DE102011105072B3

DE102011105072B3 - Haltevorrichtung mit einer Membran einer Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102011105072B3
Application number: DE102011105072A
Authority: DE
Inventors: Christian Wulff; Martin Keuerleber
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2011-06-21
Filing date: 2011-06-21
Publication date: 2012-11-15
Anticipated expiration: 2031-06-22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Haltevorrichtung (1) mit einer Membran (2) einer Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle, wobei die Membran (2) formschlüssig zwischen zwei Rahmenelementen (1.1, 1.2) angeordnet ist, an welchen randseitig zumindest abschnittsweise jeweils ein Dichtelement (5) angeordnet ist, und wobei die Membran (2) mit den Rahmenelementen (1.1, 1.2) mittels eines Bindemittels (3) stoffschlüssig verbunden ist. Dabei ist vorgesehen, dass eines der Rahmenelemente (1.1) zumindest bereichsweise eine geringere Rahmenbreite (B1.1) aufweist als das andere Rahmenelement (1.2). Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Haltevorrichtung (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Haltevorrichtung mit einer Membran einer Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Haltevorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.
Brennstoffzellen wandeln chemische Energie in elektrische Energie um. Im Allgemeinen besteht eine Brennstoffzelle aus einer Membran-Elektroden-Einheit, welche insbesondere eine protonenleitfähige Membran sowie eine Anode und eine Kathode als Elektroden in Form von Gasdiffusionselektroden aufweist, wobei die Membran zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist. Die Membran-Elektroden-Einheit ist dabei zwischen zwei Bipolarplatten angeordnet, welche dem Verteilen von Reaktionsstoffen für die Brennstoffzelle wie Brennstoff und Oxidator über die Membran-Elektroden-Einheit und dem Abführen der Reaktionsstoffe in hierfür vorgesehenen, jeweils zu der Membran-Elektroden-Einheit hin offenen Kanälen, der Abfuhr der Reaktionswärme über ein in separaten Kühlmittelkanälen geführtes Kühlmittel sowie der Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen der Anode und Kathode dienen. Um einen Gasaustausch insbesondere entlang der Ränder der Membran der Membran-Elektroden-Einheit innerhalb der Brennstoffzelle zu vermeiden, wird die Membran-Elektroden-Einheit beispielsweise mit einem Rahmen und/oder einer umlaufenden Dichtung versehen.
Üblicherweise wird dazu die Membran oder die vollständige Membran-Elektroden-Einheit zwischen zwei Rahmenhälften eingebettet und mit diesen verklebt.
Die US 2010/0000679 A1 beschreibt ein Verfahren zum Verbinden einer Membran-Elektroden-Einheit mit einer Gasdiffusionsschicht eines Brennstoffzellenstapels. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: Aufbringen einer Katalysatorschicht auf eine Oberfläche einer Polymer-Elektrolyt-Membran; Aufbringen einer Dichtung auf einen Randbereich der Polymer-Elektrolyt-Membran; und Anordnung einer Gasdiffusionsschicht auf eine Oberfläche der Katalysatorschicht mittels Verkleben einer Oberfläche der Dichtung oder eines Teils der Oberfläche der Dichtung mit einem Randbereich der Gasdiffusionsschicht mit Hilfe eines Bindemittels.
Weiterhin ist in der EP 2 095 453 B1 eine Baugruppe für eine Brennstoffzellen-Membranelektrodenanordnung (Brennstoffzellen-MEA = membrane electrode assembly) offenbart. Die Baugruppe umfasst: eine Gasdiffusionsschicht (GDL = gas diffusion layer); und eine mit der GDL verbundene Dichtung, wobei die Dichtung Folgendes umfasst: eine erste Dichtungsschicht; eine zweite Dichtungsschicht, umfassend ein Dichtungsmaterial in Kontakt mit der ersten Dichtungsschicht und der GDL, wobei das Dichtungsmaterial die GDL mit der ersten Dichtungsschicht verbindet; und eine auf einer Fläche der ersten Dichtungsschicht liegende Klebeschicht; wobei das Dichtungsmaterial der zweiten Dichtungsschicht die GDL durchdringt.
Aus der DE 10 2005 038 612 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von beidseitig katalysatorbeschichteten Membranen für elektrochemische Vorrichtungen bekannt. Das Verfahren umfasst die Schritte:

A) Herstellen eines ersten Halbzeuges durch – Aufbringen einer ersten Ionomerschicht auf einen ersten Träger, – Aufbringen einer Anodenkatalysatorschicht auf die erste Ionomerschicht unter Verwendung einer ersten Katalysatortinte, – Trocknen der Anodenkatalysatorschicht,
B) Herstellen eines zweiten Halbzeuges durch – Aufbringen einer zweiten Ionomerschicht auf einen zweiten Träger, – Aufbringen einer Kathodenkatalysatorschicht auf die zweite Ionomerschicht unter Verwendung einer zweiten Katalysatortinte, – Trocknen der Kathodenkatalysatorschicht,
C) Entfernen des ersten und zweiten Trägers von der ersten bzw. der zweiten Ionomerschicht und Verbinden des ersten Halbzeuges mit dem zweiten Halbzeug durch ein Verbinden der ersten Ionomerschicht mit der zweiten Ionomerschicht.

