WO2021122169A1 - Method for producing a seal for an electrochemical unit of an electrochemical device and assembly for an electrochemical device - Google Patents

Method for producing a seal for an electrochemical unit of an electrochemical device and assembly for an electrochemical device Download PDF

Info

Publication number
WO2021122169A1
WO2021122169A1 PCT/EP2020/085112 EP2020085112W WO2021122169A1 WO 2021122169 A1 WO2021122169 A1 WO 2021122169A1 EP 2020085112 W EP2020085112 W EP 2020085112W WO 2021122169 A1 WO2021122169 A1 WO 2021122169A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
seal
bipolar plate
tool
electrochemical
plate layer
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/085112
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Peter Stahl
Manuel SALZMANN
Thomas DIX-LANDGRAF
Andreas Schmid
Paul Volz
Jürgen KRAFT
Original Assignee
Elringklinger Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Elringklinger Ag filed Critical Elringklinger Ag
Publication of WO2021122169A1 publication Critical patent/WO2021122169A1/en

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0286—Processes for forming seals
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0276—Sealing means characterised by their form
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/028—Sealing means characterised by their material
    • H01M8/0284—Organic resins; Organic polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0297—Arrangements for joining electrodes, reservoir layers, heat exchange units or bipolar separators to each other
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/002—Shape, form of a fuel cell
    • H01M8/006—Flat
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0273—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes with sealing or supporting means in the form of a frame
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a seal for an electrochemical unit of an electrochemical device, the method comprising:
  • the electrochemical device can in particular be a fuel cell device, an electrolyzer or a battery cell stack.
  • the outer areas of such a seal are unsupported areas which, due to the lack of connection to a dimensionally stable component, have great mechanical instability. This can cause great difficulties when assembling the electrochemical unit and / or when assembling the electrochemical device from the electrochemical units that follow one another along a stacking direction of the electrochemical device, since the areas of the seal which conduct medium channels from the electrochemical Fluid media to be supplied to the device or for the removal of fluid media from the electrochemical device, can only be positioned with large positioning tolerances on the respectively adjacent bipolar plates of the electrochemical device or have to be prepositioned with a high level of assembly effort. In addition, the removal of a seal from a molding tool is complex, since the seal must not be damaged during removal from the mold and, due to the low rigidity of the seal, can only be gripped with difficulty.
  • the present invention has for its object to provide a method for producing a seal for an electrochemical unit of an electrochemical mixing device of the type mentioned, which light made it possible to separate the seal in a simple manner undamaged from the shaping tool and preferably a precise positioning the you direction relative to other components of the electrochemical unit to he aim.
  • the present invention is based on the concept of producing a seal in a tool-related process, for example in an injection molding process, with the seal on another component of the electrochemical unit, in particular on a component of a membrane-electrode arrangement, for example on a gas diffusion layer, can be connected.
  • the seal remains on a tool part of the molding tool.
  • the tool part on which the seal remains when the forming tool is opened can be a movable tool part or an immovable tool part of the forming tool.
  • the tool part on which the seal remains when the molding tool is opened can have at least one channel and / or at least one nozzle for introducing an injection molding material into a cavity of the molding tool.
  • At least one bipolar plate layer of a bipolar plate is moved towards the seal remaining on the tool part of the shaping tool and connected to the seal by form fit, material connection and / or force connection. Then the bipolar plate layer or the bipolar plate together with the seal is moved away from the tool part of the shaping tool.
  • the unit of bipolar plate layer or bipolar plate and the seal associated therewith can easily be further processed, stored and assembled together with other components to form the electrochemical device, since the unit of bipolar plate layer or bipolar plate and seal is very high compared to the insulated seal Has dimensional stiffness and can therefore be positioned much more easily.
  • the seal and the at least one bipolar plate layer are connected to one another by means of at least one connecting element.
  • a connecting element can in particular be designed in one piece with a base body of the seal.
  • the main body of the seal can in particular be formed from an elastic material, preferably from an elastomer material.
  • the connecting element can be formed from the same material as the base body of the seal or from a material different from the material of the base body.
  • the connecting element can be formed from a thermoplastic material, for example.
  • the connecting element can in particular be formed from a thermoplastic elastomer (TPE).
  • TPE thermoplastic elastomer
  • the connecting element can be introduced as an insert into the molding tool before the seal is produced, or it can be produced in the molding tool as a first component of a two-component injection molding process before the main body of the seal forming the second component.
  • At least one connecting element preferably comprises an undercut area which engages behind the at least one bipolar plate layer.
  • the undercut area can have any shape, for example the shape of a mushroom, a drop or the tip of an arrow.
  • at least one connecting element comprises an undercut area which is arranged on the bipolar plate layer and engages behind the seal.
  • Such a connecting element can in particular be designed in one piece with the relevant bipolar plate layer.
  • the seal and the at least one bipolar plate layer are connected to one another by a material bond.
  • Such a material connection can be generated, for example, by means of a material connection element that is arranged on the seal and / or on the at least one bi-polar plate layer.
  • Such a material connection element can contain, for example, an adhesive, a resin and / or an adhesion promoter.
  • the seal has a degree of crosslinking of less than 100% when the forming tool is opened, preferably a degree of crosslinking of less than 80%.
  • the at least one bipolar plate layer can be brought into contact with the incompletely crosslinked seal, whereupon further crosslinking of the material of the seal takes place, as a result of which a material connection is established between the seal and the at least one bipolar plate layer.
  • the at least one bipolar plate layer is pretreated with an adhesion promoter.
  • the material of the seal can also contain an adhesion promoter.
  • areas can be provided which serve to generate an increased local compressive stress on the seal and the at least one bipolar plate layer, while the seal and the at least one bipolar plate layer are in contact with one another. These areas are preferably where there is at least one connecting element of the seal.
  • the seal is pressed against the at least one bipolar plate layer by means of a pressing device.
  • Such a pressing device can in particular comprise a movable pin arranged in the tool part on which the seal remains after the molding tool has been opened. Such a pin can be moved against the seal in order to press the seal against the at least one bi-polar plate layer.
  • the seal in the shaping tool is molded onto a component of a membrane-electrode arrangement of the electrochemical unit, in particular onto a gas diffusion layer.
  • the seal is connected to at least two bipolar plate layers which have been connected to one another before they are connected to the seal.
  • the two bipolar plate layers can in particular have been connected to one another by gluing or by welding, in particular by laser welding. Furthermore, it can be provided that an assembly which comprises the at least one bipolar plate layer and the seal connected to it is connected to a further seal, in particular by a form fit, material fit and / or force fit.
  • the assembly is connected to the further seal while the further seal is arranged on a tool part of a molding tool in which the seal has been produced, for example by an injection molding process.
  • the present invention also relates to an assembly for an electrochemical device which comprises at least one bipolar plate layer and a device you.
  • the present invention is based on the further object of providing such an assembly for an electrochemical device, which allows easy and damage-free removal of the seal from a molding tool and preferably also precise positioning of the device relative to other components of the electrochemical device during assembly of the electrochemical device.
  • an assembly for an electrochemical device which has at least one bipolar plate layer and at least one seal produced in a shaping tool separately from the at least one bipolar plate layer, which is connected to the at least one bipolar plate layer by form fit, material connection and / or force connection is, includes.
  • Special configurations of the assembly according to the invention for an electrochemical device have already been explained above in connection with particular configurations of the method according to the invention.
  • the method according to the invention is particularly suitable for producing the assembly according to the invention for an electrochemical device.
  • the assembly according to the invention for an electrochemical device is preferably produced according to the method according to the invention.
  • the assembly according to the invention for an electrochemical device is particularly suitable for use in an electrochemical Vorrich device which comprises a plurality of electrochemical units following one another along a stacking direction, each of which comprises such an assembly according to the invention.
  • the seal can have two sealing sections, a sealing section on the anode side preferably being connected to an anode-side gas diffusion layer and a cathode-side sealing section being connected to a gas diffusion layer on the cathode side.
  • At least one connecting element of the device engages behind the at least one bipolar plate layer on the outer circumference of the bipolar plate layer.
  • a connecting element engages behind the min least one bipolar plate layer along its entire outer circumference. If the seal and the at least one bipolar plate layer are connected to one another by a material connection by means of a material connection element, the material of the material connection element, which contains, for example, an adhesive, a resin and / or an elastomer, can be cured and / or crosslinked by the input of heat while the seal is in contact with the at least one bipolar plate layer.
  • the heat for curing and / or crosslinking the material of the material connection element can be introduced, in particular via the tool part on which the log device remains after the shaping tool has been opened.
  • the seal can have at least one retaining element, by means of which the seal is reliably retained on a predetermined tool part of the shaping tool when the shaping tool is opened.
  • Such a retaining element can hold the seal back on the relevant tool part by means of a force fit, material fit and / or form fit.
  • Such a retaining element can in particular have a rich undercut area.
  • Such a retaining element can be removed and / or destroyed before the seal, together with the at least one bipolar plate layer, is moved away from the tool part on which the seal remains when the forming tool is opened.
  • the retaining element can be destroyed and / or removed, for example, by means of a punching process or a tearing process.
  • the seal can also be attached to a membrane-electrode arrangement comprising two gas diffusion layers and a membrane, to an edge reinforcement, to an edge reinforcement connected to a membrane, to one with one or two Edge reinforcement connected to gas diffusion layers or to an edge reinforcement connected to a membrane and with one or two gas diffusion layers.
  • the assembly which comprises the unit of the seal and the gas diffusion layer as well as the bipolar plate layer or the bipolar plate, can be used together in a subsequent stacking process a membrane and / or a second unit made of a seal and a gas diffusion layer are stacked.
  • the first unit of seal and gas diffusion layer which has been connected to the bipolar plate layer or the bipolar plate for demolding from the molding tool, preferably comprises at least one sealing area which extends around a medium channel of the electrochemical device.
  • a sealing area extending around a medium channel has a particularly low inherent stiffness, so that the increase in the dimensional stiffness of the seal by the bipolar plate layer or the bipolar plate has a particularly favorable effect in this case.
  • two units each comprising a seal and a gas diffusion layer
  • a bipolar plate facing away from one another and in particular connected to the bipolar plate by means of at least one connecting element in each case.
  • these assemblies which each include a bipolar plate, two seals and two gas diffusion layers, are stacked on top of one another in alternation with membranes, in particular with catalyst-coated membranes (CCM).
  • CCM catalyst-coated membranes
  • At least one connecting element for connecting a seal to at least one bipolar plate layer can be designed so that a relative movement between the seal and the at least one bipolar plate layer, for example due to different thermal expansions and / or due to shrinkage of the seal, in one or two spatial directions is possible.
  • the seal can comprise at least one sealing area which, in the assembled state of the electrochemical device, extends around a medium channel of the electrochemical device.
  • Such a sealing area can be connected to a gas diffusion layer on the anode side or to a gas diffusion layer on the cathode side.
  • all sealing areas of the seal surrounding a medium channel are connected to an anode-side gas diffusion layer or that all sealing areas of the seal surrounding a medium channel are connected to a cathode-side gas diffusion layer.
  • at least one sealing area of the seal surrounding a medium channel is connected to an anode-side gas diffusion layer and that at least one other sealing area of the seal surrounding a medium channel is connected to a cathode-side gas diffusion layer.
  • the bipolar plate layers of the bipolar plate can be formed from a metallic material or from a graphitic material.
  • the bipolar plate layers of the bipolar plate can be materially connected to one another, for example, by a welding process.
  • the seal can be formed from an elastomer material.
  • the seal can be produced in an injection molding process and at the same time firmly connected to a gas diffusion layer.
  • a gas diffusion layer is inserted into the molding tool, in particular an injection molding tool, and the injection molding material from which the seal is formed is overmolded.
  • the present invention enables a seal of an electrochemical unit to be produced without edge reinforcement and with a very compact structure and to be precisely positioned relative to the bipolar plate of the electrochemical unit.
  • the bipolar plate can be easily cleaned after its bipolar plate layers have been connected to one another by a welding process or an adhesive process, since there is no sealing material on the bipolar plate at this time.
  • a welding process for producing a multilayered bipolar plate from several bipolar plate layers can be carried out with a lower level of quality assurance effort, since no other components, in particular no membrane-electrode arrangement and / or no seal, are attached to one of the bipolar plate layers during the welding process be found, which would have to be checked for functionality and / or possible contamination after the welding process.
  • Fig. 1 is a schematic exploded view of two electrochemical's units of an electrochemical device, which follow one another along a stacking direction of the electrochemical device and each have an assembly that has a bipolar plate, a gas diffusion layer and a forming tool generated separately from the bipolar plate and attached to the Gas diffusion layer molded seal, which is connected to the bipolar plate by form fit, material connection and / or force connection, comprises an electrochemically active membrane and a further gas diffusion layer to which a further seal has been molded in a molding tool;
  • FIG. 4 is a fragmentary plan view of the bipolar plate from Figure 3, looking along the arrow 4 in Figure 3, on the device facing away from the back of the bipolar plate.
  • FIGS. 3 and 4 show a schematic partial cross-section through a further variant of the embodiment shown in FIGS. 3 and 4 of an assembly comprising a seal and bipolar plate, the undercut area of the connecting element having, for example, a teardrop shape;
