DE102013004473A1

DE102013004473A1 - Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung sowie Schutzvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102013004473A1
Application number: DE102013004473.1A
Authority: DE
Inventors: Benno Andreas-Schott; Mario Richter; Markus Ritter
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2013-03-14
Filing date: 2013-03-14
Publication date: 2014-09-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung (12) für eine Brennstoffzelle, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: – Einlegen eines Rohlings (18) der Membran-Elektroden-Anordnung (12), welcher eine Membran (50) umfasst, in eine Schutzvorrichtung (10), wobei die Schutzvorrichtung (10) den Rohling (18) beidseitig teilweise bedeckt; – Einlegen der Schutzvorrichtung (10) mitsamt des Rohlings (18) in ein Werkzeug; – Herstellen wenigstens einer Dichtung (16) auf dem Rohling (18) innerhalb des Werkzeugs. Zudem betrifft die Erfindung eine Schutzvorrichtung (10) zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle. Ferner betrifft die Erfindung eine Schutzvorrichtung, welche zwei Hälften umfasst und zur Aufnahme eines Rohlings einer Membran-Elektroden-Anordnung zwischen den beiden Hälften ausgebildet ist.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die so genannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer ionenleitenden, insbesondere protonenleitenden Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den, der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl, im Stapel (stack) angeordneter MEAs gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H⁺ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den, über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. Durch die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie erzielen Brennstoffzellen gegenüber anderen Elektrizitätsgeneratoren aufgrund der Umgehung des Carnot-Faktors einen verbesserten Wirkungsgrad.
Die derzeit am weitesten entwickelte Brennstoffzellentechnologie basiert auf Polymerelektrolytmembranen (PEM), bei denen die Membran selbst aus einem Polymerelektrolyt besteht. Hierbei werden oft säuremodifizierte Polymere, insbesondere perfluorierte Polymere, eingesetzt. Der am weitesten verbreitete Vertreter dieser Klasse von Polymerelektrolyten ist eine Membran aus einem sulfonierten Polytetrafluorethylen-Copolymer (Handelsname: Nafion; Copolymer aus Tetrafluorethylen und einem Sulfonylsäurefluorid-Derivat eines Perfluoralkylvinylethers). Die elektrolytische Leitung findet dabei über hydratisierte Protonen statt, weshalb für die Protonenleitfähigkeit das Vorhandensein von Wasser Bedingung ist und im Betrieb der PEM-Brennstoffzelle oftmals ein Anfeuchten der Betriebsgase erforderlich ist. Aufgrund der Notwendigkeit des Wassers ist die maximale Betriebstemperatur dieser Brennstoffzellen bei Normdruck auf unter 100°C beschränkt. In Abgrenzung von Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (HT-PEM-Brennstoffzellen), deren elektrolytische Leitfähigkeit auf einem durch elektrostatische Komplexbindung an ein Polymergerüst der Polymerelektrolytmembran gebundenen Elektrolyten beruht (beispielsweise Phosphorsäure-dotierte Polybenzimidazol(PBI)-Membrane) und die bei Temperaturen von 160°C betrieben werden, wird dieser Brennstoffzellentyp auch als Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (NT-PEM-Brennstoffzelle) bezeichnet.
Die Brennstoffzelle wird durch eine Vielzahl, im Stapel (stack) angeordneter Einzelzellen gebildet, sodass von einem Brennstoffzellenstapel gesprochen wird. Zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten sind in der Regel Bipolarplatten angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanden und üblicherweise auch einer Kühlflüssigkeit sicherstellen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Einheiten.
Zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten und den Bipolarplatten sind Dichtungen angeordnet, welche die Anoden- und Kathodenräume nach außen abdichten und ein Austreten der Betriebsmedien aus dem Brennstoffzellenstapel verhindern.
Die Dichtungen können prinzipiell seitens der Membran-Elektroden-Einheiten oder der Bipolarplatten vorgesehen und insbesondere mit diesen Komponenten verbunden sein.
Eine Membran-Elektroden-Anordnung welche eine Membran-Elektroden-Einheit und eine, die Membran-Elektroden-Einheit umschließende Dichtung umfasst, wird beispielsweise in WO 2004/114451 A1 und der DE 10 2004 028 141 A1 offenbart. Zur Herstellung der Membran-Elektroden-Anordnung wird Spritzgießen genannt. Die WO 2004/114451 A1 erwähnt, dass die Temperatur der Spritzgussform nicht derart hoch sein darf, dass Teile der Membran-Elektroden-Einheit beschädigt werden.
