DE102010049548A1

DE102010049548A1 - Verfahren zur Herstellung einer Membrananordnung mit einer Elektrolytmembran für eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102010049548A1
Application number: DE102010049548A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Berger Klaus; Dr.-Ing. Keuerleber Martin; Dr.rer.nat. Scolari Matteo; Dipl.-Ing. Tober Harald
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2010-10-25
Filing date: 2010-10-25
Publication date: 2012-04-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Membrananordnung (1) mit einer Elektrolytmembran (2) für eine Brennstoffzelle. Erfindungsgemäß wird die Elektrolytmembran (2) und/oder zumindest eine an der Elektrolytmembran (2) angeordnete Katalysatorschicht (3, 4) an zumindest einem eine innere Ausschnittsfläche (5.1, 8.1) aufweisenden Rahmenelement (5, 8) derart befestigt, dass die Elektrolytmembran (2) und/oder die zumindest eine Katalysatorschicht (3, 4) die innere Ausschnittsfläche (5.1, 8.1) vollständig überdecken und/oder in die Ausschnittsfläche (5.1, 8.1) hineinragen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Membrananordnung mit einer Elektrolytmembran für eine Brennstoffzelle.
Aus der JP 2006 286 430 A ist eine mit einem Katalysator beschichtete Elektrolytmembran für eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle und ein Verfahren zur Herstellung der Elektrolytmembran bekannt, welche mit einer Dichtung verbunden ist. Die Elektrolytmembran umfasst eine Katalysator-Elektrode, welche aus einer Katalysatorschicht und einem Elektrodenmaterial gebildet ist. Die Katalysatorschicht und das Elektrodenmaterial sind beidseitig auf eine protonenleitfähige Elektrolytmembran aufgebracht. Die Dichtung ist ebenfalls jeweils beidseitig auf die Elektrolytmembran aufgebracht und umgibt die Katalysatorschicht rahmenförmig. Die Katalysatorschicht wird zumindest auf einer Seite der Elektrolytmembran durch eine innere Ausschnittsfläche der Dichtung auf der Oberfläche der Elektrolytmembran gebildet, wobei die Dichtung auf die Elektrolytmembran aufgeklebt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Membrananordnung mit einer Elektrolytmembran für eine Brennstoffzelle anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gelöst, welches die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
In dem Verfahren zur Herstellung einer Membrananordnung mit einer Elektrolytmembran für eine Brennstoffzelle wird erfindungsgemäß die Elektrolytmembran und/oder zumindest eine an der Elektrolytmembran angeordnete Katalysatorschicht an zumindest einem eine innere Ausschnittsfläche aufweisenden Rahmenelement derart befestigt, dass die Elektrolytmembran und/oder die zumindest eine Katalysatorschicht die innere Ausschnittsfläche vollständig überdecken und/oder in die Ausschnittsfläche hineinragen.
Mittels des Rahmenelements wird eine Abdichtung der Elektrolytmembran und/oder der Katalysatorschicht gegenüber einer Bipolarplatte, d. h. zwischen der Wasserstoffseite und der Sauerstoffseite innerhalb der Brennstoffzelle in einfacher Weise realisiert. In besonders vorteilhafter Weise wird die Elektrolytmembran oder die gesamte Membrananordnung im Randbereich mit dem Rahmenelement vergrößert. Das Rahmenelement ist dabei aus einem besonders kostengünstigen Material gebildet, so dass die Vergrößerung mit geringen Kosten realisierbar ist. Weiterhin resultiert aus der erfindungsgemäßen Ausbildung des Verfahrens die Möglichkeit einer besonders einfachen Herstellbarkeit der Membrananordnung und einer vereinfachten Handhabung der Elektrolytmembran während ihrer Herstellung, da nur wenige Bauteile und Werkstoffe verarbeitet werden. Auch können weitere Komponenten in einfacher Weise mit dem Rahmenelement verbunden, insbesondere verklebt werden. Die weiteren Komponenten umfassen beispielsweise ein oder mehrere Gasdiffusionslagen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1A schematisch einen Querschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels einer Membrananordnung für eine Brennstoffzelle,
