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Die Erfindung betrifft eine Haltevorrichtung mit einer Membran einer Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Haltevorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.
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Brennstoffzellen wandeln chemische Energie in elektrische Energie um. Im Allgemeinen besteht eine Brennstoffzelle aus einer Membran-Elektroden-Einheit, welche insbesondere eine protonenleitfähige Membran sowie eine Anode und eine Kathode als Elektroden in Form von Gasdiffusionselektroden aufweist, wobei die Membran zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist. Die Membran-Elektroden-Einheit ist dabei zwischen zwei Bipolarplatten angeordnet, welche dem Verteilen von Reaktionsstoffen für die Brennstoffzelle wie Brennstoff und Oxidator über die Membran-Elektroden-Einheit und dem Abführen der Reaktionsstoffe in hierfür vorgesehenen, jeweils zu der Membran-Elektroden-Einheit hin offenen Kanälen, der Abfuhr der Reaktionswärme über ein in separaten Kühlmittelkanälen geführtes Kühlmittel sowie der Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen der Anode und Kathode dienen. Um einen Gasaustausch insbesondere entlang der Ränder der Membran der Membran-Elektroden-Einheit innerhalb der Brennstoffzelle zu vermeiden, wird die Membran-Elektroden-Einheit beispielsweise mit einem Rahmen und/oder einer umlaufenden Dichtung versehen.
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Üblicherweise wird dazu die Membran oder die vollständige Membran-Elektroden-Einheit zwischen zwei Rahmenhälften eingebettet und mit diesen verklebt.
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Die
US 2010/0000669 A1 beschreibt ein Verfahren zum Verbinden einer Membran-Elektroden-Einheit mit einer Gasdiffusionsschicht eines Brennstoffzellenstapels. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: Aufbringen einer Katalysatorschicht auf eine Oberfläche einer Polymer-Elektrolyt-Membran; Aufbringen einer Dichtung auf einen Randbereich der Polymer-Elektrolyt-Membran; und Anordnung einer Gasdiffusionsschicht auf eine Oberfläche der Katalysatorschicht mittels Verkleben einer Oberfläche der Dichtung oder eines Teils der Oberfläche der Dichtung mit einem Randbereich der Gasdiffusionsschicht mit Hilfe eines Bindemittels.
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Weiterhin ist in der
EP 2 095 453 B1 eine Baugruppe für eine Brennstoffzellen-Membranelektrodenanordnung (Brennstoffzellen-MEA = membrane electrode assembly) offenbart. Die Baugruppe umfasst: eine Gasdiffusionsschicht (GDL = gas diffusion layer); und eine mit der GDL verbundene Dichtung, wobei die Dichtung Folgendes umfasst: eine erste Dichtungsschicht; eine zweite Dichtungsschicht, umfassend ein Dichtungsmaterial in Kontakt mit der ersten Dichtungsschicht und der GDL, wobei das Dichtungsmaterial die GDL mit der ersten Dichtungsschicht verbindet; und eine auf einer Fläche der ersten Dichtungsschicht liegende Klebeschicht; wobei das Dichtungsmaterial der zweiten Dichtungsschicht die GDL durchdringt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Haltevorrichtung mit einer Membran einer Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle sowie ein verbessertes Verfahren zu deren Herstellung anzugeben.
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Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich der Haltevorrichtung durch die im Anspruch 8 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei einer Haltevorrichtung mit einer Membran einer Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle ist die Membran formschlüssig zwischen zwei Rahmenelementen angeordnet, an welchen randseitig zumindest abschnittsweise jeweils ein Dichtelement angeordnet ist. Dabei ist die Membran mit den Rahmenelementen mittels eines Bindemittels stoffschlüssig verbunden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Membran an einem einzelnen der Rahmenelemente angeordnet ist. Vorzugsweise ist die Membran als eine Ionenaustauschmembran ausgebildet, wobei zusätzlich auf der Membran beidseitig jeweils eine Katalysatorschicht und/oder eine Gasdiffusionsschicht angeordnet sein können.
