DE102011051309A1

DE102011051309A1 - Membranelektrodeneinheit für eine Brennstoffzelle, Gießform und Verfahren zum Herstellen der Membranelektrodeneinheit

Info

Publication number: DE102011051309A1
Application number: DE102011051309A
Authority: DE
Inventors: Klaus Ruthrof; Thorsten Hickmann
Original assignee: Eisenhuth GmbH and Co KG
Current assignee: Eisenhuth GmbH and Co KG
Priority date: 2011-06-24
Filing date: 2011-06-24
Publication date: 2012-12-27
Anticipated expiration: 2031-06-25
Also published as: DE102011051309B4

Abstract

Eine Membranelektrodeneinheit für eine Brennstoffzelle weist eine Protonenaustauschmembran (4), eine an der einen Seite der Protonenaustauschmembran (4) anliegende Anoden-Gasdiffusionslage (2) und einer an der der einen Seite gegenüberliegenden anderen Seite anliegende Kathoden-Gasdiffusionslage (3) auf, wobei an die Gasdiffusionslagen (2, 3) ein profilierter Dichtring (5) einstückig und umlaufend angeformt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Membranelektrodeneinheit für eine Brennstoffzelle, eine Gießform zum Herstellen der Membranelektrodeneinheit und ein Verfahren zum Herstellen einer Membranelektrodeneinheit.
Eine Brennstoffzelle ist von einem Stapel an Einzelbrennstoffzellen gebildet, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die Einzelbrennstoffzellen weisen Elektroden auf, die paarweise angeordnet sind, wobei zwischen jedem Elektrodenpaar eine Protonenaustauschmembran angeordnet ist. In den Elektroden sind Kanäle vorgesehen, durch die Reaktionsgas der Brennstoffzelle an die Protonenaustauschmembranen geführt wird. Ferner sind an den Protonenaustauschmembranen beidseitig Gasdiffusionslagen angelegt, die in direktem Berührkontakt mit ihren zugehörigen Protonenaustauschmembranen stehen und von dem Reaktionsgas durchströmt werden, wodurch das Reaktionsgas an die Protonenaustauschmembranen geführt wird.
Zwischen den Einzelbrennstoffzellen sind an den Protonenaustauschmembranen und den Gasdiffusionslagen Dichtungen vorgesehen, mit denen die Brennstoffzelle nach außen und innen gasdicht ausgebildet ist. Die Dichtungen sind an den umlaufenden Rändern der Gasdiffusionslagen angebracht und dichten die Protonenaustauschmembranen gegen die Elektroden ab. Kanäle, die in den Elektroden für das Reaktionsgas und für Kühlgas ausgebildet sind, sind von den Dichtungen ebenfalls nach außen abgedichtet.
Insbesondere an die Einheit gebildet von der Protonenaustauschmembran, den Gasdiffusionslagen und der Dichtung sind hohe Anforderungen hinsichtlich Dichtheit und elektrische Kontaktierung gestellt, so dass die Herstellung der Brennstoffzelle aufwändig und kostenintensiv ist. Wünschenswert wäre eine Brennstoffzellenfertigung, die in der industriellen Umsetzung Großserien bei niedrigen Kosten und dennoch hoher Qualität ermöglicht.
Aufgabe der Erfindung ist es eine Membranelektrodeneinheit für eine Brennstoffzelle, eine Gießform zum Herstellen der Membranelektrodeneinheit und ein Verfahren zum Herstellen einer Membranelektrodeneinheit zu schaffen, wobei die Herstellung der hochqualitativen Membranelektrodeneinheit und der Brennstoffzelle kostengünstig ist.
Die erfindungsgemäße Membranelektrodeneinheit für eine Brennstoffzelle weist eine Protonenaustauschmembran, eine an der einen Seite der Protonenaustauschmembran anliegende Anoden-Gasdiffusionslage und eine an der der einen Seite gegenüberliegende anderen Seite anliegenden Kathoden-Gasdiffusionslage auf, wobei an die Gasdiffusionslagen einstückig und umlaufend ein profilierter Dichtring angeformt ist.
Die Protonenaustauschmembran steht bevorzugt von den Gasdiffusionslagen mit einem Überstand vor, der in den Dichtring eingeformt ist. Ferner weist der Dichtring bevorzugt Dichtrippen auf, die von der von den Gasdiffusionslagen aufgespannten Ebene abstehen. Bevorzugtermaßen ist der Übergang von dem Dichtring zu jeweils den Gasdiffusionslagen plan, so dass am Übergang der Dichtring und die Gasdiffusionslagen gleichdick sind.
