DE102020120293A1 - Elektrochemische Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen eines Dichtelements für eine elektrochemische Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung - Google Patents

Elektrochemische Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen eines Dichtelements für eine elektrochemische Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung Download PDF

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Wolfgang Fritz
Dennis Dollinger
Oliver Fink
Thomas Dix-Landgraf
Paul Volz
Manuel Salzmann
Andreas Schmid
Jürgen Kraft
Manuel Morcos
Stefan Dwenger
Carsten Horn
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Abstract

Um eine elektrochemische Vorrichtung, umfassend mehrere, längs einer Stapelrichtung aufeinanderfolgende elektrochemische Einheiten, welche jeweils eine Membran, eine erste Gasdiffusionslage, eine zweite Gasdiffusionslage, ein stoffschlüssig mit der ersten Gasdiffusionslage verbundenes erstes Dichtelement, ein stoffschlüssig mit der zweiten Gasdiffusionslage verbundenes zweites Dichtelement und eine Bipolarplatte umfassen, zu schaffen, deren Dichtelemente einfach herstellbar und präzise relativ zu den anderen Bauteilen der elektrochemischen Vorrichtung positionierbar und mit den anderen Bauteilen der elektrochemischen Vorrichtung assemblierbar sind, wird vorgeschlagen, dass eines der Dichtelemente jeder elektrochemischen Einheit als ein Rahmen-Dichtelement ausgebildet ist, welches ein Elastomerteil und einen Rahmen umfasst, wobei der Rahmen aus einem Material gebildet ist, dass eine höhere Formstabilität aufweist als das Elastomermaterial, aus dem das Elastomerteil gebildet ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Vorrichtung, welche mehrere, längs einer Stapelrichtung aufeinanderfolgende elektrochemische Einheiten umfasst, wobei jede der elektrochemischen Einheiten jeweils eine Membran, eine erste Gasdiffusionslage, eine zweite Gasdiffusionslage, ein stoffschlüssig mit der ersten Gasdiffusionslage verbundenes erstes Dichtelement, ein stoffschlüssig mit der zweiten Gasdiffusionslage verbundenes zweites Dichtelement und eine Bipolarplatte umfasst.
  • Ein Dichtelement, das stoffschlüssig mit einer Gasdiffusionslage verbunden ist, wird als ein „Seal on Gas Diffusion Layer“ (SoGDL) bezeichnet.
  • Dabei kann das Dichtelement insbesondere in einem Spritzgießverfahren direkt an die Gasdiffusionslage angespritzt sein.
  • Das durch die ersten Dichtelemente und die zweiten Dichtelemente gebildete Dichtungssystem dient insbesondere dazu, die Strömungsfelder der elektrochemischen Vorrichtung gegenüber den Medienkanälen der elektrochemischen Vorrichtung und gegenüber der Umgebung abzudichten und/oder die Medienkanäle der elektrochemischen Vorrichtung gegeneinander und gegenüber der Umgebung abzudichten.
  • Da sowohl das aus einem Elastomermaterial gebildete Dichtelement als auch die Gasdiffusionslage sehr labile und wenig formstabile Bauteile sind, ist die aus diesen Bauteilen gebildete Baugruppe ebenfalls ziemlich labil und wenig formstabil. Eine SoGDL-Dichtung weist daher eine hohe Welligkeit und eine schlechte Maßhaltigkeit auf. Durch ihre geringe Formstabilität ist sie bei der Assemblierung der elektrochemischen Vorrichtung nur schwer zu handhaben, und der Assembliervorgang der elektrochemischen Vorrichtung ist nur schlecht automatisierbar.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrochemische Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, deren Dichtelemente einfach herstellbar und präzise relativ zu den anderen Bauteilen der elektrochemischen Vorrichtung positionierbar und mit den anderen Bauteilen der elektrochemischen Vorrichtung assemblierbar sind.
  • Diese Aufgabe wird bei einer elektrochemischen Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eines der Dichtelemente als ein Rahmen-Dichtelement ausgebildet ist, welches ein Elastomerteil und einen Rahmen umfasst, wobei der Rahmen aus einem Material gebildet ist, das eine höhere Formstabilität aufweist als das Elastomermaterial, aus dem das Elastomerteil gebildet ist.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt das Konzept zugrunde, eine Baugruppe aus einem Dichtelement und der Gasdiffusionslage, mit welcher das betreffende Dichtelement stoffschlüssig verbunden ist, dadurch zu stabilisieren, dass ein - vorzugsweise um das betreffende Dichtelement umlaufender - formstabiler Rahmen in das betreffende Dichtelement integriert wird.
  • Durch den formstabilen Rahmen wird die Handhabbarkeit der Baugruppe aus dem Dichtelement und der Gasdiffusionslage, mit welcher das Dichtelement stoffschlüssig verbunden ist, verbessert.
  • Das betreffende Dichtelement weist eine größere Maßhaltigkeit in der senkrecht zur Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung ausgerichteten X-Y-Ebene auf.
  • Eine Welligkeit der Gasdiffusionslage und/oder des stoffschlüssig mit der Gasdiffusionslage verbundenen Dichtelements in der Z-Richtung (parallel zur Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung) wird reduziert oder ganz vermieden.
  • Eine Automatisierung des Assembliervorgangs der elektrochemischen Vorrichtung, welche das Dichtelement und die Gasdiffusionslage, mit welcher das Dichtelement stoffschlüssig verbunden ist, enthält, wird erleichtert.
  • Durch die Verwendung des zusätzlichen Rahmens in dem Dichtelement wird eine formstabile Baugruppe erzeugt, welche eine Gasdiffusionslage und eine SoGDL-Dichtung umfasst, wobei diese Baugruppe hinsichtlich ihrer Maßhaltigkeit und ihrer Handhabbarkeit deutlich verbesserte Eigenschaften aufweist.
  • Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Rahmen stoffschlüssig und/oder formschlüssig mit dem Elastomerteil verbunden ist.
  • Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Rahmen nicht direkt mit der Gasdiffusionslage verbunden ist, mit welcher das Elastomerteil stoffschlüssig verbunden ist.
  • Grundsätzlich kann aber vorgesehen sein, dass der Rahmen direkt mit der Gasdiffusionslage verbunden ist, vorzugsweise unterhalb der Dichtlippen des Dichtelements, insbesondere dann, wenn der Rahmen und das Elastomerteil des Dichtelements in einem Zwei-Komponenten-Spritzgießverfahren hergestellt werden.
  • Vorzugsweise umfasst der Rahmen einen Rahmen-Kontaktbereich, an welchem der Rahmen stoffschlüssig und/oder formschlüssig mit dem Elastomerteil verbunden ist, wobei das Elastomerteil einen oberen Elastomerteil-Kontaktbereich, der an der Stapelrichtung über dem Rahmen-Kontaktbereich angeordnet ist, und/oder einen unteren Elastomerteil-Kontaktbereich, der in der Stapelrichtung unter dem Rahmen-Kontaktbereich angeordnet ist, umfasst. Dabei beziehen sich die Begriffe „oben“ und „unten“ ausschließlich auf die Orientierung der Elemente bezüglich der Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung, welche nicht vertikal ausgerichtet sein muss, sondern jede beliebige Lage relativ zu der Vertikalen einnehmen kann.
  • Durch den oberen Elastomerteil-Kontaktbereich und/oder den unteren Elastomerteil-Kontaktbereich wird eine verbesserte Anbindung des Elastomerteils an den Rahmen, insbesondere bei chemischer und/oder mechanischer Anbindung, erzielt. Insbesondere kann durch die Elastomerteil-Kontaktbereiche, welche den Rahmen-Kontaktbereich - in der Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung gesehen - hintergreifen, eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Elastomerteil und dem Rahmen in der Stapelrichtung erzeugt werden.
  • Der obere Elastomerteil-Kontaktbereich und/oder der untere Elastomerteil-Kontaktbereich sind vorzugsweise an einem Rahmen-Kontaktbereich des Rahmens angeordnet, welcher eine geringere Dicke, das heißt eine geringere Ausdehnung längs der Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung, aufweist als ein an den Rahmen-Kontaktbereich angrenzender Rahmen-Grundkörper, welcher nicht in Kontakt mit dem oberen Elastomerteil-Kontaktbereich oder mit dem unteren Elastomerteil-Kontaktbereich steht.
  • Um eine besonders stabile Verbindung zwischen dem Rahmen und dem Elastomerteil zu schaffen, ist es günstig, wenn das Elastomerteil mindestens einen Elastomerteil-Hinterschneidungsbereich umfasst, welcher einen Bereich des Rahmens hintergreift, und/oder wenn der Rahmen mindestens einen Rahmen-Hinterschneidungsbereich umfasst, welcher einen Bereich des Elastomerteils hintergreift.
  • Das Hintergreifen bezieht sich dabei vorzugsweise auf eine Hinterschneidungsrichtung, welche senkrecht zur Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung ausgerichtet ist.
  • Ferner kann zur Erzielung einer stabilen Verbindung zwischen dem Rahmen und dem Elastomerteil des Dichtelements vorgesehen sein, dass der Rahmen mindestens eine Durchtrittsöffnung aufweist, durch welche das Elastomerteil sich hindurch erstreckt.
  • Ferner kann vorgesehen sein, dass der Rahmen mindestens eine Ausnehmung umfasst, die an einer Mündungsöffnung an einem elastomerteilseitigen Rand des Rahmens mündet, wobei die Ausnehmung eine der Mündungsöffnung benachbarte Engstelle und einen erweiterten Bereich, der über die Engstelle mit der Mündungsöffnung verbunden ist, umfasst.
  • Eine solche Ausnehmung kann insbesondere - in der Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung gesehen - im Wesentlichen die Form eines Schlüssellochs aufweisen.
  • Die Ausnehmung ist vorzugsweise zumindest teilweise, insbesondere im Wesentlichen vollständig, mit dem Elastomermaterial des Elastomerteils gefüllt.
  • Um eine präzise Positionierung der Rahmen-Dichtelemente beim Assembliervorgang der elektrochemischen Vorrichtung zu ermöglichen, ist es günstig, wenn der Rahmen des Rahmen-Dichtelements einer elektrochemischen Einheit mindestens ein Positionierelement aufweist, das mit einer Positionieröffnung eines Rahmen-Dichtelements einer benachbarten elektrochemischen Einheit in Eingriff steht.
  • Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Positionieröffnung in dem Elastomerteil des Rahmen-Dichtelements ausgebildet ist und vor der Montage der elektrochemischen Vorrichtung ein Untermaß gegenüber dem Positionierelement aufweist.
  • Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das Positionierelement im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist und die Positionieröffnung im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet ist, wobei der Durchmesser der Positionieröffnung vor der Montage der elektrochemischen Vorrichtung kleiner ist als der Außendurchmesser des Positionierelements, vorzugsweise um mindestens 0,1 mm kleiner, besonders bevorzugt um mindestens 0,2 mm kleiner.
  • Hierdurch kann erreicht werden, dass das Rahmen-Dichtelement der einen elektrochemischen Einheit mechanisch an das Rahmen-Dichtelement der benachbarten elektrochemischen Einheit gekoppelt ist, so dass die beide Rahmen-Dichtelemente umfassende Baugruppe während der Assemblierung der elektrochemischen Vorrichtung in einfacher Weise als Einheit gehandhabt werden kann.
  • Ferner kann vorgesehen sein, dass der Rahmen mindestens ein Positionierelement umfasst, das mit einer Positionieröffnung einer dem Rahmen benachbarten Bipolarplatte in Eingriff steht.
  • Auf diese Weise kann eine präzise Positionierung des Rahmen-Dichtelements relativ zu der benachbarten Bipolarplatte ermöglicht werden.
  • Ferner kann vorgesehen sein, dass der Rahmen mindestens eine Handhabungs-Durchtrittsöffnung aufweist, welche nicht oder zumindest nicht vollständig mit Elastomermaterial befüllt ist.
  • In eine solche Handhabungs-Durchtrittsöffnung kann ein Positionierelement einer Handhabungsvorrichtung, beispielsweise eines Roboters, während der Assemblierung der elektrochemischen Vorrichtung eingreifen, um das Rahmen-Dichtelement relativ zu anderen Bauteilen der elektrochemischen Vorrichtung zu positionieren.
  • Ferner kann vorgesehen sein, dass der Rahmen einen Entlüftungsbereich aufweist, der mit Elastomermaterial des Elastomerteils gefüllt ist, welches Luftblasen enthält oder enthalten kann.
  • Über einen solchen Entlüftungsbereich kann eine Kavität eines Formgebungswerkzeugs, in welcher das Rahmen-Dichtelement durch einen Spritzgießvorgang erzeugt wird, während der Befüllung der Kavität mit dem Elastomermaterial des Elastomerteils entlüftet werden.
  • Bei der Befüllung des Entlüftungsbereichs des Rahmens während des Spritzgießvorgangs bilden sich die Luftblasen, welche die Funktion des Rahmen-Dichtelements jedoch nicht beeinträchtigen, da der Entlüftungsbereich vorzugsweise außerhalb der Mediumkanal-Dichtbereiche und des Strömungsfeld-Dichtbereichs des Rahmen-Dichtelements angeordnet ist.
  • Der Entlüftungsbereich des Rahmens muss daher nach der Herstellung des Rahmen-Dichtelements in einem Spritzgießverfahren nicht abgetrennt werden, sondern kann an dem Rahmen-Dichtelement verbleiben, welches zur Assemblierung der elektrochemischen Einheit und der elektrochemischen Vorrichtung als Ganzer verwendet wird.
  • In einem Eintrittsbereich des Entlüftungsbereichs, durch welchen das Elastomermaterial beim Spritzgießvorgang in den Entlüftungsbereich eindringt, weist der Rahmen vorzugsweise eine geringere Dicke, das heißt eine geringere Ausdehnung längs der Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung, auf als in den an den Eintrittsbereich angrenzenden Bereichen des Rahmens.
  • Von dem Eintrittsbereich ausgehend steigt die Dicke des Rahmens im Entlüftungsbereich vorzugsweise bis zu einem Endbereich oder bis zu mehreren, beispielsweise zwei, Endbereichen des Entlüftungsbereichs hin an.
  • Dieser Anstieg der Dicke des Rahmens vom Eintrittsbereich bis zu dem Endbereich oder bis zu den Endbereichen des Entlüftungsbereichs erfolgt vorzugsweise im Wesentlichen kontinuierlich.
  • Vorzugsweise ist der Rahmen einstückig ausgebildet und erstreckt sich ringförmig geschlossen längs des gesamten Umfangs des Rahmen-Dichtelements.
  • Bei einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass der Rahmen des Rahmen-Dichtelements nicht einstückig ausgebildet ist, sondern zwei oder mehr separate Rahmenteile umfasst und längs seines Umfangs mindestens einen Spalt aufweist, der zwei Rahmenteile des Rahmens voneinander trennt.
  • Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Rahmen längs seines Umfangs mindestens zwei, insbesondere mindestens drei, besonders bevorzugt mindestens vier, Spalte aufweist, die jeweils zwei Rahmenteile des Rahmens voneinander trennen.
  • Mindestens einer der Spalte, vorzugsweise jeder Spalt, des Rahmens ist mit dem Elastomermaterial des Elastomerteils gefüllt.
  • Ein solcher Spalt kann als Dehnfuge dienen, um einen Toleranzausgleich aufgrund unterschiedlicher Wärmedehnungskoeffizienten des Materials des Rahmens und des Materials des Elastomerteils zu bewirken.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Dichtelements für eine elektrochemische Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung, welche mehrere längs einer Stapelrichtung aufeinanderfolgende elektrochemische Einheiten umfasst, wobei die elektrochemischen Einheiten jeweils eine Membran, eine erste Gasdiffusionslage, eine zweite Gasdiffusionslage und eine Bipolarplatte umfassen.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein solches Verfahren zum Herstellen eines Dichtelements für eine elektrochemische Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung zu schaffen, welches es ermöglicht, das nach dem Verfahren hergestellte Dichtelement in einfacher und präziser Weise relativ zu anderen Bauteilen der elektrochemischen Vorrichtung bei der Assemblierung der elektrochemischen Vorrichtung zu positionieren.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, welches folgendes umfasst:
    • - Einbringen mindestens einer Gasdiffusionslage in ein Formgebungswerkzeug;
    • - Einbringen eines Rahmens in das Formgebungswerkzeug oder Erzeugen des Rahmens durch einen Spritzgießvorgang in dem Formgebungswerkzeug;
    • - Erzeugen eines Elastomerteils, welches stoffschlüssig mit der Gasdiffusionslage und stoffschlüssig und/oder formschlüssig mit dem Rahmen verbunden ist, durch einen Spritzgießvorgang in dem Formgebungswerkzeug;
    wobei der Rahmen aus einem Material gebildet ist, das eine höhere Formstabilität aufweist als das Elastomermaterial, aus dem das Elastomerteil gebildet ist.
  • Dabei kann der Rahmen als separat hergestelltes Einlegeteil in das Formgebungswerkzeug eingebracht werden, wobei dann anschließend das Elastomerteil durch Anspritzen des Elastomermaterials an den Rahmen und an die Gasdiffusionslage erzeugt wird.
  • Das Material für den Rahmen kann ein thermoplastisches Material umfassen.
  • Als Material für den Rahmen kann ein Werkstoff verwendet werden, welcher, vorzugsweise zusätzlich zu einem thermoplastischen Material, Glasfasern enthält. Die Glasfasern sind in dem Material des Rahmens in einem Anteil von vorzugsweise mindestens 10 Gewichtsprozent, insbesondere mindestens 20 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt mindestens 30 Gewichtsprozent, und/oder von vorzugsweise höchstens 50 Gewichtsprozent enthalten.
  • Als Material für den Rahmen kann beispielsweise ein Werkstoff mit der Bezeichnung PPS GF40 verwendet werden, welcher ein Polyphenylensulfid-Material mit einem Zusatz von 40 Gewichtsprozent Glasfasern enthält.
  • Alternativ hierzu kann für den Rahmen beispielsweise ein Werkstoff mit der Bezeichnung PPA GF35 verwendet werden, welcher ein Polyphtalamid mit einem Zusatz von 35 Gewichtsprozent Glasfasern enthält.
  • Alternativ oder ergänzend hierzu kann als Material für den Rahmen ein Leiterplattenwerkstoff verwendet werden, insbesondere ein Hartpapier.
  • Insbesondere kann als Material für den Rahmen ein flammhemmendes Leiterplatten-Basismaterial verwendet werden.
  • Beispielsweise kann das Leiterplatten-Basismaterial FR2 verwendet werden, welches ein Papier und Phenolharz umfasst.
  • Ferner kann das Leiterplatten-Basismaterial FR3 verwendet werden, das einen Kern aus Epoxidharz und Papier umfasst.
  • Außerdem kann das Leiterplatten-Basismaterial FR4 verwendet werden, das Epoxidharz und ein Glasfasergewebe umfasst.
  • Alternativ hierzu kann das Rahmen-Dichtelement auch in einem Mehr-Komponenten-Spritzgießverfahren, insbesondere in einem Zwei-Komponenten-Spritzgießverfahren, hergestellt werden, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    • - In einem ersten Arbeitsgang wird die Gasdiffusionslage mit der gewünschten Außenkontur aus einem bandförmigen Ausgangsmaterial herausgetrennt, beispielsweise ausgeschnitten oder ausgestanzt, und in ein Formgebungswerkzeug eingelegt. Das Ausgangsmaterial kann beispielsweise ein aufrollbares Rollenmaterial sein.
    • - In einem zweiten Arbeitsgang wird in dem Formgebungswerkzeug der Rahmen aus einem formstabilen Werkstoff in einem Spritzgießverfahren hergestellt.
    • - In einem dritten Arbeitsgang wird dann das Elastomerteil in dem Formgebungswerkzeug in einem Spritzgießvorgang erzeugt. Dabei kann das Elastomerteil insbesondere gleichzeitig an die Gasdiffusionslage und an den Rahmen angespritzt werden.
  • Für ein solches Mehr-Komponenten-Spritzgießverfahren kann als Material für den Rahmen ein Kunststoffmaterial, beispielsweise ein thermoplastisches Material, verwendet werden, welches Glasfasern enthält.
  • Die Glasfasern sind in dem Material des Rahmens in einem Anteil von vorzugsweise mindestens 10 Gewichtsprozent, insbesondere mindestens 20 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt mindestens 30 Gewichtsprozent, und/oder von vorzugsweise höchstens 50 Gewichtsprozent enthalten.
