DE102014205035A1

DE102014205035A1 - Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Einheit, Membran-Elektroden-Einheit, Brennstoffzelle und Kraftfahrzeug mit Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102014205035A1
Application number: DE102014205035.9A
Authority: DE
Inventors: Julie Belierive
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2014-03-18
Filing date: 2014-03-18
Publication date: 2015-09-24
Also published as: WO2015139792A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Membran-Elektroden-Einheit (1) mit einer Membran (2), einer Anode (3) und einer Kathode (4), sowie ein Verfahren zu deren Herstellung, eine Brennstoffzelle mit einer Membran-Elektroden-Einheit (1) und ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzelle. Um die Membran-Elektroden-Einheit (1) einfach und mit einer hohen Lebensdauer herstellen zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine Sollposition (SA) eines Anodenrandes (6) weiter von einem Zentrum (Z) der Membran (2) angeordnet wird, als eine Sollposition (SK) eines Kathodenrandes (7), sodass die Anode (3) vom Kathodenrand (7) vorspringt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle, bei dem eine Membran zwischen einer Anode und einer Kathode angeordnet wird, und bei dem Sollpositionen von in dieselbe Richtung weisenden Anoden- und Kathodenrändern vorgegeben werden. Ferner betrifft die Erfindung eine Membran-Elektroden-Einheit mit einer Anode, einer Kathode und einer zwischen der Anode und der Kathode angeordneten Membran. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle mit einer Membran-Elektroden-Einheit. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzelle.
Verfahren zum Herstellen von Membran-Elektroden-Einheiten für Brennstoffzellen sind allgemein bekannt und beispielsweise in DE 10 2004 034 139 A1 und DE 10 2005 043 127 A1 offenbart.
Beim Herstellen der Membran-Elektroden-Einheit ist darauf zu achten, dass Kathode und Anode auf gleicher Höhe enden, also deren in dieselbe Richtung weisende Ränder miteinander fluchten. Ragt die Kathode über die Anode hinaus, wird hierdurch die Lebensdauer der Membran und somit der Membran-Elektroden-Einheit nämlich negativ beeinflusst. Ist die Membran einseitig von der Kathode überdeckt und auf der der Kathode gegenüberliegenden Seite nicht durch andere Bauteile der Membran-Elektroden-Einheit, etwa die Anode oder ein Membranhalter, abgedeckt, so wird die freiliegende Membran im Betrieb der Brennstoffzelle abgetragen. Hierdurch nimmt die Dicke der Membran ab. Ist die Membran zu dünn oder gar vollständig abgetragen, so erzeugt dies eine Fehlfunktion der Membran-Elektroden-Einheit. Eine genaue Positionierung der Anoden- und der Kathodenränder ist jedoch sehr aufwendig.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Membran-Elektroden-Einheit und ein Verfahren zu deren Herstellung bereitzustellen, wobei die Membran-Elektroden-Einheit einfach und mit einer hohen Lebensdauer herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird für das eingangs genannte Verfahren dadurch gelöst, dass die Sollposition des Anodenrandes weiter entfernt von einem Zentrum der Membran angeordnet wird, als die Sollposition des Kathodenrandes. Für die eingangs genannte Membran-Elektroden-Einheit ist diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Anode von einem Rand der Kathode vorspringend angeordnet ist. Ferner ist die Aufgabe für die Brennstoffzelle dadurch gelöst, dass die Membran-Elektroden-Einheit eine erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Einheit ist. Schließlich ist die Aufgabe für das eingangs genannte Kraftfahrzeug dadurch gelöst, dass die Brennstoffzelle eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle ist.