  • Tool part of a shaping tool on which a seal formed on a gas diffusion layer is arranged the seal being connected to a bipolar plate by means of a connecting element and the tool part of the shaping tool comprising a pressing device for pressing a region of the seal comprising the connecting element onto the bipolar plate;
  • FIG. 9 is a schematic exploded view of two electrochemical units of an electrochemical device, which along a stacking direction of the electrochemical device follow one another and in each case an assembly which comprises a bipolar plate and two seals produced separately from the bipolar plate in a respective forming tool and each molded onto a gas diffusion layer, which are connected to the bipolar plate by form fit, material connection and / or force connection, and an electrochemically active membrane;
  • FIGS. 3 and 4 show a schematic partial cross section through a further variant of the embodiment shown in FIGS. 3 and 4 of an assembly comprising a seal and a bipolar plate, the seal having a stepped passage opening and the bipolar plate having a connecting element engaging behind the seal;
  • FIG. 11 shows a schematic representation of a method for producing the assembly from FIG. 10, with a bipolar plate held on a holding device being shown between a first tool part and a second tool part of a shaping tool.
  • An electrochemical device shown schematically in FIG. 1 and designated as a whole by 100 comprises several electrochemical units 104 following one another along a stacking direction 102 of the electrochemical device 100, two of which are shown schematically in FIG. 1 in the form of an exploded view.
  • Each of the electrochemical units 104 comprises an assembly 106, which comprises a bipolar plate 108 and a seal 114 produced separately from the bipolar plate 108 in a shaping tool 110 (see FIG. 2) and molded onto a gas diffusion layer 112, as well as an electrochemically active membrane 116, for example a catalyst-coated membrane (CCM), in particular a polymer electrolyte membrane (PEM), and a second gas diffusion layer 118, onto which a second seal 120 is molded.
  • CCM catalyst-coated membrane
  • PEM polymer electrolyte membrane
  • the bipolar plate 108 can be multi-layered, in particular two-layered, and in particular comprise a first bipolar plate layer 122, which faces the seal 114, and a second bipolar plate layer 124, which faces away from the device 114.
  • the shaping tool 110 by means of which the seal 114 is produced in a shaping process and is preferably connected to the gas diffusion layer 112 in a materially bonded manner, comprises a first tool part 126 (shown in detail in FIG. 2) and a second tool part (not shown), which during of the shaping process rests against the first tool part 126 and is removed from the first tool part 126 after the shaping process in order to open the shaping tool 110.
  • the seal 114 remains together with the gas diffusion layer 112 on the first tool part 126.
  • the unit 128 of gas diffusion layer 112 and seal 114 is held back by at least one retaining element (not shown), which can have an undercut area, when the shaping tool 110 is opened on the first tool part 126.
  • the molding process can in particular be an injection molding process in which the seal 114 is formed in the molding tool 110 by injecting and at least partially crosslinking an injection molding material.
  • connection of the seal 114 to the gas diffusion layer 112 inserted into the molding tool 110 before the injection molding process can in particular take place in that the injection molding material penetrates in some areas into the porous material of the gas diffusion layer 112 and hardens there.
  • the seal 114 comprises at least one connecting element 130, which is preferably formed in one piece with a base body 132 of the seal 114.
  • the connecting element 130 comprises an undercut area 134, which is connected to the base body 132 of the seal 114 via a support area 136 and has a larger diameter than the support area 136.
  • the connecting element 130 is assigned a passage opening 138 in the bipolar plate 108, which in the case of the two-layer bipolar plate 108 extends through the first bipolar plate layer 122 and through the second bipolar plate layer 124.
  • the undercut region 134 of the connecting element 130 can, for example, have a spherical segment shape, in particular a hemispherical shape.
  • the connecting element 130 can have a mushroom shape overall.
  • the number of connecting elements 130 is selected so that, in particular, mechanically unstable areas of the seal 114, for example in the area of medium channel openings of the seal 114, can be reliably and precisely positioned relative to the bipolar plate 108.
  • the number of connecting elements 130 is preferably at least two, in particular at least four, particularly preferably at least six.
  • the through opening 138 of the bipolar plate 108 can be designed as an elongated hole 140 which has a longitudinal extent L in a longitudinal direction 142 (preferably lying essentially parallel to the main surfaces of the bipolar plates 122 and 124) which is greater than the transverse extent I which the elongated hole 140 has in a transverse direction 144 perpendicular to the longitudinal direction 142 (and preferably essentially parallel to the main surfaces of the bipolar plate layers 122 and 124).
  • the transverse extent I of the elongated hole 140 in the transverse direction 144 is essentially the same size as or slightly larger than the diameter d of the support area 136 of the connecting element 130.
  • the largest diameter D of the undercut area 134 of the connecting element 130 is greater than the diameter d of the support area 136 and greater than the transverse extent I of the elongated hole 140, so that the undercut area 134 engages behind the bipolar plate layers 122 and 124 when the undercut area 134 passes through the passage opening 138 of the bipolar plate 108 has been pushed through, as shown in FIGS. 3 and 4.
  • the height h of the support area 136 that is to say its extension perpendicular to the main surfaces of the bipolar plate layers 122 and 124 and in the assembled state of the electrochemical device, preferably corresponds 100 - parallel to the stacking direction 102, essentially the total material thickness of both bipolar plate layers 122 and 124 in the area of the through openings 138, so that the undercut area 134, preferably essentially flat, on the rear side 146 facing away from the base body 132 of the seal 114 the second bipolar plate layer 124 and thus the bipolar plate 108 rests.
  • the seal 114 Due to the positive connection of the seal 114 to the bipolar plate 108 by means of the connecting element 130, the seal 114 is fixed in its position relative to the bipolar plate 108 along the transverse direction 144 of the elongated hole 140 of the bipolar plate 108; however, the relative position of the seal 114 with respect to the bipolar plate 108 in the longitudinal direction 142 of the elongated hole 140 is variable within the scope of the longitudinal extent L of the elongated hole 140, so that positioning and / or manufacturing tolerances can be compensated.
  • the demolding of the undercut area 134 from the second tool part (not shown) of the shaping tool 110 is made possible, for example, by deforming the undercut area 134 and / or by displaceable elements in the second tool part of the shaping tool 110.
  • the second tool part is preferably provided with a defined undercut.
  • the bipolar plate 108 After the seal 114 has been positively connected to the bipolar plate 108 by pushing the at least one connecting element 130 through the passage opening 138 of the bipolar plate 108 assigned to it, the bipolar plate 108 is moved away from the first tool part 126 of the forming tool 110, whereby the with the Bipolar plate 108 connected seal 114 and the ver with the seal 114 connected gas diffusion layer 112 from the first tool part 126 of the Shaping tool 110 are removed, so that the demolding of the unit 128 of gas diffusion layer 112 and seal 114 from the shaping tool 110 is completed.
  • a second embodiment of a connection between the seal 114 and the bipolar plate 108 shown in FIG. 5 differs from the first embodiment shown in FIGS. 2 to 4 in that the bipolar plate layers 122 and 124 are not flat in the area of the passage openings 138 , but rather form a collar 148 which at least partially surrounds the openings 138.
  • the two bipolar plate layers 122 and 124 each form a partial collar 150 and 152, respectively.
  • the collar 148 comprises only a part of the collar 150 of the first bipolar plate layer 122 or only a part of the collar 152 of the second bipolar plate layer 124, in which case the respective other bipolar plate layer 122 or 124 in the area of the passage opening 138 can be of essentially flat design .
  • a third embodiment shown in FIG. 6 differs from the first embodiment shown in FIGS. 1 to 4 in that the connecting element 130 does not have a mushroom shape, but rather the undercut area 134 of the connecting element 130 is teardrop-shaped.
  • the undercut area 134 preferably does not lie flat against the rear side 146 of the second bipolar plate layer 124, which enables a certain relative movement between the seal 114 and the bipolar plate 108 along the stacking direction 102.
  • This relative mobility can be used to compensate for positioning and / or manufacturing tolerances when assembling the electrochemical device 100.
  • the third embodiment shown in FIG. 6 agrees with regard to structure, function and method of manufacture with the first embodiment shown in FIGS. 1 to 4, reference is made to the above description.
  • the undercut region 134 can in principle also have any other shape, for example the shape of an arrowhead.
  • a fourth embodiment shown in FIG. 7 differs from the first embodiment shown in FIGS. 1 to 4 in that a pressing device 154 is provided on the first tool part 126 of the shaping tool 110, by means of which the area of the seal 114 on which the connecting element 130 is arranged, can be acted upon with a pressing force directed against the bipolar plate 108 in order to facilitate the establishment of a positive connection between the connecting element 130 and the passage opening 138 of the bipolar plate 108.
  • the pressing device 154 can comprise, for example, a pin 156, which is guided displaceably in a channel 158 of the first tool part 126 of the shaping tool 110 along a displacement direction 160 and is in contact with a rear side 162 of the seal 114 facing away from the bipolar plate 108, while the seal 114 is arranged on the first tool part 126 of the shaping tool 110. Furthermore, the establishment of a positive connection between the connecting element 130 and the passage opening 138 of the bipolar plate 108 can be facilitated by measures that reduce the friction between the log device 114 and the bipolar plate layer 122 and / or the bipolar plate layer 124 of the bipolar plate 108, for example a bevel and / or a deburring of the edge of the passage opening 138.
  • the fourth embodiment shown in FIG. 7 agrees with respect to Lich structure, function and method of manufacture with the first embodiment shown in FIGS. 1 to 4 Darge, reference is made to the above description in this respect.
  • a fifth embodiment shown in FIG. 8 differs from the first embodiment shown in FIGS. 1 to 4 in that the seal 114 is not connected to the bipolar plate 108 by a form fit, but by a material connection, in particular by means of a material connection element 164 which is arranged on the seal 114 or on the bipolar plate 108 before the seal 114 and bipolar plate 108 are brought together.
  • the material connection element 164 can for example contain an adhesive, a tacky resin and / or an adhesion promoter.
  • the bipolar plate 108 - as in the first embodiment - is moved away from the first tool part 126 of the forming tool 110, whereby the unit 128 of gas diffusion layer 112 and seal 114 is removed from the first tool part 126 of the forming tool 110 is demolded.
  • the fifth embodiment shown in FIG. 8 agrees with regard to structure, function and method of manufacture with the first embodiment shown in FIGS. 1 to 4, reference being made to the above description.
  • a sixth embodiment shown in FIG. 9 differs from the first embodiment shown in FIGS. 1 to 4 in that the bipolar plate 108 is used not only for demolding a single unit 128 composed of gas diffusion layer 112 and seal 114, but also for demolding a second unit 128 ′ made up of the second gas diffusion layer 118 and the second seal 120.
  • the second seal 120 after it has been produced in a molding tool, which may be identical to the molding tool 110 for producing the seal 114 or different from the molding tool 110 for producing the seal 114, in the same way (or in a different way ) are connected to the bipolar plate 108 like the seal 114 in order to demold the second seal 120 from a tool part of its forming tool.
  • the two units 128 and 128 'each consisting of a gas diffusion layer 112 or 118 and a seal 114 or 120 are then arranged on opposite sides of the bipolar plate 108, as can be seen from FIG.
  • each electrochemical unit 104 thus comprises an assembly 106 ', which includes the bipolar plate 108, the seal 114 produced separately from the bipolar plate 108 in the forming tool 110, the gas diffusion layer 112 on which the seal 114 is molded, which is also in a forming tool generated separately from the bipolar plate 108 second seal 120 and the second gas diffusion layer 118, on which the second seal 120 is molded, and an electrochemically active membrane 116.
  • the seal 114 and the second seal 120 can be connected to one another by (not illustrated) connecting means, preferably in a form-fitting manner.
  • Such connecting means can be formed in one piece with the seal 114 or in one piece with the second seal 120.
  • an electrochemically active membrane 116 can be inserted between each two such assemblies 106 ′ in order to form a stack of electrochemical units 104 in this way.
  • a seventh embodiment of a connection between the seal 114 and the bipolar plate 108, shown in FIG. 10, differs from the first embodiment shown in FIGS. 2 to 4 in that the connecting element 130 is not formed on the seal 114, but on the Bipolar plate 108, in particular on the first bipolar plate layer 122 facing the seal 114.
  • the bipolar plate layer 122 forms a collar 170 in the area of the passage opening 138 of the bipolar plate layer 122, which collar ends at a radially outwardly protruding annular collar 172 which forms an undercut area 134 of the connecting element 130.
  • the annular collar 172 engages behind an edge region 174 of the seal 114, which borders a narrower section 176 of a stepped passage opening 178 in the seal 114 facing the bipolar plate 108.
  • the annular collar 172 is arranged in a further section 180 of the stepped through opening 178 facing away from the bipolar plate 108.
  • the passage opening 178 of the seal 114 can be provided with a bevel 182.
  • a - preferably cylindrical - core 186 is arranged in a - preferably cylindrical - recess 184 in the first tool part 126, of which the A - preferably cylindrical - projection 190 protrudes towards the cavity of the shaping tool 110, which, when the shaping tool 110 is closed, engages in a complementary recess 192 in the second tool part 194 of the shaping tool 110.
  • the core 186 arranged in the first tool part 126 is surrounded by a movable sleeve 196. After the seal 114 has been produced in the molding tool 110 in an injection molding process, the molding tool 110 is opened by the first tool part 126 and the second tool part 194 being moved away from one another.
  • the holding device comprises a positioning element 200, for example a positioning pin 202, which engages in the collar 170 of the connecting element 130 from the side facing away from the seal 114.
  • the bipolar plate 108 can also be positioned relative to the seal 114 by means of one or more positioning elements arranged outside the cavity of the shaping tool 110.
  • the bipolar plate 108 can be held in its position relative to the first tool part 126 and the seal 114 by means of a suction gripper 204 of the holding device 198, for example.
  • An evacuable chamber open towards the bipolar plate 108 is arranged in the suction gripper 204, so that the bipolar plate 108 is pressed against the suction gripper 204 by the air pressure in the vicinity of the bipolar plate 108.
  • the movable sleeve 196 is moved towards the bipolar plate 108, so that the edge region 174 of the seal 114, which surrounds the stepped passage opening 178, is moved over the annular collar 172 of the connecting element 130 and engages behind the annular collar 172, so that the seal 114 and the bipolar plate 108 are connected to one another by a form fit by means of the connecting element 130.
  • the seventh embodiment shown in FIGS. 10 and 11 corresponds in terms of structure, function and method of manufacture to the first embodiment shown in FIGS. 1 to 4, reference being made to the above description.

Abstract

In order to provide a method for producing a seal for an electrochemical unit of an electrochemical device comprising the following steps: creating the seal in a forming tool; and removing the seal from the forming tool, which method permits the seal to be easily removed undamaged from the forming tool and preferably to achieve a precise positioning of the seal relative to other components of the electrochemical unit, according to the invention the seal, when still situated on the forming tool, is connected to at least one bipolar plate layer of a bipolar plate of the electrochemical unit and the at least one bipolar plate layer is removed from the forming tool together with the seal connected thereto.

