WO2023227423A2 - Electrochemical device and method for producing a sealing element on a gas diffusion layer of an electrochemical unit - Google Patents

Electrochemical device and method for producing a sealing element on a gas diffusion layer of an electrochemical unit Download PDF

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WO2023227423A2
WO2023227423A2 PCT/EP2023/063148 EP2023063148W WO2023227423A2 WO 2023227423 A2 WO2023227423 A2 WO 2023227423A2 EP 2023063148 W EP2023063148 W EP 2023063148W WO 2023227423 A2 WO2023227423 A2 WO 2023227423A2
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diffusion layer
gas diffusion
sealing
electrochemical device
channel
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PCT/EP2023/063148
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Jürgen KRAFT
Oliver Fink
Gerhard Schuller
Manuel Morcos
Michael Götz
Peter Stahl
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Ekpo Fuel Cell Technologies Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to an electrochemical device which has a stack of several electrochemical units that follow each other along a stacking direction, each comprising an electrochemically active membrane-electrode arrangement, a bipolar plate and a sealing arrangement, at least one medium channel which extends through several along the stacking direction of the electrochemical units, at least one flow field through which a medium can flow from the medium channel transversely to the stacking direction from the medium channel to another medium channel, and at least one connecting channel through which the flow field and the medium channel are in fluid communication with one another, wherein the connecting channel comprises an edge web through which the medium from the medium channel flows during operation of the electrochemical device, wherein a coolant channel separated from the interior of the edge web by a joining line is flowed through by a coolant during operation of the electrochemical device, wherein the flow field forms an edge channel which is arranged between the edge web and the coolant channel and is flowed through by the medium from the medium channel during operation of the electrochemical device, and wherein the sealing arrangement extends along the circumfer
  • the connecting channel through which a flow field and a medium channel are in fluid communication with one another, is not flowed through by a coolant during operation of the electrochemical device, but by another gas, for example an anode gas or a cathode gas of the electrochemical device, this supports the edge web
  • another gas for example an anode gas or a cathode gas of the electrochemical device
  • the electrochemical activity in these areas of the membrane-electrode arrangement is not lower than in other areas of the membrane-electrode arrangement, in particular not lower than in other areas of the membrane-electrode arrangement, which are arranged adjacent to an edge web forms part of a coolant connecting channel.
  • the present invention is based on the object of creating an electrochemical device of the type mentioned at the outset, in which a local temperature increase due to a lack of cooling in the area of an edge web of a connecting channel through which no coolant flows is avoided or at least reduced.
  • This object is achieved according to the invention in an electrochemical device with the features of the preamble of claim 1 in that the inner edge of the sealing arrangement lies on the side of the edge web facing away from the medium channel.
  • an outer edge of the electrochemically active surface of the membrane-electrode arrangement is offset inwards, that is towards the center of the flow field, whereby the maximum distance from the outermost channel of the coolant flow field through which the coolant flows is reduced.
  • the sealing arrangement is preferably widened in the areas in which it crosses the connecting channels through which a coolant does not flow during operation of the electrochemical device.
  • the sealing arrangement is widened in areas which extend along the circumferential direction of the sealing arrangement beyond the ends of the edge webs through which coolant does not flow.
  • the sealing arrangement in the area of the connecting channels through which no coolant flows is locally extended into the area of the respectively assigned flow field.
  • the inner edge of the sealing arrangement lies on the side of the coolant channel facing the medium channel. Furthermore, it can be provided that the inner edge of the sealing arrangement lies in the area of the edge channel.
  • the connecting channel is formed between two bipolar plate layers, which are fixed to one another at the joining line.
  • the two bipolar plate layers can be fixed to one another in a materially bonded manner, in particular by welding, for example by laser welding.
  • the inner edge of the sealing arrangement lies on the side of the joining line facing away from the medium channel.
  • the inner edge of the sealing arrangement can be formed on a sealing element of the sealing arrangement, which is cohesively connected to a gas diffusion layer of the electrochemical unit in question.
  • the sealing element is preferably formed from an elastomeric material.
  • the elastomer material of the sealing element penetrates a connection area of the gas diffusion layer.
  • the sealing element comprises a sealing projection which projects in the region of the connecting channel from a base body of the sealing element in a projection direction facing away from the medium channel.
  • Such a sealing projection preferably extends along the circumferential direction of the base body of the sealing element only over a part of the circumference of the base body of the sealing element. It is particularly favorable if the sealing projection extends along the circumferential direction of the base body of the sealing element over only less than 50%, particularly preferably over less than 25%, of the circumference of the base body of the sealing element.
  • the sealing projection preferably extends only over a part of the circumference of the base body of the sealing element, which crosses a connecting channel through which no coolant flows during operation of the electrochemical device.
  • the sealing projection can be locally interrupted.
  • the sealing projection can comprise a plurality of sections which are spaced apart from one another along the circumferential direction of the base body.
  • the extent (width) of the sealing projection perpendicular to its circumferential direction and perpendicular to the stacking direction is preferably greater than the extent (width) of the edge web of the flow field perpendicular to the circumferential direction and perpendicular to the stacking direction.
  • An extent (width) of the sealing arrangement perpendicular to its circumferential direction and perpendicular to the stacking direction is preferably larger in the area of the connecting channel than in at least one area outside the area of the connecting channel. This ensures that the size of the electrochemically active surface of the membrane-electrode arrangement is reduced only in the area of the connecting channel, in which the edge web is not flowed through by a coolant and therefore does not offer a sufficient cooling effect, while the electrochemically active surface of the membrane Electrode arrangement in the area of a connecting channel through which a coolant flows during operation of the electrochemical device, and is not unnecessarily reduced in the areas of the membrane-electrode arrangement lying outside the areas of the connecting channels.
  • the sealing arrangement in the area of the connecting channel is provided with a plurality of recesses which are spaced apart from one another along the circumferential direction of the sealing arrangement and are formed on a sealing projection which is in the area of the connecting channel from a base body of the sealing element a projection direction facing away from the medium channel.
  • the sealing projection can form a passivation layer made of an elastomeric material, which is preferably molded onto a gas diffusion layer together with at least one sealing lip of the sealing arrangement.
  • the overspraying of the gas diffusion layer with a passivation layer made of elastomeric material on an area of the gas diffusion layer that is otherwise subject to high thermal stress ensures local reaction inactivity and thus a desired reduction in the thermal stress on the gas diffusion layer, which increases the durability of the electrochemical device during operation.
  • the elastomer material is injected onto the gas diffusion layer in a cavity of an injection molding tool.
  • a connection area of the sealing element formed from the elastomeric material is created, in which porous material of the gas diffusion layer is at least partially penetrated by the elastomeric material.
  • the gas diffusion layer can move freely in the connection area while the elastomer material is being introduced into the cavity of the injection molding tool, this can have the disadvantage that the gas diffusion layer floats on the elastomer material and one in the assembled one Electrochemical device of the membrane-electrode arrangement side of the gas diffusion layer is sprayed with elastomeric material, although this side of the gas diffusion layer should not be provided with elastomeric material.
  • Such “floating” of the gas diffusion layer can occur both in the area of the sealing projection and outside the area of the sealing projection.
  • the side of the gas diffusion layer that faces the membrane-electrode arrangement and is not actually intended to be overmolded with elastomeric material can in particular be a side of the gas diffusion layer that has a microporous layer (MPL).
  • MPL microporous layer
  • the elastomer material can only penetrate poorly or not at all into the gas diffusion layer, which results in a poor, undefined connection between the gas diffusion layer and the elastomer material.
  • elastomer material contamination can form during such an overmolding process, which can endanger the later function of the electrochemical cell containing the overmolded gas diffusion layer and thus the later function of the electrochemical device.
  • the injection molding tool comprises one or more deformation limiting elements which limit or prevent deformation of the gas diffusion layer during the introduction of the injection molding material into the cavity.
  • Such a deformation limiting element can be designed, for example, as a hold-down device.
  • the deformation limiting element for example in the form of a hold-down device, ensures that during the injection process the elastomer material introduced into the cavity of the injection molding tool preferably reaches the side of the gas diffusion layer facing away from the membrane-electrode arrangement during operation of the electrochemical device.
  • the gas diffusion layer has a microporous layer (MPL) and a substrate
  • the elastomer material preferably ends up on the substrate side of the gas diffusion layer.
  • the injection molding tool comprises at least one push-off tool part which has a push-off projection for pressing the gas diffusion layer during the injection molding process
  • the deformation limiting elements which are used in the area of the sealing projection are preferably spaced from the push-off projection of the push-off tool part.
  • the above-mentioned recesses are formed in the area of the sealing projection, which are preferably designed as passage openings in the sealing projection of the sealing element that extend through the sealing element.
  • These recesses can in particular have a substantially circular cross section (taken perpendicular to the stacking direction of the electrochemical device).
  • the sealing arrangement can also be provided in the at least one area outside the connecting channel and thus outside the sealing projection with a plurality of recesses which are spaced apart from one another along the circumferential direction of the sealing arrangement and are arranged on the inner edge of the sealing arrangement.
  • Such recesses are obtained if, when molding the sealing element, deformation limiting elements, for example hold-down devices, are used, which are arranged on a push-off projection of a push-off tool part of the injection molding tool or are formed in one piece with a push-off projection of the push-off tool part.
  • deformation limiting elements for example hold-down devices
  • the geometry and position of the deformation limiting elements are selected so that a required minimum binding force is maintained.
  • a deformation limiting element can also be used which comprises a wave-shaped outer edge. This results in the inner edge of the sealing arrangement formed from the elastomer material being wave-shaped in the at least one area outside the connecting channel in which no connecting projection is formed. It is advantageous if, in the non-passivated areas of the electrochemical device, which lie outside the area of the at least one sealing projection, a cathode-side sealing element is connected to the cathode-side gas diffusion layer with the same or a similar connection geometry as an anode-side sealing element to the anode-side gas diffusion layer .
  • recesses are provided on the inner edge of the cathode-side sealing element and on the inner edge of the anode-side sealing element, they lie essentially congruent one above the other in the assembled state of the electrochemical device, preferably in the stacking direction of the electrochemical device.
  • an inner edge of the cathode-side sealing element which borders the sealing element towards the center of the cathode-side gas diffusion layer, is moved further inwards, that is towards the center of the gas diffusion layer, than the inner edge of the anode-side sealing element.
  • the areas of the gas diffusion layer which are in contact with a deformation limiting element of the injection molding tool during the introduction of the elastomeric material into the cavity of the injection molding tool, are essentially completely penetrated by the elastomeric material.
  • these areas of the gas diffusion layer are only partially or not at all penetrated with elastomer material.
  • the deformation limiting elements for example the hold-down devices, ensure a defined holding down of the gas diffusion layer while introducing the elastomer material into the cavity of the injection molding tool. Furthermore, the gas diffusion layer is precisely positioned relative to the sealing element formed from the elastomeric material during the injection molding of the elastomeric material.
  • the deformation limitation in particular the holding down of the gas diffusion layer, can lead to a reduction in the thickness (expansion along the stacking direction) of the gas diffusion layer compared to the uncompressed state of the gas diffusion layer in the contact areas in which the gas diffusion layer is in contact with the deformation limiting elements, or in the vicinity thereof Lead contact areas.
  • the result of this is that the cavity of the injection molding tool is better filled with elastomer material in the areas between the deformation limiting elements during the injection molding process.
  • the height of the cavity of the injection molding tool can also be reduced in this area in order to reduce the overall height of the gas diffusion layer and sealing projection.
  • the deformation limiting elements are arranged in the cavity of the injection molding tool on the same side of the gas diffusion layer on which the sealing projection is produced. It is particularly advantageous if this side is the substrate side of the gas diffusion layer, i.e. the side of the gas diffusion layer which faces away from the microporous layer (MPL) of the gas diffusion layer, since on the substrate side of the gas diffusion layer there is better penetration of the gas diffusion layer with the Elastomer material is guaranteed. This ensures a good connection of the sealing element made from the elastomer material to the gas diffusion layer.
  • MPL microporous layer
  • the gas diffusion layer is essentially completely penetrated by the elastomeric material in the areas in which it is in contact with the deformation limiting elements, because this also electrochemically deactivates the areas of the gas diffusion layer that are in contact with the deformation limiting elements, for example hold-down devices become.
  • the areas of the gas diffusion layer that are in contact with the deformation limiting elements are only partially or not at all penetrated by the elastomer material. This results in the areas of the gas diffusion layer that are in contact with the deformation limiting elements being partially electrochemically activated or completely electrochemically activated.
  • the height of the edge web, the height of the web of the respective flow field closest to the edge web or the height of the edge web and the height of the web of the flow field closest to the edge web are in the area that (along the stacking direction) above or below the at least one sealing projection is reduced compared to the height of the edge web or the height of the web of the flow field closest to the edge web outside the area of the sealing projection.
  • These local height reductions can be formed in one bipolar plate layer or in two bipolar plate layers.
  • These local height reductions serve to be able to produce a sufficiently high and easily produced sealing projection without increasing the local total height of an electrochemical cell (along the stacking direction). These local height reductions can also be carried out in an area adjacent to the area of the sealing projection to take assembly tolerances into account.
  • the size, shape, number, position and/or distance between the deformation limiting elements is preferably chosen so that there is an advantageous compromise between preventing the deformation of the gas diffusion layer on the one hand and a sufficient degree of filling of the cavity of the injection molding tool in the area of the sealing projection with the elastomeric material on the other hand.
  • the medium that flows through the connecting channel during operation of the electrochemical device is preferably an anode gas (fuel gas, in particular containing hydrogen) or a cathode gas (oxidizing agent, in particular containing oxygen) of the electrochemical device.
  • the inner edge of the sealing arrangement which is offset inwards, i.e. towards the center of the flow field, can be an inner edge of an anode-side region of the sealing arrangement or an inner edge of a cathode-side region of the sealing arrangement.
  • the inner edge of the sealing arrangement borders an electrochemically active surface of the membrane-electrode arrangement on the cathode side.
  • the inner edge of the sealing arrangement borders an electrochemically active surface of the membrane-electrode arrangement on the cathode side and a further sealing arrangement is provided which borders an electrochemically active surface of the membrane-electrode arrangement on the anode side, whereby the inner edge of the cathode-side sealing arrangement lies on the side of the inner edge of the further anode-side sealing arrangement facing away from the medium channel.
  • a region of the cathode-side electrochemically active surface is always opposite a region of the anode-side electrochemically active surface of the membrane-electrode arrangement.
  • an outer edge of a cathode-side electrochemically active surface of the membrane-electrode arrangement faces inward, that is to say, relative to an outer edge of an anode-side electrochemically active surface of the membrane-electrode arrangement towards the center of the flow field.
  • the electrochemical device according to the invention can in particular be designed as a polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell device, in which the membrane-electrode units of the electrochemical units of the electrochemical device each contain a polymer electrolyte membrane.
  • PEM polymer electrolyte membrane
  • the present invention further relates to a method for producing a sealing element on a gas diffusion layer of an electrochemical unit, the method comprising the following:
  • the sealing element comprises a sealing projection which projects from a base body of the sealing element in a projection direction pointing into an interior of the sealing element, wherein the sealing projection extends along the circumferential direction of the base body of the sealing element only over a part of the circumference of the base body of the sealing element.
  • the injection molding tool comprises at least one deformation limiting element which limits or prevents deformation of the gas diffusion layer during the introduction of the injection molding material into the cavity, the injection molding tool having at least one push-off element.
  • Tool part comprises, which has a push-off projection for pressing the gas diffusion layer and wherein the at least one deformation limiting element is spaced from the push-off projection of the push-off tool part during the introduction of the injection molding material into the cavity of the injection molding tool.
  • the pressing projection of the pressing tool part has at least one rounding and/or at least one bevel.
  • the gas diffusion layer is inserted between two push-off projections of an injection molding tool and clamped and pressed when the injection molding tool is closed.
  • the porous material of the gas diffusion layer is pressed to such an extent that the elastomer material introduced into the cavity of the injection molding tool does not penetrate the area of the gas diffusion layer lying between the pressing projections or only penetrates it to a very small extent, so that the central area of the gas diffusion layer surrounded by the pressing projections, i.e the part of the gas diffusion layer used in the electrochemical device for supplying cathode gas or anode gas to the membrane-electrode arrangement is only penetrated minimally.
  • Known push-off projections of injection molding tools have rectangular cross-sections that are easy to manufacture and are preferably designed to be mirror-symmetrical in relation to a plane aligned perpendicular to the stacking direction.
  • pressing projections can result in damage to the component pressed between the pressing projections, which can directly or indirectly cause damage to the electrochemical cell in which the gas diffusion layer is installed and thus cause failure of the entire fuel cell stack.
  • the gas diffusion layer onto which the sealing element made of an elastomeric material is to be molded, has no previous damage.
  • Such prior damage can include, for example, fiber breaks in the gas diffusion layer, structural defects in a microporous layer (“MPL”) of the gas diffusion layer or, if the gas diffusion layer that is inserted into the injection molding tool is already provided with an electrode layer and a membrane, prior damage to the gas diffusion layer Membrane and/or leaks in the electrochemical cell.
  • MPL microporous layer
  • At least one of the pressing projections preferably both pressing projections, having at least one rounded edge, a contact surface with a convexly curved region and/or at least one bevel.
  • the contact surface of the push-off projection only has small changes in direction on the scale of the pore size of the gas diffusion layer.
  • the pore size of the gas diffusion layer corresponds, for example, to the distance between the fibers of the gas diffusion layer.
  • the change in height of the contact surface of the push-off projection is preferably no more than approximately one pore size over the length of half a pore size.
  • the tangent on the contact surface of the push-off projection is therefore inclined relative to a plane perpendicular to the stacking direction (for example one of the main planes of the uncompressed gas diffusion layer) by an angle ⁇ of less than 60°, particularly preferably of less than 45°.
  • the total width of the push-off projection is preferably a multiple of the pore size of the gas diffusion layer and is particularly preferably more than 0.5 mm, for example more than 1 mm.
  • an overall width of the push-off projection that is too large leads to an undesirable reduction in the size of the electrochemically active region of the electrochemical device, since it increases the distance between the sealing structure of the sealing element and the electrochemically active region.
  • the gas diffusion layer is designed asymmetrically, for example has a microporous layer (MPL) on one side or is provided on one side with a catalyst layer, a catalyst layer and a membrane or with a complete membrane-electrode arrangement, it can also make sense to design the pressing projections between which such an asymmetrical gas diffusion layer is pressed asymmetrically. Otherwise, a damaged microporous layer (MPL) of the gas diffusion layer would come into contact with a membrane-electrode assembly during assembly of the electrochemical device, which could cause damage to the membrane-electrode assembly.
  • MPL microporous layer
  • the push-off projection is completely eliminated on one side of the gas diffusion layer.
  • This is preferably the side of the gas diffusion layer that is provided with a microporous layer (MPL), with a catalyst layer and/or with a membrane or with a complete membrane-electrode arrangement.
  • MPL microporous layer
  • one of the sides of the gas diffusion layer for example a side which has a microporous layer (MPL), a catalyst layer, a membrane or a complete membrane-electrode arrangement, is particularly sensitive to handling, it can be advantageous if this side the gas diffusion layer is at least partially in contact with a contact element of the injection molding tool, which comprises an elastomeric material, during the introduction of the injection molding material into the cavity of the injection molding tool.
  • a contact element can, for example, comprise a coating made of an elastomeric material on a region of the injection molding tool and/or a seal - preferably embedded without a groove, for example a flat seal, made of an elastomeric material, which is arranged in the injection molding tool.
  • a coating made of an elastomeric material can be produced, for example, by means of a pattern printing process, preferably a screen printing process or a pad printing process.
  • a seal made of an elastomeric material, which may be arranged in the injection molding tool, should be structured as little as possible in order not to produce any inhomogeneity in the load when the gas diffusion layer is pressed.
  • the gas diffusion layer between the push-off projections of the injection molding tool is pressed to a maximum of 80%, particularly preferably to a maximum of 75%, of the thickness of the gas diffusion layer at a pressure of 0.025 MPa.
  • the gas diffusion layer is pressed between the push-off projections of the injection molding tool to at least 40%, particularly preferably at least 50%, of the thickness of the gas diffusion layer at a pressure of 0.025 MPa.
  • a gas diffusion layer is provided with a catalyst layer, with a catalyst layer and a membrane or with a complete membrane-electrode arrangement, these additional layers can be produced separately from the gas diffusion layer and placed on the gas diffusion layer or laminated with the gas diffusion layer. Alternatively, it can also be provided that these additional layers are produced in situ on the gas diffusion layer.
  • Fig. 1 is a perspective view of a section of a fuel cell stack of a fuel cell device in the area of a connecting channel, which connects a medium channel and a flow field of the fuel cell device, with two fuel cell units following one another in a stacking direction of the fuel cell stack of the fuel cell stack and a third bipolar plate lying above the two fuel cell units Fuel cell unit are shown;
  • FIG. 2 is a plan view from above along the stacking direction of the fuel cell stack onto the section of the fuel cell stack from FIG. 1;
  • Fig. 3 is an enlarged view of area I from Fig. 2;
  • FIG. 4 shows a longitudinal section through the fuel cell stack from FIGS. 1 to 3, along line 4 - 4 in FIG. 3;
  • 5 shows a perspective view of the section of the fuel cell stack corresponding to FIG. 1, with only the membrane-electrode arrangement and the sealing arrangement of a single fuel cell unit being shown;
  • FIG. 6 is a top view along the stacking direction of the membrane-electrode arrangement and the sealing arrangement from FIG. 5;
  • FIG. 7 shows a schematic section through an injection molding tool and a gas diffusion layer projecting into a cavity of the injection molding tool, the injection molding tool having a plurality of deformation limiting elements spaced apart from one another in a circumferential direction of the gas diffusion layer, which touch and come into contact with the gas diffusion layer before the injection molding material is introduced into the cavity of the injection molding tool with a push-off projection of a push-off tool part of the injection molding tool;
  • FIG. 8 shows a partial top view from above of an assembly consisting of the gas diffusion layer and a sealing element fixed to the gas diffusion layer, which was produced by means of the injection molding tool from FIG. 7;
  • FIG. 9 shows a schematic section through an injection molding tool, which comprises a plurality of deformation limiting elements, which are spaced apart from one another along the circumferential direction of the gas diffusion layer, are spaced from a push-off projection of a push-off tool part of the injection molding tool and touch the gas diffusion layer before the injection molding material is introduced into the cavity of the injection molding tool ;
  • 10 shows a partial plan view of an assembly consisting of a gas diffusion layer and a sealing element fixed to the gas diffusion layer, which was produced by means of the injection molding tool shown in FIG. 9;
  • Fig. 11 shows a schematic section through an injection molding tool, a gas diffusion layer protruding into a cavity of the injection molding tool, which has a section pressed between two push-off projections of the injection molding tool, and a sealing element made of an elastomeric material which is molded onto the gas diffusion layer, the push-off projections being designed to be mirror-symmetrical to one another and one have a rectangular cross section;
  • Fig. 12 shows a schematic section through an injection molding tool, a gas diffusion layer protruding into a cavity of the injection molding tool, which has a section pressed between two push-off projections of the injection molding tool, and a sealing element made of an elastomeric material which is molded onto the gas diffusion layer, the push-off projections each having a convexly curved contact surface ;
  • Fig. 13 shows a schematic section through an injection molding tool, a gas diffusion layer protruding into a cavity of the injection molding tool, which has a section pressed between a push-off projection of a push-off tool part of the injection molding tool and a flat section of a further tool part of the injection molding tool, and a sealing element molded onto the gas diffusion layer made of an elastomeric material, wherein the push-off projection of the push-off tool part of the injection molding tool has a convexly curved contact surface;
  • 14 shows a schematic section through an injection molding tool, a gas diffusion layer protruding into a cavity of the injection molding tool, which has a section pressed between two push-off projections of the injection molding tool, and a sealing element made of an elastomeric material which is molded onto the gas diffusion layer, the two push-off projections of the injection molding tool being designed asymmetrically to one another are, both push-off projections have a convex contact surface and the push-off projections protru
  • FIG. 15 shows a schematic section through an injection molding tool, a gas diffusion layer protruding into a cavity of the injection molding tool, which has a section pressed between two push-off projections of the injection mold, and a sealing element made of an elastomeric material which is molded onto the gas diffusion layer, the two push-off projections each having a contact surface, which have a section parallel to a main surface of the gas diffusion layer and each section inclined relative to a main surface of the gas diffusion layer, the push-off projections being designed asymmetrically to one another and one of the push-off projections penetrating further into the material of the gas diffusion layer than the other push-off projection;
  • FIG. 16 shows a schematic section through an injection molding tool, a gas diffusion layer protruding into a cavity of the injection molding tool, which has a section pressed between a push-off projection of a push-off tool part of the injection molding tool on the one hand and an elastic contact element of the injection molding tool on the other hand, and a sealing element molded onto the gas diffusion layer one Elastomeric material, wherein the push-off projection of the push-off tool part of the injection molding tool has a convexly curved contact surface and a section of another tool part of the injection molding tool opposite the push-off projection of the push-off tool part is provided with a coating made of an elastomeric material; and
  • Fig. 17 shows a schematic section through a tool part of an injection molding tool, which is provided with a contact element for pressing a section of a gas diffusion layer, the contact element being designed as a separate sealing element which has one or more sealing lips and one formed on the tool part of the injection molding tool Groove is inserted.