In der DE 10 2009 039 903 A1 werden ein Brennstoffzellenstapelabschnitt sowie ein Verfahren zur Montage des Brennstoffzellenabschnitts beschrieben. Ein Brennstoffzellenstapelabschnitt umfasst mindestens eine Bipolarplatte, mindestens eine MEA-Platte, welche in einer Stapelrichtung benachbart zu der Bipolarplatte so angeordnet ist, dass sich ein Elektrodenbereich ausbildet, eine Dichtung, wobei die Dichtung zur Abdichtung des Elektrodenbereichs ausgebildet ist, und einen Abstandsabschnitt, wobei der Abstandsabschnitt in der Stapelrichtung auf einer Seite durch die Bipolarplatte abgestützt ist. Der Abstandsabschnitt ist in Stapelrichtung auf der anderen Seite von der MEA-Platte abgestützt.
Aus der DE 103 15 796 A1 sind eine mit einem Katalysator beschichtete Ionomermembran und eine Membran-Elektroden-Einheiten mit Komponenten, die verschiedene Farben aufweisen, bekannt. Die Ionomermembran ist mit Katalysatorschichten auf beiden Seiten der Membranoberfläche beschichtet und weist zwei Komponenten auf. Eine Komponente ist auf der Stirnfläche der mit Katalysator beschichteten Membran befestigt und eine Komponente ist auf der Rückfläche der mit Katalysator beschichteten Membran befestigt. Die beiden Komponenten weisen verschiedene Farben auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Haltevorrichtung mit einer Membran einer Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle sowie ein verbessertes Verfahren zu deren Herstellung anzugeben.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 8 angegebenen Merkmale und hinsichtlich der Haltevorrichtung durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einer Haltevorrichtung mit einer Membran einer Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle ist die Membran formschlüssig zwischen zwei Rahmenelementen angeordnet. Erfindungsgemäß ist die Membran mit den Rahmenelementen mittels eines Bindemittels stoffschlüssig verbunden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eines der Rahmenelemente zumindest bereichsweise, insbesondere kantenweise oder bevorzugt vollständig umlaufend eine geringere Rahmenbreite aufweist als das andere Rahmenelement, wobei das Rahmenelement mit der größeren Rahmenbreite das Rahmenelement mit der geringeren Rahmenbreite zumindest bereichsweise nach außen überragt und wobei auf einem äußeren Abschnitt des Rahmenelements mit der größeren Rahmenbreite zumindest ein Dichtelement angeordnet ist. Die Rahmenelemente weisen einen rechteckigen oder nahezu rechteckigen Außenumfang auf, wobei innerhalb des Rahmenelements ein mittlerer Ausschnitt, vorzugsweise eine Aussparung, ausgebildet ist. Dabei ist der mittlere Ausschnitt korrespondierend zur aufzunehmenden Membran ausgeformt. Somit sind die Rahmenelemente im Wesentlichen aus einem umlaufenden Randbereich unter Ausbildung der jeweiligen Rahmenbreite gebildet, wobei der Randbereich vorzugsweise einen inneren und/oder äußeren Abschnitt umfasst. Zusätzlich kann das Rahmenelement mit der geringeren Rahmenbreite auch eine geringere Materialstärke aufweisen als das andere Rahmenelement. Weiterhin ist die Membran insbesondere als eine Ionenaustauschmembran ausgebildet. Dabei können zusätzlich auf der Membran beidseitig jeweils eine Katalysatorschicht und/oder eine Gasdiffusionsschicht angeordnet sein.
Die erfindungsgemäße Haltevorrichtung ermöglicht eine verbesserte, vorzugsweise mediendichte Abdichtung der Membran, insbesondere in einem Fugenbereich der Haltevorrichtung, gegenüber äußeren Einflüssen, z. B. Gasaustausch entlang der Ränder der Membran innerhalb der Brennstoffzelle. Insbesondere ist die Dichtwirkung des Bindemittels verbessert, da Kriechprozesse des Bindemittels zumindest verringert werden, welche beim Verpressen der Rahmenelemente mit der Membran auftreten.
Die Rahmenelemente sind dabei derart übereinander angeordnet, dass diese zumindest bereichsweise oder vollständig umlaufend innenseitig passgenau übereinander liegen, so dass das Rahmenelement mit der größeren Rahmenbreite das Rahmenelement mit der geringeren Rahmenbreite in dem betreffenden Bereich nach außen überragt. Alternativ sind die Rahmenelemente mittig zentriert übereinander angeordnet, so dass das Rahmenelement mit der größeren Rahmenbreite das andere Rahmenelement beidseitig überragt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist bzw. sind zumindest eines der oder beide Rahmenelemente entlang ihrer Rahmenbreite in Abschnitte unterteilt, wobei insbesondere der äußere Abschnitt des Rahmenelements mit der geringeren Rahmenbreite zumindest kürzer ausgebildet ist als der äußere Abschnitt des breiteren Rahmenelements. Alternativ kann der äußere Abschnitt des Rahmenelements mit der geringeren Rahmenbreite entfallen.