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Die Haltevorrichtung ist mittels der Anordnung der Membran an einem einzelnen Rahmenelement insbesondere kostengünstiger und prozesssicherer zu fertigen. Weiterhin ist eine Dichtwirkung des Bindemittels verbessert, da die Anzahl der zu verbindenden Komponenten gegenüber konventionellen Haltevorrichtungen reduziert ist und insbesondere Kriechprozesse des Bindemittels vermieden oder zumindest verringert sind, welche eine nachteilige Wirkung auf die Dichtfunktion haben. Darüber hinaus ist die Bauhöhe der Haltevorrichtung und damit der Brennstoffzelle vorteilhaft reduziert.
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In einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist dieses eine Rahmenelement eben ausgebildet. Dies ermöglicht eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung des zweiten Rahmenelements.
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In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform ist dieses eine Rahmenelement strukturiert, insbesondere gekröpft, ausgebildet, so dass die Membran in einem ersten Abschnitt des einen Rahmenelements eingebettet ist. Der erste Abschnitt ist dabei ein innerer Randbereich des Rahmenelements, d. h. in einem der Membran zugewandten Bereich, in welchem die Kröpfung angeordnet ist.
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Zur Verbindung dieses einen Rahmenelements mit der Membran wird als Bindemittel ein pastöser oder flüssiger Klebstoff verwendet. Beispielsweise ist der Klebstoff ein polymerer Klebstoff, welcher bei Applikation auf das Rahmenelement und auf die Membran unter Hitze und Druck in die Membran einfließt und damit das Rahmenelement mit der Membran verbindet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform härtet der Klebstoff mediendicht aus, so dass die Membran mediendicht abgedichtet ist.
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Dieses eine Rahmenelement ist aus einem folienartigen Material gebildet. Das folienartige Material weist gegenüber konventionellen Rahmenelementen eine geringere Materialstärke auf. Dabei steht aufgrund der geringeren Materialstärke ein größerer Bauraum für beispielsweise zusätzliche Dichtelemente zur Verfügung, mittels derer neben einer verbesserten Abdichtung der Membran auch Toleranzen bei der Herstellung der Haltevorrichtung und/oder der Brennstoffzelle besser ausgleichbar sind. Darüber hinaus ist die Haltevorrichtung mittels des folienartigen Materials einfacher und kostengünstiger herstellbar und umweltfreundlich recyclebar.
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Weiterhin ist das folienartige Material aus einem Kunststoff oder einem Kunststoffgemisch gebildet. Insbesondere sind dabei organische Polymere vorteilhaft, die unter den Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle innert sind und keine störenden Substanzen absondern. Darüber hinaus zeichnen sich Kunststoffe oder Kunststoffgemische durch ein gutes Adhäsionsvermögen sowie einer gasdichten oder nahezu gasdichten Abdichtung der Membran gegenüber Reaktionsstoffen aus. Überdies kann durch geeignete Verfahren, wie beispielsweise eine Plasmabehandlung oder andere geeignete thermische Verfahren wie Flämmen, das Adhäsionsvermögen verbessert werden.
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In einem Verfahren zur Herstellung einer Haltevorrichtung für eine Membran einer Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle, wobei die Membran formschlüssig zwischen zwei Rahmenelementen angeordnet wird, an welchen randseitig zumindest abschnittsweise ein Dichtelement angeordnet ist, und wobei die Membran mit den Rahmenelementen mittels eines Bindemittels stoffschlüssig verbunden wird, wird erfindungsgemäß die Membran an ein einzelnes der Rahmenelemente angeordnet.
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Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine verbesserte mediendichte Abdichtung der Membran, insbesondere eines ionenleitfähigen Bereichs der Membran, erzielt, da aufgrund einer verringerten Anzahl der zu verbindenden Komponenten gegenüber konventionellen Haltevorrichtungen mehr Bauraum für zusätzliche Dichtelemente oder zur Erweiterung der bereits auf diesem einen Rahmenelement angeordneten Dichtelementen nutzbar ist. Insbesondere ist die Haltevorrichtung einfacher herstellbar, da bei einem einzelnen Rahmenelement eine Fügegenauigkeit beim Zusammenfügen der Haltevorrichtung gegenüber konventionellen Haltevorrichtungen mit zwei Rahmenelementen verringert ist. Vorteilhaft ist weiterhin, dass im Vergleich zur konventionellen Ausgestaltung die Positionierungstoleranz nahezu irrelevant ist. D. h., dass die Positionierung der oberen Folie lediglich an der unteren Folie auszurichten ist bzw. am unteren Rahmen, jedoch nicht mehr noch zusätzlich an einem oberen Rahmen. Dies bedeutet weiterhin auch, dass die obere Folie komplett als aktive Fläche nutzbar ist und nicht wie bei der konventionellen Ausgestaltung aktive Fläche durch eine Abschattung durch einen oberen Rahmen verliert.