Die erfindungsgemäße Gießform zum Herstellen der Membranelektrodeneinheit weist am Übergang von dem Dichtring zu jeweils den Gasdiffusionslagen für jede Gasdiffusionslage einen Druckvorsprung auf, der derart in der Gießform erhaben gestaltet ist, dass von den Druckvorsprüngen die Gasdiffusionslagen beim Gießen des Dichtrings gedrückt sind, wodurch ein vorbestimmter Eindringbereich der Gasdiffusionslagen bestimmt ist, in den Dichtringmaterial beim Gießen des Dichtrings eindringt. Außerdem ist bevorzugt der Bereich der Gießform zwischen den Druckvorsprüngen derart erhaben gestaltet ist, dass beim Gießen des Dichtrings oder davor ein Heißverpressen der Gasdiffusionslagen mit der Protonenaustauschmembran bewerkstelligbar ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen der Membranelektrodeneinheit weist die Schritte auf: Bereitstellen der Gießform; Einlegen einer Vorfertigungseinheit gebildet aus der Protonenaustauschmembran, der an der einen Seite der Protonenaustauschmembran anliegenden Anoden-Gasdiffusionslage und der an der der einen Seite gegenüberliegenden anderen Seite anliegenden Kathoden-Gasdiffusionslage; Einfüllen eines Dichtringmaterials in die Gießform, so dass einstückig und umlaufend um die Gasdiffusionslagen ein profilierter Dichtring angeformt wird.
Bevorzugtermaßen wird beim Einfüllen des Dichtringmaterials dessen Viskosität derart vorherbestimmt gewählt, dass der Eindringbereich der Gasdiffusionslagen bestimmt ist, in den Dichtringmaterial beim Gießen des Dichtrings eindringt. Beim Einfüllen des Dichtringmaterials wird bevorzugt dessen Temperatur derart gewählt, dass das Heißverpressen der Gasdiffusionslagen mit der Protonenaustauschmembran bewerkstelligt wird. Es ist bevorzugt, dass an der Vorfertigungseinheit die Protonenaustauschmembran von den Gasdiffusionslagen mit dem Überstand vorsteht, so dass beim Einfüllen des Dichtringmaterials der Überstand in den Dichtring eingeformt wird. Bevorzugt ist der Dichtring weich und elastisch, so dass die mit der Profilierung des Dichtrings langfristig verfügbaren Rückstellkräfte und Federwege des Dichtrings bereitgestellt sind.
Die Druckvorsprünge sind in der Gießform bevorzugt paarweise gegenüberliegend angeordnet und derart erhaben dimensioniert, dass mit den Druckvorsprüngen die Gasdiffusionslagen in der Geißform fixiert und auf ein vorherbestimmtes Maß zusammengepresst werden, wodurch unerwünschtes zu tiefes Eindringen des Dichtungsmaterials während des Gießvorgangs in die Gasdiffusionslagen unterbunden wird. Der sich daraus ergebende Eindringbereich ist so dimensioniert, dass eine geeignet große Menge an dem Dichtungsmaterial in die Gasdiffusionslagen eindringen kann, wodurch eine flexible und dennoch stabile Verbindung zwischen dem Dichtring, der Protonenaustauschmembran und der Gasdiffusionslagen ausgebildet wird.
Bei der Herstellung der Membranelektrodeneinheit können vor dem Gießen des Dichtrings die Gasdiffusionslagen zusammen mit der Protonenaustauschmembran miteinander heiß verpresst sein. Dadurch sind die Gasdiffusionslagen und die Protonenaustauschmembran zur Vorfertigungseinheit vorgefertigt, die dann in die Geißform zur Herstellung des Dichtrings durch Gießen eingelegt wird. Das Heißverpressen der Vorfertigungseinheit hat den Vorteil, dass der elektrische Kontakt zwischen den Gasdiffusionslagen und der Protonenaustauschmembran vorherbestimmt gut ausgebildet wird und nicht erst bei der Montage der Brennstoffzelle durch mechanisches Zusammenpressen der Einzelbrennstoffzellen zu einem Stapel ausgebildet zu werden braucht.
