DE102007052637A1

DE102007052637A1 - Herstellung einer Membranelektrodenanordnung mit Randschutz für PEM-Brennstoffzellen

Info

Publication number: DE102007052637A1
Application number: DE102007052637A
Authority: DE
Inventors: Ronald L. James; Seth D. Wixom Valentine; James Leistra
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-11-08
Filing date: 2007-11-05
Publication date: 2008-05-29
Anticipated expiration: 2027-11-06
Also published as: US20080105354A1; JP2008124021A; JP5213416B2; DE102007052637B4; CN101262063A; US8470497B2; CN101262063B

Abstract

Verfahren zum Anbringen einer Unterdichtung an einer Ionomermembran, wobei die Verfahren für die präzise Lage der Unterdichtung relativ zu den anderen Komponentenrändern der Brennstoffzelle, wie den Katalysatorschichten, sorgen, um so die Funktionalität bereitzustellen, die erforderlich ist, um die Ionomermembranlebensdauer zu erweitern und einen Schaden an der Ionomermembran während des Zusammenbauprozesses zu verhindern.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Brennstoffzellen und insbesondere neue und verbesserte Verfahren zum Aufbau von Membranelektrodenanordnungen, die eine verbesserte Haltbarkeit aufweisen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Brennstoffzellen sind bei vielen Anwendungen als eine Energiequelle verwendet worden. Beispielsweise sind Brennstoffzellen zur Verwendung in elektrischen Fahrzeugantriebsanlagen als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen worden. Bei Brennstoffzellen vom Protonenaustauschmembran-(PEM)-Typ wird Wasserstoff an die Anode der Brennstoffzelle geliefert und Sauerstoff als das Oxidationsmittel an die Kathode geliefert. PEM-Brennstoffzellen umfassen eine Membranelektrodenanordnung (MEA) mit einer dünnen protonendurchlässigen, nicht elektrisch leitenden Festpolymerelektrolytmembran, die auf einer ihrer Seiten den Anodenkatalysator und auf der entgegengesetzten Seite den Kathodenkatalysator aufweist. Die MEA ist schichtartig zwischen einem Paar elektrisch leitender Elemente angeordnet, die manchmal als die Gasdiffusionsmediumkomponenten bezeichnet werden und die: (1) als Stromkollektoren für die Anode und die Kathode dienen; (2) geeignete Öffnungen darin zur Verteilung der gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle über die Oberflächen der jeweiligen Anoden- und Kathodenkatalysatoren enthalten; (3) Produktwasserdampf oder flüssiges Wasser von der Elektrode an Strömungs feldkanäle entfernen; (4) zur Wärmeabweisung wärmeleitend sind; und (5) eine mechanische Festigkeit besitzen. Der Begriff "Brennstoffzelle" wird typischerweise dazu verwendet, abhängig vom Kontext entweder eine einzelne Zelle oder eine Vielzahl von Zellen (beispielsweise einen Stapel) zu bezeichnen. Gewöhnlich wird eine Vielzahl einzelner Zellen miteinander gebündelt, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden, und werden gewöhnlich in Reihe angeordnet. Jede Zelle in dem Stapel umfasst die vorher beschriebene MEA, und jede derartige MEA liefert ihr Spannungsinkrement.
In PEM-Brennstoffzellen ist Wasserstoff (H₂) der Anodenreaktand (d.h. Brennstoff), und Sauerstoff ist der Kathodenreaktand (d.h. Oxidationsmittel). Der Sauerstoff kann entweder in reiner Form (O₂) oder als Luft (einer Mischung aus O₂ und N₂) vorliegen. Die Festpolymerelektrolyte bestehen typischerweise aus Ionentauscherharzen, wie perfluorierter Sulfonsäure. Die Anode/Kathode umfasst typischerweise fein geteilte katalytische Partikel, die oftmals auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem protonenleitenden Harz gemischt sind. Die katalytischen Partikel sind typischerweise teure Edelmetallpartikel. Diese Membranelektrodenanordnungen sind relativ teuer herzustellen und erfordern für einen effektiven Betrieb bestimmte Bedingungen, die ein richtiges Wassermanagement wie auch eine richtige Befeuchtung sowie eine Steuerung katalysatorschädigender Bestandteile, wie Kohlenmonoxid (CO), umfassen.
Beispiele der Technologie in Verbindung mit Brennstoffzellensystemen vom PEM-Typ und anderen damit in Verbindung stehenden Typen können unter Bezugnahme auf die gemeinsam übertragenen U.S. Patente Nrn. 3,985,578 von Witherspoon et al.; 5,272,017 von Swathirajan et al.; 5,624,769 von Li et al.; 5,776,624 von Neutzler; 6,103,409 von DiPierno Bosco et al.; 6,277,513 von Swathirajan et al.; 6,350,539 von Woods, III et al.; 6,372,376 von Fronk et al.; 6,376,111 von Mathias et al.; 6,521,381 von Vyas et al.; 6,524,736 von Sompalli et al.; 6,528,191 von Senner; 6,566,004 von Fly et al.; 6,630,260 von Forte et al.; 6,663,994 von Fly et al.; 6,740,433 von Senner; 6,777,120 von Nelson et al.; 6,793,544 von Brady et al.; 6,794,068 von Rapaport et al.; 6,811,918 von Blunk et al.; 6,824,909 von Mathias et al.; U.S. Patentanmeldung Veröffentlichungsnrn. 2004/0229087 von Senner et al.; 2005/0026012 von O'Hara; 2005/0026018 von O'Hara et al.; und 2005/0026523 von O'Hara et al. gefunden werden, wobei die gesamten Beschreibungen von allen hier ausdrücklich durch Bezugnahme eingeschlossen sind.
