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
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Abstract
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
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
Weiterhin ist in der
Aus der
- 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.
- 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
Aus der
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
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.
- 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:
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.
Die Haltevorrichtung
Die Rahmenelemente
Die Rahmenelemente
Die Rahmenelemente
Der Randbereich der Rahmenelemente
Der innere Abschnitt
Die inneren Abschnitte
Dabei ist in einem der Membran
In Richtung der äußeren Abschnitte
Die äußeren Abschnitte
Zur stoffschlüssigen Verbindung der Membran
Als Klebstoff
Der Klebstoff
Um einen Innenbereich der Brennstoffzelle weiter abzudichten, umfasst die Haltevorrichtung
Die Dichtelemente
Während des Herstellungsprozesses der konventionellen Haltevorrichtung
Zur Lösung oben genannter Probleme ist in
In einem ersten Schritt a) wird für die Rahmenelemente
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
Zur Vorverarbeitung wird das Rahmenmaterial abgerollt und die Rahmenelemente
Dabei wird eines der Rahmenelemente
Beispiele für verschiedene Ausführungsformen des Rahmenelements
Im Anschluss an die Vereinzelung werden die Rahmenelemente
Die Umformung der Rahmenelemente
Alternativ wird für das Rahmenelement
In einem zweiten Schritt b) werden aus den Rahmenelementen
Für eine verbesserte Haftung des zu einem späteren Zeitpunkt applizierten Klebstoffs
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
Die selektive Applikation des Klebstoffs
In einem fünften Schritt e) wird die Membran
In einem sechsten Schritt f) wird auf einen umlaufenden Randbereich der Membran
Mittels der Applikation des weiteren Klebstoffs
Alternativ dazu kann der weitere Klebstoff
In einem siebten Schritt g) wird das schmalere Rahmenelement
Anschließend wird das schmalere Rahmenelement
Das Verpressen kann dabei mittels einer Rollenpresse, Bandpresse und/oder Plattenpresse erfolgen. In einer Ausgestaltung werden die Rahmenelemente
Im Anschluss daran erfolgt in einem achten Schritt h) eine Anordnung zumindest eines Dichtelements
Die
In der ersten bevorzugten Ausführungsform ist der äußere Abschnitt
Die Haltevorrichtung
In der zweiten Ausführungsform entfällt der äußere Abschnitt
Die Haltevorrichtung
Zusätzlich kann das Rahmenelement
In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform sind die Rahmenelemente
Insbesondere ist mittels der zweiten Ausführungsform in gewinnbringender Weise der Bauraum innerhalb der Brennstoffzelle vergrößerbar, welcher beispielsweise für zusätzliche Dichtelemente
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