Dies ermöglicht in gewinnbringender Weise einen größeren Bauraum innerhalb der Brennstoffzelle, welcher beispielsweise für zusätzliche Dichtelemente oder zur Erweiterung eines bereits angeordneten Dichtelements nutzbar ist. Insbesondere in der alternativen Ausführungsform, in der der äußere Abschnitt des Rahmenelements mit der geringeren Rahmenbreite entfällt, ist ein Abstand der Membran zu den Dichtelementen verringerbar. Damit ist eine mediendichte Abdichtung der Membran verbessert und eine Herstellung von geringer dimensionierten Brennstoffzellen möglich, wodurch eine Maximierung einer Brennstoffzellenanzahl in einem Brennstoffzellenstapel erzielbar ist.
Zur Verbindung der Rahmenelemente mit der Membran wird als Bindemittel ein pastöser oder flüssiger Klebstoff verwendet, welcher als Zwischenlage zwischen beide Rahmenelemente appliziert wird. Beispielsweise ist der Klebstoff ein polymerer Klebstoff, welcher unter Hitze und Druck in die Membran einfließt und damit die Rahmenelemente mit der Membran verbindet.
In einer bevorzugten Ausführungsform härtet der Klebstoff mediendicht aus, so dass die Membran mediendicht abgedichtet ist.
Die Rahmenelemente sind dabei jeweils aus einem folienartigen Material gebildet. Das folienartige Material weist gegenüber konventionellen Rahmenelementen eine geringere Materialstärke auf. Dabei steht aufgrund der geringeren Materialstärke ein größerer Bauraum für beispielsweise zusätzliche Dichtelemente zur Verfügung, mittels derer neben einer verbesserten Abdichtung der Membran auch Toleranzen bei der Herstellung der Haltevorrichtung und/oder der Brennstoffzelle besser ausgleichbar sind. Darüber hinaus ist die Haltevorrichtung mittels des folienartigen Materials einfacher und kostengünstiger herstellbar und umweltfreundlich recyclebar.
Weiterhin ist das folienartige Material aus einem Kunststoff oder einem Kunststoffgemisch gebildet. Insbesondere sind dabei organische Polymere vorteilhaft, die unter den Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle innert sind und keine störenden Substanzen absondern. Darüber hinaus zeichnen sich Kunststoffe oder Kunststoffgemische durch ein gutes Adhäsionsvermögen sowie einer gasdichten oder nahezu gasdichten Abdichtung der Membran gegenüber Reaktionsstoffen aus.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer derartigen Haltevorrichtung mit einer Membran einer Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle wird die Membran formschlüssig zwischen zwei Rahmenelementen angeordnet, wobei die Membran mit den Rahmenelementen mittels eines Bindemittels stoffschlüssig verbunden wird, wobei eines der Rahmenelemente zumindest bereichsweise, insbesondere kantenweise oder bevorzugt vollständig umlaufend eine geringere Rahmenbreite aufweist als das andere Rahmenelement, wobei das Rahmenelement mit der größeren Rahmenbreite das Rahmenelement mit der geringeren Rahmenbreite zumindest bereichsweise nach außen überragt und wobei auf einem äußeren Abschnitt des Rahmenelements mit der größeren Rahmenbreite zumindest ein Dichtelement angeordnet wird.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine verbesserte mediendichte Abdichtung der Membran, insbesondere eines ionenleitfähigen Bereichs der Membran, erzielt. Insbesondere ist die Haltevorrichtung einfacher herstellbar, da eine Fügegenauigkeit der einzelnen Komponenten der Haltevorrichtung zueinander aufgrund der verbesserten Abdichtung der Membran verringert werden kann.
Das Verfahren umfasst dazu folgende Schritte:

a) Vorverarbeiten und Bereitstellen eines Rahmenmaterials für die Rahmenelemente,
b) Heraustrennen eines mittleren Ausschnitts aus den Rahmenelementen zur Ausbildung eines aktiven Bereichs der Membran,
c) Oberflächenmodifikation der Rahmenelemente jeweils in einem Bereich, der den mittleren Ausschnitt randseitig vollständig umgibt,
d) Applizieren eines Bindemittels auf den oberflächenmodifizierten Bereich des breiteren Rahmenelements,
e) Positionieren der Membran auf das breitere Rahmenelement derart, dass dessen mittlerer Ausschnitt vollständig mit der Membran abgedeckt ist,
f) Applizieren eines weiteren Bindemittels auf einen umlaufenden Randbereich der Membran,
g) Positionieren des schmaleren Rahmenelements auf die Membran und Verpressen der Rahmenelemente mit der Membran und
h) Anordnen zumindest eines Dichtelements auf einen äußeren Abschnitt des breiteren Rahmenelements.

Damit ist es möglich, eine verbesserte Haltevorrichtung für die Membran in Verbindung mit einem verbesserten Klebekonzept mit einer geringen Anzahl an Prozessschritten und einer Verringerung manueller Prozessschritte herzustellen. Somit ist es möglich, den Herstellungsaufwand und die Herstellungszeit der Haltevorrichtung und damit der Brennstoffzelle selbst zu vermindern.