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Das Verfahren umfasst dazu folgende Schritte:
- a) Vorverarbeiten und Bereitstellen eines Rahmenmaterials für dieses eine Rahmenelement,
- b) Heraustrennen eines mittleren Abschnitts aus diesem einen Rahmenelement zur Ausbildung eines aktiven Bereichs der Membran,
- c) Oberflächenmodifikation dieses einen Rahmenelements in einem Bereich, der den mittleren Ausschnitt randseitig vollständig umgibt,
- d) Applizieren eines Bindemittels auf den oberflächenmodifizierten Bereich dieses einen Rahmenelements,
- e) Positionieren der Membran auf dieses eine Rahmenelement derart, dass dessen mittlerer Abschnitt vollständig mit der Membran abgedeckt ist,
- f) Applizieren eines weiteren Bindemittels auf einen umlaufenden Randbereich der Membran,
- g) gegebenenfalls Verpressen dieses einen Rahmenelements mit der Membran und
- h) Anordnen zumindest eines Dichtelements auf dieses Rahmenelement.
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Damit ist es möglich, eine verbesserte Haltevorrichtung für die Membran in Verbindung mit einem verbesserten Klebekonzept mit einer geringen Anzahl an Prozessschritten und einer Verringerung manueller Prozessschritte herzustellen, insbesondere da im Idealfall der letzte Schritt h) entfällt. Somit ist es möglich, den Herstellungsaufwand und die Herstellungszeit der Haltevorrichtung und damit der Brennstoffzelle selbst zu vermindern.
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Für eine verbesserte Haftung des Bindemittels und damit eine verbesserte mediendichte Abdichtung der Membran erfolgt die Oberflächenmodifikation des Rahmenelements gemäß Schritt c) bevorzugt elektrochemisch. Beispielsweise wird die Oberfläche mittels einer sogenannten Coronabehandlung modifiziert, bei welcher eine Polarität der Oberfläche erhöht und damit eine Benetzbarkeit und chemische Affinität verbessert wird. Alternativ wird die Oberfläche mittels einer sogenannten Flammenpyrolyse (CCVD = Combustion Chemical Vapour Deposition) modifiziert, bei welchem unterschiedliche Oxide auf die Oberfläche abgeschieden werden.
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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 einen Ausschnitt einer Schnittdarstellung einer konventionellen Haltevorrichtung mit einer Membran einer Membran-Elektroden-Einheit,
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2 schematisch ein Verfahrensablauf zur Herstellung einer Haltevorrichtung mit einer Membran einer Membran-Elektroden-Einheit,
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3 schematisch einen Ausschnitt einer Schnittdarstellung einer Haltevorrichtung mit einer Membran einer Membran-Elektroden-Einheit in einer ersten Ausführungsform und
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4 schematisch einen Ausschnitt einer Schnittdarstellung einer Haltevorrichtung mit einer Membran einer Membran-Elektroden-Einheit in einer zweiten Ausführungsform.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt schematisch einen Ausschnitt einer Schnittdarstellung einer konventionellen Haltevorrichtung 1 mit einer als Ionenaustauschmembran ausgebildeten Membran 2 einer nicht näher dargestellten Membran-Elektroden-Einheit für eine ebenfalls nicht näher dargestellte Brennstoffzelle.
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Die Haltevorrichtung 1 umfasst zwei Rahmenelemente 1.1, 1.2, zwischen denen die Membran 2 form- und stoffschlüssig angeordnet ist.
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Die Rahmenelemente 1.1, 1.2 sind beispielsweise aus einem Kunststoff oder Kunststoffgemisch gebildet, welche unter den Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle innert sind und keine störenden Substanzen absondern. Weiterhin zeichnen sich Kunststoffe oder Kunststoffgemische durch ein gutes Adhäsionsvermögen sowie eine mediendichte oder nahezu mediendichte Abdichtung der Membran 2 zu einer Bipolarplatte und zu einem aktiven Bereich der Brennstoffzelle aus.