Description

Verfahren zum Herstellen einer Dichtung für eine elektrochemische Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung und Baugruppe für eine elektrochemische Vorrichtung Method of manufacturing a seal for an electrochemical unit of an electrochemical device and assembly for an electrochemical device
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Dichtung für eine elektrochemische Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: The present invention relates to a method for producing a seal for an electrochemical unit of an electrochemical device, the method comprising:
Erzeugung der Dichtung in einem Formgebungswerkzeug; und Producing the seal in a forming tool; and
Entnehmen der Dichtung aus dem Formgebungswerkzeug. Remove the seal from the forming tool.
Die elektrochemische Vorrichtung kann insbesondere eine Brennstoffzellen Vor richtung, ein Elektrolyseur oder ein Batteriezellenstapel sein. The electrochemical device can in particular be a fuel cell device, an electrolyzer or a battery cell stack.
Bei bekannten Verfahren dieser Art wird in dem Formgebungswerkzeug eine Einheit aus der Dichtung und einer Gasdiffusionslage der elektrochemischen Einheit hergestellt. In known methods of this type, a unit from the seal and a gas diffusion layer of the electrochemical unit is produced in the molding tool.
Die Außenbereiche einer solchen, insbesondere aus einem Elastomermaterial hergestellten, Dichtung sind jedoch ungestützte Bereiche, die aufgrund der fehlenden Anbindung an eine formsteife Komponente eine große mechanische Instabilität aufweisen. Dies kann beim Zusammenbau der elektrochemischen Einheit und/oder bei der Assemblierung der elektrochemischen Vorrichtung aus den elektrochemischen Einheiten, die längs einer Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung aufeinander folgen, große Schwierigkeiten be reiten, da die Bereiche der Dichtung, welche Mediumkanäle zum Hindurch leiten von der elektrochemischen Vorrichtung zuzuführenden fluiden Medien oder zur Abfuhr von fluiden Medien aus der elektrochemischen Vorrichtung umgeben, nur mit großen Positioniertoleranzen an den jeweils benachbarten Bipolarplatten der elektrochemischen Vorrichtung positioniert werden können oder mit hohem Montageaufwand vorpositioniert werden müssen. Außerdem ist die Entformung einer Dichtung aus einem Formgebungswerk zeug aufwändig, da die Dichtung bei der Entformung nicht beschädigt werden darf und aufgrund der geringen Steifigkeit der Dichtung nur schlecht gegriffen werden kann. However, the outer areas of such a seal, in particular made of an elastomer material, are unsupported areas which, due to the lack of connection to a dimensionally stable component, have great mechanical instability. This can cause great difficulties when assembling the electrochemical unit and / or when assembling the electrochemical device from the electrochemical units that follow one another along a stacking direction of the electrochemical device, since the areas of the seal which conduct medium channels from the electrochemical Fluid media to be supplied to the device or for the removal of fluid media from the electrochemical device, can only be positioned with large positioning tolerances on the respectively adjacent bipolar plates of the electrochemical device or have to be prepositioned with a high level of assembly effort. In addition, the removal of a seal from a molding tool is complex, since the seal must not be damaged during removal from the mold and, due to the low rigidity of the seal, can only be gripped with difficulty.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer Dichtung für eine elektrochemische Einheit einer elektroche mischen Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welches ermög licht, die Dichtung in einfacher weise unbeschädigt von dem Formgebungs werkzeug zu trennen und vorzugsweise eine präzise Positionierung der Dich tung relativ zu anderen Bestandteilen der elektrochemischen Einheit zu er zielen. The present invention has for its object to provide a method for producing a seal for an electrochemical unit of an electrochemical mixing device of the type mentioned, which light made it possible to separate the seal in a simple manner undamaged from the shaping tool and preferably a precise positioning the you direction relative to other components of the electrochemical unit to he aim.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die noch am Formge bungswerkzeug angeordnete Dichtung mit mindestens einer Bipolarplattenlage einer Bipolarplatte der elektrochemischen Einheit verbunden wird und dass die mindestens eine Bipolarplattenlage zusammen mit der damit verbundenen Dichtung von dem Formgebungswerkzeug entfernt wird. This object is achieved in a method with the features of the preamble of claim 1 according to the invention in that the seal still arranged on the forming tool is connected to at least one bipolar plate layer of a bipolar plate of the electrochemical unit and that the at least one bipolar plate layer together with the seal connected to it from the forming tool is removed.
Der vorliegenden Erfindung liegt das Konzept zugrunde, eine Dichtung in einem werkzeuggebundenen Prozess, beispielsweise in einem Spritzgießpro zess, herzustellen, wobei die Dichtung an eine andere Komponente der elektrochemischen Einheit, insbesondere an eine Komponente einer Membran- Elektroden-Anordnung, beispielsweise an eine Gasdiffusionslage, angebunden werden kann. The present invention is based on the concept of producing a seal in a tool-related process, for example in an injection molding process, with the seal on another component of the electrochemical unit, in particular on a component of a membrane-electrode arrangement, for example on a gas diffusion layer, can be connected.
Während der Öffnung des Formgebungswerkzeugs, insbesondere des Spritz gießwerkzeugs, verbleibt die Dichtung an einem Werkzeugteil des Formge bungswerkzeugs. Das Werkzeugteil, an welchem die Dichtung bei der Öffnung des Formge bungswerkzeugs verbleibt, kann ein bewegliches Werkzeugteil oder ein unbe wegliches Werkzeugteil des Formgebungswerkzeugs sein. During the opening of the molding tool, in particular the injection molding tool, the seal remains on a tool part of the molding tool. The tool part on which the seal remains when the forming tool is opened can be a movable tool part or an immovable tool part of the forming tool.
Ferner kann das Werkzeugteil, an welchem die Dichtung bei der Öffnung des Formgebungswerkzeugs verbleibt, mindestens einen Kanal und/oder min destens eine Düse zum Einbringen eines Spritzgießmaterials in eine Kavität des Formgebungswerkzeugs aufweisen. Furthermore, the tool part on which the seal remains when the molding tool is opened can have at least one channel and / or at least one nozzle for introducing an injection molding material into a cavity of the molding tool.
Mindestens eine Bipolarplattenlage einer Bipolarplatte, vorzugsweise eine mehrere Bipolarplattenlagen umfassende Bipolarplatte, wird an die an dem Werkzeugteil des Formgebungswerkzeugs verbliebene Dichtung heranbewegt und durch Formschluss, durch Stoffschluss und/oder durch Kraftschluss mit der Dichtung verbunden. Anschließend wird die Bipolarplattenlage bezie hungsweise die Bipolarplatte zusammen mit der Dichtung von dem Werkzeug teil des Formgebungswerkzeugs weg bewegt. At least one bipolar plate layer of a bipolar plate, preferably a bipolar plate comprising several bipolar plate layers, is moved towards the seal remaining on the tool part of the shaping tool and connected to the seal by form fit, material connection and / or force connection. Then the bipolar plate layer or the bipolar plate together with the seal is moved away from the tool part of the shaping tool.
Hierdurch wird die Entformung der Dichtung aus dem Werkzeugteil des Form gebungswerkzeugs deutlich vereinfacht. This significantly simplifies the removal of the seal from the tool part of the shaping tool.
Ferner kann die Einheit aus Bipolarplattenlage oder Bipolarplatte und der da mit verbundenen Dichtung leicht weiterverarbeitet, gelagert und zusammen mit anderen Bauteilen zu der elektrochemischen Vorrichtung assembliert werden, da die Einheit aus Bipolarplattenlage oder Bipolarplatte und Dichtung eine - im Vergleich zu der isolierten Dichtung - sehr hohe Formsteifigkeit auf weist und somit deutlich leichter positionierbar ist. Furthermore, the unit of bipolar plate layer or bipolar plate and the seal associated therewith can easily be further processed, stored and assembled together with other components to form the electrochemical device, since the unit of bipolar plate layer or bipolar plate and seal is very high compared to the insulated seal Has dimensional stiffness and can therefore be positioned much more easily.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Dichtung und die mindestens eine Bipolarplattenlage mittels mindestens eines Verbindungselements miteinander verbunden werden. Ein solches Verbindungselement kann insbesondere einstückig mit einem Grundkörper der Dichtung ausgebildet sein. In a preferred embodiment of the invention it is provided that the seal and the at least one bipolar plate layer are connected to one another by means of at least one connecting element. Such a connecting element can in particular be designed in one piece with a base body of the seal.
Der Grundkörper der Dichtung kann insbesondere aus einem elastischen Material, vorzugsweise aus einem Elastomermaterial, gebildet sein. The main body of the seal can in particular be formed from an elastic material, preferably from an elastomer material.
Das Verbindungselement kann aus demselben Material wie der Grundkörper der Dichtung gebildet sein oder aus einem von dem Material des Grundkörpers verschiedenen Material. The connecting element can be formed from the same material as the base body of the seal or from a material different from the material of the base body.
Das Verbindungselement kann beispielsweise aus einem thermoplastischen Material gebildet sein. The connecting element can be formed from a thermoplastic material, for example.
Das Verbindungselement kann insbesondere aus einem thermoplastischen Elastomer (TPE) gebildet sein. The connecting element can in particular be formed from a thermoplastic elastomer (TPE).
Das Verbindungselement kann als ein Einlegeteil in das Formgebungswerkzeug eingebracht werden, bevor die Dichtung erzeugt wird, oder im Formgebungs werkzeug als erste Komponente eines Zwei-Komponenten-Spritzgießvorgangs vor dem die zweite Komponente bildenden Grundkörper der Dichtung erzeugt werden. The connecting element can be introduced as an insert into the molding tool before the seal is produced, or it can be produced in the molding tool as a first component of a two-component injection molding process before the main body of the seal forming the second component.
Vorzugsweise umfasst mindestens ein Verbindungselement einen Hinter schneidungsbereich, welcher die mindestens eine Bipolarplattenlage hinter greift. At least one connecting element preferably comprises an undercut area which engages behind the at least one bipolar plate layer.
Grundsätzlich kann der Hinterschneidungsbereich eine beliebige Form auf weisen, beispielsweise die Form eines Pilzes, eines Tropfens oder einer Pfeil spitze. Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass mindestens ein Verbindungselement einen Hinterschneidungsbereich umfasst, welcher an der Bipolarplattenlage angeordnet ist und die Dichtung hintergreift. In principle, the undercut area can have any shape, for example the shape of a mushroom, a drop or the tip of an arrow. As an alternative or in addition to this, it can be provided that at least one connecting element comprises an undercut area which is arranged on the bipolar plate layer and engages behind the seal.
Ein solches Verbindungselement kann insbesondere einstückig mit der betreffenden Bipolarplattenlage ausgebildet sein. Such a connecting element can in particular be designed in one piece with the relevant bipolar plate layer.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass die Dichtung und die mindestens eine Bipolarplattenlage durch Stoffschluss miteinander ver bunden werden. As an alternative or in addition to this, it can be provided that the seal and the at least one bipolar plate layer are connected to one another by a material bond.
Ein solcher Stoffschluss kann beispielsweise mittels eines Stoffschlusselements erzeugt werden, dass an der Dichtung und/oder an der mindestens einen Bi polarplattenlage angeordnet wird. Such a material connection can be generated, for example, by means of a material connection element that is arranged on the seal and / or on the at least one bi-polar plate layer.
Ein solches Stoffschlusselement kann beispielsweise einen Klebstoff, ein Harz und/oder einen Haftvermittler enthalten. Such a material connection element can contain, for example, an adhesive, a resin and / or an adhesion promoter.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Dichtung beim Öffnen des Formge bungswerkzeugs einen Vernetzungsgrad von weniger als 100 % aufweist, vor zugsweise einen Vernetzungsgrad von weniger als 80 %. Nach dem Öffnen des Formgebungswerkzeugs kann die mindestens eine Bipolarplattenlage in Kontakt mit der unvollständig vernetzten Dichtung gebracht werden, worauf eine weitere Vernetzung des Materials der Dichtung stattfindet, wodurch eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Dichtung und der mindestens einen Bipolarplattenlage hergestellt wird. Furthermore, it can be provided that the seal has a degree of crosslinking of less than 100% when the forming tool is opened, preferably a degree of crosslinking of less than 80%. After opening the forming tool, the at least one bipolar plate layer can be brought into contact with the incompletely crosslinked seal, whereupon further crosslinking of the material of the seal takes place, as a result of which a material connection is established between the seal and the at least one bipolar plate layer.
Zur Verbesserung der Haftung zwischen der mindestens einen Bipolarplatten lage und der Dichtung kann dabei vorgesehen sein, dass die mindestens eine Bipolarplattenlage mit einem Haftvermittler vorbehandelt wird. Alternativ oder ergänzend hierzu kann auch das Material der Dichtung einen Haftvermittler enthalten. To improve the adhesion between the at least one bipolar plate layer and the seal, it can be provided that the at least one bipolar plate layer is pretreated with an adhesion promoter. As an alternative or in addition to this, the material of the seal can also contain an adhesion promoter.
Ferner können auf der Seite des Werkzeugteils des Formgebungswerkzeugs, an dem die Dichtung nach der Öffnung des Formgebungswerkzeugs verbleibt, Bereiche vorgesehen sein, die dazu dienen, eine erhöhte lokale Druck spannung auf die Dichtung und die mindestens eine Bipolarplattenlage zu er zeugen, während die Dichtung und die mindestens eine Bipolarplattenlage miteinander in Kontakt stehen. Diese Bereiche liegen vorzugsweise dort, wo sich mindestens ein Verbindungselement der Dichtung befindet. Furthermore, on the side of the tool part of the forming tool on which the seal remains after the opening of the forming tool, areas can be provided which serve to generate an increased local compressive stress on the seal and the at least one bipolar plate layer, while the seal and the at least one bipolar plate layer are in contact with one another. These areas are preferably where there is at least one connecting element of the seal.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Dichtung mittels einer Anpress einrichtung gegen die mindestens eine Bipolarplattenlage gepresst wird. In particular, it can be provided that the seal is pressed against the at least one bipolar plate layer by means of a pressing device.
Eine solche Anpresseinrichtung kann insbesondere einen in dem Werkzeugteil, an welchem die Dichtung nach der Öffnung des Formgebungswerkzeugs ver bleibt, angeordneten beweglichen Stift umfassen. Ein solcher Stift kann gegen die Dichtung bewegt werden, um die Dichtung gegen die mindestens eine Bi polarplattenlage zu pressen. Such a pressing device can in particular comprise a movable pin arranged in the tool part on which the seal remains after the molding tool has been opened. Such a pin can be moved against the seal in order to press the seal against the at least one bi-polar plate layer.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Dichtung in dem Formgebungswerkzeug an einen Bestandteil einer Membran- Elektroden-Anordnung der elektrochemischen Einheit, insbesondere an eine Gasdiffusionslage, angeformt wird. In a preferred embodiment of the invention it is provided that the seal in the shaping tool is molded onto a component of a membrane-electrode arrangement of the electrochemical unit, in particular onto a gas diffusion layer.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Dichtung mit mindestens zwei Bipolar plattenlagen verbunden wird, welche vor deren Verbindung mit der Dichtung miteinander verbunden worden sind. Furthermore, it can be provided that the seal is connected to at least two bipolar plate layers which have been connected to one another before they are connected to the seal.