Alternativ kann die Vorfertigungseinheit als die aneinandergelegten Gasdiffusionslagen mit der dazwischen angeordneten Protonenaustauschmembran vorliegen. Das Heißverpressen der Vorfertigungseinheit erfolgt beim Vergießen des Dichtringmaterials, wobei die Druckvorsprünge dafür derart erhaben ausgebildet sind. Dadurch kann vorteilhaft das Vergießen des Dichtringmaterials und das Heißverpressen der Gasdiffusionslagen und der Protonenaustauschmembran in einem einzige Arbeitsschritt bewerkstelligt werden.
Der erfindungsgemäß vorgesehene einstückig ausgebildete Dichtring spannt die Protonenaustauschmembran selbsttragend auf, so dass etwa ein zusätzlicher Tragrahmen für die Protonenaustauschmembran nicht vorgesehen zu werden braucht. Sollte dennoch zusätzlich zu der Festigkeit des Dichtrings ein Stabilisationsrahmen vorgesehen werden müssen, so kann dieser mit einer perforierten Struktur und von dem Dichtringmaterial durchdrungen in dem Dichtring vorgesehen werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen der Membranelektrodeneinheit ist es ermöglicht, dass in einer sehr frühen Phase der Wertschöpfungskette bei der Fertigung der Brennstoffzelle die Membranelektrodeneinheit montagebereit zur Verfügung steht. Die Membranelektrodeneinheit ist eine hochintegrierte Baugruppe aus der Anoden-Gasdiffusionslage und der Kathoden-Gasdiffusionslage sowie der Protonenaustauschmembran mit dem einstückig angeformten, umlaufenden und profilierten Dichtring im Randbereich. Dadurch ist die Herstellung der hochqualitativen Membranelektrodeneinheit und der Brennstoffzelle kostengünstig.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Membranelektrodeneinheit und einer erfindungsgemäßen Gießform anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 einen Querschnitt einer ersten Ausführungsform der Membranelektrodeneinheit;
2 eine Draufsicht der Ausführungsform aus 1;
3 einen Querschnitt einer zweiten Ausführungsform der Membranelektrodeneinheit;
4 einen Querschnitt einer Ausführungsform einer Gießform zur Herstellung der Ausführungsform der Membranelektrodeneinheit aus 3; und
5 eine Explosionsdarstellung der Gießform aus 4.
Wie es aus 1 bis 3 ersichtlich ist, weist eine Membranelektrodeneinheit 1 für eine Brennstoffzelle eine Anoden-Gasdiffusionslage 2, eine Kathoden-Gasdiffusionslage 3 und eine Protonenaustauschmembran 4 auf, wobei die Protonenaustauschmembran 4 zwischen den Gasdiffusionslagen 2, 3 in Sandwich-Bauweise angeordnet ist. Einstückig angeformt und umlaufend um die Gasdiffusionslagen 2, 3 und der Protonenaustauschmembran 4 ist ein profilierter Dichtring 5 angeordnet. Die Protonenaustauschmembran 4 weist gegenüber den Gasdiffusionslagen 2, 3 einen Überstand 6 auf, wobei der Dichtring 5 an den Rändern der Gasdiffusionslagen 2, 3 angeordnet ist und den Überstand 6 umgreift. In den Rändern der Gasdiffusionslagen 2, 3 ist jeweils ein Eindringbereich 7 ausgebildet, in den Material des Dichtrings 5 eindiffundiert ist, so dass ein flexibler und fester Verbund der Gasdiffusionslagen 2, 3 und des Dichtrings 5 ausgebildet ist.
In dem Dichtring 5 sind Gaskanallöcher 8 vorgesehen, durch die Reaktionsgas oder Kühlgas der Brennstoffzelle strömbar ist. Die Gaskanallöcher 8 sind in einem Dichtkörper 9 des Dichtrings 5 angeordnet, wobei an dem Dichtkörper 9 von diesem abstehende Dichtrippen 10 bis 12 angeordnet sind. Die erste Dichtrippe 10 ist am Außenumfang des Dichtrings 5 und die zweite Dichtrippe 11 ist am Innenumfang des Dichtrings 5 umlaufend angeordnet. In unmittelbarer Nachbarschaft zu den Gaskanallöchern 8 sind die dritten Dichtrippen 12 angeordnet, die die erste Dichtrippe 10 und die zweite Dichtrippe 12 überbrücken. Die Dichtrippen 10 bis 12 bilden an den Gaskanallöchern 8 jeweils eine Dichtungskammer 13, durch die von den dritten Dichtrippen 12 abgetrennt der von den Gaskanallöchern 8 abgewandte Teil des Dichtrings 5 von den Gaskanallöchern 8 gasströmungsisoliert ist.
