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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Membrananordnung für eine Brennstoffzelle.
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Aus der
US 7,138,201 B2 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle bekannt. Bei dem Verfahren wird eine Dichtung aus einem flüssigen duroplastischen Dichtungswerkstoff gebildet und ein Stapel aus Separatoren und einer Membran-Elektroden-Anordnung werden mittels der Dichtung dicht miteinander verbunden. Die Dichtung wird dabei durch Einbringen des flüssigen duroplastischen Dichtungswerkstoffs in Spalten erzeugt, wobei die Spalten zwischen jedem Separator und der Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet sind. Der duroplastische Dichtungswerkstoff ist aus einem silikonhaltigen Elastomer oder einem isobutylenhaltigen Elastomer gebildet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Membrananordnung für eine Brennstoffzelle anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gelöst, welches die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In dem Verfahren zur Herstellung einer Membrananordnung für eine Brennstoffzelle wird erfindungsgemäß die Membrananordnung zumindest aus einem Rahmenelement, einer von dem Rahmenelement randseitig umgebenden Membran und einer Dichtung gebildet, wobei die Dichtung auf das Rahmenelement aufgebracht wird.
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Die Dichtung ist dabei insbesondere zur Abdichtung der Membrananordnung zu einer oder mehreren Bipolarplatten vorgesehen. Aufgrund des erfindungsgemäßen Aufbringens der Dichtung auf das Rahmenelement, welches vorzugsweise beidseitig erfolgt, werden hohe Temperatureinwirkungen auf die Membran, lange Prozesszeiten, lange Verweilzeiten innerhalb eines Werkzeugs bei der Herstellung und Beeinflussungen durch Herstelltoleranzen von Eingangsbauteilen bei der Herstellung einer Brennstoffzelle vermieden. Auch werden hohe Ausschusskosten bei fehlerhaften Dichtungen vermieden, wenn der Prozessschritt des Aufbringens der Dichtung am Ende einer Prozesskette bei der Herstellung der Brennstoffzelle erfolgt. Weiterhin ist es in besonders vorteilhafter Weise möglich, eine Dichtungsgeometrie flexibel zu gestalten, metallische und graphitische Bipolarplatten einzusetzen sowie die Prozessschritte bei der Herstellung der Membrananordnung und der Brennstoffzelle auf einzelne Stationen zu verteilen bzw. zu entflechten. Zusätzlich resultiert in vorteilhafter Weise aus der Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass die Prozessschritte als Einzelschritte besser beherrschbar sind, dass geringe Prozesskosten verursacht werden und unterschiedliche Möglichkeiten zum Aufbringen der Dichtung nutzbar sind.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch eine Membrananordnung, welche dicht zwischen zwei Bipolarplatten angeordnet ist,
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2A bis 2C schematisch verschiedene Schritte eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung der Membrananordnung gemäß 1,
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3A bis 3C schematisch verschiedene Schritte eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung der Membrananordnung gemäß 1,
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4A bis 4C schematisch verschiedene Schritte eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung der Membrananordnung gemäß 1,
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5A bis 5D schematisch verschiedene Schritte eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung der Membrananordnung gemäß 1 und
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6 schematisch verschiedene Schritte eines fünften Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung der Membrananordnung gemäß 1.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist eine Membrananordnung 1 für eine Brennstoffzelle dargestellt. Die Membrananordnung 1 umfasst eine Membran 2, insbesondere eine Elektrolytmembran, welche beidseitig jeweils eine Katalysatorschicht 3, 4 aufweist.
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Weiterhin umfasst die Membrananordnung 1 ein Rahmenelement 5. Das Rahmenelement 5 weist eine Ausschnittsfläche 5.1 auf, welche vollständig von einem Rahmenbereich 5.2 umgeben ist. Das Rahmenelement 5 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als vollständiger Rahmen ausgebildet. Alternativ ist das Rahmenelement 5 als nicht dargestellter Teilrahmen ausgebildet.