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Die Rahmenelemente 1.1, 1.2 weisen jeweils einen rechteckigen oder nahezu rechteckigen Außenumfang auf, wobei innerhalb der Rahmenelemente 1.1, 1.2 jeweils ein mittlerer Ausschnitt 6, vorzugsweise eine Aussparung, ausgebildet ist. Dabei ist der mittlere Ausschnitt 6 jeweils korrespondierend zur aufzunehmenden Membran 2 ausgeformt. Somit sind die Rahmenelemente 1.1, 1.2 im Wesentlichen aus einem umlaufenden Randbereich unter Ausbildung einer jeweiligen Rahmenbreite B1.1, B1.2 gebildet, welche korrespondierend zueinander ausgebildet sind.
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Die Rahmenelemente 1.1, 1.2 sind in der vorliegenden Darstellung dabei derart übereinander angeordnet, dass diese zumindest bereichsweise oder vollständig umlaufend innenseitig und außenseitig passgenau übereinander liegen.
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Der Randbereich der Rahmenelemente 1.1, 1.2 umfasst jeweils einen inneren Abschnitt 1.1.1, 1.2.1 und einen äußeren Abschnitt 1.1.2, 1.2.2, wobei die Rahmenbreiten B1.1, B1.2 jeweils aus einer Länge des inneren Abschnitts 1.1.1, 1.2.1 und des äußeren Abschnitts 1.1.2, 1.2.2 gebildet werden.
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Der innere Abschnitt 1.1.1, 1.2.1 ist dabei jeweils ein der Membran 2 zugewandter und der äußere Abschnitt 1.1.2, 1.2.2 jeweils ein der Membran 2 abgewandter Abschnitt und des Randbereichs des Rahmenelements 1.1, 1.2.
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Die inneren Abschnitte 1.1.1, 1.2.1 sind jeweils strukturiert ausgebildet, vorzugsweise in entgegen gesetzter Richtung gekröpft und in Länge und Form korrespondierend zueinander ausgebildet. Die Rahmenelemente 1.1, 1.2 weisen innerhalb des inneren Abschnitts 1.1.1, 1.2.1 unterschiedliche Abstände zueinander auf.
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Dabei ist in einem der Membran 2 zugewandten Ende der inneren Abschnitte 1.1.1, 1.2.1 der Abstand der Rahmenelemente 1.1, 1.2 zueinander am größten. In diesem Bereich ist ein umlaufender Randbereich der Membran 2 zwischen den inneren Abschnitten 1.1.1, 1.2.1 angeordnet.
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In Richtung der äußeren Abschnitte 1.1.2, 1.2.2 verkleinert sich der Abstand derart, dass dieser kleiner dimensioniert ist als die Materialstärke der Membran 2. Damit ist ein optimaler Formschluss der Membran 2 zwischen den Rahmenelementen 1.1, 1.2 sichergestellt.
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Die äußeren Abschnitte 1.1.2, 1.2.2 sind im Wesentlichen eben und in Länge und Form zueinander korrespondierend ausgebildet, wobei zwischen diesen kein Randbereich der Membran 2 angeordnet.
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Zur stoffschlüssigen Verbindung der Membran 2 sowie zur mediendichten Abdichtung der Membran insbesondere in einem Randbereich der Membran 2 ist zwischen den Rahmenelementen 1.1, 1.2 ein Bindemittel 3 appliziert, welches vorzugsweise ein flüssiger oder pastöser Klebstoff ist. Das Bindemittel 3 wird im Folgenden als Klebstoff 3.1 fortgeführt.
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Als Klebstoff 3.1 kann ein Kaltklebstoff und/oder ein Heißklebestoff wie Acrylat, Cyanacrylat, Epoxidharz, EVA, Polyethylen und/oder Polypropylen eingesetzt werden.
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Der Klebstoff 3.1 füllt dabei einen zwischen den Rahmenelementen 1.1, 1.2 angeordneten Zwischenbereich 4 vollständig, insbesondere einen Fugenbereich 4.1, welcher zwischen einem eingefassten Randbereich der Membran 2 und den äußeren Abschnitten 1.1.2, 1.2.2 der Rahmenelemente 1.1, 1.2 angeordnet ist. Damit wird vorteilhaft verhindert, dass der Zwischenbereich 4 Hohlräume aufweist, in denen Wasserablagerungen, Vereisungen oder Gasübertritte auftreten, die der Membran 2 und/oder der Membran-Elektroden-Einheit und damit der Brennstoffzelle schädigen können. Mit anderen Worten: Damit wird eine Kontamination des Zwischenbereichs 4, insbesondere des Fugenbereichs 4.1, durch Reaktionsstoffe wie Wasserstoff und damit eine potentiell gefährliche Kurzschlussreaktion der Reaktionsstoffe (z. B. Wasserstoff und Luft) weitestgehend vermieden.