Eine Brennstoffzellen-Unterdichtung kann für die folgenden Funktionen verwendet werden: (1) da die Ionomermembran ein weiches Material ist, das seine Abmessungen mit der Temperatur und der relativen Feuchte erheblich ändert, sieht eine Unterdichtung ein festes und von den Abmessungen her stabiles Material vor (beispielsweise PET oder PEN), um Gebiete der Membranen abzudichten; (2) da die Ionomermembran weich ist, erlaubt die Verwendung einer Unterdichtung erhöhte Dichtungslasten ohne Beschädigung der Membran; (3) Ränder von verschiedenen Komponenten in der PEM-Brennstoffzelle können lokale Spannungskonzentrationen an der Membran bewirken (beispielsweise kann die Verwendung von Unterdichtungen verhindern, dass diese Ränder einen vorzeitigen Membranfehler bewirken); und (4) die Lage des Unterdichtungsrandes kann dazu verwendet werden, die Aktivität an den Katalysatorrändern zu steuern (beispielsweise wenn die Unterdichtung impermeabel ist, kann sie verhindern, dass Reaktanden den Katalysator erreichen, wodurch der Unterdichtungsrand den effektiven aktiven Rand des Katalysator steuern kann). Durch künstliches Steuern von Katalysatorrändern unter Verwendung einer Unterdichtung sind erhebliche Verbesserungen hinsichtlich der MEA-Lebensdauer gezeigt worden.
Jedoch waren herkömmliche Verfahren zum Anbringen der Unterdichtung an der Ionomermembran nicht vollständig zufriedenstellend. Es sind verschiedene Versuche durchgeführt worden, um dieses Problem zu überwinden. Beispielsweise haben einige Hersteller Heißdruck verwendet, um die Unterdichtungen an den Ionomermembranen anzubringen. Zusätzlich zu der Wärme und dem Druck, die bei der Technik erforderlich sind, besteht ein zusätzlicher Nachteil darin, dass die Katalysatorschichten nach der Unterdichtung hinzugefügt werden. Dies verhindert, dass die Unterdichtung über der Katalysatorschicht angebracht wird. Die Unterdichtung kann bei diesem Verfahren unter dem Katalysator angebracht werden, wobei dies jedoch oftmals zu einem Reißen und einem Delaminieren des Katalysators an dem Unterdichtungsrand führt. Dieses Reißen resultiert in einem fusseligen Katalysatorrand an dem Unterdichtungsrand. Um die Anoden- und Kathodenkatalysatorränder zu versetzen, erfordert dieses Verfahren zusätzlichen Raum, um die durch das Reißen bewirkte Unsicherheit in dem Katalysatorrand zu berücksichtigen. Zusätzlich kann dieses Verfahren Spalte von freiliegender Ionomermembran zwischen dem Katalysator und den Unterdichtungsrändern zurücklassen.
Andere Versuche verwenden eine Vorgehensweise, bei der die Unterdichtung auf der Membran angeordnet wird. Dann wird dieser Drei-Schicht-Aufbau schichtartig zwischen zwei Stücken von katalysatorbeschichteten Diffusionsmedien angeordnet. Die gesamte Anordnung wird dann über den Glasübergangspunkt des Ionomers hinaus heißgepresst, um die MEA zu formen. Während diese Vorgehensweise in Bezug auf die Steuerung von Katalysatorrändern ziemlich robust ist, besitzt sie verschiedene Nachteile. Zunächst kann die Wärme und der Druck, die erforderlich sind, um die Bindung zu erreichen, bewirken, dass die Ionomermembran fließt, was zu einer Ausdünnung unter den Unterdichtungen führen kann. Zweitens können die Wärme/Kühl-Zyklen in dem Teil thermische Spannungen bewirken. An dem Unterdichtungsrand können dann Fehler auftreten. Drittens ist es, da die gesamte MEA, einschließlich dem Gasdiffusionsmedium (GDM), in einem einzelnen Heißpressschritt zusammengebaut wird, sehr schwierig, dann die Katalysatorrandpositionen zu überprüfen.
Demgemäß besteht ein Bedarf nach neuen und verbesserten Verfahren zum Anbringen der Unterdichtung an der Ionomermembran, wobei die Verfahren für die präzise Lage der Unterdichtung relativ zu den anderen Komponentenrändern der Brennstoffzelle sorgen, um so die Funktionalität bereitzustellen, die erforderlich ist, um die Ionomermembranlebensdauer zu erweitern und einen Schaden an der Ionomermembran während des Zusammenbauprozesses zu verhindern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einer ersten Ausführungsform ist ein Verfahren zum Aufbauen einer Membranelektrodenanordnung/Unterdichtungsanordnung vorgesehen, umfassend, dass: (1) ein Unterdichtungselement vorgesehen wird; (2) eine Klebstoffschicht an einer Fläche des Unterdichtungselementes vorgesehen wird; (3) das Unterdichtungselement in eine gewünschte Konfiguration geformt wird, wobei ein Bereich, der eine Öffnung definiert, in einem zentralen Bereich der Fläche des Unterdichtungselementes geformt wird; (4) das Unterdichtungselement an einem ersten Aufspannplattenelement befestigt wird; (5) ein katalysatorbeschichtetes Membranelement vorgesehen wird, wobei eine Katalysatorschicht in einem zentralen Bereich des Membranelementes vorgesehen wird, wobei die Katalysatorschicht eine Randkonfiguration aufweist, die im Wesentlichen identisch zu einer Randkonfiguration der Öffnung ist; (6) das katalysatorbeschichtete Membranelement an einem zweiten Aufspannplattenelement befestigt wird; und (7) das erste und zweite Aufspannplattenelement betätigt werden, so dass die Klebstoffschicht mit dem Membranelement des katalysatorbeschichteten Membranelementes in Kontakt tritt.