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Die Katalysatorschicht 3 wird im dargestellten Ausführungsbeispiel auf den Rahmenbereich 5.2 des Rahmenelements 5 geklebt, wobei ein Klebstoff 6 zwischen die Katalysatorschicht 3 und den Rahmenbereich 5.2 derart eingebracht wird, dass die Verbindung zwischen dem Rahmenelement 5 und der Katalysatorschicht 3 fluiddicht ausgebildet ist. Dabei umgibt eine gemeinsame Berührungsfläche der Katalysatorschicht 3 und des Rahmenelements 5 die Ausschnittsfläche 5.1 vollständig.
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Der Klebstoff 6 wird in Abhängigkeit der Anforderungen an eine mechanische und chemische Belastbarkeit sowie in Abhängigkeit eines angewendeten Klebeverfahrens ausgewählt, wobei der Klebstoff 6 so genannter Hot-Melt-Kleber, UV-Kleber, Zwei-Komponentenkleber oder ein anderer Klebstoff ist.
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Die Membrananordnung 1 umfasst zusätzlich eine erste Gasdiffusionslage 7 und eine zweite Gasdiffusionslage 8, wobei die erste Gasdiffusionslage 7 von der unteren Katalysatorschicht 3 durch die Ausschnittsfläche 5.1 des Rahmenelements 5 zu einer ersten Bipolarplatte 9 geführt ist. Die zweite Gasdiffusionslage 8 ist oberhalb der oberen Katalysatorschicht 8 angeordnet und zu einer zweiten Bipolarplatte 10 geführt.
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Zur Abdichtung der Membrananordnung 1 zu den Bipolarplatten 9, 10 und nicht näher dargestellten Portbereichen weist die Membrananordnung 1 ferner Dichtungen 11 bis 14 auf, welche jeweils auf einer Seite des Rahmenelements 5 angeordnet sind und in Richtung der jeweils zugehörigen Bipolarplatte 9, 10 gerichtet sind.
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In nicht näher dargestellten weiteren Ausführungsbeispielen können ein oder mehrere Rahmenelemente 5 vorgesehen sein, welche mit der Membran 2 oder zumindest einer der Katalysatorschichten 3, 4 gekoppelt sind. Weiterhin können die Dichtungen 11 bis 14 nur einseitig und in einer abweichenden Anzahl vorhanden sein.
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In den 2A bis 2C sind verschiedene Schritte S1 bis S3 eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung der Membrananordnung 1 gemäß 1 dargestellt.
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Hierbei werden zunächst in nicht dargestellter Weise die Membran 2 und die Katalysatorschichten 3, 4 auf das Rahmenelement 5 aufgebracht, wobei die Katalysatorschicht 3 mit dem Rahmenelement 5 verklebt wird.
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In einem ersten Schritt S1 wird anschließend das Rahmenelement 5 mit der aufgebrachten Membran 2 und den Katalysatorschichten 3, 4 in eine untere Spritzgussform 15 eingelegt. Auf eine Oberseite des Rahmenelements 5 wird ein Deckelelement 16 aufgesetzt.
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Die untere Spritzgussform 15 weist zwei Formelemente 15.1, 15.2 zur Aufnahme von Dichtungsmaterial auf. Die Formelemente 15.1, 15.2 sind miteinander verbunden oder separat ausgebildet. Zur Zuführung des Dichtungsmaterials in die Formelemente 15.1, 15.2 ist ein Anspritzverteiler 15.3 vorgesehen. Zur Erzeugung der Dichtungen 11 und 14 wird das Dichtungsmaterial an die Unterseite des Rahmenelements 5 angespritzt, wobei die Dichtungen 11 und 14 ihre Formgebung mittels der Formelemente 15.1, 15.2 erhalten. Das Dichtungsmaterial ist insbesondere ein Elastomer, vorzugsweise Silikon und/oder Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (kurz: EPDM).
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Vor der Erzeugung können in nicht näher dargestellter Weise ein Haftvermittler, ein Primer, ein Adhäsionsverbesserer und/oder weitere Haftungsverstärker auf das Rahmenelement 5 aufgebracht werden, so dass eine Haftung des Dichtungsmaterials verbessert ist.