  • Beispielsweise kann das Material mit der Bezeichnung PBTP GF30 verwendet werden, das Polybuthylen-Teraphthalat enthält, welchem Glasfasern in einem Gewichtsanteil von 30 Gewichtsprozent zugesetzt sind.
  • Alternativ hierzu kann beispielsweise das Material mit der Bezeichnung PPS GF40 verwendet werden, welches ein Polyphenylensulfid enthält, dem Glasfasern in einem Gewichtsanteil von 40 Gewichtsprozent zugesetzt sind.
  • Ferner kann alternativ hierzu das Material mit der Bezeichnung PPA GF35 verwendet werden, welches ein Polyphtalamid enthält, dem Glasfasern in einem Gewichtsanteil von 35 Gewichtsprozent zugesetzt sind.
  • Wird für die Herstellung des Rahmen-Dichtelements ein als Einlegeteil in das Formgebungswerkzeug eingebrachter Rahmen verwendet, so kann der Rahmen insbesondere ein metallisches Material umfassen und vorzugsweise im Wesentlichen vollständig aus einem metallischen Material gebildet sein.
  • Ein solcher Rahmen, der ganz oder teilweise aus einem metallischen Material gebildet ist, wird vorzugsweise bei dem Spritzgießvorgang im Wesentlichen vollständig in das Elastomermaterial des Elastomerteils eingebettet, vorzugsweise indem der Rahmen im Wesentlichen vollständig mit dem Elastomermaterial umspritzt wird.
  • Ein solcher Rahmen, der ein metallisches Material enthält, kann beispielsweise aus einem blechförmigen Ausgangsmaterial herausgetrennt, insbesondere ausgestanzt, sein.
  • Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass ein solcher Rahmen, der ein metallisches Material enthält, aus einem Draht, insbesondere aus einem Flachdraht oder aus einem Profildraht, gebogen wird.
  • Der Rahmen kann einen Entlüftungsbereich aufweisen, über welchen eine Kavität des Formgebungswerkzeugs während der Befüllung der Kavität mit dem Elastomermaterial des Elastomerteils entlüftet wird.
  • Weitere bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind bereits vorstehend im Zusammenhang mit verschiedenen besonderen Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen elektrochemischen Vorrichtung erläutert worden.
  • Der Rahmen des Rahmen-Dichtelements kann insbesondere stirnseitig an das Elastomerteil des Rahmen-Dichtelements angebunden sein, wobei die Stirnseite des Rahmens vorzugsweise im Wesentlichen parallel zu der Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung ausgerichtet ist.
  • Der Rahmen kann so an das Elastomerteil angebunden sein, dass ein Bereich des Rahmens das Elastomerteil hintergreift und/oder einen Bereich des Elastomerteils den Rahmen hintergreift.
  • Die Anbindung des Rahmens an das Elastomerteil kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass der Rahmen ein Loch oder mehrere Löcher aufweist, durch welche das Elastomerteil sich hindurch erstreckt.
  • Die Anbindung des Rahmens an das Elastomerteil kann auch über Stege erfolgen, so dass zwischen den Stegen angeordnete Bereiche des Rahmens bzw. des Elastomerteils nicht direkt miteinander verbunden sind.
  • Dabei können die Stege einstückig mit dem Elastomerteil oder einstückig mit dem Rahmen ausgebildet sein.
  • Eine mit dem Elastomerteil in Kontakt stehende Kontaktfläche des Rahmens kann so strukturiert sein, dass die Herstellung einer mechanischen und/oder chemischen Verbindung zwischen dem Elastomerteil und dem Rahmen erleichtert wird.
  • Beispielsweise kann die Kontaktfläche des Rahmens aufgerauht sein und/oder Vorsprünge und/oder Vertiefungen aufweisen.
  • Der Rahmen kann Löcher und/oder Ausnehmungen aufweisen, in welche das Elastomerteil eindringt, um einen Formschluss zwischen dem Elastomerteil und dem Rahmen zu bilden.
  • Die Anzahl dieser Löcher und/oder Ausnehmungen und der Abstand dieser Löcher bzw. Ausnehmungen voneinander in der Umfangsrichtung des Rahmens wird so gewählt, dass eine ausreichend stabile Verbindung zwischen dem Elastomerteil und dem Rahmen gewährleistet ist.
  • Vorzugsweise sind solche Löcher und/oder Ausnehmungen in Bereichen des Rahmen-Dichtelements angeordnet, in denen aufgrund einer höheren Schwindung des Elastomerteils und/oder aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials des Rahmens und des Materials des Elastomerteils mit mechanischen Spannungen zu rechnen ist.
  • Der Rahmen weist vorzugsweise mindestens zwei, insbesondere mindestens vier, besonders bevorzugt mindestens sechs, beispielsweise mindestens acht, Löcher auf, durch welche das Elastomerteil sich hindurcherstreckt.
  • Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass der Rahmen mindestens zehn, vorzugsweise mindestens zwanzig, insbesondere mindestens fünfundzwanzig Ausnehmungen aufweist, in welche sich das Elastomerteil hinein erstreckt, um einen Formschluss mit dem Rahmen zu bilden.
  • Mindestens eines der Löcher im Rahmen und/oder mindestens eine der Ausnehmungen im Rahmen kann die Form eines Schlüssellochs aufweisen.
  • Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Rahmen nicht direkt an die Gasdiffusionslage angebunden ist, mit welcher das Elastomerteil stoffschlüssig verbunden ist.
  • Bei einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann jedoch vorgesehen sein, dass der Rahmen direkt an die Gasdiffusionslage angebunden ist, mit welcher das Elastomerteil des Rahmen-Dichtelements stoffschlüssig verbunden ist.
  • Das Elastomerteil wird vorzugsweise durch einen Spritzgießvorgang erzeugt, bei welchem das Elastomermaterial des Elastomerteils einen Bereich der Gasdiffusionslage infiltriert.
  • Der Rahmen kann zusätzlich außen an einen Hardstop angespritzt sein, um die Luft- und Kriechstrecke zwischen den Bipolarplatten der elektrochemischen Vorrichtung zu verlängern.
  • Alternativ hierzu kann der Rahmen als Teil des Hardstops oder anstelle des Hardstops verwendet werden.
  • Der Rahmen kann in einer zur Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung senkrechten Richtung über die Bipolarplatte der jeweiligen elektrochemischen Einheit überstehen. Hierdurch wird eine gute elektrische Isolation zwischen den in der Stapelrichtung aufeinanderfolgenden Bipolarplatten erzielt.
  • Ferner kann der Rahmen als Anschlag des Stapels aus elektrochemischen Einheiten an einem Gehäuse der elektrochemischen Vorrichtung dienen, wenn die elektrochemische Vorrichtung im Falle eines Zusammenstoßes (insbesondere bei Verwendung der elektrochemischen Vorrichtung in einem Automobil) einer hohen Beschleunigung ausgesetzt ist.
  • Außerdem kann der Rahmen als Berührschutz für die Bipolarplatten dienen.
  • Die Positionieröffnung, in welche das an dem Rahmen angeordnete Positionierelement eingreift, kann als ein Langloch ausgebildet sein.
  • Ein solches Langloch kann im Rahmen eines Rahmen-Dichtelements einer benachbarten elektrochemischen Einheit oder in einer dem Rahmen benachbarten Bipolarplatte vorgesehen sein.
  • Der Rahmen kann relativ zu einer benachbarten Bipolarplatte zentrierbar sein, wenn der Rahmen einen zu der Bipolarplatte hin vorspringenden Vorsprung aufweist und die Bipolarplatte einen den Vorsprung aufnehmenden Napf aufweist.
  • Der Napf kann beispielsweise in eine oder mehrere Bipolarplattenlagen der Bipolarplatte eingeprägt sein.
  • Ferner kann der Rahmen eines Rahmen-Dichtelements einer elektrochemischen Einheit relativ zu dem Rahmen eines Rahmen-Dichtelements einer benachbarten elektrochemischen Einheit zentrierbar sein, wenn der Rahmen einen Vorsprung und der Rahmen des Rahmen-Dichtelements der benachbarten elektrochemischen Einheit eine Ausnehmung zur Aufnahme des Vorsprungs des Rahmens aufweist.
  • Der Rahmen kann gestuft ausgebildet sein, wobei ein dem Elastomerteil abgewandter äußerer Rahmenbereich gegenüber einem dem Elastomerteil zugewandten inneren Rahmenbereich längs der Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung versetzt ist. Durch die zwischen dem äußeren Rahmenbereich und dem inneren Rahmenbereich entstehende Stufe ist jeweils ein gestufter Rahmen an einem in der Stapelrichtung benachbarten gestuften Rahmen zentrierbar.
  • Außerdem kann durch die gestufte Ausbildung des Rahmens die Steifigkeit des Rahmens erhöht und/oder ein besserer Berührschutz für die durch die Rahmen nach außen hin abgedeckten Bipolarplatten erzielt werden.
  • Ferner kann vorgesehen sein, dass ein dem Elastomerteil abgewandter äußerer Rahmenbereich mit einem dem Elastomerteil zugewandten inneren Rahmenbereich einen stumpfen Winkel α einschließt.
  • Hierdurch wird die Steifigkeit des Rahmens erhöht und/oder der Berührschutz für die durch die Rahmen nach außen hin abgedeckten Bipolarplatten der elektrochemischen Vorrichtung verbessert.
  • Der äußere Rahmenbereich kann über einen gebogenen Bereich des Rahmens mit dem inneren Rahmenbereich verbunden sein.
  • Vorzugsweise ist der stumpfe Winkel α, welchen der äußere Rahmenbereich mit dem inneren Rahmenbereich einschließt, größer als 100°, insbesondere größer als 110°.
  • Ferner ist der stumpfe Winkel α, welchen der äußere Rahmenbereich mit dem inneren Rahmenbereich einschließt, vorzugsweise kleiner als 160°, insbesondere kleiner als 150°.
  • Der Rahmen kann als ein Einlegeteil ausgebildet sein, welches zumindest abschnittsweise, vorzugsweise vollständig, in das Elastomermaterial des Elastomerteils eingebettet ist.
  • Das Einlegeteil kann aus einem metallischen Material gebildet sein.
