, beispielsweise eines Roboters, eingreifen kann, um das zweite Dichtelement 116 im Bereich der Kopplungseinrichtung 198 relativ zu dem ersten Dichtelement 114 zu posi tionieren.

Ferner weist der Rahmen 128 eine oder mehrere Handhabungs-Durchtrittsöff nungen 222 auf, welche insbesondere in den Fig. 1, 6, 8 und 12 dargestellt sind und nicht mit Elastomermaterial des Elastomerteils 126 befüllt sind. In diese Handhabungs-Durchtrittsöffnungen 222 kann eine Handhabungsvorrich tung bei der Assemblierung der elektrochemischen Einheit 106 oder der elektrochemischen Vorrichtung 100 eingreifen, um das erste Dichtelement 114 relativ zu anderen Bauteilen zu positionieren.

Der Rahmen 128 des ersten Dichtelements 114 umfasst einen in den Fig. 21 und 22 dargestellten Entlüftungsbereich 212, über welchen eine Kavität des Formgebungswerkzeugs während der Befüllung der Kavität mit dem Elasto mermaterial des Elastomerteils 126 entlüftet wird.

Im fertig hergestellten ersten Dichtelement 114 ist der Entlüftungsbereich 212 mit dem Elastomermaterial des Elastomerteils 126 gefüllt, wobei das im Ent lüftungsbereich 212 angeordnete Elastomermaterial Luftblasen enthält, welche bei der Befüllung des Entlüftungsbereichs 212 während des Spritzgießvor gangs gebildet worden sind. In dem Entlüftungsbereich 212, welcher außer halb der Mediumkanal-Dichtbereiche 146 und des Strömungsfeld-Dichtbe reichs 142 des ersten Dichtelements 114 liegt, beeinträchtigen diese Luftbla sen im Elastomermaterial die Abdichtfunktion des ersten Dichtelements 114 jedoch nicht.

Der Entlüftungsbereich 212 muss daher nach der Herstellung des ersten Dicht elements 114 in einem Spritzgießverfahren nicht abgetrennt werden, sondern kann an dem ersten Dichtelement 114 verbleiben, welches zur Assemblierung der elektrochemischen Einheit 106 und der elektrochemischen Vorrichtung 100 verwendet wird.

In einem Eintrittsbereich 214 des Entlüftungsbereichs 212, durch welchen das Elastomermaterial beim Spritzgießvorgang in den Entlüftungsbereich 212 ein dringt, weist der Rahmen 128 eine geringere Dicke, das heißt eine geringere Ausdehnung in der Stapelrichtung 104, auf als in den an den Eintrittsbereich 214 angrenzenden Bereichen des Rahmen-Grundkörpers 160.

Von dem Eintrittsbereich 114 ausgehend steigt die Dicke des Rahmens 128 im Entlüftungsbereich 212 bis zu einem Endbereich 216 oder bis zu mehreren, beispielsweise zwei, Endbereichen 216 des Entlüftungsbereichs 212 hin an.

Dieser Anstieg der Dicke des Rahmens 128 vom Eintrittsbereich 214 bis zu dem Endbereich 216 oder bis zu den Endbereichen 216 des Entlüftungsbe reichs 212 erfolgt vorzugsweise im Wesentlichen kontinuierlich.

Der Entlüftungsbereich 212 ist vorzugsweise an einer Stelle angeordnet, an welcher zwei Elastomer-Anspritzbereiche des Elastomerteils zusammenfließen. Bei der Herstellung dieses Elastomerteils wird jeder der Elastomer-Anspritzbe reiche durch einen Elastomer-Anspritzpunkt mit einem fließfähigen Elastomer- Ausgangsmaterial befüllt. Je mehr solcher Elastomer-Anspritzpunkte und damit Elastomer-Anspritzbereiche es gibt, desto höher ist die Anzahl der Entlüftungsbereiche 212 des Rahmens 128.

Das Vorhandensein eines Entlüftungsbereichs 212 ist jedoch nicht zwingend notwendig. Grundsätzlich kann der Rahmen 128 auch ohne einen Entlüftungs bereich 212 ausgebildet sein.