Ein Umspritzen eines Membran-Elektrodenmaterials mit einer Dichtung, welche in das Membran-Elektrodenmaterial eindringt, wird in der DE 197 03 214 C1 beschrieben. Das Material wird in eine Vergussform eingelegt, wobei jene Bereiche der Elektroden, an denen kein Dichtrand ausgebildet werden soll, von der Gussform abgegrenzt werden.
Die DE 10 2010 049 549 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Membrananordnung für eine Brennstoffzelle. Die Membrananordnung wird zumindest aus einem Rahmenelement, einer von dem Rahmenelement randseitig umgebenen Membran und einer Dichtung gebildet, wobei die Dichtung auf das Rahmenelement aufgebracht wird. Dadurch, dass die Dichtung auf das Rahmenelement aufgebracht wird, werden hohe Temperatureinwirkungen auf die Membran, lange Prozesszeiten und lange Verweilzeiten innerhalb eines Werkzeugs vermieden.
Zum Anspritzen (Umspritzen) einer Dichtung auf einen Rohling einer Membran-Elektroden-Anordnung, welcher eine Membran-Elektroden-Einheit und einen Dichtungsträger (eine Randverstärkung) umfasst, wird der Rohling nach Stand der Technik somit mitsamt der Membran-Elektroden-Einheit in ein heißes Werkzeug eingelegt. Schon nach dem Einlegen beginnen die Membran-Elektroden-Einheit und die Randverstärkung aufgrund der hohen Temperatur zu schwinden und sich zusammenzuziehen. Zudem stellt das Handling der empfindlichen, dünnen und biegsamen Membran-Elektroden-Einheit und insbesondere das Handling ihrer Membran eine besondere Herausforderung dar. Nach Stand der Technik werden die Membran-Elektroden-Einheiten per Hand in ein horizontales Werkzeug eingelegt. Trotz aller Sorgfalt beträgt dabei die Ausschussrate noch einige Prozent.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung bereitzustellen, welches Ausschusskosten senkt und gleichzeitig eine automatisierte Herstellung der Dichtung erlaubt.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle gelöst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

– Einlegen eines Rohlings der Membran-Elektroden-Anordnung, welcher eine Membran umfasst, in eine Schutzvorrichtung, wobei die Schutzvorrichtung den Rohling beidseitig teilweise bedeckt;
– Einlegen der Schutzvorrichtung mitsamt des Rohlings in ein Werkzeug;
– Herstellen der wenigstens einen Dichtung auf dem Rohling innerhalb des Werkzeugs.

Vorzugsweise umfasst der Rohling einen mit der Membran verbundenen Dichtungsträger. Das Herstellen der wenigstens einen Dichtung erfolgt bevorzugt auf dem Dichtungsträger. Dadurch, dass die Dichtung auf dem Dichtungsträger hergestellt wird, wird das Ausschussrisiko der Membran weiter gesenkt. Bevorzugt ist der Dichtungsträger eine Folie, insbesondere eine Kunststofffolie. Vorzugsweise umschließt, insbesondere überlappt der Dichtungsträger die Membran umlaufend, wodurch der Dichtungsträger auch als Randverstärkung bezeichnet werden kann. Die Membran kann mit dem Dichtungsträger beispielsweise über eine Klebung verbunden sein.
Mittels des Verfahrens wird die Membran-Elektroden-Anordnung zumindest teilweise hergestellt. Insbesondere kann es erforderlich sein, nachträglich Elektroden auf der Membran aufzubringen. Vorzugsweise umfasst der Rohling aber bereits die Elektroden, welche beidseitig der Membran angeordnet sind.
Die wenigstens eine Dichtung wird auf jenen Bereichen des Rohlings hergestellt, welche nicht von der Schutzvorrichtung bedeckt sind. Insbesondere bleibt der Randbereich des Rohlings zum Herstellen der Dichtung (insbesondere zum Umspritzen des Rohlings) frei. Beim Herstellen der Dichtung verbindet sich die Dichtung mit dem Rohling, sodass danach die Dichtung mit dem Rohling insbesondere stoffschlüssig verbunden ist. Vorzugsweise umschließt die Dichtung die Membran und/oder eine Öffnung zur Durchführung von Betriebsmedien umlaufend. Ferner bevorzugt wird auf beiden Seiten des Rohlings jeweils zumindest eine Dichtung hergestellt, welche insbesondere mittels des Materials der Dichtung integral miteinander verbunden sein können.