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Um einen Innenbereich der Brennstoffzelle weiter abzudichten, umfasst die Haltevorrichtung 1 zwei Dichtelemente 5, welche jeweils auf einer dem Zwischenbereich 4 abgewandten Oberfläche der Rahmenelemente 1.1, 1.2 im Bereich der äußeren Abschnitte 1.1.2, 1.2.2 angeordnet sind.
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Die Dichtelemente 5 sind vorzugsweise aus einem Kunststoff oder Kunststoffgemisch, z. B. auf Elastomerbasis, gebildet. Diesbezüglich sind jedoch sämtliche weiteren Arten von geeigneten Dichtungen denkbar, insbesondere auf Silikonbasis, Kautschukbasis oder auch Butylbasis.
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Während des Herstellungsprozesses der konventionellen Haltevorrichtung 1 wird durch Verpressen der Dichtelemente 5 gegen die Rahmenelemente 1.1, 1.2 und Verpressen der Rahmenelemente 1.1, 1.2 mit der Membran 2 der Klebstoff 3.1 zwischen den Rahmenelementen 1.1, 1.2 verdrängt, insbesondere während des Betriebs der Brennstoffzelle und den dabei auftretenden Temperaturschwankungen, bei welchen der Klebstoff 3.1 nicht immer vollständig ausgehärtet ist. Dies wird auch als Kriechen des Klebstoffs 3.1 bezeichnet und kann zu einer nachlassenden Klebewirkung und zu Undichtigkeiten der Brennstoffzelle führen. Zudem kann dies zu einer Reduzierung der Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle führen, wenn der Klebstoff 3.1 in nicht dafür vorgesehene Bereiche innerhalb der Brennstoffzelle verdrängt wird und beispielsweise die Membran-Elektroden-Anordnung verstopft.
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Zur Losung oben genannter Probleme ist in 2 ein Verfahrensablauf für ein Verfahren zur Herstellung einer Haltevorrichtung 1 mit einer Membran 2 dargestellt.
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In einem ersten Schritt a) wird für ein einzelnes der Rahmenelemente 1.1, 1.2, welches im Folgenden als das Rahmenelement 1.2 weitergeführt wird, ein Rahmenmaterial als Rollenware bereitgestellt und entsprechend vorverarbeitet.
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Dazu wird das Rahmenmaterial abgerollt und das Rahmenelement 1.2 vereinzelt. Hierzu wird beispielsweise mittels einer nicht dargestellten Schnitteinheit das Rahmenelement 1.2 aus dem abgerollten Ausschnitt 6 herausgeschnitten.
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Das Rahmenmaterial ist ein folienartiges Material aus Kunststoff oder einem Kunststoffgemisch. Das folienartige Material ist vorzugsweise einschichtig und weist gegenüber konventionellen Rahmenmaterialien eine geringere Materialstärke aus, so dass eine geringer dimensionierte Haltevorrichtung 1 kostengünstig herstellbar ist.
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Gegebenenfalls wird anschließend das Rahmenelement 1.2 umgeformt, so dass dieses eine Kröpfung aufweist. Damit ist das Rahmenelement 1.2 in einen inneren Abschnitt 1.2.1 und einen äußeren Abschnitt 1.2.2 gemäß der Beschreibung aus 1 unterteilbar. Die Umformung des Rahmenelements 1.2 kann beispielsweise mittels Kaltverformung, Thermoformung oder Tiefziehen erfolgen.
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In einem zweiten Schritt b) wird aus dem Rahmenelement 1.2 ein mittlerer Ausschnitt 6 herausgetrennt, insbesondere herausgeschnitten, in welchem ein aktiver Bereich der Membran 2 oder alternativ der Membran-Elektroden-Einheit ausgebildet wird.