Dabei können die zwei Bipolarplattenlagen insbesondere durch Verklebung oder durch Verschweißung, insbesondere durch Laserverschweißung, mit einander verbunden worden sein. Ferner kann vorgesehen sein, dass eine Baugruppe, welche die mindestens eine Bipolarplattenlage und die damit verbundene Dichtung umfasst, mit einer weiteren Dichtung, insbesondere durch Formschluss, Stoffschluss und/oder Kraftschluss, verbunden wird. The two bipolar plate layers can in particular have been connected to one another by gluing or by welding, in particular by laser welding. Furthermore, it can be provided that an assembly which comprises the at least one bipolar plate layer and the seal connected to it is connected to a further seal, in particular by a form fit, material fit and / or force fit.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Baugruppe mit der weiteren Dichtung verbunden wird, während die weitere Dichtung an einem Werkzeug teil eines Formgebungswerkzeugs angeordnet ist, in welchem die Dichtung erzeugt worden ist, beispielsweise durch einen Spritzgießvorgang. In particular, it can be provided that the assembly is connected to the further seal while the further seal is arranged on a tool part of a molding tool in which the seal has been produced, for example by an injection molding process.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Baugruppe für eine elektroche mische Vorrichtung, welche mindestens eine Bipolarplattenlage und eine Dich tung umfasst. The present invention also relates to an assembly for an electrochemical device which comprises at least one bipolar plate layer and a device you.
Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, eine solche Baugruppe für eine elektrochemische Vorrichtung zu schaffen, welche ein leichtes und beschädigungsfreies Entformen der Dichtung aus einem Formge bungswerkzeug und vorzugsweise auch eine präzise Positionierung der Dich tung relativ zu anderen Bestandteilen der elektrochemischen Vorrichtung während der Assemblierung der elektrochemischen Vorrichtung ermöglicht. The present invention is based on the further object of providing such an assembly for an electrochemical device, which allows easy and damage-free removal of the seal from a molding tool and preferably also precise positioning of the device relative to other components of the electrochemical device during assembly of the electrochemical device.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Baugruppe für eine elektrochemische Vorrichtung, die mindestens eine Bipolarplattenlage und mindestens eine in einem Formgebungswerkzeug separat von der mindestens einen Bipolarplattenlage erzeugte Dichtung, welche durch Formschluss, durch Stoffschluss und/oder durch Kraftschluss mit der mindestens einen Bipolar plattenlage verbunden ist, umfasst. Besondere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Baugruppe für eine elektrochemische Vorrichtung sind vorstehend bereits im Zusammenhang mit besonderen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert worden. According to the invention, this object is achieved by an assembly for an electrochemical device which has at least one bipolar plate layer and at least one seal produced in a shaping tool separately from the at least one bipolar plate layer, which is connected to the at least one bipolar plate layer by form fit, material connection and / or force connection is, includes. Special configurations of the assembly according to the invention for an electrochemical device have already been explained above in connection with particular configurations of the method according to the invention.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung der erfindungsgemäßen Baugruppe für eine elektrochemische Vorrichtung. The method according to the invention is particularly suitable for producing the assembly according to the invention for an electrochemical device.
Die erfindungsgemäße Baugruppe für eine elektrochemische Vorrichtung ist vorzugsweise nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt. The assembly according to the invention for an electrochemical device is preferably produced according to the method according to the invention.
Die erfindungsgemäße Baugruppe für eine elektrochemische Vorrichtung eignet sich insbesondere zur Verwendung in einer elektrochemischen Vorrich tung, welche mehrere längs einer Stapelrichtung aufeinander folgende elektro chemische Einheiten umfasst, die jeweils eine solche erfindungsgemäße Bau gruppe umfassen. The assembly according to the invention for an electrochemical device is particularly suitable for use in an electrochemical Vorrich device which comprises a plurality of electrochemical units following one another along a stacking direction, each of which comprises such an assembly according to the invention.
Die Dichtung kann zwei Dichtungsabschnitte aufweisen, wobei vorzugsweise ein anodenseitiger Dichtungsabschnitt an eine anodenseitige Gasdiffusionslage und ein kathodenseitiger Dichtungsabschnitt an eine kathodenseitige Gasdiffu sionslage angebunden ist. The seal can have two sealing sections, a sealing section on the anode side preferably being connected to an anode-side gas diffusion layer and a cathode-side sealing section being connected to a gas diffusion layer on the cathode side.
Es kann vorgesehen sein, dass mindestens ein Verbindungselement der Dich tung die mindestens eine Bipolarplattenlage am äußeren Umfang der Bipolar plattenlage hintergreift. It can be provided that at least one connecting element of the device engages behind the at least one bipolar plate layer on the outer circumference of the bipolar plate layer.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass ein Verbindungselement die min destens eine Bipolarplattenlage längs ihres gesamten äußeren Umfangs hintergreift. Wenn die Dichtung und die mindestens eine Bipolarplattenlage durch Stoff schluss mittels eines Stoffschlusselements miteinander verbunden werden, so kann das Material des Stoffschlusselements, welches beispielsweise einen Klebstoff, ein Harz und/oder ein Elastomer enthält, durch Wärmeeintrag aus gehärtet und/oder vernetzt werden, während die Dichtung in Kontakt mit der mindestens einen Bipolarplattenlage steht. In particular, it can be provided that a connecting element engages behind the min least one bipolar plate layer along its entire outer circumference. If the seal and the at least one bipolar plate layer are connected to one another by a material connection by means of a material connection element, the material of the material connection element, which contains, for example, an adhesive, a resin and / or an elastomer, can be cured and / or crosslinked by the input of heat while the seal is in contact with the at least one bipolar plate layer.
Dabei kann die Wärme zum Aushärten und/oder Vernetzen des Materials des Stoffschlusselements insbesondere über das Werkzeugteil, an dem die Dich tung nach der Öffnung des Formgebungswerkzeugs verbleibt, eingebracht werden. In this case, the heat for curing and / or crosslinking the material of the material connection element can be introduced, in particular via the tool part on which the log device remains after the shaping tool has been opened.
Die Dichtung kann mindestens ein Rückhalteelement aufweisen, durch welches die Dichtung prozesssicher auf einem vorgegebenen Werkzeugteil des Form gebungswerkzeugs zurückgehalten wird, wenn das Formgebungswerkzeug ge öffnet wird. The seal can have at least one retaining element, by means of which the seal is reliably retained on a predetermined tool part of the shaping tool when the shaping tool is opened.
Ein solches Rückhalteelement kann die Dichtung mittels Kraftschluss, Stoff schluss und/oder Formschluss an dem betreffenden Werkzeugteil zurück halten. Such a retaining element can hold the seal back on the relevant tool part by means of a force fit, material fit and / or form fit.
Ein solches Rückhalteelement kann insbesondere einen Hinterschneidungsbe reich aufweisen. Such a retaining element can in particular have a rich undercut area.
Ein solches Rückhalteelement kann entfernt und/oder zerstört werden, bevor die Dichtung zusammen mit der mindestens einen Bipolarplattenlage von dem Werkzeugteil, an dem die Dichtung beim Öffnen des Formgebungswerkzeugs verbleibt, weg bewegt wird. Such a retaining element can be removed and / or destroyed before the seal, together with the at least one bipolar plate layer, is moved away from the tool part on which the seal remains when the forming tool is opened.
Das Zerstören und/oder Entfernen des Rückhalteelements kann beispielsweise mittels eines Stanzvorgangs oder eines Reißvorgangs erfolgen. Statt an eine Gasdiffusionslage kann die Dichtung bei ihrer Erzeugung in dem Formgebungswerkzeug auch an eine Membran-Elektroden-Anordnung, welche zwei Gasdiffusionslagen und eine Membran umfasst, an eine Rand Verstärkung, an eine mit einer Membran verbundene Randverstärkung, an eine mit einer oder mit zwei Gasdiffusionslagen verbundene Rand Verstärkung oder an eine mit einer Membran und mit einer oder mit zwei Gasdiffusionslagen verbundene Randverstärkung angebunden werden. The retaining element can be destroyed and / or removed, for example, by means of a punching process or a tearing process. Instead of a gas diffusion layer, when it is produced in the forming tool, the seal can also be attached to a membrane-electrode arrangement comprising two gas diffusion layers and a membrane, to an edge reinforcement, to an edge reinforcement connected to a membrane, to one with one or two Edge reinforcement connected to gas diffusion layers or to an edge reinforcement connected to a membrane and with one or two gas diffusion layers.
Nach dem Verbinden einer Einheit aus einer Dichtung und einer Gasdiffusions lage mit mindestens einer Bipolarplattenlage oder mit einer mehrlagigen Bi polarplatte kann die Baugruppe, welche die Einheit aus der Dichtung und der Gasdiffusionslage sowie die Bipolarplattenlage beziehungsweise die Bipolar platte umfasst, in einem nachfolgenden Stapelvorgang zusammen mit einer Membran und/oder einer zweiten Einheit aus einer Dichtung und einer Gas diffusionslage aufgestapelt werden. After connecting a unit of a seal and a gas diffusion layer with at least one bipolar plate layer or with a multi-layer bipolar plate, the assembly, which comprises the unit of the seal and the gas diffusion layer as well as the bipolar plate layer or the bipolar plate, can be used together in a subsequent stacking process a membrane and / or a second unit made of a seal and a gas diffusion layer are stacked.
Dabei umfasst die erste Einheit aus Dichtung und Gasdiffusionslage, welche zum Entformen aus dem Formgebungswerkzeug mit der Bipolarplattenlage oder der Bipolarplatte verbunden worden ist, vorzugsweise mindestens einen Dichtungsbereich, welcher sich um einen Mediumkanal der elektrochemischen Vorrichtung herum erstreckt. Ein solcher sich um einen Mediumkanal herum erstreckender Dichtungsbereich weist eine besonders geringe eigene Steifig keit auf, so dass die Erhöhung der Formsteifigkeit der Dichtung durch die Bi polarplattenlage beziehungsweise die Bipolarplatte sich in diesem Fall be sonders günstig auswirkt. The first unit of seal and gas diffusion layer, which has been connected to the bipolar plate layer or the bipolar plate for demolding from the molding tool, preferably comprises at least one sealing area which extends around a medium channel of the electrochemical device. Such a sealing area extending around a medium channel has a particularly low inherent stiffness, so that the increase in the dimensional stiffness of the seal by the bipolar plate layer or the bipolar plate has a particularly favorable effect in this case.
Alternativ hierzu können auch zwei Einheiten aus jeweils einer Dichtung und einer Gasdiffusionslage auf einander abgewandte Seiten einer Bipolarplatte aufgebracht und insbesondere mittels jeweils mindestens eines Verbindungs elements mit der Bipolarplatte verbunden werden. Bei der Assemblierung der elektrochemischen Vorrichtung werden dann diese Baugruppen, welche jeweils eine Bipolarplatte, zwei Dichtungen und zwei Gas diffusionslagen umfassen, im Wechsel mit Membranen, insbesondere mit kata lysatorbeschichteten Membranen (CCM), aufeinander gestapelt. As an alternative to this, two units, each comprising a seal and a gas diffusion layer, can also be applied to sides of a bipolar plate facing away from one another and in particular connected to the bipolar plate by means of at least one connecting element in each case. When assembling the electrochemical device, these assemblies, which each include a bipolar plate, two seals and two gas diffusion layers, are stacked on top of one another in alternation with membranes, in particular with catalyst-coated membranes (CCM).
Mindestens ein Verbindungselement zum Verbinden einer Dichtung mit min destens einer Bipolarplattenlage kann so ausgebildet sein, dass eine Relativ bewegung zwischen der Dichtung und der mindestens einen Bipolarplatten lage, beispielsweise aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungen und/oder aufgrund eines Schrumpfens der Dichtung, in eine oder zwei Raum richtungen möglich ist. At least one connecting element for connecting a seal to at least one bipolar plate layer can be designed so that a relative movement between the seal and the at least one bipolar plate layer, for example due to different thermal expansions and / or due to shrinkage of the seal, in one or two spatial directions is possible.
Die Dichtung kann mindestens einen Dichtungsbereich umfassen, welcher sich im montierten Zustand der elektrochemischen Vorrichtung über einen Mediumkanal der elektrochemischen Vorrichtung herum erstreckt. The seal can comprise at least one sealing area which, in the assembled state of the electrochemical device, extends around a medium channel of the electrochemical device.
Ein solcher Dichtungsbereich kann an eine anodenseitige Gasdiffusionslage oder an eine kathodenseitige Gasdiffusionslage angebunden sein. Ins besondere kann vorgesehen sein, dass alle einen Mediumkanal umgebenden Dichtungsbereiche der Dichtung an eine anodenseitige Gasdiffusionslage an gebunden sind oder dass alle einen Mediumkanal umgebenden Dichtungsbe reiche der Dichtung an eine kathodenseitige Gasdiffusionslage angebunden sind. Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass mindestens ein einen Mediumkanal umgebender Dichtungsbereich der Dichtung an eine anoden seitige Gasdiffusionslage angebunden ist und dass mindestens ein anderer einen Mediumkanal umgebender Dichtungsbereich der Dichtung an eine kathodenseitige Gasdiffusionslage angebunden ist. Such a sealing area can be connected to a gas diffusion layer on the anode side or to a gas diffusion layer on the cathode side. In particular, it can be provided that all sealing areas of the seal surrounding a medium channel are connected to an anode-side gas diffusion layer or that all sealing areas of the seal surrounding a medium channel are connected to a cathode-side gas diffusion layer. Alternatively, it can be provided that at least one sealing area of the seal surrounding a medium channel is connected to an anode-side gas diffusion layer and that at least one other sealing area of the seal surrounding a medium channel is connected to a cathode-side gas diffusion layer.
Die Bipolarplattenlagen der Bipolarplatte können aus einem metallischen Material oder aus einem graphitischen Material gebildet sein. Die Bipolarplattenlagen der Bipolarplatte können beispielsweise durch einen Schweißvorgang stoffschlüssig miteinander verbunden sein. The bipolar plate layers of the bipolar plate can be formed from a metallic material or from a graphitic material. The bipolar plate layers of the bipolar plate can be materially connected to one another, for example, by a welding process.
Die Dichtung kann aus einem Elastomermaterial gebildet sein. The seal can be formed from an elastomer material.
Die Dichtung kann in einem Spritzgießvorgang hergestellt und zugleich stoff schlüssig an eine Gasdiffusionslage angebunden werden. Dazu wird eine Gas diffusionslage in das Formgebungswerkzeug, insbesondere ein Spritzgießwerk zeug, eingelegt und mit dem Spritzgießmaterial, aus welchem die Dichtung gebildet wird, umspritzt. The seal can be produced in an injection molding process and at the same time firmly connected to a gas diffusion layer. For this purpose, a gas diffusion layer is inserted into the molding tool, in particular an injection molding tool, and the injection molding material from which the seal is formed is overmolded.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, dass eine Dichtung einer elektroche mischen Einheit ohne Randverstärkung und mit einem sehr kompakten Aufbau hergestellt und präzise relativ zu der Bipolarplatte der elektrochemischen Ein heit positioniert werden kann. The present invention enables a seal of an electrochemical unit to be produced without edge reinforcement and with a very compact structure and to be precisely positioned relative to the bipolar plate of the electrochemical unit.