Der Rohling wird innerhalb der Schutzvorrichtung gehalten, insbesondere geklemmt und von dieser geschützt. Vorzugsweise weist die Schutzvorrichtung dazu Klemmflächen auf, welche den Rohling im Wesentlichen um den bedeckten Bereich beidseitig und im Wesentlichen rundumlaufend klemmen. Wegen der daraus resultierenden vereinfachten Handhabung des Rohlings über die relativ stabile Schutzvorrichtung anstatt direkt über den Rohling kann die Schutzvorrichtung auch als „Handlingsvorrichtung” bezeichnet werden. Zum Einlegen des Rohlings in das Werkzeug und zum Entnehmen des Rohlings mitsamt der Dichtung aus dem Werkzeug muss somit nicht mehr der Rohling berührt werden. Vielmehr kann die Schutzeinrichtung mitsamt dem Rohling in das Werkzeug eingelegt und die Schutzeinrichtung mitsamt dem Rohling und der hergestellten Dichtung aus dem Werkzeug wieder entnommen werden.
Bevorzugt erfolgt das Einlegen der Schutzvorrichtung mitsamt dem Rohling automatisiert. Gleichlautend erfolgt das Entnehmen der Schutzvorrichtung mitsamt dem Rohling und der hergestellten Dichtung bevorzugt automatisiert. Das automatisierte Einlegen und Entnehmen erfolgt bevorzugt mittels eines Roboters. Durch die Automatisierung kann die Fertigungsrate des Werkzeugs erhöht werden, da weniger Zeit zum Einlegen und Entnehmen benötigt wird.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, dass die Schutzeinrichtung den Rohling und die hergestellte Membran-Elektroden-Anordnung vor äußeren Einflüssen schützt, indem diese den Rohling teilweise bedeckt.
Vorzugsweise ist die Membran, insbesondere ein chemisch aktiver Bereich der Membran, innerhalb der Schutzvorrichtung (insbesondere hermetisch) eingekapselt. Der chemisch aktive Bereich der Membran ist vorzugsweise mittig an der Hauptfläche des Rohlings angeordnet. Insbesondere beträgt der Flächeninhalt des chemisch aktiven Bereichs wenigstens 30%, bevorzugt wenigstens 50%, insbesondere wenigstens 60% des Flächeninhalts der Hauptfläche des Rohlings. Durch die Einkapselung ist die Membran und im Speziellen ihr chemisch aktiver Bereich vor Wärme und Schmutz geschützt. Vorzugsweise erfolgt die Einkapselung im Wesentlichen luftdicht, sodass mögliche Luftströme durch die Schutzeinrichtung unterbunden werden. Insbesondere wenn der Rohling Elektroden umfasst, welche die Membran beidseitig bedecken, ist dies von Vorteil, da die Elektroden vorzugsweise ebenfalls innerhalb der Schutzvorrichtung eingekapselt sind. Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn der Rohling an den, der Membran abgewandten Seiten der Elektroden Gasdiffusionslagen umfasst und auch die Gasdiffusionslagen innerhalb der Schutzvorrichtung eingekapselt sind. Gasdiffusionslagen könnten bei einer Fertigung ohne Schutzvorrichtung unbeabsichtigt von der Membran-Elektroden-Einheit abgeschält werden.
Vorzugsweise ist das Werkzeug ein Spritzgusswerkzeug und das Herstellen der wenigstens einen Dichtung erfolgt mittels Anspritzens der wenigstens einen Dichtung. Insbesondere wird die Dichtung umspritzt, also umlaufend im Bereich des Randes des Rohlings angespritzt. Mittels eines Spritzgussverfahrens kann die wenigstens eine Dichtung schnell und kostengünstig hergestellt werden. Der bei diesem Verfahren ansonsten entstehende Wärmeeintrag in die temperaturempfindliche Membran wird durch die Schutzeinrichtung verhindert oder zumindest vermindert. Typischerweise wird in diesem Schritt ein Reaktionsgemisch, welches ein zu vernetzendes polymeres oder monomeres Material umfasst, in dem Spritzgusswerkzeug an den Rohling gespritzt. In diesem Fall umfasst das Herstellen der Dichtung üblicherweise einen Schritt des Vernetzens des Reaktionsgemisches der Dichtung.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Verfahren ferner einen Schritt des Abkühlenlassens innerhalb der Schutzvorrichtung nach dem Herstellen der Dichtung. Das Abkühlenlassen bezieht sich auf ein Abkühlen der Dichtung und des Rohlings nach dem Herstellen der Dichtung. Beim Abkühlenlassen ist die Dichtung nach wie vor außerhalb der Schutzvorrichtung, der Rohling jedoch weiterhin teilweise von der Schutzvorrichtung bedeckt. Insbesondere wird der Rohling beidseitig und im Wesentlichen um den bedeckten Bereich im Wesentlichen rundumlaufend geklemmt. Zum Abkühlenlassen wird die Schutzvorrichtung mitsamt der Membran-Elektroden-Anordnung zunächst aus dem Werkzeug entnommen.