Gemäß einer ersten alternativen Ausführungsform ist ein Verfahren zum Aufbauen einer Membranelektrodenanordnung/Unterdichtungsanordnung vorgesehen, umfassend, das: (1) ein Unterdichtungselement vorgesehen wird; (2) eine Klebstoffschicht auf einer Fläche des Unterdichtungselementes vorgesehen wird; (3) das Unterdichtungselement in eine gewünschte Konfiguration geformt wird, wobei ein Bereich, der eine Öffnung definiert, in einem zentralen Bereich der Fläche des Unterdichtungselementes geformt wird; (4) das Unterdichtungselement an einem ersten Aufspannplattenelement mit einer Vakuumkraft befestigt wird, wobei die Klebstoffschicht von dem ersten Aufspannplattenelement beabstandet und diesem entgegengesetzt angeordnet ist; (5) ein katalysatorbeschichtetes Membranelement vorgesehen wird, wobei eine Katalysatorschicht in einem zentralen Bereich des Membranelementes vorgesehen wird, wobei die Katalysatorschicht eine Randkonfiguration aufweist, die im Wesentlichen identisch zu einer Randkonfiguration der Öffnung ist; (6) das katalysatorbeschichtete Membranelement an einem zweiten Aufspannplattenelement mit einer Vakuumkraft befestigt wird, wobei die Katalysatorschicht von dem zweiten Aufspannplattenelement beabstandet und diesem entgegengesetzt angeordnet ist; und (7) das erste und zweite Aufspannplattenelement betätigt werden, so dass die Klebstoffschicht mit dem Membranelement des katalysatorbeschichteten Membranelementes in Kontakt tritt, wobei die Katalysatorschicht dazu dient, einen Abschnitt der Klebstoffschicht oder des Unterdichtungselementes zu überlappen.
Gemäß einer zweiten alternativen Ausführungsform ist ein Verfahren zum Aufbauen einer Membranelektrodenanordnung/Unterdichtungsanord nung vorgesehen, das umfasst, dass: (1) ein Unterdichtungselement vorgesehen wird; (2) eine druckempfindliche Klebstoffschicht auf einer Fläche des Unterdichtungselementes vorgesehen wird; (3) das Unterdichtungselement in eine gewünschte Konfiguration geformt wird, wobei ein Bereich, der eine Öffnung definiert, in einem zentralen Bereich der Fläche des Unterdichtungselementes geformt wird; (4) das Unterdichtungselement an einem ersten Aufspannplattenelement mit einer Vakuumkraft befestigt wird, wobei die Klebstoffschicht von dem ersten Aufspannplattenelement beabstandet und diesem entgegengesetzt angeordnet ist; (5) ein katalysatorbeschichtetes Ionomermembranelement vorgesehen wird, wobei eine Katalysatorschicht in einem zentralen Bereich des Ionomermembranelementes vorgesehen wird, wobei die Katalysatorschicht eine Randkonfiguration aufweist, die im Wesentlichen identisch zu einer Randkonfiguration der Öffnung ist; (6) das katalysatorbeschichtete Ionomermembranelement an einem zweiten Aufspannplattenelement mit einer Vakuumkraft befestigt wird, wobei die Katalysatorschicht von dem zweiten Aufspannplattenelement beabstandet und diesem entgegengesetzt angeordnet ist; (7) eine erste Lagebezugslinie der Randkonfiguration der Katalysatorschicht mit einer ersten Lagebezugslinie der Randkonfiguration der Öffnung ausgerichtet wird; und (8) das erste und zweite Aufspannplattenelement betätigt werden, so dass die Klebstoffschicht mit dem Ionomermembranelement des katalysatorbeschichteten Ionomermembranelementes in Kontakt tritt, wobei die Katalysatorschicht dazu dient, einen Abschnitt der Klebstoffschicht oder des Unterdichtungselementes zu überlappen.