Für eine verbesserte Haftung des Bindemittels und damit eine verbesserte mediendichten Abdichtung der Membran erfolgt die Oberflächenmodifikation der Rahmenelemente gemäß Schritt c) bevorzugt elektrochemisch. Beispielsweise wird die Oberfläche mittels einer sogenannten Coronabehandlung modifiziert, bei welcher eine Polarität der Oberfläche erhöht und damit eine Benetzbarkeit und chemische Affinität verbessert wird. Alternativ wird die Oberfläche mittels einer sogenannten Flammenpyrolyse (CCVD = Combustion Chemical Vapour Deposition) modifiziert, bei welchem unterschiedliche Oxide auf die Oberfläche abgeschieden werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch einen Ausschnitt einer Schnittdarstellung einer konventionellen Haltevorrichtung für eine Membran einer Membran-Elektroden-Einheit,
2 schematisch ein Verfahrensablauf zur Herstellung einer Haltevorrichtung mit einer Membran einer Membran-Elektroden-Einheit,
3 schematisch einen Ausschnitt einer Schnittdarstellung einer Haltevorrichtung mit einer Membran einer Membran-Elektroden-Einheit in einer ersten Ausführungsform und
4 schematisch einen Ausschnitt einer Schnittdarstellung einer Haltevorrichtung mit einer Membran einer Membran-Elektroden-Einheit in einer zweiten Ausführungsform.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt schematisch einen Ausschnitt einer Schnittdarstellung einer konventionellen Haltevorrichtung 1 mit einer als Ionenaustauschmembran ausgebildeten Membran 2 einer nicht näher dargestellten Membran-Elektroden-Einheit für eine ebenfalls nicht näher dargestellte Brennstoffzelle.
Die Haltevorrichtung 1 umfasst zwei Rahmenelemente 1.1, 1.2, zwischen denen die Membran 2 form- und stoffschlüssig angeordnet ist.
Die Rahmenelemente 1.1, 1.2 sind beispielsweise aus einem Kunststoff oder Kunststoffgemisch gebildet, welche unter den Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle innert sind und keine störenden Substanzen absondern. Weiterhin zeichnen sich Kunststoffe oder Kunststoffgemische durch ein gutes Adhäsionsvermögen sowie eine mediendichte oder nahezu mediendichte Abdichtung der Membran 2 zu einer Bipolarplatte und zu einem aktiven Bereich der Brennstoffzelle aus.
Die Rahmenelemente 1.1, 1.2 weisen jeweils einen rechteckigen oder nahezu rechteckigen Außenumfang auf, wobei innerhalb der Rahmenelemente 1.1, 1.2 jeweils ein mittlerer Ausschnitt 6, vorzugsweise eine Aussparung, ausgebildet ist. Dabei ist der mittlere Ausschnitt 6 jeweils korrespondierend zur aufzunehmenden Membran 2 ausgeformt. Somit sind die Rahmenelemente 1.1, 1.2 im Wesentlichen aus einem umlaufenden Randbereich unter Ausbildung einer jeweiligen Rahmenbreite B1.1, B1.2 gebildet, welche korrespondierend zueinander ausgebildet sind.
Die Rahmenelemente 1.1, 1.2 sind in der vorliegenden Darstellung dabei derart übereinander angeordnet, dass diese zumindest bereichsweise oder vollständig umlaufend innenseitig und außenseitig passgenau übereinander liegen.
Der Randbereich der Rahmenelemente 1.1, 1.2 umfasst jeweils einen inneren Abschnitt 1.1.1, 1.2.1 und einen äußeren Abschnitt 1.1.2, 1.2.2, wobei die Rahmenbreiten B1.1, B1.2 jeweils aus einer Länge des inneren Abschnitts 1.1.1, 1.2.1 und des äußeren Abschnitts 1.1.2, 1.2.2 gebildet werden.
Der innere Abschnitt 1.1.1, 1.2.1 ist dabei jeweils ein der Membran 2 zugewandter und der äußere Abschnitt 1.1.2, 1.2.2 jeweils ein der Membran 2 abgewandter Abschnitt und des Randbereichs des Rahmenelements 1.1, 1.2.
Die inneren Abschnitte 1.1.1, 1.2.1 sind jeweils strukturiert ausgebildet, vorzugsweise in entgegen gesetzter Richtung gekröpft und in Länge und Form korrespondierend zueinander ausgebildet. Die Rahmenelemente 1.1, 1.2 weisen innerhalb des inneren Abschnitts 1.1.1, 1.2.1 unterschiedliche Abstände zueinander auf.
Dabei ist in einem der Membran 2 zugewandten Ende der inneren Abschnitte 1.1.1, 1.2.1 der Abstand der Rahmenelemente 1.1, 1.2 zueinander am größten. In diesem Bereich ist ein umlaufender Randbereich der Membran 2 zwischen den inneren Abschnitten 1.1.1, 1.2.1 angeordnet.
In Richtung der äußeren Abschnitte 1.1.2, 1.2.2 verkleinert sich der Abstand derart, dass dieser kleiner dimensioniert ist als die Materialstärke der Membran 2. Damit ist ein optimaler Formschluss der Membran 2 zwischen den Rahmenelementen 1.1, 1.2 sichergestellt.
Die äußeren Abschnitte 1.1.2, 1.2.2 sind im Wesentlichen eben und in Länge und Form zueinander korrespondierend ausgebildet, wobei zwischen diesen kein Randbereich der Membran 2 angeordnet.