Wie es aus 4 und 5 gezeigt ist, weist eine Gießform 14 eine untere Gießformhälfte 15 und eine obere Gießformhälfte 16 auf. Die Gießformhälften 15, 16 sind derart geformt, dass sie aneinandergelegt die Negativform der Membranelektrodeneinheit 1 abbilden. Aneinandergelegt bilden die untere Gießformhälfte 15 und die obere Gießformhälfte 17 eine Trennfuge 17 aus, die die Symmetrieebene der Formgebung für die Membranelektrodeneinheit 1 ist.
In der oberen Gießhälfte 15 ist sowohl ein Einspritzkanal 18 als auch ein Entlüftungskanal 19 vorgesehen. Beim Gießen des Dichtrings 5 wird der Einspritzkanal 18 zum Einspritzen von Dichtringmaterial in die Gießform 14 und der Entlüftungskanal 19 zum Entlüften des gegossenen Dichtrings 5 verwendet.
In der untern Gießformhälfte 15 und der oberen Gießformhälfte 16 sind jeweils gegenüberliegend eine erste Aussparung 20 für die erste Dichtrippe 10 und eine zweite Aussparung 21 für die zweite Dichtrippe 11 vorgesehen. Ferner ist in den Gießformhälften 15, 16 ein Hohlraum 22 für den Dichtkörper 9 freigelassen.
Zum Gießen, insbesondere Spritzgießen, des Dichtrings 5 zur Herstellung der Membranelektrodeneinheit 1 ist eine Vorfertigungseinheit gebildet aus den Gasdiffusionslagen 2, 3 und der Protonenmembranmembran 4 in Sandwich-Anordnung in die Gießform 14 einzulegen. Beim Einfüllen von Dichtringmaterial durch den Einspritzkanal 18 füllt sich der von den Gießformhälften 15, 16 gebildete Hohlraum, insbesondere die Aussparung 20 für die erste Dichtrippe 10, die Aussparung 21 für die zweite Dichtrippe 12 und der Hohlraum 22 für den Dichtkörper 9.
Am Rand der Gasdiffusionslagen 2, 3 und der Aussparung 21 für die zweite Dichtrippe 11 sind in der Gießform 14 Druckvorsprünge 23 erhaben ausgebildet. Die Druckvorsprünge 23 sind in ihrer Erhabenheit derart dimensioniert, dass sie beim Gießvorgang so auf die Gasdiffusionslagen 2, 3 drücken, dass in Abhängigkeit der Porosität der Gasdiffusionslagen 2, 3 und der Viskosität des beim Gießen vorhandenen Dichtringmaterials der Eindringbereich 7 ausgebildet wird. Die Viskosität des beim Gießen vorhandenen Dichtringmaterials hängt ab von der gewählten Gießtemperatur und dem gewählten Gießdruck. Dementsprechend kann die Erstreckung des Eindingbereichs 7 bestimmt werden.
Die Druckvorsprünge 23 weisen an ihren freiliegenden Enden jeweils ein Druckplateau 24 auf, das im Bereich des Eindringbereichs 7 sich erstreckt. Dadurch ist zwischen den Druckvorsprüngen 23 ein Hinterschneidungshohlraum 25 ausgebildet. Mit dem Hinterschneidungshohlraum 25 ist beim Herstellen der Membranelektrodeneinheit 1 eine Entspannung des zwischen den Druckvorsprüngen 23 liegenden Bereichs der Gasdiffusionslagen 2, 3 erreicht.
Alternativ ist der Hinterschneidungshohlraum 25 weggelassen, so dass die Drückvorsprünge 23 einer jeden der Gießformhälften 15, 16 fluchtend ineinander übergehen. Dadurch ist eine Anpressung von der Vorfertigungseinheit erreicht, wobei die die Gasdiffusionslagen 2, 3 und die Protonenaustauschmembran 4 so aneinandergedrückt werden, dass beim Gießen des Dichtrings 5 ein Heißverpressen der Vorfertigungseinheit bewerkstelligt wird.
