DE112021008114T5 - Membranmodul und dessen herstellungsverfahren, brennstoffzelleneinheit und brennstoffzellenpack - Google Patents

Membranmodul und dessen herstellungsverfahren, brennstoffzelleneinheit und brennstoffzellenpack Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein Membranmodul und dessen Herstellungsverfahren sowie eine Brennstoffzelleneinheit und Brennstoffzellenpaket bereit. Das Membranmodul umfasst: eine mehrschichtige Membran; einen ersten Rahmen und einen zweiten Rahmen, die im Wesentlichen auf gegenüberliegenden Seiten der mehrschichtigen Membran auf der Ebene der mehrschichtigen Membran angeordnet sind; sowie ein Elastomer-Dichtelement, das die mehrschichtige Membran mit dem ersten Rahmen und dem zweiten Rahmen verbindet. Die Brennstoffzelleneinheit nach den Ausführungsformen weist eine vereinfachte Struktur auf und die Herstellung ist einfacher.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Brennstoffzellen und insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein neues Membranmodul und dessen Herstellungsverfahren, eine Brennstoffzelleneinheit und Brennstoffzellenpack.
  • STAND DER TECHNIK
  • Eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle ist ein technisch ausgereifter Brennstoffzellenstapel. Der Brennstoffzellenstapel umfasst eine Membran-Elektrodeneinheit (MEA), eine Bipolarplatte (BPP) und eine Klemmevorrichtung, die nach dem Zusammenfügen einen Batteriestapel bilden.
  • In 1 ist eine Explosionszeichnung einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelleneinheit nach dem Stand der Technik dargestellt, die von außen nach innen der Reihe nach Folgendes umfasst: Polplatten 11, 12, Dichtelemente 13, 14, Rahmen 17, 18, Diffusionsschichten 15, 16, Katalyseschichten 16, 19 und eine Protonenaustauschmembran 21. Während des Herstellungsprozesses dieser Art von Brennstoffzelleneinheit werden die Dichtelemente 13, 14 jeweils an den Polplatten 11, 12 gebildet, wobei die zwei Rahmen 17, 18 verwendet werden, um die dazwischenliegenden Diffusionsschichten 15, 16, Katalyseschichten 16, 19 und Protonenaustauschmembran 21 abgedichtet miteinander zu verbinden.
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Der Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, die im Stand der Technik bestehenden Probleme zu lösen oder zumindest zu verringern.
  • Einerseits wird ein Membranmodul bereitgestellt, umfassend:
    • eine mehrschichtige Membran
    • einen ersten Rahmen und einen zweiten Rahmen, die im Wesentlichen auf gegenüberliegenden Seiten der mehrschichtigen Membran auf der Ebene der mehrschichtigen Membran angeordnet sind sowie
    • ein Elastomer-Dichtelement, das die mehrschichtige Membran mit einem ersten Rahmen und einem zweiten Rahmen verbindet.
  • Weiterhin werden ein Herstellungsverfahren für ein solches Membranmodul und eine daraus bestehende Brennstoffzelleneinheit sowie ein Brennstoffzellenpaket bereitgestellt.
  • Das Membranmodul, die Brennstoffzelleneinheit und das Brennstoffzellenpaket nach einer Ausführungsform weisen eine vereinfachte Struktur auf und sind dementsprechend leichter herzustellen.
  • BESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Die offenbarten Inhalte der Ausführungsformen werden durch Bezugnahme auf die Figuren leichter verständlich. Fachleute auf dem Gebiet können ohne weiteres nachvollziehen, dass die Figuren nur der Veranschaulichung dienen und keine Einschränkung des Schutzumfangs der Ausführungsformen darstellen sollen. Darüber hinaus kennzeichnen gleiche Bezugszeichen in den Figuren ähnliche Bauteile, wobei
    • 1 eine Explosionszeichnung einer Brennstoffzelleneinheit nach dem Stand der Technik zeigt;
    • 2 eine schematische Darstellung von Rahmen und mehrschichtiger Membran einer Brennstoffzelleneinheit nach einer Ausführungsform zeigt;
    • 3 eine schematische Darstellung des Membranmoduls einer Brennstoffzelleneinheit nach einer Ausführungsform zeigt; und
    • 4 eine weitere Ausführungsform eines Rahmens einer Brennstoffzelleneinheit nach einer Ausführungsform zeigt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Bezugnehmend auf die 2 bis 4 werden das Membranmodul und die Brennstoffzelleneinheit nach der vorliegenden Erfindung vorgestellt. Eine Brennstoffzelleneinheit nach einer beispielhaften Ausführungsform umfasst: eine erste Polplatte und eine zweite Polplatte (nicht dargestellt); sowie ein Membranmodul zwischen der ersten Polplatte und der zweiten Polplatte. Das Membranmodul umfasst: eine mehrschichtige Membran 4; einen auf gegenüberliegenden Seiten der mehrschichtigen Membran angeordneten ersten Rahmen 3 und einen zweiten Rahmen 5 (in der Fig. auf der linken und rechten Seite oder auf der oberen und unteren Seite), wobei der erste Rahmen 3 und der zweite Rahmen 5 mit der mehrschichtigen Membran 4 im Wesentlichen auf derselben Ebene angeordnet sein können; sowie ein Elastomer-Dichtelement 6, das die ursprünglich voneinander getrennten Seiten der mehrschichtigen Membran 4 mit dem ersten Rahmen 3 und dem zweiten Rahmen 5 verbindet. Der in 1 dargestellte Stand der Technik umfasst üblicherweise zwei Rahmen 17, 18, darüber hinaus ist im mittleren Abschnitt der Rahmen 17, 18 ist eine Öffnung angeordnet, wodurch die Materialnutzungsrate vergleichsweise niedrig ist, der Zusammenbau der Diffusionsschichten 15, 16, Katalyseschichten 16, 19 und Protonenaustauschmembran 21 am Rahmen eine zeitaufwändige und mühselige Arbeit ist und die Dichtelemente 13, 14 üblicherweise jeweils an den Polplatten 11, 12 ausgebildet sind. Bei einer Brennstoffzelleneinheit nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Nutzungsrate des Rahmenmaterials höher, da nur eine Schicht an Rahmenmaterial benötigt wird, die Dicke geringer ist und die Verschnittrate niedriger ist, außerdem kann mittels des Elastomer-Dichtelements die mehrschichtige Membran 4 mit dem ersten Rahmen 3 und dem zweiten Rahmen 5 verbunden werden, was den Herstellungsprozess vereinfacht und den Schwierigkeitsgrad der Verarbeitung senkt.
  • Bei einigen Ausführungsformen umfasst die mehrschichtige Membran 4: Eine Protonenaustauschmembran, eine erste Katalysatorschicht und eine zweite Katalysatorschicht an den beiden Seiten der Protonenaustauschmembran sowie eine erste Gasdiffusionsschicht und eine zweite Gasdiffusionsschicht an den Außenseiten von erster Katalysatorschicht und zweiter Katalysatorschicht. Bei einigen Ausführungsformen kann die mehrschichtige Membran 4 zudem weitere geeignete Schichten umfassen. Bei einigen Ausführungsformen kann die mehrschichtige Membran, einschließlich Protonenaustauschmembran, erster Katalysatorschicht und zweiter Katalysatorschicht sowie erster Gasdiffusionsschicht und zweiter Gasdiffusionsschicht während der Herstellung zu einer Einheit vorab abgedichtet werden, beispielsweise können die Protonenaustauschmembran, die erste Katalysatorschicht und zweite Katalysatorschicht sowie die erste Gasdiffusionsschicht und zweite Gasdiffusionsschicht beispielsweise durch Siebdrucktechnologie mit Kieselgel zu einer Einheit hermetisch verpackt werden.
  • Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Elastomer-Dichtelement 6: einen an der mehrschichtigen Membran angeordneten mittleren Abschnitt 64, einen jeweils an erstem Rahmen 3 und zweitem Rahmen 5 angeordneten ersten Endabschnitt 63 und zweiten Endabschnitt 65, wobei der erste Endabschnitt 63 und der zweite Endabschnitt 65 des Elastomer-Dichtelements 65 mit dem mittlere Abschnitt 64 verbunden sind. Bei einigen Ausführungsformen ist der mittlere Abschnitt 64 des Elastomer-Dichtelements die mehrschichtige Membran 4 umgebend ausgebildet, beispielsweise ist, wie in den Fig. dargestellt, der mittlere Abschnitt 64 des Elastomer-Dichtelements im Wesentlichen in der Form eines Quadrats ausgebildet und umgibt die mehrschichtige Membran 4. Bei einigen Ausführungsformen kann der mittlere Abschnitt 64 des Elastomer-Dichtelements auch andere Formen aufweisen, um den Durchflusswiderstand von Gasen oder Flüssigkeiten zu minimieren.
  • Bei einigen Ausführungsformen begrenzen der erste Rahmen 3 und der zweite Rahmen 5 jeweils mehrere einander entsprechende Öffnungen 31, 51 zum Durchleiten von Fluiden. Der erste Endabschnitt 63 und der zweite Endabschnitt 65 des Elastomer-Dichtelements 6 sind jeweils als ein Dichtstreifen ausgebildet, der jede der mehreren Öffnungen 31, 51 an den gegenüberliegenden Flächen des ersten Rahmens 3 und des zweiten Rahmens 5 umgibt. Bei der dargestellten Ausführungsform umfassen der erste Rahmen 3 und der zweite Rahmen 5 jeweils drei Öffnungen 31, 51. Beispielsweise können der erste Rahmen 3 und der zweite Rahmen 5 in rechteckiger Form mit zwei Querstreben ausgebildet sein, wobei jede der drei Öffnungen 31, 51 des ersten Rahmens 3 und des zweiten Rahmens 5 jeweils einer Lufteintrittsöffnung, einer Luftaustrittsöffnung, einer Wasserstoffeintrittsöffnung, einer Wasserstoffaustrittsöffnung, einer Kühlmitteleintrittsöffnung und einer Kühlmittelaustrittsöffnung entsprechen. Dementsprechend sind der erste Endabschnitt 63 und der zweite Endabschnitt 65 des Elastomer-Dichtelements 6 ebenfalls in der Form eines Rechtecks mit zwei Querstreben ausgebildet, obgleich in der in den Figuren dargestellten Ausführungsform nur der erste Endabschnitt 63 und der zweite Endabschnitt 65 des Elastomer-Dichtelements 6 lediglich im Zustand der Vorderseite des ersten Rahmens 3 und des zweiten Rahmens 5 dargestellt sind, wobei der erste Endabschnitt 63 und der zweite Endabschnitt 65 des Elastomer-Dichtelements 6 an der Rückseite des ersten Rahmens 3 und des zweiten Rahmens 5 eine identische Struktur aufweisen können. Bei einigen Ausführungsformen sind der erste Endabschnitt 63 und der zweite Endabschnitt 65 des Elastomer-Dichtelements 6 über zwei obere und untere Verbindungsabschnitte 67, 68 mit dem mittleren Abschnitt 64 des Elastomer-Dichtelements verbunden, wobei zwischen dem oberen und dem unteren Verbindungsabschnitt 67, 68 ein hohler Abschnitt angeordnet ist, wodurch der mittlere Abschnitt 64 des Elastomer-Dichtelements von dem ersten Endabschnitt 63 und dem zweiten Endabschnitt 65 getrennt wird. Diese hohle Struktur kann zu den entsprechenden Vorsprüngen an der Polplatte passen. Bei einigen Ausführungsformen können der erste Rahmen und der zweite Rahmen aus PEN (Polyethylennaphthalat), PET (Polyethylenenterephthalat), PI (Polyimid) oder PMMA (Polymethylmethacrylat) oder anderen Materialien hergestellt sein.