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Für eine verbesserte Haftung des zu einem späteren Zeitpunkt applizierten Klebstoffs 3.1 wird in einem dritten Schritt c) eine Oberfläche des Rahmenelements 1.2, insbesondere in einem Bereich, der den mittleren Ausschnitt 6 randseitig vollständig umgibt, modifiziert. Es wird dabei die Oberfläche modifiziert, welche zu einem späteren Zeitpunkt der Membran 2 zugewandt ist.
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Die Oberflächenmodifikation erfolgt vorzugsweise elektrochemisch, beispielsweise mittels einer sogenannten Coronabehandlung, bei welcher eine Polarität der Oberfläche erhöht und damit eine Benetzbarkeit und chemische Affinität verbessert wird. Alternativ wird die Oberfläche mittels einer sogenannten Flammenpyrolyse (CCVD = Combustion Chemical Vapour Deposition) modifiziert, bei welchem unterschiedliche Oxide auf die Oberfläche abgeschieden werden.
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Alternativ ist es möglich, die Oberflächenmodifikation auch vor Schritt b) durchzuführen.
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In einem vierten Schritt d) wird auf die modifizierte Oberfläche des Rahmenelements 1.2 auf den Randbereich des Rahmenelements 1.2, der dessen mittleren Ausschnitt 6 vollständig umgibt, ein Klebstoff 3.1 mit einer entsprechend höheren Viskosität als bei herkömmlichen Haltevorrichtungen 1 mit zwei Rahmenelementen 1.1, 1.2 appliziert. Das Applizieren des Klebstoffs 3.1 kann beispielsweise mittels eines Siebdruckverfahrens, mittels eines Offsetdruckverfahrens und/oder mittels eines Strahlverfahrens analog einem Tinterstrahlverfahren, auch Ink-Jet-Verfahren genannt, erfolgen, wobei anstatt der Tinte beispielsweise der Klebstoff 3.1 versprüht wird. Der Klebstoff 3.1 befindet sich alternativ bereits auf einem Trägerfilm, beispielsweise einem Schutzfilm. Vorzugsweise findet nach Applikation des Klebstoffs 3.1 kein Vorvernetzen des Klebstoffs 3.1 auf der modifizierten Oberfläche des Rahmenelements 1.2 statt, so dass dieser sich mit einem weiteren Klebstoff 3.1, welcher in einem sechsten Schritt f) auf die Membran 2 appliziert wird, optimal verbindet und damit eine Haftung am Rahmenelement 1.2 und der Membran 2 besonders bevorzugt über eine vollständige Lebensdauer der Brennstoffzelle möglich ist.
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Die selektive Applikation des Klebstoffs 3.1 ermöglicht einen gezielten und hochgenauen Klebstoffauftrag, so dass der Klebstoff 3.1 in einer optimalen Menge und Verteilung appliziert werden kann. Dadurch können gezielte Festigkeiten und Steifigkeiten der Haltevorrichtung 1 erzielt werden. Weiterhin ermöglicht die selektive Applikation des Klebstoffs 3.1 eine verringerte Dicke der Haltevorrichtung 1 und damit der Brennstoffzelle, wodurch innerhalb eines vorgegebenen Bauraums mehr Brennstoffzellen angeordnet werden können.
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In einem fünften Schritt e) wird die Membran 2 derart auf dem Rahmenelement 1.2 positioniert, dass der mittlere Ausschnitt 6 vollständig mit der Membran 2 abgedeckt ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Membran 2 dabei bereits mit zumindest einer Katalysatorschicht versehen.
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In einem sechsten Schritt f) wird auf einen umlaufenden Randbereich der Membran 2 ein weiterer Klebstoff 3.1 analog zur Applikation des Klebstoffs 3.1 auf das Rahmenelement 1.2 appliziert. Dabei ist sowohl auf das Rahmenelement 1.2 als auch auf den Randbereich der Membran 2 der gleiche Klebstoff 3.1 appliziert. Alternativ werden unterschiedliche Klebstoffe 3.1 verwendet.
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Mittels der Applikation des weiteren Klebstoffs 3.1 auf der Membran 2 wird ein Kurzschluss von Reaktionsstoffen weitestgehend vermieden und eine optimale Einbettung der Membran 2 in die Haltevorrichtung 1 und ein optimales Abdichten des Randbereichs der Membran 2 ermöglicht. Zudem wird aufgrund des applizierten Klebstoffs 3.1 einem Materialschrumpfen oder einer Materialvergrößerung der Membran 2, z. B. Aufquellen, während der Betriebszeit der Brennstoffzelle entgegengewirkt. Es ist dabei auch möglich, dass der Klebstoff 3.1 diesen Materialveränderungen elastisch folgt, so dass eine Abdichtung der Membran 2 vorzugsweise über nahezu vollständige Lebensdauer der Brennstoffzelle sichergestellt ist.