  • 1 to 6 designated as a whole by 100, for example a fuel cell device 102 or an electrolyzer, comprises a stack 104 of electrochemical units 106, for example fuel cell units 108 or electrolyzer units, the stack 104 having several in one stacking direction 110 successive electrochemical units 106 and a clamping device (not shown) for applying a clamping force directed along the stacking direction 110 to the electrochemical units 106.
  • each electrochemical unit 106 of the electrochemical device 100 includes a bipolar plate 112 and a membrane electrode assembly (MEA) 114.
  • the membrane-electrode arrangement 114 comprises, for example, a catalyst-coated membrane (“Catalyst Coated Membrane”; CCM) and two gas diffusion layers 116 and 118, the first gas diffusion layer 116 being arranged, for example, on the anode side and the second gas diffusion layer 118, for example, being arranged on the cathode side.
  • CCM catalyst-coated membrane
  • the bipolar plate 112 is formed, for example, from a metallic material.
  • the bipolar plate 112 has a plurality of medium passage openings 120, through which a fluid medium to be supplied to the electrochemical device 100 (in the case of a fuel cell stack, for example a fuel gas or anode gas, an oxidizing agent or cathode gas or a coolant) can pass through the bipolar plate 112.
  • a fluid medium to be supplied to the electrochemical device 100 in the case of a fuel cell stack, for example a fuel gas or anode gas, an oxidizing agent or cathode gas or a coolant
  • the medium passage openings 120 of the bipolar plates 112 successive in the stack 104 and the spaces lying between the medium passage openings 120 in the stacking direction 110 together each form a medium channel 122.
  • Each medium channel 122, through which a fluid medium can be supplied to the electrochemical device 100, is assigned at least one other medium channel 122, through which the relevant fluid medium can be removed from the electrochemical device 100.
  • the medium can flow out of the first medium channel 122 transversely, preferably substantially flow perpendicularly to the stacking direction 110 through the respective flow field 124 to the second medium channel 122.
  • 4 shows, for example, an anode gas medium channel 126 for an anode gas of the electrochemical device 100.
  • Each medium channel 122 is in fluid communication with the respectively assigned flow fields 124 through at least one connecting channel 128.
  • each bipolar plate 112 comprises a first bipolar plate layer 130 and a second bipolar plate layer 132, which are fixed to one another in a fluid-tight manner along connecting lines 134, which run perpendicular to the plane of the drawing in FIG. 4, preferably in a materially bonded manner, in particular by welding, for example by laser welding .
  • the anode gas medium channel 126 is in fluid communication with a flow field 138 for the anode gas via an anode gas connection channel 136, which is formed by a gap between the first bipolar plate layer 130 and the second bipolar plate layer 132 in which only one edge channel 140 is shown.
  • This edge channel 140 forms the outermost channel of the flow field 138, is open to the membrane-electrode arrangement 114 and is delimited on its outer side facing the medium channel 122 by an edge web 142, which lies sealingly against the membrane-electrode arrangement 114.
  • the medium flows from the medium channel 122 through the connecting channel 128 into the interior 144 of the edge web 142, from where it passes through passage openings 145 through the flank 146 of the edge web 142 separating the interior 144 of the edge web 142 from the edge channel 140 enters the edge channel 140.
  • a coolant channel 148 through which a coolant flows during operation of the electrochemical device 100 and is formed between the first bipolar plate layer 130 and the second bipolar plate layer 132 of a bipolar plate 112, is separated from the interior 144 of the edge web 142 by a joining line 134, which first bipolar plate layer 130 and the second bipolar plate layer 132 connects together.
  • a sealing arrangement 150 which extends along the circumferential direction 152 of the flow fields 124 around the flow fields 124 and two inner edges 155, namely an anode-side inner edge 154 and one cathode-side inner edge 156.
  • the anode-side inner edge 154 of the sealing arrangement 150 delimits an anode-side electrochemically active surface 158 of the membrane-electrode arrangement 114
  • the cathode-side inner edge 156 of the sealing arrangement 150 delimits a cathode-side electrochemically active surface 160 of the membrane-electrode arrangement 114.
  • the sealing arrangement 150 preferably comprises two sealing elements 161, with a first sealing element 162 preferably on the anode-side gas diffusion layer 116 and a second sealing element 164 preferably on the cathode-side second gas diffusion layer 118 of the membrane-electrode arrangement 114 is fixed.
  • the sealing elements 162 and 164 are molded or cast onto the respectively assigned gas diffusion layer 116 or 118.
  • the first sealing element 162 preferably has one or more sealing lips 166, with which the first sealing element 164 rests in a fluid-tight manner on the first bipolar plate layer 130 of an adjacent bipolar plate 112.
  • the first sealing element 162 can also have further sealing lips 168, with which the first sealing element 162 rests in a fluid-tight manner on the first bipolar plate layer 130 of a first adjacent bipolar plate layer 112 and on the second bipolar plate layer 132 of a second adjacent bipolar plate 112, around a medium channel section 170 of the sealing arrangement 150, which extends around a medium channel 122 of the electrochemical device 100, so that an escape of medium from the medium channel 122 into the environment of the electrochemical device 100 and / or flow fields 124 of the electrochemical device 100 associated with other media is prevented.
  • the second sealing element 164 preferably has one or more sealing lips 166, with which the second sealing element 164 rests in a fluid-tight manner on the second bipolar plate layer 132 of an adjacent bipolar plate 112.
  • the sealing elements 162 and 164 of the seal assembly 150 are preferably formed from an elastomeric material.
  • This elastomer material preferably also penetrates the areas of the first gas diffusion layer 116 and the second gas diffusion layer 118 adjacent to the sealing elements 162 and 164, respectively, so that the gas diffusion layers 116 and 118 are not porous in these penetration areas, but are not penetrated by either the anode gas or the cathode gas can be.
  • the anode-side inner edge 154 of the sealing arrangement 150 is arranged on the side of an edge web 142 of a bipolar plate 112 facing the medium channel 122. If now the cathode-side inner edge 156 If the sealing arrangement 150 were arranged on the side of an edge web 142 of a bipolar plate 112 facing the medium channel 122, as is the case with known electrochemical devices 100, both the cathode-side electrochemically active surface 160 and the anode-side electrochemically active surface 158 of the membrane would be Electrode arrangement 114 extend into the area of the membrane electrode arrangement 114, which lies between the edge webs 142 and the medium channel 122.
  • the sealing arrangement 150 in the embodiment of an electrochemical device 100 shown in the drawing is designed such that the cathode-side inner edge 156 of the sealing arrangement 150 is on the side of the edge web 142 facing away from the medium channel 122 lies.
  • the cathode-side inner edge 156 of the sealing arrangement 150 lies on the side of the coolant channel 148 facing the medium channel 122. Furthermore, it is favorable if the cathode-side inner edge 156 of the sealing arrangement 150 lies in the area of the edge channel 140.
  • cathode-side inner edge 156 of the sealing arrangement 150 lies on the side of the joining line 134 facing away from the medium channel 122, on which the first bipolar plate layer 130 and the second bipolar plate layer 132 of a bipolar plate 112 are fixed to one another.
  • the cathode-side inner edge 156 of the sealing arrangement 150 therefore only has to be laid on the side of the edge webs 142 facing away from a medium channel 122 where these connecting channels 128 for anode gas or cathode gas are located.
  • the cathode-side inner edge 156 of the sealing arrangement 150 can, however, lie on the side of the edge webs 142 facing the respective medium channel 122, whereby the available electrochemically active surface of the membrane electrode arrangements 114 in the areas is enlarged outside the connecting channels 128 for anode gas and cathode gas.
  • the cathode-side inner edge 156 of the sealing arrangement 150 is provided on a sealing projection 172 of the second sealing element 164, the sealing projection 172 being in the area of a connecting channel 128 of a base body 174 of the second sealing element 164 protrudes in a projection direction 176 facing away from the medium channel (see FIGS. 5 and 6).
  • the projection direction 176 can have locally different orientations (see FIGS. 5 and 6).
  • the sealing projection 172 extends along the circumferential direction of the base body 174 of the first sealing element 162 only over a part of the circumference of the base body 174 of the first sealing element 162, preferably over less than 50% of the circumference of the base body 174 of the first sealing element 162, particularly preferably over less than 25% of the circumference of the base body 174 of the first sealing element 162.
  • the extent (width B) of the sealing projection 172 perpendicular to its circumferential direction and perpendicular to the stacking direction 110 is preferably greater than the extent (width b) of an edge web 142 perpendicular to its circumferential direction and perpendicular to the stacking direction 110.
  • the width B of the sealing projection 172, taken perpendicular to the circumferential direction of the sealing projection 172, is therefore greater than the width b of the edge web 142, taken perpendicular to the circumferential direction of an edge web 142. Due to the presence of the sealing projection 172, the extent of the sealing arrangement 150 perpendicular to its circumferential direction is greater in the area of at least one connecting channel 128 than in at least one area outside the area of the connecting channel.
  • the sealing arrangement 150 is provided with a plurality of recesses 182 in the at least one area outside the connecting channel 128 and thus outside the sealing projection 172, which are along the circumferential direction 134 of the seal assembly 150 are spaced apart from one another and are arranged on the inner edge 155 of the seal assembly 150, as shown in FIG.
  • Such recesses 182 are obtained if, when molding the sealing element 161, deformation limiting elements, for example hold-down devices 186, are used, which are arranged on a pressing projection 188 of a pressing tool part 190 of an injection molding tool 192, in which the process of molding the sealing element 161 made of the elastomer material takes place the gas diffusion layer 116 or 118 is carried out.
  • deformation limiting elements for example hold-down devices 186
  • At least one of the deformation limiting elements 184 is formed in one piece with the pressing projection 188 of the pressing tool part 190.
  • Such an injection molding tool 192 is shown schematically in FIG. 7.
  • the injection molding tool 192 is designed in several parts and includes a pressing tool part 190 and a supporting tool part 194.
  • the push-off tool part 190 and the support tool part 194 together enclose a cavity 196 into which an injection molding material, preferably a starting material for an elastomer material, is introduced in a flowable state during the injection molding process.
  • the gas diffusion layer 116, 118 projects into this cavity 196.
  • the pressing tool part 190 has the pressing projection 188, which is provided with a pressing edge 198.
  • the gas diffusion layer 116, 118 inserted into the injection molding tool 192 which is mechanically compressible in its thickness direction 200 (in the assembled state of the electrochemical device 100 parallel to the stacking direction 110 of the electrochemical device 100), is locally compressed by means of the pressing projection 188 and the opposite support tool part 194 pressed.
  • the capillary pressure in the pores of the porous gas diffusion layer 116, 118 increases locally, and the penetration of the gas diffusion layer 116, 118 with the injection molding material is limited in the x and y directions perpendicular to the thickness direction (z direction).
  • the gas diffusion layer 116, 118 can be deformed. Through this deformation process, the gas diffusion layer 116, 118 is locally brought out of its original flat shape and subjected to bending.
  • the gas diffusion layer 116, 118 Due to the bending of the gas diffusion layer 116, 118 in the deformed connection area, the gas diffusion layer 116, 118 can be damaged, for example by breaking.
  • connection area can be mechanically weakened by the gas diffusion layer 116, 118 protruding into the connection area 202, which is located above the gas diffusion layer 116, 118 in the thickness direction 200, which is also referred to as the connection lip 204, and so on prevents the flow of (especially elastomeric) injection molding material in this area.
  • the sealing element 161 is produced on the gas diffusion layer 116, 118 and thus the formation of an assembly 206 which forms the gas diffusion layer 116, 118 and which includes the sealing element 161 fixed to the gas diffusion layer 116, 118 and is also referred to as seal-on GDL unit 208.
  • the sealing element 161 of the finished assembly 206 comprises a sealing area 210 with a sealing lip 212, a penetration area 214 in which the injection molding material has penetrated into the porous material of the gas diffusion layer 116, 118 and which extends inwards from an outer edge 216 of the gas diffusion layer 116, 118 extends into the area of the push-off edge 198, and a connection region 202 in the form of a connection lip 204 lying outside the gas diffusion layer 116, 118, in the thickness direction 200 above and/or below the gas diffusion layer 116, 118.
  • a plurality of deformation limiting elements 184 are provided in the cavity 196 of the injection mold 192, which are in a parallel to the outer edge 216 of the gas diffusion layer 116, 118 and are spaced apart from one another in the circumferential direction 152 of the gas diffusion layer 116, 118 aligned parallel to the pressing edge 198 of the pressing tool part 190.
  • the deformation limiting elements 184 are formed separately from the push-off tool part 190 and separately from the support tool part 190 of the injection molding tool 192.
  • the deformation limiting elements 184 can also be formed in one piece with another component of the injection molding tool 192, for example with the push-off tool part 190 or with the support tool part 194.
  • the deformation limiting elements 184 are in contact with the pressing projection 188 of the pressing tool part 190. Furthermore, the deformation limiting elements 184 touch the gas diffusion layer 116, 118 on the main surface 218 facing the push-off edge 198 even before the injection molding material is introduced into the cavity 196 of the injection mold 192.
  • each deformation limiting element 184 facing away from the push-off edge 198 is arranged between the outer edge 216 of the gas diffusion layer 116, 118 on the one hand and the push-off edge 198 of the injection molding tool 192 on the other hand, so that the deformation limiting elements 184 cover the region of the gas diffusion protruding into the cavity 196 of the injection molding tool 192 location 116 , 118 do not completely cover.
  • the deformation limiting elements 184 arranged in the connection area between the gas diffusion layer 116, 118 and the sealing element 161 in the injection mold 192 prevent the gas diffusion layer 116, 118 from deforming under the cavity pressure or injection pressure that occurs during the introduction of the injection molding material into the cavity 196 of the injection mold 192.
  • connection region 202 of the sealing element 161 is in the cavity 196 due to the presence of the deformation limiting elements 184 of the injection mold 192 is provided on an inner edge 222 thereof with recesses 182, which are arranged at the points at which the deformation limiting elements 184 were arranged while the gas diffusion layer 116, 118 was inserted into the injection mold 192.
  • the deformation limiting elements 184 have a circular section-shaped, in particular semicircular, cross section - taken perpendicular to the thickness direction 200 of the gas diffusion layer 116, 118.
  • Stabilization areas 222 are arranged between the recesses 182 in the connection area 202 of the sealing element 161, in which the sealing element 161 has a greater material thickness than in the area of the recesses 182, so that the stabilization areas 222 ensure a stable mechanical connection of the sealing element 161 to the gas diffusion layer 116, 118 care for.
  • the position of the outer edge 216 of the gas diffusion layer 116, 118 is indicated in FIG. 8 by the dash-double-dotted line 216.
  • the position of the tip of the sealing lip 212 of the sealing element 161 is indicated in FIG. 8 by the broken line 224.
  • the sealing arrangement 150 has a plurality of recesses 182 in the area of the connecting channel 128 is provided, which are spaced apart from one another along the circumferential direction 152 of the sealing arrangement 150 and are formed on the sealing projection 172, which projects in the area of the connecting channel 128 from the base body 174 of the sealing element 161 in a projection direction 176 facing away from the medium channel 122.
  • the sealing projection forms a passivation layer made of an elastomeric material, which is preferably molded onto a gas diffusion layer 116, 118 together with at least one sealing lip 212 of the sealing arrangement 150.
  • the elastomer material is injected onto the gas diffusion layer 116, 118 in a cavity 196 of an injection molding tool 192, as shown schematically in FIG. 9.
  • the injection molding tool 192 comprises a plurality of deformation limiting elements 184, which are spaced apart from one another along the circumferential direction 152 of the gas diffusion layer 116, 118, are spaced from the push-off edge 198 of the injection molding tool 192 and the gas diffusion layer 116, 118 even before the injection molding material is introduced into the cavity 196 of the injection molding tool 19 2 touch.
  • FIG. 10 shows a partial plan view of an assembly 206 produced by means of the injection molding tool 192 from FIG. 9.
  • connection area 202 of the sealing element 161 of this assembly 206 is provided with recesses 182, which are arranged outwards from the inner edge 155 of the connection area 202 and are spaced apart from one another in the circumferential direction 152 of the gas diffusion layer 116, 118.
  • the deformation limiting elements 184 in this embodiment have, for example, a circular cross section - taken perpendicular to the thickness direction 200 of the gas diffusion layer 116, 118 - so that the recesses 182 in the connection area 202 also have a circular cross section.
  • the deformation limiting elements 184 are arranged between the outer edge 216 of the gas diffusion layer 116, 118 and the push-off edge 198 of the injection molding tool 192, so that in the finished assembly 206 in the area of the sealing projection 172 the outer edge 216 of the gas diffusion layer 116, 118 - along the thickness direction 200 the gas diffusion layer 116, 118 - does not intersect the recesses 182 in the connection area 202 of the sealing element 161.
  • the sealing element 161 can also be used in an injection molding tool 192 of the type shown in FIG Gas diffusion layer 116, 118 are sprayed on.
  • the push-off tool part 190 and the support tool part 194 each have a push-off projection 188, with a section 226 of the gas diffusion layer 116, 118 being clamped and pressed between the two push-off projections 188.
  • the porous material of the gas diffusion layer 116, 118 is pressed to such an extent that the elastomer material introduced into the cavity 196 of the injection molding tool 192 does not penetrate the area of the gas diffusion layer lying between the pressing projections 188 or only to a very small extent, so that the area of the gas diffusion layer lying between the pressing projections 188 surrounded central area 228 the gas diffusion layer 116, 118, i.e. the part of the gas diffusion layer 116, 118 used in the electrochemical device 100 for supplying cathode gas or anode gas to the membrane-electrode arrangement 114, is penetrated only minimally.
  • push-off projections 188 can result in damage to the component pressed between the push-off projections 188, which can directly or indirectly cause damage to the electrochemical cell in which the gas diffusion layer 116, 118 is installed, and thus cause failure of the entire fuel cell stack.
  • the load on the components pressed between the pressing projections 188 in the contact area with the pressing projections 188 is reduced.
  • each push-off projection 188 is preferably a multiple of the pore size of the gas diffusion layer 116, 118 and is particularly preferably more than 0.5 mm, for example more than 1 mm.
  • the height h of the push-off projection 188 of the push-off tool part 190 and the height h 'of the push-off projection 188 of the support tool part 194 of the injection molding tool 192 that is, their extent along the thickness direction 200 of the gas diffusion layer 116, 118 and / or the distance by which the respective push-off projection 188 penetrates into the porous material of the gas diffusion layer 116, 118 when the gas diffusion layer 116, 118 is pressed, can be essentially the same size or differ from one another.
  • the gas diffusion layer 116, 118 is designed asymmetrically, for example because it has a microporous layer (MPL) on one side or is provided on one side with a catalyst layer, a catalyst layer and a membrane or with a complete membrane-electrode arrangement 114 is, it makes sense to also design the pressing projections 188, between which such an asymmetrical gas diffusion layer 116, 118 is pressed, asymmetrically, as shown in FIG. 14 (in the embodiments according to FIGS. 14 and 15, the sealing element 161 includes a second one Sealing lip 212 ', which can be opposite the first sealing lip 212).
  • MPL microporous layer
  • the injection molding tool 192 is advantageously designed so that that tool part of the injection molding tool 192 which is on the side of the gas diffusion layer 116, 118 that has a microporous layer or on the one side with a catalyst layer, with a catalyst layer and a membrane or with a complete membrane electrodes -Arrangement 114 provided side of the gas diffusion layer 116, 118, extends less far into the material of the gas diffusion layer 116, 118 than the other tool part of the injection molding tool 192.
  • MPL microporous layer
  • the pressing projections 188 are designed such that their contact surfaces 232 are not continuously convexly curved, but have a central section 234 which is aligned essentially parallel to the main surfaces 218 of the gas diffusion layer 116, 118, and two inclined sections 236, which are inclined at an angle a or a 'with respect to the main surfaces 218 of the gas diffusion layer 116, 118.
  • the angle of inclination a or a' is smaller than 60°, particularly preferably smaller than 45°.
  • one of the sides of the gas diffusion layer 116, 118 for example a side which has a microporous layer (MPL), a catalyst layer, a membrane or a complete membrane-electrode arrangement 114, is particularly sensitive to handle, then it can be advantageous , if this side of the gas diffusion layer 116, 118 is at least partially in contact with a contact element 238 of the injection molding tool 192, which is elastically deformable, as shown in Fig. 16, during the introduction of the injection molding material into the cavity 196 of the injection molding tool 192.
  • MPL microporous layer
  • Such a contact element 238 can, for example, include a coating 240 made of an elastomeric material.
  • a coating 240 made of an elastomeric material can be produced on one of the tool parts of the injection molding tool 192, for example, by means of a pattern printing process, preferably a screen printing process or a pad printing process.
  • the injection molding tool 192 includes a contact element 238, which is manufactured separately from the push-off tool part 190 and separately from the support tool part 194 of the injection molding tool 192 and, after its production, on the push-off tool part 190 or on the Support tool part 194 has been arranged, as shown in Fig. 17.
  • the contact element 238 can be arranged in particular in a groove 242 on the relevant tool part 190 or 194.
  • the contact element 238 can have one or more support lips 244.

Abstract

To reduce local temperature rise in an edge web region of an electrochemical device comprising: a stack of multiple electrochemical units in succession along a stack direction, said units each comprising an electrochemically active membrane-electrode assembly; a bipolar plate and a sealing arrangement; at least one medium channel; at least one flow field through which a medium can flow from the medium channel to a different medium channel; and at least one communication channel through which the flow field and the medium channel are in fluid communication with one another, the communication channel comprising an edge web through which a flow of medium from the medium channel passes, where a coolant flows through a coolant channel separated from the interior of the edge web by a joining line, the flow field comprising an edge channel which is disposed between the edge web and the coolant channel and through which a flow of the medium from the medium channel passes, and where the sealing arrangement extends around the flow field and includes an inner edge which forms an edge of a cathode-side electrochemically active face or an anode-side electrochemically active face of the membrane-electrode assembly, the proposal is made for the inner edge of the sealing arrangement to lie on the side of the edge web that faces away from the medium channel.

Description

Elektrochemische Vorrichtung und Verfahren zum Erzeugen eines Dichtelements an einer Gasdiffusionslage einer elektrochemischen Einheit Electrochemical device and method for producing a sealing element on a gas diffusion layer of an electrochemical unit
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Vorrichtung, welche einen Stapel aus mehreren, längs einer Stapelrichtung aufeinanderfolgenden elektrochemischen Einheiten, die jeweils eine elektrochemisch aktive Membran-Elektroden-Anordnung, eine Bipolarplatte und eine Dichtungsanordnung umfassen, mindestens einen Mediumkanal, der sich längs der Stapelrichtung durch mehrere der elektrochemischen Einheiten hindurch erstreckt, mindestens ein Strömungsfeld, durch welches ein Medium aus dem Mediumkanal quer zu der Stapelrichtung von dem Mediumkanal zu einem anderen Mediumkanal strömen kann, und mindestens einen Verbindungskanal, durch welchen das Strömungsfeld und der Mediumkanal in Fluidverbindung miteinander stehen, umfasst, wobei der Verbindungskanal einen Randsteg umfasst, welcher im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung von dem Medium aus dem Mediumkanal durchströmt wird, wobei ein von dem Innenraum des Randstegs durch eine Fügelinie getrennter Kühlmittelkanal im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung von einem Kühlmittel durchströmt wird, wobei das Strömungsfeld einen Randkanal umfasst, welcher zwischen dem Randsteg und dem Kühlmittelkanal angeordnet ist und im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung von dem Medium aus dem Mediumkanal durchströmt wird, und wobei die Dichtungsanordnung sich längs der Umfangsrichtung des Strömungsfeldes um das Strömungsfeld herum erstreckt und einen inneren Rand aufweist, welcher eine kathodenseitige elektrochemisch aktive Fläche oder eine anodenseitige elektrochemisch aktive Fläche der Membran-Elektroden- Anordnung berandet. Eine solche elektrochemische Vorrichtung kann insbesondere als eine Brennstoffzellenvorrichtung oder als eine Elektrolysevorrichtung ausgebildet sein. The present invention relates to an electrochemical device which has a stack of several electrochemical units that follow each other along a stacking direction, each comprising an electrochemically active membrane-electrode arrangement, a bipolar plate and a sealing arrangement, at least one medium channel which extends through several along the stacking direction of the electrochemical units, at least one flow field through which a medium can flow from the medium channel transversely to the stacking direction from the medium channel to another medium channel, and at least one connecting channel through which the flow field and the medium channel are in fluid communication with one another, wherein the connecting channel comprises an edge web through which the medium from the medium channel flows during operation of the electrochemical device, wherein a coolant channel separated from the interior of the edge web by a joining line is flowed through by a coolant during operation of the electrochemical device, wherein the flow field forms an edge channel which is arranged between the edge web and the coolant channel and is flowed through by the medium from the medium channel during operation of the electrochemical device, and wherein the sealing arrangement extends along the circumferential direction of the flow field around the flow field and has an inner edge which has a cathode-side electrochemically active surface or an anode-side electrochemically active surface of the membrane-electrode arrangement. Such an electrochemical device can in particular be designed as a fuel cell device or as an electrolysis device.