  • Der Rahmen kann mit Durchtrittsöffnungen versehen sein, welche es ermöglichen, das Rahmen-Dichtelement nach dem Spritzgießvorgang während eines Tempervorgangs aufzuhängen.
  • Eine solche Durchtrittsöffnung kann insbesondere an einer nach außen, von dem Elastomerteil des Rahmen-Dichtelements weg, abstehenden Lasche des Rahmens ausgebildet sein.
  • Die Bipolarplatte mindestens einer elektrochemischen Einheit der elektrochemischen Vorrichtung kann eine Kontaktierungslasche aufweisen, an welcher die betreffende Bipolarplatte für einen Spannungsabgriff kontaktierbar ist.
  • Vorzugsweise stützt sich eine solche Kontaktierungslasche der Bipolarplatte an dem Rahmen eines benachbarten Rahmen-Dichtelements ab, um eine möglichst präzise Ausrichtung der Kontaktierungslasche durch die Abstützung an dem Rahmen zu erzielen.
  • Eine Außenkontur des Rahmens kann eine Ecke bilden, welche als Anschlag für eine Stapelhilfe, als Stapelkante und/oder als Messkante zur Erfassung der Position des Rahmen-Dichtelements dienen kann.
  • Die Rahmen von zwei längs der Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung aufeinanderfolgenden Rahmen-Dichtelementen können miteinander verrastbar ausgebildet sein.
  • Der Rahmen eines Rahmen-Dichtelements kann mit einer Dichtlippe, vorzugsweise aus einem Elastomermaterial, versehen sein, um einen Spalt zwischen zwei längs der Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung aufeinanderfolgenden Rahmen von Rahmen-Dichtelementen einander benachbarter elektrochemischer Einheiten zu überbrücken, so dass ein Entweichen eines Mediums aus der elektrochemischen Vorrichtung verhindert und eine Verschmutzung der elektrochemischen Vorrichtung durch von außen eindringende Medien verhindert wird.
  • Die Dichtlippe ist von dem Elastomerteil des Rahmen-Dichtelements beabstandet, vorzugsweise in einer senkrecht zu der Stapelrichtung verlaufenden Richtung.
  • Vorzugsweise ist die Dichtlippe zwischen dem Elastomerteil des Rahmen-Dichtelements und einem äußeren Rand des Rahmens des Rahmen-Dichtelements angeordnet.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
  • In den Zeichnungen zeigen:
    • 1 eine Draufsicht von oben auf eine Anordnung aus mehreren elektrochemischen Einheiten, welche jeweils eine Membran, eine erste Gasdiffusionslage, eine zweite Gasdiffusionslage, ein stoffschlüssig mit der ersten Gasdiffusionslage verbundenes erstes Dichtelement, ein stoffschlüssig mit der zweiten Gasdiffusionslage verbundenes zweites Dichtelement und eine mehrlagige Bipolarplatte umfassen;
    • 2 einen parallel zur Stapelrichtung genommenen Querschnitt durch die Anordnung aus 1 im Bereich einer Strömungsfeld-Abdichtung, längs der Linie 2 - 2 in 1;
    • 3 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs I aus 1;
    • 4 einen Querschnitt durch die Anordnung aus 3 im Bereich einer Mediumkanal-Abdichtung, längs der Linie 4 - 4 in 3;
    • 5 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs II aus 1;
    • 6 einen Querschnitt durch die Anordnung aus 5 im Bereich einer Kopplungseinrichtung, durch welche das zweite Dichtelement mechanisch mit einem formstabilen Rahmen des ersten Dichtelements und mit einer Bipolarplatte gekoppelt ist, längs der Linie 6 - 6 in 5;
    • 7 eine weitere vergrößerte Darstellung des Bereichs II aus 1;
    • 8 einen Querschnitt durch die Anordnung aus 7 im Bereich einer Kopplungseinrichtung, durch welche ein Rahmen eines ersten Dichtelements einer elektrochemischen Einheit mit einem Elastomerteil eines ersten Dichtelements einer benachbarten elektrochemischen Einheit gekoppelt ist, längs der Linie 8 - 8 in 7;
    • 9 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs III aus 1;
    • 10 einen Querschnitt durch die Anordnung aus 9 im Bereich einer Mediumkanal-Abdichtung, längs der Linie 10 - 10 in 9;
    • 11 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs IV aus 1;
    • 12 einen Querschnitt durch die Anordnung aus 11 im Bereich einer Kopplungseinrichtung, durch welche der Rahmen eines ersten Dichtelements einer elektrochemischen Einheit mit einem Elastomerteil des ersten Dichtelements einer benachbarten elektrochemischen Einheit gekoppelt ist;
    • 13 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs V aus 12;
    • 14 eine Draufsicht von oben auf den Rahmen des ersten Dichtelements einer der elektrochemischen Einheiten der Anordnung aus 1;
    • 15 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs VI aus 14;
    • 16 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs VII aus 14;
    • 17 eine Draufsicht auf eine kathodenseitige Bipolarplattenlage der Bipolarplatte einer der elektrochemischen Einheiten aus 1;
    • 18 eine Draufsicht auf eine anodenseitige Bipolarplattenlage der Bipolarplatte einer der elektrochemischen Einheiten der Anordnung aus 1;
    • 19 eine Draufsicht auf das Elastomerteil des ersten Dichtelements einer der elektrochemischen Einheiten der Anordnung aus 1;
    • 20 eine Draufsicht auf das zweite Dichtelement einer der elektrochemischen Einheiten der Anordnung aus 1, wobei dieses zweites Dichtelement nur ein Elastomerteil umfasst;
    • 21 eine Draufsicht auf das erste Dichtelement einer der elektrochemischen Einheiten der Anordnung aus 1, wobei das erste Dichtelement ein Elastomerteil und einen formstabilen Rahmen umfasst;
    • 22 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs VIII aus 21;
    • 23 einen Querschnitt durch das erste Dichtelement aus den 21 und 22 in einem Entlüftungsbereich des Rahmens;
    • 24 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs IX aus 21;
    • 25 einen Querschnitt durch das erste Dichtelement aus 24 im Bereich einer Strömungsfeld-Abdichtung, längs der Linie 25 - 25 in 24;
    • 26 einen Querschnitt durch das erste Dichtelement aus 24 im Bereich einer Kopplungsöffnung in dem Elastomerteil des ersten Dichtelements, längs der Linie 26 - 26 in 24;
    • 27 einen Querschnitt durch das erste Dichtelement aus 24 im Bereich einer Mediumkanal-Abdichtung, längs der Linie 27 - 27 in 24;
    • 28 einen der 13 entsprechenden Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer Anordnung aus mehreren elektrochemischen Einheiten im Bereich einer Kopplungseinrichtung, durch welche der Rahmen des ersten Dichtelements einer elektrochemischen Einheit mit einer benachbarten Bipolarplatte gekoppelt ist;
    • 29 eine Draufsicht auf einen Abschnitt eines ersten Dichtelements einer elektrochemischen Einheit bei einer dritten Ausführungsform, bei welcher der Rahmen des ersten Dichtelements mehrteilig ausgebildet ist und längs seines Umfangs mindestens einen Spalt aufweist, der zwei Rahmenteile des Rahmens voneinander trennt;
    • 30 einen parallel zur Stapelrichtung genommenen Querschnitt durch eine Anordnung aus mehreren elektrochemischen Einheiten bei einer vierten Ausführungsform der elektrochemischen Vorrichtung, bei welcher der Rahmen des Rahmen-Dichtelements gestuft ausgebildet ist, längs der Linie 30 - 30 in 1;
    • 31 Querschnitt durch eine fünfte Ausführungsform der elektrochemischen Vorrichtung, bei welcher der Rahmen des Rahmen-Dichtelements als ein in das Elastomermaterial des Elastomerteils eingebettetes metallisches Einlegeteil ausgebildet ist, welches einen äußeren Rahmenbereich und einen inneren Rahmenbereich umfasst, wobei der äußere Rahmenbereich über einen gebogenen Bereich mit dem inneren Rahmenbereich verbunden ist und mit dem inneren Rahmenbereich einen stumpfen Winkel einschließt;
    • 32 einen den 30 und 31 entsprechenden Querschnitt durch eine sechste Ausführungsform der elektrochemischen Vorrichtung, bei welcher der Rahmen mit einer Dichtlippe versehen ist, welche von dem Elastomerteil beabstandet und zwischen dem Elastomerteil und einem äußeren Rand des Rahmens des Rahmen-Dichtelements angeordnet ist;
    • 33 eine ausschnittsweise Draufsicht von oben auf den Rahmen eines Rahmen-Dichtelements bei einer Variante der ersten Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung, bei welcher eine an dem Rahmen vorgesehene Ausnehmung als eine Durchtrittsöffnung mit einem geschlossenen Rand ausgebildet ist; und
    • 34 einen der 6 entsprechenden Querschnitt durch eine siebte Ausführungsform der elektrochemischen Vorrichtung, bei welcher die Bauteile von einander in der Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung benachbarten elektrochemischen Einheiten identisch miteinander ausgebildet und ohne Verdrehung um einen Winkel von 180° um eine parallel zur Stapelrichtung verlaufende mittige Drehachse, also mit identischer Orientierung, im Stapel montiert sind.
  • Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
  • Eine als Ganzes mit 100 bezeichnete elektrochemische Vorrichtung, beispielsweise eine Brennstoffzellenvorrichtung oder ein Elektrolyseur, umfasst einen Stapel 102, der mehrere in einer Stapelrichtung 104 aufeinanderfolgende elektrochemische Einheiten 106, beispielsweise Brennstoffzelleneinheiten oder Elektrolyseeinheiten, und eine (nicht dargestellte) Spannvorrichtung zum Beaufschlagen der elektrochemischen Einheiten 106 mit einer längs der Stapelrichtung 104 gerichteten Spannkraft umfasst.
  • Wie am besten aus 2 zu ersehen ist, umfasst jede elektrochemische Einheit 106 der elektrochemischen Vorrichtung 100 jeweils eine erste Gasdiffusionslage 108, eine zweite Gasdiffusionslage 110, eine zwischen den Gasdiffusionslagen 108 und 110 angeordnete Membran 112, insbesondere eine katalysatorbeschichtete Membran (CCM), ein stoffschlüssig mit der ersten Gasdiffusionslage 108 verbundenes erstes Dichtelement 114, ein stoffschlüssig mit der zweiten Gasdiffusionslage 110 verbundenes zweites Dichtelement 116 und eine Bipolarplatte 118.