Ferner wird eine Schutzvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfassend zwei Hälften zur Verfügung gestellt. Die Schutzvorrichtung ist zur Aufnahme des Rohlings einer Membran-Elektroden-Anordnung zwischen den beiden Hälften ausgebildet.
Vorzugsweise erfolgt die Aufnahme des Rohlings zwischen den beiden Hälften mittels Klemmung des Rohlings.
Vorzugsweise sind die beiden Hälften jeweils im Wesentlichen als Flachkörper ausgebildet. Somit ergibt sich eine im Wesentlichen gleichbleibende Dicke der Hälften, welche eine Isolationsschicht zur thermischen Isolation des Rohlings von dem Werkzeug darstellen.
Bevorzugt weist die Schutzvorrichtung eine Vielzahl an Taschen auf, welche wenigstens 30%, insbesondere wenigstens 50% einer Fläche wenigstens einer Hälfte bedecken, wobei die Fläche bei einem eingelegten Rohling auf dessen Hauptflächen rechtwinkelig projizierbar ist. Die Fläche kann sowohl eine Innenseite als auch eine Außenseite der Hälfte oder eine Querschnittsfläche der Hälfte parallel zum Rohling sein. Die Innenseite ist dabei die dem Rohling zugewandte Seite, die Außenseite die dem Rohling abgewandte Seite der Hälfte. Dadurch sind isolierende luftgefüllte Hohlräume gegeben – ein wärmeleitender Querschnitt der Hälften wird also reduziert, was einen Wärmeeintrag in die Membran verringert.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens eine Hälfte einen Grundkörper umfasst und die Taschen an einer Innenseite und an einer Außenseite des Grundkörpers angeordnet sind. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Taschen der Innenseite und die Taschen der Außenseite in einer Haupterstreckungsrichtung des Rohlings zueinander versetzt sind.
Bevorzugt umfasst die Schutzvorrichtung wenigstens ein Abschirmblech, welches wenigstens eine Außenfläche der geschlossenen Schutzvorrichtung im Wesentlichen bedeckt. Die Außenfläche ist vorzugsweise eine Hauptaußenfläche der Schutzvorrichtung, also eine Außenfläche deren Normalprojektion auf den Rohling im Wesentlichen den von der jeweiligen Hälfte bedeckten Bereich des Rohlings abbildet. Die Abschirmbleche dienen zur Abschirmung von Strahlungswärme innerhalb des Werkzeugs.
Vorzugsweise umfasst wenigstens eine Hälfte Magnete, welche zur Verbindung der beiden Hälften ausgebildet sind. Mittels der Magnete, insbesondere Permanentmagnete, wird eine einfache Verbindung der beiden Hälften realisiert, ohne den Rohling umgreifen oder durchdringen zu müssen. Umfasst nur eine Hälfte Magnete, so umfasst die andere Hälfte ein Material, welches von den Magneten angezogen werden kann. Besonders bevorzugt umfassen jedoch beide Hälften Magnete.
Bevorzugt weist die Schutzvorrichtung Zentriermittel zur Zentrierung der Schutzvorrichtung auf. Die Zentrierung der Schutzvorrichtung erfolgt z. B. innerhalb des Werkzeugs oder auf einem Positioniertisch.
Bevorzugt sind die beiden Hälften dazu ausgebildet, beidseitig des Rohlings spiegelgleiche Flächen des Rohlings zu bedecken. Der Rohling kann dabei als Spiegelebene betrachtet werden. Somit werden von dem Rohling auf beiden Hauptflächen die gleichen (gespiegelten) Flächen bedeckt.
Des Weiteren wird ein Werkzeug zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verfügung gestellt. Das Werkzeug umfasst wenigstens zwei Werkzeughälften, welche dazu ausgebildet sind, in einem geschlossenen Zustand einen Hohlraum zur Aufnahme der Schutzvorrichtung mitsamt des Rohlings und zum Herstellen der wenigstens einen Dichtung zu bilden. Das Werkzeug ist insbesondere ein Spritzgusswerkzeug.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine Schutzvorrichtung mit einer bereits hergestellten Membran-Elektroden-Anordnung,
2 eine Schnittdarstellung einer Hälfte der Schutzvorrichtung,
3 eine Schnittdarstellung der Schutzvorrichtung mit der Membran-Elektroden-Anordnung,
4 die Schutzvorrichtung mit einer Aufnahme und mit einem Rohling auf einem Positioniertisch,
5 die Schutzvorrichtung mit der Membran-Elektroden-Anordnung mit montierter Aufnahme, und
6 eine weitere Darstellung der Schutzvorrichtung mit der Membran-Elektroden-Anordnung mit montierter Aufnahme.