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, nur zu Zwe cken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
1 eine Explosionsdarstellung einer herkömmlichen PEM-Brennstoffzelle gemäß dem Stand der Technik ist;
2 eine schematische Ansicht eines Unterdichtungselementes mit einem darin vorgesehenen Fenster eines aktiven Bereichs gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
3 eine schematische Ansicht eines Verarbeitungsschrittes zum Formen eines nicht zugeschnittenen MEA-Elementes gemäß einer ersten alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
4 eine schematische Ansicht eines Verarbeitungsschrittes zum Formen eines fertiggestellten MEA-Elementes gemäß einer zweiten alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist; und
5 ein Flussdiagramm der grundsätzlichen Verarbeitungsschritte eines Prozesses zum Formen eines fertiggestellten MEA-Elementes gemäß einer dritten alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen) ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
Eine typische PEM-Brennstoffzelle 10, wie beispielsweise in 1 gezeigt ist, besteht aus einem Paar beabstandeter und einander gegenüberliegender Bipolarplatten 12 bzw. 14, einem Paar beabstandeter und einander gegenüberliegender Dichtungen 16 bzw. 18, zwei beabstandeten und einander gegenüberliegenden Gasdiffusionsmediumschichten 20 bzw. 22, zwei beabstandeten und einander gegenüberliegenden Katalysatorschichten 24 bzw. 26, einer Ionomermembran 28 und optional einem bestimmten Typ von Unterdichtungsmaterial 30, 32, 34 bzw. 36. Wie erwähnt, ist die Unterdichtung optional und kann an einer oder beiden Seiten der Ionomermembran 28 vorkommen. Der Lage der Unterdichtung relativ zu den Rändern der Ionomermembran 28 und den Rändern der Katalysatorschichten 24 bzw. 26 ist ebenfalls abhängig von der Funktion der Unterdichtungen variabel.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich hauptsächlich auf Verfahren zum Anbringen einer Unterdichtung an einer Ionomermembran. Diese Verfahren ermöglichen eine präzise Lage der Unterdichtung relativ zu anderen Komponentenrändern, um die Funktionalität zu erzeugen, die erforderlich ist, um die Membranlebensdauer zu verlängern. Zusätzlich beseitigt dieses Zusammenbauverfahren Verarbeitungsschritte, die in der Industrie übliche Praxis sind und das Potenzial besitzen, die Membran zu beschädigen.
MEA's sind kommerziell von verschiedenen Firmen in verschiedenen Formen erhältlich. Sie können in den folgenden Formen bezogen werden: katalysatorbeschichtete Membranen (CCM); CCM's mit Unterdichtungen; und MEA-Laminate, die aus katalysatorbeschichteten Diffusionsmedien (CCDM) hergestellt sind. In all diesen Fällen sind Hersteller in Bezug auf Möglichkeiten einer Platzierung von Unterdichtungen beschränkt und sind sich oftmals nicht der Wichtigkeit der Platzierung zum Randschutz bewusst. Die vorliegende Erfindung sorgt für eine Abwandlung von Standard-MEA-Konfigurationen mit präzise angeordneten Unterdichtungen, um die Lebensdauer des Teils zu verlängern.
Die vorliegende Erfindung schlägt vor, dass durch Steuerung der relativen Position des Anodenkatalysatorrandes zu dem Kathodenkatalysatorrand ein chemischer Abbau der Ionomermembran an dem Katalysatorrand im Wesentlichen reduziert werden kann. Randfehler stellen typischerweise den ersten Fehlerpunkt dar, der in einer gut funktionierenden PEM-Brennstoffzelle auftritt. Durch Reduzierung oder Beseitigung von Randfehlern kann eine Verbesserung der Gesamt-MEA-Lebensdauer von bis zu 300 % erreicht werden. Während verschiedene Verfahren zur Steuerung dieser Katalysatorränder relativ zueinander existieren, handelt die vorliegende Erfindung hauptsächlich von der präzisen Platzierung einer impermeablen Unterdichtung über einem oder beiden der Katalysatorschichtränder.
Anhand eines nicht beschränkenden Beispiels kann die Unterdichtung entweder an der Membran unter dem Katalysator, wie in dem Fall einer CCDM-MEA-Konstruktion, angebracht werden oder die Unterdichtung kann in dem Fall einer CCM-MEA-Konstruktion an der sich über den Katalysator erstreckenden Membran angebracht werden. In jedem Fall ist die Steuerung der Lage des Unterdichtungsrandes relativ zu dem Katalysator schichtrand kritisch. Jegliche Änderung der Fähigkeit, die Unterdichtung anzuordnen, führt zu einer vergrößerten Fläche einer Überlappung von Unterdichtung und Katalysator, um sicherzustellen, dass der Rand richtig auf die Konstruktionsbeschränkung gesteuert ist. Da der gängigste Katalysator in PEM-Brennstoffzellen Platin ist, ist eine Reduzierung des Bereichs an inaktivem Katalysator von einer Kostenperspektive her ausschlaggebend. Zusätzlich beeinträchtigen erhöhte Toleranzen bei der Lage der Unterdichtung die Leistungsdichte der Brennstoffzelle, da der inaktive Bereich mit erhöhter Unterdichtungsüberlappung wächst.
Gemäß den allgemeinen Lehren der vorliegenden Erfindung existieren mehrere verschiedene Verfahren, um die Unterdichtung an der MEA anzubinden: (1) Heißschmelzen der Unterdichtung an das Ionomer und den Katalysator unter Verwendung eines wärmeaushärtenden Klebstoffes; (2) Verwendung eines druckempfindlichen Raumtemperatur-Klebstoffes (PSA); und (3) loses Legen der Unterdichtung in die Zelle zum Zeitpunkt des Brennstoffzellenstapelaufbaus. In diesem Fall wird die Unterdichtung nicht mit der Membran und/oder der Katalysatorschicht unter Verwendung eines Klebstoffes verbunden, sondern wird vielmehr durch Kompressionskräfte an der Stelle gehalten, die durch das GDM und Dichtungsschnittstellen zu der Unterdichtung erzeugt werden.