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In einem zweiten Schritt S2 wird das Deckelelement 16 gegen eine obere Spritzgussform 17 mit zwei Formelementen 17.1, 17.2 getauscht, wobei zur Erzeugung der Dichtungen 12 und 13 das Dichtungsmaterial mittels eines Anspritzverteilers 17.3 auf die Oberseite des Rahmenelements 5 angespritzt wird. Dabei können der Anspritzverteiler 15.3 und der Anspritzverteiler 17.3 dieselben Werkzeuge sein.
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Auch können die Anspritzverteiler 15.3, 17.3 und die jeweils zugehörigen Formelemente 15.1, 15.2, 17.1, 17.2 eine gemeinsame Einheit bilden.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens werden die Dichtungen 11 bis 14 in umgekehrter Reihenfolge oder gleichzeitig auf das Rahmenelement 5 aufgebracht.
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In einem dritten Schritt S3 werden die Formelemente 15.1, 15.2, 17.1, 17.2 von dem Rahmenelement 5 gelöst. Dies erfolgt vorzugsweise erst dann, wenn die Dichtungen 11 bis 14 eine vorgegebene Festigkeit erreicht haben, bei welcher eine plastische Verformung vermieden wird.
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In nicht näher dargestellten Ausführungsbeispielen sind die Membran 2 und/oder die Katalysatorschichten 3, 4 direkt mit den Dichtungen 11 bis 14 verbunden.
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Die 3A bis 3C zeigen verschiedene Schritte S1 bis S3 eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung der Membrananordnung 1 gemäß 1.
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Die Dichtungen 11 bis 14 werden, wie bereits beschrieben, auf das Rahmenelement 5 durch Anspritzen aufgebracht. Im Unterschied zu dem in den 2A bis 2C dargestellten ersten Ausführungsbeispiel werden die Membran 2 und die Katalysatorschichten 3, 4 jedoch erst im dritten Schritt S3 nach der Erzeugung der Dichtungen 11 bis 14 auf das Rahmenelement 5 aufgebracht, wobei die Katalysatorschicht 3 mit dem Rahmenelement 5 verklebt wird.
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In den 4A bis 4C sind verschiedene Schritte S1 bis Sn eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung der Membrananordnung 1 gemäß 1 dargestellt.
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Im ersten Schritt S1 werden zunächst auf die Oberseite des Rahmenelements 5 erste Schichten 18, 19 aufgebracht. Bei diesen Schichten 18, 19 handelt es sich um Dichtungen, Haftvermittler, Primer, Adhäsionsverbesserer oder Schichten 18, 19, welche mehrere dieser Aufgaben übernehmen.
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Anschließend werden in einem zweiten Schritt S2 Dichtungen 12, 13 auf die Schichten 18, 19 in einem Druckverfahren, Sprühverfahren, Gießverfahren, Spritgussverfahren oder anderem Verfahren aufgebracht. Das Aufbringen erfolgt dabei in diskreten Schritten und/oder kontinuierlich in beliebiger Kombination.
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Nach der Erzeugung der Schichten 18, 19 und der Dichtungen 12, 13 werden in weiteren nicht dargestellten Schritten S3 bis Sn – 1 weitere Schichten 20, 21 und die weiteren Dichtungen 11, 14 erzeugt. Dies erfolgt gemäß der Erzeugung der Schichten 18, 19 und der Dichtungen 12, 13.
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In einem letzten Schritt Sn werden die Membran 2 und die Katalysatorschichten 3, 4 nach der Erzeugung der Dichtungen 11 bis 14 und Schichten 18 bis 21 auf das Rahmenelement 5 aufgebracht, wobei die Katalysatorschicht 3 mit dem Rahmenelement 5 verklebt wird. In nicht näher dargestellten Ausführungsbeispielen kann dieses Aufbringen auch vor der Erzeugung der Dichtungen 11 bis 14 und Schichten 18 bis 21 erfolgen.
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Es können weiterhin gleiche oder verschiedenartige Dichtungen 11 bis 14 und/oder Schichten 18 bis 21 erzeugt werden.
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Die 5A bis 5D zeigen verschiedene Schritte S1 bis Sn eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung der Membrananordnung 1 gemäß 1. Die Erzeugung der Dichtungen 11 bis 14 und der Schichten 18 bis 21 erfolgt gemäß des in 4A bis 4C beschriebenen dritten Ausführungsbeispiels.