  • Bei einigen Ausführungsformen weisen die erste Polplatte und die zweite Polplatte Nuten auf, die dem ersten Endabschnitt 63 und zweiten Endabschnitt 65 des als Dichtungsstreifen ausgebildeten Elastomer-Dichtelements entsprechen, so dass beim Zusammenfügen von erster Polplatte und zweiter Polplatte der erste Endabschnitt 63 und der zweite Endabschnitt 65 des Elastomer-Dichtelements in die entsprechenden Nuten eingebettet sind. Daher wird beim Zusammenbau der Brennstoffzelleneinheit das Membranmodul zwischen den beiden Polplatten eingebettet und der erste Endabschnitt 63 und der zweite Endabschnitt 65 des Elastomer-Dichtelements werden zusammengedrückt, um eine Abdichtung zu erreichen.
  • Bei einigen Ausführungsformen können der erste Rahmen 3 und der zweite Rahmen 5 zudem Mikroporen 34 umfassen, beispielsweise eine Reihe von Mikroporen 34 entlang einer Seite des ersten Rahmens 3 und zweiten Rahmens 5 nahe der mehrschichtigen Membran 4, wobei der erste Endabschnitt 63 und der zweite Endabschnitt 65 des Elastomer-Dichtelements jeweils durch die Mikroporen 34 des ersten Rahmens und zweiten Rahmens verlaufen. Die durch den ersten Rahmen und den zweiten Rahmen verlaufenden Mikroporen des Elastomer-Dichtelements können eine bessere Verbindung des Elastomer-Dichtelements mit erstem Rahmen 3 und zweitem Rahmen 5 und somit eine bessere Verbindungsfestigkeit ermöglichen. Bei einigen Ausführungsformen können die Mikroporen 34 in weiteren geeigneten Positionen angeordnet sein. Der Durchmesser der Mikroporen 34 kann im Millimeterbereich oder kleiner, beispielsweise im Mikrometerbereich liegen, beispielsweise einige Mikrometer oder mehrere zehn Mikrometer betragen, und beispielsweise innerhalb eines Bereichs von 5 Mikrometer bis 100 Mikrometer liegen.
  • Bei einigen Ausführungsformen wird das Elastomer-Dichtelement 6 durch Spritzgießen an der mehrschichtigen Membran 4, an dem ersten Rahmen 3 und dem zweiten Rahmen 5 befestigt. Das Elastomer-Dichtelement 6 kann beispielsweise aus einem Kieselgel-Material hergestellt sein.
  • In einem weiteren Aspekt wird ferner ein Brennstoffzellenpaket bereitgestellt, der mehrere gestapelte Brennstoffzelleneinheiten nach den vorstehenden Ausführungsformen umfasst.
  • In einem weiteren Aspekt wird ferner ein Herstellungsverfahren für ein Membranmodul bereitgestellt, das die folgenden Schritte umfasst: eine Protonenaustauschmembran, wobei die erste Katalysatorschicht und die zweite Katalysatorschicht auf beiden Seiten der Protonenaustauschmembran sowie die erste Gasdiffusionsschicht und die zweite Gasdiffusionsschicht an der Außenseite der ersten Katalysatorschicht und der zweiten Katalysatorschicht versiegelt zusammengepackt werden, um eine mehrschichtige Membran zu bilden; Schnitt zur Herstellung des ersten und des zweiten Rahmens; Anordnen der mehrschichtigen Membran und des ersten und zweiten Rahmens in einer Form, wobei der erste Rahmen und der zweite Rahmen auf gegenüberliegenden Seiten der mehrschichtigen Membran auf einer Ebene angeordnet sind, in der die mehrschichtige Membran angeordnet ist; und Bilden eines Elastomer-Dichtelements auf der mehrschichtigen Membran und dem ersten und dem zweiten Rahmen durch Spritzgießen, wodurch die mehrschichtige Membran mit dem ersten und dem zweiten Rahmen zu einem Membranmodul verbunden wird.; in einem weiteren Aspekt wird ein Herstellungsverfahren für eine Brennstoffzelleneinheit bereitgestellt, das Folgendes umfasst: Zusammenbau von erster Polplatte und zweiter Polplatte sowie Membranmodul nach den verschiedenen Ausführungsformen, so dass das Membranmodul sich zwischen erster Polplatte und zweiter Polplatte befindet, um eine Brennstoffzelleneinheit zu bilden.
