DE102011105072B3 - Retention device for fuel cell for converting chemical energy into electrical power, has membrane arranged between frame elements in form-fit manner, and sealing element arranged on outer portion of one frame element with larger frame width - Google Patents

Retention device for fuel cell for converting chemical energy into electrical power, has membrane arranged between frame elements in form-fit manner, and sealing element arranged on outer portion of one frame element with larger frame width Download PDF

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Abstract

The device (1) has a membrane (2) e.g. ion exchange membrane, arranged between frame elements (1.1, 1.2) in a form-fit manner. The membrane is firmly bonded with the frame elements by a bonding agent (3), where one of the frame elements partially comprises frame width smaller than frame width of the other frame element. A sealing element (5) is arranged on an outer portion of the latter frame element with larger frame width. The frame elements are formed of film-like material, which is formed from plastic or plastic mixture. The bonding agent comprises a liquid or pasty adhesive. The adhesive comprises a cold adhesive and/or a hot adhesive. An independent claim is also included for a method for manufacturing a retention device.

Description

Die Erfindung betrifft eine Haltevorrichtung mit einer Membran einer Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a holding device with a membrane of a membrane electrode assembly for a fuel cell according to the preamble of patent claim 1.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Haltevorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.The invention further relates to a method for producing such a holding device according to the preamble of patent claim 8.

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.Fuel cells convert chemical energy into electrical energy. In general, a fuel cell consists of a membrane-electrode unit, which in particular has a proton-conductive membrane and an anode and a cathode as electrodes in the form of gas diffusion electrodes, wherein the membrane is arranged between the anode and the cathode. The membrane-electrode unit is arranged between two bipolar plates, which are the distribution of reactants for the fuel cell such as fuel and oxidizer through the membrane-electrode assembly and the removal of the reactants provided in this, in each case to the membrane-electrode unit open channels, the removal of the heat of reaction via a guided in separate coolant channels coolant and the establishment of an electrical connection between the anode and cathode. In order to avoid a gas exchange, in particular along the edges of the membrane of the membrane-electrode assembly within the fuel cell, the membrane-electrode assembly is provided, for example with a frame and / or a circumferential seal.

Üblicherweise wird dazu die Membran oder die vollständige Membran-Elektroden-Einheit zwischen zwei Rahmenhälften eingebettet und mit diesen verklebt.Usually, the membrane or the complete membrane-electrode assembly is embedded between two frame halves and glued to them.

Die US 2010/0000679 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.The US 2010/0000679 A1 describes a method for connecting a membrane-electrode assembly to a gas diffusion layer of a fuel cell stack. The method comprises the steps of: applying a catalyst layer to a surface of a polymer electrolyte membrane; Applying a seal to an edge region of the polymer electrolyte membrane; and disposing a gas diffusion layer on a surface of the catalyst layer by adhering a surface of the gasket or a part of the surface of the gasket to an edge portion of the gas diffusion layer by means of a binder.

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.Furthermore, in the EP 2 095 453 B1 discloses an assembly for a fuel cell membrane electrode assembly (fuel cell MEA). The assembly comprises: a gas diffusion layer (GDL); and a gasket connected to the GDL, the gasket comprising: a first gasket layer; a second sealing layer comprising a sealing material in contact with the first sealing layer and the GDL, the sealing material joining the GDL to the first sealing layer; and an adhesive layer disposed on a surface of the first sealing layer; wherein the sealing material of the second sealing layer penetrates the GDL.

Aus der DE 10 2005 038 612 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von beidseitig katalysatorbeschichteten Membranen für elektrochemische Vorrichtungen bekannt. Das Verfahren umfasst die Schritte:

  • A) Herstellen eines ersten Halbzeuges durch – Aufbringen einer ersten Ionomerschicht auf einen ersten Träger, – Aufbringen einer Anodenkatalysatorschicht auf die erste Ionomerschicht unter Verwendung einer ersten Katalysatortinte, – Trocknen der Anodenkatalysatorschicht,
  • B) Herstellen eines zweiten Halbzeuges durch – Aufbringen einer zweiten Ionomerschicht auf einen zweiten Träger, – Aufbringen einer Kathodenkatalysatorschicht auf die zweite Ionomerschicht unter Verwendung einer zweiten Katalysatortinte, – Trocknen der Kathodenkatalysatorschicht,
  • C) Entfernen des ersten und zweiten Trägers von der ersten bzw. der zweiten Ionomerschicht und Verbinden des ersten Halbzeuges mit dem zweiten Halbzeug durch ein Verbinden der ersten Ionomerschicht mit der zweiten Ionomerschicht.
From the DE 10 2005 038 612 A1 For example, a process for preparing bilayer catalyst coated membranes for electrochemical devices is known. The method comprises the steps:
  • A) producing a first semifinished product by - applying a first ionomer layer to a first support, - applying an anode catalyst layer to the first ionomer layer using a first catalyst ink, - drying the anode catalyst layer,
  • B) producing a second semifinished product by - applying a second ionomer layer to a second support, - applying a cathode catalyst layer to the second ionomer layer using a second catalyst ink, - drying the cathode catalyst layer,
  • C) removing the first and second carriers from the first and second ionomer layers, respectively, and bonding the first semifinished product to the second semifinished product by bonding the first ionomer layer to the second ionomer layer.

In der DE 10 2009 039 903 A1 werden ein Brennstoffzellenstapelabschnitt sowie ein Verfahren zur Montage des Brennstoffzellenabschnitts beschrieben. Ein Brennstoffzellenstapelabschnitt umfasst mindestens eine Bipolarplatte, mindestens eine MEA-Platte, welche in einer Stapelrichtung benachbart zu der Bipolarplatte so angeordnet ist, dass sich ein Elektrodenbereich ausbildet, eine Dichtung, wobei die Dichtung zur Abdichtung des Elektrodenbereichs ausgebildet ist, und einen Abstandsabschnitt, wobei der Abstandsabschnitt in der Stapelrichtung auf einer Seite durch die Bipolarplatte abgestützt ist. Der Abstandsabschnitt ist in Stapelrichtung auf der anderen Seite von der MEA-Platte abgestützt.In the DE 10 2009 039 903 A1 For example, a fuel cell stacking section and a method of assembling the fuel cell section will be described. A fuel cell stack portion includes at least one bipolar plate, at least one MEA plate arranged in a stacking direction adjacent to the bipolar plate to form an electrode region, a gasket, the gasket for sealing the electrode portion, and a spacer portion Spacer portion is supported in the stacking direction on one side by the bipolar plate. The spacer portion is supported in the stacking direction on the other side of the MEA board.