Zur stoffschlüssigen Verbindung der Membran 2 sowie zur mediendichten Abdichtung der Membran insbesondere in einem Randbereich der Membran 2 ist zwischen den Rahmenelementen 1.1, 1.2 ein Bindemittel 3 appliziert, welches vorzugsweise ein flüssiger oder pastöser Klebstoff ist. Das Bindemittel 3 wird im Folgenden als Klebstoff 3.1 fortgeführt.
Als Klebstoff 3.1 kann ein Kaltklebstoff und/oder ein Heißklebestoff wie Acrylat, Cyanacrylat, Epoxidharz, EVA, Polyethylen und/oder Polypropylen eingesetzt werden.
Der Klebstoff 3.1 füllt dabei einen zwischen den Rahmenelementen 1.1, 1.2 angeordneten Zwischenbereich 4 vollständig, insbesondere einen Fugenbereich 4.1, welcher zwischen einem eingefassten Randbereich der Membran 2 und den äußeren Abschnitten 1.1.1, 1.2.1 der Rahmenelemente 1.1, 1.2 angeordnet ist. Damit wird vorteilhaft verhindert, dass der Zwischenbereich 4 Hohlräume aufweist, in denen Wasserablagerungen, Vereisungen oder Gasübertritte auftreten, die der Membran 2 und/oder der Membran-Elektroden-Einheit und damit der Brennstoffzelle schädigen können. Mit anderen Worten: Damit wird eine Kontamination des Zwischenbereichs 4, insbesondere des Fugenbereichs 4.1, durch Reaktionsstoffe wie Wasserstoff und damit eine potentiell gefährliche Kurzschlussreaktion der Reaktionsstoffe (z. B. Wasserstoff und Luft) weitestgehend vermieden.
Um einen Innenbereich der Brennstoffzelle weiter abzudichten, umfasst die Haltevorrichtung 1 zwei Dichtelemente 5, welche jeweils auf einer dem Zwischenbereich 4 abgewandten Oberfläche der Rahmenelemente 1.1, 1.2 im Bereich der äußeren Abschnitte 1.1.2, 1.2.2 angeordnet sind.
Die Dichtelemente 5 sind vorzugsweise aus einem Kunststoff oder Kunststoffgemisch, z. B. Polyethylen oder Polyethylennaphthalat, gebildet.
Während des Herstellungsprozesses der konventionellen Haltevorrichtung 1 wird durch Verpressen der Dichtelemente 5 gegen die Rahmenelemente 1.1, 1.2 und Verpressen der Rahmenelemente 1.1, 1.2 mit der Membran 2 der Klebstoff 3.1 zwischen den Rahmenelementen 1.1, 1.2 verdrängt, insbesondere während des Betriebs der Brennstoffzelle und den dabei auftretenden Temperaturschwankungen, bei welchen der Klebstoff 3.1 nicht immer vollständig ausgehärtet ist. Dies wird auch als Kriechen des Klebstoffs 3.1 bezeichnet und kann zu einer nachlassenden Klebewirkung und zu Undichtigkeiten der Brennstoffzelle führen. Zudem kann dies zu einer Reduzierung der Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle führen, wenn der Klebstoff 3.1 in nicht dafür vorgesehene Bereiche innerhalb der Brennstoffzelle verdrängt wird und beispielsweise die Membran-Elektroden-Anordnung verstopft.
Zur Lösung oben genannter Probleme ist in 2 ein Verfahrensablauf für ein Verfahren zur Herstellung einer Haltevorrichtung 1 mit einer Membran 2 dargestellt.
In einem ersten Schritt a) wird für die Rahmenelemente 1.1, 1.2 ein Rahmenmaterial als Rollenware bereitgestellt und entsprechend vorverarbeitet.
Das Rahmenmaterial ist ein folienartiges Material aus Kunststoff oder einem Kunststoffgemisch. Das folienartige Material ist vorzugsweise einschichtig und weist gegenüber konventionellen Rahmenmaterialien eine geringere Materialstärke aus, so dass eine geringer dimensionierte Haltevorrichtung 1 kostengünstig herstellbar ist.
Zur Vorverarbeitung wird das Rahmenmaterial abgerollt und die Rahmenelemente 1.1, 1.2 vereinzelt. Hierzu werden beispielsweise mittels einer nicht dargestellten Schnitteinheit die Rahmenelemente 1.1, 1.2 aus dem abgerollten Rahmenmaterial herausgeschnitten.
Dabei wird eines der Rahmenelemente 1.1 zumindest bereichsweise mit einer geringeren Rahmenbreite B1.1 als das andere Rahmenelement 1.2 aus dem Rahmenmaterial herausgeschnitten.
Beispiele für verschiedene Ausführungsformen des Rahmenelements 1.1 mit einer geringeren Rahmenbreite B1.1 sind in den 3 und 4 dargestellt und beschrieben.
Im Anschluss an die Vereinzelung werden die Rahmenelemente 1.1, 1.2 derart umgeformt, dass diese jeweils eine Kröpfung aufweisen, so dass die Rahmenelemente 1.1, 1.2 jeweils in einen inneren Abschnitt 1.1.1, 1.2.1 und einen äußeren Abschnitt 1.1.2, 1.2.2 gemäß der Beschreibung aus 1 unterteilbar sind, wobei die Kröpfung jeweils den inneren Abschnitt 1.1.1, 1.2.1 darstellt.