Wenn der Verbindungskanal, durch welchen ein Strömungsfeld und ein Mediumkanal in Fluidverbindung miteinander stehen, im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung nicht von einem Kühlmittel durchströmt wird, sondern von einem anderen Gas, beispielsweise von einem Anodengas oder von einem Kathodengas der elektrochemischen Vorrichtung, trägt das den Randsteg durchströmende fluide Medium nichts zur Kühlung der dem Randsteg benachbarten Bereiche der Membran-Elektroden-Anordnung bei. Die elektrochemische Aktivität ist in diesen Bereichen der Membran-Elektroden-Anordnung aber nicht geringer als in anderen Bereichen der Membran-Elektroden-Anordnung, insbesondere nicht geringer als in anderen Bereichen der Membran-Elektroden-Anordnung, welche benachbart zu einem Randsteg angeordnet sind, der einen Teil eines Kühlmittel-Verbindungskanals bildet. If the connecting channel, through which a flow field and a medium channel are in fluid communication with one another, is not flowed through by a coolant during operation of the electrochemical device, but by another gas, for example an anode gas or a cathode gas of the electrochemical device, this supports the edge web The fluid medium flowing through does nothing to cool the areas of the membrane-electrode arrangement adjacent to the edge web. However, the electrochemical activity in these areas of the membrane-electrode arrangement is not lower than in other areas of the membrane-electrode arrangement, in particular not lower than in other areas of the membrane-electrode arrangement, which are arranged adjacent to an edge web forms part of a coolant connecting channel.
Aufgrund der größeren Entfernung zum ersten kühlmittelführenden Kanal des Kühlmittel-Strömungsfeldes (entsprechend dem ersten Steg innerhalb des angrenzenden Gas-Strömungsfelds), tritt im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung in einem Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung, weicher einem kein Kühlmittel führenden Randsteg benachbart ist, eine lokal höhere Temperatur auf. Due to the greater distance to the first coolant-carrying channel of the coolant flow field (corresponding to the first web within the adjacent gas flow field), during operation of the electrochemical device in an area of the membrane-electrode arrangement that is adjacent to an edge web that does not carry coolant, a locally higher temperature.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrochemische Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher eine lokale Temperaturerhöhung aufgrund von mangelnder Kühlung im Bereich eines Randstegs eines Verbindungskanals, der nicht von einem Kühlmittel durchströmt wird, vermieden oder zumindest reduziert wird. Diese Aufgabe wird bei einer elektrochemischen Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der innere Rand der Dichtungsanordnung auf der dem Mediumkanal abgewandten Seite des Randstegs liegt. The present invention is based on the object of creating an electrochemical device of the type mentioned at the outset, in which a local temperature increase due to a lack of cooling in the area of an edge web of a connecting channel through which no coolant flows is avoided or at least reduced. This object is achieved according to the invention in an electrochemical device with the features of the preamble of claim 1 in that the inner edge of the sealing arrangement lies on the side of the edge web facing away from the medium channel.
Hierdurch wird erreicht, dass die Dichtungsanordnung im Bereich des Verbindungskanals lokal über den Randsteg hinaus in den Bereich des Randkanals des Strömungsfelds ragt. This ensures that the sealing arrangement in the area of the connecting channel projects locally beyond the edge web into the area of the edge channel of the flow field.
Dadurch wird ein äußerer Rand der elektrochemisch aktiven Fläche der Membran-Elektroden-Anordnung nach innen, das heißt zum Zentrum des Strömungsfeldes hin, versetzt, wodurch die maximale Entfernung vom äußersten vom Kühlmittel durchströmten Kanal des Kühlmittel-Strömungsfeldes reduziert wird. As a result, an outer edge of the electrochemically active surface of the membrane-electrode arrangement is offset inwards, that is towards the center of the flow field, whereby the maximum distance from the outermost channel of the coolant flow field through which the coolant flows is reduced.
Gemäß der Erfindung wird vorzugsweise die Dichtungsanordnung in den Bereichen verbreitert, in denen sie die Verbindungskanäle quert, welche im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung nicht von einem Kühlmittel durchströmt werden. According to the invention, the sealing arrangement is preferably widened in the areas in which it crosses the connecting channels through which a coolant does not flow during operation of the electrochemical device.
Vorzugsweise wird die Dichtungsanordnung in Bereichen verbreitert, welche sich längs der Umfangsrichtung der Dichtungsanordnung über die Enden der nicht von Kühlmittel durchströmten Randstege hinaus erstrecken. Preferably, the sealing arrangement is widened in areas which extend along the circumferential direction of the sealing arrangement beyond the ends of the edge webs through which coolant does not flow.
Zur Vermeidung von Temperaturspitzen wird die Dichtungsanordnung im Bereich der Verbindungskanäle, welche nicht von einem Kühlmittel durchströmt werden, lokal bis in den Bereich des jeweils zugeordneten Strömungsfelds erstreckt. To avoid temperature peaks, the sealing arrangement in the area of the connecting channels through which no coolant flows is locally extended into the area of the respectively assigned flow field.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der innere Rand der Dichtungsanordnung auf der dem Mediumkanal zugewandten Seite des Kühlmittelkanals liegt. Ferner kann vorgesehen sein, dass der innere Rand der Dichtungsanordnung im Bereich des Randkanals liegt. In a preferred embodiment of the invention it is provided that the inner edge of the sealing arrangement lies on the side of the coolant channel facing the medium channel. Furthermore, it can be provided that the inner edge of the sealing arrangement lies in the area of the edge channel.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Verbindungskanal zwischen zwei Bipolarplattenlagen ausgebildet ist, welche an der Fügelinie aneinander festgelegt sind. In a preferred embodiment of the invention it is provided that the connecting channel is formed between two bipolar plate layers, which are fixed to one another at the joining line.
Die beiden Bipolarplattenlagen können insbesondere durch Schweißung, beispielsweise durch Laserschweißung, stoffschlüssig aneinander festgelegt sein. The two bipolar plate layers can be fixed to one another in a materially bonded manner, in particular by welding, for example by laser welding.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der innere Rand der Dichtungsanordnung auf der dem Mediumkanal abgewandten Seite der Fügelinie liegt. In a preferred embodiment of the invention it is provided that the inner edge of the sealing arrangement lies on the side of the joining line facing away from the medium channel.
Der innere Rand der Dichtungsanordnung kann an einem Dichtelement der Dichtungsanordnung ausgebildet sein, welches stoffschlüssig mit einer Gasdiffusionslage der betreffenden elektrochemischen Einheit verbunden ist. The inner edge of the sealing arrangement can be formed on a sealing element of the sealing arrangement, which is cohesively connected to a gas diffusion layer of the electrochemical unit in question.
Das Dichtelement ist vorzugsweise aus einem Elastomermaterial gebildet. The sealing element is preferably formed from an elastomeric material.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das Elastomermaterial des Dichtelements einen Anbindungsbereich der Gasdiffusionslage durchdringt. For example, it can be provided that the elastomer material of the sealing element penetrates a connection area of the gas diffusion layer.
Ferner kann vorgesehen sein, dass das Dichtelement einen Dichtungsvorsprung umfasst, welcher im Bereich des Verbindungskanals von einem Grundkörper des Dichtelements aus in einer dem Mediumkanal abgewandten Vorspringrichtung vorspringt. Furthermore, it can be provided that the sealing element comprises a sealing projection which projects in the region of the connecting channel from a base body of the sealing element in a projection direction facing away from the medium channel.
Ein solcher Dichtungsvorsprung erstreckt sich vorzugsweise längs der Umfangsrichtung des Grundkörpers des Dichtelements nur über einen Teil des Umfangs des Grundkörpers des Dichtelements. Besonders günstig ist es, wenn der Dichtungsvorsprung sich längs der Umfangsrichtung des Grundkörpers des Dichtelements nur über weniger als 50 %, besonders bevorzugt über weniger als 25 %, des Umfangs des Grundkörpers des Dichtelements erstreckt. Such a sealing projection preferably extends along the circumferential direction of the base body of the sealing element only over a part of the circumference of the base body of the sealing element. It is particularly favorable if the sealing projection extends along the circumferential direction of the base body of the sealing element over only less than 50%, particularly preferably over less than 25%, of the circumference of the base body of the sealing element.
Insbesondere erstreckt sich der Dichtungsvorsprung vorzugsweise nur über einen Teil des Umfangs des Grundkörpers des Dichtelements, welcher einen Verbindungskanal quert, der im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung nicht von einem Kühlmittel durchströmt wird. In particular, the sealing projection preferably extends only over a part of the circumference of the base body of the sealing element, which crosses a connecting channel through which no coolant flows during operation of the electrochemical device.
Der Dichtungsvorsprung kann lokal unterbrochen sein. The sealing projection can be locally interrupted.
Der Dichtungsvorsprung kann mehrere Abschnitte umfassen, welche längs der Umfangsrichtung des Grundkörpers voneinander beabstandet sind. The sealing projection can comprise a plurality of sections which are spaced apart from one another along the circumferential direction of the base body.
Die Ausdehnung (Breite) des Dichtungsvorsprungs senkrecht zu seiner Umfangsrichtung und senkrecht zu der Stapelrichtung ist vorzugsweise größer als die Ausdehnung (Breite) des Randstegs des Strömungsfeldes senkrecht zu der Umfangsrichtung und senkrecht zu der Stapelrichtung. The extent (width) of the sealing projection perpendicular to its circumferential direction and perpendicular to the stacking direction is preferably greater than the extent (width) of the edge web of the flow field perpendicular to the circumferential direction and perpendicular to the stacking direction.
Eine Ausdehnung (Breite) der Dichtungsanordnung senkrecht zu ihrer Umfangsrichtung und senkrecht zu der Stapelrichtung ist vorzugsweise im Bereich des Verbindungskanals größer als in mindestens einem Bereich außerhalb des Bereichs des Verbindungskanals. Hierdurch wird erreicht, dass die Größe der elektrochemisch aktiven Fläche der Membran-Elektroden-Anordnung nur im Bereich des Verbindungskanals reduziert wird, in welchem der Randsteg nicht von einem Kühlmittel durchströmt wird und daher keine ausreichende Kühlwirkung bietet, während die elektrochemisch aktive Fläche der Membran-Elektroden-Anordnung im Bereich eines Verbindungskanals, der im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung von einem Kühlmittel durchströmt wird, und in den außerhalb der Bereiche der Verbindungskanäle liegenden Bereichen der Membran-Elektroden-Anordnung nicht unnötig reduziert wird. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Dichtungsanordnung im Bereich des Verbindungskanals mit mehreren Ausnehmungen versehen ist, welche längs der Umfangsrichtung der Dichtungsanordnung voneinander beabstandet sind und an einem Dichtungsvorsprung ausgebildet sind, welcher im Bereich des Verbindungskanals von einem Grundkörper des Dichtelements aus in einer dem Mediumkanal abgewandten Vorspringrichtung vorspringt. An extent (width) of the sealing arrangement perpendicular to its circumferential direction and perpendicular to the stacking direction is preferably larger in the area of the connecting channel than in at least one area outside the area of the connecting channel. This ensures that the size of the electrochemically active surface of the membrane-electrode arrangement is reduced only in the area of the connecting channel, in which the edge web is not flowed through by a coolant and therefore does not offer a sufficient cooling effect, while the electrochemically active surface of the membrane Electrode arrangement in the area of a connecting channel through which a coolant flows during operation of the electrochemical device, and is not unnecessarily reduced in the areas of the membrane-electrode arrangement lying outside the areas of the connecting channels. In a preferred embodiment of the invention it is provided that the sealing arrangement in the area of the connecting channel is provided with a plurality of recesses which are spaced apart from one another along the circumferential direction of the sealing arrangement and are formed on a sealing projection which is in the area of the connecting channel from a base body of the sealing element a projection direction facing away from the medium channel.
Der Dichtungsvorsprung kann dabei eine Passivierungsschicht aus einem Elastomermaterial bilden, welche vorzugsweise gemeinsam mit mindestens einer Dichtlippe der Dichtungsanordnung an eine Gasdiffusionslage angespritzt wird. The sealing projection can form a passivation layer made of an elastomeric material, which is preferably molded onto a gas diffusion layer together with at least one sealing lip of the sealing arrangement.
Das Überspritzen der Gasdiffusionslage mit einer Passivierungsschicht aus Elastomermaterial an einem sonst thermisch hochbeanspruchten Bereich der Gasdiffusionslage sorgt für eine lokale Reaktionsinaktivität und damit zu einer erwünschten Reduktion der thermischen Beanspruchung der Gasdiffusionslage, was die Dauerhaltbarkeit der elektrochemischen Vorrichtung im Betrieb derselben erhöht. The overspraying of the gas diffusion layer with a passivation layer made of elastomeric material on an area of the gas diffusion layer that is otherwise subject to high thermal stress ensures local reaction inactivity and thus a desired reduction in the thermal stress on the gas diffusion layer, which increases the durability of the electrochemical device during operation.
Das Anspritzen des Elastomermaterials an die Gasdiffusionslage erfolgt in einer Kavität eines Spritzgießwerkzeugs. Dabei wird ein Anbindungsbereich des aus dem Elastomermaterial gebildeten Dichtelements erzeugt, in welchem poröses Material der Gasdiffusionslage zumindest teilweise von dem Elastomermaterial durchdrungen ist. The elastomer material is injected onto the gas diffusion layer in a cavity of an injection molding tool. A connection area of the sealing element formed from the elastomeric material is created, in which porous material of the gas diffusion layer is at least partially penetrated by the elastomeric material.
Wenn die Gasdiffusionslage sich während des Einbringens des Elastomermaterials in die Kavität des Spritzgießwerkzeugs frei im Anbindungsbereich bewegen kann, so kann dies den Nachteil mit sich bringen, dass die Gasdiffusionslage auf dem Elastomermaterial aufschwimmt und eine in der montierten elektrochemischen Vorrichtung der Membran-Elektroden-Anordnung zugewandte Seite der Gasdiffusionslage mit Elastomermaterial überspritzt wird, obwohl diese Seite der Gasdiffusionslage gar nicht mit Elastomermaterial versehen werden soll. If the gas diffusion layer can move freely in the connection area while the elastomer material is being introduced into the cavity of the injection molding tool, this can have the disadvantage that the gas diffusion layer floats on the elastomer material and one in the assembled one Electrochemical device of the membrane-electrode arrangement side of the gas diffusion layer is sprayed with elastomeric material, although this side of the gas diffusion layer should not be provided with elastomeric material.
Ein solches "Aufschwemmen" der Gasdiffusionslage kann sowohl im Bereich des Dichtungsvorsprungs als auch außerhalb des Bereichs des Dichtungsvorsprungs auftreten. Die Seite der Gasdiffusionslage, welche der Membran- Elektroden-Anordnung zugewandt ist und eigentlich nicht mit Elastomermaterial überspritzt werden soll, kann insbesondere eine Seite der Gasdiffusionslage sein, welche eine mikroporöse Schicht ("microporous layer"; MPL) aufweist. Such “floating” of the gas diffusion layer can occur both in the area of the sealing projection and outside the area of the sealing projection. The side of the gas diffusion layer that faces the membrane-electrode arrangement and is not actually intended to be overmolded with elastomeric material can in particular be a side of the gas diffusion layer that has a microporous layer (MPL).
Durch eine solche mikroporöse Schicht kann das Elastomermaterial nur schlecht oder gar nicht in die Gasdiffusionslage eindringen, was eine schlechte, Undefinierte Anbindung zwischen der Gasdiffusionslage und dem Elastomermaterial zur Folge hat. Außerdem können sich bei einem solchen Überspritzvorgang Elastomermaterialverschmutzungen bilden, welche die spätere Funktion der elektrochemischen Zelle, welche die überspritzte Gasdiffusionslage enthält, und damit die spätere Funktion der elektrochemischen Vorrichtung gefährden können. Through such a microporous layer, the elastomer material can only penetrate poorly or not at all into the gas diffusion layer, which results in a poor, undefined connection between the gas diffusion layer and the elastomer material. In addition, elastomer material contamination can form during such an overmolding process, which can endanger the later function of the electrochemical cell containing the overmolded gas diffusion layer and thus the later function of the electrochemical device.
Die vorstehend beschriebenen Nachteile eines unerwünschten Überspritzens der Gasdiffusionslage können vermieden werden, wenn das Spritzgießwerkzeug ein oder mehrere Verformungsbegrenzungselemente umfasst, welche eine Verformung der Gasdiffusionslage während des Einbringens des Spritzgießmaterials in die Kavität begrenzen oder verhindern. The disadvantages described above of undesirable over-injection of the gas diffusion layer can be avoided if the injection molding tool comprises one or more deformation limiting elements which limit or prevent deformation of the gas diffusion layer during the introduction of the injection molding material into the cavity.
Ein solches Verformungsbegrenzungselement kann beispielsweise als ein Niederhalter ausgebildet sein. Das Verformungsbegrenzungselement, beispielsweise in Form eines Niederhalters, sorgt dafür, dass beim Einspritzprozess das in die Kavität des Spritzgießwerkzeugs eingebrachte Elastomermaterial vorzugsweise auf die im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung der Membran-Elektroden-Anordnung abgewandte Seite der Gasdiffusionslage gelangt. Such a deformation limiting element can be designed, for example, as a hold-down device. The deformation limiting element, for example in the form of a hold-down device, ensures that during the injection process the elastomer material introduced into the cavity of the injection molding tool preferably reaches the side of the gas diffusion layer facing away from the membrane-electrode arrangement during operation of the electrochemical device.
Wenn die Gasdiffusionslage eine mikroporöse Schicht ("microporous layer"; MPL) und ein Substrat aufweist, so gelangt das Elastomermaterial vorzugsweise auf die Substratseite der Gasdiffusionslage. If the gas diffusion layer has a microporous layer (MPL) and a substrate, the elastomer material preferably ends up on the substrate side of the gas diffusion layer.
Dies sorgt für eine bessere Durchdringung der Gasdiffusionslage mit dem Elastomermaterial und damit für eine bessere und zuverlässigere Anbindung des aus dem Elastomermaterial gebildeten Dichtelements an die Gasdiffusionslage. This ensures better penetration of the gas diffusion layer with the elastomer material and thus a better and more reliable connection of the sealing element formed from the elastomer material to the gas diffusion layer.
Wenn das Spritzgießwerkzeug mindestens ein Abdrück-Werkzeugteil umfasst, das einen Abdrückvorsprung zum Verpressen der Gasdiffusionslage während des Spritzgießvorgangs aufweist, so sind die Verformungsbegrenzungselemente, welche im Bereich des Dichtungsvorsprungs verwendet werden, vorzugsweise von dem Abdrückvorsprung des Abdrück-Werkzeugteils beab- standet. If the injection molding tool comprises at least one push-off tool part which has a push-off projection for pressing the gas diffusion layer during the injection molding process, the deformation limiting elements which are used in the area of the sealing projection are preferably spaced from the push-off projection of the push-off tool part.
Hierdurch werden im Bereich des Dichtungsvorsprungs die vorstehend erwähnten Ausnehmungen gebildet, welche vorzugsweise als sich durch das Dichtelement hindurch erstreckende Durchtrittsöffnungen in dem Dichtungsvorsprung des Dichtelements ausgebildet sind. As a result, the above-mentioned recesses are formed in the area of the sealing projection, which are preferably designed as passage openings in the sealing projection of the sealing element that extend through the sealing element.
Diese Ausnehmungen, vorzugsweise in Form von Durchtrittsöffnungen, können insbesondere einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt (senkrecht zur Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung genommen) aufweisen. Die Dichtungsanordnung kann auch in dem mindestens einen Bereich außerhalb des Verbindungskanals und somit außerhalb des Dichtungsvorsprungs mit mehreren Ausnehmungen versehen sein, welche längs der Umfangsrichtung der Dichtungsanordnung voneinander beabstandet sind und an dem inneren Rand der Dichtungsanordnung angeordnet sind. These recesses, preferably in the form of passage openings, can in particular have a substantially circular cross section (taken perpendicular to the stacking direction of the electrochemical device). The sealing arrangement can also be provided in the at least one area outside the connecting channel and thus outside the sealing projection with a plurality of recesses which are spaced apart from one another along the circumferential direction of the sealing arrangement and are arranged on the inner edge of the sealing arrangement.
Solche Ausnehmungen werden erhalten, wenn beim Anspritzen des Dichtelements Verformungsbegrenzungselemente, beispielsweise Niederhalter, verwendet werden, welche an einem Abdrückvorsprung eines Abdrück-Werkzeugteils des Spritzgießwerkzeugs angeordnet sind oder einstückig mit einem Abdrückvorsprung des Abdrück-Werkzeugteils ausgebildet sind. Such recesses are obtained if, when molding the sealing element, deformation limiting elements, for example hold-down devices, are used, which are arranged on a push-off projection of a push-off tool part of the injection molding tool or are formed in one piece with a push-off projection of the push-off tool part.
Diese Verformungsbegrenzungselemente in dem außerhalb des Dichtvorsprungs liegenden, nicht passivierten Bereich schwächen die Anbindung zwischen dem aus dem Elastomermaterial gebildeten Dichtelement einerseits und der Gasdiffusionslage andererseits. These deformation limiting elements in the non-passivated area lying outside the sealing projection weaken the connection between the sealing element formed from the elastomer material on the one hand and the gas diffusion layer on the other.
Die Geometrie und die Position der Verformungsbegrenzungselemente, beispielsweise in Form von Niederhaltern, wird aber so gewählt, dass eine erforderliche Mindestanbindungskraft erhalten bleibt. However, the geometry and position of the deformation limiting elements, for example in the form of hold-down devices, are selected so that a required minimum binding force is maintained.
Statt einer Mehrzahl von längs der Umfangsrichtung der Gasdiffusionslage voneinander beabstandeten Verformungsbegrenzungselementen kann auch ein Verformungsbegrenzungselement verwendet werden, das einen wellenförmigen äußeren Rand umfasst. Dies führt dazu, dass der innere Rand der aus dem Elastomermaterial gebildeten Dichtungsanordnung in dem mindestens einen Bereich außerhalb des Verbindungskanals, in welchem kein Verbindungsvorsprung ausgebildet ist, wellenförmig ausgebildet ist. Vorteilhaft ist es, wenn in den nicht passivierten Bereichen der elektrochemischen Vorrichtung, welche außerhalb des Bereichs des mindestens einen Dichtungsvorsprungs liegen, ein kathodenseitiges Dichtelement an die kathoden- seitige Gasdiffusionslage mit der gleichen oder einer ähnlichen Anbindungsgeometrie angebunden ist wie ein anodenseitiges Dichtelement an die anodenseitige Gasdiffusionslage. Instead of a plurality of deformation limiting elements spaced apart along the circumferential direction of the gas diffusion layer, a deformation limiting element can also be used which comprises a wave-shaped outer edge. This results in the inner edge of the sealing arrangement formed from the elastomer material being wave-shaped in the at least one area outside the connecting channel in which no connecting projection is formed. It is advantageous if, in the non-passivated areas of the electrochemical device, which lie outside the area of the at least one sealing projection, a cathode-side sealing element is connected to the cathode-side gas diffusion layer with the same or a similar connection geometry as an anode-side sealing element to the anode-side gas diffusion layer .
Wenn am inneren Rand des kathodenseitigen Dichtelements und am inneren Rand des anodenseitigen Dichtelements Ausnehmungen vorgesehen sind, so liegen dieselben im montierten Zustand der elektrochemischen Vorrichtung vorzugsweise in der Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung im Wesentlichen kongruent übereinander. If recesses are provided on the inner edge of the cathode-side sealing element and on the inner edge of the anode-side sealing element, they lie essentially congruent one above the other in the assembled state of the electrochemical device, preferably in the stacking direction of the electrochemical device.
Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass ein innerer Rand des kathodenseitigen Dichtelements, welcher das Dichtelement zu dem Zentrum der kathodenseitigen Gasdiffusionslage hin berandet, weiter nach innen, das heißt zum Zentrum der Gasdiffusionslage hin, verlegt ist als der innere Rand des anodenseitigen Dichtelements. Alternatively, it can be provided that an inner edge of the cathode-side sealing element, which borders the sealing element towards the center of the cathode-side gas diffusion layer, is moved further inwards, that is towards the center of the gas diffusion layer, than the inner edge of the anode-side sealing element.