Aus der DE 103 15 796 A1 sind eine mit einem Katalysator beschichtete Ionomermembran und eine Membran-Elektroden-Einheiten mit Komponenten, die verschiedene Farben aufweisen, bekannt. Die Ionomermembran ist mit Katalysatorschichten auf beiden Seiten der Membranoberfläche beschichtet und weist zwei Komponenten auf. Eine Komponente ist auf der Stirnfläche der mit Katalysator beschichteten Membran befestigt und eine Komponente ist auf der Rückfläche der mit Katalysator beschichteten Membran befestigt. Die beiden Komponenten weisen verschiedene Farben auf.From the DE 103 15 796 A1 For example, a catalyst-coated ionomer membrane and a membrane-electrode assembly having components having different colors are known. The ionomer membrane is coated with catalyst layers on both sides of the membrane surface and has two components. One component is attached to the face of the catalyst coated membrane and one Component is attached to the back surface of the catalyst coated membrane. The two components have different colors.

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.The invention has for its object to provide a comparison with the prior art improved holding device with a membrane of a membrane electrode assembly for a fuel cell and an improved method for their preparation.

Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 8 angegebenen Merkmale und hinsichtlich der Haltevorrichtung durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.With regard to the method, the object is achieved by the features specified in claim 8 and in terms of the holding device by the features specified in claim 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Bei einer Haltevorrichtung mit einer Membran einer Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle ist die Membran formschlüssig zwischen zwei Rahmenelementen angeordnet. Erfindungsgemäß ist die Membran mit den Rahmenelementen mittels eines Bindemittels stoffschlüssig verbunden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eines der Rahmenelemente zumindest bereichsweise, insbesondere kantenweise oder bevorzugt vollständig umlaufend eine geringere Rahmenbreite aufweist als das andere Rahmenelement, wobei das Rahmenelement mit der größeren Rahmenbreite das Rahmenelement mit der geringeren Rahmenbreite zumindest bereichsweise nach außen überragt und wobei auf einem äußeren Abschnitt des Rahmenelements mit der größeren Rahmenbreite zumindest ein Dichtelement angeordnet ist. Die Rahmenelemente weisen einen rechteckigen oder nahezu rechteckigen Außenumfang auf, wobei innerhalb des Rahmenelements ein mittlerer Ausschnitt, vorzugsweise eine Aussparung, ausgebildet ist. Dabei ist der mittlere Ausschnitt korrespondierend zur aufzunehmenden Membran ausgeformt. Somit sind die Rahmenelemente im Wesentlichen aus einem umlaufenden Randbereich unter Ausbildung der jeweiligen Rahmenbreite gebildet, wobei der Randbereich vorzugsweise einen inneren und/oder äußeren Abschnitt umfasst. Zusätzlich kann das Rahmenelement mit der geringeren Rahmenbreite auch eine geringere Materialstärke aufweisen als das andere Rahmenelement. Weiterhin ist die Membran insbesondere als eine Ionenaustauschmembran ausgebildet. Dabei können zusätzlich auf der Membran beidseitig jeweils eine Katalysatorschicht und/oder eine Gasdiffusionsschicht angeordnet sein.In a holding device with a membrane of a membrane electrode assembly for a fuel cell, the membrane is arranged in a form-fitting manner between two frame elements. According to the invention, the membrane is materially connected to the frame elements by means of a binder. According to the invention, one of the frame elements, at least in regions, in particular edge-wise or preferably completely circumferentially, has a smaller frame width than the other frame element, wherein the frame element with the larger frame width projects beyond the frame element with the smaller frame width at least in regions and on an outer section the frame member is arranged with the larger frame width at least one sealing element. The frame members have a rectangular or nearly rectangular outer periphery, wherein within the frame member, a middle cutout, preferably a recess is formed. In this case, the middle section is formed corresponding to the male membrane. Thus, the frame members are formed substantially from a peripheral edge region forming the respective frame width, wherein the edge region preferably comprises an inner and / or outer portion. In addition, the frame member having the smaller frame width may also have a smaller material thickness than the other frame member. Furthermore, the membrane is designed in particular as an ion exchange membrane. In this case, in each case a catalyst layer and / or a gas diffusion layer can additionally be arranged on both sides of the membrane.

Die erfindungsgemäße Haltevorrichtung ermöglicht eine verbesserte, vorzugsweise mediendichte Abdichtung der Membran, insbesondere in einem Fugenbereich der Haltevorrichtung, gegenüber äußeren Einflüssen, z. B. Gasaustausch entlang der Ränder der Membran innerhalb der Brennstoffzelle. Insbesondere ist die Dichtwirkung des Bindemittels verbessert, da Kriechprozesse des Bindemittels zumindest verringert werden, welche beim Verpressen der Rahmenelemente mit der Membran auftreten.The holding device according to the invention enables an improved, preferably media-tight sealing of the membrane, in particular in a joint region of the holding device, against external influences, for. B. gas exchange along the edges of the membrane within the fuel cell. In particular, the sealing effect of the binder is improved because creep processes of the binder are at least reduced, which occur during compression of the frame members with the membrane.

Die Rahmenelemente sind dabei derart übereinander angeordnet, dass diese zumindest bereichsweise oder vollständig umlaufend innenseitig passgenau übereinander liegen, so dass das Rahmenelement mit der größeren Rahmenbreite das Rahmenelement mit der geringeren Rahmenbreite in dem betreffenden Bereich nach außen überragt. Alternativ sind die Rahmenelemente mittig zentriert übereinander angeordnet, so dass das Rahmenelement mit der größeren Rahmenbreite das andere Rahmenelement beidseitig überragt.The frame members are arranged one above the other so that they are at least partially or completely circumferentially inside one another exactly fitting one another, so that the frame member with the larger frame width projects beyond the frame member with the smaller frame width in the area to the outside. Alternatively, the frame elements are centered one above the other, so that the frame element with the larger frame width projects beyond the other frame element on both sides.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist bzw. sind zumindest eines der oder beide Rahmenelemente entlang ihrer Rahmenbreite in Abschnitte unterteilt, wobei insbesondere der äußere Abschnitt des Rahmenelements mit der geringeren Rahmenbreite zumindest kürzer ausgebildet ist als der äußere Abschnitt des breiteren Rahmenelements. Alternativ kann der äußere Abschnitt des Rahmenelements mit der geringeren Rahmenbreite entfallen.In a preferred embodiment, at least one or both of the frame elements are divided into sections along their frame width, wherein in particular the outer section of the frame element with the smaller frame width is at least shorter than the outer section of the wider frame element. Alternatively, the outer portion of the frame member having the smaller frame width may be omitted.