Eine in Fig. 28 ausschnittsweise dargestellte zweite Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 unterscheidet sich von der in den Fig. 1 bis 27, insbesondere in der der Fig. 28 entsprechenden Fig. 13, dargestellten und vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform dadurch, dass das Positio nierelement 184 nicht durch Presspassung kraftschlüssig mit dem Elastomer teil 126 des ersten Dichtelements 114 der benachbarten elektrochemischen Einheit 106 verbunden ist, sondern lediglich mit Spiel in eine Positionieröff nung 186 eingreift, welche an dem Rahmen 128 des ersten Dichtelements 114 der benachbarten elektrochemischen Einheit 106' vorgesehen ist.

Stattdessen wird das erste Dichtelement der elektrochemischen Einheit bei dieser Ausführungsform präzise relativ zu der benachbarten Bipolarplatte 118 positioniert, indem das Positionierelement 184 in Form des Zapfens 188 mit geringem Spiel in Eingriff mit einer Positionieröffnung 186' steht, die an der Bipolarplatte 118, insbesondere an der dem ersten Dichtelement 114 abge wandten zweiten Bipolarplattenlage 122, ausgebildet ist.

Das Positionierelement 184 bildet zugleich ein Kopplungselement 190, das an dem ersten Dichtelement 114 der elektrochemischen Einheit 106 vorgesehen ist und in Eingriff mit der als Kopplungsöffnung 192 dienenden Positionieröff nung 186' der Bipolarplatte 118 steht.

Im Übrigen stimmt die in Fig. 28 dargestellte zweite Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstel lungsweise mit der in den Fig. 1 bis 27 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.

Eine in Fig. 29 ausschnittsweise dargestellte dritte Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 unterscheidet sich von der in den Fig. 1 bis 27 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass der Rahmen 128 des ersten Dichtelements 114 nicht einstückig ausgebildet ist, sondern zwei oder mehr separate Rahmenteile 218 umfasst und längs seinen Umfangs mindestens einen Spalt 220 aufweist, der zwei Rahmenteile 218 des Rahmens 128 voneinander trennt.

Der Spalt 220 ist vorzugsweise mit Elastomermaterial des Elastomerteils 126 gefüllt.

Im Übrigen stimmt die in Fig. 29 dargestellte dritte Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstel lungsweise mit der in den Fig. 1 bis 27 dargestellten ersten Ausführungsform oder mit der in Fig. 28 dargestellten zweiten Ausführungsform überein, auf de ren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.

Eine in Fig. 30 ausschnittsweise dargestellte vierte Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 unterscheidet sich von der vorstehend be schriebenen und in den Fig. 1 bis 27 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass der Rahmen 128 des Rahmen-Dichtelements 124 gestuft ausge bildet ist, wobei ein dem Elastomerteil 126 abgewandter äußerer Rahmenbe reich 230 gegenüber einem dem Elastomerteil 126 zugewandten inneren Rah menbereich 232 längs der Stapelrichtung 104 der elektrochemischen Vorrich tung 100 versetzt ist.

Hierdurch entsteht zwischen dem äußeren Rahmenbereich 230 und dem inne ren Rahmenbereich 232 eine Stufe 234.

Durch das Zusammenwirken der Stufen 234 von einander benachbarten Rah men 128 ist jeweils ein gestufter Rahmen 128 an einem in der Stapelrichtung benachbarten gestuften Rahmen 128 zentrierbar.

Außerdem kann durch die gestufte Ausbildung des Rahmens 128 die Steifigkeit des Rahmens 128 erhöht und/oder ein besserer Berührschutz für die durch die Rahmen 128 nach außen hin abgedeckten Bipolarplatten 118 erzielt werden. Im Übrigen stimmt die in Fig. 30 dargestellte vierte Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstel lungsweise mit der in den Fig. 1 bis 27 dargestellten ersten Ausführungsform oder mit einer der in den Fig. 28 oder 29 dargestellten Ausführungsformen überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.

