DE102010049548A1 - Verfahren zur Herstellung einer Membrananordnung mit einer Elektrolytmembran für eine Brennstoffzelle - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Membrananordnung mit einer Elektrolytmembran für eine Brennstoffzelle.
- Aus der
JP 2006 286 430 A - 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 gemäß1A , -
2A schematisch einen Querschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Membrananordnung für eine Brennstoffzelle, -
2B schematisch eine Draufsicht der Membrananordnung gemäß2A , -
3A schematisch einen Querschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels einer Membrananordnung für eine Brennstoffzelle, -
3B schematisch eine Draufsicht der Membrananordnung gemäß3A , -
4A schematisch einen Querschnitt eines vierten Ausführungsbeispiels einer Membrananordnung für eine Brennstoffzelle, -
4B schematisch eine Draufsicht der Membrananordnung gemäß4A , -
5A schematisch einen Querschnitt eines fünften Ausführungsbeispiels einer Membrananordnung für eine Brennstoffzelle, -
5B schematisch eine Draufsicht der Membrananordnung gemäß5A , -
6A schematisch einen Querschnitt eines sechsten Ausführungsbeispiels einer Membrananordnung für eine Brennstoffzelle, -
6B schematisch eine Draufsicht der Membrananordnung gemäß6A , -
7A schematisch einen Querschnitt eines siebten Ausführungsbeispiels einer Membrananordnung für eine Brennstoffzelle und -
7B schematisch eine Draufsicht der Membrananordnung gemäß7A . - Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
- In den
1A und1B ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Membrananordnung1 für eine Brennstoffzelle dargestellt. Die Membrananordnung1 umfasst eine Elektrolytmembran2 , auf welche beidseitig jeweils eine Katalysatorschicht3 ,4 aufgebracht ist. Die Katalysatorschichten3 ,4 sind gleich groß ausgebildet, können alternativ aber auch unterschiedliche Größen aufweisen. Weiterhin sind die Katalysatorschichten3 ,4 genauso groß wie die Elektrolytmembran2 . - Die Katalysatorschicht
3 wird weiterhin an einem Rahmenelement5 befestigt, wobei das Rahmenelement5 zur Abdichtung der Katalysatorschichten3 ,4 und der Elektrolytmembran2 gegenüber einer nicht näher dargestellten Bipolarplatte dient. Das Rahmenelement5 weist eine Ausschnittsfläche5.1 auf, welche vollständig von einem Rahmenbereich5.2 umgeben ist. Das Rahmenelement5 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als vollständiger Rahmen ausgebildet. Alternativ ist das Rahmenelement5 als nicht dargestellter Teilrahmen ausgebildet. - Das Rahmenelement
5 ist zur Vergrößerung der Membrananordnung1 vorgesehen. Das Rahmenelement5 weist neben der Ausschnittsfläche5.1 weitere Ausschnittsflächen5.3 bis5.8 auf, wobei die Ausschnittflächen5.3 bis5.8 bei einer Stapelung mehrerer Membrananordnungen1 übereinander zur Leitung der Reaktionsgase und/oder als so genannte Ports dienen. - Die Katalysatorschicht
3 wird im dargestellten Ausführungsbeispiel auf den Rahmenbereich5.2 des Rahmenelements5 geklebt, wobei ein Klebstoff6 zwischen die Katalysatorschicht3 und den Rahmenbereich5.2 derart eingebracht wird, dass die Verbindung zwischen dem Rahmenelement5 und der Katalysatorschicht3 fluiddicht ausgebildet ist. Dabei umgibt eine gemeinsame Berührungsfläche der Katalysatorschicht3 und des Rahmenelements5 die Ausschnittsfläche5.1 vollständig. - Der Klebstoff
6 wird in Abhängigkeit der Anforderungen an eine mechanische und chemische Belastbarkeit sowie in Abhängigkeit eines angewendeten Klebeverfahrens ausgewählt, wobei der Klebstoff6 so genannter Hot-Melt-Kleber, UV-Kleber, Zwei-Komponentenkleber oder ein anderer Klebstoff ist. Dabei wird der Klebstoff6 vorbehandelt, fixiert, aktiviert, vorgetrocknet und/oder fertig getrocknet. Weiterhin werden in einem Ausführungsbeispiel zwei oder mehr Komponenten des Klebstoffs6 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 Rahmenelement5 , eine nicht dargestellte Gasdiffusionslage, die Katalysatorschichten3 ,4 , eine Anodenseite, eine Kathodenseite und/oder direkt auf die Elektrolytmembran2 aufgebracht, wobei der Klebstoff6 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 Klebstoff6 oder es werden mehrere unterschiedliche Klebstoffe6 für unterschiedliche Komponenten verwendet, wobei die unterschiedlichen Klebstoffe6 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 Katalysatorschicht3 , 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 und2B zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel der Membrananordnung1 , wobei zusätzlich zu dem in den1A und1B dargestellten ersten Ausführungsbeispiel auf die Elektrolytmembran2 auf einer der Ausschnittschnittsfläche5.1 abgewandten Seite ein Dichtungsmaterial7 aufgebracht wird, welches die Elektrolytmembran2 und die Katalysatorschichten3 ,4 auf der Oberseite des Rahmenelements5 fluiddicht gegen dieses abdichten. - Als Dichtungsmaterial