Dies ermöglicht in gewinnbringender Weise einen größeren Bauraum innerhalb der Brennstoffzelle, welcher beispielsweise für zusätzliche Dichtelemente oder zur Erweiterung eines bereits angeordneten Dichtelements nutzbar ist. Insbesondere in der alternativen Ausführungsform, in der der äußere Abschnitt des Rahmenelements mit der geringeren Rahmenbreite entfällt, ist ein Abstand der Membran zu den Dichtelementen verringerbar. Damit ist eine mediendichte Abdichtung der Membran verbessert und eine Herstellung von geringer dimensionierten Brennstoffzellen möglich, wodurch eine Maximierung einer Brennstoffzellenanzahl in einem Brennstoffzellenstapel erzielbar ist.This allows in a profitable manner a larger space within the fuel cell, which can be used for example for additional sealing elements or for expanding an already arranged sealing element. In particular, in the alternative embodiment, in which the outer portion of the frame member is omitted with the smaller frame width, a distance of the membrane to the sealing elements can be reduced. For a media-tight sealing of the membrane is improved and a production of smaller-sized fuel cells possible, whereby a maximization of a fuel cell number in a fuel cell stack can be achieved.

Zur Verbindung der Rahmenelemente mit der Membran wird als Bindemittel ein pastöser oder flüssiger Klebstoff verwendet, welcher als Zwischenlage zwischen beide Rahmenelemente appliziert wird. Beispielsweise ist der Klebstoff ein polymerer Klebstoff, welcher unter Hitze und Druck in die Membran einfließt und damit die Rahmenelemente mit der Membran verbindet.To connect the frame members to the membrane, a pasty or liquid adhesive is used as the binder, which is applied as an intermediate layer between the two frame elements. For example, the adhesive is a polymeric adhesive which flows under heat and pressure into the membrane and thus connects the frame members to the membrane.

In einer bevorzugten Ausführungsform härtet der Klebstoff mediendicht aus, so dass die Membran mediendicht abgedichtet ist.In a preferred embodiment, the adhesive cures in a media-tight manner, so that the membrane is sealed in a media-tight manner.

Die Rahmenelemente sind dabei jeweils 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.The frame elements are each formed from a film-like material. The film-like material has over conventional Frame elements on a lower material thickness. In this case, due to the lower material thickness, a larger installation space for, for example, additional sealing elements is available, by means of which, in addition to an improved sealing of the membrane, tolerances in the production of the holding device and / or the fuel cell can be better compensated. In addition, the holding device by means of the film-like material is easier and less expensive to produce and environmentally friendly recyclable.

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.Furthermore, the film-like material is formed from a plastic or a plastic mixture. In particular, organic polymers are advantageous, which are innert under the operating conditions of the fuel cell and do not secrete interfering substances. In addition, plastics or plastic mixtures are characterized by a good adhesiveness and a gas-tight or almost gas-tight sealing of the membrane to reactants.

In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer derartigen Haltevorrichtung mit einer Membran einer Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle wird die Membran formschlüssig zwischen zwei Rahmenelementen angeordnet, wobei die Membran mit den Rahmenelementen mittels eines Bindemittels stoffschlüssig verbunden wird, wobei eines der Rahmenelemente zumindest bereichsweise, insbesondere kantenweise oder bevorzugt vollständig umlaufend eine geringere Rahmenbreite aufweist als das andere Rahmenelement, wobei das Rahmenelement mit der größeren Rahmenbreite das Rahmenelement mit der geringeren Rahmenbreite zumindest bereichsweise nach außen überragt und wobei auf einem äußeren Abschnitt des Rahmenelements mit der größeren Rahmenbreite zumindest ein Dichtelement angeordnet wird.In a method according to the invention for producing such a holding device with a membrane of a membrane-electrode unit for a fuel cell, the membrane is arranged in a form-fitting manner between two frame elements, wherein the membrane is materially connected to the frame elements by means of a binder, wherein one of the frame elements at least partially, in particular edge-wise or preferably completely peripherally has a smaller frame width than the other frame element, the frame element with the larger frame width at least partially surmounting the frame element with the smaller frame width outwards and wherein at least one sealing element is arranged on an outer portion of the frame member with the larger frame width ,

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine verbesserte mediendichte Abdichtung der Membran, insbesondere eines ionenleitfähigen Bereichs der Membran, erzielt. Insbesondere ist die Haltevorrichtung einfacher herstellbar, da eine Fügegenauigkeit der einzelnen Komponenten der Haltevorrichtung zueinander aufgrund der verbesserten Abdichtung der Membran verringert werden kann.By means of the method according to the invention, an improved media-tight sealing of the membrane, in particular of an ion-conductive region of the membrane, is achieved. In particular, the holding device is easier to manufacture, since a joining accuracy of the individual components of the holding device to each other due to the improved sealing of the membrane can be reduced.

Das Verfahren umfasst dazu folgende Schritte:

  • a) Vorverarbeiten und Bereitstellen eines Rahmenmaterials für die Rahmenelemente,
  • b) Heraustrennen eines mittleren Ausschnitts aus den Rahmenelementen zur Ausbildung eines aktiven Bereichs der Membran,
  • c) Oberflächenmodifikation der Rahmenelemente jeweils in einem Bereich, der den mittleren Ausschnitt randseitig vollständig umgibt,
  • d) Applizieren eines Bindemittels auf den oberflächenmodifizierten Bereich des breiteren Rahmenelements,
  • e) Positionieren der Membran auf das breitere Rahmenelement derart, dass dessen mittlerer Ausschnitt vollständig mit der Membran abgedeckt ist,
  • f) Applizieren eines weiteren Bindemittels auf einen umlaufenden Randbereich der Membran,
  • g) Positionieren des schmaleren Rahmenelements auf die Membran und Verpressen der Rahmenelemente mit der Membran und
  • h) Anordnen zumindest eines Dichtelements auf einen äußeren Abschnitt des breiteren Rahmenelements.
The method comprises the following steps:
  • a) preprocessing and providing a frame material for the frame elements,
  • b) separating out a central section of the frame elements to form an active region of the membrane,
  • c) surface modification of the frame elements in each case in an area which completely surrounds the middle cut-out at the edge,
  • d) applying a binder to the surface modified portion of the wider frame member,
  • e) positioning the membrane on the wider frame member such that its central cutout is completely covered with the membrane,
  • f) applying a further binder to a peripheral edge region of the membrane,
  • g) positioning the narrower frame member on the membrane and pressing the frame members to the membrane and
  • h) arranging at least one sealing element on an outer portion of the wider frame member.

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. Somit ist es möglich, den Herstellungsaufwand und die Herstellungszeit der Haltevorrichtung und damit der Brennstoffzelle selbst zu vermindern.This makes it possible to produce an improved holding device for the membrane in conjunction with an improved adhesive concept with a small number of process steps and a reduction of manual process steps. Thus, it is possible to reduce the manufacturing cost and the manufacturing time of the holding device and thus the fuel cell itself.