Das erste Verfahren besitzt mehrere Vorteile und ist Industriestandard der meisten MEA-Hersteller, die Unterdichtungen verwenden. Die Bindung zwischen der Ionomermembran und der Unterdichtung ist robust und erlaubt gewöhnlich eine sehr geringe Defektrate. Jedoch besitzt dieses Verfahren auch einen ernsthaften Nachteil. Der Bindungstyp erfordert eine Erwärmung der Ionomermembran, gewöhnlich über den Glasübergangspunkt des Materials hinaus. Dies kann zu einem Ionomermembranfluss weg von den Hochdruckbereichen führen, was in einer Ausdünnung der Membran unter den Unterdichtungen resultiert. Zusätzlich bewirkt der Wärmezusatz, der durch diesen Prozess erforderlich ist, dass die Ionomermembran während des Wärme/Kühl-Zyklus ihre Form ändert. Sobald die Unterdichtung mit der heißen Membran verbunden ist, wird sie fest an der Stelle gehalten. Wenn die MEA gekühlt wird, werden Spannungen in das Teil eingeführt. Sowohl die Ausdünnung als auch die erhöhten Spannungen können zu einem vorzeitigen Membranfehler führen.
Das zweite Zusammenbauverfahren besitzt den Vorteil einer Raumtemperaturverarbeitung. Ferner können die richtigen Klebstoffe eine gute Bindung mit minimalem, auf die Unterdichtung und die Membran aufgebrachtem Druck erreicht werden. Der Nachteil der Verwendung eines Raumtemperatur-PSA besteht darin, das die Lage der Unterdichtung an der Membran präzise sein muss, wenn die Teile miteinander in Kontakt treten. Zusätzlich müssen die Teile flach sein, um Falten zu vermeiden, und jegliche Fehlausrichtung ist nicht korrigierbar.
Das dritte Zusammenbauverfahren kann die Membranausdünnung und die thermischen Spannungen in Verbindung mit dem ersten Zusammenbauverfahren vermeiden. Zusätzlich erfordert es keine präzise Werkzeugausstattung, die bei dem zweiten Zusammenbauverfahren erforderlich ist. Jedoch ist dieses Verfahren bei großen Volumen nicht praktisch und stellt einen langwierigen Prozess dar. Es erfordert, dass jede MEA zum Zeitpunkt des Aufbaus zusammengebaut wird. Die zusätzliche Werkzeugausstattung, die erforderlich ist, um entweder das erste oder das zweite Zusammenbauverfahren zu unterstützen, reduziert die Gesamtzusammenbauzeit und stellt eine bessere Steuerung sicher.
Die vorliegende Erfindung ist auf die Verwendung des zweiten Zusammenbauverfahrens gerichtet; jedoch ist die Ausrichtungswerkzeugausstat tung abgewandelt, um eine Heißpresse mit präziser Ausrichtung, wenn notwendig, aufzunehmen.
Die vorliegende Erfindung ist hauptsächlich auf den Zusammenbau einer mit Unterdichtungen versehenen MEA gerichtet, der von einer CCM ausgeht. Jedoch können dieselben Vorteile aus dem Zusammenbauprozess und der Werkzeugausstattung mit geringfügigen Abwandlungen auf eine CCDM-MEA angewendet werden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der erste Schritt in dem Zusammenbauprozess mit einer Bereitstellung einer Rolle des gewünschten Unterdichtungsmaterials begonnen werden. Das Material sollte gegenüber Reaktanden impermeabel sein und sollte sich in der Brennstoffzellenumgebung nicht zersetzen (beispielsweise typischerweise entweder PEN oder PET). Es ist bevorzugt, dass das Material einen PSA auf einer Seite mit einer Deckschicht aufweist. Wenn die Rolle des Unterdichtungsmaterials nicht mit einem PSA in Kontakt kommt, dann sollte sie vor dem Zusammenbau mit einem Übertragungsband beschichtet werden. Zusätzlich kann der PSA durch einen Siebdruckprozess oder dergleichen aufgebracht werden.
Akzeptable PSAs können entweder silikon- oder acrylbasiert sein, wobei Acryl bevorzugt ist. Der gewählte Klebstoff sollte sich in der Brennstoffzellenumgebung nicht zersetzen und sollte frei von Schmutzstoffen sein, die in den aktiven Bereich der MEA gelaugt werden können. Es ist auch bevorzugt, dass der Klebstoff so dünn wie möglich ist. Beispielsweise ist es wenig wahrscheinlich, dass dünnere Klebstoffe in den aktiven Bereich der MEA fließen. Zusätzlich reduzieren dünnere Klebstoffe jegliche kompressionsbezogenen Spannungen an der MEA, wenn sie in den Brennstoffzellenstapel eingebaut wird.
Dünnere Unterdichtungen sind auch bevorzugt. Wie der Klebstoff begrenzen dünnere Unterdichtungen typischerweise Spannungskonzentrationen bei Kompression in einem Brennstoffzellenstapel. Dünnere Unterdichtungen sind bei dem Zusammenbauprozess auch leichter zu schneiden. Jedoch machen dünnere Unterdichtungen eine Teilehandhabung sowie einen Zusammenbau schwieriger.
Der nächste Schritt besteht darin, die gewünschte Unterdichtungsgrundfläche aus der Ausgangsmaterialrolle zu stanzen. Gleichzeitig sollte die Stanzeinrichtung ein Fenster in die Unterdichtung schneiden, das den aktiven Bereich der MEA definiert, wie in 2 gezeigt ist. Es sei angemerkt, dass der PSA auf die Unterdichtung aufgebracht werden sollte, nachdem das Fenster darin geschnitten ist, anstatt zuvor. Beispielsweise kann, nachdem das Fenster aus der Unterdichtung geschnitten worden ist, der PSA auf die Unterdichtung in dem Bereich benachbart des Fensters (beispielsweise um den Umfang des Fensters herum, beispielsweise um einen Rand von 1/8 Zoll um den Umfang des Fenster herum) durch eine beliebige Anzahl von Techniken, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, Siebdrucken oder dergleichen, aufgebracht werden.