1B schematisch eine Draufsicht der Membrananordnung gemäß 1A,
2A schematisch einen Querschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Membrananordnung für eine Brennstoffzelle,
2B schematisch eine Draufsicht der Membrananordnung gemäß 2A,
3A schematisch einen Querschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels einer Membrananordnung für eine Brennstoffzelle,
3B schematisch eine Draufsicht der Membrananordnung gemäß 3A,
4A schematisch einen Querschnitt eines vierten Ausführungsbeispiels einer Membrananordnung für eine Brennstoffzelle,
4B schematisch eine Draufsicht der Membrananordnung gemäß 4A,
5A schematisch einen Querschnitt eines fünften Ausführungsbeispiels einer Membrananordnung für eine Brennstoffzelle,
5B schematisch eine Draufsicht der Membrananordnung gemäß 5A,
6A schematisch einen Querschnitt eines sechsten Ausführungsbeispiels einer Membrananordnung für eine Brennstoffzelle,
6B schematisch eine Draufsicht der Membrananordnung gemäß 6A,
7A schematisch einen Querschnitt eines siebten Ausführungsbeispiels einer Membrananordnung für eine Brennstoffzelle und
7B schematisch eine Draufsicht der Membrananordnung gemäß 7A.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In den 1A und 1B ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Membrananordnung 1 für eine Brennstoffzelle dargestellt. Die Membrananordnung 1 umfasst eine Elektrolytmembran 2, auf welche beidseitig jeweils eine Katalysatorschicht 3, 4 aufgebracht ist. Die Katalysatorschichten 3, 4 sind gleich groß ausgebildet, können alternativ aber auch unterschiedliche Größen aufweisen. Weiterhin sind die Katalysatorschichten 3, 4 genauso groß wie die Elektrolytmembran 2.
Die Katalysatorschicht 3 wird weiterhin an einem Rahmenelement 5 befestigt, wobei das Rahmenelement 5 zur Abdichtung der Katalysatorschichten 3, 4 und der Elektrolytmembran 2 gegenüber einer nicht näher dargestellten Bipolarplatte dient. Das Rahmenelement 5 weist eine Ausschnittsfläche 5.1 auf, welche vollständig von einem Rahmenbereich 5.2 umgeben ist. Das Rahmenelement 5 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als vollständiger Rahmen ausgebildet. Alternativ ist das Rahmenelement 5 als nicht dargestellter Teilrahmen ausgebildet.
Das Rahmenelement 5 ist zur Vergrößerung der Membrananordnung 1 vorgesehen. Das Rahmenelement 5 weist neben der Ausschnittsfläche 5.1 weitere Ausschnittsflächen 5.3 bis 5.8 auf, wobei die Ausschnittflächen 5.3 bis 5.8 bei einer Stapelung mehrerer Membrananordnungen 1 übereinander zur Leitung der Reaktionsgase und/oder als so genannte Ports dienen.
Die Katalysatorschicht 3 wird im dargestellten Ausführungsbeispiel auf den Rahmenbereich 5.2 des Rahmenelements 5 geklebt, wobei ein Klebstoff 6 zwischen die Katalysatorschicht 3 und den Rahmenbereich 5.2 derart eingebracht wird, dass die Verbindung zwischen dem Rahmenelement 5 und der Katalysatorschicht 3 fluiddicht ausgebildet ist. Dabei umgibt eine gemeinsame Berührungsfläche der Katalysatorschicht 3 und des Rahmenelements 5 die Ausschnittsfläche 5.1 vollständig.
Der Klebstoff 6 wird in Abhängigkeit der Anforderungen an eine mechanische und chemische Belastbarkeit sowie in Abhängigkeit eines angewendeten Klebeverfahrens ausgewählt, wobei der Klebstoff 6 so genannter Hot-Melt-Kleber, UV-Kleber, Zwei-Komponentenkleber oder ein anderer Klebstoff ist. Dabei wird der Klebstoff 6 vorbehandelt, fixiert, aktiviert, vorgetrocknet und/oder fertig getrocknet. Weiterhin werden in einem Ausführungsbeispiel zwei oder mehr Komponenten des Klebstoffs 6 auf die vorgesehen Positionen appliziert. Ferner besteht die Möglichkeit, dass chemische Reaktionen an den vorgesehenen Positionen auf dem Werkstück und/oder während der Montage der einzelnen Komponenten erfolgen. Bei diesen chemischen Reaktionen handelt es sich beispielsweise um Polymerisations- und/oder Aushärtungsreaktionen.