Für eine verbesserte Haftung des Bindemittels und damit eine verbesserte mediendichten Abdichtung der Membran erfolgt die Oberflächenmodifikation der Rahmenelemente 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.For improved adhesion of the binder and thus an improved media-tight sealing of the membrane, the surface modification of the frame elements according to step c) is preferably carried out electrochemically. For example, the surface is modified by means of a so-called corona treatment in which a polarity of the surface is increased and thus a wettability and chemical affinity is improved. Alternatively, the surface is modified by means of a so-called flame pyrolysis (CCVD = Combustion Chemical Vapor Deposition), in which different oxides are deposited on the surface.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.

Dabei zeigen:Showing:

1 schematisch einen Ausschnitt einer Schnittdarstellung einer konventionellen Haltevorrichtung für eine Membran einer Membran-Elektroden-Einheit, 1 1 is a schematic section of a sectional view of a conventional holding device for a membrane of a membrane-electrode assembly;

2 schematisch ein Verfahrensablauf zur Herstellung einer Haltevorrichtung mit einer Membran einer Membran-Elektroden-Einheit, 2 1 schematically shows a method sequence for producing a holding device with a membrane of a membrane-electrode unit,

3 schematisch einen Ausschnitt einer Schnittdarstellung einer Haltevorrichtung mit einer Membran einer Membran-Elektroden-Einheit in einer ersten Ausführungsform und 3 schematically a section of a sectional view of a holding device with a membrane of a membrane-electrode assembly in a first embodiment and

4 schematisch einen Ausschnitt einer Schnittdarstellung einer Haltevorrichtung mit einer Membran einer Membran-Elektroden-Einheit in einer zweiten Ausführungsform. 4 schematically a section of a sectional view of a holding device with a membrane of a membrane-electrode assembly in a second embodiment.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.

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. 1 schematically shows a detail of a sectional view of a conventional holding device 1 with a membrane formed as an ion exchange membrane 2 a non-illustrated membrane electrode assembly for a likewise not shown fuel cell.

Die Haltevorrichtung 1 umfasst zwei Rahmenelemente 1.1, 1.2, zwischen denen die Membran 2 form- und stoffschlüssig angeordnet ist.The holding device 1 includes two frame elements 1.1 . 1.2 between which the membrane 2 is arranged positively and cohesively.

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.The frame elements 1.1 . 1.2 For example, are formed from a plastic or plastic mixture, which are innert under the operating conditions of the fuel cell and secrete no interfering substances. Furthermore, plastics or plastic mixtures are characterized by a good adhesion and a media-tight or almost media-tight sealing of the membrane 2 to a bipolar plate and to an active region of the fuel cell.

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.The frame elements 1.1 . 1.2 each have a rectangular or nearly rectangular outer periphery, wherein within the frame elements 1.1 . 1.2 one middle section each 6 , preferably a recess, is formed. Here is the middle section 6 respectively corresponding to the male membrane 2 formed. Thus, the frame elements 1.1 . 1.2 essentially formed from a peripheral edge region forming a respective frame width B1.1, B1.2, which are formed corresponding to one another.

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.The frame elements 1.1 . 1.2 In the present representation, they are arranged one above the other in such a way that they lie on top of each other at least partially or completely circumferentially on the inside and outside.

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.The edge area of the frame elements 1.1 . 1.2 each includes an inner section 1.1.1 . 1.2.1 and an outer section 1.1.2 . 1.2.2 , wherein the frame widths B1.1, B1.2 each of a length of the inner portion 1.1.1 . 1.2.1 and the outer section 1.1.2 . 1.2.2 be formed.

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.The inner section 1.1.1 . 1.2.1 is in each case one of the membrane 2 facing and the outer section 1.1.2 . 1.2.2 one each of the membrane 2 opposite portion and the edge region of the frame member 1.1 . 1.2 ,

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.The inner sections 1.1.1 . 1.2.1 are each structured, preferably cranked in the opposite direction and formed in length and shape corresponding to each other. The frame elements 1.1 . 1.2 point inside the inner section 1.1.1 . 1.2.1 different distances to each other.

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.It is in one of the membrane 2 facing end of the inner sections 1.1.1 . 1.2.1 the distance of the frame elements 1.1 . 1.2 to each other the largest. In this area is a peripheral edge region of the membrane 2 between the inner sections 1.1.1 . 1.2.1 arranged.

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.Towards the outer sections 1.1.2 . 1.2.2 the distance decreases so that it is smaller than the material thickness of the membrane 2 , This is an optimal fit of the membrane 2 between the frame elements 1.1 . 1.2 ensured.

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.The outer sections 1.1.2 . 1.2.2 are substantially flat and formed in length and shape corresponding to each other, between them no edge region of the membrane 2 arranged.

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.For cohesive connection of the membrane 2 and for media-tight sealing of the membrane, in particular in an edge region of the membrane 2 is between the frame elements 1.1 . 1.2 a binder 3 applied, which is preferably a liquid or pasty adhesive. The binder 3 is hereafter referred to as an adhesive 3.1 continued.

Als Klebstoff 3.1 kann ein Kaltklebstoff und/oder ein Heißklebestoff wie Acrylat, Cyanacrylat, Epoxidharz, EVA, Polyethylen und/oder Polypropylen eingesetzt werden.As an adhesive 3.1 For example, a cold adhesive and / or a hot-melt adhesive such as acrylate, cyanoacrylate, epoxy resin, EVA, polyethylene and / or polypropylene can be used.

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 1.1.1, 1.2.1 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.The adhesive 3.1 fills one between the frame elements 1.1 . 1.2 arranged intermediate area 4 completely, in particular a joint area 4.1 , which between a bordered edge region of the membrane 2 and the outer sections 1.1.1 . 1.2.1 the frame elements 1.1 . 1.2 is arranged. This is advantageously prevented that the intermediate area 4 Has cavities in which water deposits, icing or gas transfer occur, the membrane 2 and / or the membrane-electrode unit and thus the fuel cell can damage. In other words, this will cause contamination of the intermediate area 4 , in particular the joint area 4.1 , by reactants such as hydrogen and thus a potentially dangerous short circuit reaction of Reactants (eg., Hydrogen and air) largely avoided.

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.In order to further seal an interior region of the fuel cell, the holding device comprises 1 two sealing elements 5 , each one on the intermediate area 4 remote surface of the frame elements 1.1 . 1.2 in the area of the outer sections 1.1.2 . 1.2.2 are arranged.

Die Dichtelemente 5 sind vorzugsweise aus einem Kunststoff oder Kunststoffgemisch, z. B. Polyethylen oder Polyethylennaphthalat, gebildet.The sealing elements 5 are preferably made of a plastic or plastic mixture, for. As polyethylene or polyethylene naphthalate formed.