1 zeigt eine Schutzvorrichtung 10 mit einer bereits hergestellten Membran-Elektroden-Anordnung 12. Die Membran-Elektroden-Anordnung 12 umfasst einen Rohling 18 und Dichtungen 16 beidseitig des Rohlings 18. Der Rohling 18 kann wiederum einen Dichtungsträger 14 umfassen, mit welchem den Dichtungen 16 verbunden sind. In diesem Fall umgibt und überlappt der Dichtungsträger 14 eine Membran des Rohlings 18 umlaufend. Auch die Membran wird von Dichtungen 16 umlaufend umschlossen. Der Dichtungsträger 14 dient somit als Randverstärkung, im Speziellen als Randverstärkungsfolie. Der Rohling 18 und somit die Membran-Elektroden-Anordnung 12 umfasst ferner Elektroden und Gasdiffusionslagen (siehe 3). Die Membran-Elektroden-Anordnung 12 weist Öffnungen 26 zur Durchführung von Betriebsmedien durch die Membran-Elektroden-Anordnung 12 während des Betriebs in einer Brennstoffzelle auf, welche von den Dichtungen 16 umlaufend umschlossen sind. Ferner weist die Membran-Elektroden-Anordnung 12 Zentrieröffnungen 28 auf, mittels welcher der Rohling 18 während der Fertigung und die fertig hergestellte Membran-Elektroden-Anordnung 12 beim Einbau in die Brennstoffzelle zentriert werden können. Die Bezeichnung „Zentrierung” wird in dieser Anmeldung im Sinne einer „Positionierung” verwendet.
Die Schutzvorrichtung 10 umfasst zwei Hälften 20, zwischen welchen die Membran-Elektroden-Anordnung 12, im Speziellen der Rohling 18, eingelegt ist. Die Schutzvorrichtung 10 weist ferner Zentriermittel 22 auf. Im gezeigten Beispiel sind die Zentriermittel 22 Zentrieröffnungen 22. Ferner weisen die Hälften 20 Auflageflächen 24 auf, welche zur Auflage der Schutzvorrichtung 10 in einem Werkzeug dienen. Zudem weisen die Hälften 20 beidseitig angeordnet Fixiermittel 30, im gezeigten Fall Fixieröffnungen 30 auf, mittels welcher die Hälften z. B. mit einer Aufnahme und einem Positioniertisch verbunden werden können (siehe 4).
2 zeigt eine Schnittdarstellung einer Hälfte 20 der Schutzvorrichtung 10. Die Hälfte 20 kann einen Grundkörper 32 und ein Abschirmblech 34 umfassen. Das Abschirmblech bedeckt dabei eine Außenfläche der Schutzvorrichtung 10. Mit „Außenfläche” wird vorliegend eine Fläche bezeichnet, welche bei der geschlossenen Schutzvorrichtung 10 nach außen weist, also die Fläche an einer Außenseite 38.
Zudem weist die Hälfte 20 Magnete 42 (Permanentmagnete) auf, welche beispielsweise mittels Federn 44, in diesem Fall Druckfedern fixiert werden können. Ferner kann die Hälfte Klemmflächen 46 und Halteflächen 48 umfassen. Die Klemmfläche 46, welche im gezeigten Fall entlang der Außenkontur der Hälfte 20 rundumlaufend ausgestaltet ist, dient zum Klemmen des Rohlings 18 innerhalb der Schutzvorrichtung 10. Dazu wird der Rohling 18 außerhalb eines zugänglichen Bereichs der Membran, also außerhalb eines chemisch aktiven Bereichs geklemmt (im Beispiel erfolgt dies unter anderem in jenen Bereichen der Schutzvorrichtung 10, welche zwischen die Öffnungen 26 ragen – siehe 1). Die Halteflächen 48 dienen zur Stabilisierung der Membran und/oder bereits mit der Membran verbundener Gasdiffusionslagen. Durch die geringe Kontaktfläche der Halteflächen 48 mit dem Rohling 18 wird ein Wärmeeintrag auf den Rohling 18 weiter minimiert.