Für die Anbindung des Dichtelements an die Gasdiffusionslage ist es von Vorteil, wenn die Bereiche der Gasdiffusionslage, welche während des Einbringens des Elastomermaterials in die Kavität des Spritzgießwerkzeugs in Kontakt mit einem Verformungsbegrenzungselement des Spritzgießwerkzeugs stehen, im Wesentlichen vollständig von dem Elastomermaterial durchdrungen werden. For the connection of the sealing element to the gas diffusion layer, it is advantageous if the areas of the gas diffusion layer, which are in contact with a deformation limiting element of the injection molding tool during the introduction of the elastomeric material into the cavity of the injection molding tool, are essentially completely penetrated by the elastomeric material.
Alternativ hierzu kann aber auch vorgesehen sein, dass diese Bereiche der Gasdiffusionslage nur teilweise oder gar nicht mit Elastomermaterial durchdrungen sind. Alternatively, it can also be provided that these areas of the gas diffusion layer are only partially or not at all penetrated with elastomer material.
Im Bereich des mindestens einen Dichtungsvorsprungs, mittels welchem ein passivierter Bereich der elektrochemischen Vorrichtung erzeugt wird, sorgen die Verformungsbegrenzungselemente, beispielsweise die Niederhalter, für ein definiertes Niederhalten der Gasdiffusionslage während des Einbringens des Elastomermaterials in die Kavität des Spritzgießwerkzeugs. Ferner wird die Gasdiffusionslage während des Anspritzens des Elastomermaterials präzise relativ zu dem aus dem Elastomermaterial gebildeten Dichtelement positioniert. In the area of the at least one sealing projection, by means of which a passivated area of the electrochemical device is created, the deformation limiting elements, for example the hold-down devices, ensure a defined holding down of the gas diffusion layer while introducing the elastomer material into the cavity of the injection molding tool. Furthermore, the gas diffusion layer is precisely positioned relative to the sealing element formed from the elastomeric material during the injection molding of the elastomeric material.
Die Verformungsbegrenzung, insbesondere das Niederhalten der Gasdiffusionslage, kann zu einer Reduktion der Dicke (Ausdehnung längs der Stapelrichtung) der Gasdiffusionslage im Vergleich zum unverpressten Zustand der Gasdiffusionslage in den Kontaktbereichen, in welchen die Gasdiffusionslage in Kontakt mit den Verformungsbegrenzungselementen steht, oder in der Nähe dieser Kontaktbereiche führen. Dies hat zur Folge, dass die Kavität des Spritzgießwerkzeugs beim Anspritzprozess in den Bereichen zwischen den Verformungsbegrenzungselementen besser mit Elastomermaterial gefüllt wird. Alternativ hierzu kann in diesem Bereich auch die Höhe der Kavität des Spritzgießwerkzeugs reduziert werden, um die Gesamthöhe von Gasdiffusionslage und Dichtungsvorsprung zu verringern. The deformation limitation, in particular the holding down of the gas diffusion layer, can lead to a reduction in the thickness (expansion along the stacking direction) of the gas diffusion layer compared to the uncompressed state of the gas diffusion layer in the contact areas in which the gas diffusion layer is in contact with the deformation limiting elements, or in the vicinity thereof Lead contact areas. The result of this is that the cavity of the injection molding tool is better filled with elastomer material in the areas between the deformation limiting elements during the injection molding process. Alternatively, the height of the cavity of the injection molding tool can also be reduced in this area in order to reduce the overall height of the gas diffusion layer and sealing projection.
Vorzugsweise sind die Verformungsbegrenzungselemente in der Kavität des Spritzgießwerkzeugs auf derselben Seite der Gasdiffusionslage angeordnet, auf welcher der Dichtungsvorsprung erzeugt wird. Besonders günstig ist es, wenn diese Seite die Substratseite der Gasdiffusionslage ist, also diejenige Seite der Gasdiffusionslage, welche der mikroporösen Lage ("microporous layer"; MPL) der Gasdiffusionslage abgewandt ist, da auf der Substratseite der Gasdiffusionslage eine bessere Durchdringung der Gasdiffusionslage mit dem Elastomermaterial gewährleistet ist. Dies sorgt für eine gute Anbindung des aus dem Elastomermaterial erzeugten Dichtelements an die Gasdiffusionslage. Preferably, the deformation limiting elements are arranged in the cavity of the injection molding tool on the same side of the gas diffusion layer on which the sealing projection is produced. It is particularly advantageous if this side is the substrate side of the gas diffusion layer, i.e. the side of the gas diffusion layer which faces away from the microporous layer (MPL) of the gas diffusion layer, since on the substrate side of the gas diffusion layer there is better penetration of the gas diffusion layer with the Elastomer material is guaranteed. This ensures a good connection of the sealing element made from the elastomer material to the gas diffusion layer.
Günstig ist es, wenn die Gasdiffusionslage in den Bereichen, in denen sie in Kontakt mit den Verformungsbegrenzungselementen steht, im Wesentlichen vollständig von dem Elastomermaterial durchdrungen wird, weil so auch die in Kontakt mit den Verformungsbegrenzungselementen, beispielsweise Niederhaltern, stehenden Bereiche der Gasdiffusionslage elektrochemisch deaktiviert werden. Alternativ hierzu kann aber auch vorgesehen sein, dass die in Kontakt mit den Verformungsbegrenzungselementen stehenden Bereiche der Gasdiffusionslage nur teilweise oder gar nicht von dem Elastomermaterial durchdrungen sind. Dies führt dazu, dass die in Kontakt mit den Verformungsbegrenzungselementen stehenden Bereiche der Gasdiffusionslage elektrochemisch teilaktiviert oder vollständig elektrochemisch aktiviert sind. It is advantageous if the gas diffusion layer is essentially completely penetrated by the elastomeric material in the areas in which it is in contact with the deformation limiting elements, because this also electrochemically deactivates the areas of the gas diffusion layer that are in contact with the deformation limiting elements, for example hold-down devices become. Alternatively, it can also be provided that the areas of the gas diffusion layer that are in contact with the deformation limiting elements are only partially or not at all penetrated by the elastomer material. This results in the areas of the gas diffusion layer that are in contact with the deformation limiting elements being partially electrochemically activated or completely electrochemically activated.
Von Vorteil ist es, wenn die Höhe des Randstegs, die Höhe des dem Randsteg am nächsten liegenden Stegs des jeweiligen Strömungsfeldes oder die Höhe des Randstegs und die Höhe des dem Randsteg am nächsten liegenden Stegs des Strömungsfeldes in dem Bereich, der (längs der Stapelrichtung) über oder unter dem mindestens einen Dichtungsvorsprung liegt, gegenüber der Höhe des Randstegs bzw. der Höhe des dem Randsteg am nächsten liegenden Stegs des Strömungsfeldes außerhalb des Bereichs des Dichtungsvorsprungs reduziert ist. Diese lokalen Höhenreduzierungen können in einer Bipolarplattenlage oder in zwei Bipolarplattenlagen ausgebildet sein. It is advantageous if the height of the edge web, the height of the web of the respective flow field closest to the edge web or the height of the edge web and the height of the web of the flow field closest to the edge web are in the area that (along the stacking direction) above or below the at least one sealing projection is reduced compared to the height of the edge web or the height of the web of the flow field closest to the edge web outside the area of the sealing projection. These local height reductions can be formed in one bipolar plate layer or in two bipolar plate layers.
Diese lokalen Höhenreduzierungen dienen dazu, einen hinreichend hohen und leicht herstellbaren Dichtungsvorsprung erzeugen zu können, ohne die lokale Gesamthöhe einer elektrochemischen Zelle (längs der Stapelrichtung) zu erhöhen. Diese lokalen Höhenreduzierungen können zur Berücksichtigung von Assemblierungstoleranzen auch in einem dem Bereich des Dichtungsvorsprungs benachbarten Bereich ausgeführt werden. These local height reductions serve to be able to produce a sufficiently high and easily produced sealing projection without increasing the local total height of an electrochemical cell (along the stacking direction). These local height reductions can also be carried out in an area adjacent to the area of the sealing projection to take assembly tolerances into account.
Die Größe, die Form, die Anzahl, die Position und/oder der Abstand der Verformungsbegrenzungselemente voneinander wird vorzugsweise so gewählt, dass es zu einem vorteilhaften Kompromiss zwischen dem Verhindern der Verformung der Gasdiffusionslage einerseits und einem ausreichenden Füllungsgrad der Kavität des Spritzgießwerkzeugs im Bereich des Dichtungsvorsprungs mit dem Elastomermaterial andererseits führt. Das Medium, das im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung durch den Verbindungskanal strömt, ist vorzugsweise ein Anodengas (Brenngas, insbesondere wasserstoffhaltig) oder ein Kathodengas (Oxidationsmittel, insbesondere sauerstoffhaltig) der elektrochemischen Vorrichtung. The size, shape, number, position and/or distance between the deformation limiting elements is preferably chosen so that there is an advantageous compromise between preventing the deformation of the gas diffusion layer on the one hand and a sufficient degree of filling of the cavity of the injection molding tool in the area of the sealing projection with the elastomeric material on the other hand. The medium that flows through the connecting channel during operation of the electrochemical device is preferably an anode gas (fuel gas, in particular containing hydrogen) or a cathode gas (oxidizing agent, in particular containing oxygen) of the electrochemical device.
Grundsätzlich kann der innere Rand der Dichtungsanordnung, welcher nach innen, das heißt zum Zentrum des Strömungsfeldes hin, versetzt wird, ein innerer Rand eines anodenseitigen Bereichs der Dichtungsanordnung oder ein innerer Rand eines kathodenseitigen Bereichs der Dichtungsanordnung sein. In principle, the inner edge of the sealing arrangement, which is offset inwards, i.e. towards the center of the flow field, can be an inner edge of an anode-side region of the sealing arrangement or an inner edge of a cathode-side region of the sealing arrangement.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der innere Rand der Dichtungsanordnung eine kathodenseitige elektrochemisch aktive Fläche der Membran-Elektroden-Anordnung berandet. In a preferred embodiment of the invention it is provided that the inner edge of the sealing arrangement borders an electrochemically active surface of the membrane-electrode arrangement on the cathode side.
Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der innere Rand der Dichtungsanordnung eine kathodenseitige elektrochemisch aktive Fläche der Membran-Elektroden-Anordnung berandet und eine weitere Dichtungsanordnung vorgesehen ist, welche eine anodenseitige elektrochemisch aktive Fläche der Membran-Elektroden-Anordnung berandet, wobei der innere Rand der kathodenseitigen Dichtungsanordnung auf der dem Mediumkanal abgewandten Seite des inneren Rands der weiteren, anodenseitigen Dichtungsanordnung liegt. In another embodiment of the invention, it can be provided that the inner edge of the sealing arrangement borders an electrochemically active surface of the membrane-electrode arrangement on the cathode side and a further sealing arrangement is provided which borders an electrochemically active surface of the membrane-electrode arrangement on the anode side, whereby the inner edge of the cathode-side sealing arrangement lies on the side of the inner edge of the further anode-side sealing arrangement facing away from the medium channel.
In diesem Fall liegt einem Bereich der kathodenseitigen elektrochemisch aktiven Fläche stets ein Bereich der anodenseitigen elektrochemisch aktiven Fläche der Membran-Elektroden-Anordnung gegenüber. Es gibt dann keinen Bereich der Membran-Elektroden-Einheit, der zwar kathodenseitig mit Oxidationsmittel, aber nicht auch anodenseitig mit Brenngas versorgt wird. Hierdurch wird eine lokal verstärkte Alterung der Membran-Elektroden-Einheit vermieden, welche auftreten kann, wenn ein Bereich der Membran-Elektroden- Einheit im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung nur mit Oxidationsmittel versorgt wird, nicht aber mit Brenngas. Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der elektrochemischen Vorrichtung ist daher auch vorgesehen, dass ein äußerer Rand einer kathodensei- tigen elektrochemisch aktiven Fläche der Membran-Elektroden-Anordnung gegenüber einem äußeren Rand einer anodenseitigen elektrochemisch aktiven Fläche der Membran-Elektroden-Anordnung nach innen, das heißt zum Zentrum des Strömungsfelds hin, versetzt ist. In this case, a region of the cathode-side electrochemically active surface is always opposite a region of the anode-side electrochemically active surface of the membrane-electrode arrangement. There is then no area of the membrane-electrode unit that is supplied with oxidizing agent on the cathode side but is not also supplied with fuel gas on the anode side. This avoids locally increased aging of the membrane-electrode unit, which can occur if an area of the membrane-electrode unit is only supplied with oxidizing agent during operation of the electrochemical device, but not with fuel gas. In a particularly preferred embodiment of the electrochemical device, it is therefore also provided that an outer edge of a cathode-side electrochemically active surface of the membrane-electrode arrangement faces inward, that is to say, relative to an outer edge of an anode-side electrochemically active surface of the membrane-electrode arrangement towards the center of the flow field.
Die erfindungsgemäße elektrochemische Vorrichtung kann insbesondere als eine Polymerelektrolytmembran(PEM)-Brennstoffzellenvorrichtung ausgebildet sein, bei welcher die Membran-Elektroden-Einheiten der elektrochemischen Einheiten der elektrochemischen Vorrichtung jeweils eine Polymerelektrolytmembran enthalten. The electrochemical device according to the invention can in particular be designed as a polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell device, in which the membrane-electrode units of the electrochemical units of the electrochemical device each contain a polymer electrolyte membrane.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Erzeugen eines Dichtelements an einer Gasdiffusionslage einer elektrochemischen Einheit, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: The present invention further relates to a method for producing a sealing element on a gas diffusion layer of an electrochemical unit, the method comprising the following:
Anordnen eines Spritzgießwerkzeugs an der Gasdiffusionslage; Arranging an injection molding tool on the gas diffusion layer;
Einbringen von Spritzgießmaterial in eine Kavität des Spritzgießwerkzeugs; wobei das Dichtelement einen Dichtungsvorsprung umfasst, welcher von einem Grundkörper des Dichtelements aus in einer in einen Innenraum des Dichtelements weisenden Vorspringrichtung vorspringt, wobei der Dichtungsvorsprung sich längs der Umfangsrichtung des Grundkörpers des Dichtelements nur über einen Teil des Umfangs des Grundkörpers des Dichtelements erstreckt. Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der vorstehend genannten Art zu schaffen, bei welchem eine Beschädigung der Gasdiffusionslage vermieden und ein Dichtelement mit einem mechanisch stabilen Anbindungsbereich zur Anbindung an die Gasdiffusionslage erzeugt wird. Introducing injection molding material into a cavity of the injection molding tool; wherein the sealing element comprises a sealing projection which projects from a base body of the sealing element in a projection direction pointing into an interior of the sealing element, wherein the sealing projection extends along the circumferential direction of the base body of the sealing element only over a part of the circumference of the base body of the sealing element. The present invention is based on the further object of creating a method of the type mentioned above, in which damage to the gas diffusion layer is avoided and a sealing element with a mechanically stable connection area for connection to the gas diffusion layer is produced.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruchs 18 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Spritzgießwerkzeug mindestens ein Verformungsbegrenzungselement umfasst, welches eine Verformung der Gasdiffusionslage während des Einbringens des Spritzgießmaterials in die Kavität begrenzt oder verhindert, wobei das Spritzgießwerkzeug mindestens ein Abdrück-Werkzeugteil umfasst, das einen Abdrückvorsprung zum Verpressen der Gasdiffusionslage aufweist und wobei das mindestens eine Verformungsbegrenzungselement während des Einbringens des Spritzgießmaterials in die Kavität des Spritzgießwerkzeugs von dem Abdrückvorsprung des Abdrück-Werkzeugteils beabstandet ist. This object is achieved according to the invention in a method with the features of the preamble of claim 18 in that the injection molding tool comprises at least one deformation limiting element which limits or prevents deformation of the gas diffusion layer during the introduction of the injection molding material into the cavity, the injection molding tool having at least one push-off element. Tool part comprises, which has a push-off projection for pressing the gas diffusion layer and wherein the at least one deformation limiting element is spaced from the push-off projection of the push-off tool part during the introduction of the injection molding material into the cavity of the injection molding tool.
Die Vorteile eines solchen Spritzgießverfahrens sind bereits vorstehend beschrieben worden. The advantages of such an injection molding process have already been described above.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Abdrückvorsprung des Abdrück-Werkzeugteils mindestens eine Verrundung und/oder mindestens eine Schräge aufweist. In a preferred embodiment of the method it is provided that the pressing projection of the pressing tool part has at least one rounding and/or at least one bevel.
Hierdurch kann eine Beschädigung des zwischen einander gegenüberliegenden Abdrückvorsprüngen des Spritzgießwerkzeugs verpressten Bauteils, insbesondere der Gasdiffusionslage, vermieden werden. Zum Zweck des Anspritzens eines Dichtelements aus einem Elastomermaterial an eine Gasdiffusionslage wird die Gasdiffusionslage zwischen zwei Abdrückvorsprünge eines Spritzgießwerkzeugs eingelegt und beim Schließen des Spritzgießwerkzeugs geklemmt und verpresst. Das poröse Material der Gasdiffusionslage wird dabei so weit abgedrückt, dass das in die Kavität des Spritzgießwerkzeugs eingebrachte Elastomermaterial den zwischen den Abdrückvorsprüngen liegenden Bereich der Gasdiffusionslage nicht oder nur in sehr geringem Maße durchdringt, so dass der von den Abdrückvorsprüngen umgebene zentrale Bereich der Gasdiffusionslage, also der in der elektrochemischen Vorrichtung für die Zufuhr von Kathodengas oder Anodengas zu der Membran- Elektroden-Anordnung genutzte Teil der Gasdiffusionslage, nur minimal durchdrungen wird. In this way, damage to the component pressed between opposing push-off projections of the injection molding tool, in particular the gas diffusion layer, can be avoided. For the purpose of injecting a sealing element made of an elastomeric material onto a gas diffusion layer, the gas diffusion layer is inserted between two push-off projections of an injection molding tool and clamped and pressed when the injection molding tool is closed. The porous material of the gas diffusion layer is pressed to such an extent that the elastomer material introduced into the cavity of the injection molding tool does not penetrate the area of the gas diffusion layer lying between the pressing projections or only penetrates it to a very small extent, so that the central area of the gas diffusion layer surrounded by the pressing projections, i.e the part of the gas diffusion layer used in the electrochemical device for supplying cathode gas or anode gas to the membrane-electrode arrangement is only penetrated minimally.
Bekannte Abdrückvorsprünge von Spritzgießwerkzeugen weisen einfach zu fertigende rechtwinklige Querschnitte auf und sind vorzugsweise - in Bezug auf eine senkrecht zur Stapelrichtung ausgerichtete Ebene - spiegelsymmetrisch ausgebildet. Known push-off projections of injection molding tools have rectangular cross-sections that are easy to manufacture and are preferably designed to be mirror-symmetrical in relation to a plane aligned perpendicular to the stacking direction.
Durch die Verwendung solcher Abdrückvorsprünge kann es zu einer Beschädigung des zwischen den Abdrückvorsprüngen verpressten Bauteils kommen, was unmittelbar oder mittelbar eine Beschädigung der elektrochemischen Zelle, in welcher die Gasdiffusionslage verbaut wird, und damit einen Ausfall des ganzen Brennstoffzellenstapels hervorrufen kann. The use of such pressing projections can result in damage to the component pressed between the pressing projections, which can directly or indirectly cause damage to the electrochemical cell in which the gas diffusion layer is installed and thus cause failure of the entire fuel cell stack.
Es ist daher darauf zu achten, dass die Gasdiffusionslage, an welche das Dichtelement aus einem Elastomermaterial angespritzt werden soll, keine Vorschädigung aufweist. Solche Vorschädigungen können beispielsweise Faserbrüche in der Gasdiffusionslage, Strukturfehler einer mikroporösen Schicht ("microporous layer"; MPL) der Gasdiffusionslage oder auch, falls die Gasdiffusionslage, welche in das Spritzgießwerkzeug eingelegt wird, bereits mit einer Elektrodenschicht und einer Membran versehen ist, eine Vorschädigung der Membran und/oder Leckagen der elektrochemischen Zelle sein. Durch eine Ausführung mindestens eines der Abdrückvorsprünge mit einer Geometrie, die von der üblichen rechteckigen Geometrie abweicht, wird die Belastung der zwischen den Abdrückvorsprüngen verpressten Komponenten im Kontaktbereich zu den Abdrückvorsprüngen reduziert. It is therefore important to ensure that the gas diffusion layer, onto which the sealing element made of an elastomeric material is to be molded, has no previous damage. Such prior damage can include, for example, fiber breaks in the gas diffusion layer, structural defects in a microporous layer (“MPL”) of the gas diffusion layer or, if the gas diffusion layer that is inserted into the injection molding tool is already provided with an electrode layer and a membrane, prior damage to the gas diffusion layer Membrane and/or leaks in the electrochemical cell. By designing at least one of the pressing projections with a geometry that deviates from the usual rectangular geometry, the load on the components pressed between the pressing projections in the contact area with the pressing projections is reduced.
Dies kann erreicht werden, indem mindestens einer der Abdrückvorsprünge, vorzugsweise beide Abdrückvorsprünge, mindestens eine verrundete Kante, eine Kontaktfläche mit einem konvex gekrümmten Bereich und/oder mindestens eine Schräge aufweist. This can be achieved by at least one of the pressing projections, preferably both pressing projections, having at least one rounded edge, a contact surface with a convexly curved region and/or at least one bevel.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Kontaktfläche des Abdrückvorsprungs nur kleine Richtungsänderungen auf der Skala der Porengröße der Gasdiffusionslage aufweist. It is particularly advantageous if the contact surface of the push-off projection only has small changes in direction on the scale of the pore size of the gas diffusion layer.
Die Porengröße der Gasdiffusionslage entspricht dabei beispielsweise dem Abstand zwischen den Fasern der Gasdiffusionslage. The pore size of the gas diffusion layer corresponds, for example, to the distance between the fibers of the gas diffusion layer.
So beträgt beispielsweise die Höhenänderung der Kontaktfläche des Abdrückvorsprungs vorzugsweise nicht mehr als ungefähr eine Porengröße auf der Länge einer halben Porengröße. Die Tangente an der Kontaktfläche des Abdrückvorsprungs ist also gegenüber einer zur Stapelrichtung senkrechten Ebene (beispielsweise einer der Hauptebenen der unverpressten Gasdiffusionslage) vorzugsweise um einen Winkel a von weniger als 60°, besonders bevorzugt von weniger als 45°, geneigt. For example, the change in height of the contact surface of the push-off projection is preferably no more than approximately one pore size over the length of half a pore size. The tangent on the contact surface of the push-off projection is therefore inclined relative to a plane perpendicular to the stacking direction (for example one of the main planes of the uncompressed gas diffusion layer) by an angle α of less than 60°, particularly preferably of less than 45°.
Die Gesamtbreite des Abdrückvorsprungs, das heißt dessen Ausdehnung senkrecht zur Stapelrichtung und senkrecht zur Umfangsrichtung der Gasdiffusionslage, ist vorzugsweise ein Vielfaches der Porengröße der Gasdiffusionslage und beträgt besonders bevorzugt mehr als 0,5 mm, beispielsweise mehr als 1 mm. Eine zu große Gesamtbreite des Abdrückvorsprungs führt allerdings zu einer unerwünschten Verkleinerung des elektrochemisch aktiven Bereichs der elektrochemischen Vorrichtung, da sie den Abstand zwischen der Dichtstruktur des Dichtelements und dem elektrochemisch aktiven Bereich vergrößert. The total width of the push-off projection, that is to say its extent perpendicular to the stacking direction and perpendicular to the circumferential direction of the gas diffusion layer, is preferably a multiple of the pore size of the gas diffusion layer and is particularly preferably more than 0.5 mm, for example more than 1 mm. However, an overall width of the push-off projection that is too large leads to an undesirable reduction in the size of the electrochemically active region of the electrochemical device, since it increases the distance between the sealing structure of the sealing element and the electrochemically active region.
Wenn die Gasdiffusionslage unsymmetrisch ausgebildet ist, beispielsweise einseitig eine mikroporöse Schicht ("microporous layer"; MPL) aufweist oder einseitig mit einer Katalysatorschicht, einer Katalysatorschicht und einer Membran oder mit einer kompletten Membran-Elektroden-Anordnung versehen ist, kann es sinnvoll sein, auch die Abdrückvorsprünge, zwischen welchen eine solche unsymmetrische Gasdiffusionslage verpresst wird, unsymmetrisch auszulegen. Sonst würde eine beschädigte mikroporöse Schicht (MPL) der Gasdiffusionslage beim Zusammenbau der elektrochemischen Vorrichtung in Kontakt mit einer Membran-Elektroden-Anordnung treten, was eine Beschädigung der Membran-Elektroden-Anordnung hervorrufen könnte. If the gas diffusion layer is designed asymmetrically, for example has a microporous layer (MPL) on one side or is provided on one side with a catalyst layer, a catalyst layer and a membrane or with a complete membrane-electrode arrangement, it can also make sense to design the pressing projections between which such an asymmetrical gas diffusion layer is pressed asymmetrically. Otherwise, a damaged microporous layer (MPL) of the gas diffusion layer would come into contact with a membrane-electrode assembly during assembly of the electrochemical device, which could cause damage to the membrane-electrode assembly.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass auf einer Seite der Gasdiffusionslage der Abdrückvorsprung vollständig entfällt. Dies ist vorzugsweise die Seite der Gasdiffusionslage, die mit einer mikroporösen Schicht (MPL), mit einer Katalysatorschicht und/oder mit einer Membran oder mit einer kompletten Membran-Elektroden-Anordnung versehen ist. For example, it can be provided that the push-off projection is completely eliminated on one side of the gas diffusion layer. This is preferably the side of the gas diffusion layer that is provided with a microporous layer (MPL), with a catalyst layer and/or with a membrane or with a complete membrane-electrode arrangement.