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Zusätzlich erfolgt nach dem Aufbringen der Dichtungen 11 bis 14 ein Formen der Dichtungen 11 bis 14, wobei das Formen mittels Formelementen 22, 23 ausgeführt wird.
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Alternativ oder zusätzlich erfolgt das Formen nach dem Aufbringen der Dichtungen 11 bis 14 oder gleichzeitig in nicht näher dargestellter Weise mittels Formelementen 15.1, 15.2, 17.1, 17.2 gemäß der 2A bis 2C, Matrizen, Stempeln, Prägewerkzeugen und anderen Werkzeugen. Auch das Formen erfolgt in diskreten Schritten und/oder kontinuierlich in beliebiger Kombination.
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Das Formen kann dabei ein reines Formen, Rollen, Prägen, Verdichten und/oder Pressen sein. Das Formen kann für unterschiedliche Bereiche gleich und/oder ganz oder teilweise unterschiedlich erfolgen. Die Arbeitsschritte beim Formen erfolgen gleichzeitig und/oder nacheinander.
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In 6 sind verschiedene Schritte S1 bis Sn eines fünften Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung der Membrananordnung 1 gemäß 1 dargestellt.
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Zur Erzeugung der Dichtungen 11 bis 14 werden zunächst im ersten Schritt S1 die Schichten 18 und 19 mittels eines ersten Rotationswerkzeugs 24 auf das. Rahmenelement 5 aufgebracht, wobei die Schichten 18, 19 aus Dichtungsmaterial gebildet sind oder ein Haftvermittler, Primer und/oder Adhäsionsverbesserer sind. Das Rahmenelement 5 liegt dabei als Rollenmaterial vor, so dass das Aufbringen der Schichten 18 bis 21 und der Dichtungen 11 bis 14 kontinuierlich erfolgt.
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Anschließend wird im zweiten Schritt S2 das Dichtungsmaterial mittels eines zweiten Rotationswerkzeugs 25 auf die Schichten 18, 19 aufgebracht, so dass die Dichtungen 12, 13 erzeugt werden. Es ist möglich, jeweils eine Dichtung oder mehrere Dichtungen aufzubringen, wobei die Dichtungen gleich oder verschiedenartig ausgebildet sind.
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Nach dem Aufbringen der Dichtungen 12, 13 werden diese im dritten Schritt S3 mittels eines dritten Rotationswerkzeugs 26 geformt.
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Das Formen kann dabei ein reines Formen, Rollen, Prägen, Verdichten und/oder Pressen sein. Das Formen kann für unterschiedliche Bereiche gleich und/oder ganz oder teilweise unterschiedlich erfolgen. Die Arbeitsschritte beim Formen erfolgen gleichzeitig und/oder nacheinander.
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Nach der Erzeugung der Schichten 18, 19 und der Dichtungen 12, 13 werden in weiteren nicht dargestellten Schritten S4 bis Sn – 1 weitere Schichten 20, 21 und die weiteren Dichtungen 11, 14 erzeugt. Dies erfolgt gemäß der Erzeugung der Schichten 18, 19 und der Dichtungen 12, 13.
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In einem letzten Schritt Sn werden die Membran 2 und die Katalysatorschichten 3, 4 nach der Erzeugung der Dichtungen 11 bis 14 und Schichten 18 bis 21 auf das Rahmenelement 5 aufgebracht, wobei die Katalysatorschicht 3 mit dem Rahmenelement 5 verklebt wird. In nicht näher dargestellten Ausführungsbeispielen kann dieses Aufbringen auch vor der Erzeugung der Dichtungen 11 bis 14 und Schichten 18 bis 21 erfolgen.
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Für alle beschriebenen Ausführungsbeispiele gilt zusammenfassend, dass die gezeigten Komponenten der Membrananordnung 1, d. h. die Membran 2, die Katalysatorschichten 3, 4, das Rahmenelement 5, der Klebstoff 6, die Dichtungen 11 bis 14 und die Schichten 18 bis 21, sowie die Bipolarplatten 9, 10 beliebig miteinander kombinierbar sind. Zu dieser beliebigen Kombination gehört die Kombination einer verschiedenen Anzahl der Komponenten und Bipolarplatten 9, 10 sowie verschiedene Anordnungsmöglichkeiten. Die Komponenten, insbesondere das Rahmenelement 5, werden als Einzelbauteile und/oder als Rollenware verarbeitet.