  • Die Bipolarplatte 118 ist beispielsweise aus einem metallischen Material oder aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoffmaterial gebildet.
  • Jede Bipolarplatte 118 umfasst bei der zeichnerisch dargestellten Ausführungsform eine erste Bipolarplattenlage 120, welche der ersten Gasdiffusionslage 108 der jeweiligen elektrochemischen Einheit 106 zugewandt ist, und eine zweite Bipolarplattenlage 122, welche der ersten Gasdiffusionslage 108 der jeweiligen elektrochemischen Einheit 106 abgewandt und der zweiten Gasdiffusionslage 110 einer benachbarten elektrochemischen Einheit 106' zugewandt ist.
  • Die beiden Bipolarplattenlagen 120 und 122 jeder Bipolarplatte 118 sind stoffschlüssig, insbesondere durch Verschweißung, beispielsweise durch Laserschweißung, fluiddicht aneinander festgelegt.
  • Die erste Bipolarplattenlage 120 ist einzeln in 18 dargestellt.
  • Die zweite Bipolarplattenlage 122 ist einzeln in 17 dargestellt.
  • An ihrem äußeren Umfang ist die zweite Bipolarplatte 122 mit mindestens einer Kontaktierungslasche 121 versehen, an welcher die Bipolarplatte 118 mit einem (nicht dargestellten) Spannungsabgriffselement kontaktierbar ist.
  • Ferner ist die zweite Bipolarplattenlage 122 an ihrem äußeren Umfang mit mindestens einer Stapelkante 123 versehen, an welcher während eines Assembliervorgangs der elektrochemischen Vorrichtung 100 ein (nicht dargestelltes) Stapelhilfsmittel angreifen kann, um die Bauteile des Stapels 102 präzise auszurichten.
  • Die Kontaktierungslasche 121 und/oder die Stapelkante 123 können alternativ oder ergänzend hierzu auch an der ersten Bipolarplattenlage 120 angeordnet sein.
  • Das erste Dichtelement 114 ist einzeln in 21 dargestellt.
  • Das zweite Dichtelement 116 ist einzeln in 20 dargestellt.
  • Die erste Gasdiffusionslage 108 kann beispielsweise eine anodenseitige Gasdiffusionslage der elektrochemischen Einheit 106 sein.
  • Die zweite Gasdiffusionslage 110 kann beispielsweise eine kathodenseitige Gasdiffusionslage der elektrochemischen Einheit 106 sein.
  • Grundsätzlich können aber auch Anodenseite und Kathodenseite der elektrochemischen Einheit 106 miteinander vertauscht werden, so dass dann die erste Gasdiffusionslage 108 die kathodenseitige Gasdiffusionslage und die zweite Gasdiffusionslage 110 die anodenseitige Gasdiffusionslage ist.
  • Die Bauteile der benachbarten elektrochemischen Einheit 106' sind vorzugsweise identisch mit den Bauteilen der elektrochemischen Einheit 106 ausgebildet, jedoch um einen Winkel von 180° um eine parallel zur Stapelrichtung 104 verlaufende mittige Drehachse zueinander verdreht im Stapel 102 montiert.
  • Das erste Dichtelement 114 ist als ein Rahmen-Dichtelement 124 ausgebildet, welches ein in 19 einzeln dargestelltes Elastomerteil 126 und einen in 14 einzeln dargestellten Rahmen 128 umfasst.
  • Das Elastomerteil 126 ist aus einem Elastomermaterial, beispielsweise aus einem Silikonmaterial, gebildet.
  • Der Rahmen 128 ist aus einem Material gebildet, das eine höhere Formstabilität aufweist als das Elastomermaterial, aus dem das Elastomerteil 126 gebildet ist.
  • Als Material für den Rahmen 128 kann beispielsweise ein Werkstoff mit der Bezeichnung PPS GF40 verwendet werden, welcher ein Polyphenylensulfid-Material mit einem Zusatz von Glasfasern in einem Anteil von 40 Gewichtsprozent Glasfasern enthält.
  • Alternativ oder ergänzend hierzu kann als Material für den Rahmen 128 ein Werkstoff mit der Bezeichnung PPA GF35 verwendet werden, welcher ein Polyphtalamid-Material mit einem Zusatz von Glasfasern in einem Anteil von 35 Gewichtsprozent Glasfasern enthält.
  • Ferner kann als Material für den Rahmen 128 ein Leiterplattenwerkstoff verwendet werden, insbesondere ein Hartpapier.
  • Insbesondere kann als Material für den Rahmen 128 ein flammhemmendes Leiterplatten-Basismaterial, beispielsweise das Leiterplatten-Basismaterial mit der Bezeichnung FR2, FR3 oder FR4 (dabei steht „FR“ für „flame retardant“, also flammhemmend), verwendet werden.
  • Das Leiterplatten-Basismaterial FR2 umfasst ein Papier in Standardqualität und Phenolharz.
  • Das Leiterplatten-Basismaterial FR3 umfasst einen Kern aus Epoxidharz und Papier.
  • Das Leiterplatten-Basismaterial FR4 umfasst ein Epoxidharz und ein Glasfasergewebe.
  • Bei Verwendung eines der vorstehend genannten Materialien für den Rahmen 128 kann das erste Dichtelement 114 durch ein Spritzgießverfahren hergestellt werden, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    • - Einbringen der ersten Gasdiffusionslage 108 in ein (nicht dargestelltes) Formgebu ngswerkzeug;
    • - Einbringen des Rahmens 128 als Einlegeteil in das Formgebungswerkzeug;
    • - Erzeugen des Elastomerteils 126, welches stoffschlüssig mit der ersten Gasdiffusionslage 108 und stoffschlüssig mit dem Rahmen 128 verbunden ist, durch einen Spritzgießvorgang in dem Formgebungswerkzeug.
  • Alternativ hierzu kann das erste Dichtelement 114 auch in einem Mehr-Komponenten-Spritzgießverfahren, insbesondere in einem Zwei-Komponenten-Spritzgießverfahren, hergestellt werden, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    • - Einbringen der ersten Gasdiffusionslage 108 in ein Formgebungswerkzeug;
    • - Erzeugen des Rahmens 128 durch einen Spritzgießvorgang in dem Formgebungswerkzeug, wobei der Rahmen 128 beispielsweise aus einem Polybuthylen-Teraphthalat (PBTP), aus dem Werkstoff mit der Bezeichnung PPS GF40 (Polyphenylensulfid mit einem Zusatz von Glasfasern in einem Anteil von 40 Gewichtsprozent Glasfasern) oder aus dem Werkstoff mit der Bezeichnung PPA GF35 (Polyphtalamid mit einem Zusatz von Glasfasern in einem Anteil von 35 Gewichtsprozent Glasfasern) gebildet wird;
    • - Erzeugen des Elastomerteils 126, welches stoffschlüssig mit der ersten Gasdiffusionslage und stoffschlüssig mit dem Rahmen 128 verbunden ist, durch einen zweiten Spritzgießvorgang in dem Formgebungswerkzeug.
  • Jede Bipolarplattenlage 120, 122 und das Elastomerteil 126 des Rahmen-Dichtelements 124 weist jeweils mehrere Medium-Durchtrittsöffnungen 130 auf, durch welche jeweils ein der elektrochemischen Vorrichtung 100 zuzuführendes fluides Medium (im Falle einer Brennstoffzellenvorrichtung beispielsweise ein Brenngas, ein Oxidationsmittel oder ein Kühlmittel) durch die jeweilige Bipolarplattenlage 120, 122 beziehungsweise durch das Elastomerteil 126 des Rahmen-Dichtelements 124 hindurchtreten kann.
  • Die Medium-Durchtrittsöffnungen 130 der im Stapel 102 aufeinanderfolgenden Bipolarplattenlagen 120, 122 und der dazwischen angeordneten Elastomerteile 126 der Rahmen-Dichtelemente 124 bilden zusammen jeweils einen Mediumkanal 132.
  • Jedem Mediumkanal 132, durch welchen ein fluides Medium der elektrochemischen Vorrichtung 100 zuführbar ist, ist jeweils mindestens ein anderer Mediumkanal 132 zugeordnet, durch welchen das betreffende fluide Medium aus der elektrochemischen Vorrichtung 100 abführbar ist.
  • Durch ein dazwischenliegendes Strömungsfeld, welches vorzugsweise an einer Oberfläche einer benachbarten Bipolarplattenlage 120, 122 oder (insbesondere im Falle eines Kühlmittel-Strömungsfelds) im Zwischenraum zwischen der ersten Bipolarplattenlage 120 und der zweiten Bipolarplattenlage 122 einer Bipolarplatte 118 ausgebildet ist, kann das Medium aus dem ersten Mediumkanal 132 quer, vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht, zu der Stapelrichtung 104 zu dem jeweils zugeordneten zweiten Mediumkanal 132 strömen.
  • In den 1, 17, 18 und 19 sind beispielsweise zwei Mediumkanäle 134 für ein Oxidationsmittel der elektrochemischen Vorrichtung 100, zwei Mediumkanäle 136 für ein Kühlmittel der elektrochemischen Vorrichtung 100 und zwei Mediumkanäle 138 für ein Brenngas oder ein Rest-Brenngas der elektrochemischen Vorrichtung 100 dargestellt.
  • Wie aus den 17 und 18 zu ersehen ist, steht jeder Mediumkanal 132 durch jeweils eine Strömungspforte 140 in Fluidverbindung mit einem jeweils zugeordneten Strömungsfeld.
  • Ein unerwünschtes Austreten der fluiden Medien aus dem Mediumkanälen 132 und den Strömungsfeldern der elektrochemischen Vorrichtung wird durch die Dichtelemente 114 und 116 der elektrochemischen Einheiten 106 vermieden.
  • Wie beispielsweise aus 2 zu ersehen ist, umfasst das Elastomerteil 126 des ersten Dichtelements 114 einen Strömungsfeld-Dichtbereich 142, welcher sich um ein Strömungsfeld, beispielsweise um das Strömungsfeld für das Brenngas, herum erstreckt und eine oder mehrere, bei der dargestellten Ausführungsform zwei, Dichtlippen 144 umfasst, welche an der ersten Bipolarplattenlage 120 der Bipolarplatte 118 fluiddicht anliegen, ohne an derselben festgelegt zu sein.