Da die Dichtung separat von der Bipolarplatte hergestellt wird, kann die Bi polarplatte leicht gereinigt werden, nachdem deren Bipolarplattenlagen durch einen Schweißvorgang oder einen Klebevorgang miteinander verbunden worden sind, da sich zu diesem Zeitpunkt kein Dichtungsmaterial an der Bi polarplatte befindet. Since the seal is made separately from the bipolar plate, the bipolar plate can be easily cleaned after its bipolar plate layers have been connected to one another by a welding process or an adhesive process, since there is no sealing material on the bipolar plate at this time.
Außerdem kann ein Schweißvorgang zur Herstellung einer mehrlagigen Bi polarplatte aus mehreren Bipolarplattenlagen mit einem geringeren Qualitäts sicherungs-Aufwand durchgeführt werden, da sich während des Schweißvor gangs keine andere Komponente, insbesondere keine Membran-Elektroden- Anordnung und/oder keine Dichtung, an einer der Bipolarplattenlagen be findet, welche nach dem Schweißvorgang auf ihre Funktionalität und/oder auf eine mögliche Kontamination hin überprüft werden müsste. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfol genden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbei spielen. In addition, a welding process for producing a multilayered bipolar plate from several bipolar plate layers can be carried out with a lower level of quality assurance effort, since no other components, in particular no membrane-electrode arrangement and / or no seal, are attached to one of the bipolar plate layers during the welding process be found, which would have to be checked for functionality and / or possible contamination after the welding process. Further features and advantages of the invention are the subject of the following description and the graphic representation of Ausführungsbei play.
In den Zeichnungen zeigen: In the drawings show:
Fig. 1 eine schematische Explosionsdarstellung von zwei elektrochemi schen Einheiten einer elektrochemischen Vorrichtung, welche längs einer Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung aufeinander folgen und jeweils eine Baugruppe, die eine Bipolar platte, eine Gasdiffusionslage und eine in einem Formgebungs werkzeug separat von der Bipolarplatte erzeugte und an die Gas diffusionslage angeformte Dichtung, welche durch Formschluss, durch Stoffschluss und/oder durch Kraftschluss mit der Bipolar platte verbunden ist, umfasst, eine elektrochemisch aktive Membran und eine weitere Gasdiffusionslage, an welche in einem Formgebungswerkzeug eine weitere Dichtung angeformt worden ist, umfassen; Fig. 1 is a schematic exploded view of two electrochemical's units of an electrochemical device, which follow one another along a stacking direction of the electrochemical device and each have an assembly that has a bipolar plate, a gas diffusion layer and a forming tool generated separately from the bipolar plate and attached to the Gas diffusion layer molded seal, which is connected to the bipolar plate by form fit, material connection and / or force connection, comprises an electrochemically active membrane and a further gas diffusion layer to which a further seal has been molded in a molding tool;
Fig. 2 einen schematischen ausschnittsweisen Querschnitt durch ein2 shows a schematic partial cross section through a
Werkzeugteil eines Formgebungswerkzeugs, an welchem eine an eine Gasdiffusionslage angeformte Dichtung angeordnet ist, und eine zweilagige Bipolarplatte, wobei die Dichtung ein Ver bindungselement mit einem Hinterschneidungsbereich aufweist und die Bipolarplatte eine Durchtrittsöffnung für den Durchtritt des Verbindungselements durch die Bipolarplatte aufweist; Tool part of a shaping tool on which a seal formed on a gas diffusion layer is arranged, and a two-layer bipolar plate, the seal having a connecting element with an undercut area and the bipolar plate having a passage opening for the passage of the connecting element through the bipolar plate;
Fig. 3 einen schematischen ausschnittsweisen Querschnitt durch die3 shows a schematic partial cross-section through the
Dichtung mit Verbindungselement und die Bipolarplatte aus Fig. 2 in einem verbundenen Zustand, in welchem der Hinterschnei dungsbereich des Verbindungselements der Dichtung die Bipolar platte hintergreift, längs der Linie 3 - 3 in Fig. 4; Fig. 4 eine ausschnittsweise Draufsicht auf die Bipolarplatte aus Fig. 3, mit der Blickrichtung längs des Pfeils 4 in Fig. 3, auf die der Dich tung abgewandte Rückseite der Bipolarplatte; Seal with connecting element and the bipolar plate from FIG. 2 in a connected state, in which the undercut area of the connecting element of the seal engages behind the bipolar plate, along the line 3 - 3 in FIG. 4; Fig. 4 is a fragmentary plan view of the bipolar plate from Figure 3, looking along the arrow 4 in Figure 3, on the device facing away from the back of the bipolar plate.
Fig. 5 einen schematischen ausschnittsweisen Querschnitt durch eine5 shows a schematic partial cross section through a
Variante der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsform einer Baugruppe aus Dichtung und Bipolarplatte, wobei die Bi polarplatte einen die Durchtrittsöffnung für das Verbindungsele ment der Dichtung umgebenden Kragen aufweist; Variant of the embodiment of an assembly of seal and bipolar plate shown in FIGS. 3 and 4, the bi-polar plate having a collar surrounding the passage opening for the connecting element of the seal;
Fig. 6 einen schematischen ausschnittsweisen Querschnitt durch eine weitere Variante der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Aus führungsform einer Baugruppe aus Dichtung und Bipolarplatte, wobei der Hinterschneidungsbereich des Verbindungselements beispielsweise eine Tropfenform aufweist; 6 shows a schematic partial cross-section through a further variant of the embodiment shown in FIGS. 3 and 4 of an assembly comprising a seal and bipolar plate, the undercut area of the connecting element having, for example, a teardrop shape;
Fig. 7 einen schematischen ausschnittsweisen Querschnitt durch ein7 shows a schematic partial cross section through a
Werkzeugteil eines Formgebungswerkzeugs, an dem eine an eine Gasdiffusionslage angeformte Dichtung angeordnet ist, wobei die Dichtung mittels eines Verbindungselements mit einer Bipolar platte verbunden ist und das Werkzeugteil des Formgebungs werkzeugs eine Anpresseinrichtung zum Anpressen eines das Verbindungselement umfassenden Bereichs der Dichtung an die Bipolarplatte umfasst; Tool part of a shaping tool on which a seal formed on a gas diffusion layer is arranged, the seal being connected to a bipolar plate by means of a connecting element and the tool part of the shaping tool comprising a pressing device for pressing a region of the seal comprising the connecting element onto the bipolar plate;
Fig. 8 einen schematischen ausschnittsweisen Querschnitt durch eine8 shows a schematic partial cross section through a
Dichtung, die stoffschlüssig mit einer Bipolarplatte verbunden ist; Seal, which is firmly connected to a bipolar plate;
Fig. 9 eine schematische Explosionsdarstellung von zwei elektrochemi schen Einheiten einer elektrochemischen Vorrichtung, welche längs einer Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung aufeinander folgen und jeweils eine Baugruppe, die eine Bipolar platte und zwei in jeweils einem Formgebungswerkzeug separat von der Bipolarplatte erzeugte und an jeweils eine Gasdiffusions lage angeformte Dichtungen, welche durch Formschluss, durch Stoffschluss und/oder durch Kraftschluss mit der Bipolarplatte verbunden sind, umfasst, und eine elektrochemisch aktive Membran umfassen; 9 is a schematic exploded view of two electrochemical units of an electrochemical device, which along a stacking direction of the electrochemical device follow one another and in each case an assembly which comprises a bipolar plate and two seals produced separately from the bipolar plate in a respective forming tool and each molded onto a gas diffusion layer, which are connected to the bipolar plate by form fit, material connection and / or force connection, and an electrochemically active membrane;
Fig. 10 einen schematischen ausschnittsweisen Querschnitt durch eine weitere Variante der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsform einer Baugruppe aus Dichtung und Bipolarplatte, wobei die Dichtung eine gestufte Durchtrittsöffnung und die Bipolarplatte ein die Dichtung hintergreifendes Verbindungselement aufweist; und 10 shows a schematic partial cross section through a further variant of the embodiment shown in FIGS. 3 and 4 of an assembly comprising a seal and a bipolar plate, the seal having a stepped passage opening and the bipolar plate having a connecting element engaging behind the seal; and
Fig. 11 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung der Baugruppe aus Fig. 10, wobei eine an einer Haltevorrichtung gehaltene Bipolarplatte zwischen einem ersten Werkzeugteil und einem zweiten Werkzeugteil eines Formgebungswerkzeugs dargestellt ist. 11 shows a schematic representation of a method for producing the assembly from FIG. 10, with a bipolar plate held on a holding device being shown between a first tool part and a second tool part of a shaping tool.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit den selben Bezugszeichen bezeichnet. Identical or functionally equivalent elements are denoted by the same reference symbols in all figures.
Eine in Fig. 1 schematisch dargestellte und als Ganzes mit 100 bezeichnete elektrochemische Vorrichtung umfasst mehrere, längs einer Stapelrichtung 102 der elektrochemischen Vorrichtung 100 aufeinander folgende elektroche mische Einheiten 104, von denen zwei in Fig. 1 schematisch in Form einer Explosionsdarstellung gezeigt sind. Jede der elektrochemischen Einheiten 104 umfasst jeweils eine Baugruppe 106, die eine Bipolarplatte 108 und eine in einem Formgebungswerkzeug 110 (siehe Fig. 2) separat von der Bipolarplatte 108 erzeugte und an eine Gas diffusionslage 112 angeformte Dichtung 114 umfasst, sowie eine elektroche misch aktive Membran 116, beispielsweise eine katalysatorbeschichtete Membran ("catalyst-coated membrane"; CCM), insbesondere eine Polymer elektrolyt-Membran (PEM), und eine zweite Gasdiffusionslage 118, an welche eine zweite Dichtung 120 angeformt ist. An electrochemical device shown schematically in FIG. 1 and designated as a whole by 100 comprises several electrochemical units 104 following one another along a stacking direction 102 of the electrochemical device 100, two of which are shown schematically in FIG. 1 in the form of an exploded view. Each of the electrochemical units 104 comprises an assembly 106, which comprises a bipolar plate 108 and a seal 114 produced separately from the bipolar plate 108 in a shaping tool 110 (see FIG. 2) and molded onto a gas diffusion layer 112, as well as an electrochemically active membrane 116, for example a catalyst-coated membrane (CCM), in particular a polymer electrolyte membrane (PEM), and a second gas diffusion layer 118, onto which a second seal 120 is molded.
Die Bipolarplatte 108 kann mehrlagig, insbesondere zweilagig, ausgebildet sein und insbesondere eine erste Bipolarplattenlage 122, welche der Dichtung 114 zugewandt ist, und eine zweite Bipolarplattenlage 124, welche der Dich tung 114 abgewandt ist, umfassen. The bipolar plate 108 can be multi-layered, in particular two-layered, and in particular comprise a first bipolar plate layer 122, which faces the seal 114, and a second bipolar plate layer 124, which faces away from the device 114.
Das Formgebungswerkzeug 110, mittels welchem die Dichtung 114 in einem Formgebungsvorgang erzeugt und, vorzugsweise stoffschlüssig, mit der Gas diffusionslage 112 verbunden wird, umfasst ein (ausschnittsweise in Fig. 2 dargestelltes) erstes Werkzeugteil 126 und ein (nicht dargestelltes) zweites Werkzeugteil, welches während des Formgebungsvorgangs an dem ersten Werkzeugteil 126 anliegt und nach dem Formgebungsvorgang von dem ersten Werkzeugteil 126 entfernt wird, um das Formgebungswerkzeug 110 zu öffnen. The shaping tool 110, by means of which the seal 114 is produced in a shaping process and is preferably connected to the gas diffusion layer 112 in a materially bonded manner, comprises a first tool part 126 (shown in detail in FIG. 2) and a second tool part (not shown), which during of the shaping process rests against the first tool part 126 and is removed from the first tool part 126 after the shaping process in order to open the shaping tool 110.
Bei diesem Öffnungsvorgang des Formgebungswerkzeugs 110 verbleibt die Dichtung 114 zusammen mit der Gasdiffusionslage 112 an dem ersten Werkzeugteil 126. During this opening process of the shaping tool 110, the seal 114 remains together with the gas diffusion layer 112 on the first tool part 126.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Einheit 128 aus Gasdiffusionslage 112 und Dichtung 114 durch mindestens ein (nicht dargestelltes) Rückhalteele ment, welches einen Hinterschneidungsbereich aufweisen kann, beim Öffnen des Formgebungswerkzeugs 110 an dem ersten Werkzeugteil 126 zurückge halten wird. Der Formgebungsvorgang kann insbesondere ein Spritzgießvorgang sein, bei welchem die Dichtung 114 in dem Formgebungswerkzeug 110 durch Ein spritzen und zumindest teilweises Vernetzen eines Spritzgießmaterials gebildet wird. It can be provided that the unit 128 of gas diffusion layer 112 and seal 114 is held back by at least one retaining element (not shown), which can have an undercut area, when the shaping tool 110 is opened on the first tool part 126. The molding process can in particular be an injection molding process in which the seal 114 is formed in the molding tool 110 by injecting and at least partially crosslinking an injection molding material.
Die Verbindung der Dichtung 114 mit der vor dem Spritzgießvorgang in das Formgebungswerkzeug 110 eingelegten Gasdiffusionslage 112 kann insbe sondere dadurch erfolgen, dass das Spritzgießmaterial bereichsweise in das poröse Material der Gasdiffusionslage 112 eindringt und dort aushärtet. The connection of the seal 114 to the gas diffusion layer 112 inserted into the molding tool 110 before the injection molding process can in particular take place in that the injection molding material penetrates in some areas into the porous material of the gas diffusion layer 112 and hardens there.
Wie aus den Fig. 2 bis 4 zu ersehen ist, umfasst die Dichtung 114 mindestens ein Verbindungselement 130, welches vorzugsweise einstückig mit einem Grundkörper 132 der Dichtung 114 ausgebildet ist. As can be seen from FIGS. 2 to 4, the seal 114 comprises at least one connecting element 130, which is preferably formed in one piece with a base body 132 of the seal 114.
Das Verbindungselement 130 umfasst einen Hinterschneidungsbereich 134, welcher über einen Tragebereich 136 mit dem Grundkörper 132 der Dichtung 114 verbunden ist und einen größeren Durchmesser aufweist als der Trage bereich 136. The connecting element 130 comprises an undercut area 134, which is connected to the base body 132 of the seal 114 via a support area 136 and has a larger diameter than the support area 136.
Dem Verbindungselement 130 ist eine Durchtrittsöffnung 138 in der Bipolar platte 108 zugeordnet, welche sich im Falle der zweilagigen Bipolarplatte 108 durch die erste Bipolarplattenlage 122 und durch die zweite Bipolarplattenlage 124 hindurch erstreckt. The connecting element 130 is assigned a passage opening 138 in the bipolar plate 108, which in the case of the two-layer bipolar plate 108 extends through the first bipolar plate layer 122 and through the second bipolar plate layer 124.
Der Hinterschneidungsbereich 134 des Verbindungselements 130 kann bei spielsweise eine Kugelabschnittsform, insbesondere eine Halbkugelform, auf weisen. The undercut region 134 of the connecting element 130 can, for example, have a spherical segment shape, in particular a hemispherical shape.
Das Verbindungselement 130 kann insgesamt eine Pilzform aufweisen. Die Anzahl der Verbindungselemente 130 wird so gewählt, dass insbesondere auch mechanisch instabile Bereiche der Dichtung 114, beispielsweise im Bereich von Mediumkanaldurchtrittsöffnungen der Dichtung 114, zuverlässig und präzise relativ zu der Bipolarplatte 108 positionierbar sind. The connecting element 130 can have a mushroom shape overall. The number of connecting elements 130 is selected so that, in particular, mechanically unstable areas of the seal 114, for example in the area of medium channel openings of the seal 114, can be reliably and precisely positioned relative to the bipolar plate 108.
Vorzugsweise beträgt die Anzahl der Verbindungselemente 130 mindestens zwei, insbesondere mindestens vier, besonders bevorzugt mindestens sechs. The number of connecting elements 130 is preferably at least two, in particular at least four, particularly preferably at least six.
Wie am besten aus Fig. 4 zu ersehen ist, kann die Durchtrittsöffnung 138 der Bipolarplatte 108 als ein Langloch 140 ausgebildet sein, welches in einer (vor zugsweise im Wesentlichen parallel zu den Hauptflächen der Bipolarplatten lagen 122 und 124 verlaufenden) Längsrichtung 142 eine Längserstreckung L aufweist, die größer ist als die Quererstreckung I, welche das Langloch 140 in einer senkrecht zu der Längsrichtung 142 (und vorzugsweise im Wesentlichen parallel zu den Hauptflächen der Bipolarplattenlagen 122 und 124) ausge richteten Querrichtung 144 aufweist. As can best be seen from FIG. 4, the through opening 138 of the bipolar plate 108 can be designed as an elongated hole 140 which has a longitudinal extent L in a longitudinal direction 142 (preferably lying essentially parallel to the main surfaces of the bipolar plates 122 and 124) which is greater than the transverse extent I which the elongated hole 140 has in a transverse direction 144 perpendicular to the longitudinal direction 142 (and preferably essentially parallel to the main surfaces of the bipolar plate layers 122 and 124).