  • Die vorstehend beschriebenen spezifischen Ausführungsformen dienen nur dazu, die Prinzipien der Ausführungsformen näher zu erläutern, wobei die einzelnen Komponenten deutlich dargestellt oder beschrieben werden, um die Prinzipien der Ausführungsformen leichter verständlich zu machen. Fachleute auf dem Gebiet können verschiedene Modifikationen oder Änderungen vornehmen, ohne vom Schutzumfang der Ausführungsformen abzuweichen. Es sollte daher davon ausgegangen werden, dass diese Modifikationen oder Änderungen in den Schutzumfang der Ausführungsformen einbezogen werden.

Claims (10)

  1. Membranmodul, dadurch gekennzeichnet, dass es Folgendes umfasst: eine mehrschichtige Membran (4); einen ersten Rahmen (3) und einen zweiten Rahmen (5), die an einander gegenüberliegenden Seiten der mehrschichtigen Membran (4) im Wesentlichen auf derselben Ebene mit der mehrschichtigen Membran (4) angeordnet sind; sowie ein Elastomer-Dichtelement (6), das die mehrschichtige Membran (4) mit dem ersten Rahmen (3) und dem zweiten Rahmen (5) verbindet.
  2. Membranmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrschichtige Membran (4) Folgendes umfasst: eine Protonenaustauschmembran, eine erste Katalysatorschicht und eine zweite Katalysatorschicht auf beiden Seiten der Protonenaustauschmembran sowie eine erste Gasdiffusionsschicht und eine zweite Gasdiffusionsschicht an den Außenseiten der ersten Katalysatorschicht und der zweiten Katalysatorschicht, wobei die Protonenaustauschmembran, die erste Katalysatorschicht und die zweite Katalysatorschicht sowie die erste Gasdiffusionsschicht und die zweite zu einer Einheit hermetisch verpackt sind, wobei die Protonenaustauschmembran, die erste Katalysatorschicht und die zweite Katalysatorschicht sowie die erste Gasdiffusionsschicht und die zweite Gasdiffusionsschicht durch Siebdruck mit Kieselgel hermetisch verpackt sind.
  3. Membranmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Elastomer-Dichtelement Folgendes umfasst: einen an der mehrschichtigen Membran angeordneten mittleren Abschnitt (64) sowie einen jeweils an dem ersten Rahmen (3) und dem zweiten Rahmen (5) angeordneten ersten Endabschnitt (63) und zweiten Endabschnitt (65), wobei der erste Endabschnitt (63) und der zweite Endabschnitt (65) des Elastomer-Dichtelements und der mittlere Abschnitt (64) des Elastomer-Dichtelements miteinander verbunden sind, wobei der mittlere Abschnitt (64) des Elastomer-Dichtelements so ausgebildet ist, dass er die mehrschichtige Membran (4) umgibt, wobei der erste Rahmen (3) und der zweite Rahmen (5) jeweils mehrere einander entsprechende Öffnungen (31, 51) definieren, die dem Fluideinlass entsprechen, wobei der erste Endabschnitt (63) und der zweite Endabschnitt (65) des Elastomer-Dichtelements jeweils als Dichtungsstreifen ausgebildet sind, die jede der mehreren Öffnungen (31, 51) an einander gegenüberliegenden Flächen des ersten Rahmens (3) und des zweiten Rahmens (5) umgeben.