Ist eine der Seiten der Gasdiffusionslage, beispielsweise eine Seite, welche eine mikroporöse Schicht (MPL), eine Katalysatorschicht, eine Membran oder eine komplette Membran-Elektroden-Anordnung aufweist, besonders empfindlich in der Handhabung, so kann es von Vorteil sein, wenn diese Seite der Gasdiffusionslage während des Einbringens des Spritzgießmaterials in die Kavität des Spritzgießwerkzeugs zumindest abschnittsweise in Kontakt mit einem Kontaktelement des Spritzgießwerkzeugs steht, welches ein Elastomermaterial umfasst. Ein solches Kontaktelement kann beispielsweise eine Beschichtung aus einem Elastomermaterial an einem Bereich des Spritzgießwerkzeugs und/oder eine - vorzugsweise nutlos eingebettete - Dichtung, beispielsweise eine Flachdichtung, aus einem Elastomermaterial, die in dem Spritzgießwerkzeug angeordnet ist, umfassen. If one of the sides of the gas diffusion layer, for example a side which has a microporous layer (MPL), a catalyst layer, a membrane or a complete membrane-electrode arrangement, is particularly sensitive to handling, it can be advantageous if this side the gas diffusion layer is at least partially in contact with a contact element of the injection molding tool, which comprises an elastomeric material, during the introduction of the injection molding material into the cavity of the injection molding tool. Such a contact element can, for example, comprise a coating made of an elastomeric material on a region of the injection molding tool and/or a seal - preferably embedded without a groove, for example a flat seal, made of an elastomeric material, which is arranged in the injection molding tool.
Eine Beschichtung aus einem Elastomermaterial kann beispielsweise mittels eines Musterdruckverfahrens, vorzugsweise eines Siebdruckverfahrens oder eines Tampondruckverfahrens, erzeugt werden. A coating made of an elastomeric material can be produced, for example, by means of a pattern printing process, preferably a screen printing process or a pad printing process.
Eine gegebenenfalls in dem Spritzgießwerkzeug angeordnete Dichtung aus einem Elastomermaterial sollte möglichst wenig strukturiert sein, um ihrerseits keine Inhomogenität der Belastung bei einer Verpressung der Gasdiffusionslage zu erzeugen. A seal made of an elastomeric material, which may be arranged in the injection molding tool, should be structured as little as possible in order not to produce any inhomogeneity in the load when the gas diffusion layer is pressed.
Hingegen wäre das Einlegen einer Dichtschnur mit einem kreisförmigen Querschnitt in eine Nut, die an ihren Rändern Spalte frei ließe, nicht vorteilhaft. On the other hand, inserting a sealing cord with a circular cross-section into a groove that would leave gaps at its edges would not be advantageous.
Eine vorteilhafte Verpressung der Gasdiffusionslage wird erzielt, wenn das lichte Maß zwischen den Abdrückvorsprüngen des geschlossenen Spritzgießwerkzeuges kleiner ist als die Höhe (Ausdehnung längs der Stapelrichtung) der Gasdiffusionslage im verpressten Brennstoffzellenstapel. An advantageous compression of the gas diffusion layer is achieved if the clear dimension between the push-off projections of the closed injection molding tool is smaller than the height (extension along the stacking direction) of the gas diffusion layer in the pressed fuel cell stack.
Als günstig hat es sich erwiesen, wenn die Gasdiffusionslage zwischen den Abdrückvorsprüngen des Spritzgießwerkzeugs auf höchstens 80 %, besonders bevorzugt auf höchstens 75 %, der Dicke der Gasdiffusionslage bei einem Druck von 0,025 MPa verpresst wird. It has proven to be advantageous if the gas diffusion layer between the push-off projections of the injection molding tool is pressed to a maximum of 80%, particularly preferably to a maximum of 75%, of the thickness of the gas diffusion layer at a pressure of 0.025 MPa.
Ferner hat es sich als günstig erwiesen, wenn die Gasdiffusionslage zwischen den Abdrückvorsprüngen des Spritzgießwerkzeugs auf mindestens 40 %, besonders bevorzugt mindestens 50 %, der Dicke der Gasdiffusionslage bei einem Druck von 0,025 MPa verpresst wird. Wenn eine Gasdiffusionslage mit einer Katalysatorschicht, mit einer Katalysatorschicht und einer Membran oder mit einer kompletten Membran-Elektroden- Anordnung versehen ist, so können diese zusätzlichen Schichten separat von der Gasdiffusionslage erzeugt und auf die Gasdiffusionslage aufgelegt oder mit der Gasdiffusionslage laminiert sein. Alternativ hierzu kann auch vorgesehen sein, dass diese zusätzlichen Schichten an der Gasdiffusionslage in situ erzeugt werden. Furthermore, it has proven to be advantageous if the gas diffusion layer is pressed between the push-off projections of the injection molding tool to at least 40%, particularly preferably at least 50%, of the thickness of the gas diffusion layer at a pressure of 0.025 MPa. If a gas diffusion layer is provided with a catalyst layer, with a catalyst layer and a membrane or with a complete membrane-electrode arrangement, these additional layers can be produced separately from the gas diffusion layer and placed on the gas diffusion layer or laminated with the gas diffusion layer. Alternatively, it can also be provided that these additional layers are produced in situ on the gas diffusion layer.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels. In den Zeichnungen zeigen: Further features and advantages of the invention are the subject of the following description and the graphic representation of an exemplary embodiment. Shown in the drawings:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Ausschnitts eines Brennstoffzellenstapels einer Brennstoffzellenvorrichtung im Bereich eines Verbindungskanals, welcher einen Mediumkanal und ein Strömungsfeld der Brennstoffzellenvorrichtung miteinander verbindet, wobei von dem Brennstoffzellenstapel zwei in einer Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels aufeinanderfolgende Brennstoffzelleneinheiten und eine über den beiden Brennstoffzelleneinheiten liegende Bipolarplatte einer dritten Brennstoffzelleneinheit dargestellt sind; Fig. 1 is a perspective view of a section of a fuel cell stack of a fuel cell device in the area of a connecting channel, which connects a medium channel and a flow field of the fuel cell device, with two fuel cell units following one another in a stacking direction of the fuel cell stack of the fuel cell stack and a third bipolar plate lying above the two fuel cell units Fuel cell unit are shown;
Fig. 2 eine Draufsicht von oben längs der Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels auf den Ausschnitt aus dem Brennstoffzellenstapel aus Fig. 1; FIG. 2 is a plan view from above along the stacking direction of the fuel cell stack onto the section of the fuel cell stack from FIG. 1;
Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs I aus Fig. 2; Fig. 3 is an enlarged view of area I from Fig. 2;
Fig. 4 einen Längsschnitt durch den Brennstoffzellenstapel aus den Fig. 1 bis 3, längs der Linie 4 - 4 in Fig. 3; Fig. 5 eine der Fig. 1 entsprechende perspektivische Darstellung des Ausschnitts des Brennstoffzellenstapels, wobei nur die Membran-Elektroden-Anordnung und die Dichtungsanordnung einer einzigen Brennstoffzelleneinheit dargestellt sind; 4 shows a longitudinal section through the fuel cell stack from FIGS. 1 to 3, along line 4 - 4 in FIG. 3; 5 shows a perspective view of the section of the fuel cell stack corresponding to FIG. 1, with only the membrane-electrode arrangement and the sealing arrangement of a single fuel cell unit being shown;
Fig. 6 eine Draufsicht von oben längs der Stapelrichtung auf die Membran-Elektroden-Anordnung und die Dichtungsanordnung aus Fig. 5; 6 is a top view along the stacking direction of the membrane-electrode arrangement and the sealing arrangement from FIG. 5;
Fig. 7 einen schematischen Schnitt durch ein Spritzgießwerkzeug und eine in eine Kavität des Spritzgießwerkzeugs vorstehende Gasdiffusionslage, wobei das Spritzgießwerkzeug mehrere in einer Umfangsrichtung der Gasdiffusionslage voneinander beabstandete Verformungsbegrenzungselemente aufweist, welche die Gasdiffusionslage vor dem Einbringen des Spritzgießmaterials in die Kavität des Spritzgießwerkzeugs berühren und in Kontakt mit einem Abdrückvorsprung eines Abdrück-Werkzeugteils des Spritzgießwerkzeugs stehen; 7 shows a schematic section through an injection molding tool and a gas diffusion layer projecting into a cavity of the injection molding tool, the injection molding tool having a plurality of deformation limiting elements spaced apart from one another in a circumferential direction of the gas diffusion layer, which touch and come into contact with the gas diffusion layer before the injection molding material is introduced into the cavity of the injection molding tool with a push-off projection of a push-off tool part of the injection molding tool;
Fig. 8 eine ausschnittsweise Draufsicht von oben auf eine Baugruppe aus der Gasdiffusionslage und einem an der Gasdiffusionslage festgelegten Dichtelement, welches mittels des Spritzgießwerkzeugs aus Fig. 7 erzeugt worden ist; 8 shows a partial top view from above of an assembly consisting of the gas diffusion layer and a sealing element fixed to the gas diffusion layer, which was produced by means of the injection molding tool from FIG. 7;
Fig. 9 einen schematischen Schnitt durch ein Spritzgießwerkzeug, das mehrere Verformungsbegrenzungselemente umfasst, welche längs der Umfangsrichtung der Gasdiffusionslage voneinander beabstandet sind, von einem Abdrückvorsprung eines Abdrück- Werkzeugteils des Spritzgießwerkzeugs beabstandet sind und die Gasdiffusionslage vor dem Einbringen des Spritzgießmaterials in die Kavität des Spritzgießwerkzeugs berühren; Fig. 10 eine ausschnittsweise Draufsicht auf eine Baugruppe aus einer Gasdiffusionslage und einem an der Gasdiffusionslage festgelegten Dichtelement, welches mittels des in Fig. 9 dargestellten Spritzgießwerkzeugs erzeugt worden ist; 9 shows a schematic section through an injection molding tool, which comprises a plurality of deformation limiting elements, which are spaced apart from one another along the circumferential direction of the gas diffusion layer, are spaced from a push-off projection of a push-off tool part of the injection molding tool and touch the gas diffusion layer before the injection molding material is introduced into the cavity of the injection molding tool ; 10 shows a partial plan view of an assembly consisting of a gas diffusion layer and a sealing element fixed to the gas diffusion layer, which was produced by means of the injection molding tool shown in FIG. 9;
Fig. 11 einen schematischen Schnitt durch ein Spritzgießwerkzeug, eine in eine Kavität des Spritzgießwerkzeugs vorstehende Gasdiffusionslage, die einen zwischen zwei Abdrückvorsprüngen des Spritzgießwerkzeugs verpressten Abschnitt aufweist, und ein an die Gasdiffusionslage angespritztes Dichtelement aus einem Elastomermaterial, wobei die Abdrückvorsprünge spiegelsymmetrisch zueinander ausgebildet sind und einen rechteckigen Querschnitt aufweisen; Fig. 11 shows a schematic section through an injection molding tool, a gas diffusion layer protruding into a cavity of the injection molding tool, which has a section pressed between two push-off projections of the injection molding tool, and a sealing element made of an elastomeric material which is molded onto the gas diffusion layer, the push-off projections being designed to be mirror-symmetrical to one another and one have a rectangular cross section;
Fig. 12 einen schematischen Schnitt durch ein Spritzgießwerkzeug, eine in eine Kavität des Spritzgießwerkzeugs vorstehende Gasdiffusionslage, die einen zwischen zwei Abdrückvorsprüngen des Spritzgießwerkzeugs verpressten Abschnitt aufweist, und ein an die Gasdiffusionslage angespritztes Dichtelement aus einem Elastomermaterial, wobei die Abdrückvorsprünge jeweils eine konvex gekrümmte Kontaktfläche aufweisen; Fig. 12 shows a schematic section through an injection molding tool, a gas diffusion layer protruding into a cavity of the injection molding tool, which has a section pressed between two push-off projections of the injection molding tool, and a sealing element made of an elastomeric material which is molded onto the gas diffusion layer, the push-off projections each having a convexly curved contact surface ;
Fig. 13 einen schematischen Schnitt durch ein Spritzgießwerkzeug, eine in eine Kavität des Spritzgießwerkzeugs vorstehende Gasdiffusionslage, die einen zwischen einem Abdrückvorsprung eines Abdrück-Werkzeugteils des Spritzgießwerkzeugs und einem ebenen Abschnitt eines weiteren Werkzeugteils des Spritzgießwerkzeugs verpressten Abschnitt aufweist, und ein an die Gasdiffusionslage angespritztes Dichtelement aus einem Elastomermaterial, wobei der Abdrückvorsprung des Abdrück-Werkzeugteils des Spritzgießwerkzeugs eine konvex gekrümmte Kontaktfläche aufweist; Fig. 14 einen schematischen Schnitt durch ein Spritzgießwerkzeug, eine in eine Kavität des Spritzgießwerkzeugs vorstehende Gasdiffusionslage, die einen zwischen zwei Abdrückvorsprüngen des Spritzgießwerkzeugs verpressten Abschnitt aufweist, und ein an die Gasdiffusionslage angespritztes Dichtelement aus einem Elastomermaterial, wobei die beiden Abdrückvorsprünge des Spritzgießwerkzeugs unsymmetrisch zueinander ausgebildet sind, beide Abdrückvorsprünge eine konvexe Kontaktfläche aufweisen und die Abdrückvorsprünge unterschiedlich weit in das Material der Gasdiffusionslage vorstehen; Fig. 13 shows a schematic section through an injection molding tool, a gas diffusion layer protruding into a cavity of the injection molding tool, which has a section pressed between a push-off projection of a push-off tool part of the injection molding tool and a flat section of a further tool part of the injection molding tool, and a sealing element molded onto the gas diffusion layer made of an elastomeric material, wherein the push-off projection of the push-off tool part of the injection molding tool has a convexly curved contact surface; 14 shows a schematic section through an injection molding tool, a gas diffusion layer protruding into a cavity of the injection molding tool, which has a section pressed between two push-off projections of the injection molding tool, and a sealing element made of an elastomeric material which is molded onto the gas diffusion layer, the two push-off projections of the injection molding tool being designed asymmetrically to one another are, both push-off projections have a convex contact surface and the push-off projections protrude to different extents into the material of the gas diffusion layer;
Fig. 15 einen schematischen Schnitt durch ein Spritzgießwerkzeug, eine in eine Kavität des Spritzgießwerkzeugs vorstehende Gasdiffusionslage, die einen zwischen zwei Abdrückvorsprüngen des Spritzgießwerkzeugs verpressten Abschnitt aufweist, und ein an die Gasdiffusionslage angespritztes Dichtelement aus einem Elastomermaterial, wobei die beiden Abdrückvorsprünge jeweils eine Kontaktfläche aufweisen, welche einen zu einer Hauptfläche der Gasdiffusionslage parallelen Abschnitt und jeweils gegenüber einer Hauptfläche der Gasdiffusionslage geneigte Abschnitte aufweisen, wobei die Abdrückvorsprünge unsymmetrisch zueinander ausgebildet sind und einer der Abdrückvorsprünge weiter in das Material der Gasdiffusionslage eindringt als der andere Abdrückvorsprung; 15 shows a schematic section through an injection molding tool, a gas diffusion layer protruding into a cavity of the injection molding tool, which has a section pressed between two push-off projections of the injection mold, and a sealing element made of an elastomeric material which is molded onto the gas diffusion layer, the two push-off projections each having a contact surface, which have a section parallel to a main surface of the gas diffusion layer and each section inclined relative to a main surface of the gas diffusion layer, the push-off projections being designed asymmetrically to one another and one of the push-off projections penetrating further into the material of the gas diffusion layer than the other push-off projection;
Fig. 16 einen schematischen Schnitt durch ein Spritzgießwerkzeug, eine in eine Kavität des Spritzgießwerkzeugs vorstehende Gasdiffusionslage, die einen zwischen einem Abdrückvorsprung eines Abdrück-Werkzeugteils des Spritzgießwerkzeugs einerseits und einem elastischen Kontaktelement des Spritzgießwerkzeugs andererseits verpressten Abschnitt aufweist, und ein an die Gasdiffusionslage angespritztes Dichtelement aus einem Elastomermaterial, wobei der Abdrückvorsprung des Abdrück- Werkzeugteils des Spritzgießwerkzeugs eine konvex gekrümmte Kontaktfläche aufweist und ein dem Abdrückvorsprung des Abdrück-Werkzeugteils gegenüberliegender Abschnitt eines anderen Werkzeugteils des Spritzgießwerkzeugs mit einer Beschichtung aus einem Elastomermaterial versehen ist; und 16 shows a schematic section through an injection molding tool, a gas diffusion layer protruding into a cavity of the injection molding tool, which has a section pressed between a push-off projection of a push-off tool part of the injection molding tool on the one hand and an elastic contact element of the injection molding tool on the other hand, and a sealing element molded onto the gas diffusion layer one Elastomeric material, wherein the push-off projection of the push-off tool part of the injection molding tool has a convexly curved contact surface and a section of another tool part of the injection molding tool opposite the push-off projection of the push-off tool part is provided with a coating made of an elastomeric material; and
Fig. 17 einen schematischen Schnitt durch ein Werkzeugteil eines Spritzgießwerkzeugs, welches mit einem Kontaktelement zum Verpressen eines Abschnitts einer Gasdiffusionslage versehen ist, wobei das Kontaktelement als ein separates Abdichtelement ausgebildet ist, welches eine oder mehrere Dichtlippen aufweist und in eine an dem Werkzeugteil des Spritzgießwerkzeugs ausgebildete Nut eingesetzt ist. Fig. 17 shows a schematic section through a tool part of an injection molding tool, which is provided with a contact element for pressing a section of a gas diffusion layer, the contact element being designed as a separate sealing element which has one or more sealing lips and one formed on the tool part of the injection molding tool Groove is inserted.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Identical or functionally equivalent elements are designated with the same reference numerals in all figures.
Eine in den Fig. 1 bis 6 dargestellte, als Ganzes mit 100 bezeichnete elektrochemische Vorrichtung, beispielsweise eine Brennstoffzellenvorrichtung 102 oder ein Elektrolyseur, umfasst einen Stapel 104 von elektrochemischen Einheiten 106, beispielsweise von Brennstoffzelleneinheiten 108 oder Elektrolyseureinheiten, wobei der Stapel 104 mehrere in einer Stapelrichtung 110 aufeinanderfolgende elektrochemische Einheiten 106 und eine (nicht dargestellte) Spannvorrichtung zum Beaufschlagen der elektrochemischen Einheiten 106 mit einer längs der Stapelrichtung 110 gerichteten Spannkraft umfasst. 1 to 6, designated as a whole by 100, for example a fuel cell device 102 or an electrolyzer, comprises a stack 104 of electrochemical units 106, for example fuel cell units 108 or electrolyzer units, the stack 104 having several in one stacking direction 110 successive electrochemical units 106 and a clamping device (not shown) for applying a clamping force directed along the stacking direction 110 to the electrochemical units 106.
Wie am besten aus der Schnittdarstellung in Fig. 4 zu ersehen ist, umfasst jede elektrochemische Einheit 106 der elektrochemischen Vorrichtung 100 jeweils eine Bipolarplatte 112 und eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) 114. Die Membran-Elektroden-Anordnung 114 umfasst beispielsweise eine katalysatorbeschichtete Membran ("Catalyst Coated Membrane"; CCM) und zwei Gasdiffusionslagen 116 und 118, wobei die erste Gasdiffusionslagen 116 beispielsweise anodenseitig und die zweite Gasdiffusionslage 118 beispielsweise kathodenseitig angeordnet ist. As can best be seen from the sectional view in FIG. 4, each electrochemical unit 106 of the electrochemical device 100 includes a bipolar plate 112 and a membrane electrode assembly (MEA) 114. The membrane-electrode arrangement 114 comprises, for example, a catalyst-coated membrane (“Catalyst Coated Membrane”; CCM) and two gas diffusion layers 116 and 118, the first gas diffusion layer 116 being arranged, for example, on the anode side and the second gas diffusion layer 118, for example, being arranged on the cathode side.
Die Bipolarplatte 112 ist beispielweise aus einem metallischen Material gebildet. The bipolar plate 112 is formed, for example, from a metallic material.
Die Bipolarplatte 112 weist mehrere Medium-Durchtrittsöffnungen 120 auf, durch welche jeweils ein der elektrochemischen Vorrichtung 100 zuzuführendes fluides Medium (im Fall eines Brennstoffzellenstapels beispielsweise ein Brenngas oder Anodengas, ein Oxidationsmittel oder Kathodengas oder ein Kühlmittel) durch die Bipolarplatte 112 hindurchtreten kann. Die Medium- Durchtrittsöffnungen 120 der im Stapel 104 aufeinanderfolgenden Bipolarplatten 112 und die in der Stapelrichtung 110 zwischen den Medium-Durchtrittsöffnungen 120 liegenden Zwischenräume bilden zusammen jeweils einen Mediumkanal 122. The bipolar plate 112 has a plurality of medium passage openings 120, through which a fluid medium to be supplied to the electrochemical device 100 (in the case of a fuel cell stack, for example a fuel gas or anode gas, an oxidizing agent or cathode gas or a coolant) can pass through the bipolar plate 112. The medium passage openings 120 of the bipolar plates 112 successive in the stack 104 and the spaces lying between the medium passage openings 120 in the stacking direction 110 together each form a medium channel 122.
Jedem Mediumkanal 122, durch welchen ein fluides Medium der elektrochemischen Vorrichtung 100 zuführbar ist, ist jeweils mindestens ein anderer Mediumkanal 122 zugeordnet, durch welchen das betreffende fluide Medium aus der elektrochemischen Vorrichtung 100 abführbar ist. Each medium channel 122, through which a fluid medium can be supplied to the electrochemical device 100, is assigned at least one other medium channel 122, through which the relevant fluid medium can be removed from the electrochemical device 100.
Durch ein dazwischenliegendes Strömungsfeld 124, welches vorzugsweise an einer Oberfläche einer benachbarten Bipolarplatte 112 oder (beispielsweise im Falle eines Kühlmittel-Strömungsfeldes) im Zwischenraum zwischen den Lagen einer mehrlagigen Bipolarplatte 112 ausgebildet ist, kann das Medium aus dem ersten Mediumkanal 122 quer, vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht, zu der Stapelrichtung 110 durch das jeweilige Strömungsfeld 124 zu dem zweiten Mediumkanal 122 strömen. In Fig. 4 ist beispielsweise ein Anodengas-Mediumkanal 126 für ein Anodengas der elektrochemischen Vorrichtung 100 dargestellt. Through an intermediate flow field 124, which is preferably formed on a surface of an adjacent bipolar plate 112 or (for example in the case of a coolant flow field) in the space between the layers of a multi-layer bipolar plate 112, the medium can flow out of the first medium channel 122 transversely, preferably substantially flow perpendicularly to the stacking direction 110 through the respective flow field 124 to the second medium channel 122. 4 shows, for example, an anode gas medium channel 126 for an anode gas of the electrochemical device 100.
Durch jeweils mindestens einen Verbindungskanal 128 steht jeder Mediumkanal 122 in Fluidverbindung mit den jeweils zugeordneten Strömungsfeldern 124. Each medium channel 122 is in fluid communication with the respectively assigned flow fields 124 through at least one connecting channel 128.
Jede Bipolarplatte 112 umfasst bei der zeichnerisch dargestellten Ausführungsform eine erste Bipolarplattenlage 130 und eine zweite Bipolarplattenlage 132, die längs Verbindungslinien 134, welche senkrecht zu der Zeichenebene der Fig. 4 verlaufen, vorzugsweise stoffschlüssig, insbesondere durch Verschweißung, beispielsweise durch Laserschweißung, fluiddicht aneinander festgelegt sind. In the embodiment shown in the drawing, each bipolar plate 112 comprises a first bipolar plate layer 130 and a second bipolar plate layer 132, which are fixed to one another in a fluid-tight manner along connecting lines 134, which run perpendicular to the plane of the drawing in FIG. 4, preferably in a materially bonded manner, in particular by welding, for example by laser welding .