7 und Klebstoff6 werden gleiche oder unterschiedliche Materialien verwendet, wobei das Aufbringen sowie die Trocknung des Dichtungsmaterials7 insbesondere in der gleichen Art wie das Aufbringen und die Trocknung des Klebstoffs6 erfolgen. Dabei haftet das Dichtungsmaterial7 an den jeweiligen Komponenten und/oder penetriert in diese. - In den
3A und3B ist ein drittes Ausführungsbeispiel der Membrananordnung1 dargestellt, wobei im Unterschied zu dem in den1A und1B dargestellten ersten Ausführungsbeispiel die Katalysatorschicht3 in die Ausschnittsfläche5.1 hineinragt und die Elektrolytmembran2 direkt an dem Rahmenelement5 mittels des Klebstoffs6 befestigt ist. - Die Katalysatorschicht
3 weist dabei die gleiche Größe und Fläche wie die Ausschnittsfläche5.1 auf. - Die
4A und4B zeigen ein viertes Ausführungsbeispiel der Membrananordnung1 , wobei zusätzlich zu dem in den3A und3B dargestellten dritten Ausführungsbeispiel auf die Elektrolytmembran2 auf der der Ausschnittschnittsfläche5.1 abgewandten Seite das Dichtungsmaterial7 aufgebracht wird, welches die Elektrolytmembran2 und die Katalysatorschichten3 ,4 auf der Oberseite des Rahmenelements5 fluiddicht gegen dieses abdichten. - Das Dichtungsmaterial
7 und der Klebstoff6 sind gemäß der Beschreibung zu den1B ,1B ,2A ,2B ,3A ,3B ausgebildet und werden gemäß dieser Beschreibung verarbeitet. - Die
5A und5B zeigen ein fünftes Ausführungsbeispiel der Membrananordnung1 , wobei im Unterschied zu dem in den4A und4B dargestellten vierten Ausführungsbeispiel die obere Katalysatorschicht4 genauso groß wie die untere Katalysatorschicht3 ist. In einem nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel ist die obere Katalysatorschicht4 kleiner als die untere Katalysatorschicht3 . - In den
6A und6B ist ein sechstes Ausführungsbeispiel der Membrananordnung1 dargestellt, wobei im Unterschied zu dem in den1A und1B dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ein weiteres Rahmenelement8 mittels des Klebstoffs6 an der oberen Katalysatorschicht4 befestigt ist. Das weitere Rahmenelement8 entspricht dem unterhalb der unteren Katalysatorschicht3 angeordneten Rahmenelement5 und weist ebenfalls eine Ausschnittsfläche8.1 und einen Rahmenbereich8.2 auf. In nicht dargestellten Ausführungsbeispielen weisen die Rahmenelemente5 ,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 Rahmenelementen5 ,8 ist in einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel zusätzlich der Haftvermittler bzw. Haftverbesserer eingebracht. - Weiterhin ist zusätzlich zu dem in den
1A und1B dargestellten ersten Ausführungsbeispiel zwischen den Rahmenelementen5 ,8 die Elektrolytmembran2 und die Katalysatorschichten3 ,4 stirnrandseitig vollständig umgebend das Dichtungsmaterial7 eingebracht. - Die
7A und7B zeigen ein fünftes Ausführungsbeispiel der Membrananordnung1 , wobei im Unterschied zu dem in den6A und6B dargestellten sechsten Ausführungsbeispiel die untere Katalysatorschicht3 und die obere Katalysatorschicht4 jeweils in die Ausschnittsflächen5.1 ,8.1 der Rahmenelemente5 ,8 hineinragen und die Elektrolytmembran2 direkt an den Rahmenelementen5 ,8 mittels des Klebstoffs6 befestigt ist. - Die Katalysatorschichten
3 ,4 weisen jeweils die gleiche Größe und Fläche wie die zugehörigen Ausschnittsflächen5.1 ,8.1 der Rahmenelemente5 ,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
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- Zitierte Patentliteratur
-
- JP 2006286430 A [0002]
Claims (6)
- 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.
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Publications (1)
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