Vorzugsweise ist die Quererstreckung I des Langlochs 140 in der Querrichtung 144 im Wesentlichen gleich groß wie oder geringfügig größer als der Durch messer d des Tragebereichs 136 des Verbindungselements 130. Preferably, the transverse extent I of the elongated hole 140 in the transverse direction 144 is essentially the same size as or slightly larger than the diameter d of the support area 136 of the connecting element 130.
Der größte Durchmesser D des Hinterschneidungsbereichs 134 des Ver bindungselements 130 ist größer als der Durchmesser d des Tragebereichs 136 und größer als die Quererstreckung I des Langlochs 140, so dass der Hinterschneidungsbereich 134 die Bipolarplattenlagen 122 und 124 hinter greift, wenn der Hinterschneidungsbereich 134 durch die Durchtrittsöffnung 138 der Bipolarplatte 108 hindurchgedrückt worden ist, wie in den Fig. 3 und 4 dargestellt. The largest diameter D of the undercut area 134 of the connecting element 130 is greater than the diameter d of the support area 136 and greater than the transverse extent I of the elongated hole 140, so that the undercut area 134 engages behind the bipolar plate layers 122 and 124 when the undercut area 134 passes through the passage opening 138 of the bipolar plate 108 has been pushed through, as shown in FIGS. 3 and 4.
Vorzugsweise entspricht die Höhe h des Tragebereichs 136, das heißt dessen Erstreckung senkrecht zu den Hauptflächen der Bipolarplattenlagen 122 und 124 und - im montierten Zustand der elektrochemischen Vorrichtung 100 - parallel zu der Stapelrichtung 102, im Wesentlichen der Gesamt- Material stärke beider Bipolarplattenlagen 122 und 124 im Bereich der Durch trittsöffnungen 138, so dass der Hinterschneidungsbereich 134, vorzugsweise im Wesentlichen flächig, an der dem Grundkörper 132 der Dichtung 114 ab gewandten Rückseite 146 der zweiten Bipolarplattenlage 124 und damit der Bipolarplatte 108 anliegt. The height h of the support area 136, that is to say its extension perpendicular to the main surfaces of the bipolar plate layers 122 and 124 and in the assembled state of the electrochemical device, preferably corresponds 100 - parallel to the stacking direction 102, essentially the total material thickness of both bipolar plate layers 122 and 124 in the area of the through openings 138, so that the undercut area 134, preferably essentially flat, on the rear side 146 facing away from the base body 132 of the seal 114 the second bipolar plate layer 124 and thus the bipolar plate 108 rests.
Durch die formschlüssige Verbindung der Dichtung 114 mit der Bipolarplatte 108 mittel des Verbindungselements 130 ist die Dichtung 114 in ihrer Lage relativ zu der Bipolarplatte 108 längs der Querrichtung 144 des Langlochs 140 der Bipolarplatte 108 fixiert; jedoch ist die Relativposition der Dichtung 114 in Bezug auf die Bipolarplatte 108 in der Längsrichtung 142 des Langlochs 140 im Rahmen der Längserstreckung L des Langlochs 140 variabel, so dass ein Ausgleich von Positionierungs- und/oder Fertigungstoleranzen erfolgen kann. Due to the positive connection of the seal 114 to the bipolar plate 108 by means of the connecting element 130, the seal 114 is fixed in its position relative to the bipolar plate 108 along the transverse direction 144 of the elongated hole 140 of the bipolar plate 108; however, the relative position of the seal 114 with respect to the bipolar plate 108 in the longitudinal direction 142 of the elongated hole 140 is variable within the scope of the longitudinal extent L of the elongated hole 140, so that positioning and / or manufacturing tolerances can be compensated.
Die Entformung des Hinterschneidungsbereichs 134 aus dem (nicht darge stellten) zweiten Werkzeugteil des Formgebungswerkzeugs 110 wird bei spielsweise durch eine Verformung des Hinterschneidungsbereichs 134 und/oder durch verschiebbare Elemente im zweiten Werkzeugteil des Formge bungswerkzeugs 110 ermöglicht. The demolding of the undercut area 134 from the second tool part (not shown) of the shaping tool 110 is made possible, for example, by deforming the undercut area 134 and / or by displaceable elements in the second tool part of the shaping tool 110.
Um eine Verformung des Hinterschneidungsbereichs 134 zu gewährleisten, ist das zweite Werkzeugteil vorzugsweise mit einem definierten Hinterschnitt versehen. In order to ensure a deformation of the undercut region 134, the second tool part is preferably provided with a defined undercut.
Nachdem eine formschlüssige Verbindung der Dichtung 114 mit der Bipolar platte 108 durch Hindurchdrücken des mindestens einen Verbindungselements 130 durch die demselben zugeordnete Durchtrittsöffnung 138 der Bipolarplatte 108 erfolgt ist, wird die Bipolarplatte 108 von dem ersten Werkzeugteil 126 des Formgebungswerkzeugs 110 weg bewegt, wodurch die mit der Bipolar platte 108 verbundene Dichtung 114 und die mit der Dichtung 114 ver bundene Gasdiffusionslage 112 von dem ersten Werkzeugteil 126 des Formgebungswerkzeugs 110 entfernt werden, so dass die Entformung der Einheit 128 aus Gasdiffusionslage 112 und Dichtung 114 aus dem Formgebungswerkzeug 110 abgeschlossen ist. After the seal 114 has been positively connected to the bipolar plate 108 by pushing the at least one connecting element 130 through the passage opening 138 of the bipolar plate 108 assigned to it, the bipolar plate 108 is moved away from the first tool part 126 of the forming tool 110, whereby the with the Bipolar plate 108 connected seal 114 and the ver with the seal 114 connected gas diffusion layer 112 from the first tool part 126 of the Shaping tool 110 are removed, so that the demolding of the unit 128 of gas diffusion layer 112 and seal 114 from the shaping tool 110 is completed.
Eine in Fig. 5 dargestellte zweite Ausführungsform einer Verbindung zwischen der Dichtung 114 und der Bipolarplatte 108 unterscheidet sich von der in den Fig. 2 bis 4 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass die Bipolar plattenlagen 122 und 124 im Bereich der Durchtrittsöffnungen 138 nicht flach ausgebildet sind, sondern einen Kragen 148 bilden, welcher die Durchtrittsöff nungen 138 zumindest teilweise umgibt. A second embodiment of a connection between the seal 114 and the bipolar plate 108 shown in FIG. 5 differs from the first embodiment shown in FIGS. 2 to 4 in that the bipolar plate layers 122 and 124 are not flat in the area of the passage openings 138 , but rather form a collar 148 which at least partially surrounds the openings 138.
Gemäß der Darstellung in Fig. 5 bilden beide Bipolarplattenlagen 122 und 124 jeweils einen Teilkragen 150 beziehungsweise 152 aus. According to the illustration in FIG. 5, the two bipolar plate layers 122 and 124 each form a partial collar 150 and 152, respectively.
Grundsätzlich kann aber vorgesehen sein, dass der Kragen 148 nur einen Teil kragen 150 der ersten Bipolarplattenlage 122 oder nur einen Teilkragen 152 der zweiten Bipolarplattenlage 124 umfasst, wobei dann die jeweils andere Bipolarplattenlage 122 beziehungsweise 124 im Bereich der Durchtrittsöffnung 138 im Wesentlichen flach ausgebildet sein kann. In principle, however, it can be provided that the collar 148 comprises only a part of the collar 150 of the first bipolar plate layer 122 or only a part of the collar 152 of the second bipolar plate layer 124, in which case the respective other bipolar plate layer 122 or 124 in the area of the passage opening 138 can be of essentially flat design .
Im Übrigen stimmt die in Fig. 5 dargestellte zweite Ausführungsform hinsicht lich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in den Fig. 1 bis 4 darge stellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird. Incidentally, the second embodiment shown in Fig. 5 agrees with respect to Lich structure, function and method of manufacture with the first embodiment shown in Figs. 1 to 4 Darge, reference is made to the above description in this respect.
Eine in Fig. 6 dargestellte dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der in den Fig. 1 bis 4 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass das Ver bindungselement 130 keine Pilzform aufweist, sondern vielmehr der Hinter schneidungsbereich 134 des Verbindungselements 130 tropfenförmig ausge bildet ist. Der Hinterschneidungsbereich 134 liegt vorzugsweise nicht flächig an der Rückseite 146 der zweiten Bipolarplattenlage 124 an, was eine gewisse Re lativbewegung zwischen der Dichtung 114 und der Bipolarplatte 108 längs der Stapelrichtung 102 ermöglicht. A third embodiment shown in FIG. 6 differs from the first embodiment shown in FIGS. 1 to 4 in that the connecting element 130 does not have a mushroom shape, but rather the undercut area 134 of the connecting element 130 is teardrop-shaped. The undercut area 134 preferably does not lie flat against the rear side 146 of the second bipolar plate layer 124, which enables a certain relative movement between the seal 114 and the bipolar plate 108 along the stacking direction 102.
Diese Relativbeweglichkeit kann dazu benutzt werden, bei der Montage der elektrochemischen Vorrichtung 100 Positionierungs- und/oder Fertigungs toleranzen auszugleichen. This relative mobility can be used to compensate for positioning and / or manufacturing tolerances when assembling the electrochemical device 100.
Im Übrigen stimmt die in Fig. 6 dargestellte dritte Ausführungsform hinsicht lich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in den Fig. 1 bis 4 darge stellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird. Incidentally, the third embodiment shown in FIG. 6 agrees with regard to structure, function and method of manufacture with the first embodiment shown in FIGS. 1 to 4, reference is made to the above description.
Der Hinterschneidungsbereich 134 kann grundsätzlich auch eine beliebige andere Form aufweisen, beispielsweise die Form einer Pfeilspitze. The undercut region 134 can in principle also have any other shape, for example the shape of an arrowhead.
Eine in Fig. 7 dargestellte vierte Ausführungsform unterscheidet sich von der in den Fig. 1 bis 4 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass an dem ersten Werkzeugteil 126 des Formgebungswerkzeugs 110 eine Anpress einrichtung 154 vorgesehen ist, mittels welcher der Bereich der Dichtung 114, an welcher das Verbindungselement 130 angeordnet ist, mit einer gegen die Bipolarplatte 108 gerichteten Anpresskraft beaufschlagt werden kann, um das Herstellen einer formschlüssigen Verbindung zwischen dem Verbindungsele ment 130 und der Durchtrittsöffnung 138 der Bipolarplatte 108 zu erleichtern. A fourth embodiment shown in FIG. 7 differs from the first embodiment shown in FIGS. 1 to 4 in that a pressing device 154 is provided on the first tool part 126 of the shaping tool 110, by means of which the area of the seal 114 on which the connecting element 130 is arranged, can be acted upon with a pressing force directed against the bipolar plate 108 in order to facilitate the establishment of a positive connection between the connecting element 130 and the passage opening 138 of the bipolar plate 108.
Die Anpresseinrichtung 154 kann beispielsweise einen Stift 156 umfassen, welcher in einem Kanal 158 des ersten Werkzeugteils 126 des Formgebungs werkzeugs 110 längs einer Verschiebungsrichtung 160 verschieblich geführt ist und mit einer der Bipolarplatte 108 abgewandten Rückseite 162 der Dichtung 114 in Kontakt steht, während die Dichtung 114 an dem ersten Werkzeugteil 126 des Formgebungswerkzeugs 110 angeordnet ist. Ferner kann das Herstellen einer formschlüssigen Verbindung zwischen dem Verbindungselement 130 und der Durchtrittsöffnung 138 der Bipolarplatte 108 durch Maßnahmen erleichtert werden, welche die Reibung zwischen der Dich tung 114 und der Bipolarplattenlage 122 und/oder der Bipolarplattenlage 124 der Bipolarplatte 108 reduzieren, beispielsweise eine Anfasung und/oder eine Entgrätung des Rands der Durchtrittsöffnung 138. The pressing device 154 can comprise, for example, a pin 156, which is guided displaceably in a channel 158 of the first tool part 126 of the shaping tool 110 along a displacement direction 160 and is in contact with a rear side 162 of the seal 114 facing away from the bipolar plate 108, while the seal 114 is arranged on the first tool part 126 of the shaping tool 110. Furthermore, the establishment of a positive connection between the connecting element 130 and the passage opening 138 of the bipolar plate 108 can be facilitated by measures that reduce the friction between the log device 114 and the bipolar plate layer 122 and / or the bipolar plate layer 124 of the bipolar plate 108, for example a bevel and / or a deburring of the edge of the passage opening 138.
Im Übrigen stimmt die in Fig. 7 dargestellte vierte Ausführungsform hinsicht lich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in den Fig. 1 bis 4 darge stellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird. Incidentally, the fourth embodiment shown in FIG. 7 agrees with respect to Lich structure, function and method of manufacture with the first embodiment shown in FIGS. 1 to 4 Darge, reference is made to the above description in this respect.
Eine in Fig. 8 dargestellte fünfte Ausführungsform unterscheidet sich von der in den Fig. 1 bis 4 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass die Dichtung 114 nicht durch Formschluss mit der Bipolarplatte 108 verbunden wird, sondern durch Stoffschluss, insbesondere mittels eines Stoffschlussele ments 164, das vor dem Zusammenführen von Dichtung 114 und Bipolarplatte 108 an der Dichtung 114 oder an der Bipolarplatte 108 angeordnet wird. A fifth embodiment shown in FIG. 8 differs from the first embodiment shown in FIGS. 1 to 4 in that the seal 114 is not connected to the bipolar plate 108 by a form fit, but by a material connection, in particular by means of a material connection element 164 which is arranged on the seal 114 or on the bipolar plate 108 before the seal 114 and bipolar plate 108 are brought together.
Das Stoffschlusselement 164 kann beispielsweise einen Klebstoff, ein klebriges Harz und/oder einen Haftvermittler enthalten. The material connection element 164 can for example contain an adhesive, a tacky resin and / or an adhesion promoter.
Nach der stoffschlüssigen Verbindung der Bipolarplatte 108 mit der Dichtung 114 wird die Bipolarplatte 108 - wie bei der ersten Ausführungsform - von dem ersten Werkzeugteil 126 des Formgebungswerkzeugs 110 weg bewegt, wodurch die Einheit 128 aus Gasdiffusionslage 112 und Dichtung 114 von dem ersten Werkzeugteil 126 des Formgebungswerkzeugs 110 entformt wird. Im Übrigen stimmt die in Fig. 8 dargestellte fünfte Ausführungsform hinsicht lich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in Fig. 1 bis 4 dargestell ten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung in soweit Bezug genommen wird. After the material connection of the bipolar plate 108 with the seal 114, the bipolar plate 108 - as in the first embodiment - is moved away from the first tool part 126 of the forming tool 110, whereby the unit 128 of gas diffusion layer 112 and seal 114 is removed from the first tool part 126 of the forming tool 110 is demolded. Incidentally, the fifth embodiment shown in FIG. 8 agrees with regard to structure, function and method of manufacture with the first embodiment shown in FIGS. 1 to 4, reference being made to the above description.
Eine in Fig. 9 dargestellte sechste Ausführungsform unterscheidet sich von der in den Fig. 1 bis 4 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass die Bipolarplatte 108 nicht nur zur Entformung einer einzigen Einheit 128 aus Gasdiffusionslage 112 und Dichtung 114 verwendet wird, sondern auch zur Entformung einer zweiten Einheit 128' aus der zweiten Gasdiffusionslage 118 und der zweiten Dichtung 120. A sixth embodiment shown in FIG. 9 differs from the first embodiment shown in FIGS. 1 to 4 in that the bipolar plate 108 is used not only for demolding a single unit 128 composed of gas diffusion layer 112 and seal 114, but also for demolding a second unit 128 ′ made up of the second gas diffusion layer 118 and the second seal 120.
Zu diesem Zweck kann die zweite Dichtung 120 nach ihrer Erzeugung in einem Formgebungswerkzeug, welches mit dem Formgebungswerkzeug 110 zur Er zeugung der Dichtung 114 identisch oder von dem Formgebungswerkzeug 110 zur Erzeugung der Dichtung 114 verschieden sein kann, in derselben Weise (oder auch in anderer Weise) mit der Bipolarplatte 108 verbunden werden wie die Dichtung 114, um die zweite Dichtung 120 von einem Werkzeugteil ihres Formgebungswerkzeugs zu entformen. For this purpose, the second seal 120, after it has been produced in a molding tool, which may be identical to the molding tool 110 for producing the seal 114 or different from the molding tool 110 for producing the seal 114, in the same way (or in a different way ) are connected to the bipolar plate 108 like the seal 114 in order to demold the second seal 120 from a tool part of its forming tool.