Der Klebstoff 6 wird in fester, flüssiger oder pastöser Form oder als Schmelze mit einem oder mehreren Applikationsverfahren auf die jeweilige Komponente, d. h. das Rahmenelement 5, eine nicht dargestellte Gasdiffusionslage, die Katalysatorschichten 3, 4, eine Anodenseite, eine Kathodenseite und/oder direkt auf die Elektrolytmembran 2 aufgebracht, wobei der Klebstoff 6 anhaftet oder in die Komponenten penetriert. Die Applikationsverfahren umfassen Spritzverfahren, Rakelverfahren, Siebdruckverfahren, Gravurwalzverfahren, Tamponklischeeverfahren und Applikationsverfahren unter Verwendung von Düsen und/oder Stempeldüsen. Dabei wird ein gemeinsamer Klebstoff 6 oder es werden mehrere unterschiedliche Klebstoffe 6 für unterschiedliche Komponenten verwendet, wobei die unterschiedlichen Klebstoffe 6 an den Einsatzort angepasst sind und somit vorzugsweise unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. In besonders vorteilhafter Weise ist eine so genannte Nass-in-Nass-Applikation möglich.
Eine vollständige oder teilweise Trocknung des Klebstoffs 6 erfolgt mittels eines oder mehrerer Trocknungsverfahren. Die Trocknungsverfahren umfassen eine Trocknung mittels Infrarotstrahlung, ultravioletter Strahlung sowie elektrische, induktive und konvektive Trocknungsverfahren und eine Trocknung durch Kühlung mittels einer oder mehreren Kühlzonen. Diese Verfahren werden einzeln oder in Kombination angewendet.
Um eine besonders gute Haftung zwischen den zu verbindenden Komponenten, hier zwischen dem Rahmenelement 5 und der Katalysatorschicht 3, zu erzielen, wird in nicht näher dargestellter Weise ein Haftvermittler bzw. Haftverbesserer zwischen die zu verbindenden Komponenten eingebracht.
Sowohl der Auftrag des Klebstoffs 6 auf die Komponenten als auch der Auftrag anderer Werkstoffe erfolgen diskontinuierlich, getaktet und/oder kontinuierlich und/oder in beliebigen anderen Kombinationen.
Die 2A und 2B zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel der Membrananordnung 1, wobei zusätzlich zu dem in den 1A und 1B dargestellten ersten Ausführungsbeispiel auf die Elektrolytmembran 2 auf einer der Ausschnittschnittsfläche 5.1 abgewandten Seite ein Dichtungsmaterial 7 aufgebracht wird, welches die Elektrolytmembran 2 und die Katalysatorschichten 3, 4 auf der Oberseite des Rahmenelements 5 fluiddicht gegen dieses abdichten.
Als Dichtungsmaterial 7 und Klebstoff 6 werden gleiche oder unterschiedliche Materialien verwendet, wobei das Aufbringen sowie die Trocknung des Dichtungsmaterials 7 insbesondere in der gleichen Art wie das Aufbringen und die Trocknung des Klebstoffs 6 erfolgen. Dabei haftet das Dichtungsmaterial 7 an den jeweiligen Komponenten und/oder penetriert in diese.
In den 3A und 3B ist ein drittes Ausführungsbeispiel der Membrananordnung 1 dargestellt, wobei im Unterschied zu dem in den 1A und 1B dargestellten ersten Ausführungsbeispiel die Katalysatorschicht 3 in die Ausschnittsfläche 5.1 hineinragt und die Elektrolytmembran 2 direkt an dem Rahmenelement 5 mittels des Klebstoffs 6 befestigt ist.
Die Katalysatorschicht 3 weist dabei die gleiche Größe und Fläche wie die Ausschnittsfläche 5.1 auf.
Die 4A und 4B zeigen ein viertes Ausführungsbeispiel der Membrananordnung 1, wobei zusätzlich zu dem in den 3A und 3B dargestellten dritten Ausführungsbeispiel auf die Elektrolytmembran 2 auf der der Ausschnittschnittsfläche 5.1 abgewandten Seite das Dichtungsmaterial 7 aufgebracht wird, welches die Elektrolytmembran 2 und die Katalysatorschichten 3, 4 auf der Oberseite des Rahmenelements 5 fluiddicht gegen dieses abdichten.
Das Dichtungsmaterial 7 und der Klebstoff 6 sind gemäß der Beschreibung zu den 1B, 1B, 2A, 2B, 3A, 3B ausgebildet und werden gemäß dieser Beschreibung verarbeitet.
Die 5A und 5B zeigen ein fünftes Ausführungsbeispiel der Membrananordnung 1, wobei im Unterschied zu dem in den 4A und 4B dargestellten vierten Ausführungsbeispiel die obere Katalysatorschicht 4 genauso groß wie die untere Katalysatorschicht 3 ist. In einem nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel ist die obere Katalysatorschicht 4 kleiner als die untere Katalysatorschicht 3.