Die Umformung der Rahmenelemente 1.1, 1.2 kann beispielsweise mittels Kaltverformung, Thermoformung oder Tiefziehen erfolgen.
Alternativ wird für das Rahmenelement 1.1 ein weiteres Rahmenmaterial bereitgestellt, welches eine geringere Materialstärke als das zuvor beschriebene Rahmenmaterial aufweist. Die Vorverarbeitung des weiteren Rahmenmaterials erfolgt dabei wie zuvor beschrieben.
In einem zweiten Schritt b) werden aus den Rahmenelementen 1.1, 1.2 jeweils ein mittlerer Ausschnitt 6 herausgetrennt, insbesondere ausgeschnitten, in welchem ein aktiver Bereich der Membran 2 oder alternativ der Membran-Elektroden-Einheit ausgebildet wird.
Für eine verbesserte Haftung des zu einem späteren Zeitpunkt applizierten Klebstoffs 3.1 wird in einem dritten Schritt c) jeweils eine Oberfläche der Rahmenelemente 1.1, 1.2, insbesondere in einem Bereich, der den mittleren Ausschnitt 6 randseitig vollständig umgibt, modifiziert. Es werden dabei die Oberflächen modifiziert, welche der Membran 2 zugewandt sind.
Die Oberflächenmodifikation erfolgt vorzugsweise elektrochemisch, beispielsweise mittels einer sogenannten Coronabehandlung, bei welcher eine Polarität der Oberfläche erhöht und damit eine Benetzbarkeit und chemische Affinität verbessert wird. Alternativ wird die Oberfläche mittels einer sogenannten Flammenpyrolyse (CCVD = Combustion Chemical Vapour Deposition) modifiziert, bei welchem unterschiedliche Oxide auf die Oberfläche abgeschieden werden.
Alternativ ist es möglich, die Oberflächenmodifikation auch vor Schritt b) durchzuführen.
In einem vierten Schritt d) wird auf die modifizierte Oberfläche des breiteren Rahmenelements 1.2 auf einem Bereich, der den mittleren Ausschnitt 6 vollständig umgibt, ein Klebstoff 3.1 appliziert. Das Applizieren des Klebstoffs 3.1 kann beispielsweise mittels eines Siebdruckverfahrens, mittels eines Offsetdruckverfahrens und/oder mittels eines Strahlverfahrens analog einem Tintenstrahlverfahren, auch Ink-Jet-Verfahren genannt, erfolgen, wobei anstatt der Tinte beispielsweise der Klebstoff 3.1 versprüht wird. Der Klebstoff 3.1 befindet sich alternativ bereits auf einem Trägerfilm, beispielsweise einem Schutzfilm. Vorzugsweise findet nach Applikation des Klebstoffs 3.1 kein Vorvernetzen des Klebstoffs 3.1 auf der modifizierten Oberfläche des breiteren Rahmenelements 1.2 statt, so dass dieser mit einem weiteren Klebstoff 3.1, welcher in einem sechsten Schritt f) auf die Membran 2 appliziert wird, optimal verbindet und damit eine Haftung an den Rahmenelementen 1.1, 1.2 besonders bevorzugt über eine vollständige Lebensdauer der Brennstoffzelle möglich ist.
Die selektive Applikation des Klebstoffs 3.1 ermöglicht einen gezielten und hochgenauen Klebstoffauftrag, so dass der Klebstoff 3.1 in einer optimalen Menge und Verteilung appliziert werden kann. Dadurch können gezielte Festigkeiten und Steifigkeiten der Haltevorrichtung 1 erzielt werden. Weiterhin ermöglicht die selektive Applikation des Klebstoffs 3.1 eine verringerte Dicke der Haltevorrichtung 1 und damit der Brennstoffzelle, wodurch innerhalb eines vorgegebenen Bauraums mehr Brennstoffzellen angeordnet werden können.
In einem fünften Schritt e) wird die Membran 2 derart auf das breitere Rahmenelement 1.2 positioniert, dass der mittlere Ausschnitt 6 des Rahmenelements 1.2 vollständig mit der Membran 2 abgedeckt ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Membran 2 dabei bereits mit zumindest einer Katalysatorschicht versehen.
In einem sechsten Schritt f) wird auf einen umlaufenden Randbereich der Membran 2 ein weiterer Klebstoff 3.1 analog zur Applikation des Klebstoffs 3.1 auf das Rahmenelement 1.2 appliziert. Dabei ist sowohl auf das Rahmenelement 1.2 als auch auf den Randbereich der Membran 2 der gleiche Klebstoff 3.1 appliziert. Alternativ werden unterschiedliche Klebstoffe 3.1 verwendet.
Mittels der Applikation des weiteren Klebstoffs 3.1 auf der Membran 2 wird ein Kurzschluss von Reaktionsstoffen weitestgehend vermieden und eine optimale Einbettung der Membran 2 in die Haltevorrichtung 1 ermöglicht. Zudem wird aufgrund des applizierten Klebstoffs 3.1 einem Materialschrumpfen oder einer Materialvergrößerung der Membran 2, z. B. Aufquellen, während der Betriebszeit der Brennstoffzelle entgegengewirkt. Es ist dabei auch möglich, dass der Klebstoff 3.1 diesen Materialveränderungen elastisch folgt, so dass eine Abdichtung der Membran 2 vorzugsweise über nahezu vollständige Lebensdauer der Brennstoffzelle sichergestellt ist.