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.During the manufacturing process of the conventional holding device 1 is achieved by pressing the sealing elements 5 against the frame elements 1.1 . 1.2 and pressing the frame elements 1.1 . 1.2 with the membrane 2 the adhesive 3.1 between the frame elements 1.1 . 1.2 displaced, especially during operation of the fuel cell and the resulting temperature fluctuations, in which the adhesive 3.1 not always fully cured. This is also called creeping of the adhesive 3.1 referred to and may lead to a decreasing adhesive effect and leaks in the fuel cell. In addition, this can lead to a reduction in the performance of the fuel cell when the adhesive 3.1 is displaced into unintended areas within the fuel cell and clogged, for example, the membrane-electrode assembly.

Zur Lösung oben genannter Probleme ist in 2 ein Verfahrensablauf für ein Verfahren zur Herstellung einer Haltevorrichtung 1 mit einer Membran 2 dargestellt.To solve the above problems is in 2 a process flow for a method for producing a holding device 1 with a membrane 2 shown.

In einem ersten Schritt a) wird für die Rahmenelemente 1.1, 1.2 ein Rahmenmaterial als Rollenware bereitgestellt und entsprechend vorverarbeitet.In a first step a) is for the frame elements 1.1 . 1.2 a frame material provided as a roll and pre-processed accordingly.

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.The frame material is a foil-like material made of plastic or a plastic mixture. The film-like material is preferably single-layered and has a lower material thickness than conventional frame materials, so that a smaller-sized holding device 1 is inexpensive to produce.

Zur Vorverarbeitung wird das Rahmenmaterial abgerollt und die Rahmenelemente 1.1, 1.2 vereinzelt. Hierzu werden beispielsweise mittels einer nicht dargestellten Schnitteinheit die Rahmenelemente 1.1, 1.2 aus dem abgerollten Rahmenmaterial herausgeschnitten.For preprocessing, the frame material is unrolled and the frame elements 1.1 . 1.2 sporadically. For this purpose, for example by means of a cutting unit, not shown, the frame elements 1.1 . 1.2 cut out of the unrolled frame material.

Dabei wird eines der Rahmenelemente 1.1 zumindest bereichsweise mit einer geringeren Rahmenbreite B1.1 als das andere Rahmenelement 1.2 aus dem Rahmenmaterial herausgeschnitten.It becomes one of the frame elements 1.1 at least in some areas with a smaller frame width B1.1 than the other frame element 1.2 cut out of the frame material.

Beispiele für verschiedene Ausführungsformen des Rahmenelements 1.1 mit einer geringeren Rahmenbreite B1.1 sind in den 3 und 4 dargestellt und beschrieben.Examples of different embodiments of the frame element 1.1 with a smaller frame width B1.1 are in the 3 and 4 shown and described.

Im Anschluss an die Vereinzelung werden die Rahmenelemente 1.1, 1.2 derart umgeformt, dass diese jeweils eine Kröpfung aufweisen, so dass die Rahmenelemente 1.1, 1.2 jeweils in einen inneren Abschnitt 1.1.1, 1.2.1 und einen äußeren Abschnitt 1.1.2, 1.2.2 gemäß der Beschreibung aus 1 unterteilbar sind, wobei die Kröpfung jeweils den inneren Abschnitt 1.1.1, 1.2.1 darstellt.Following the separation, the frame elements 1.1 . 1.2 deformed such that they each have a crank, so that the frame elements 1.1 . 1.2 each in an inner section 1.1.1 . 1.2.1 and an outer section 1.1.2 . 1.2.2 according to the description 1 are subdivided, wherein the crank each of the inner portion 1.1.1 . 1.2.1 represents.

Die Umformung der Rahmenelemente 1.1, 1.2 kann beispielsweise mittels Kaltverformung, Thermoformung oder Tiefziehen erfolgen.The transformation of the frame elements 1.1 . 1.2 can be done for example by cold forming, thermoforming or deep drawing.

Alternativ wird für das Rahmenelement 1.1 ein weiteres Rahmenmaterial bereitgestellt, welches eine geringere Materialstärke als das zuvor beschriebene Rahmenmaterial aufweist. Die Vorverarbeitung des weiteren Rahmenmaterials erfolgt dabei wie zuvor beschrieben.Alternatively, for the frame element 1.1 provided a further frame material, which has a lower material thickness than the frame material described above. The pre-processing of the other frame material is carried out as previously described.

In einem zweiten Schritt b) werden aus den Rahmenelementen 1.1, 1.2 jeweils ein mittlerer Ausschnitt 6 herausgetrennt, insbesondere ausgeschnitten, in welchem ein aktiver Bereich der Membran 2 oder alternativ der Membran-Elektroden-Einheit ausgebildet wird.In a second step b) are made of the frame elements 1.1 . 1.2 one middle section each 6 cut out, in particular cut out, in which an active region of the membrane 2 or alternatively, the membrane-electrode assembly is formed.

Für eine verbesserte Haftung des zu einem späteren Zeitpunkt applizierten Klebstoffs 3.1 wird in einem dritten Schritt c) jeweils eine Oberfläche der Rahmenelemente 1.1, 1.2, insbesondere in einem Bereich, der den mittleren Ausschnitt 6 randseitig vollständig umgibt, modifiziert. Es werden dabei die Oberflächen modifiziert, welche der Membran 2 zugewandt sind.For improved adhesion of the adhesive applied at a later date 3.1 In a third step c) in each case a surface of the frame elements 1.1 . 1.2 , especially in an area that has the middle section 6 completely surrounded at the edge, modified. It will be the surfaces modified, which of the membrane 2 are facing.

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.The surface modification is preferably carried out electrochemically, for example by means of a so-called corona treatment, in which a polarity of the surface is increased and thus a wettability and chemical affinity is improved. Alternatively, the surface is modified by means of a so-called flame pyrolysis (CCVD = Combustion Chemical Vapor Deposition), in which different oxides are deposited on the surface.

Alternativ ist es möglich, die Oberflächenmodifikation auch vor Schritt b) durchzuführen.Alternatively, it is possible to carry out the surface modification before step b).