Durch die Vorgabe der Sollposition des Anodenrandes mit Bezug auf die Sollposition des Kathodenrandes, wobei die Sollposition des Anodenrandes weiter entfernt vom Zentrum der Membran angeordnet ist, als die Sollposition des Kathodenrandes, ist sichergestellt, dass die Kathode nicht von der Anode vorspringt, sodass der Kathodenrand vollständig von der Anode überlappt wird. Eine von der Kathode vorspringende Anode beeinträchtigt die Lebensdauer der Membran-Elektroden-Einheit und insbesondere der Membran nicht. Selbst wenn bei der Montage der Membran-Elektroden-Halter beispielsweise zwischen dem die Membran haltenden Membranhalter und der Anode eine Lücke entsteht, erstreckt sich auf der von der Anode abgewandten Seite der Membran die Kathode nicht bis zur Lücke, sodass die Membran im Betrieb an der Lücke nicht abgetragen wird. Ein Abtragen der Membran wird sogar bei einem ungenau angeordneten Membranhalter sicher verhindert.
Die erfindungsgemäße Lösung kann durch verschiedene, jeweils für sich vorteilhafte, beliebig miteinander kombinierbare Ausgestaltungen weiter verbessert werden. Auf diese Ausgestaltungsformen und die mit ihnen verbundenen Vorteile ist im Folgenden eingegangen.
So können Sollpositionen von einander gegenüberliegenden Anodenrändern weiter vom Zentrum der Membran entfernt angeordnet werden als Sollpositionen von einander gegenüberliegend angeordneten Kathodenrändern. Folglich ist die Membran an einander gegenüberliegenden Seiten der Membran-Elektroden-Einheit vor vorzeitigem Verschleiß geschützt, da an den beiden einander gegenüberliegenden Seiten nicht die Kathode, sondern die Anode vorspringt. Hierzu ist die Anode beispielsweise länger oder breiter ausgebildet als die Kathode. Längen beziehungsweise Breiten von Anode und Kathode erstrecken sich dabei jeweils in dieselbe Richtung.
Bei der Herstellung der Anode und der Kathode kann ein Abstand der einander gegenüberliegenden Anodenränder zueinander größer bemessen werden als ein Abstand der einander gegenüberliegenden Kathodenrändern zueinander, wobei die Abstände parallel zueinander verlaufen. Hierdurch lässt sich einfach eine Anode herstellen, die länger beziehungsweise breiter ist als die Kathode. Beispielsweise können Anoden und Kathoden entsprechend zugeschnitten werden. Die Anode kann also von zwei einander gegenüberliegenden Rändern der Kathode vorspringen. Ein vorzeitiger Verschleiß der Membran ist hierdurch an zwei einander gegenüberliegenden Seiten der Membran-Elektroden-Einheit sicher verhindert.
Alternativ oder zusätzlich können die Sollpositionen von zwei in unterschiedliche Richtungen weisenden Anodenrändern weiter entfernt vom Zentrum der Membran vorgesehen werden als Sollpositionen von entsprechend ausgerichteten Kathodenrändern. Die Anodenränder, beispielsweise ein Längsende und laterale Seite der Anode, können also von der Kathode vorstehen.
Die Anode wird vorzugsweise an allen Kathodenrändern überstehend angeordnet, sodass die Anode von allen Rändern der Kathode vorspringen kann. Ein vorzeitiger Verschleiß der Membran ist hierdurch an allen Seiten der Membran-Elektroden-Einheit sicher verhindert. Die Anode kann also länger und breiter sein als die Kathode.
Bei gängigen Herstellungsverfahren sind oftmals nicht einzelne vorgegebene Sollpositionen immer genau erreichbar. Um den Ausschuss zu reduzieren, werden vielmehr Sollpositionsintervalle vorgegeben. Um die erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Einheit bei einem solchen Verfahren sicher herstellen zu können, können die Sollpositionen des Anodenrandes und des Kathodenrandes jeweils Sollpositionen von Sollpositionsintervallen sein, wobei die Sollpositionsintervalle überlappungsfrei vorgegeben werden. Insbesondere die Sollpositionsintervalle der in dieselbe Richtung weisenden Anoden- und Kathodenränder überlappen sich vorzugsweise nicht und können sogar beabstandet zueinander angeordnet sein.