Der nächste Schritt besteht darin, die CCM mit der Zusammenbau-Aufspannplatte unter Verwendung des äußeren Katalysatorrandes als Bezugslinien bzw. Bezugspunkten auszurichten. Beispielsweise kann der Hersteller das Unterdichtungsteil an einer anderen Zusammenbau-Aufspannplatte unter Verwendung des Fensters des aktiven Bereiches als einem Ausrichtungsmerkmal ausrichten. Die Unterdichtungsteile weisen die PSA-Seite gegenüberliegend der Aufspannplatte auf. LEDs oder ähnliche Lichtquellen können verwendet werden, um das Fenster des aktiven Bereichs und die Katalysatorränder an den Aufspannplatten anzuordnen.
Die Aufspannplatten können eine Vakuumkraft verwenden, um das Teil flach und starr zu halten. Als Nächstes wird das Deckpapier von dem Unterdichtungsteil entfernt, wodurch der PSA freigelegt wird. Die CCM-Aufspannplatte und die Unterdichtungsaufspannplatte verwenden dann Ausrichtmerkmale, so dass sie richtig zueinander ausgerichtet werden. Diese Ausrichtung wird zumindest teilweise durch die gewünschte MEA-Randarchitektur bestimmt. Zu diesem Zeitpunkt wird die Unterdichtung behutsam an die CCM gepresst, wodurch eine mit Unterdichtung versehene MEA mit präzise ausgerichteten Katalysator- und Unterdichtungsrändern erzeugt wird, wie in 3 gezeigt ist.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die CCM so konfiguriert werden, dass sie etwas kleiner als die Unterdichtung ist, beispielsweise mit einer Größe, die geringfügig größer als das in der Unterdichtung geformte Fenster ist. Auf diese Art und Weise kann das die CCM formende Material gespart werden, wodurch Herstellkosten reduziert werden. In diesem Fall sollte der an der Unterdichtung angeordnete PSA um den Umfang des Fensters herum platziert werden, so dass der äußere Umfang (beispielsweise ein Umfangsabschnitt von 1/8 Zoll) der kleineren CCM-Schicht mit dem PSA in Kontakt steht, sich jedoch nicht merklich über die PSA-Schicht hinaus in Richtung des Außenumfanges der Unterdichtungsschicht erstreckt, wie in 3a gezeigt ist.
Es sei angemerkt, dass bei einem Zusammenbau mit einer einzelnen Unterdichtung der PSA auf den Umfang des Fensters derart aufgebracht werden muss, dass die Unterdichtung nicht an einer Aufspannplatte oder einer anderen unerwünschten Fläche festklebt. Zusätzlich sei angemerkt, dass für einen zweiseitigen Unterdichtungszusammenbau der PSA auf einer Seite an dem Umfang des Fensters angebracht werden muss, jedoch großzügig an der anderen Seite der Unterdichtung angebracht werden kann, um so zu ermöglichen, dass die beiden Unterdichtungen miteinander verbunden werden.
An diesem Punkt bleibt die zusammengebaute MEA an einer der Aufspannplatten durch Vakuum befestigt, und die andere Aufspannplatte wird entfernt. Da das Vakuum die MEA in der ursprünglichen Position relativ zu dem Katalysatorbereich gehalten hat, sind die Bezugslinien beibehalten worden, wie sie hergestellt wurden. Dies ist wichtig, wenn die MEA zugeschnitten wird, um die Brennstoffzellenstapelanwendung einzubauen. Die Verwendung der Katalysator- oder Unterdichtungsränder als Ausrichtungsmerkmale beim Zusammenbau von Brennstoffzellenstapeln ist nicht praktisch. Daher werden oftmals zusätzliche Lokalisierungsmerkmale in die MEA geschnitten, um diese richtig mit den Bipolarplattenmerkmalen auszurichten. Dieses Zusammenbauverfahren der vorliegenden Erfindung erlaubt ein Minimieren der zusätzlichen Toleranzen, die durch Umstellen von Bezugslinienstrukturen entstehen.
Während die MEA an der Stelle gehalten wird, werden Durchlässe und externe Anordnungsmerkmale in das Teil geschnitten. Durch Halten des Katalysators als die Primärbezugslinie vom Start bis zum Ende des Prozesses können minimale Toleranzen von Katalysatorrand zu Unterdichtungsrand und von Katalysatorrand zu allen anderen Brennstoffzellenschnittstellen erreicht werden, wie in 4 gezeigt ist.
Bezug nehmend auf 5 ist ein Flussdiagramm dargestellt, das die grundsätzlichen Verarbeitungsschritte des Zusammenbauverfahrens der vorliegenden Erfindung umreißt, wie oben beschrieben ist.