Alternativ dazu kann der weitere Klebstoff 3.1 auch auf die modifizierte Oberfläche des schmaleren Rahmenelements 1.1 appliziert werden.
In einem siebten Schritt g) wird das schmalere Rahmenelement 1.1 derart bereitgestellt, dass es mit seiner modifizierten Oberfläche auf die modifizierte Oberfläche des breiteren Rahmenelements 1.2 und mit dem mittleren Ausschnitt 6 passgenau über dem Randbereich der Membran 2 positioniert wird, so dass ein Verlust von aktiver Fläche der Membran 2 und ein Verbrauch an Bauraum zwischen dem Fugenbereich 4.1 und den Dichtelementen 5 so gering wie möglich gehalten wird.
Anschließend wird das schmalere Rahmenelement 1.1 unter Zuführung einer Presskraft mit der Membran 2 verpresst. Dabei werden die Rahmenelemente 1.1, 1.2 und die zwischen diesen angeordnete Membran 2 miteinander laminiert, so dass ein Randbereich der Membran 2 zwischen den Rahmenelementen 1.1, 1.2 eingefasst ist.
Das Verpressen kann dabei mittels einer Rollenpresse, Bandpresse und/oder Plattenpresse erfolgen. In einer Ausgestaltung werden die Rahmenelemente 1.1, 1.2 und/oder die Membran 2 während des Verpressens zumindest bereichsweise erwärmt und/oder gekühlt.
Im Anschluss daran erfolgt in einem achten Schritt h) eine Anordnung zumindest eines Dichtelements 5, vorzugsweise zweier Dichtelemente 5, jeweils auf eine dem Zwischenbereich 4 abgewandten Oberfläche des breiteren Rahmenelements 1.2 im Bereich des äußeren Abschnitts 1.2.2. Dies erfolgt beispielsweise mittels Verkleben und anschließendem Verpressen des Dichtelements 5 gegen die Rahmenelemente 1.1, 1.2, z. B. mittels nicht näher dargestellter Bipolarplatten. Die Applikation des Dichtelements 5 kann sowohl vor als auch nach dem Verpressen der Rahmenelemente 1.1, 1.2 mit der Membran 2 erfolgen. Alternativ ist es auch möglich, das Dichtelement 5 während der Herstellung der Rahmenelemente 1.1, 1.2 in diese zu integrieren, so dass das Dichtelement 5 einstückig mit dem breiteren Rahmenelement 1.2 ausgeformt ist. Damit ist eine hohe Produktionsflexibilität möglich.
Die 3 und 4 zeigen eine Haltevorrichtung 1 mit einer Membran 2, hergestellt nach dem Verfahren gemäß 2, in einer ersten und einer zweiten Ausführungsform.
In der ersten bevorzugten Ausführungsform ist der äußere Abschnitt 1.1.2 des Rahmenelements 1.1 kürzer ausgebildet als der äußere Abschnitt 1.2.2 des anderen Rahmenelements 1.2. Die Rahmenelemente 1.1, 1.2 sind dabei derart übereinander angeordnet, dass diese zumindest bereichsweise, insbesondere kantenweise, oder bevorzugt vollständig umlaufend innenseitig passgenau übereinander liegen, so dass das breitere Rahmenelement 1.2 das Rahmenelement 1.1 in dem betreffenden Bereich nach außen überragt.
Die Haltevorrichtung 1 weist zwei Dichtelemente 5 auf, welche dabei auf zwei sich gegenüberliegenden Oberflächen innerhalb des breiteren Rahmenelements 1.2 im Bereich des äußeren Abschnitts 1.2.2. angeordnet sind.
In der zweiten Ausführungsform entfällt der äußere Abschnitt 1.1.2 des Rahmenelements 1.1, so dass dieses nur einen inneren Abschnitt 1.1.1 aufweist. Die Rahmenelemente 1.1, 1.2 sind dabei derart übereinander angeordnet, dass diese zumindest bereichsweise, insbesondere kantenweise, oder vollständig umlaufend innenseitig passgenau übereinander liegen, so dass das breitere Rahmenelement 1.2 das Rahmenelement 1.1 in dem betreffenden Bereich nach außen überragt.
Die Haltevorrichtung 1 weist ebenfalls zwei Dichtelemente 5 auf, welche auf sich gegenüberliegenden Oberflächen des breiteren Rahmenelements 1.2 im Bereich des äußeren Abschnitts 1.2.2. angeordnet sind.
Zusätzlich kann das Rahmenelement 1.1 eine geringere Materialstärke aufweisen als das breitere Rahmenelement 1.2. Beispielsweise weist dazu das Rahmenelement 1.1 eine Materialstärke von weniger als 25 Mikrometer und das breitere Rahmenelement 1.2 eine Materialstärke zwischen 50 und 100 Mikrometer auf. Damit ist in besonders vorteilhafter Weise eine weitere Reduktion von Kosten, Bauraum und Gewicht möglich.