Der in Fig. 30 gezeigte, parallel zur Stapelrichtung genommene Querschnitt durch die vierte Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 ist an der Stelle genommen, welche der Linie 30 - 30 in Fig. 1 bei der ersten Aus führungsform entspricht, wobei jedoch (anders als in Fig. 2, welche nur zwei elektrochemische Einheiten zeigt, die längs der Stapelrichtung 104 aufeinan der folgen) vier elektrochemische Einheiten 106 dargestellt sind, welche längs der Stapelrichtung 104 aufeinander folgen.

Eine ausschnittsweise in Fig. 31 dargestellte fünfte Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 unterscheidet sich von der in den Fig. 1 bis 27 dargestellten und vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform dadurch, dass der Rahmen 128 des Rahmen-Dichtelements 124 als ein Einle- geteil 236 ausgebildet ist, welches zumindest abschnittsweise, vorzugsweise im Wesentlichen vollständig, in das Elastomermaterial des Elastomerteils 126 des jeweiligen Rahmen-Dichtelements 124 eingebettet ist.

Das Einlegeteil 236 ist vorzugsweise aus einem metallischen Material gebildet.

Das Einlegeteil 236 umfasst einen äußeren Rahmenbereich 230 und einen in neren Rahmenbereich 232, wobei der äußere Rahmenbereich 230 über einen gebogenen Bereich 238 mit dem inneren Rahmenbereich 232 verbunden ist und mit dem inneren Rahmenbereich 232 einen stumpfen Winkel a ein schließt.

Der Winkel a ist vorzugsweise größer als 100°, insbesondere größer als 110°. Ferner ist der Winkel a vorzugsweise kleiner als 160°, insbesondere kleiner als 150°.

Beispielsweise kann der Winkel a ungefähr 140° betragen.

Durch den gewinkelten Aufbau des Rahmens 128 wird die Steifigkeit des Rah mens 128 erhöht und/oder der Berührschutz für die durch die Rahmen 128 nach außen hin abgedeckten Bipolarplatten 118 der elektrochemischen Vor richtung 100 verbessert.

Im Übrigen stimmt die in Fig. 31 dargestellte fünfte Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstel lungsweise mit der in den Fig. 1 bis 27 dargestellten ersten Ausführungsform oder mit einer der in den Fig. 28 und 29 dargestellten Ausführungsformen überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.

Der in Fig. 31 gezeigte, parallel zur Stapelrichtung genommene Querschnitt durch die fünfte Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 ist an einer Stelle genommen, welche der Stelle der vierten Ausführungsform ent spricht, an welcher der in Fig. 30 gezeigte Querschnitt durch die vierte Ausfüh rungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 genommen worden ist.

Eine in Fig. 32 ausschnittsweise dargestellte sechste Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 unterscheidet sich von der in den Fig. 1 bis 27 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass der Rahmen 128 des Rahmen-Dichtelements 124 mit einer Dichtlippe 240 versehen ist, um einen Spalt 242 zwischen jeweils zwei längs der Stapelrichtung 104 der elektroche mischen Vorrichtung 100 aufeinanderfolgenden Rahmen 128 von Rahmen- Dichtelementen 124 einander benachbarter elektrochemischer Einheiten 106 zu überbrücken. Durch die Dichtlippen 240 wird ein Entweichen eines Mediums aus der elektro chemischen Vorrichtung 100 verhindert und/oder eine Verschmutzung der elektrochemischen Vorrichtung 100 durch von außen eindringende Medien verhindert.

Die Dichtlippe 240 ist vorzugsweise aus einem Elastomermaterial gebildet.

Das Elastomermaterial der Dichtlippe 240 kann mit dem Elastomermaterial des Elastomerteils 126 des Rahmen-Dichtelements 124 identisch sein.

Die Dichtlippe 240 ist von dem Elastomerteil 126 des Rahmen-Dichtelements 124 beabstandet.

Vorzugsweise ist die Dichtlippe 240 zwischen dem Elastomerteil 126 des Rah- men-Dichtelements 124 und einem äußeren Rand 244 des Rahmens 128 des Rahmen-Dichtelements 124 angeordnet.

Die Dichtlippe 240 ist somit in einer senkrecht zur Stapelrichtung 104 verlau fenden Richtung von dem Elastomerteil 126 beabstandet.