Bezugszeichenliste

1: Membranelektrodeneinheit
2: Anoden-Gasdiffusionslage
3: Kathoden-Gasdiffusionslage
4: Protonenaustauschmembran
5: Dichtring
6: Überstand der Protonenaustauschmembran
7: Eindringbereich
8: Gaskanalloch
9: Dichtkörper
10: erste Dichtrippe
11: zweite Dichtrippe
12: dritte Dichtrippe
13: Dichtungskammer
14: Gießform
15: untere Gießformhälfte
16: obere Gießformhälfte
17: Trennfuge
18: Einspritzkanal
19: Entlüftungskanal
20: Aussparung für die erste Dichtrippe
21: Aussparung für die zweite Dichtrippe
22: Hohlraum für den Dichtkörper
23: Druckvorsprung
24: Druckplateau
25: Hinterschneidungshohlraum

Claims

Membranelektrodeneinheit für eine Brennstoffzelle, mit einer Protonenaustauschmembran (4), einer an der einen Seite der Protonenaustauschmembran (4) anliegenden Anoden-Gasdiffusionslage (2) und einer an der der einen Seite gegenüberliegenden anderen Seite anliegenden Kathoden-Gasdiffusionslage (3), wobei an die Gasdiffusionslagen (2, 3) einstückig und umlaufend ein profilierter Dichtring (5) angeformt ist.
Membranelektrodeneinheit gemäß Anspruch 1, wobei die Protonenaustauschmembran (4) von den Gasdiffusionslagen (2, 3) mit einem Überstand (6) vorsteht, der in den Dichtring (5) eingeformt ist.
Membranelektrodeneinheit gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Dichtring (5) Dichtrippen (10–13) aufweist, die von der von den Gasdiffusionslagen (2, 3) aufgespannten Ebene abstehen.
Membranelektrodeneinheit gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Übergang (6) von dem Dichtring (5) zu jeweils den Gasdiffusionslagen (2, 3) plan ist, so dass am Übergang (6) der Dichtring (5) und die Gasdiffusionslagen (2, 3) gleichdick sind.
Gießform zum Herstellen einer Membranelektrodeneinheit gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Gießform (14) am Übergang von dem Dichtring (5) zu jeweils den Gasdiffusionslagen (2, 3) für jede Gasdiffusionslage (2, 3) einen Druckvorsprung (23) aufweist, der derart in der Gießform (14) erhaben gestaltet ist, dass von den Druckvorsprüngen (23) die Gasdiffusionslagen (2, 3) beim Gießen des Dichtrings (5) gedrückt sind, wodurch ein vorbestimmter Eindringbereich (7) der Gasdiffusionslagen (2, 3) bestimmt ist, in den Dichtringmaterial beim Gießen des Dichtrings (5) eindringt.
Gießform gemäß Anspruch 5, wobei der Bereich der Gießform (14) zwischen den Druckvorsprüngen (23) derart erhaben gestaltet ist, dass beim Gießen des Dichtrings (5) oder davor ein Heißverpressen der Gasdiffusionslagen (2, 3) mit der Protonenaustauschmembran (4) bewerkstelligbar ist.
Verfahren zum Herstellen einer Membranelektrodeneinheit gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, mit den Schritten: Bereitstellen einer Gießform (14) gemäß einer der Ansprüche 3 bis 5; – Einlegen einer Vorfertigungseinheit gebildet aus der Protonenaustauschmembran (4), der an der einen Seite der Protonenaustauschmembran (4) anliegenden Anoden-Gasdiffusionslage (2) und der an der der einen Seite gegenüberliegenden anderen Seite anliegenden Kathoden-Gasdiffusionslage (3); – Einfüllen eines Dichtringmaterials in die Gießform (14), so dass einstückig und umlaufend um die Gasdiffusionslagen (2, 3) ein profilierter Dichtring (5) angeformt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei beim Einfüllen des Dichtringmaterials dessen Viskosität derart vorherbestimmt gewählt wird, dass der vorbestimmte Eindringbereich (7) der Gasdiffusionslagen (2, 3) bestimmt ist, in den Dichtringmaterial beim Gießen des Dichtrings (5) eindringt.
Verfahren gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei beim Einfüllen des Dichtringmaterials dessen Temperatur derart gewählt wird, dass das Heißverpressen der Gasdiffusionslagen (2, 3) mit der Protonenaustauschmembran (4) bewerkstelligt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei an der Vorfertigungseinheit die Protonenaustauschmembran (4) von den Gasdiffusionslagen (2, 3) mit dem Überstand (6) vorsteht, so dass beim Einfüllen des Dichtringmaterials der Überstand (6) in den Dichtring (5) eingeformt wird.