  4. Membranmodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Abschnitt (64) des Elastomer-Dichtelements ein Quadrat darstellt, und dass der erste Endabschnitt (63) und der zweite Endabschnitt (65) des Elastomer-Dichtelements ein Rechteck mit zwei Querstreben darstellen, und an einander entsprechenden Flächen von erstem Rahmen (3) und zweitem Rahmen (5) angeordnet sind, wobei der erste Rahmen und der zweite Rahmen aus PEN, PET, PI oder PMMA gebildet sind.
  5. Membranmodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Rahmen (3) und der zweite Rahmen (5) ferner Mikroporen (34) umfassen, wobei der erste Endabschnitt (63) und der zweite Endabschnitt (65) des Elastomer-Dichtelements durch die Mikroporen (34) des ersten Rahmens (3) und des zweiten Rahmens (5) jeweils verlaufen, wobei der erste Rahmen (3) und der zweite Rahmen (5) eine Reihe von Mikroporen (34) umfassen, die auf einer Seite nahe der mehrschichtigen Membran (4) angeordnet sind.
  6. Membranmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Elastomer-Dichtelement (6) durch Spritzgießen an der mehrschichtigen Membran (4), dem ersten Rahmen (3) und dem zweiten Rahmen (5) befestigt wird.
  7. Brennstoffzelleneinheit, dadurch gekennzeichnet, dass sie Folgendes umfasst: eine erste Polplatte und eine zweite Polplatte; sowie ein zwischen der ersten Polplatte und der zweiten Polplatte angeordnetes Membranmodul nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 6.
  8. Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Polplatte und die zweite Polplatte eine Nut aufweisen, die dem als Dichtstreifen ausgebildeten ersten Endabschnitt (63) und zweiten Endabschnitt (65) des Elastomer-Dichtelements entsprechen, so dass bei Zusammenfügen der ersten Polplatte und der zweiten Polplatte die Dichtstreifen in die entsprechende Nut eingebettet sind, wobei der erste Endabschnitt (63) und der zweite Endabschnitt (65) jeweils durch ein Paar Übergangsabschnitte (67, 68) mit dem mittleren Abschnitt (64) des Elastomer-Dichtelements verbunden sind, wobei zwischen dem Paar Übergangsabschnitte (67, 68) ein hohler Abschnitt angeordnet ist, und die erste Polplatte und die zweite Polplattte Vorsprünge aufweisen, die den Positionen des hohlen Abschnitte entsprechen.
  9. Brennstoffzellenpaket, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellenpaket mehrere gestapelte Brennstoffzelleneinheiten nach Anspruch 7 oder 8 umfasst.
  10. Herstellungsverfahren für ein Membranmodul, dadurch gekennzeichnet, dass es Folgendes umfasst: Bildung einer mehrschichtigen Membran (4) durch hermetisches Verpacken einer Protonenaustauschmembran, einer ersten Katalysatorschicht und einer zweiten Katalysatorschicht auf beiden Seiten der Protonenaustauschmembran sowie einer ersten Gasdiffusionsschicht und einer zweiten Gasdiffusionsschicht an den Außenseiten der ersten Katalysatorschicht und der zweiten Katalysatorschicht zu einer Einheit; Herstellen von erstem Rahmen (3) und zweitem Rahmen (5); Anordnen der mehrschichtigen Membran (4) sowie des ersten Rahmens (3) und des zweiten Rahmens (5) in einer Form, wobei der erste Rahmen (3) und der zweite Rahmen (5) im Wesentlichen auf gegenüberliegenden Seiten der mehrschichtigen Membran (4) auf derselben Ebene der mehrschichtigen Membran (4) angeordnet sind; sowie Ausbilden des Elastomer-Dichtelements (6) auf der mehrschichtigen Membran (4) und dem ersten Rahmen (3) und dem zweiten Rahmen (5) durch Spritzgießen, um die mehrschichtige Membran (4), den ersten Rahmen (3) und den zweiten Rahmen (5) miteinander zu einem Membranmodul zu verbinden.
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