In den 6A und 6B ist ein sechstes Ausführungsbeispiel der Membrananordnung 1 dargestellt, wobei im Unterschied zu dem in den 1A und 1B dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ein weiteres Rahmenelement 8 mittels des Klebstoffs 6 an der oberen Katalysatorschicht 4 befestigt ist. Das weitere Rahmenelement 8 entspricht dem unterhalb der unteren Katalysatorschicht 3 angeordneten Rahmenelement 5 und weist ebenfalls eine Ausschnittsfläche 8.1 und einen Rahmenbereich 8.2 auf. In nicht dargestellten Ausführungsbeispielen weisen die Rahmenelemente 5, 8 unterschiedliche Größen und/oder Formen auf und/oder sind aus unterschiedlichen Materialien gebildet.
Auch die weiteren Komponenten können unterschiedliche Größen und/oder Formen aufweisen.
Zwischen dem Klebstoff 6 und den Rahmenelementen 5, 8 ist in einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel zusätzlich der Haftvermittler bzw. Haftverbesserer eingebracht.
Weiterhin ist zusätzlich zu dem in den 1A und 1B dargestellten ersten Ausführungsbeispiel zwischen den Rahmenelementen 5, 8 die Elektrolytmembran 2 und die Katalysatorschichten 3, 4 stirnrandseitig vollständig umgebend das Dichtungsmaterial 7 eingebracht.
Die 7A und 7B zeigen ein fünftes Ausführungsbeispiel der Membrananordnung 1, wobei im Unterschied zu dem in den 6A und 6B dargestellten sechsten Ausführungsbeispiel die untere Katalysatorschicht 3 und die obere Katalysatorschicht 4 jeweils in die Ausschnittsflächen 5.1, 8.1 der Rahmenelemente 5, 8 hineinragen und die Elektrolytmembran 2 direkt an den Rahmenelementen 5, 8 mittels des Klebstoffs 6 befestigt ist.
Die Katalysatorschichten 3, 4 weisen jeweils die gleiche Größe und Fläche wie die zugehörigen Ausschnittsflächen 5.1, 8.1 der Rahmenelemente 5, 8 auf.
Für alle dargestellten Ausführungsbeispiele gilt, dass die dargestellten Kombinationen der Komponenten und/oder Schichten und/oder Positionen des Klebstoffs 6 nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele festgelegt und beliebig wählbar sind. Auch ist eine Reihenfolge der Applikation und Fixierung der Komponenten beliebig, wobei die Komponenten als Einzelteile und/oder kontinuierlich, beispielweise als Rollenware, verarbeitet werden.
Bezugszeichenliste

1: Membrananordnung
2: Elektrolytmembran
3: Katalysatorschicht
4: Katalysatorschicht
5: Rahmenelement
5.1: Ausschnittsfläche
5.2: Rahmenbereich
5.3 bis 5.8: Ausschnittsfläche
6: Klebstoff
7: Dichtungsmaterial
8: Rahmenelement
8.1: Ausschnittsfläche
8.2: Rahmenbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2006286430 A [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Membrananordnung (1) mit einer Elektrolytmembran (2) für eine Brennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolytmembran (2) und/oder zumindest eine an der Elektrolytmembran (2) angeordnete Katalysatorschicht (3, 4) an zumindest einem eine innere Ausschnittsfläche (5.1, 8.1) aufweisenden Rahmenelement (5, 8) derart befestigt wird, dass die Elektrolytmembran (2) und/oder die zumindest eine Katalysatorschicht (3, 4) die innere Ausschnittsfläche (5.1, 8.1) vollständig überdecken und/oder in die Ausschnittsfläche (5.1, 8.1) hineinragen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine gemeinsame Berührungsfläche der Elektrolytmembran (2) und des Rahmenelements (5, 8) die Ausschnittsfläche (5.1, 8.1) vollständig umgibt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Rahmenelemente (5, 8) auf sich gegenüberliegenden Seiten der Elektrolytmembran (2) und/oder der zumindest einen Katalysatorschicht (3, 4) angeordnet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Elektrolytmembran (2) und das Rahmenelement (5, 8) zumindest auf einer der Ausschnittschnittsflächen (5.1, 8.1) abgewandten Seite ein Dichtungsmaterial (7) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die Rahmenelemente (5, 8) und/oder die Katalysatorschicht (3, 4) die Elektrolytmembran (2) stirnrandseitig vollständig umgebend ein Dichtungsmaterial (7) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolytmembran (2) mit dem zumindest einen Rahmenelement (5, 8) verklebt wird.