Einige der Vorteile der vorliegenden Erfindung können umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt: (1) Einfachheit des Brennstoffzellenstapel zusammenbaus, beispielsweise erlaubt die Unterdichtung eine leichtere Teilehandhabung, und Bezugslinien in Unterdichtungen erlauben eine präzise Anordnung von Schlüssel-MEA-Merkmalen mit Schlüssel-Bipolarplattenmerkmalen (beispielsweise wird die präzise Ausrichtung durch Einrichten des Katalysators als eine Bezugslinie und durch Halten desselben über den gesamten MEA/Unterdichtungs-Zusammenbauprozess erreicht); (2) erhöhte MEA-Haltbarkeit, beispielsweise erlaubt ein präzises Ausrichten der Unterdichtung mit einem gewünschten Punkt an der katalysatorbeschichteten Membran (oder Herstellen des aktiven Bereiches an der CCDM-MEA) eine Steuerung von Katalysatorrandfehlern, und eine Verwendung eines Raumtemperatur-PSA erlaubt den Zusammenbau der Unterdichtung mit der MEA ohne Ausdünnung der Ionomermembran, die Verwendung eines Raumtemperatur-PSA erlaubt den Zusammenbau der Unterdichtung mit der MEA ohne Einführung thermischer Spannungen in die Ionomermembran, dünne Unterdichtungs- und Klebstoffmaterialien reduzieren die kompressionsbezogenen Spannungen an dem Unterdichtungsrand, und der Zusatz der Unterdichtung, wenn sie sich innerhalb des GDM-Randes befindet, verhindert, dass GDM-Fasern in die Ionomermembranen an dem GDM-Rand stechen; (3) erhöhte Brennstoffzellenleistungsdichte, beispielsweise erlaubt eine präzise Anordnung des Unterdichtungsrandes einem Teilekonstrukteur, die Fläche zu reduzieren, die erforderlich ist, um das GDM, die Katalysator- und die Unterdichtungsränder in den gewünschten relativen Positionen anzuordnen, was in einem kleineren Teil resultiert; und (4) verringerte MEA-Kosten, beispielsweise sorgt eine präzise Anordnung des Unterdichtungsrandes für ein kleineres Teil (beispielsweise sind Rohmaterialien eine sehr starke Treibkraft bei den Gesamt-MEA-Kosten, und durch Reduzierung der erforderlichen Materialien sinken die Nettokosten).
Es sei zu verstehen, dass die vorliegende Erfindung auf eine Vielzahl von Arten zusammengebaut werden kann, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, Zusammenbauverfahren mit einzelnen Aufspannplatten, wie hier beschrieben ist. Es wird in Betracht gezogen, dass genauso gut ein Zusammenbauprozess mit Walzen- bzw. Rollentechnik verwendet werden kann.
Die Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und somit sind Abwandlungen, die nicht von der Grundidee der Erfindung abweichen, als innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung befindlich anzusehen. Derartige Abwandlungen werden nicht als Abweichung von dem Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung betrachtet.

Claims

Verfahren zum Aufbauen einer Membranelektrodenanordnung/Unterdichtungsanordnung, umfassend, dass: ein Unterdichtungselement vorgesehen wird; eine Klebstoffschicht an einer Fläche des Unterdichtungselementes vorgesehen wird; das Unterdichtungselement in eine gewünschte Konfiguration geformt wird, wobei ein Bereich, der eine Öffnung definiert, in einem zentralen Bereich der Fläche des Unterdichtungselementes geformt wird; das Unterdichtungselement an einem ersten Aufspannplattenelement befestigt wird; ein katalysatorbeschichtetes Membranelement vorgesehen wird, wobei eine Katalysatorschicht in einem zentralen Bereich des Membranelementes vorgesehen wird, wobei die Katalysatorschicht eine Randkonfiguration aufweist, die im Wesentlichen identisch zu einer Randkonfiguration der Öffnung ist; das katalysatorbeschichtete Membranelement an einem zweiten Aufspannplattenelement befestigt wird; und das erste und zweite Aufspannplattenelement betätigt werden, so dass die Klebstoffschicht mit dem Membranelement des katalysatorbeschichteten Membranelementes in Kontakt tritt.
Erfindung nach Anspruch 1, wobei die Klebstoffschicht aus einem druckempfindlichen Klebstoffmaterial besteht.
Erfindung nach Anspruch 1, wobei das Membranelement aus einem Ionomermaterial besteht.
Erfindung nach Anspruch 1, wobei das Unterdichtungselement an dem ersten Aufspannplattenelement mit einer Vakuumkraft befestigt ist.
Erfindung nach Anspruch 1, wobei die Klebstoffschicht von dem ersten Aufspannplattenelement beabstandet und diesem entgegengesetzt ist.
Erfindung nach Anspruch 1, wobei die Katalysatorschicht eine Randkonfiguration aufweist, die im Wesentlichen identisch zu einer Randkonfiguration der Öffnung ist.
Erfindung nach Anspruch 6, ferner umfassend, dass eine erste Lagebezugslinie der Randkonfiguration der Katalysatorschicht mit einer ersten Lagebezugslinie der Randkonfiguration der Öffnung ausgerichtet wird.
Erfindung nach Anspruch 1, wobei das katalysatorbeschichtete Membranelement an einem zweiten Aufspannplattenelement mit einer Vakuumkraft befestigt ist.
Erfindung nach Anspruch 1, wobei die Katalysatorschicht von dem zweiten Aufspannplattenelement beabstandet und diesem entgegengesetzt angeordnet ist.
Erfindung nach Anspruch 1, wobei die Katalysatorschicht dazu dient, einen Abschnitt der Klebstoffschicht oder des Unterdichtungselementes zu überlappen.
Erfindung nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass ein Bereich, der eine Öffnung definiert, in einem Umfangsabschnitt des Unterdichtungselementes geformt wird.
Erfindung nach Anspruch 1, wobei das katalysatorbeschichtete Membranelement eine Umfangskonfiguration besitzt, die kleiner als eine Umfangskonfiguration des Unterdichtungselementes ist.