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In einem siebten Schritt g) wird die Membran 2 gegebenenfalls unter Zuführung einer Presskraft mit dem Rahmenelement 1.2 verpresst. Dabei werden das Rahmenelement 1.2 und die Membran 2 miteinander laminiert, so dass ein Randbereich der Membran 2 zwischen dem Rahmenelement 1.2 und dem Klebstoff 3.1 eingefasst ist.
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Das Verpressen kann dabei mittels einer Rollenpresse, Bandpresse und/oder Plattenpresse erfolgen. In einer Ausgestaltung wird das Rahmenelemente 1.2 und/oder die Membran 2 während des Verpressens zumindest bereichsweise erwärmt und/oder gekühlt.
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Vorzugsweise ist die Viskosität des Klebstoffs 3.1 entsprechend hoch gewählt, so dass im Idealfall der siebte Schritt g) entfällt.
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Im Anschluss daran erfolgt in einem achten Schritt h) eine Anordnung zumindest eines Dichtelements 5, vorzugsweise zweier Dichtelemente 5, auf eine Oberfläche des Rahmenelements 1.2 im Bereich des äußeren Abschnitts 1.2.2. Dies erfolgt beispielsweise mittels Verkleben und anschließendem Verpressen des Dichtelements 5 gegen das Rahmenelement 1.2, z. B. mittels nicht näher dargestellter Bipolarplatten. Die Applikation des Dichtelements 5 kann sowohl vor als auch nach dem Verpressen des Rahmenelements 1.2 mit der Membran 2 erfolgen. Damit ist eine hohe Produktionsflexibilität möglich. Alternativ ist es auch möglich, das Dichtelement 5 während der Herstellung des Rahmenelements 1.2 in dieses zu integrieren, so dass das Dichtelement 5 einstückig mit dem Rahmenelement 1.2 ausgeformt ist. Damit kann zudem der achte Schritt h) entfallen, wodurch eine Reduktion von Verfahrensschritten erzielbar ist.
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Die 3 und 4 zeigen eine Haltevorrichtung 1 für eine Membran 2, hergestellt nach dem Verfahren gemäß 2, in einer ersten und einer zweiten Ausführungsform.
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In der ersten Ausführungsform ist das Rahmenelement 1.2 eben ausgebildet. Dies ermöglicht eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung des Rahmenelements 1.2, da ein Umformen entfällt und somit eine Dauer und Kosten des Verfahrens gesenkt sind. Zudem ist ein Abstand zwischen dem eingefassten Randbereich der Membran 2 und den Dichtelementen 5 verringerbar, wodurch in besonders vorteilhafter Weise eine verbesserte Abdichtung der Membran 2 möglich ist.
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In der zweiten Ausführungsform ist das Rahmenelement 1.2 strukturiert, insbesondere gekröpft ausgebildet.
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Damit ist eine Klebefläche auf dem Rahmenelement 1.2 vergrößert, wodurch eine Haftung des Klebstoffs 3.1 verbessert ist. Weiterhin ist eine Ausrichtung der Membran 2 an dem Rahmenelement 1.2 vereinfacht, so dass diese in den inneren Abschnitt 1.2.1 des Rahmenelements 1.2 eingebettet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Haltevorrichtung
- 1.1, 1.2
- Rahmenelement
- 1.1.1, 1.2.1
- innere Abschnitte
- 1.1.2, 1.2.2
- äußere Abschnitte
- 2
- Membran
- 3
- Bindemittel
- 3.1
- Klebstoff
- 4
- Zwischenbereich
- 4.1
- Fugenbereich
- 5
- Dichtelement
- 6
- Ausschnitt
- B1.1, B1.2
- Rahmenbreite
- a
- erster Schritt
- b
- zweiter Schritt
- c
- dritter Schritt
- d
- vierter Schritt
- e
- fünfter Schritt
- f
- sechster Schritt
- g
- siebter Schritt
- h
- achter Schritt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2010/0000669 A1 [0005]
- EP 2095453 B1 [0006]