In einem vierten Schritt d) wird auf die modifizierte Oberfläche des breiteren Rahmenelements 1.2 auf einem Bereich, der den mittleren Ausschnitt 6 vollständig umgibt, ein Klebstoff 3.1 appliziert. Das Applizieren des Klebstoffs 3.1 kann beispielsweise mittels eines Siebdruckverfahrens, mittels eines Offsetdruckverfahrens und/oder mittels eines Strahlverfahrens analog einem Tintenstrahlverfahren, 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 breiteren Rahmenelements 1.2 statt, so dass dieser mit einem weiteren Klebstoff 3.1, welcher in einem sechsten Schritt f) auf die Membran 2 appliziert wird, optimal verbindet und damit eine Haftung an den Rahmenelementen 1.1, 1.2 besonders bevorzugt über eine vollständige Lebensdauer der Brennstoffzelle möglich ist.In a fourth step d) is applied to the modified surface of the wider frame element 1.2 on an area, the middle section 6 completely surrounds an adhesive 3.1 applied. Applying the glue 3.1 For example, by means of a screen printing method, by means of an offset printing method and / or by means of a jet method analogous to an ink jet method, also called ink-jet method, take place, wherein instead of the ink, for example, the adhesive 3.1 is sprayed. The adhesive 3.1 Alternatively, it is already on a carrier film, for example a protective film. Preferably takes place after application of the adhesive 3.1 no pre-crosslinking of the adhesive 3.1 on the modified surface of the wider frame member 1.2 instead, leaving this with another glue 3.1 , which in a sixth step f) on the membrane 2 is applied, optimally connects and thus adhesion to the frame elements 1.1 . 1.2 more preferably over a full life of the fuel cell is possible.

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.Selective application of the adhesive 3.1 allows a targeted and high-precision adhesive application, so that the adhesive 3.1 can be applied in an optimal amount and distribution. This allows targeted strength and rigidity of the fixture 1 be achieved. Furthermore, the selective application of the adhesive allows 3.1 a reduced thickness of the holding device 1 and thus the fuel cell, whereby more fuel cells can be arranged within a given space.

In einem fünften Schritt e) wird die Membran 2 derart auf das breitere Rahmenelement 1.2 positioniert, dass der mittlere Ausschnitt 6 des Rahmenelements 1.2 vollständig mit der Membran 2 abgedeckt ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Membran 2 dabei bereits mit zumindest einer Katalysatorschicht versehen.In a fifth step e), the membrane 2 such on the wider frame element 1.2 positioned that middle section 6 of the frame element 1.2 completely with the membrane 2 is covered. In a preferred embodiment, the membrane 2 already provided with at least one catalyst layer.

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.In a sixth step f) is applied to a peripheral edge region of the membrane 2 another glue 3.1 analogous to the application of the adhesive 3.1 on the frame element 1.2 applied. It is both on the frame element 1.2 as well as on the edge area of the membrane 2 the same glue 3.1 applied. Alternatively, different adhesives 3.1 used.

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 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.By means of the application of the further adhesive 3.1 on the membrane 2 a short circuit of reactants is largely avoided and an optimal embedding of the membrane 2 in the holding device 1 allows. In addition, due to the applied adhesive 3.1 a material shrinkage or an increase in material of the membrane 2 , z. B. swelling, counteracted during the operating time of the fuel cell. It is also possible that the adhesive 3.1 this material changes elastically follows, so that a seal of the membrane 2 preferably ensured over almost complete life of the fuel cell.

Alternativ dazu kann der weitere Klebstoff 3.1 auch auf die modifizierte Oberfläche des schmaleren Rahmenelements 1.1 appliziert werden.Alternatively, the other adhesive 3.1 also on the modified surface of the narrower frame element 1.1 be applied.

In einem siebten Schritt g) wird das schmalere Rahmenelement 1.1 derart bereitgestellt, dass es mit seiner modifizierten Oberfläche auf die modifizierte Oberfläche des breiteren Rahmenelements 1.2 und mit dem mittleren Ausschnitt 6 passgenau über dem Randbereich der Membran 2 positioniert wird, so dass ein Verlust von aktiver Fläche der Membran 2 und ein Verbrauch an Bauraum zwischen dem Fugenbereich 4.1 und den Dichtelementen 5 so gering wie möglich gehalten wird.In a seventh step g) becomes the narrower frame element 1.1 provided with its modified surface on the modified surface of the wider frame member 1.2 and with the middle section 6 precisely fitting over the edge area of the membrane 2 is positioned, leaving a loss of active area of the membrane 2 and a consumption of space between the joint area 4.1 and the sealing elements 5 kept as low as possible.

Anschließend wird das schmalere Rahmenelement 1.1 unter Zuführung einer Presskraft mit der Membran 2 verpresst. Dabei werden die Rahmenelemente 1.1, 1.2 und die zwischen diesen angeordnete Membran 2 miteinander laminiert, so dass ein Randbereich der Membran 2 zwischen den Rahmenelementen 1.1, 1.2 eingefasst ist.Subsequently, the narrower frame element 1.1 under the application of a pressing force with the membrane 2 pressed. This will be the frame elements 1.1 . 1.2 and the membrane arranged between them 2 laminated together, leaving a peripheral area of the membrane 2 between the frame elements 1.1 . 1.2 is enclosed.

Das Verpressen kann dabei mittels einer Rollenpresse, Bandpresse und/oder Plattenpresse erfolgen. In einer Ausgestaltung werden die Rahmenelemente 1.1, 1.2 und/oder die Membran 2 während des Verpressens zumindest bereichsweise erwärmt und/oder gekühlt.The pressing can be done by means of a roller press, belt press and / or plate press. In one embodiment, the frame elements 1.1 . 1.2 and / or the membrane 2 during pressing at least partially heated and / or cooled.

Im Anschluss daran erfolgt in einem achten Schritt h) eine Anordnung zumindest eines Dichtelements 5, vorzugsweise zweier Dichtelemente 5, jeweils auf eine dem Zwischenbereich 4 abgewandten Oberfläche des breiteren Rahmenelements 1.2 im Bereich des äußeren Abschnitts 1.2.2. Dies erfolgt beispielsweise mittels Verkleben und anschließendem Verpressen des Dichtelements 5 gegen die Rahmenelemente 1.1, 1.2, z. B. mittels nicht näher dargestellter Bipolarplatten. Die Applikation des Dichtelements 5 kann sowohl vor als auch nach dem Verpressen der Rahmenelemente 1.1, 1.2 mit der Membran 2 erfolgen. Alternativ ist es auch möglich, das Dichtelement 5 während der Herstellung der Rahmenelemente 1.1, 1.2 in diese zu integrieren, so dass das Dichtelement 5 einstückig mit dem breiteren Rahmenelement 1.2 ausgeformt ist. Damit ist eine hohe Produktionsflexibilität möglich.This is followed by an arrangement of at least one sealing element in an eighth step h) 5 , preferably two sealing elements 5 , each one on the intermediate area 4 remote surface of the wider frame element 1.2 in the area of the outer section 1.2.2 , This is done for example by means of gluing and subsequent pressing of the sealing element 5 against the frame elements 1.1 . 1.2 , z. B. by means not shown bipolar plates. The application of the sealing element 5 can be used both before and after pressing the frame elements 1.1 . 1.2 with the membrane 2 respectively. Alternatively, it is also possible, the sealing element 5 during the manufacture of the frame elements 1.1 . 1.2 integrate into this, so that the sealing element 5 integral with the wider frame element 1.2 is formed. This allows high production flexibility.