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Weiterhin gilt für alle Ausführungsbeispiele, dass die dargestellten Applikationsverfahren diskret und/oder kontinuierlich und/oder in beliebiger Kombination erfolgen können, wobei eine Reihenfolge der Applikation und Fixierung der Komponenten beliebig ist.
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Ferner können für den Klebstoff 6, die Dichtungen 11 bis 14 und die Schichten 18 bis 21 jeweils unterschiedliche Klebstoffmaterialien, Dichtungsmaterialien und Schichtmaterialien verwendet werden. Dabei werden beispielweise unterschiedliche Klebstoffmaterialien, Dichtungsmaterialien und Schichtmaterialien für eine Kathodenseite, Anodenseite, die Membran 2, die Gasdiffusionslagen 7, 8 den Rahmen 5 und die weiteren Komponenten verwendet. Diese Werkstoffe sind vorzugsweise speziell an ihre Verwendung angepasst und weisen gleiche und/oder unterschiedliche Eigenschaften und Beständigkeiten auf.
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Die Klebstoffmaterialien, Dichtungsmaterialien und Schichtmaterialien können beliebig appliziert werden und fest, flüssig, pastös und/oder als Schmelze mit einem oder mehreren Applikationsverfahren auf die Komponenten aufgebracht werden. Diese Applikationsverfahren umfassen unter anderem Spritzverfahren, Rakelverfahren, Siebdruckverfahren, Gravurwalzverfahren, Tamponklischeeverfahren und/oder Verfahren unter Verwendung von Düsen und/oder Stempeldüsen.
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Ein Trocknen und/oder Aushärten der Klebstoffmaterialien, Dichtungsmaterialien und Schichtmaterialien erfolgt mittels Wärme, Kälte, Druck, Vakuum, ultravioletter Strahlung, Infrarotstrahlung und/oder über eine bestimmte Zeitdauer. Zur Kühlung sind vorzugsweise einzelne Kühlzonen oder mehrere Kühlzonen in Kombination vorgesehen.
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Weiterhin können die Klebstoffmaterialien, Dichtungsmaterialien und Schichtmaterialien und die Komponenten der Membrananordnung 1 sowie die Bipolarplatten 9, 10 vorbehandelt, fixiert, aktiviert, vorgetrocknet und/oder fertig getrocknet werden. Es werden ferner ein oder mehrere Komponenten der Klebstoffmaterialien, Dichtungsmaterialien und Schichtmaterialien appliziert und/oder es erfolgen Reaktionen auf den Komponenten und/oder innerhalb der montierten Komponenten. Diese Reaktionen sind beispielsweise ein Härten und/oder Polymerisationen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Membrananordnung
- 2
- Membran
- 3
- Katalysatorschicht
- 4
- Katalysatorschicht
- 5
- Rahmenelement
- 5.1
- Ausschnittsfläche
- 5.2
- Rahmenbereich
- 6
- Klebstoff
- 7
- Gasdiffusionslage
- 8
- Gasdiffusionslage
- 9
- Bipolarplatte
- 10
- Bipolarplatte
- 11
- Dichtung
- 12
- Dichtung
- 13
- Dichtung
- 14
- Dichtung
- 15
- Spritzgussform
- 15.1
- Formelement
- 15.2
- Formelement
- 15.3
- Anspritzverteiler
- 16
- Deckelelement
- 17
- Spritzgussform
- 17.1
- Formelement
- 17.2
- Formelement
- 17.3
- Anspritzverteiler
- 18
- Schicht
- 19
- Schicht
- 20
- Schicht
- 21
- Schicht
- 22
- Formelement
- 23
- Formelement
- 24
- Rotationswerkzeug
- 25
- Rotationswerkzeug
- 26
- Rotationswerkzeug
- S1 bis Sn
- Schritt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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