  • Ferner umfasst das Elastomerteil 126 des ersten Dichtelements 114, wie beispielsweise aus den 4 und 19 zu ersehen ist, mehrere Mediumkanal-Dichtbereiche 146, welche sich um jeweils einen Mediumkanal 132 herum erstrecken und an der ersten Bipolarplattenlage 120 der Bipolarplatte 118 derselben elektrochemischen Einheit 106 sowie an der zweiten Bipolarplattenlage 122 der Bipolarplatte 118 einer benachbarten elektrochemischen Einheit 106' fluiddicht anliegen, ohne an diesen Bipolarplattenlagen 120 beziehungsweise 122 festgelegt zu sein.
  • Der Mediumkanal-Dichtbereich 146 weist vorzugsweise eine oder mehrere Dichtlippen 148 auf, mit denen das Elastomerteil 126 an der ersten Bipolarplattenlage 120 anliegt.
  • Ferner umfasst der Mediumkanal-Dichtbereich 146 vorzugsweise eine oder mehrere Dichtlippen 150, mit denen das Elastomerteil 126 an der zweiten Bipolarplattenlage 122 der benachbarten elektrochemischen Einheit 106 anliegt.
  • Das zweite Dichtelement 116 umfasst, wie beispielsweise aus 2 und 20 zu ersehen ist, einen Strömungsfeld-Dichtbereich 152, welcher sich um ein Strömungsfeld der elektrochemischen Einheit 106, beispielsweise um das Strömungsfeld für Oxidationsmittel, herum erstreckt.
  • Der Strömungsfeld-Dichtbereich 152 des zweiten Dichtelements 116 umfasst vorzugsweise eine oder mehrere Dichtlippen 154, mit denen das zweite Dichtelement 116 an einer zweiten Bipolarplattenlage 122 einer benachbarten elektrochemischen Einheit fluiddicht anliegt, ohne an der Bipolarplattenlage 122 festgelegt zu sein.
  • Ferner liegen der Strömungsfeld-Dichtbereich 152 des zweiten Dichtelements 116 und der Strömungsfeld-Dichtbereich 142 des ersten Dichtelements 114 mit ihren einander zugewandten, vorzugsweise im Wesentlichen ebenen Kontaktflächen 156a beziehungsweise 156b fluiddicht aneinander an, ohne aneinander festgelegt zu sein.
  • Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Rahmen 128 des ersten Dichtelements 114 nicht direkt mit der ersten Gasdiffusionslage 108 verbunden, mit welcher das Elastomerteil 126 des ersten Dichtelements 114 stoffschlüssig verbunden ist.
  • Der Rahmen 128 umfasst aber einen Rahmen-Kontaktbereich 158, an welchem der Rahmen 128 stoffschlüssig mit dem Elastomerteil 126 verbunden ist (siehe insbesondere die 2 und 4).
  • Der Rahmen 128 ist zur verbesserten Anbindung des Elastomerteils 126 an den Rahmen 128 in dem Rahmen-Kontaktbereich 158 abgeflacht ausgebildet; die Ausdehnung des Rahmens 128 längs der Stapelrichtung 104 ist somit in dem Rahmen-Kontaktbereich 158 geringer als in dem an den Rahmen-Kontaktbereich 158 angrenzenden Rahmen-Grundkörper 160.
  • Das Elastomerteil 126 umfasst einen oberen Elastomerteil-Kontaktbereich 162, der in der Stapelrichtung 104 über dem Rahmen-Kontaktbereich 158 angeordnet ist, und einen unteren Elastomerteil-Kontaktbereich 164, der in der Stapelrichtung 104 unter dem Rahmen-Kontaktbereich 158 angeordnet ist.
  • Wie aus den 4, 23 und 27 zu ersehen ist, umfasst das Elastomerteil 126 mindestens einen, vorzugsweise mehrere Elastomerteil-Hinterschneidungsbereiche 166, welche jeweils einen Bereich des Rahmens 128 hintergreifen (in einer zur Stapelrichtung 104 senkrechten Hinterschneidungsrichtung 168 gesehen).
  • Ferner umfasst der Rahmen 128 mindestens einen, vorzugsweise mehrere, Rahmen-Hinterschneidungsbereiche 170, welche jeweils einen Bereich des Elastomerteils 126 hintergreifen.
  • Wie insbesondere aus den 4 und 27 zu ersehen ist, kann der Rahmen 128 insbesondere mindestens eine Durchtrittsöffnung 172 aufweisen, durch welche das Elastomerteil 126 sich hindurch erstreckt.
  • Ferner umfasst der Rahmen 128 mindestens eine Ausnehmung 174 (siehe 15 und 16), die an einer Mündungsöffnung 176 mündet, welche an einem elastomerteilseitigen Rand 178 des Rahmens 128 angeordnet ist, wobei die Ausnehmung 174 eine der Mündungsöffnung 176 benachbarte Engstelle 180 und einen erweiterten Bereich 182, welcher über die Engstelle 180 mit der Mündungsöffnung 176 der Ausnehmung 174 verbunden ist, umfasst.
  • Bei einer Variante dieser Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 kann vorgesehen sein, dass die Ausnehmung 174 nicht an einer Mündungsöffnung 176 mündet, sondern als eine Durchtrittsöffnung 224 in dem Rahmen 128 ausgebildet ist, welche einen ringförmig geschlossenen Rand 226 aufweist. Das Elastomerteil 126 erstreckt sich durch diese Durchtrittsöffnung 224 hindurch, wodurch eine besonders belastbare formschlüssige Verbindung zwischen dem Elastomerteil 126 und dem Rahmen 128 erzielt wird, weil ein zwischen der Durchtrittsöffnung 224 und einem inneren Rand 227 des Rahmens 128 liegender Rahmen-Hinterschneidungsbereich 228 das Elastomerteil 126 hintergreift.
  • Wie aus 1 zu ersehen ist, stehen die Kontaktierungslaschen 121 und die Stapelränder 123 der Bipolarplatte 118 seitlich, in einer zur Stapelrichtung 104 senkrechten Richtung, über den Rahmen 124 über.
  • Um die Rahmen 128 der ersten Dichtelemente 114 von in der Stapelrichtung 104 aufeinanderfolgenden elektrochemischen Einheiten 106 in einfacher Weise präzise relativ zueinander positionieren zu können, weist der Rahmen 128 mindestens ein Positionierelement 184 auf, das mit einer Positionieröffnung 186 des ersten Dichtelements 114 einer benachbarten elektrochemischen Einheit 106' in Eingriff steht (siehe 12 und 13).
  • Das Positionierelement 184 ist beispielsweise als ein in der Stapelrichtung 104 von dem Rahmen-Grundkörper 160 vorstehender, beispielsweise im Wesentlichen zylindrischer, Zapfen 188 ausgebildet.
  • Die Positionieröffnung 186 ist in dem Elastomerteil 126 des ersten Dichtelements 114 der benachbarten elektrochemischen Einheit 106 ausgebildet und weist vor der Assemblierung der elektrochemischen Vorrichtung 100 ein Untermaß gegenüber dem Positionierelement 184 auf, welches bei der Assemblierung in die Positionieröffnung 186 eingebracht wird.
  • Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Durchmesser der Positionieröffnung 186 vor der Assemblierung kleiner ist als der Außendurchmesser des Positionierelements 184, vorzugsweise um mindestens 0,1 mm, insbesondere um mindestens 0,2 mm.
  • Das Positionierelement 184 ist somit durch Kraftschluss, insbesondere durch Presspassung, mechanisch mit dem Elastomerteil 126, in welchem die Positionieröffnung 186 ausgebildet ist, gekoppelt.
  • Das Positionierelement 184 bildet somit auch ein Kopplungselement 190, und die Positionieröffnung 186 bildet eine Kopplungsöffnung 192, wobei das Kopplungselement 190 und die Kopplungsöffnung 192 zusammen eine Kopplungseinrichtung 194 bilden, durch welche das erste Dichtelement 114 der einen elektrochemischen Einheit 106 mechanisch mit dem ersten Dichtelement 114 der benachbarten elektrochemischen Einheit 106' gekoppelt ist.
  • Das Kopplungselement 190 beziehungsweise das Positionierelement 184 erstreckt sich durch eine Durchtrittsöffnung 196 in den Bipolarplattenlagen 120 und 122 der zwischen dem ersten Dichtelement 114 der einen elektrochemischen Einheit 106 und dem ersten Dichtelement 114 der benachbarten elektrochemischen Einheit 106' angeordneten Bipolarplatte 118 hindurch.
  • Die elektrochemische Vorrichtung 100 umfasst ferner eine in 6 dargestellte weitere Kopplungseinrichtung 198, durch welche das zweite Dichtelement 116 der einen elektrochemischen Einheit 106 mechanisch mit dem Rahmen 128 des ersten Dichtelements 114 derselben elektrochemischen Einheit 106 und mit der dem ersten Dichtelement 114 benachbarten Bipolarplatte 118 gekoppelt ist.
  • Diese weitere Kopplungseinrichtung 198 umfasst ein als Napf oder Pilzkopf 200 ausgebildetes Kopplungselement 190, welches einstückig mit dem aus Elastomermaterial gebildeten zweiten Dichtelement 116 ausgebildet ist und sich durch eine Kopplungsöffnung 192 hindurch erstreckt, welche im Rahmen 128 des ersten Dichtelements 114 vorgesehen ist.
  • Das Kopplungselement 198 weist einen Hinterschneidungsbereich 202 auf, welcher den Rand der Kopplungsöffnung 192 in dem Rahmen 128 des ersten Dichtelements 114 (in der Stapelrichtung 104 gesehen) hintergreift.
  • Das Kopplungselement 190 der weiteren Kopplungseinrichtung 198 steht auch in Eingriff mit einer weiteren Kopplungsöffnung 204, die in den Bipolarplattenlagen 120 und 122 der dem ersten Dichtelement 114 benachbarten Bipolarplatte 118 vorgesehen ist.
  • Somit ist das zweite Dichtelement 116 durch die weitere Kopplungseinrichtung 198 auch mit der Bipolarplatte 118 gekoppelt.