Wie aus Fig. 4 zu ersehen ist, steht der Anodengas-Mediumkanal 126 über einen Anodengas-Verbindungskanal 136, der durch einen Zwischenraum zwischen der ersten Bipolarplattenlage 130 und der zweiten Bipolarplattenlage 132 ausgebildet ist, in Fluidverbindung mit einem Strömungsfeld 138 für das Anodengas, von welchem nur ein Randkanal 140 dargestellt ist. Dieser Randkanal 140 bildet den äußersten Kanal des Strömungsfeldes 138, ist zu der Membran-Elektroden-Anordnung 114 hin offen und auf seiner äußeren, dem Mediumkanal 122 zugewandten Seite von einem Randsteg 142 begrenzt, welcher abdichtend an der Membran-Elektroden-Anordnung 114 anliegt. 4, the anode gas medium channel 126 is in fluid communication with a flow field 138 for the anode gas via an anode gas connection channel 136, which is formed by a gap between the first bipolar plate layer 130 and the second bipolar plate layer 132 in which only one edge channel 140 is shown. This edge channel 140 forms the outermost channel of the flow field 138, is open to the membrane-electrode arrangement 114 and is delimited on its outer side facing the medium channel 122 by an edge web 142, which lies sealingly against the membrane-electrode arrangement 114.
Im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100 strömt das Medium aus dem Mediumkanal 122 durch den Verbindungskanal 128 in den Innenraum 144 des Randstegs 142, von wo es durch Durchtrittsöffnungen 145 durch die den Innenraum 144 des Randstegs 142 von dem Randkanal 140 trennende Flanke 146 des Randstegs 142 hindurch in den Randkanal 140 gelangt. Ein Kühlmittelkanal 148, welcher im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100 von einem Kühlmittel durchströmt wird und zwischen der ersten Bipolarplattenlage 130 und der zweiten Bipolarplattenlage 132 jeweils einer Bipolarplatte 112 ausgebildet ist, ist von dem Innenraum 144 des Randstegs 142 durch eine Fügelinie 134 getrennt, welche die erste Bipolarplattenlage 130 und die zweiten Bipolarplattenlage 132 miteinander verbindet. During operation of the electrochemical device 100, the medium flows from the medium channel 122 through the connecting channel 128 into the interior 144 of the edge web 142, from where it passes through passage openings 145 through the flank 146 of the edge web 142 separating the interior 144 of the edge web 142 from the edge channel 140 enters the edge channel 140. A coolant channel 148, through which a coolant flows during operation of the electrochemical device 100 and is formed between the first bipolar plate layer 130 and the second bipolar plate layer 132 of a bipolar plate 112, is separated from the interior 144 of the edge web 142 by a joining line 134, which first bipolar plate layer 130 and the second bipolar plate layer 132 connects together.
Ein unerwünschtes Austreten der fluiden Medien aus den Strömungsfeldern 124 der elektrochemischen Vorrichtung 100 wird durch eine Dichtungsanordnung 150 verhindert, welche sich längs der Umfangsrichtung 152 der Strömungsfelder 124 um die Strömungsfelder 124 herum erstreckt und zwei innere Ränder 155, nämlich einen anodenseitigen inneren Rand 154 und einen kathodenseitigen inneren Rand 156 aufweist. An undesirable escape of the fluid media from the flow fields 124 of the electrochemical device 100 is prevented by a sealing arrangement 150, which extends along the circumferential direction 152 of the flow fields 124 around the flow fields 124 and two inner edges 155, namely an anode-side inner edge 154 and one cathode-side inner edge 156.
Der anodenseitige innere Rand 154 der Dichtungsanordnung 150 begrenzt eine anodenseitige elektrochemisch aktive Fläche 158 der Membran-Elektro- den-Anordnung 114, und der kathodenseitige innere Rand 156 der Dichtungsanordnung 150 begrenzt eine kathodenseitige elektrochemisch aktive Fläche 160 der Membran-Elektroden-Anordnung 114. The anode-side inner edge 154 of the sealing arrangement 150 delimits an anode-side electrochemically active surface 158 of the membrane-electrode arrangement 114, and the cathode-side inner edge 156 of the sealing arrangement 150 delimits a cathode-side electrochemically active surface 160 of the membrane-electrode arrangement 114.
Wie am besten aus Fig. 4 zu ersehen ist, umfasst die Dichtungsanordnung 150 vorzugsweise zwei Dichtelemente 161, wobei ein erstes Dichtelement 162 vorzugsweise an der anodenseitigen Gasdiffusionslage 116 und ein zweites Dichtelement 164 vorzugsweise an der kathodenseitigen zweiten Gasdiffusionslage 118 der Membran-Elektroden-Anordnung 114 festgelegt ist. 4, the sealing arrangement 150 preferably comprises two sealing elements 161, with a first sealing element 162 preferably on the anode-side gas diffusion layer 116 and a second sealing element 164 preferably on the cathode-side second gas diffusion layer 118 of the membrane-electrode arrangement 114 is fixed.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Dichtelemente 162 und 164 an die jeweils zugeordnete Gasdiffusionslage 116 bzw. 118 angespritzt oder angegossen sind. Das erste Dichtelement 162 weist vorzugsweise eine oder mehrere Dichtlippen 166 auf, mit welchen das erste Dichtelement 164 fluiddicht an der ersten Bipolarplattenlage 130 einer benachbarten Bipolarplatte 112 anliegt. For example, it can be provided that the sealing elements 162 and 164 are molded or cast onto the respectively assigned gas diffusion layer 116 or 118. The first sealing element 162 preferably has one or more sealing lips 166, with which the first sealing element 164 rests in a fluid-tight manner on the first bipolar plate layer 130 of an adjacent bipolar plate 112.
Das erste Dichtelement 162 kann darüber hinaus weitere Dichtlippen 168 aufweisen, mit welchen das erste Dichtelement 162 fluiddicht an der ersten Bipolarplattenlage 130 einer ersten benachbarten Bipolarplattenlage 112 und an der zweiten Bipolarplattenlage 132 einer zweiten benachbarten Bipolarplatte 112 anliegt, um einen Mediumkanal-Abschnitt 170 der Dichtungsanordnung 150 zu bilden, der sich um einen Mediumkanal 122 der elektrochemischen Vorrichtung 100 herum erstreckt, so dass ein Entweichen von Medium aus dem Mediumkanal 122 in die Umgebung der elektrochemischen Vorrichtung 100 und/oder in anderen Medien zugeordnete Strömungsfelder 124 der elektrochemischen Vorrichtung 100 verhindert wird. The first sealing element 162 can also have further sealing lips 168, with which the first sealing element 162 rests in a fluid-tight manner on the first bipolar plate layer 130 of a first adjacent bipolar plate layer 112 and on the second bipolar plate layer 132 of a second adjacent bipolar plate 112, around a medium channel section 170 of the sealing arrangement 150, which extends around a medium channel 122 of the electrochemical device 100, so that an escape of medium from the medium channel 122 into the environment of the electrochemical device 100 and / or flow fields 124 of the electrochemical device 100 associated with other media is prevented.
Das zweite Dichtelement 164 weist vorzugsweise eine oder mehrere Dichtlippen 166 auf, mit welchen das zweite Dichtelement 164 fluiddicht an der zweiten Bipolarplattenlage 132 einer benachbarten Bipolarplatte 112 anliegt. The second sealing element 164 preferably has one or more sealing lips 166, with which the second sealing element 164 rests in a fluid-tight manner on the second bipolar plate layer 132 of an adjacent bipolar plate 112.
Die Dichtelemente 162 und 164 der Dichtungsanordnung 150 sind vorzugsweise aus einem Elastomermaterial gebildet. The sealing elements 162 and 164 of the seal assembly 150 are preferably formed from an elastomeric material.
Dieses Elastomermaterial durchdringt vorzugsweise auch die an die Dichtelemente 162 bzw. 164 angrenzenden Bereiche der ersten Gasdiffusionslage 116 bzw. der zweiten Gasdiffusionslage 118, so dass die Gasdiffusionslagen 116 und 118 in diesen Durchdringungsbereichen nicht porös sind, sondern weder von dem Anodengas noch von dem Kathodengas durchdrungen werden können. This elastomer material preferably also penetrates the areas of the first gas diffusion layer 116 and the second gas diffusion layer 118 adjacent to the sealing elements 162 and 164, respectively, so that the gas diffusion layers 116 and 118 are not porous in these penetration areas, but are not penetrated by either the anode gas or the cathode gas can be.
Der anodenseitige innere Rand 154 der Dichtungsanordnung 150 ist auf der dem Mediumkanal 122 zugewandten Seite eines Randstegs 142 einer Bipolarplatte 112 angeordnet. Wenn nun auch der kathodenseitige innere Rand 156 der Dichtungsanordnung 150 auf der dem Mediumkanal 122 zugewandten Seite eines Randstegs 142 einer Bipolarplatte 112 angeordnet wäre, wie dies bei bekannten elektrochemischen Vorrichtungen 100 der Fall ist, so würden sich sowohl die kathodenseitige elektrochemisch aktive Fläche 160 als auch die anodenseitige elektrochemisch aktive Fläche 158 der Membran-Elektroden- Anordnung 114 bis in den Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung 114 erstrecken, welcher zwischen den Randstegen 142 und dem Mediumkanal 122 liegt. The anode-side inner edge 154 of the sealing arrangement 150 is arranged on the side of an edge web 142 of a bipolar plate 112 facing the medium channel 122. If now the cathode-side inner edge 156 If the sealing arrangement 150 were arranged on the side of an edge web 142 of a bipolar plate 112 facing the medium channel 122, as is the case with known electrochemical devices 100, both the cathode-side electrochemically active surface 160 and the anode-side electrochemically active surface 158 of the membrane would be Electrode arrangement 114 extend into the area of the membrane electrode arrangement 114, which lies between the edge webs 142 and the medium channel 122.
Der äußere Randbereich dieser elektrochemisch aktiven Flächen 158, 160 wäre jedoch von dem am weitesten außen liegenden Kühlmittelkanal 148 soweit entfernt, dass eine ausreichende Kühlung dieses äußeren Randbereichs durch das Kühlmittel, welches den Kühlmittelkanal 148 durchströmt, nicht gewährleistet wäre, so dass die Temperatur der elektrochemischen Vorrichtung 100 in diesem äußeren Randbereich der Membran-Elektroden-Anordnung 114 lokal ansteigen würde. However, the outer edge region of these electrochemically active surfaces 158, 160 would be so far away from the outermost coolant channel 148 that sufficient cooling of this outer edge region by the coolant flowing through the coolant channel 148 would not be guaranteed, so that the temperature of the electrochemical Device 100 would increase locally in this outer edge region of the membrane-electrode arrangement 114.
Um dieses Problem einer lokalen Temperaturerhöhung im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100 zu beheben, ist die Dichtungsanordnung 150 bei der zeichnerisch dargestellten Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 so ausgebildet, dass der kathodenseitige innere Rand 156 der Dichtungsanordnung 150 auf der dem Mediumkanal 122 abgewandten Seite des Randstegs 142 liegt. In order to solve this problem of a local temperature increase during operation of the electrochemical device 100, the sealing arrangement 150 in the embodiment of an electrochemical device 100 shown in the drawing is designed such that the cathode-side inner edge 156 of the sealing arrangement 150 is on the side of the edge web 142 facing away from the medium channel 122 lies.
Hierdurch wird erreicht, dass im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100 eine elektrochemische Aktivität nicht schon in dem äußeren Randbereich der Membran-Elektroden-Anordnung 114 stattfindet, welcher zwischen den Randstegen 142 und dem Mediumkanal 122 liegt, sondern erst in dem weiter innen liegenden Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung 114, welcher an die Randkanäle 140 angrenzt und somit näher an den Kühlmittelkanälen 148 liegt. Der äußerste Rand der Membran-Elektroden-Anordnung 114, welcher im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100 eine elektrochemische Aktivität zeigt, ist somit bei der zeichnerisch dargestellten Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 nach innen, das heißt zum Zentrum der Strömungsfelder 124 hin, verschoben, wodurch die maximale Entfernung eines elektrochemisch aktiven Bereichs der Membran-Elektroden-Anordnung 114 von den Kanälen des Kühlmittel-Strömungsfelds reduziert wird. This ensures that, during operation of the electrochemical device 100, electrochemical activity does not take place in the outer edge region of the membrane-electrode arrangement 114, which lies between the edge webs 142 and the medium channel 122, but only in the region of the membrane located further inside -Electrode arrangement 114, which adjoins the edge channels 140 and is therefore closer to the coolant channels 148. The outermost edge of the membrane-electrode arrangement 114, which shows electrochemical activity during operation of the electrochemical device 100, is thus shifted inwards in the embodiment of an electrochemical device 100 shown in the drawing, that is to say towards the center of the flow fields 124, whereby the maximum distance of an electrochemically active region of the membrane electrode arrangement 114 from the channels of the coolant flow field is reduced.
Wie weit der kathodenseitige innere Rand 156 der Dichtungsanordnung 150 nach innen, zum Zentrum der Strömungsfelder 124 hin, verlegt wird, hängt von der geometrischen Struktur der Dichtungsanordnung 150 und der Bipolarplatte 112 in diesem Bereich ab sowie von der Ausdehnung des Anbindungsbereichs der Dichtungsanordnung 150, in welchem das Elastomermaterial der Dichtungsanordnung 150 die angrenzenden Gasdiffusionslagen 116 bzw. 118 durchdringt, und von der gewünschten Temperaturverteilung, welche ihrerseits von der Breite der Randkanäle 140 und der Kühlmittelkanäle 148 sowie von der Wärmeleitfähigkeit der Materialien der Membran-Elektroden-Anordnung 114 und der Bipolarplatten 112 abhängt. Das Auftreten von Druckspitzen durch die Verlängerung der Dichtungsanordnung 150 zum Zentrum der Strömungsfelder 124 hin sollte vermieden werden. How far the cathode-side inner edge 156 of the sealing arrangement 150 is moved inwards, towards the center of the flow fields 124, depends on the geometric structure of the sealing arrangement 150 and the bipolar plate 112 in this area as well as on the extent of the connection area of the sealing arrangement 150, in which the elastomer material of the sealing arrangement 150 penetrates the adjacent gas diffusion layers 116 and 118, and on the desired temperature distribution, which in turn depends on the width of the edge channels 140 and the coolant channels 148 as well as on the thermal conductivity of the materials of the membrane-electrode arrangement 114 and the bipolar plates 112 depends. The occurrence of pressure peaks due to the extension of the seal arrangement 150 towards the center of the flow fields 124 should be avoided.
Durch das Erstrecken der Dichtungsanordnung 150 im Bereich eines Verbindungskanals 128 über die Positionen der Randstege 142 der Bipolarplatten 112 hinweg nach innen, zum Zentrum der Strömungsfelder 124 hin, können lokale Temperaturspitzen im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100 wirksam vermieden werden. By extending the sealing arrangement 150 in the area of a connecting channel 128 beyond the positions of the edge webs 142 of the bipolar plates 112 inwards, towards the center of the flow fields 124, local temperature peaks during operation of the electrochemical device 100 can be effectively avoided.
Vorzugsweise liegt der kathodenseitige innere Rand 156 der Dichtungsanordnung 150 auf der dem Mediumkanal 122 zugewandten Seite des Kühlmittelkanals 148. Ferner ist es günstig, wenn der kathodenseitige innere Rand 156 der Dichtungsanordnung 150 im Bereich des Randkanals 140 liegt. Preferably, the cathode-side inner edge 156 of the sealing arrangement 150 lies on the side of the coolant channel 148 facing the medium channel 122. Furthermore, it is favorable if the cathode-side inner edge 156 of the sealing arrangement 150 lies in the area of the edge channel 140.
Günstig ist es ferner, wenn der kathodenseitige innere Rand 156 der Dichtungsanordnung 150 auf der dem Mediumkanal 122 abgewandten Seite der Fügelinie 134 liegt, an welcher die erste Bipolarplattenlage 130 und die zweite Bipolarplattenlage 132 einer Bipolarplatte 112 aneinander festgelegt sind. It is also advantageous if the cathode-side inner edge 156 of the sealing arrangement 150 lies on the side of the joining line 134 facing away from the medium channel 122, on which the first bipolar plate layer 130 and the second bipolar plate layer 132 of a bipolar plate 112 are fixed to one another.
Außerhalb des Bereichs der Verbindungskanäle 128 für das Anodengas oder für das Kathodengas, durch welche das Anodengas bzw. das Kathodengas aus ihren jeweiligen Mediumkanälen 122 in die jeweils zugeordneten Strömungsfelder 124 strömen oder aus den jeweiligen Strömungsfeldern 124 in die jeweils zugeordneten Mediumkanäle 122 strömen bilden, die Innenräume 144 der Randstege 142 der Bipolarplatten 112 keine Bestandteile solcher Verbindungskanäle 128, sondern werden von Kühlmittel durchströmt. Deshalb besteht das vorstehend erläuterte Problem einer lokal unzureichenden Kühlung in der Nähe der Randstege 142 nur dort, wo sich die Verbindungskanäle 128 für Anodengas oder für Kathodengas befinden. Outside the area of the connecting channels 128 for the anode gas or for the cathode gas, through which the anode gas or the cathode gas flows from their respective medium channels 122 into the respectively assigned flow fields 124 or flows from the respective flow fields 124 into the respectively assigned medium channels 122 form the Interior spaces 144 of the edge webs 142 of the bipolar plates 112 are not components of such connecting channels 128, but are flowed through by coolant. Therefore, the problem explained above of locally inadequate cooling in the vicinity of the edge webs 142 only exists where the connecting channels 128 for anode gas or cathode gas are located.
Der kathodenseitige innere Rand 156 der Dichtungsanordnung 150 muss also nur dort, wo sich diese Verbindungskanäle 128 für Anodengas oder Kathodengas befinden, auf die einem Mediumkanal 122 abgewandte Seite der Randstege 142 verlegt werden. The cathode-side inner edge 156 of the sealing arrangement 150 therefore only has to be laid on the side of the edge webs 142 facing away from a medium channel 122 where these connecting channels 128 for anode gas or cathode gas are located.
Dort, wo keine solche Verbindungskanäle 128 verlaufen, kann der kathodenseitige innere Rand 156 der Dichtungsanordnung 150 hingegen auf der dem jeweiligen Mediumkanal 122 zugewandten Seite der Randstege 142 liegen, wodurch die zur Verfügung stehende elektrochemisch aktive Fläche der Membran-Elektroden-Anordnungen 114 in den Bereichen außerhalb der Verbindungskanäle 128 für Anodengas und für Kathodengas vergrößert wird. Bei der zeichnerisch dargestellten Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 ist daher vorgesehen, dass der kathodenseitige innere Rand 156 der Dichtungsanordnung 150 an einem Dichtungsvorsprung 172 des zweiten Dichtelements 164 vorgesehen ist, wobei der Dichtungsvorsprung 172 im Bereich eines Verbindungskanals 128 von einem Grundkörper 174 des zweiten Dichtelements 164 aus in einer dem Mediumkanal abgewandten Vorspringrichtung 176 vorspringt (siehe die Fig. 5 und 6). Where no such connecting channels 128 run, the cathode-side inner edge 156 of the sealing arrangement 150 can, however, lie on the side of the edge webs 142 facing the respective medium channel 122, whereby the available electrochemically active surface of the membrane electrode arrangements 114 in the areas is enlarged outside the connecting channels 128 for anode gas and cathode gas. In the embodiment of an electrochemical device 100 shown in the drawing, it is therefore provided that the cathode-side inner edge 156 of the sealing arrangement 150 is provided on a sealing projection 172 of the second sealing element 164, the sealing projection 172 being in the area of a connecting channel 128 of a base body 174 of the second sealing element 164 protrudes in a projection direction 176 facing away from the medium channel (see FIGS. 5 and 6).
Wenn die Umfangsrichtung der Strömungsfelder 124 im Bereich des Verbindungskanals 128 variiert, wie dies insbesondere an Eckbereichen der Strömungsfelder 124 der Fall ist, so kann die Vorspringrichtung 176 lokal unterschiedliche Ausrichtungen aufweisen (siehe die Fig. 5 und 6). If the circumferential direction of the flow fields 124 varies in the area of the connecting channel 128, as is the case in particular in corner areas of the flow fields 124, the projection direction 176 can have locally different orientations (see FIGS. 5 and 6).
Der Dichtungsvorsprung 172 erstreckt sich längs der Umfangsrichtung des Grundkörpers 174 des ersten Dichtelements 162 nur über einen Teil des Umfangs des Grundkörpers 174 des ersten Dichtelements 162, vorzugsweise über weniger als 50 % des Umfangs des Grundkörpers 174 des ersten Dichtelements 162, besonders bevorzugt über weniger als 25 % des Umfangs des Grundkörpers 174 des ersten Dichtelements 162. The sealing projection 172 extends along the circumferential direction of the base body 174 of the first sealing element 162 only over a part of the circumference of the base body 174 of the first sealing element 162, preferably over less than 50% of the circumference of the base body 174 of the first sealing element 162, particularly preferably over less than 25% of the circumference of the base body 174 of the first sealing element 162.
Die Ausdehnung (Breite B) des Dichtungsvorsprungs 172 senkrecht zu seiner Umfangsrichtung und senkrecht zu der Stapelrichtung 110 ist vorzugsweise größer als die Ausdehnung (Breite b) eines Randstegs 142 senkrecht zu dessen Umfangsrichtung und senkrecht zu der Stapelrichtung 110. The extent (width B) of the sealing projection 172 perpendicular to its circumferential direction and perpendicular to the stacking direction 110 is preferably greater than the extent (width b) of an edge web 142 perpendicular to its circumferential direction and perpendicular to the stacking direction 110.
Die senkrecht zur Umfangsrichtung des Dichtungsvorsprungs 172 genommene Breite B des Dichtungsvorsprungs 172 ist somit größer als die senkrecht zur Umfangsrichtung eines Randstegs 142 genommene Breite b des Randstegs 142. Durch das Vorhandensein des Dichtungsvorsprungs 172 ist die Ausdehnung der Dichtungsanordnung 150 senkrecht zu ihrer Umfangsrichtung im Bereich mindestens eines Verbindungskanals 128 größer als in mindestens einem Bereich außerhalb des Bereichs des Verbindungskanals. The width B of the sealing projection 172, taken perpendicular to the circumferential direction of the sealing projection 172, is therefore greater than the width b of the edge web 142, taken perpendicular to the circumferential direction of an edge web 142. Due to the presence of the sealing projection 172, the extent of the sealing arrangement 150 perpendicular to its circumferential direction is greater in the area of at least one connecting channel 128 than in at least one area outside the area of the connecting channel.
Bei einer Variante der in den Fig. 1 bis 6 dargestellten Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 ist vorgesehen, dass die Dichtungsanordnung 150 in dem mindestens einen Bereich außerhalb des Verbindungskanals 128 und somit außerhalb des Dichtungsvorsprungs 172 mit mehreren Ausnehmungen 182 versehen ist, welche längs der Umfangsrichtung 134 der Dichtungsanordnung 150 voneinander beabstandet sind und an dem inneren Rand 155 der Dichtungsanordnung 150 angeordnet sind, wie dies in Fig. 8 dargestellt ist. In a variant of the embodiment of an electrochemical device 100 shown in FIGS. 1 to 6, it is provided that the sealing arrangement 150 is provided with a plurality of recesses 182 in the at least one area outside the connecting channel 128 and thus outside the sealing projection 172, which are along the circumferential direction 134 of the seal assembly 150 are spaced apart from one another and are arranged on the inner edge 155 of the seal assembly 150, as shown in FIG.
Solche Ausnehmungen 182 werden erhalten, wenn beim Anspritzen des Dichtelements 161 Verformungsbegrenzungselemente, beispielsweise Niederhalter 186, verwendet werden, welche an einem Abdrückvorsprung 188 eines Abdrück-Werkzeugteils 190 eines Spritzgießwerkzeugs 192 angeordnet sind, in welchem der Vorgang des Anspritzens des Dichtelements 161 aus dem Elastomermaterial an die Gasdiffusionslage 116 oder 118 durchgeführt wird. Such recesses 182 are obtained if, when molding the sealing element 161, deformation limiting elements, for example hold-down devices 186, are used, which are arranged on a pressing projection 188 of a pressing tool part 190 of an injection molding tool 192, in which the process of molding the sealing element 161 made of the elastomer material takes place the gas diffusion layer 116 or 118 is carried out.
Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass mindestens eines der Verformungsbegrenzungselemente 184 einstückig mit dem Abdrückvorsprung 188 des Abdrück-Werkzeugteils 190 ausgebildet ist. Alternatively, it can be provided that at least one of the deformation limiting elements 184 is formed in one piece with the pressing projection 188 of the pressing tool part 190.
Ein solches Spritzgießwerkzeug 192 ist in Fig. 7 schematisch dargestellt. Such an injection molding tool 192 is shown schematically in FIG. 7.