Die 3 und 4 zeigen eine Haltevorrichtung 1 mit einer Membran 2, hergestellt nach dem Verfahren gemäß 2, in einer ersten und einer zweiten Ausführungsform.The 3 and 4 show a holding device 1 with a membrane 2 prepared according to the method according to 2 in a first and a second embodiment.

In der ersten bevorzugten Ausführungsform ist der äußere Abschnitt 1.1.2 des Rahmenelements 1.1 kürzer ausgebildet als der äußere Abschnitt 1.2.2 des anderen Rahmenelements 1.2. Die Rahmenelemente 1.1, 1.2 sind dabei derart übereinander angeordnet, dass diese zumindest bereichsweise, insbesondere kantenweise, oder bevorzugt vollständig umlaufend innenseitig passgenau übereinander liegen, so dass das breitere Rahmenelement 1.2 das Rahmenelement 1.1 in dem betreffenden Bereich nach außen überragt.In the first preferred embodiment, the outer portion 1.1.2 of the frame element 1.1 shorter than the outer portion 1.2.2 of the other frame element 1.2 , The frame elements 1.1 . 1.2 are arranged one above the other so that they are at least partially, in particular edge-to-edge, or preferably completely circumferentially inside one another exactly fitting one another, so that the wider frame element 1.2 the frame element 1.1 surmounted in the area concerned.

Die Haltevorrichtung 1 weist zwei Dichtelemente 5 auf, welche dabei auf zwei sich gegenüberliegenden Oberflächen innerhalb des breiteren Rahmenelements 1.2 im Bereich des äußeren Abschnitts 1.2.2. angeordnet sind.The holding device 1 has two sealing elements 5 which is on two opposite surfaces within the wider frame member 1.2 in the area of the outer section 1.2.2. are arranged.

In der zweiten Ausführungsform entfällt der äußere Abschnitt 1.1.2 des Rahmenelements 1.1, so dass dieses nur einen inneren Abschnitt 1.1.1 aufweist. Die Rahmenelemente 1.1, 1.2 sind dabei derart übereinander angeordnet, dass diese zumindest bereichsweise, insbesondere kantenweise, oder vollständig umlaufend innenseitig passgenau übereinander liegen, so dass das breitere Rahmenelement 1.2 das Rahmenelement 1.1 in dem betreffenden Bereich nach außen überragt.In the second embodiment, the outer portion is omitted 1.1.2 of the frame element 1.1 so this is just an inner section 1.1.1 having. The frame elements 1.1 . 1.2 are arranged one above the other so that they are at least partially, in particular edge-to-edge, or completely encircling inside superimposed on each other, so that the wider frame element 1.2 the frame element 1.1 surmounted in the area concerned.

Die Haltevorrichtung 1 weist ebenfalls zwei Dichtelemente 5 auf, welche auf sich gegenüberliegenden Oberflächen des breiteren Rahmenelements 1.2 im Bereich des äußeren Abschnitts 1.2.2. angeordnet sind.The holding device 1 also has two sealing elements 5 on which on opposite surfaces of the wider frame member 1.2 in the area of the outer section 1.2.2. are arranged.

Zusätzlich kann das Rahmenelement 1.1 eine geringere Materialstärke aufweisen als das breitere Rahmenelement 1.2. Beispielsweise weist dazu das Rahmenelement 1.1 eine Materialstärke von weniger als 25 Mikrometer und das breitere Rahmenelement 1.2 eine Materialstärke zwischen 50 und 100 Mikrometer auf. Damit ist in besonders vorteilhafter Weise eine weitere Reduktion von Kosten, Bauraum und Gewicht möglich.In addition, the frame element 1.1 have a lower material thickness than the wider frame member 1.2 , For example, has the frame element 1.1 a material thickness of less than 25 microns and the wider frame element 1.2 a material thickness between 50 and 100 microns. For a further reduction of costs, space and weight is possible in a particularly advantageous manner.

In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform sind die Rahmenelemente 1.1, 1.2 mittig zentriert übereinander angeordnet, so dass das breitere Rahmenelement 1.2 das Rahmenelement 1.1 beidseitig überragt.In an alternative, not shown embodiment, the frame members 1.1 . 1.2 centered on top of each other, leaving the wider frame element 1.2 the frame element 1.1 surmounted on both sides.

Insbesondere ist mittels der zweiten Ausführungsform in gewinnbringender Weise der Bauraum innerhalb der Brennstoffzelle vergrößerbar, welcher beispielsweise für zusätzliche Dichtelemente 5 oder zur Erweiterung des bereits angeordneten Dichtelements 5 nutzbar ist. Zudem ist ein Abstand zwischen dem eingefassten Randbereich der Membran 2 und den Dichtelementen 5 verringerbar.In particular, by means of the second embodiment in a profitable manner, the space within the fuel cell can be increased, which, for example, for additional sealing elements 5 or for expanding the already arranged sealing element 5 is usable. In addition, there is a distance between the bordered edge region of the membrane 2 and the sealing elements 5 reducible.

Claims (10)