Die beiden Einheiten 128 und 128' aus jeweils einer Gasdiffusionslage 112 be ziehungsweise 118 und einer Dichtung 114 beziehungsweise 120 sind dann auf einander abgewandten Seiten der Bipolarplatte 108 angeordnet, wie dies aus Fig. 9 zu ersehen ist. The two units 128 and 128 'each consisting of a gas diffusion layer 112 or 118 and a seal 114 or 120 are then arranged on opposite sides of the bipolar plate 108, as can be seen from FIG.
Bei dieser Ausführungsform umfasst jede elektrochemische Einheit 104 somit eine Baugruppe 106', die die Bipolarplatte 108, die im Formgebungswerkzeug 110 separat von der Bipolarplatte 108 hergestellte Dichtung 114, die Gasdiffu sionslage 112, an welche die Dichtung 114 angeformt ist, die ebenfalls in einem Formgebungswerkzeug separat von der Bipolarplatte 108 erzeugte zweite Dichtung 120 und die zweite Gasdiffusionslage 118, an welche die zweite Dichtung 120 angeformt ist, umfasst, und eine elektrochemisch aktive Membran 116. In this embodiment, each electrochemical unit 104 thus comprises an assembly 106 ', which includes the bipolar plate 108, the seal 114 produced separately from the bipolar plate 108 in the forming tool 110, the gas diffusion layer 112 on which the seal 114 is molded, which is also in a forming tool generated separately from the bipolar plate 108 second seal 120 and the second gas diffusion layer 118, on which the second seal 120 is molded, and an electrochemically active membrane 116.
Die Dichtung 114 und die zweite Dichtung 120 können durch (nicht darge stellte) Verbindungsmittel, vorzugsweise formschlüssig, miteinander ver bunden sein. Solche Verbindungsmittel können einstückig mit der Dichtung 114 oder einstückig mit der zweiten Dichtung 120 ausgebildet sein. The seal 114 and the second seal 120 can be connected to one another by (not illustrated) connecting means, preferably in a form-fitting manner. Such connecting means can be formed in one piece with the seal 114 or in one piece with the second seal 120.
Beim Assemblieren der elektrochemischen Vorrichtung 100 kann zwischen je weils zwei solcher Baugruppen 106' eine elektrochemisch aktive Membran 116 eingelegt werden, um auf diese Weise einen Stapel aus elektrochemischen Einheiten 104 zu bilden. When assembling the electrochemical device 100, an electrochemically active membrane 116 can be inserted between each two such assemblies 106 ′ in order to form a stack of electrochemical units 104 in this way.
Im Übrigen stimmt die in Fig. 9 dargestellte sechste Ausführungsform hinsicht lich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in den Fig. 1 bis 4 darge stellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird. Incidentally, the sixth embodiment shown in FIG. 9 agrees with regard to structure, function and method of manufacture with the first embodiment shown in FIGS. 1 to 4, reference is made to the above description in this respect.
Eine in Fig. 10 dargestellte siebte Ausführungsform einer Verbindung zwischen der Dichtung 114 und der Bipolarplatte 108 unterscheidet sich von der in den Fig. 2 bis 4 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass das Ver bindungselement 130 nicht an der Dichtung 114 ausgebildet ist, sondern an der Bipolarplatte 108, insbesondere an der der Dichtung 114 zugewandten ersten Bipolarplattenlage 122. A seventh embodiment of a connection between the seal 114 and the bipolar plate 108, shown in FIG. 10, differs from the first embodiment shown in FIGS. 2 to 4 in that the connecting element 130 is not formed on the seal 114, but on the Bipolar plate 108, in particular on the first bipolar plate layer 122 facing the seal 114.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Bipolarplattenlage 122 im Bereich der Durchtrittsöffnung 138 der Bipolarplattenlage 122 einen Kragen 170 bildet, welcher an einem radial nach außen abstehenden Ringbund 172 endet, der einen Hinterschneidungsbereich 134 des Verbindungselements 130 bildet. Im in Fig. 10 dargestellten verbundenen Zustand von Bipolarplatte 108 und Dichtung 114 hintergreift der Ringbund 172 einen Randbereich 174 der Dichtung 114, welcher einen der Bipolarplatte 108 zugewandten engeren Abschnitt 176 einer gestuften Durchtrittsöffnung 178 in der Dichtung 114 berandet. In particular, it can be provided that the bipolar plate layer 122 forms a collar 170 in the area of the passage opening 138 of the bipolar plate layer 122, which collar ends at a radially outwardly protruding annular collar 172 which forms an undercut area 134 of the connecting element 130. In the connected state of the bipolar plate 108 and seal 114 shown in FIG. 10, the annular collar 172 engages behind an edge region 174 of the seal 114, which borders a narrower section 176 of a stepped passage opening 178 in the seal 114 facing the bipolar plate 108.
Der Ringbund 172 ist in einem der Bipolarplatte 108 abgewandten weiteren Abschnitt 180 der gestuften Durchtrittsöffnung 178 angeordnet. The annular collar 172 is arranged in a further section 180 of the stepped through opening 178 facing away from the bipolar plate 108.
Um das Einbringen des Ringbunds 172 und des Kragens 170 in die Durchtritts öffnung 178 der Dichtung 114 zu erleichtern, kann die Durchtrittsöffnung 178 der Dichtung 114 mit einer Anfasung 182 versehen sein. In order to facilitate the introduction of the annular collar 172 and the collar 170 into the passage opening 178 of the seal 114, the passage opening 178 of the seal 114 can be provided with a bevel 182.
Zur Herstellung der in Fig. 10 dargestellten Baugruppe aus Dichtung 114 und Bipolarplatte 108 kann beispielsweise wie folgt vorgegangen werden (siehe Fig. 11): To produce the assembly of seal 114 and bipolar plate 108 shown in FIG. 10, the following procedure can be used, for example (see FIG. 11):
Um in dem Spritzgießvorgang, welcher in dem Formgebungswerkzeug 110 durchgeführt wird, die Dichtung 114 mit der gestuften Durchtrittsöffnung 178 zu erzeugen, ist in einer - vorzugsweise zylindrischen - Ausnehmung 184 in dem ersten Werkzeugteil 126 ein - vorzugsweise zylindrischer - Kern 186 angeordnet, von dessen der Kavität des Formgebungswerkzeugs 110 zugewandter Stirnfläche 188 ein - vorzugsweise zylindrischer - Vorsprung 190 vorspringt, welcher im geschlossenen Zustand des Formgebungswerkzeugs 110 in eine komplementär hierzu ausgebildete Ausnehmung 192 in dem zweiten Werkzeugteil 194 des Formgebungswerkzeugs 110 eingreift. In order to produce the seal 114 with the stepped passage opening 178 in the injection molding process, which is carried out in the molding tool 110, a - preferably cylindrical - core 186 is arranged in a - preferably cylindrical - recess 184 in the first tool part 126, of which the A - preferably cylindrical - projection 190 protrudes towards the cavity of the shaping tool 110, which, when the shaping tool 110 is closed, engages in a complementary recess 192 in the second tool part 194 of the shaping tool 110.
Der im ersten Werkzeugteil 126 angeordnete Kern 186 ist von einer beweg lichen Hülse 196 umgeben. Nachdem die Dichtung 114 in einem Spritzvorgang in dem Formgebungswerk zeug 110 erzeugt worden ist, wird das Formgebungswerkzeug 110 geöffnet, indem das erste Werkzeugteil 126 und das zweite Werkzeugteil 194 voneinander weg bewegt werden. The core 186 arranged in the first tool part 126 is surrounded by a movable sleeve 196. After the seal 114 has been produced in the molding tool 110 in an injection molding process, the molding tool 110 is opened by the first tool part 126 and the second tool part 194 being moved away from one another.
Die zweilagige Bipolarplatte 108, an deren erster Bipolarplattenlage 122 der Kragen 170 und der Ringbund 172, beispielsweise durch einen Umformvor gang, insbesondere durch einen Umbördelvorgang, erzeugt worden sind, wird mittels einer Haltevorrichtung 198 so relativ zu dem ersten Werkzeugteil 126 und der Dichtung 114 positioniert, dass der Ringbund 172 nahe an der Durch trittsöffnung 178 der Dichtung 114 angeordnet ist. The two-layer bipolar plate 108, on the first bipolar plate layer 122 of which the collar 170 and the annular collar 172 have been produced, for example by a forming process, in particular by a flanging process, is positioned relative to the first tool part 126 and the seal 114 by means of a holding device 198 that the annular collar 172 is arranged close to the passage opening 178 of the seal 114.
Um eine möglichst präzise Positionierung der Bipolarplatte 108 relativ zu der Dichtung 114 zu ermöglichen, umfasst die Haltevorrichtung ein Positionierele ment 200, beispielsweise einen Positionierstift 202, welcher von der der Dichtung 114 abgewandten Seite her in den Kragen 170 des Verbindungsele ments 130 eingreift. In order to enable the bipolar plate 108 to be positioned as precisely as possible relative to the seal 114, the holding device comprises a positioning element 200, for example a positioning pin 202, which engages in the collar 170 of the connecting element 130 from the side facing away from the seal 114.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann die Bipolarplatte 108 auch mittels eines oder mehrerer außerhalb der Kavität des Formgebungswerkzeugs 110 ange ordneter Positionierelemente relativ zu der Dichtung 114 positioniert werden. As an alternative or in addition to this, the bipolar plate 108 can also be positioned relative to the seal 114 by means of one or more positioning elements arranged outside the cavity of the shaping tool 110.
Die Bipolarplatte 108 kann beispielsweise mittels eines Sauggreifers 204 der Haltevorrichtung 198 in ihrer Position relativ zu dem ersten Werkzeugteil 126 und der Dichtung 114 gehalten sein. The bipolar plate 108 can be held in its position relative to the first tool part 126 and the seal 114 by means of a suction gripper 204 of the holding device 198, for example.
In dem Sauggreifer 204 ist eine zu der Bipolarplatte 108 hin offene evakuier bare Kammer angeordnet, so dass die Bipolarplatte 108 durch den Luftdruck in der Umgebung der Bipolarplatte 108 gegen den Sauggreifer 204 gepresst wird. Die bewegliche Hülse 196 wird auf die Bipolarplatte 108 zu bewegt, so dass der Randbereich 174 der Dichtung 114, welcher die gestufte Durchtrittsöff nung 178 umgibt, über den Ringbund 172 des Verbindungselements 130 weg bewegt wird und hinter dem Ringbund 172 einrastet, so dass die Dichtung 114 und die Bipolarplatte 108 durch Formschluss mittels des Verbindungselements 130 miteinander verbunden sind. An evacuable chamber open towards the bipolar plate 108 is arranged in the suction gripper 204, so that the bipolar plate 108 is pressed against the suction gripper 204 by the air pressure in the vicinity of the bipolar plate 108. The movable sleeve 196 is moved towards the bipolar plate 108, so that the edge region 174 of the seal 114, which surrounds the stepped passage opening 178, is moved over the annular collar 172 of the connecting element 130 and engages behind the annular collar 172, so that the seal 114 and the bipolar plate 108 are connected to one another by a form fit by means of the connecting element 130.
Im Übrigen stimmt die in den Fig. 10 und 11 dargestellte siebte Ausführungs form hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in den Fig. 1 bis 4 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird. Otherwise, the seventh embodiment shown in FIGS. 10 and 11 corresponds in terms of structure, function and method of manufacture to the first embodiment shown in FIGS. 1 to 4, reference being made to the above description.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Verfahren zum Herstellen einer Dichtung (114) für eine elektrochemische Einheit (104) einer elektrochemischen Vorrichtung (100), umfassend Folgendes: A method of manufacturing a seal (114) for an electrochemical unit (104) of an electrochemical device (100), comprising:
Erzeugen der Dichtung (114) in einem Formgebungswerkzeug (110); und Creating the seal (114) in a forming tool (110); and
Entnehmen der Dichtung (114) aus dem Formgebungswerkzeug (110); d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die noch am Formgebungswerkzeug (110) angeordnete Dichtung (114) mit mindestens einer Bipolarplattenlage (122, 124) einer Bipolar platte (108) der elektrochemischen Einheit (104) verbunden wird und dass die mindestens eine Bipolarplattenlage (122, 124) zusammen mit der damit verbundenen Dichtung (114) von dem Formgebungswerkzeug (110) entfernt wird. Removing the seal (114) from the forming tool (110); characterized in that the seal (114) still arranged on the forming tool (110) is connected to at least one bipolar plate layer (122, 124) of a bipolar plate (108) of the electrochemical unit (104) and that the at least one bipolar plate layer (122, 124) together with the associated seal (114) is removed from the forming tool (110).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (114) und die mindestens eine Bipolarplattenlage (122, 124) mittels mindestens eines Verbindungselements (130) miteinander verbunden werden. 2. The method according to claim 1, characterized in that the seal (114) and the at least one bipolar plate layer (122, 124) are connected to one another by means of at least one connecting element (130).
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Verbindungselement (130) einstückig mit einem Grundkörper (132) der Dichtung (114) ausgebildet ist. 3. The method according to claim 2, characterized in that at least one connecting element (130) is formed in one piece with a base body (132) of the seal (114).
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Verbindungselement (130) einen Hinter schneidungsbereich (134) umfasst, welcher die mindestens eine Bipolar plattenlage (122, 124) hintergreift. 4. The method according to any one of claims 2 or 3, characterized in that at least one connecting element (130) comprises an undercut area (134) which engages behind the at least one bipolar plate layer (122, 124).
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (114) und die mindestens eine Bipolarplattenlage (122, 124) durch Stoffschluss miteinander verbunden werden. 5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the seal (114) and the at least one bipolar plate layer (122, 124) are connected to one another by a material bond.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (114) mittels einer Anpresseinrichtung (154) gegen die mindestens eine Bipolarplattenlage (122, 124) gepresst wird. 6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the seal (114) is pressed against the at least one bipolar plate layer (122, 124) by means of a pressing device (154).
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (114) in dem Formgebungswerkzeug (110) an einen Bestandteil einer Membran-Elektroden-Anordnung der elektrochemischen Einheit (104) angeformt wird. 7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the seal (114) in the shaping tool (110) is molded onto a component of a membrane-electrode arrangement of the electrochemical unit (104).
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (114) mit mindestens zwei Bipolarplattenlagen (122, 124) verbunden wird, welche vor deren Verbindung mit der Dichtung (114) miteinander verbunden worden sind. 8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the seal (114) is connected to at least two bipolar plate layers (122, 124) which have been connected to one another before they are connected to the seal (114).
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Baugruppe (106), welche die mindestens eine Bipolarplatten lage (122, 124) und die damit verbundene Dichtung (114) umfasst, mit einer weiteren Dichtung (120) verbunden wird. 9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that an assembly (106) which comprises the at least one bipolar plate layer (122, 124) and the seal (114) connected to it, connected to a further seal (120) becomes.
10. Baugruppe für eine elektrochemische Vorrichtung (100), umfassend mindestens eine Bipolarplattenlage (122, 124) und mindestens eine in einem Formgebungswerkzeug (110) separat von der mindestens einen Bipolarplattenlage (122, 124) erzeugte Dichtung (114, 120), welche durch Formschluss, durch Stoffschluss und/oder durch Kraftschluss mit der mindestens einen Bipolarplattenlage (122, 124) ver bunden ist. 10. An assembly for an electrochemical device (100), comprising at least one bipolar plate layer (122, 124) and at least one in a forming tool (110) separate from the at least one bipolar plate layer (122, 124) produced seal (114, 120) which is connected to the at least one bipolar plate layer (122, 124) by form fit, material connection and / or force connection.
PCT/EP2020/085112 2019-12-19 2020-12-08 Method for producing a seal for an electrochemical unit of an electrochemical device and assembly for an electrochemical device WO2021122169A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019135277.0 2019-12-19
DE102019135277.0A DE102019135277A1 (en) 2019-12-19 2019-12-19 Method of manufacturing a seal for an electrochemical unit of an electrochemical device and assembly for an electrochemical device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021122169A1 true WO2021122169A1 (en) 2021-06-24