In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform sind die Rahmenelemente 1.1, 1.2 mittig zentriert übereinander angeordnet, so dass das breitere Rahmenelement 1.2 das Rahmenelement 1.1 beidseitig überragt.
Insbesondere ist mittels der zweiten Ausführungsform in gewinnbringender Weise der Bauraum innerhalb der Brennstoffzelle vergrößerbar, welcher beispielsweise für zusätzliche Dichtelemente 5 oder zur Erweiterung des bereits angeordneten Dichtelements 5 nutzbar ist. Zudem ist ein Abstand zwischen dem eingefassten Randbereich der Membran 2 und den Dichtelementen 5 verringerbar.

Claims

Haltevorrichtung (1) mit einer Membran (2) einer Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle, wobei die Membran (2) formschlüssig zwischen zwei Rahmenelementen (1.1, 1.2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (2) mit den Rahmenelementen (1.1, 1.2) mittels eines Bindemittels (3) stoffschlüssig verbunden ist, wobei eines der Rahmenelemente (1.1) zumindest bereichsweise eine geringere Rahmenbreite (B1.1) aufweist als das andere Rahmenelement (1.2), wobei das Rahmenelement (1.2) mit der größeren Rahmenbreite (B1.2) das Rahmenelement (1.1) mit der geringeren Rahmenbreite (B1.1) zumindest bereichsweise nach außen überragt und wobei auf einem äußeren Abschnitt (1.2.2) des Rahmenelements (1.2) mit der größeren Rahmenbreite (B1.2) zumindest ein Dichtelement (5) angeordnet ist.
Haltevorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenelemente (1.1, 1.2) derart übereinander angeordnet sind, dass diese zumindest abschnittsweise oder vollständig umlaufend innenseitig passgenau übereinander liegen, so dass das Rahmenelement (1.2) mit der größeren Rahmenbreite (B1.2) das Rahmenelement (1.1) mit der geringeren Rahmenbreite (B1.1) in dem betreffenden Bereich nach außen überragt.
Haltevorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der oder beide Rahmenelemente (1.1, 1.2) entlang ihrer Rahmenbreite (B1.1, B1.2) in Abschnitte (1.1.1, 1.1.2, 1.2.1, 1.2.2) unterteilt ist bzw. sind, wobei insbesondere der äußere Abschnitt (1.1.2) des Rahmenelements (1.1) mit der geringeren Rahmenbreite (B1.1) zumindest kürzer ausgebildet ist als der äußere Abschnitt (1.2.2) des breiteren Rahmenelements (1.2).
Haltevorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel (3) ein flüssiger oder pastöser Klebstoff (3.1) ist.
Haltevorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff (3.1) mediendicht aushärtet.
Haltevorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenelemente (1.1, 1.2) jeweils aus einem folienartigen Material gebildet sind.
Haltevorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das folienartige Material aus einem Kunststoff oder einem Kunststoffgemisch gebildet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Haltevorrichtung (1) mit einer Membran (2) einer Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Membran (2) formschlüssig zwischen zwei Rahmenelementen (1.1, 1.2) angeordnet wird, wobei die Membran (2) mit den Rahmenelementen (1.1, 1.2) mittels eines Bindemittels (3) stoffschlüssig verbunden wird, wobei eines der Rahmenelemente (1.1) zumindest bereichsweise eine geringere Rahmenbreite (B1.1) aufweist als das andere Rahmenelement (1.2), wobei das Rahmenelement (1.2) mit der größeren Rahmenbreite (B1.2) das Rahmenelement (1.1) mit der geringeren Rahmenbreite (B1.1) zumindest bereichsweise nach außen überragt und wobei auf einem äußeren Abschnitt (1.2.2) des Rahmenelements (1.2) mit der größeren Rahmenbreite (B1.2) zumindest ein Dichtelement (5) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Vorverarbeiten und Bereitstellen eines Rahmenmaterials (6) für die Rahmenelemente (1.1, 1.2), b) Heraustrennen eines mittleren Ausschnitts (6) aus den Rahmenelementen (1.1, 1.2) zur Ausbildung eines aktiven Bereichs der Membran (2), c) Oberflächenmodifikation der Rahmenelemente (1.1, 1.2) jeweils in einem Bereich, der den mittleren Ausschnitt (6) randseitig vollständig umgibt, d) Applizieren eines Bindemittels (3) auf den oberflächenmodifizierten Bereich des breiteren Rahmenelements (1.2) e) Positionieren der Membran (2) auf das breitere Rahmenelement (1.2) derart, dass dessen mittlerer Ausschnitt (6) vollständig mit der Membran (2) abgedeckt ist, f) Applizieren eines weiteren Bindemittels (3) auf einen umlaufenden Randbereich der Membran (2), g) Positionieren des schmaleren Rahmenelements (1.1) auf die Membran (2) und Verpressen der Rahmenelemente (1.1, 1.2) mit der Membran (2) und h) Anordnen zumindest eines Dichtelements (5) auf einen äußeren Abschnitt (1.2.2) des breiteren Rahmenelements (1.2).
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenmodifikation der Rahmenelemente (1.1, 1.2) elektrochemisch erfolgt.