  • Wie am besten aus 20 zu ersehen ist, ist das Kopplungselement 190 der weiteren Kopplungseinrichtung 198 an einer Lasche 206 des zweiten Dichtelements 116 angeordnet, welche außerhalb des Strömungsfeld-Dichtbereichs 152 des zweiten Dichtelements 116 angeordnet ist und sich von dem Strömungsfeld-Dichtbereich 152 des zweiten Dichtelements 116 weg erstreckt.
  • Die Kopplungseinrichtung 198 ist als eine Rasteinrichtung 208 ausgebildet, durch welche das zweite Dichtelement 116 der elektrochemischen Einheit 106 mit dem ersten Dichtelement 114 derselben elektrochemischen Einheit 106 verrastet ist.
  • Das Kopplungselement 190 der Kopplungseinrichtung 198 weist einen Hohlraum 210 auf, in welchen bei der Assemblierung der elektrochemischen Einheit 106 ein Positionierstift einer Handhabungsvorrichtung, beispielsweise eines Roboters, eingreifen kann, um das zweite Dichtelement 116 im Bereich der Kopplungseinrichtung 198 relativ zu dem ersten Dichtelement 114 zu positionieren.
  • Ferner weist der Rahmen 128 eine oder mehrere Handhabungs-Durchtrittsöffnungen 222 auf, welche insbesondere in den 1, 6, 8 und 12 dargestellt sind und nicht mit Elastomermaterial des Elastomerteils 126 befüllt sind. In diese Handhabungs-Durchtrittsöffnungen 222 kann eine Handhabungsvorrichtung bei der Assemblierung der elektrochemischen Einheit 106 oder der elektrochemischen Vorrichtung 100 eingreifen, um das erste Dichtelement 114 relativ zu anderen Bauteilen zu positionieren.
  • Der Rahmen 128 des ersten Dichtelements 114 umfasst einen in den 21 und 22 dargestellten Entlüftungsbereich 212, über welchen eine Kavität des Formgebungswerkzeugs während der Befüllung der Kavität mit dem Elastomermaterial des Elastomerteils 126 entlüftet wird.
  • Im fertig hergestellten ersten Dichtelement 114 ist der Entlüftungsbereich 212 mit dem Elastomermaterial des Elastomerteils 126 gefüllt, wobei das im Entlüftungsbereich 212 angeordnete Elastomermaterial Luftblasen enthält, welche bei der Befüllung des Entlüftungsbereichs 212 während des Spritzgießvorgangs gebildet worden sind. In dem Entlüftungsbereich 212, welcher außerhalb der Mediumkanal-Dichtbereiche 146 und des Strömungsfeld-Dichtbereichs 142 des ersten Dichtelements 114 liegt, beeinträchtigen diese Luftblasen im Elastomermaterial die Abdichtfunktion des ersten Dichtelements 114 jedoch nicht.
  • Der Entlüftungsbereich 212 muss daher nach der Herstellung des ersten Dichtelements 114 in einem Spritzgießverfahren nicht abgetrennt werden, sondern kann an dem ersten Dichtelement 114 verbleiben, welches zur Assemblierung der elektrochemischen Einheit 106 und der elektrochemischen Vorrichtung 100 verwendet wird.
  • In einem Eintrittsbereich 214 des Entlüftungsbereichs 212, durch welchen das Elastomermaterial beim Spritzgießvorgang in den Entlüftungsbereich 212 eindringt, weist der Rahmen 128 eine geringere Dicke, das heißt eine geringere Ausdehnung in der Stapelrichtung 104, auf als in den an den Eintrittsbereich 214 angrenzenden Bereichen des Rahmen-Grundkörpers 160.
  • Von dem Eintrittsbereich 114 ausgehend steigt die Dicke des Rahmens 128 im Entlüftungsbereich 212 bis zu einem Endbereich 216 oder bis zu mehreren, beispielsweise zwei, Endbereichen 216 des Entlüftungsbereichs 212 hin an.
  • Dieser Anstieg der Dicke des Rahmens 128 vom Eintrittsbereich 214 bis zu dem Endbereich 216 oder bis zu den Endbereichen 216 des Entlüftungsbereichs 212 erfolgt vorzugsweise im Wesentlichen kontinuierlich.
  • Der Entlüftungsbereich 212 ist vorzugsweise an einer Stelle angeordnet, an welcher zwei Elastomer-Anspritzbereiche des Elastomerteils zusammenfließen. Bei der Herstellung dieses Elastomerteils wird jeder der Elastomer-Anspritzbereiche durch einen Elastomer-Anspritzpunkt mit einem fließfähigen Elastomer-Ausgangsmaterial befüllt. Je mehr solcher Elastomer-Anspritzpunkte und damit Elastomer-Anspritzbereiche es gibt, desto höher ist die Anzahl der Entlüftungsbereiche 212 des Rahmens 128.
  • Das Vorhandensein eines Entlüftungsbereichs 212 ist jedoch nicht zwingend notwendig. Grundsätzlich kann der Rahmen 128 auch ohne einen Entlüftungsbereich 212 ausgebildet sein.
  • Eine in 28 ausschnittsweise dargestellte zweite Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 unterscheidet sich von der in den 1 bis 27, insbesondere in der der 28 entsprechenden 13, dargestellten und vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform dadurch, dass das Positionierelement 184 nicht durch Presspassung kraftschlüssig mit dem Elastomerteil 126 des ersten Dichtelements 114 der benachbarten elektrochemischen Einheit 106 verbunden ist, sondern lediglich mit Spiel in eine Positionieröffnung 186 eingreift, welche an dem Rahmen 128 des ersten Dichtelements 114 der benachbarten elektrochemischen Einheit 106' vorgesehen ist.
  • Stattdessen wird das erste Dichtelement der elektrochemischen Einheit bei dieser Ausführungsform präzise relativ zu der benachbarten Bipolarplatte 118 positioniert, indem das Positionierelement 184 in Form des Zapfens 188 mit geringem Spiel in Eingriff mit einer Positionieröffnung 186' steht, die an der Bipolarplatte 118, insbesondere an der dem ersten Dichtelement 114 abgewandten zweiten Bipolarplattenlage 122, ausgebildet ist.
  • Das Positionierelement 184 bildet zugleich ein Kopplungselement 190, das an dem ersten Dichtelement 114 der elektrochemischen Einheit 106 vorgesehen ist und in Eingriff mit der als Kopplungsöffnung 192 dienenden Positionieröffnung 186' der Bipolarplatte 118 steht.
  • Im Übrigen stimmt die in 28 dargestellte zweite Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in den 1 bis 27 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
  • Eine in 29 ausschnittsweise dargestellte dritte Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 unterscheidet sich von der in den 1 bis 27 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass der Rahmen 128 des ersten Dichtelements 114 nicht einstückig ausgebildet ist, sondern zwei oder mehr separate Rahmenteile 218 umfasst und längs seinen Umfangs mindestens einen Spalt 220 aufweist, der zwei Rahmenteile 218 des Rahmens 128 voneinander trennt.
  • Der Spalt 220 ist vorzugsweise mit Elastomermaterial des Elastomerteils 126 gefüllt.
  • Im Übrigen stimmt die in 29 dargestellte dritte Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in den 1 bis 27 dargestellten ersten Ausführungsform oder mit der in 28 dargestellten zweiten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
  • Eine in 30 ausschnittsweise dargestellte vierte Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen und in den 1 bis 27 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass der Rahmen 128 des Rahmen-Dichtelements 124 gestuft ausgebildet ist, wobei ein dem Elastomerteil 126 abgewandter äußerer Rahmenbereich 230 gegenüber einem dem Elastomerteil 126 zugewandten inneren Rahmenbereich 232 längs der Stapelrichtung 104 der elektrochemischen Vorrichtung 100 versetzt ist.
  • Hierdurch entsteht zwischen dem äußeren Rahmenbereich 230 und dem inneren Rahmenbereich 232 eine Stufe 234.
  • Durch das Zusammenwirken der Stufen 234 von einander benachbarten Rahmen 128 ist jeweils ein gestufter Rahmen 128 an einem in der Stapelrichtung benachbarten gestuften Rahmen 128 zentrierbar.
  • Außerdem kann durch die gestufte Ausbildung des Rahmens 128 die Steifigkeit des Rahmens 128 erhöht und/oder ein besserer Berührschutz für die durch die Rahmen 128 nach außen hin abgedeckten Bipolarplatten 118 erzielt werden.
  • Im Übrigen stimmt die in 30 dargestellte vierte Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in den 1 bis 27 dargestellten ersten Ausführungsform oder mit einer der in den 28 oder 29 dargestellten Ausführungsformen überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
  • Der in 30 gezeigte, parallel zur Stapelrichtung genommene Querschnitt durch die vierte Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 ist an der Stelle genommen, welche der Linie 30 - 30 in 1 bei der ersten Ausführungsform entspricht, wobei jedoch (anders als in 2, welche nur zwei elektrochemische Einheiten zeigt, die längs der Stapelrichtung 104 aufeinander folgen) vier elektrochemische Einheiten 106 dargestellt sind, welche längs der Stapelrichtung 104 aufeinander folgen.
  • Eine ausschnittsweise in 31 dargestellte fünfte Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 unterscheidet sich von der in den 1 bis 27 dargestellten und vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform dadurch, dass der Rahmen 128 des Rahmen-Dichtelements 124 als ein Einlegeteil 236 ausgebildet ist, welches zumindest abschnittsweise, vorzugsweise im Wesentlichen vollständig, in das Elastomermaterial des Elastomerteils 126 des jeweiligen Rahmen-Dichtelements 124 eingebettet ist.
  • Das Einlegeteil 236 ist vorzugsweise aus einem metallischen Material gebildet.
  • Das Einlegeteil 236 umfasst einen äußeren Rahmenbereich 230 und einen inneren Rahmenbereich 232, wobei der äußere Rahmenbereich 230 über einen gebogenen Bereich 238 mit dem inneren Rahmenbereich 232 verbunden ist und mit dem inneren Rahmenbereich 232 einen stumpfen Winkel α einschließt.
  • Der Winkel α ist vorzugsweise größer als 100°, insbesondere größer als 110°.
  • Ferner ist der Winkel α vorzugsweise kleiner als 160°, insbesondere kleiner als 150°.
  • Beispielsweise kann der Winkel α ungefähr 140° betragen.
  • Durch den gewinkelten Aufbau des Rahmens 128 wird die Steifigkeit des Rahmens 128 erhöht und/oder der Berührschutz für die durch die Rahmen 128 nach außen hin abgedeckten Bipolarplatten 118 der elektrochemischen Vorrichtung 100 verbessert.