Das Spritzgießwerkzeug 192 ist mehrteilig ausgebildet und umfasst ein Abdrück-Werkzeugteil 190 und ein Abstütz-Werkzeugteil 194. Das Abdrück-Werkzeugteil 190 und das Abstütz-Werkzeugteil 194 umschließen gemeinsam eine Kavität 196, in welche während des Spritzgießvorgangs ein Spritzgießmaterial, vorzugsweise ein Ausgangsmaterial für ein Elastomermaterial, in fließfähigem Zustand eingebracht wird. The injection molding tool 192 is designed in several parts and includes a pressing tool part 190 and a supporting tool part 194. The push-off tool part 190 and the support tool part 194 together enclose a cavity 196 into which an injection molding material, preferably a starting material for an elastomer material, is introduced in a flowable state during the injection molding process.
In diese Kavität 196 ragt die Gasdiffusionslage 116, 118 hinein. The gas diffusion layer 116, 118 projects into this cavity 196.
Das Abdrück-Werkzeugteil 190 weist den Abdrückvorsprung 188 auf, welcher mit einer Abdrückkante 198 versehen ist. The pressing tool part 190 has the pressing projection 188, which is provided with a pressing edge 198.
Die in das Spritzgießwerkzeug 192 eingelegte Gasdiffusionslage 116, 118, welche in ihrer Dickenrichtung 200 (im montierten Zustand der elektrochemischen Vorrichtung 100 parallel zur Stapelrichtung 110 der elektrochemischen Vorrichtung 100) mechanisch kompressibel ist, wird lokal mittels des Abdrückvorsprungs 188 und des gegenüberliegenden Abstütz-Werkzeugteils 194 verpresst. Hierdurch steigt der Kapillardruck in den Poren der porösen Gasdiffusionslage 116, 118 lokal an, und die Durchdringung der Gasdiffusionslage 116, 118 mit dem Spritzgießmaterial wird in den zur Dickenrichtung (z-Richtung) senkrechten x- und y-Richtungen begrenzt. The gas diffusion layer 116, 118 inserted into the injection molding tool 192, which is mechanically compressible in its thickness direction 200 (in the assembled state of the electrochemical device 100 parallel to the stacking direction 110 of the electrochemical device 100), is locally compressed by means of the pressing projection 188 and the opposite support tool part 194 pressed. As a result, the capillary pressure in the pores of the porous gas diffusion layer 116, 118 increases locally, and the penetration of the gas diffusion layer 116, 118 with the injection molding material is limited in the x and y directions perpendicular to the thickness direction (z direction).
Beim Erzeugen des Dichtelements 161 mittels eines Spritzgießvorgangs in dem Spritzgießwerkzeug 192 treten in der Kavität 196 des Spritzgießwerkzeugs 192 sehr hohe Spritzdrücke auf. When producing the sealing element 161 by means of an injection molding process in the injection mold 192, very high injection pressures occur in the cavity 196 of the injection mold 192.
Wenn der Anspritzpunkt oder die Anspritzpunkte, durch welche das Spritzgießmaterial in die Kavität 196 eingebracht werden, außerhalb der Anbindungsbereiche zwischen dem Dichtelement 161 und der Gasdiffusionslage 116, 118 liegen, kann es während der Befüllung der Kavität 196 des Spritzgießwerkzeugs 192 mit dem Spritzgießmaterial in diesen Anbindungsbereichen zu einem Umklappen, das heißt zu einer Verformung, der Gasdiffusionslage 116, 118, kommen. Durch diesen Verformungsvorgang wir die Gasdiffusionslage 116, 118 lokal aus ihrer ursprünglichen ebenen Form gebracht und auf Biegung beansprucht. If the injection point or injection points through which the injection molding material is introduced into the cavity 196 lie outside the connection areas between the sealing element 161 and the gas diffusion layer 116, 118, it can occur during the filling of the cavity 196 of the injection molding tool 192 with the injection molding material in these connection areas the gas diffusion layer 116, 118 can be deformed. Through this deformation process, the gas diffusion layer 116, 118 is locally brought out of its original flat shape and subjected to bending.
Durch die Biegung der Gasdiffusionslage 116, 118 in dem verformten Anbindungsbereich kann die Gasdiffusionslage 116, 118, beispielsweise durch Bruch, beschädigt werden. Due to the bending of the gas diffusion layer 116, 118 in the deformed connection area, the gas diffusion layer 116, 118 can be damaged, for example by breaking.
Außerdem kann bei einer starken Verbiegung der Gasdiffusionslage 116, 118 der Anbindungsbereich mechanisch geschwächt werden, indem die Gasdiffusionslage 116, 118 in den in der Dickenrichtung 200 über der Gasdiffusionslage 116, 118 liegenden Anbindungsbereich 202, der auch als Anbindungslippe 204 bezeichnet wird, hineinragt und so das Fließen von (insbesondere elasto- merem) Spritzgießmaterial in diesem Bereich unterbindet. In addition, if the gas diffusion layer 116, 118 is strongly bent, the connection area can be mechanically weakened by the gas diffusion layer 116, 118 protruding into the connection area 202, which is located above the gas diffusion layer 116, 118 in the thickness direction 200, which is also referred to as the connection lip 204, and so on prevents the flow of (especially elastomeric) injection molding material in this area.
Es ist dann nicht gewährleistet, dass die Kavität 196 des Spritzgießwerkzeugs 192 im Bereich der Anbindungslippe 204 vollständig gefüllt wird, wodurch die Gefahr einer mechanischen Beschädigung des Anbindungsbereichs 202 des Dichtelements 161, insbesondere durch eine Rissbildung, steigt. It is then not guaranteed that the cavity 196 of the injection molding tool 192 in the area of the connecting lip 204 is completely filled, which increases the risk of mechanical damage to the connecting area 202 of the sealing element 161, in particular due to crack formation.
Nach dem Einbringen des Spritzgießmaterials in die Kavität 196 des Spritzgießwerkzeugs 192 und dem Aushärten des Spritzgießmaterials zu dem Dichtungsmaterial des Dichtelements 161 ist die Erzeugung des Dichtelements 161 an der Gasdiffusionslage 116, 118 und somit die Bildung einer Baugruppe 206, welche die Gasdiffusionslage 116, 118 und das an der Gasdiffusionslage 116, 118 festgelegte Dichtelement 161 umfasst und auch als Seal-on-GDL-Einheit 208 bezeichnet wird, abgeschlossen. After the injection molding material has been introduced into the cavity 196 of the injection molding tool 192 and the injection molding material has hardened to form the sealing material of the sealing element 161, the sealing element 161 is produced on the gas diffusion layer 116, 118 and thus the formation of an assembly 206 which forms the gas diffusion layer 116, 118 and which includes the sealing element 161 fixed to the gas diffusion layer 116, 118 and is also referred to as seal-on GDL unit 208.
Nach dem Öffnen des Spritzgießwerkzeugs 192, durch Entfernen des Abdrück- Werkzeugteils 190 von dem Abstütz-Werkzeugteil 194, kann die Baugruppe 206 bei der Assemblierung der Membran-Elektroden-Anordnung 114 und der Montage der elektrochemischen Vorrichtung 100 verwendet werden. Das Dichtelement 161 der fertig hergestellten Baugruppe 206 umfasst einen Abdichtbereich 210 mit einer Dichtlippe 212, einen Durchdringungsbereich 214, in welchem das Spritzgießmaterial in das poröse Material der Gasdiffusionslage 116, 118 eingedrungen ist und welche sich von einem Außenrand 216 der Gasdiffusionslage 116, 118 einwärts bis in den Bereich der Abdrückkante 198 erstreckt, und einen außerhalb der Gasdiffusionslage 116, 118, in der Dickenrichtung 200 über und/oder unter der Gasdiffusionslage 116, 118 liegenden, Anbindungsbereich 202 in Form einer Anbindungslippe 204. After opening the injection mold 192 by removing the push-off tool part 190 from the support tool part 194, the assembly 206 can be used in the assembly of the membrane-electrode assembly 114 and the assembly of the electrochemical device 100. The sealing element 161 of the finished assembly 206 comprises a sealing area 210 with a sealing lip 212, a penetration area 214 in which the injection molding material has penetrated into the porous material of the gas diffusion layer 116, 118 and which extends inwards from an outer edge 216 of the gas diffusion layer 116, 118 extends into the area of the push-off edge 198, and a connection region 202 in the form of a connection lip 204 lying outside the gas diffusion layer 116, 118, in the thickness direction 200 above and/or below the gas diffusion layer 116, 118.
Um den vorstehend beschriebenen Verformungsvorgang an der Gasdiffusionslage 116, 118 beim Einbringen des Spritzgießmaterials in die Kavität 196 des Spritzgießwerkzeugs 192 zu verhindern, sind in der Kavität 196 des Spritzgießwerkzeugs 192 mehrere Verformungsbegrenzungselemente 184 vorgesehen, welche in einer parallel zum Außenrand 216 der Gasdiffusionslage 116, 118 und parallel zur Abdrückkante 198 des Abdrück-Werkzeugteils 190 ausgerichteten Umfangsrichtung 152 der Gasdiffusionslage 116, 118 voneinander beabstandet sind. In order to prevent the above-described deformation process on the gas diffusion layer 116, 118 when the injection molding material is introduced into the cavity 196 of the injection mold 192, a plurality of deformation limiting elements 184 are provided in the cavity 196 of the injection mold 192, which are in a parallel to the outer edge 216 of the gas diffusion layer 116, 118 and are spaced apart from one another in the circumferential direction 152 of the gas diffusion layer 116, 118 aligned parallel to the pressing edge 198 of the pressing tool part 190.
Die Verformungsbegrenzungselemente 184 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel separat von dem Abdrück-Werkzeugteil 190 und separat von dem Abstütz-Werkzeugteil 190 des Spritzgießwerkzeugs 192 ausgebildet. In the exemplary embodiment shown, the deformation limiting elements 184 are formed separately from the push-off tool part 190 and separately from the support tool part 190 of the injection molding tool 192.
Die Verformungsbegrenzungselemente 184 können grundsätzlich aber auch einstückig mit einem anderen Bestandteil des Spritzgießwerkzeugs 192, beispielsweise mit dem Abdrück-Werkzeugteil 190 oder mit dem Abstütz-Werk- zeugteil 194, ausgebildet sein. In principle, the deformation limiting elements 184 can also be formed in one piece with another component of the injection molding tool 192, for example with the push-off tool part 190 or with the support tool part 194.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7 stehen die Verformungsbegrenzungselemente 184 in Kontakt mit dem Abdrückvorsprung 188 des Abdrück-Werk- zeugteils 190. Ferner berühren die Verformungsbegrenzungselemente 184 schon vor dem Einbringen des Spritzgießmaterials in die Kavität 196 des Spritzgießwerkzeugs 192 die Gasdiffusionslage 116, 118 an deren der Abdrückkante 198 zugewandten Hauptfläche 218. 7, the deformation limiting elements 184 are in contact with the pressing projection 188 of the pressing tool part 190. Furthermore, the deformation limiting elements 184 touch the gas diffusion layer 116, 118 on the main surface 218 facing the push-off edge 198 even before the injection molding material is introduced into the cavity 196 of the injection mold 192.
Ein der Abdrückkante 198 abgewandter äußerer Rand 220 jedes Verformungsbegrenzungselements 184 ist zwischen dem Außenrand 216 der Gasdiffusionslage 116, 118 einerseits und der Abdrückkante 198 des Spritzgießwerkzeugs 192 andererseits angeordnet, so dass die Verformungsbegrenzungselemente 184 den in die Kavität 196 des Spritzgießwerkzeugs 192 vorstehenden Bereich der Gasdiffusionslage 116, 118 nicht vollständig überdecken. An outer edge 220 of each deformation limiting element 184 facing away from the push-off edge 198 is arranged between the outer edge 216 of the gas diffusion layer 116, 118 on the one hand and the push-off edge 198 of the injection molding tool 192 on the other hand, so that the deformation limiting elements 184 cover the region of the gas diffusion protruding into the cavity 196 of the injection molding tool 192 location 116 , 118 do not completely cover.
Die im Anbindungsbereich zwischen der Gasdiffusionslage 116, 118 und dem Dichtelement 161 im Spritzgießwerkzeug 192 angeordneten Verformungsbegrenzungselemente 184 verhindern, dass die Gasdiffusionslage 116, 118 sich während des Einbringens des Spritzgießmaterials in die Kavität 196 des Spritzgießwerkzeugs 192 unter dem auftretenden Werkzeuginnendruck oder Spritzdruck verformt. The deformation limiting elements 184 arranged in the connection area between the gas diffusion layer 116, 118 and the sealing element 161 in the injection mold 192 prevent the gas diffusion layer 116, 118 from deforming under the cavity pressure or injection pressure that occurs during the introduction of the injection molding material into the cavity 196 of the injection mold 192.
Hierdurch wird erreicht, dass die außerhalb der Verformungsbegrenzungselemente 184 liegenden Bereiche der Kavität 196 vollständig mit dem Spritzgießmaterial gefüllt werden. Die Gefahr einer mechanischen Beschädigung des Anbindungsbereichs 202 des Dichtelements 161, insbesondere eine Rissbildung, wird hierdurch verringert. This ensures that the areas of the cavity 196 lying outside the deformation limiting elements 184 are completely filled with the injection molding material. The risk of mechanical damage to the connection area 202 of the sealing element 161, in particular the formation of cracks, is thereby reduced.
Außerdem wird eine Beschädigung der Gasdiffusionslage 116, 118 durch eine Biegebeanspruchung aufgrund einer Verformung der Gasdiffusionslage 116, 118 vermieden. Wie aus Fig. 8 zu ersehen ist, welche eine ausschnittsweise Draufsicht auf die aus dem Spritzgießwerkzeug 192 entnommene fertige Baugruppe 206 aus Gasdiffusionslage 116, 118 und Dichtelement 161 darstellt, ist der Anbindungsbereich 202 des Dichtelements 161 aufgrund der Anwesenheit der Verformungsbegrenzungselemente 184 in der Kavität 196 des Spritzgießwerkzeugs 192 an einem Innenrand 222 desselben mit Ausnehmungen 182 versehen, welche an den Stellen angeordnet sind, an welchen die Verformungsbegrenzungselemente 184 angeordnet waren, während die Gasdiffusionslage 116, 118 in das Spritzgießwerkzeug 192 eingelegt war. In addition, damage to the gas diffusion layer 116, 118 due to bending stress due to deformation of the gas diffusion layer 116, 118 is avoided. 8, which shows a partial plan view of the finished assembly 206 of gas diffusion layer 116, 118 and sealing element 161 removed from the injection mold 192, the connection region 202 of the sealing element 161 is in the cavity 196 due to the presence of the deformation limiting elements 184 of the injection mold 192 is provided on an inner edge 222 thereof with recesses 182, which are arranged at the points at which the deformation limiting elements 184 were arranged while the gas diffusion layer 116, 118 was inserted into the injection mold 192.
Wie aus Fig. 8 zu ersehen ist, kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Verformungsbegrenzungselemente 184 einen - senkrecht zur Dickenrichtung 200 der Gasdiffusionslage 116, 118 genommenen - kreisabschnittsförmigen, insbesondere halbkreisförmigen, Querschnitt aufweisen. As can be seen from Fig. 8, it can be provided, for example, that the deformation limiting elements 184 have a circular section-shaped, in particular semicircular, cross section - taken perpendicular to the thickness direction 200 of the gas diffusion layer 116, 118.
Zwischen den Ausnehmungen 182 sind im Anbindungsbereich 202 des Dichtelements 161 Stabilisierungsbereiche 222 angeordnet, in welchen das Dichtelemente 161 eine größere Materialstärke aufweist als im Bereich der Ausnehmungen 182, so dass die Stabilisierungsbereiche 222 für eine stabile mechanische Anbindung des Dichtelements 161 an die Gasdiffusionslage 116, 118 sorgen. Stabilization areas 222 are arranged between the recesses 182 in the connection area 202 of the sealing element 161, in which the sealing element 161 has a greater material thickness than in the area of the recesses 182, so that the stabilization areas 222 ensure a stable mechanical connection of the sealing element 161 to the gas diffusion layer 116, 118 care for.
Die Position des Außenrandes 216 der Gasdiffusionslage 116, 118 ist in Fig. 8 durch die strichdoppelpunktierte Linie 216 angegeben. The position of the outer edge 216 of the gas diffusion layer 116, 118 is indicated in FIG. 8 by the dash-double-dotted line 216.
Die Position der Kuppe der Dichtlippe 212 des Dichtelements 161 ist in Fig. 8 durch die gebrochene Linie 224 angegeben. The position of the tip of the sealing lip 212 of the sealing element 161 is indicated in FIG. 8 by the broken line 224.
Bei einer besonderen Variante der vorstehend beschriebenen elektrochemischen Vorrichtung 100 ist ferner vorgesehen, dass die Dichtungsanordnung 150 im Bereich des Verbindungskanals 128 mit mehreren Ausnehmungen 182 versehen ist, welche längs der Umfangsrichtung 152 der Dichtungsanordnung 150 voneinander beabstandet sind und an dem Dichtungsvorsprung 172 ausgebildet sind, der im Bereich des Verbindungskanals 128 von dem Grundkörper 174 des Dichtelements 161 aus in einer dem Mediumkanal 122 abgewandten Vorspringrichtung 176 vorspringt. In a special variant of the electrochemical device 100 described above, it is further provided that the sealing arrangement 150 has a plurality of recesses 182 in the area of the connecting channel 128 is provided, which are spaced apart from one another along the circumferential direction 152 of the sealing arrangement 150 and are formed on the sealing projection 172, which projects in the area of the connecting channel 128 from the base body 174 of the sealing element 161 in a projection direction 176 facing away from the medium channel 122.
Der Dichtungsvorsprung bildet dabei eine Passivierungsschicht aus einem Elastomermaterial, welche vorzugsweise gemeinsam mit mindestens einer Dichtlippe 212 der Dichtungsanordnung 150 an eine Gasdiffusionslage 116, 118 angespritzt wird. The sealing projection forms a passivation layer made of an elastomeric material, which is preferably molded onto a gas diffusion layer 116, 118 together with at least one sealing lip 212 of the sealing arrangement 150.
Das Anspritzen des Elastomermaterials an die Gasdiffusionslage 116, 118 erfolgt in einer Kavität 196 eines Spritzgießwerkzeugs 192, wie es schematisch in Fig. 9 dargestellt ist. The elastomer material is injected onto the gas diffusion layer 116, 118 in a cavity 196 of an injection molding tool 192, as shown schematically in FIG. 9.
Das Spritzgießwerkzeug 192 umfasst mehrere Verformungsbegrenzungselemente 184, welche längs der Umfangsrichtung 152 der Gasdiffusionslage 116, 118 voneinander beabstandet sind, von der Abdrückkante 198 des Spritzgießwerkzeugs 192 beabstandet sind und die Gasdiffusionslage 116, 118 schon vor dem Einbringen des Spritzgießmaterials in die Kavität 196 des Spritzgießwerkzeugs 192 berühren. The injection molding tool 192 comprises a plurality of deformation limiting elements 184, which are spaced apart from one another along the circumferential direction 152 of the gas diffusion layer 116, 118, are spaced from the push-off edge 198 of the injection molding tool 192 and the gas diffusion layer 116, 118 even before the injection molding material is introduced into the cavity 196 of the injection molding tool 19 2 touch.
Fig. 10 zeigt eine ausschnittsweise Draufsicht auf eine mittels des Spritzgießwerkzeugs 192 aus Fig. 9 hergestellte Baugruppe 206. 10 shows a partial plan view of an assembly 206 produced by means of the injection molding tool 192 from FIG. 9.
Der Anbindungsbereich 202 des Dichtelements 161 dieser Baugruppe 206 ist mit Ausnehmungen 182 versehen, welche auswärts von dem inneren Rand 155 des Anbindungsbereichs 202 angeordnet und in der Umfangsrichtung 152 der Gasdiffusionslage 116, 118 voneinander beabstandet sind. Wie aus Fig. 10 zu ersehen ist, weisen die Verformungsbegrenzungselemente 184 bei dieser Ausführungsform beispielsweise einen - senkrecht zur Dickenrichtung 200 der Gasdiffusionslage 116, 118 genommenen - kreisförmigen Querschnitt auf, so dass die Ausnehmungen 182 im Anbindungsbereich 202 ebenfalls einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. The connection area 202 of the sealing element 161 of this assembly 206 is provided with recesses 182, which are arranged outwards from the inner edge 155 of the connection area 202 and are spaced apart from one another in the circumferential direction 152 of the gas diffusion layer 116, 118. 10, the deformation limiting elements 184 in this embodiment have, for example, a circular cross section - taken perpendicular to the thickness direction 200 of the gas diffusion layer 116, 118 - so that the recesses 182 in the connection area 202 also have a circular cross section.
Die Verformungsbegrenzungselemente 184 sind bei dieser Ausführungsform zwischen dem Außenrand 216 der Gasdiffusionslage 116, 118 und der Abdrückkante 198 des Spritzgießwerkzeugs 192 angeordnet, so dass in der fertigen Baugruppe 206 im Bereich des Dichtungsvorsprungs 172 der Außenrand 216 der Gasdiffusionslage 116, 118 - längs der Dickenrichtung 200 der Gasdiffusionslage 116, 118 gesehen - die Ausnehmungen 182 im Anbindungsbereich 202 des Dichtelements 161 nicht schneidet. In this embodiment, the deformation limiting elements 184 are arranged between the outer edge 216 of the gas diffusion layer 116, 118 and the push-off edge 198 of the injection molding tool 192, so that in the finished assembly 206 in the area of the sealing projection 172 the outer edge 216 of the gas diffusion layer 116, 118 - along the thickness direction 200 the gas diffusion layer 116, 118 - does not intersect the recesses 182 in the connection area 202 of the sealing element 161.
Unabhängig davon, ob das Dichtelement 161 im Bereich des mindestens einen Dichtungsvorsprungs 172 oder in mindestens einem Bereich außerhalb eines Dichtungsvorsprungs 172 mit einer oder mehreren Ausnehmungen 182 versehen wird, kann das Dichtelement 161 auch in einem Spritzgießwerkzeug 192 der in Fig. 11 dargestellten Art an die Gasdiffusionslage 116, 118 angespritzt werden. Regardless of whether the sealing element 161 is provided with one or more recesses 182 in the area of the at least one sealing projection 172 or in at least one area outside of a sealing projection 172, the sealing element 161 can also be used in an injection molding tool 192 of the type shown in FIG Gas diffusion layer 116, 118 are sprayed on.
Dabei weisen das Abdrück-Werkzeugteil 190 und das Abstütz-Werkzeugteil 194 jeweils einen Abdrückvorsprung 188 auf, wobei ein Abschnitt 226 der Gasdiffusionslage 116, 118 zwischen den beiden Abdrückvorsprüngen 188 geklemmt und gepresst wird. The push-off tool part 190 and the support tool part 194 each have a push-off projection 188, with a section 226 of the gas diffusion layer 116, 118 being clamped and pressed between the two push-off projections 188.
Das poröse Material der Gasdiffusionslage 116, 118 wird dabei so weit abgedrückt, dass das in die Kavität 196 des Spritzgießwerkzeugs 192 eingebrachte Elastomermaterial den zwischen den Abdrückvorsprüngen 188 liegenden Bereich der Gasdiffusionslage nicht oder nur in sehr geringem Maße durchdringt, so dass der von den Abdrückvorsprüngen 188 umgebene zentrale Bereich 228 der Gasdiffusionslage 116, 118, also der in der elektrochemischen Vorrichtung 100 für die Zufuhr von Kathodengas oder Anodengas zu der Membran- Elektroden-Anordnung 114 genutzte Teil der Gasdiffusionslage 116, 118, nur minimal durchdrungen wird. The porous material of the gas diffusion layer 116, 118 is pressed to such an extent that the elastomer material introduced into the cavity 196 of the injection molding tool 192 does not penetrate the area of the gas diffusion layer lying between the pressing projections 188 or only to a very small extent, so that the area of the gas diffusion layer lying between the pressing projections 188 surrounded central area 228 the gas diffusion layer 116, 118, i.e. the part of the gas diffusion layer 116, 118 used in the electrochemical device 100 for supplying cathode gas or anode gas to the membrane-electrode arrangement 114, is penetrated only minimally.
Die Abdrückvorsprünge 188 des Spritzgießwerkzeugs 192 aus Fig. 11 weisen einfach zu fertigende rechtwinklige Querschnitte auf und sind vorzugsweise - in Bezug auf eine senkrecht zur Stapelrichtung 110 und parallel zu den Hauptflächen 218 der Gasdiffusionslage 116, 118 ausgerichtete Quermittelebene 230 der Gasdiffusionslage 116, 118 - spiegelsymmetrisch zueinander ausgebildet. The push-off projections 188 of the injection molding tool 192 from FIG trained to each other.