Die Hälften 20 können an einer Innenseite 36 und an einer Außenseite 38 des Grundkörpers 32 Taschen 40 aufweisen. Die Bezeichnungen „Innenseite” und „Außenseite” beziehen sich auf die Positionen der Seiten 36, 38 bei der geschlossenen Schutzvorrichtung. Die Taschen 40 bedecken wenigstens 30% einer Fläche der Innenseite und der Außenseite des Grundkörpers 32. Die Taschen 40 können wie gezeigt in einer Haupterstreckungsrichtung des Rohlings 18 zueinander versetzt angeordnet sein. Dadurch ergeben sich verlängerte Wärmeleitpfade von der Außenseite 38 zur Innenseite 36, wodurch eine thermische Isolierwirkung der Hälfte 20 erhöht wird.
3 zeigt eine Schnittdarstellung und eine dazugehörige Detailansicht der Schutzvorrichtung 10 mit der fertig hergestellten Membran-Elektroden-Anordnung 12. Die Membran-Elektroden-Anordnung 12 und im speziellen deren Rohling 18 umfassen neben dem Dichtungsträger 14 und der Membran 50 beidseitig der Membran 50 angeordnete Gasdiffusionslagen 52. Zwischen den Gasdiffusionslagen 52 und der Membran 50 sind beidseitig der Membran 50 entlang deren Oberfläche Elektroden (nicht dargestellt) angeordnet. Die Schutzvorrichtung 10 klemmt die Membran-Elektroden-Anordnung 12 außerhalb eines chemisch aktiven Bereichs. Der chemisch aktive Bereich ist typischerweise jener Bereich der Membran 50, welcher nicht vom Dichtungsträger 14 überlappt wird, also jener Bereich der Membran 50, der vom Dichtungsträger 14 umschlossen wird. Besonders vorteilhaft sind auch Ausgestaltungen denkbar, bei denen die Schutzvorrichtung 10 die Membran-Elektroden-Anordnung 12 außerhalb der Gasdiffusionslagen 52 im Bereich des Dichtungsträgers 14 klemmt.
Anhand von 4 soll das erfindungsgemäße Verfahren gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung gezeigt werden.
Zunächst wird eine Hälfte 20 der Schutzvorrichtung – welche folgend als untere Hälfte 20 bezeichnet wird – auf einen Positioniertisch 54 gelegt. Mittels der Zentrieröffnungen 22 der unteren Hälfte 20 ist eine exakte Positionierung relativ zum Positioniertisch 54 möglich. Zu diesem Zweck umfasst der Positioniertisch 54 Positionierbolzen (nicht sichtbar). Um die untere Hälfte 20 auf dem Positioniertisch 54 zu fixieren, greifen Bolzen einer Fixierung 58 des Positioniertisches 54 in die Fixieröffnungen 30 der unteren Hälfte 20 ein.
In einem nächsten Schritt wird der Rohling 18 auf die untere Hälfte 20 gelegt. Zur Zentrierung des Rohlings 18 auf der unteren Hälfte 20 umfasst der Positioniertisch 54 weitere Positionierbolzen 60. Beim Auflegen des Rohlings 18 auf die untere Hälfte 20 treten die Positionierbolzen 60 durch die Zentrieröffnungen 28 des Rohlings 18, wodurch der Rohling 18 in Relation zum Positioniertisch 54 und zur unteren Hälfte 20 positioniert wird.
In einem weiteren Schritt wird die andere Hälfte 20 der Schutzvorrichtung 10 – welche folgend als obere Hälfte 20 bezeichnet wird – auf dem Rohling 18 positioniert. Dazu kann zunächst eine Aufnahme 58 mit der oberen Hälfte 20 verbunden werden. Mittels der Zentrieröffnungen 22 der oberen Hälfte 20 ist eine exakte Positionierung relativ zur Aufnahme 58 möglich. Zu diesem Zweck umfasst die Aufnahme 58 Positionierbolzen (nicht sichtbar). Um die obere Hälfte 20 in der Aufnahme 56 zu fixieren, greifen Bolzen einer Fixierung 58 der Aufnahme 56 in die Fixieröffnungen 30 der oberen Hälfte 20 ein. Die Aufnahme 56 kann Griffe 62 aufweisen, mittels welcher die Aufnahme 58 mitsamt der oberen Hälfte 20 von einer Person angehoben werden kann.