  • Im Übrigen stimmt die in 31 dargestellte fünfte Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in den 1 bis 27 dargestellten ersten Ausführungsform oder mit einer der in den 28 und 29 dargestellten Ausführungsformen überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
  • Der in 31 gezeigte, parallel zur Stapelrichtung genommene Querschnitt durch die fünfte Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 ist an einer Stelle genommen, welche der Stelle der vierten Ausführungsform entspricht, an welcher der in 30 gezeigte Querschnitt durch die vierte Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 genommen worden ist.
  • Eine in 32 ausschnittsweise dargestellte sechste Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 unterscheidet sich von der in den 1 bis 27 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass der Rahmen 128 des Rahmen-Dichtelements 124 mit einer Dichtlippe 240 versehen ist, um einen Spalt 242 zwischen jeweils zwei längs der Stapelrichtung 104 der elektrochemischen Vorrichtung 100 aufeinanderfolgenden Rahmen 128 von Rahmen-Dichtelementen 124 einander benachbarter elektrochemischer Einheiten 106 zu überbrücken.
  • Durch die Dichtlippen 240 wird ein Entweichen eines Mediums aus der elektrochemischen Vorrichtung 100 verhindert und/oder eine Verschmutzung der elektrochemischen Vorrichtung 100 durch von außen eindringende Medien verhindert.
  • Die Dichtlippe 240 ist vorzugsweise aus einem Elastomermaterial gebildet.
  • Das Elastomermaterial der Dichtlippe 240 kann mit dem Elastomermaterial des Elastomerteils 126 des Rahmen-Dichtelements 124 identisch sein.
  • Die Dichtlippe 240 ist von dem Elastomerteil 126 des Rahmen-Dichtelements 124 beabstandet.
  • Vorzugsweise ist die Dichtlippe 240 zwischen dem Elastomerteil 126 des Rahmen-Dichtelements 124 und einem äußeren Rand 244 des Rahmens 128 des Rahmen-Dichtelements 124 angeordnet.
  • Die Dichtlippe 240 ist somit in einer senkrecht zur Stapelrichtung 104 verlaufenden Richtung von dem Elastomerteil 126 beabstandet.
  • Im Übrigen stimmt die in 32 dargestellte sechste Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in den 1 bis 27 dargestellten ersten Ausführungsform oder mit einer der in den 28 oder 29 dargestellten Ausführungsformen überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
  • Der in 32 dargestellte Querschnitt durch die sechste Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 ist an einer Stelle genommen, welche der Stelle entspricht, an der der in 30 gezeigte Querschnitt durch die vierte Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 genommen worden ist.
  • Eine in 34 ausschnittsweise dargestellte siebte Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 unterscheidet sich von der in den 1 bis 27 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass die Bauteile der einander benachbarten elektrochemischen Einheiten 106 und 106' nicht nur identisch miteinander ausgebildet sind, sondern auch in derselben Orientierung im Stapel 102 der elektrochemischen Vorrichtung 100 montiert sind, also ohne eine Verdrehung um einen Winkel von 180° um eine parallel zur Stapelrichtung 104 verlaufende mittige Drehachse.
  • Wie aus 34 zu ersehen ist, welche der Darstellung von 6 für die erste Ausführungsform der elektrochemischen Vorrichtung 100 entspricht, liegen bei dieser sechsten Ausführungsform daher die Kopplungselemente 190 einander benachbarter elektrochemischer Einheiten 106 in der Stapelrichtung 104 direkt übereinander.
  • Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Kopplungselemente 190 von in der Stapelrichtung 104 einander benachbarten elektrochemischen Einheiten 106 im montierten Zustand der elektrochemischen Vorrichtung 100 einander unmittelbar berühren.
  • Um die Kopplungselemente 190 einander benachbarter elektrochemischer Einheiten 106 direkt aufeinander stapeln zu können, kann vorgesehen sein, dass die Kopplungselemente 190 filigraner und mit einer geringeren Höhe (längs der Stapelrichtung 104 gemessen) ausgebildet sind als bei der ersten Ausführungsform der elektrochemischen Vorrichtung 100.
  • Im Übrigen stimmt die in 34 dargestellte siebte Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in den 1 bis 27 dargestellten ersten Ausführungsform oder mit einer der in den 28 bis 32 dargestellten Ausführungsformen überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.

Claims (18)

  1. Elektrochemische Vorrichtung, umfassend mehrere, längs einer Stapelrichtung (104) aufeinanderfolgende elektrochemische Einheiten (106), welche jeweils eine Membran (112), eine erste Gasdiffusionslage (108), eine zweite Gasdiffusionslage (110), ein stoffschlüssig mit der ersten Gasdiffusionslage (108) verbundenes erstes Dichtelement (114), ein stoffschlüssig mit der zweiten Gasdiffusionslage (110) verbundenes zweites Dichtelement (116) und eine Bipolarplatte (118) umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Dichtelemente (114, 116) als ein Rahmen-Dichtelement (124) ausgebildet ist, welches ein Elastomerteil (126) und einen Rahmen (128) umfasst, wobei der Rahmen (128) aus einem Material gebildet ist, dass eine höhere Formstabilität aufweist als das Elastomermaterial, aus dem das Elastomerteil (126) gebildet ist.
  2. Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (128) stoffschlüssig und/oder formschlüssig mit dem Elastomerteil (126) verbunden ist.
  3. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (128) nicht direkt mit der Gasdiffusionslage (108, 110) verbunden ist, mit welcher das Elastomerteil (126) stoffschlüssig verbunden ist.
  4. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (128) einen Rahmen-Kontaktbereich (158) umfasst, an welchem der Rahmen (128) stoffschlüssig und/oder formschlüssig mit dem Elastomerteil (126) verbindbar oder verbunden ist, und dass das Elastomerteil (126) einen oberen Elastomerteil-Kontaktbereich (162), der an der Stapelrichtung (104) über dem Rahmen-Kontaktbereich (158) angeordnet ist, und/oder einen unteren Elastomerteil-Kontaktbereich (164), der in der Stapelrichtung (104) unter dem Rahmen-Kontaktbereich (158) angeordnet ist, umfasst.
  5. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Elastomerteil (126) mindestens einen Elastomerteil-Hinterschneidungsbereich (166) umfasst, welcher einen Bereich des Rahmens (128) hintergreift, und/oder dass der Rahmen (128) mindestens einen Rahmen-Hinterschneidungsbereich (170) umfasst, welcher einen Bereich des Elastomerteils (126) hintergreift.
  6. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (128) mindestens eine Durchtrittsöffnung (172) aufweist, durch welche das Elastomerteil (126) sich hindurch erstreckt.
  7. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (128) mindestens eine Ausnehmung (124) umfasst, die an einer Mündungsöffnung (176) an einem elastomerteilseitigen Rand (178) des Rahmens (128) mündet, wobei die Ausnehmung (174) eine der Mündungsöffnung (176) benachbarte Engstelle (180) und einen erweiterten Bereich (182), der über die Engstelle (180) mit der Mündungsöffnung (176) verbunden ist, umfasst.
  8. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (128) mindestens ein Positionierelement (184) aufweist, das mit einer Positionieröffnung (186) eines Rahmen-Dichtelements (124) einer benachbarten elektrochemischen Einheit (106') in Eingriff steht.
  9. Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionieröffnung (186) in dem Elastomerteil (126) des Rahmen-Dichtelements (124) ausgebildet ist und vor der Montage der elektrochemischen Vorrichtung (100) ein Untermaß gegenüber dem Positionierelement (184) aufweist.
  10. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (128) mindestens ein Positionierelement (184) umfasst, das mit einer Positionieröffnung (186') einer dem Rahmen (128) benachbarten Bipolarplatte (118) in Eingriff steht.
  11. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (128) mindestens eine Handhabungs-Durchtrittsöffnung (222) aufweist, welche nicht mit Elastomermaterial befüllt ist.
  12. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (128) einen Entlüftungsbereich (212) aufweist, der mit Elastomermaterial des Elastomerteils (126) gefüllt ist, welches optional Luftblasen enthält.
  13. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (128) mehrteilig ausgebildet ist und längs seines Umfangs mindestens einen Spalt (220) aufweist, der zwei Rahmenteile (218) des Rahmens (128) voneinander trennt.
  14. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (128) gestuft ausgebildet ist, wobei ein dem Elastomerteil (126) abgewandter äußerer Rahmenbereich (230) gegenüber einem dem Elastomerteil (126) zugewandten inneren Rahmenbereich (232) längs der Stapelrichtung (104) versetzt ist.
  15. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein äußerer Rahmenbereich (230) des Rahmens (128) mit einem inneren Rahmenbereich (232) des Rahmens (128) einen stumpfen Winkel (α) einschließt.
  16. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (128) mit einer Dichtlippe (240) versehen ist, welche von dem Elastomerteil (126) beabstandet ist.
  17. Verfahren zum Herstellen eines Dichtelements (114) für eine elektrochemische Einheit (106) einer elektrochemischen Vorrichtung (100), welche mehrere längs einer Stapelrichtung aufeinanderfolgende elektrochemische Einheiten (106) umfasst, wobei die elektrochemischen Einheiten (106) jeweils eine Membran (112), eine erste Gasdiffusionslage (108), eine zweite Gasdiffusionslage (110) und eine Bipolarplatte (118) umfassen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: - Einbringen mindestens einer Gasdiffusionslage (108) in ein Formgebungswerkzeug; - Einbringen eines Rahmens (128) in das Formgebungswerkzeug oder Erzeugen des Rahmens (128) durch einen Spritzgießvorgang in dem Formgebungswerkzeug; - Erzeugen eines Elastomerteils (126), welches stoffschlüssig mit der Gasdiffusionslage (108) und stoffschlüssig und/oder formschlüssig mit dem Rahmen (128) verbunden ist, durch einen Spritzgießvorgang in dem Formgebungswerkzeug; wobei der Rahmen (128) aus einem Material gebildet ist, das eine höhere Formstabilität aufweist als das Elastomermaterial, aus dem das Elastomerteil (126) gebildet ist.
  18. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (128) einen Entlüftungsbereich (212) aufweist, über welchen eine Kavität des Formgebungswerkzeugs während der Befüllung der Kavität mit dem Elastomermaterial des Elastomerteils (126) entlüftet wird.
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