Durch die Verwendung solcher Abdrückvorsprünge 188 kann es zu einer Beschädigung des zwischen den Abdrückvorsprüngen 188 verpressten Bauteils kommen, was unmittelbar oder mittelbar eine Beschädigung der elektrochemischen Zelle, in welcher die Gasdiffusionslage 116, 118 verbaut wird, und damit einen Ausfall des ganzen Brennstoffzellenstapels hervorrufen kann. The use of such push-off projections 188 can result in damage to the component pressed between the push-off projections 188, which can directly or indirectly cause damage to the electrochemical cell in which the gas diffusion layer 116, 118 is installed, and thus cause failure of the entire fuel cell stack.
Durch eine Ausführung mindestens eines der Abdrückvorsprünge 188 mit einer Geometrie, die von der üblichen rechteckigen Geometrie abweicht, wie in Fig. 12 dargestellt, wird die Belastung der zwischen den Abdrückvorsprüngen 188 verpressten Komponenten im Kontaktbereich zu den Abdrückvorsprüngen 188 reduziert. By designing at least one of the pressing projections 188 with a geometry that deviates from the usual rectangular geometry, as shown in FIG. 12, the load on the components pressed between the pressing projections 188 in the contact area with the pressing projections 188 is reduced.
Dies kann erreicht werden, indem mindestens einer der Abdrückvorsprünge 188, vorzugsweise beide Abdrückvorsprünge 188, jeweils mindestens eine ver- rundete Kante, eine konvex gekrümmte Kontaktfläche 232 und/oder mindestens eine Schräge aufweist. Die Gesamtbreite W jedes Abdrückvorsprungs 188, das heißt dessen Ausdehnung senkrecht zur Stapelrichtung 110 und senkrecht zur Umfangsrichtung 152 der Gasdiffusionslage 116, 118, ist vorzugsweise ein Vielfaches der Porengröße der Gasdiffusionslage 116, 118 und beträgt besonders bevorzugt mehr als 0,5 mm, beispielsweise mehr als 1 mm. This can be achieved by at least one of the pressing projections 188, preferably both pressing projections 188, each having at least one rounded edge, a convexly curved contact surface 232 and/or at least one bevel. The total width W of each push-off projection 188, that is to say its extent perpendicular to the stacking direction 110 and perpendicular to the circumferential direction 152 of the gas diffusion layer 116, 118, is preferably a multiple of the pore size of the gas diffusion layer 116, 118 and is particularly preferably more than 0.5 mm, for example more than 1 mm.
Die Höhe h des Abdrückvorsprungs 188 des Abdrück-Werkzeugteils 190 und die Höhe h' des Abdrückvorsprungs 188 des Abstütz-Werkzeugteils 194 des Spritzgießwerkzeugs 192, das heißt deren Ausdehnung längs der Dickenrichtung 200 der Gasdiffusionslage 116, 118 und/oder die Strecke, um welche der jeweilige Abdrückvorsprung 188 beim Verpressen der Gasdiffusionslage 116, 118 in das poröse Material der Gasdiffusionslage 116, 118 eindringt, können einander im Wesentlichen gleich groß sein oder voneinander abweichen. The height h of the push-off projection 188 of the push-off tool part 190 and the height h 'of the push-off projection 188 of the support tool part 194 of the injection molding tool 192, that is, their extent along the thickness direction 200 of the gas diffusion layer 116, 118 and / or the distance by which the respective push-off projection 188 penetrates into the porous material of the gas diffusion layer 116, 118 when the gas diffusion layer 116, 118 is pressed, can be essentially the same size or differ from one another.
Wenn die Gasdiffusionslage 116, 118 unsymmetrisch ausgebildet ist, weil sie beispielsweise einseitig eine mikroporöse Schicht ("microporous layer"; MPL) aufweist oder einseitig mit einer Katalysatorschicht, einer Katalysatorschicht und einer Membran oder mit einer kompletten Membran-Elektroden-Anord- nung 114 versehen ist, so ist es sinnvoll, auch die Abdrückvorsprünge 188, zwischen welchen eine solche unsymmetrische Gasdiffusionslage 116, 118 verpresst wird, unsymmetrisch auszulegen, wie in Fig. 14 dargestellt (bei den Ausführungsformen gemäß den Fig. 14 und 15 umfasst das Dichtelement 161 eine zweite Dichtlippe 212', welche der ersten Dichtlippe 212 gegenüberliegen kann). If the gas diffusion layer 116, 118 is designed asymmetrically, for example because it has a microporous layer (MPL) on one side or is provided on one side with a catalyst layer, a catalyst layer and a membrane or with a complete membrane-electrode arrangement 114 is, it makes sense to also design the pressing projections 188, between which such an asymmetrical gas diffusion layer 116, 118 is pressed, asymmetrically, as shown in FIG. 14 (in the embodiments according to FIGS. 14 and 15, the sealing element 161 includes a second one Sealing lip 212 ', which can be opposite the first sealing lip 212).
Dabei wird das Spritzgießwerkzeug 192 vorteilhafterweise so ausgelegt, dass dasjenige Werkzeugteil des Spritzgießwerkzeugs 192, welches auf der eine mikroporöse Schicht aufweisenden Seite der Gasdiffusionslage 116, 118 oder auf der einseitig mit einer Katalysatorschicht, mit einer Katalysatorschicht und einer Membran oder mit einer kompletten Membran-Elektroden-Anordnung 114 versehenen Seite der Gasdiffusionslage 116, 118 angeordnet ist, sich weniger weit in das Material der Gasdiffusionslage 116, 118 hinein erstreckt als das jeweils andere Werkzeugteil des Spritzgießwerkzeugs 192. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass auf einer Seite der Gasdiffusionslage 116, 118 der Abdrückvorsprung 188 des betreffenden Werkzeugteils des Spritzgießwerkzeugs 192 vollständig entfällt, wie in Fig. 13 dargestellt. The injection molding tool 192 is advantageously designed so that that tool part of the injection molding tool 192 which is on the side of the gas diffusion layer 116, 118 that has a microporous layer or on the one side with a catalyst layer, with a catalyst layer and a membrane or with a complete membrane electrodes -Arrangement 114 provided side of the gas diffusion layer 116, 118, extends less far into the material of the gas diffusion layer 116, 118 than the other tool part of the injection molding tool 192. For example, it can be provided that on one side of the gas diffusion layer 116, 118 the push-off projection 188 of the relevant tool part of the injection molding tool 192 is completely eliminated, as shown in FIG. 13.
Dies ist vorzugsweise die Seite der Gasdiffusionslage 116, 118, die mit einer mikroporösen Schicht (MPL), mit einer Katalysatorschicht, mit einer Katalysatorschicht und einer Membran oder mit einer kompletten Membran-Elektroden- Anordnung 114 versehen ist. This is preferably the side of the gas diffusion layer 116, 118 which is provided with a microporous layer (MPL), with a catalyst layer, with a catalyst layer and a membrane or with a complete membrane-electrode arrangement 114.
Bei dem in Fig. 15 dargestellten Spritzgießwerkzeug 192 sind die Abdrückvorsprünge 188 so ausgebildet, dass deren Kontaktflächen 232 nicht durchgehend konvex gekrümmt sind, sondern einen mittigen Abschnitt 234 aufweisen, welcher im Wesentlichen parallel zu den Hauptflächen 218 der Gasdiffusionslage 116, 118 ausgerichtet ist, und zwei geneigte Abschnitte 236, welche unter einem Winkel a bzw. a' gegenüber den Hauptflächen 218 der Gasdiffusionslage 116, 118 geneigt sind. In the injection molding tool 192 shown in Fig. 15, the pressing projections 188 are designed such that their contact surfaces 232 are not continuously convexly curved, but have a central section 234 which is aligned essentially parallel to the main surfaces 218 of the gas diffusion layer 116, 118, and two inclined sections 236, which are inclined at an angle a or a 'with respect to the main surfaces 218 of the gas diffusion layer 116, 118.
Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Neigungswinkel a bzw. a' kleiner ist als 60°, besonders bevorzugt kleiner ist als 45°. It is preferably provided that the angle of inclination a or a' is smaller than 60°, particularly preferably smaller than 45°.
Ist eine der Seiten der Gasdiffusionslage 116, 118, beispielsweise eine Seite, welche eine mikroporöse Schicht (MPL), eine Katalysatorschicht, eine Membran oder eine komplette Membran-Elektroden-Anordnung 114 aufweist, besonders empfindlich in der Handhabung, so kann es von Vorteil sein, wenn diese Seite der Gasdiffusionslage 116, 118 während des Einbringens des Spritzgießmaterials in die Kavität 196 des Spritzgießwerkzeugs 192 zumindest abschnittsweise in Kontakt mit einem Kontaktelement 238 des Spritzgießwerkzeugs 192 steht, welches elastisch verformbar ist, wie in Fig. 16 dargestellt. If one of the sides of the gas diffusion layer 116, 118, for example a side which has a microporous layer (MPL), a catalyst layer, a membrane or a complete membrane-electrode arrangement 114, is particularly sensitive to handle, then it can be advantageous , if this side of the gas diffusion layer 116, 118 is at least partially in contact with a contact element 238 of the injection molding tool 192, which is elastically deformable, as shown in Fig. 16, during the introduction of the injection molding material into the cavity 196 of the injection molding tool 192.
Ein solches Kontaktelement 238 kann beispielsweise eine Beschichtung 240 aus einem Elastomermaterial umfassen. Eine solche Beschichtung 240 aus einem Elastomermaterial kann beispielsweise mittels eines Musterdruckverfahrens, vorzugsweise eines Siebdruckverfahrens oder eines Tampondruckverfahrens, an einem der Werkzeugteile des Spritzgießwerkzeugs 192 erzeugt werden. Such a contact element 238 can, for example, include a coating 240 made of an elastomeric material. Such a coating 240 made of an elastomeric material can be produced on one of the tool parts of the injection molding tool 192, for example, by means of a pattern printing process, preferably a screen printing process or a pad printing process.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass das Spritzgießwerkzeug 192 ein Kontaktelement 238 umfasst, welches separat von dem Abdrück-Werkzeugteil 190 und separat von dem Abstütz-Werkzeugteil 194 des Spritzgießwerkzeugs 192 hergestellt und nach seiner Herstellung an dem Abdrück-Werkzeugteil 190 oder an dem Abstütz-Werkzeugteil 194 angeordnet worden ist, wie in Fig. 17 dargestellt. Alternatively or in addition to this, it can be provided that the injection molding tool 192 includes a contact element 238, which is manufactured separately from the push-off tool part 190 and separately from the support tool part 194 of the injection molding tool 192 and, after its production, on the push-off tool part 190 or on the Support tool part 194 has been arranged, as shown in Fig. 17.
Das Kontaktelement 238 kann dabei insbesondere in einer Nut 242 an dem betreffenden Werkzeugteil 190 oder 194 angeordnet sein. The contact element 238 can be arranged in particular in a groove 242 on the relevant tool part 190 or 194.
Ferner kann das Kontaktelement 238 eine oder mehrere Abstützlippen 244 aufweisen. Furthermore, the contact element 238 can have one or more support lips 244.

Claims

Patentansprüche Elektrochemische Vorrichtung, umfassend einen Stapel (104) aus mehreren, längs einer Stapelrichtung (110) aufeinanderfolgenden elektrochemischen Einheiten (106), die jeweils eine elektrochemisch aktive Membran-Elektroden-Anordnung (114), eine Bipolarplatte (112) und eine Dichtungsanordnung (150) umfassen, mindestens einen Mediumkanal (122), der sich längs der Stapelrichtung (110) durch mehrere der elektrochemischen Einheiten (106) hindurch erstreckt, mindestens ein Strömungsfeld (124), durch welches ein Medium aus dem Mediumkanal (122) quer zu der Stapelrichtung (110) von dem Mediumkanal (122) zu einem anderen Mediumkanal strömen kann, und mindestens einen Verbindungskanal (128), durch welchen das Strömungsfeld (124) und der Mediumkanal (122) in Fluidverbindung miteinander stehen, wobei der Verbindungskanal (128) einen Randsteg (142) umfasst, welcher im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung (100) von dem Medium aus dem Mediumkanal (122) durchströmt wird, wobei ein von dem Innenraum (144) des Randstegs (142) durch eine Fügelinie (134) getrennter Kühlmittelkanal (148) im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung (100) von einem Kühlmittel durchströmt wird, wobei das Strömungsfeld (124) einen Randkanal (140) umfasst, welcher zwischen dem Randsteg (142) und dem Kühlmittelkanal (148) angeordnet ist und im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung von dem Medium aus dem Mediumkanal (122) durchströmt wird, und wobei die Dichtungsanordnung (150) sich längs der Umfangsrichtung (152) des Strömungsfeldes (124) um das Strömungsfeld (124) herum erstreckt und einen inneren Rand (155) aufweist, welcher eine kathoden- seitige elektrochemisch aktive Fläche (160) oder eine anodenseitige elektrochemisch aktive Fläche (158) der Membran-Elektroden-Anordnung (114) berandet, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der innere Rand (155) der Dichtungsanordnung (150) auf der dem Mediumkanal (122) abgewandten Seite des Randstegs (142) liegt. Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Rand (155) der Dichtungsanordnung (150) auf der dem Mediumkanal (122) zugewandten Seite des Kühlmittelkanals (148) liegt. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Rand (155) der Dichtungsanordnung (150) im Bereich des Randkanals (140) liegt. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungskanal (128) zwischen zwei Bipolarplattenlagen (130, 132) ausgebildet ist, welche an der Fügelinie (134) aneinander festgelegt sind. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Rand (155) der Dichtungsanordnung (150) auf der dem Mediumkanal (122) abgewandten Seite der Fügelinie (134) liegt. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Rand (155) der Dichtungsanordnung (150) an einem Dichtelement (161) der Dichtungsanordnung (150) ausgebildet ist, welches stoffschlüssig mit einer Gasdiffusionslage (118) der betreffenden elektrochemischen Einheit (106) verbunden ist. Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (161) aus einem Elastomermaterial gebildet ist. Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Elastomermaterial des Dichtelements (161) einen Anbindungsbereich der Gasdiffusionslage (118) durchdringt. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (161) einen Dichtungsvorsprung (172) umfasst, welcher im Bereich des Verbindungskanals (128) von einem Grundkörper (174) des Dichtelements (161) aus in einer dem Mediumkanal (122) abgewandten Vorspringrichtung (176) vorspringt. Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsvorsprung (172) sich längs der Umfangsrichtung (152) des Grundkörpers (174) des Dichtelements (161) nur über einen Teil des Umfangs des Grundkörpers (174) des Dichtelements (161) erstreckt. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung (B) des Dichtungsvorsprungs (172) senkrecht zu seiner Umfangsrichtung (152) größer ist als die Ausdehnung (b) des Randstegs (142) senkrecht zu der Umfangsrichtung (152). Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausdehnung der Dichtungsanordnung (150) senkrecht zu ihrer Umfangsrichtung (152) im Bereich des Verbindungskanals (128) größer ist als in mindestens einem Bereich außerhalb des Bereichs des Verbindungskanals (128). Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsanordnung (150) im Bereich des Verbindungskanals (128) mit mehreren Ausnehmungen (182) versehen ist, welche längs der Umfangsrichtung (152) der Dichtungsanordnung (150) voneinander beabstandet sind und an einem Dichtungsvorsprung (172) ausgebildet sind, welcher im Bereich des Verbindungskanals (128) von einem Grundkörper (174) des Dichtelements (161) aus in einer dem Mediumkanal (122) abgewandten Vorspringrichtung (176) vorspringt. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsanordnung (150) in dem mindestens einen Bereich außerhalb des Verbindungskanals (128) mit mehreren Ausnehmungen (182) versehen ist, welche längs der Umfangsrichtung (152) der Dichtungsanordnung (150) voneinander beabstandet sind und an dem inneren Rand (155) der Dichtungsanordnung (150) angeordnet sind, und/oder dass der innere Rand (155) der Dichtungsanordnung (150) in dem mindestens einen Bereich außerhalb des Verbindungskanals (128) wellenförmig ausgebildet ist. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium, das im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung (100) durch den Verbindungskanal (128) strömt, ein Anodengas oder ein Kathodengas der elektrochemischen Vorrichtung (100) ist. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Rand (155) der Dichtungsanordnung (150) eine kathodenseitige elektrochemisch aktive Fläche (160) der Membran-Elektroden-Anordnung (114) berandet. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein äußerer Rand (178) einer kathoden- seitigen elektrochemisch aktiven Fläche (160) der Membran-Elektroden- Anordnung (114) gegenüber einem äußeren Rand (180) einer anodenseitigen elektrochemisch aktiven Fläche (158) der Membran-Elektroden- Anordnung (114) nach innen versetzt ist. Verfahren zum Erzeugen eines Dichtelements (161) an einer Gasdiffusionslage (116, 118) einer elektrochemischen Einheit (106), wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Claims Electrochemical device, comprising a stack (104) of several electrochemical units (106) successive along a stacking direction (110), each of which has an electrochemically active membrane-electrode arrangement (114), a bipolar plate (112) and a sealing arrangement (150 ) include at least one medium channel (122), which extends along the stacking direction (110) through several of the electrochemical units (106), at least one flow field (124) through which a medium from the medium channel (122) transversely to the stacking direction (110) can flow from the medium channel (122) to another medium channel, and at least one connecting channel (128), through which the flow field (124) and the medium channel (122) are in fluid communication with one another, the connecting channel (128) having an edge web (142), through which the medium from the medium channel (122) flows during operation of the electrochemical device (100), a coolant channel (148) separated from the interior (144) of the edge web (142) by a joining line (134). a coolant flows through it during operation of the electrochemical device (100), wherein the flow field (124) comprises an edge channel (140) which is arranged between the edge web (142) and the coolant channel (148) and from which during operation of the electrochemical device Medium flows through from the medium channel (122), and wherein the sealing arrangement (150) extends along the circumferential direction (152) of the flow field (124) around the flow field (124) and has an inner edge (155) which has a cathode side electrochemically active surface (160) or an anode-side electrochemically active surface (158) of the membrane-electrode arrangement (114), characterized in that the inner edge (155) of the sealing arrangement (150) lies on the side of the edge web (142) facing away from the medium channel (122). Electrochemical device according to claim 1, characterized in that the inner edge (155) of the sealing arrangement (150) lies on the side of the coolant channel (148) facing the medium channel (122). Electrochemical device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the inner edge (155) of the sealing arrangement (150) lies in the area of the edge channel (140). Electrochemical device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the connecting channel (128) is formed between two bipolar plate layers (130, 132) which are fixed to one another at the joining line (134). Electrochemical device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the inner edge (155) of the sealing arrangement (150) lies on the side of the joining line (134) facing away from the medium channel (122). Electrochemical device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the inner edge (155) of the sealing arrangement (150) is formed on a sealing element (161) of the sealing arrangement (150), which is cohesively bonded to a gas diffusion layer (118) of the relevant electrochemical Unit (106) is connected. Electrochemical device according to claim 6, characterized in that the sealing element (161) is formed from an elastomeric material. Electrochemical device according to claim 7, characterized in that the elastomer material of the sealing element (161) penetrates a connection area of the gas diffusion layer (118). Electrochemical device according to one of claims 6 to 8, characterized in that the sealing element (161) comprises a sealing projection (172) which, in the area of the connecting channel (128), extends from a base body (174) of the sealing element (161) into one of the medium channel (122) projects away from the projection direction (176). Electrochemical device according to claim 9, characterized in that the sealing projection (172) extends along the circumferential direction (152) of the base body (174) of the sealing element (161) only over a part of the circumference of the base body (174) of the sealing element (161). Electrochemical device according to one of claims 9 or 10, characterized in that the extent (B) of the sealing projection (172) perpendicular to its circumferential direction (152) is greater than the extent (b) of the edge web (142) perpendicular to the circumferential direction (152 ). Electrochemical device according to one of claims 1 to 11, characterized in that an extension of the sealing arrangement (150) perpendicular to its circumferential direction (152) in the area of the connecting channel (128) is greater than in at least one area outside the area of the connecting channel (128) . Electrochemical device according to claim 12, characterized in that the sealing arrangement (150) is provided in the area of the connecting channel (128) with a plurality of recesses (182), which are spaced apart from one another along the circumferential direction (152) of the sealing arrangement (150) and are formed on a sealing projection (172) which, in the area of the connecting channel (128), extends from a base body (174) of the sealing element (161) into one of the medium channel (122 ) projecting direction (176) facing away from it. Electrochemical device according to one of claims 12 or 13, characterized in that the sealing arrangement (150) is provided in the at least one area outside the connecting channel (128) with a plurality of recesses (182) which are along the circumferential direction (152) of the sealing arrangement (150 ) are spaced apart from one another and are arranged on the inner edge (155) of the sealing arrangement (150), and/or that the inner edge (155) of the sealing arrangement (150) is wave-shaped in the at least one area outside the connecting channel (128). Electrochemical device according to one of claims 1 to 14, characterized in that the medium which flows through the connecting channel (128) during operation of the electrochemical device (100) is an anode gas or a cathode gas of the electrochemical device (100). Electrochemical device according to one of claims 1 to 15, characterized in that the inner edge (155) of the sealing arrangement (150) borders a cathode-side electrochemically active surface (160) of the membrane-electrode arrangement (114). Electrochemical device according to one of claims 1 to 16, characterized in that an outer edge (178) of an electrochemically active surface (160) on the cathode side of the membrane-electrode arrangement (114) is opposite an outer edge (180) of an electrochemically active surface on the anode side Surface (158) of the membrane-electrode arrangement (114) is offset inwards. Method for producing a sealing element (161) on a gas diffusion layer (116, 118) of an electrochemical unit (106), the method comprising the following:
Anordnen eines Spritzgießwerkzeugs (192) an der Gasdiffusionslage (116, 118); arranging an injection molding tool (192) on the gas diffusion layer (116, 118);
Einbringen von Spritzgießmaterial in eine Kavität (196) des Spritzgießwerkzeugs (192); wobei das Dichtelement (161) einen Dichtungsvorsprung (172) umfasst, welcher von einem Grundkörper (174) des Dichtelements (161) aus in einer in einen Innenraum des Dichtelements (161) weisenden Vorspringrichtung (176) vorspringt, wobei der Dichtungsvorsprung (172) sich längs der Umfangsrichtung (152) des Grundkörpers (174) des Dichtelements (161) nur über einen Teil des Umfangs des Grundkörpers (174) des Dichtelements (161) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzgießwerkzeug (192) mindestens ein Verformungsbegrenzungselement (184) umfasst, welches eine Verformung der Gasdiffusionslage (116, 118) während des Einbringens des Spritzgießmaterials in die Kavität (196) begrenzt oder verhindert, wobei das Spritzgießwerkzeug (192) mindestens ein Abdrück-Werkzeugteil (190) umfasst, das einen Abdrückvorsprung (188) zum Verpressen der Gasdiffusionslage (116, 118) aufweist und wobei das mindestens eine Verformungsbegrenzungselement (184) während des Einbringens des Spritzgießmaterials in die Kavität (196) des Spritzgießwerkzeugs (192) von dem Abdrückvorsprung (188) des Abdrück-Werkzeugteils (190) beabstandet ist. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Abdrückvorsprung (188) des Abdrück-Werkzeugteils (190) mindestens eine Verrundung und/oder mindestens eine Schräge aufweist. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Seite der Gasdiffusionslage (116, 118) mit mindestens einer Katalysatorschicht versehen ist und diese Seite der Gasdiffusionslage (116, 118) während des Einbringens des Spritzgießmaterials in die Kavität (196) des Spritzgießwerkzeugs (192) zumindest abschnittsweise in Kontakt mit einem Kontaktelement (238) des Spritzgießwerkzeugs (192) steht, welches ein Elastomermaterial umfasst. Introducing injection molding material into a cavity (196) of the injection molding tool (192); wherein the sealing element (161) comprises a sealing projection (172) which projects from a base body (174) of the sealing element (161) in a projection direction (176) pointing into an interior of the sealing element (161), the sealing projection (172). along the circumferential direction (152) of the base body (174) of the sealing element (161) extends only over a part of the circumference of the base body (174) of the sealing element (161), characterized in that the injection molding tool (192) comprises at least one deformation limiting element (184). , which limits or prevents deformation of the gas diffusion layer (116, 118) during the introduction of the injection molding material into the cavity (196), the injection molding tool (192) comprising at least one push-off tool part (190) which has a push-off projection (188) for pressing the gas diffusion layer (116, 118) and wherein the at least one deformation limiting element (184) is spaced from the push-off projection (188) of the push-off tool part (190) during the introduction of the injection molding material into the cavity (196) of the injection molding tool (192). Method according to claim 18, characterized in that the pressing projection (188) of the pressing tool part (190) has at least one rounding and/or at least one bevel. Method according to claim 18 or 19, characterized in that one side of the gas diffusion layer (116, 118) is provided with at least one catalyst layer and this side of the gas diffusion layer (116, 118) during the introduction of the injection molding material into the cavity (196) of the injection molding tool ( 192) is at least partially in contact with a contact element (238) of the injection molding tool (192), which comprises an elastomeric material.
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