In einem nächsten Schritt wird die Aufnahme 56 mitsamt der oberen Hälfte 20 auf den Rohling 18 aufgelegt. Zur Positionierung der Hälfte 20 auf dem Rohling 18 umfasst die Aufnahme 56 eine Öffnung zur Aufnahme des Zentrierbolzens 60. Die beiden Hälften 20 werden durch die Magnete 42 in ihrer relativen Position zueinander fixiert. Zudem wird durch die Magnete 42 der Rohling 18 zwischen den beiden Hälften geklemmt. Wie insbesondere in den 1 und 6 ersichtlich ist, bleiben die Randbereiche des Rohlings 18 zum Umspritzen der Dichtung 16 frei. Durch die Klemmung des Rohlings 18 zwischen den beidseitig des Rohlings 18 um die Membran 50 umlaufenden Klemmflächen 46 ist die Membran 50 im Inneren der Schutzvorrichtung 10 eingekapselt.
Um in einem weiteren Schritt die Schutzvorrichtung 10, also deren Hälften 20 und den dazwischen geklemmten Rohling 18 in ein Werkzeug einzulegen, werden die Fixierungen des Positioniertischs 54 gelöst und die Aufnahme 56 wird mitsamt der Schutzvorrichtung 10 und dem Rohling 18 vom Positioniertisch 54 gehoben. Anschließend wird die Schutzvorrichtung 10 mitsamt dem Rohling 18 in ein Werkzeug, z. B. ein Spritzgusswerkzeug eingelegt, die Fixierung 58 der Aufnahme 56 gelöst und die Aufnahme 56 aus dem Werkzeug entfernt.
Es verbleibt somit die Schutzvorrichtung 10 mitsamt dem Rohling 18 in dem Werkzeug, welches daraufhin geschlossen werden kann. Folgend kann die Dichtung 16 auf dem Dichtungsträger 14 hergestellt, z. B. an diesen angespritzt werden und das Werkzeug anschließend geöffnet werden. Die empfindliche Membran-Elektroden-Einheit der Membran-Elektroden-Anordnung 10 ist während dieses Vorgangs in der, bezogen auf das Werkzeug relativ kalten Schutzvorrichtung 10 eingekapselt und somit vor Wärme und Schmutz geschützt. Zur Isolierwirkung der Schutzvorrichtung 10 tragen die (luftgefüllten) Taschen 40 bei, welche zudem zur besseren thermischen Entkopplung versetzt zueinander angeordnet sind. Dadurch wird der Wärmeleitpfad von der Außenseite 38 zur Innenseite 36 verlängert (siehe 2). Um einen Wärmeeintrag durch Wärmeleitung weiter zu vermindern, kann ein relativ schlecht wärmeleitendes Material für den Grundkörper 32, insbesondere ein (wärmebeständiger) Kunststoff eingesetzt werden. Als Kunststoff kommt zum Beispiel PEI (Polyetherimid), insbesondere mit Glasfasern versetzt in Frage. Der Glasfaseranteil kann dabei z. B. 30% betragen. Zudem wird ein Wärmeeintrag durch Strahlungswärme mittels der Abschirmbleche 34 aus einem Metall vermindert.
Vor dem Umspritzen kann noch eine Perforation des Rohlings 18 im Bereich der Dichtung 16 erfolgen, um einen Druckausgleich des Dichtungsmaterials während des Anspritzens der Dichtung 16 zu ermöglichen. Dadurch wird ein Verzug des Dichtungsträgers 14 durch ungleiche Drücke im Dichtungsmaterial beidseitig des Dichtungsträgers 14 verhindert.
Anschließend kann wiederum mittels der Aufnahme 56 die Schutzvorrichtung 10 mitsamt der hergestellten Membran-Elektroden-Anordnung 10 aus dem Werkzeug entnommen werden. Ein Abkühlen der Dichtung 16 und der Membran-Elektroden-Anordnung 10 kann noch innerhalb der Schutzvorrichtung 10 erfolgen. Durch die Klemmung ist die Membran-Elektroden-Anordnung weiterhin in der Schutzvorrichtung 10 eingespannt und kann sich nicht zusammenziehen.
Die Schutzvorrichtung 10 und/oder die Aufnahme 56 können zudem dazu ausgebildet sein, um von einem Roboter bewegt zu werden. Somit ist eine zumindest teilweise automatisierte Herstellung der Membran-Elektroden-Anordnung 12 gegeben. Insbesondere kann dadurch der Vorgang des Einlegens in und der Entnahme aus dem Werkzeug automatisiert erfolgen.