Insbesondere an wenigstens einem Rand, an dem die Membran nach der Montage des Membran-Elektroden-Halters freiliegen könnte, kann die Anode entsprechend ihrer Sollposition von der Kathode überstehend angeordnet werden. Der Überstand der Anode kann dabei zwischen 0,5 mm und 5 mm und beispielsweise 1 mm, 2 mm, 3 mm oder 4 mm betragen. Die maximale oder die wahrscheinlichste Ungenauigkeit, mit der die Anode relativ zur Kathode platzierbar ist, kann dem Überstand und insbesondere dem Sollüberstand, also zum Beispiel dem geringsten bei einen Platzierprozess auftretenden Überstand, entsprechen.
Im Folgenden ist die Erfindung beispielhaft anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert. Die unterschiedlichen Merkmale der Ausführungsformen können dabei unabhängig voneinander kombiniert werden, wie es bei den einzelnen vorteilhaften Ausgestaltungen bereits dargelegt wurde.
Es zeigen:
1 eine schematische Zeichnung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit in einer Schnittdarstellung;
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens; und
3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle in einem Kraftfahrzeug.
Zunächst sind Aufbau und Funktion einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit mit Bezug auf das Ausführungsbeispiel der 1 beschrieben.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Einheit 1 mit einer Membran 2, die zwischen einer Anode 3 und einer Kathode 4 der Membran-Elektroden-Einheit 1 angeordnet ist. In beziehungsweise entgegen einer Längsrichtung L der Membran 2 von der Anode 3 beziehungsweise der Kathode 4 überstehende Endabschnitte 2', 2'' der Membran 2 können durch einen Membranhalter 5 der Membran-Elektroden-Einheit 1 gehalten sein, wobei der Membranhalter 5 in der Schnittdarstellung der 1 einander gegenüberliegende Halteplatten 5', 5'' aufweisen kann, zwischen denen die Endabschnitte 2', 2'' angeordnet sein können.
In der Längsrichtung L und von einem Zentrum Z der Membran 2 aus gesehen, weist die Anode 3 einen Anodenrand 6 auf, an dem die Anode 3 beispielsweise mit einem Endabschnitt 3' endet. Die Kathode 4 ist mit einem Kathodenrand 7 ausgebildet, an dem die Kathode 4 endet und der wie der Anodenrand 6 vom Zentrum Z der Membran 2 aus gesehen in die Längsrichtung L weist. Vom Zentrum Z aus gesehen liegt der Anodenrand 6 hinter dem Kathodenrand 7. Die jeweilige Position des Anodenrandes 6 und des Kathodenrandes 7 sind durch Sollpositionen S_A, S_K vorgegeben, wobei die Sollposition S_A des Anodenrandes 6 vom Zentrum Z aus gesehen hinter der Sollposition S_K des Kathodenrandes 7 angeordnet ist. Die Sollpositionen S_A, S_K weisen einen Abstand dS zueinander auf. Zumindest mit ihrem Endabschnitt 3' kann die Anode 3 also in der Längsrichtung L von der Kathode 4 vorspringen.
Die Halteplatten 5', 5'' liegen gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils an der Anode 3 beziehungsweise an der Kathode 4 an. Selbst wenn zwischen einer der Halteplatten 5', 5'' und der Anode 3 oder der Kathode 4 eine Lücke vorhanden sein sollte, wird die im Bereich der Lücke liegende Membran 2 dort im Betrieb der Membran-Elektroden-Einheit 1 nicht abgetragen, da sich die Kathode 4 nicht bis in einen Bereich gegenüberliegend der Lücke erstreckt.
Sind die Sollpositionen S_A, S_K Sollpositionen von Sollpositionsintervallen, so ist der Abstand dS vorzugsweise so bemessen, dass sich die Sollpositionsintervalle der in dieselbe Richtung weisenden Anoden- und Kathodenränder 6, 7 nicht oder nur geringfügig überlappen. Überlappen sich die Sollpositionsintervalle nicht, so kann ausgeschlossen sein, dass die Kathode 4 über der Anode 3 übersteht. Überlappen sich die Sollpositionsintervalle geringfügig, so ist das Risiko gering, dass die Kathode 4 übersteht. Hierdurch lässt sich die Ausbeute bei der Herstellung der Membran-Elektroden-Einheit 1 zumindest verbessern.