Family

ID=73834482

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2020/085112 WO2021122169A1 (en) 2019-12-19 2020-12-08 Method for producing a seal for an electrochemical unit of an electrochemical device and assembly for an electrochemical device

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102019135277A1 (en)
WO (1) WO2021122169A1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020130343A1 (en) 2020-11-17 2022-05-19 Ekpo Fuel Cell Technologies Gmbh Assembly for an electrochemically active device, electrochemically active device and method of manufacturing an assembly for an electrochemically active device

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1622217A2 (en) * 2004-07-29 2006-02-01 Tokai Rubber Industries, Ltd. Cell for solid polymer electrolyte fuel cell
DE102007003096A1 (en) * 2007-01-16 2008-07-17 Carl Freudenberg Kg Sealing arrangement for a plate element of a fuel cell
DE102013220486A1 (en) * 2012-10-12 2014-04-17 Elringklinger Ag Manufacturing multi-part, preferably multi-layer bipolar plate for electrochemical device, comprises generating sealing element from elastic material on first part of bipolar plate by molding-process, and connecting first and second part

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101301757B1 (en) * 2010-12-24 2013-08-29 평화오일씰공업주식회사 Injection mold for gasket of fuel battery
CN108110278A (en) * 2017-12-22 2018-06-01 重庆宗申氢能源动力科技有限公司 A kind of fuel battery double plates encapsulating method and sealing and curing mold

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1622217A2 (en) * 2004-07-29 2006-02-01 Tokai Rubber Industries, Ltd. Cell for solid polymer electrolyte fuel cell
DE102007003096A1 (en) * 2007-01-16 2008-07-17 Carl Freudenberg Kg Sealing arrangement for a plate element of a fuel cell
DE102013220486A1 (en) * 2012-10-12 2014-04-17 Elringklinger Ag Manufacturing multi-part, preferably multi-layer bipolar plate for electrochemical device, comprises generating sealing element from elastic material on first part of bipolar plate by molding-process, and connecting first and second part

Also Published As

Publication number Publication date
DE102019135277A1 (en) 2021-06-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE10216306B4 (en) Method for producing a contact plate for an electrochemical cell and its uses
EP3308422B1 (en) Electrochemical device and method for producing an electrochemical unit for an electrochemical device
DE102013108413B4 (en) Method for producing a fuel cell stack as well as fuel cell stack and fuel cell / electrolyzer
DE102011120802A1 (en) Plastic bipolar plate for fuel cell, has inner region formed from electrically conductive material, and peripheral region formed from electrically insulating material such as thermoplastic resin
EP3659198B1 (en) Electrochemically active unit for an electrochemical device
DE102013220486A1 (en) Manufacturing multi-part, preferably multi-layer bipolar plate for electrochemical device, comprises generating sealing element from elastic material on first part of bipolar plate by molding-process, and connecting first and second part
EP3818194A1 (en) Method for producing a sealing element on a gas diffusion layer of an electrochemical unit and assembly comprising a gas diffusion layer and a sealing element
WO2021122169A1 (en) Method for producing a seal for an electrochemical unit of an electrochemical device and assembly for an electrochemical device
DE1779514A1 (en) Compression molding process and apparatus
WO2020007733A1 (en) Method for producing an electrochemically active unit and carrier element for an assembly of an electrochemically active unit
DE102016006225A1 (en) Product of at least two components bonded together by means of an adhesive and process for its preparation
EP3818195B1 (en) Assembly for an electrochemical device and method for producing an assembly of this type
DE102014205551A1 (en) Method for producing a bipolar plate with seal and bipolar plate
AT403634B (en) SIDE COMPONENT FOR SPACING THE PANELS OF A PANEL STACK OF AN ELECTROCHEMICAL BATTERY, AND METHOD FOR PRODUCING AN INDEVISABLE, FLUID- AND GAS-TIGHT CONNECTION WITH THESE PANELS
DE102019135292A1 (en) Electrochemical device and method of making an electrochemical device
WO2020007735A1 (en) Electrochemical device
WO2005008818A2 (en) Fuel cell arrangement and method for producing the same
DE102022206639A1 (en) Stack structure for an electrochemical energy converter and method for producing the stack structure
WO2023227423A2 (en) Electrochemical device and method for producing a sealing element on a gas diffusion layer of an electrochemical unit
DE102020006943A1 (en) Manufacturing process for components of a fuel cell stack
DE102015012646A1 (en) Method for manufacturing complex bipolar plates for fuel cells by using the extrusion
DE102021210520A1 (en) Method for producing a seal, seal arrangement with seal, fuel cell and fuel cell stack
EP4340076A2 (en) Reinforced seal structure for fuel cell applications
DE102023118897A1 (en) Bipolar plate manufacturing process, bipolar plate and electrochemical cell
WO2021122159A1 (en) Electrochemical device and method for producing an electrochemical device

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 20824162

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 20824162

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1