Haltevorrichtung (1) mit einer Membran (2) einer Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle, wobei die Membran (2) formschlüssig zwischen zwei Rahmenelementen (1.1, 1.2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (2) mit den Rahmenelementen (1.1, 1.2) mittels eines Bindemittels (3) stoffschlüssig verbunden ist, wobei eines der Rahmenelemente (1.1) zumindest bereichsweise eine geringere Rahmenbreite (B1.1) aufweist als das andere Rahmenelement (1.2), wobei das Rahmenelement (1.2) mit der größeren Rahmenbreite (B1.2) das Rahmenelement (1.1) mit der geringeren Rahmenbreite (B1.1) zumindest bereichsweise nach außen überragt und wobei auf einem äußeren Abschnitt (1.2.2) des Rahmenelements (1.2) mit der größeren Rahmenbreite (B1.2) zumindest ein Dichtelement (5) angeordnet ist.Holding device ( 1 ) with a membrane ( 2 ) of a membrane electrode assembly for a fuel cell, wherein the membrane ( 2 ) between two frame elements ( 1.1 . 1.2 ), characterized in that the membrane ( 2 ) with the frame elements ( 1.1 . 1.2 ) by means of a binder ( 3 ) is materially connected, wherein one of the frame elements ( 1.1 ) at least partially has a smaller frame width (B1.1) than the other frame element ( 1.2 ), wherein the frame element ( 1.2 ) with the larger frame width (B1.2) the frame element ( 1.1 ) with the smaller frame width (B1.1) at least partially surmounted outwards and wherein on an outer portion ( 1.2.2 ) of the frame element ( 1.2 ) with the larger frame width (B1.2) at least one sealing element ( 5 ) is arranged. Haltevorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenelemente (1.1, 1.2) derart übereinander angeordnet sind, dass diese zumindest abschnittsweise oder vollständig umlaufend innenseitig passgenau übereinander liegen, so dass das Rahmenelement (1.2) mit der größeren Rahmenbreite (B1.2) das Rahmenelement (1.1) mit der geringeren Rahmenbreite (B1.1) in dem betreffenden Bereich nach außen überragt.Holding device ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the frame elements ( 1.1 . 1.2 ) are arranged one above the other such that they are at least partially or completely circumferentially inside one another precisely fitting one above the other, so that the frame element ( 1.2 ) with the larger frame width (B1.2) the frame element ( 1.1 ) with the smaller frame width (B1.1) in the area concerned surmounted to the outside. Haltevorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der oder beide Rahmenelemente (1.1, 1.2) entlang ihrer Rahmenbreite (B1.1, B1.2) in Abschnitte (1.1.1, 1.1.2, 1.2.1, 1.2.2) unterteilt ist bzw. sind, wobei insbesondere der äußere Abschnitt (1.1.2) des Rahmenelements (1.1) mit der geringeren Rahmenbreite (B1.1) zumindest kürzer ausgebildet ist als der äußere Abschnitt (1.2.2) des breiteren Rahmenelements (1.2).Holding device ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that at least one or both frame elements ( 1.1 . 1.2 ) along its frame width (B1.1, B1.2) into sections ( 1.1.1 . 1.1.2 . 1.2.1 . 1.2.2 ), in particular the outer portion ( 1.1.2 ) of the frame element ( 1.1 ) with the smaller frame width (B1.1) is at least shorter than the outer portion ( 1.2.2 ) of the wider frame element ( 1.2 ). Haltevorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel (3) ein flüssiger oder pastöser Klebstoff (3.1) ist.Holding device ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the binder ( 3 ) a liquid or pasty adhesive ( 3.1 ). Haltevorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff (3.1) mediendicht aushärtet.Holding device ( 1 ) according to claim 4, characterized in that the adhesive ( 3.1 ) media-hardening. Haltevorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenelemente (1.1, 1.2) jeweils aus einem folienartigen Material gebildet sind.Holding device ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the frame elements ( 1.1 . 1.2 ) are each formed from a film-like material. Haltevorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das folienartige Material aus einem Kunststoff oder einem Kunststoffgemisch gebildet ist.Holding device ( 1 ) according to claim 6, characterized in that the film-like material is formed from a plastic or a plastic mixture. Verfahren zur Herstellung einer Haltevorrichtung (1) mit einer Membran (2) einer Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Membran (2) formschlüssig zwischen zwei Rahmenelementen (1.1, 1.2) angeordnet wird, wobei die Membran (2) mit den Rahmenelementen (1.1, 1.2) mittels eines Bindemittels (3) stoffschlüssig verbunden wird, wobei eines der Rahmenelemente (1.1) zumindest bereichsweise eine geringere Rahmenbreite (B1.1) aufweist als das andere Rahmenelement (1.2), wobei das Rahmenelement (1.2) mit der größeren Rahmenbreite (B1.2) das Rahmenelement (1.1) mit der geringeren Rahmenbreite (B1.1) zumindest bereichsweise nach außen überragt und wobei auf einem äußeren Abschnitt (1.2.2) des Rahmenelements (1.2) mit der größeren Rahmenbreite (B1.2) zumindest ein Dichtelement (5) angeordnet wird. Method for producing a holding device ( 1 ) with a membrane ( 2 ) of a membrane electrode assembly for a fuel cell according to any one of claims 1 to 7, wherein the membrane ( 2 ) between two frame elements ( 1.1 . 1.2 ), the membrane ( 2 ) with the frame elements ( 1.1 . 1.2 ) by means of a binder ( 3 ) is materially connected, wherein one of the frame elements ( 1.1 ) at least partially has a smaller frame width (B1.1) than the other frame element ( 1.2 ), wherein the frame element ( 1.2 ) with the larger frame width (B1.2) the frame element ( 1.1 ) with the smaller frame width (B1.1) at least partially surmounted outwards and wherein on an outer portion ( 1.2.2 ) of the frame element ( 1.2 ) with the larger frame width (B1.2) at least one sealing element ( 5 ) is arranged. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Vorverarbeiten und Bereitstellen eines Rahmenmaterials (6) für die Rahmenelemente (1.1, 1.2), b) Heraustrennen eines mittleren Ausschnitts (6) aus den Rahmenelementen (1.1, 1.2) zur Ausbildung eines aktiven Bereichs der Membran (2), c) Oberflächenmodifikation der Rahmenelemente (1.1, 1.2) jeweils in einem Bereich, der den mittleren Ausschnitt (6) randseitig vollständig umgibt, d) Applizieren eines Bindemittels (3) auf den oberflächenmodifizierten Bereich des breiteren Rahmenelements (1.2) e) Positionieren der Membran (2) auf das breitere Rahmenelement (1.2) derart, dass dessen mittlerer Ausschnitt (6) vollständig mit der Membran (2) abgedeckt ist, f) Applizieren eines weiteren Bindemittels (3) auf einen umlaufenden Randbereich der Membran (2), g) Positionieren des schmaleren Rahmenelements (1.1) auf die Membran (2) und Verpressen der Rahmenelemente (1.1, 1.2) mit der Membran (2) und h) Anordnen zumindest eines Dichtelements (5) auf einen äußeren Abschnitt (1.2.2) des breiteren Rahmenelements (1.2).Method according to claim 8, characterized by the following steps: a) preprocessing and provision of a frame material ( 6 ) for the frame elements ( 1.1 . 1.2 ), b) cutting out a middle section ( 6 ) from the frame elements ( 1.1 . 1.2 ) for forming an active region of the membrane ( 2 ), c) surface modification of the frame elements ( 1.1 . 1.2 ) in each case in an area which the middle section ( 6 ) completely surrounds the edge, d) applying a binder ( 3 ) on the surface-modified area of the wider frame element ( 1.2 ) e) Positioning the membrane ( 2 ) to the wider frame element ( 1.2 ) such that its middle section ( 6 ) completely with the membrane ( 2 ), f) applying a further binder ( 3 ) on a peripheral edge region of the membrane ( 2 ), g) positioning the narrower frame element ( 1.1 ) on the membrane ( 2 ) and pressing the frame elements ( 1.1 . 1.2 ) with the membrane ( 2 ) and h) arranging at least one sealing element ( 5 ) on an outer section ( 1.2.2 ) of the wider frame element ( 1.2 ). Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenmodifikation der Rahmenelemente (1.1, 1.2) elektrochemisch erfolgt.Method according to claim 9, characterized in that the surface modification of the frame elements ( 1.1 . 1.2 ) takes place electrochemically.
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