Entgegen der Längsrichtung L kann die Anode 3 mit einem weiteren Endabschnitt 3'' ausgebildet sein, der von der Kathode 4 entgegen der Längsrichtung L und vom Zentrum Z der Membran 2 aus gesehen übersteht. Entgegen der Längsrichtung L weist die Anode 3 also einen Anodenrand 6' auf, dessen Sollposition S'_A vom Zentrum Z aus gesehen hinter einer Sollposition S'_K eines Kathodenrandes 7' der Kathode 4 liegt, sodass die Sollpositionen S'_A, S'_K einen Abstand dS' zueinander aufweisen. Auch hier können die Sollpositionen S'_A, S'_K Sollpositionen von Sollpositionsintervallen sein, wobei sich die Sollpositionsintervalle nicht oder nur geringfügig überlappen. Der Abstand dS' der Sollpositionen S'_A, S'_K ist entsprechend zu dimensionieren.
Weist die Anode 3 nicht nur in einer Richtung, sondern in und entgegen der Längsrichtung L vorspringende Endabschnitte 3', 3'' auf, so kann eine Länge L_A der Anode 3 größer sein, als eine Länge L_K der Kathode 4. Zentren der Anode 3 und der Kathode 4 können in einer quer zur Längsrichtung L verlaufenden Stapelrichtung S der Membran-Elektroden-Einheit 1 hintereinander angeordnet sein, sodass die Zentren von Anode 3 und Kathode 4 mit dem Zentrum Z der Membran 2 im Wesentlichen fluchten. In der Stapelrichtung S sind Membran 2, Anode 3 und Kathode 4 hintereinander angeordnet.
Alternativ oder zusätzlich zu den Sollpositionen S_A, S_K, S'_A, S'_K der Anoden- und der Kathodenränder 6, 7, 6', 7' in und/oder entgegen der Längsrichtung L kann auch wenigstens eine Sollposition eines parallel zur Längsrichtung L verlaufenden Anodenrandes weiter vom Zentrum Z entfernt vorgegeben werden als eine Sollposition einer in dieselbe Richtung weisenden Kathodenrandes. Quer zur Längsrichtung L kann beispielsweise eine senkrecht zur Zeichenebene weisende Breitenrichtung der Membran 2 verlaufen, die der Übersichtlichkeit halber jedoch nicht dargestellt ist. Der wenigstens eine und von der Kathode 4 in der Breitenrichtung optional vorspringende Anodenrand und der entsprechende Kathodenrand können beide in die Breitenrichtung oder entgegen der Breitenrichtung weisen.
Ferner kann die Anode 3 länger und/oder breiter als die Kathode 4 ausgebildet sein, sodass die Anode 3 an mehreren und insbesondere an all ihren Rändern von der Kathode 4 vorspringen kann.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch als ein Flussdiagramm. Für Elemente, die in Funktion und/oder Aufbau den Elementen des Ausführungsbeispiels der 1 entsprechen, sind dieselben Bezugszeichen verwendet.
Im Ausführungsbeispiel der 2 startet das erfindungsgemäße Verfahren 10 mit einem ersten Verfahrensschritt 11. Beispielsweise wird die Membran 2 im Verfahrensschritt 11 zwischen der Anode 3 und der Kathode 4 angeordnet oder zumindest für weitere Verfahrensschritte bereitgestellt. Auf den Verfahrensschritt 11 folgt ein Verfahrensschritt 12, in den Sollpositionen S_A, S_K für mindestens einen Anodenrand 6 und einen Kathodenrand 7 vorgegeben werden. Im folgenden Verfahrensschritt 13 werden der Anodenrand 6 und der Kathodenrand 7 entsprechend der vorgegebenen Sollpositionen S_A, S_K angeordnet. Zur Fertigstellung der Membran-Elektroden-Einheit 1 können weitere Verfahrensschritte vorgesehen sein.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle schematisch. Für Elemente, die in Funktion und/oder Aufbau den Elementen des Ausführungsbeispiels der 1 entsprechen, sind dieselben Bezugszeichen verwendet.
Eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle 20 zeigt 3 schematisch mit der Membran-Elektroden-Einheit 1. Die Brennstoffzelle 20 ist beispielhaft als eine Brennstoffzelle 20 eines Kraftfahrzeuges 21 gezeigt.
Die Brennstoffzelle 20 kann mehrere Membran-Elektroden-Einheiten 1 aufweisen, von denen einzelne, mehrere oder alle erfindungsgemäß ausgestaltet sein können.
Bezugszeichenliste

1: Membran-Elektroden-Einheit
2: Membran
3: Anode
4: Kathode
2', 2'': überstehende Endabschnitte der Membran
5: Membranhalter
5', 5'': Halteplatten der Membranhalter
3', 3'': Endabschnitt der Anode
6, 6',: Anodenrand
7, 7',: Kathodenrand
10: Verfahren
11: Start
12: Sollposition vorgeben
13: Anodenrand, Kathodenrand anordnen
20: Brennstoffzelle
21: Kraftfahrzeug
dS, dS': Abstand Sollposition
L: Längsrichtung der Membran
L_A: Länge der Anode
L_K: Länge der Kathode
S: Stapelrichtung
S_A, S'_A: Sollposition Anode
S_K, S'_K: Sollposition Kathode
Z: Zentrum der Membran

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004034139 A1 [0002]
DE 102005043127 A1 [0002]

Claims

Verfahren (10) zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Einheit (1) für eine Brennstoffzelle (20), bei der eine Membran (2) zwischen einer Anode (3) und einer Kathode (4) angeordnet wird, und bei dem die Sollpositionen (S_A, S_K) von in dieselbe Richtung (L) weisenden Anoden- und Kathodenrändern (6, 7) vorgegeben werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollposition (S_A) des Anodenrandes (6) weiter entfernt von einem Zentrum (Z) der Membran (2) angeordnet wird, als die Sollposition (S_K) des Kathodenrandes (7).
Verfahren (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Sollpositionen (S_A, S'_A) von einander gegenüberliegenden Anodenrändern (6, 6') weiter vom Zentrum Z der Membran (2) entfernt angeordnet werden, als Sollpositionen (S_K, S'_K) von einander gegenüberliegenden Kathodenrändern (7, 7').
Verfahren (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (L_A) der einander gegenüberliegenden Anodenränder (6, 6') zueinander größer bemessen wird, als ein Abstand (L_K) der einander gegenüberliegenden Kathodenränder (7, 7') zueinander.
Verfahren (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (3) an allen Kathodenrändern (7, 7') überstehend angeordnet wird.
Verfahren (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollpositionen (S_A, S_K) des Anodenrandes (6) und des Kathodenrandes (7) jeweils Sollpositionen von Sollpositionsintervallen sind, und die Sollpositionsintervalle überlappungsfrei vorgegeben werden.
Membran-Elektroden-Einheit (1) mit einer Anode (3), einer Kathode (4) und einer zwischen der Anode (3) und der Kathode (4) angeordneten Membran (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (3) von einem Rand (7) der Kathode (4) vorspringend angeordnet ist.
Membran-Elektroden-Einheit (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (3) von zwei einander gegenüberliegenden Rändern (7, 7') der Kathode (4) vorspringt.
Membran-Elektroden-Einheit (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (3) von allen Rändern (7, 7') der Kathode (4) vorspringt.
Brennstoffzelle (20) mit einer Membran-Elektroden-Einheit (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Membran-Elektroden-Einheit (1) eine Membran-Elektroden-Einheit nach einem der Ansprüche 6 bis 8 ist.
Kraftfahrzeug (21) mit einer Brennstoffzelle (20), dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (20) eine Brennstoffzelle nach Anspruch 9 ist.