Im Übrigen stimmt die in Fig. 32 dargestellte sechste Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstel lungsweise mit der in den Fig. 1 bis 27 dargestellten ersten Ausführungsform oder mit einer der in den Fig. 28 oder 29 dargestellten Ausführungsformen überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.

Der in Fig. 32 dargestellte Querschnitt durch die sechste Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 ist an einer Stelle genommen, wel che der Stelle entspricht, an der der in Fig. 30 gezeigte Querschnitt durch die vierte Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 genommen worden ist. Eine in Fig. 34 ausschnittsweise dargestellte siebte Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 unterscheidet sich von der in den Fig. 1 bis 27 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass die Bauteile der einan der benachbarten elektrochemischen Einheiten 106 und 106' nicht nur iden tisch miteinander ausgebildet sind, sondern auch in derselben Orientierung im Stapel 102 der elektrochemischen Vorrichtung 100 montiert sind, also ohne eine Verdrehung um einen Winkel von 180° um eine parallel zur Stapelrich tung 104 verlaufende mittige Drehachse.

Wie aus Fig. 34 zu ersehen ist, welche der Darstellung von Fig. 6 für die erste Ausführungsform der elektrochemischen Vorrichtung 100 entspricht, liegen bei dieser sechsten Ausführungsform daher die Kopplungselemente 190 einander benachbarter elektrochemischer Einheiten 106 in der Stapelrichtung 104 direkt übereinander.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Kopplungselemente 190 von in der Stapelrichtung 104 einander benachbarten elektrochemischen Einheiten 106 im montierten Zustand der elektrochemischen Vorrichtung 100 einander unmittelbar berühren.

Um die Kopplungselemente 190 einander benachbarter elektrochemischer Ein heiten 106 direkt aufeinander stapeln zu können, kann vorgesehen sein, dass die Kopplungselemente 190 filigraner und mit einer geringeren Höhe (längs der Stapelrichtung 104 gemessen) ausgebildet sind als bei der ersten Ausfüh rungsform der elektrochemischen Vorrichtung 100.

Im Übrigen stimmt die in Fig. 34 dargestellte siebte Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstel lungsweise mit der in den Fig. 1 bis 27 dargestellten ersten Ausführungsform oder mit einer der in den Fig. 28 bis 32 dargestellten Ausführungsformen überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.

Claims

Patentansprüche

1. Elektrochemische Vorrichtung, umfassend mehrere, längs einer Stapel richtung (104) aufeinanderfolgende elektrochemische Einheiten (106), welche jeweils eine Membran (112), eine erste Gasdiffusionslage (108), eine zweite Gasdiffusionslage (110), ein stoffschlüssig mit der ersten Gasdiffusionslage (108) verbundenes erstes Dichtelement (114), ein stoffschlüssig mit der zweiten Gasdiffusionslage (110) verbundenes zwei tes Dichtelement (116) und eine Bipolarplatte (118) umfassen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das erste Dichtelement (114) mindestens einer elektrochemischen Einheit (106) durch mindestens eine Kopplungseinrichtung (194, 198) mechanisch mit dem zweiten Dichtelement (116) derselben elektroche mischen Einheit (106), mit dem ersten Dichtelement (114) einer benach barten elektrochemischen Einheit (106'), mit dem zweiten Dichtelement (116) einer benachbarten elektrochemischen Einheit (106') und/oder mit einer Bipolarplatte (118) gekoppelt ist.

2. Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Kopplungseinrichtung (194, 198) ein Kopplungs element (190) umfasst, welches in Eingriff mit einer Kopplungsöffnung (192, 204) oder einer Kopplungsaufnahme steht.

3. Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungselement (190) einen Hinterschneidungsbereich (202) aufweist, welcher eine Kopplungsöffnung (192) oder einen Rückhaltebe reich einer Kopplungsaufnahme hintergreift.

4. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungselement (190) einen Zapfen (188), einen Pilzkopf (200), einen Napf, einen Druckknopf und/oder einen Saugnapf umfasst.

5. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungselement (190) aus einem Elastomermaterial gebildet ist.

6. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Dichtelemente (114) als ein Rahmen-Dichtelement (124) ausgebildet ist, welches ein Elastomerteil (126) und einen Rahmen (128) umfasst, wobei der Rahmen (128) aus einem Material gebildet ist, dass eine höhere Formstabilität aufweist als das Elastomermaterial, aus dem das Elastomerteil (126) gebildet ist, wobei der Rahmen (128) mit einem Kopplungselement (190) einer Kopp lungseinrichtung (194) und/oder mit einer Kopplungsöffnung oder einer Kopplungsaufnahme einer Kopplungseinrichtung (194) versehen ist.

7. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Kopplungseinrichtung (198) ein an dem zweiten Dichtelement (116) einer elektrochemischen Einheit (106) vorgesehenes Kopplungselement (190) umfasst, welches in Eingriff mit einer an dem ersten Dichtelement (114) derselben elektro chemischen Einheit (106) vorgesehenen Kopplungsöffnung (192) steht.

8. Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungselement (190) auch in Eingriff mit einer Kopplungs öffnung (204) in einer Bipolarplatte (118) steht.

9. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Kopplungseinrichtung (194) ein an dem ersten Dichtelement (114) einer elektrochemischen Einheit (106) vorgesehenes Kopplungselement (190) umfasst, welches in Eingriff mit einer an dem ersten Dichtelement (114) einer benachbarten elektrochemischen Einheit (106') vorgesehenen Kopplungsöffnung (192) steht.

10. Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungselement (190) sich durch eine Durchtrittsöffnung (196) in einer zwischen dem ersten Dichtelement (114) der einen elektrochemischen Einheit (106) und dem ersten Dichtelement (114) der benachbarten elektrochemischen Einheit (106') angeordneten Bipolar platte (118) hindurch erstreckt.

11. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Kopplungseinrichtung (194) ein an dem ersten Dichtelement (114) einer elektrochemischen Einheit (106) vorgesehenes Kopplungselement (190) umfasst, welches in Eingriff mit einer Kopplungsöffnung (192) einer Bipolarplatte (118) steht.

12. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Kopplungseinrichtung (198) ein Kopplungselement (190), eine Kopplungsöffnung (192) oder eine Kopplungsaufnahme umfasst, das beziehungsweise die an einer La sche (206) eines Dichtelements (116) angeordnet ist, welche außerhalb eines Dichtbereichs (152) des betreffenden Dichtelements (116) ange ordnet ist und sich von dem Dichtbereich (152) weg erstreckt.

13. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Kopplungseinrichtung (198) als eine Rasteinrichtung (208) ausgebildet ist.

14. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Dichtelement (114) mindestens einer elektrochemischen Einheit (106) durch mindestens zwei Kopp lungseinrichtungen (198) mechanisch mit dem zweiten Dichtelement (116) derselben elektrochemischen Einheit (106), durch mindestens zwei Kopplungseinrichtungen (194) mit dem ersten Dichtelement (114) einer benachbarten elektrochemischen Einheit (106'), durch mindestens zwei Kopplungseinrichtungen mit dem zweiten Dicht element (116) einer benachbarten elektrochemischen Einheit (106') und/oder durch mindestens zwei Kopplungseinrichtungen (194) mit einer Bipolar platte (118) gekoppelt ist.

15. Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Vorrichtung (100), die mehrere längs einer Stapelrichtung (104) aufeinanderfolgende elektro chemische Einheiten (106) umfasst, wobei die elektrochemischen Einheiten (106) jeweils eine Membran (112), eine erste Gasdiffusionslage (108), eine zweite Gasdiffusionslage (110), ein stoffschlüssig mit der ersten Gasdiffusionslage (108) verbun denes erstes Dichtelement (114), ein stoffschlüssig mit der zweiten Gas diffusionslage (110) verbundenes zweites Dichtelement (116) und eine Bipolarplatte (118) umfassen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: mechanisches Koppeln des ersten Dichtelements (108) mindestens einer elektrochemischen Einheit (106) durch mindestens eine Kopplungseinrichtung (194, 198) mit dem zweiten Dichtelement (116) derselben elektrochemischen Einheit (106), mit dem ersten Dichtelement (114) einer benachbarten elektrochemischen Einheit (106'), mit dem zweiten Dichtelement (116) einer benachbarten elektrochemischen Einheit (106) oder mit einer Bipolarplatte (118).