Als Alternative zu den Magneten 42 in Form von Dauermagneten kann auch ein Elektromagnet zum Einsatz kommen. Beispielsweise kann ein Roboter mit dem Elektromagneten ausgerüstet sein. Beim Anheben der Schutzvorrichtung zieht der Elektromagnet die untere Hälfte 20 magnetisch an, wodurch die obere Hälfte 20 und der Rohling 18 zwischen dem Elektromagneten und der unteren Hälfte 20 geklemmt werden. Die obenstehend genannte Lösung mittels der Permanentmagneten hält die Vorrichtung jedoch auch nach dem Ablegen der Schutzvorrichtung 10, z. B. im Werkzeug sicher zusammen.
Die 5 und 6 zeigen die hergestellte Membran-Elektroden-Anordnung 10 innerhalb der Schutzvorrichtung 10, z. B. beim Entnehmen aus dem Werkzeug oder während des Abkühlens. In 5 ist der Blick auf die Oberseite, also die obere Hälfte 20 gerichtet, während in 6 die Unterseite, also die untere Hälfte 20 ersichtlich ist.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die Schutzvorrichtung wird somit Ausschuss reduziert, wodurch die Herstellungskosten von Brennstoffzellen und Brennstoffzellenstapeln als gesamtes verringert werden.
Bezugszeichenliste

10: Schutzvorrichtung
12: Membran-Elektroden-Anordnung
14: Dichtungsträger
16: Dichtung
18: Rohling
20: Hälfte der Schutzvorrichtung
22: Zentriermittel/Zentrieröffnungen
24: Auflageflächen
26: Öffnungen zur Durchführung von Betriebsmedien
28: Zentrieröffnungen des Rohlings
30: Fixiermittel/Fixieröffnungen
32: Grundkörper
34: Abschirmblech
36: Innenseite
38: Außenseite
40: Tasche
42: Magnet
44: Feder
46: Klemmfläche
48: Haltefläche
50: Membran
52: Gasdiffusionslage
54: Positioniertisch
56: Aufnahme
58: Fixierung
60: Zentrierbolzen
62: Griff

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2004/114451 A1 [0007, 0007]
DE 102004028141 A1 [0007]
DE 19703214 C1 [0008]
DE 102010049549 A1 [0009]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung (12) für eine Brennstoffzelle, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: – Einlegen eines Rohlings (18) der Membran-Elektroden-Anordnung (12), welcher eine Membran (50) umfasst, in eine Schutzvorrichtung (10), wobei die Schutzvorrichtung (10) den Rohling (18) beidseitig teilweise bedeckt; – Einlegen der Schutzvorrichtung (10) mitsamt des Rohlings (18) in ein Werkzeug; – Herstellen wenigstens einer Dichtung (16) auf dem Rohling (18) innerhalb des Werkzeugs.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Membran (50), insbesondere ein chemisch aktiver Bereich der Membran (50), innerhalb der Schutzvorrichtung (10) eingekapselt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Einlegen der Schutzvorrichtung (10) mitsamt des Rohlings (18) automatisiert erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Werkzeug ein Spritzgusswerkzeug ist und das Herstellen der wenigstens einen Dichtung (16) mittels Anspritzens der wenigstens einen Dichtung (16) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Schritt des Abkühlenlassens innerhalb der Schutzvorrichtung (10) nach dem Herstellen der Dichtung (16).
Schutzvorrichtung (10) zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend zwei Hälften (20), ausgebildet zur Aufnahme des Rohlings zwischen den beiden Hälften (20).
Schutzvorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Schutzvorrichtung (10) eine Vielzahl an Taschen (40) aufweist, welche wenigstens 30%, insbesondere wenigstens 50% einer Fläche wenigstens einer Hälfte (20) bedecken, wobei die Fläche bei einem eingelegten Rohling (18) auf dessen Hauptflächen rechtwinkelig projizierbar ist.
Schutzvorrichtung nach Anspruch 7, wobei wenigstens eine Hälfte einen Grundkörper (32) umfasst und die Taschen (40) an einer Innenseite (36) und einer Außenseite (38) des Grundkörpers (32) angeordnet sind und insbesondere die Taschen (40) der Innenseite (36) zu den Taschen (40) der Außenseite (38) in einer Haupterstreckungsrichtung des Rohlings (18) versetzt sind.
Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Schutzvorrichtung (10) wenigstens ein Abschirmblech (34) umfasst, welches wenigstens eine Außenfläche der geschlossenen Schutzvorrichtung (34) im Wesentlichen bedeckt.
Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei wenigstens eine Hälfte (20) Magnete umfasst, welche zur Verbindung der beiden Hälften (20) ausgebildet sind.