Erfindung nach Anspruch 1, wobei die Klebstoffschicht benachbart der Öffnung des Unterdichtungselementes angeordnet ist.
Verfahren zum Aufbauen einer Membranelektrodenanordnung/Unterdichtungsanordnung, umfassend, das: ein Unterdichtungselement vorgesehen wird; eine Klebstoffschicht auf einer Fläche des Unterdichtungselementes vorgesehen wird; das Unterdichtungselement in eine gewünschte Konfiguration geformt wird, wobei ein Bereich, der eine Öffnung definiert, in einem zentralen Bereich der Fläche des Unterdichtungselementes geformt wird; das Unterdichtungselement an einem ersten Aufspannplattenelement mit einer Vakuumkraft befestigt wird, wobei die Klebstoff schicht von dem ersten Aufspannplattenelement beabstandet und diesem entgegengesetzt angeordnet ist; ein katalysatorbeschichtetes Membranelement vorgesehen wird, wobei eine Katalysatorschicht in einem zentralen Bereich des Membranelementes vorgesehen wird, wobei die Katalysatorschicht eine Randkonfiguration aufweist, die im Wesentlichen identisch zu einer Randkonfiguration der Öffnung ist; das katalysatorbeschichtete Membranelement an einem zweiten Aufspannplattenelement mit einer Vakuumkraft befestigt wird, wobei die Katalysatorschicht von dem zweiten Aufspannplattenelement beabstandet und diesem entgegengesetzt angeordnet ist; und das erste und zweite Aufspannplattenelement betätigt werden, so dass die Klebstoffschicht mit dem Membranelement des katalysatorbeschichteten Membranelementes in Kontakt tritt, wobei die Katalysatorschicht dazu dient, einen Abschnitt der Klebstoffschicht oder des Unterdichtungselementes zu überlappen.
Erfindung nach Anspruch 14, wobei die Klebstoffschicht aus einem druckempfindlichen Klebstoffmaterial besteht.
Erfindung nach Anspruch 14, wobei das Membranelement aus einem Ionomermaterial besteht.
Erfindung nach Anspruch 14, ferner umfassend, dass eine erste Lagebezugslinie der Randkonfiguration der Katalysatorschicht mit einer ersten Lagebezugslinie der Randkonfiguration der Öffnung ausgerichtet wird.
Erfindung nach Anspruch 14, ferner umfassend, dass ein Bereich, der eine Öffnung definiert, in einem Umfangsabschnitt des Unterdichtungselementes geformt wird.
Erfindung nach Anspruch 14, wobei das katalysatorbeschichtete Membranelement eine Umfangskonfiguration besitzt, die kleiner als eine Umfangskonfiguration des Unterdichtungselementes ist.
Erfindung nach Anspruch 14, wobei die Klebstoffschicht benachbart der Öffnung des Unterdichtungselementes angeordnet ist.
Verfahren zum Aufbauen einer Membranelektrodenanordnung/Unterdichtungsanordnung, umfassend, dass: ein Unterdichtungselement vorgesehen wird; eine druckempfindliche Klebstoffschicht auf einer Fläche des Unterdichtungselementes vorgesehen wird; das Unterdichtungselement in eine gewünschte Konfiguration geformt wird, wobei ein Bereich, der eine Öffnung definiert, in einem zentralen Bereich der Fläche des Unterdichtungselementes geformt wird; das Unterdichtungselement an einem ersten Aufspannplattenelement mit einer Vakuumkraft befestigt wird, wobei die Klebstoffschicht von dem ersten Aufspannplattenelement beabstandet und diesem entgegengesetzt angeordnet ist; ein katalysatorbeschichtetes Ionomermembranelement vorgesehen wird, wobei eine Katalysatorschicht in einem zentralen Bereich des Ionomermembranelementes vorgesehen wird, wobei die Katalysator schicht eine Randkonfiguration aufweist, die im Wesentlichen identisch zu einer Randkonfiguration der Öffnung ist; das katalysatorbeschichtete Ionomermembranelement an einem zweiten Aufspannplattenelement mit einer Vakuumkraft befestigt wird, wobei die Katalysatorschicht von dem zweiten Aufspannplattenelement beabstandet und diesem entgegengesetzt angeordnet ist; eine erste Lagebezugslinie der Randkonfiguration der Katalysatorschicht mit einer ersten Lagebezugslinie der Randkonfiguration der Öffnung ausgerichtet wird; und das erste und zweite Aufspannplattenelement betätigt werden, so dass die Klebstoffschicht mit dem Ionomermembranelement des katalysatorbeschichteten Ionomermembranelementes in Kontakt tritt, wobei die Katalysatorschicht dazu dient, einen Abschnitt der Klebstoffschicht oder des Unterdichtungselementes zu überlappen.
Erfindung nach Anspruch 21, wobei das Membranelement aus einem Ionomermaterial besteht.
Erfindung nach Anspruch 21, ferner umfassend, dass ein Bereich, der eine Öffnung definiert, in einem Umfangsabschnitt des Unterdichtungselementes geformt wird.
Erfindung nach Anspruch 21, wobei das katalysatorbeschichtete Membranelement eine Umfangskonfiguration besitzt, die kleiner als eine Umfangskonfiguration des Unterdichtungselementes ist.
Erfindung nach Anspruch 21, wobei die Klebstoffschicht benachbart der Öffnung des Unterdichtungselementes angeordnet ist.