DE102014218380A1

DE102014218380A1 - Membranelektrodenanordnung mit Filmscharnier aufweisendem Dichtelement sowie Brennstoffzelle und Kraftfahrzeug mit Membranelektrodenanordnung

Info

Publication number: DE102014218380A1
Application number: DE102014218380.4A
Authority: DE
Inventors: c/o Ballard Power Systems Kusy Matej; c/o Ballard Power Systems Gallagher Emerson
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2014-09-12
Filing date: 2014-09-12
Publication date: 2016-03-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Membranelektrodenanordnung (1), eine Brennstoffzelle mit einer Membranelektrodenanordnung (1) und ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzelle. Um die Membranelektrodenanordnung (1) einfach und mit geringem Ausschuss herstellen zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein Dichtelement (7) der Membranelektrodenanordnung (1) zwei mit Hilfe eines Filmscharniers (11) miteinander verbundene Dichtabschnitte (8, 9) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Membranelektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle, mit einer Membran, die einen mit einem Aktivmaterial beschichteten Bereich und einen unbeschichteten Bereich ohne das Aktivmaterial aufweist, und mit einem Dichtelement, das am unbeschichteten Bereich anliegt und das sich bis auf das Aktivmaterial erstreckt. Ferner betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle mit wenigstens einer Membranelektrodenanordnung. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem Antriebssystem und einer Antriebsenergie übertragend mit dem Antriebssystem verbundenen Brennstoffzelle.
Membranelektrodenanordnungen für Brennstoffzellen sowie Brennstoffzellen und Kraftfahrzeuge mit Brennstoffzellen sind allgemein bekannt.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membranelektrodenanordnung oder -einheit (MEA für membrane electrode assembly), die als ein Verbund aus der Ionen, insbesondere Protonen, leitenden Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ausgestaltet sein kann. Das Aktivmaterial kann einen Katalysator aufweisen oder ein Katalysator sein, der die chemische Umsetzung begünstigt. Zudem können Gasdiffusionsschichten beidseitig der Membranelektrodenanordnung an den von der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. Die Brennstoffzelle weist wenigstens eine Membranelektrodenanordnung oder eine Vielzahl von Membranelektrodenanordnungen, die in einem Brennstoffzellenstapel angeordnet sein können, auf, wobei sich die Leistungen mehrerer Membranelektrodenanordnungen addieren. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird ein Betriebsmedium, beispielsweise 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 die Membran, welche Reaktionsräume der Brennstoffzelle Gas dicht 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 ein weiteres Betriebsmedium, etwa Sauerstoff (O₂) 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.
Um nun zu verhindern, dass eines der Betriebsmedien entlang des unbeschichteten Bereichs am Aktivmaterial des beschichteten Bereichs vorbeiströmt und somit nicht für die Erzeugung der elektrischen Energie zur Verfügung steht, ist das Dichtelement vorgesehen, das ein Abfließen des Betriebsmediums vom beschichteten Bereich weg, hin zum unbeschichteten Bereich verhindert.
In der Regel wird das Dichtelement mithilfe von Spritzguss, beispielsweise Flüssigmaterialspritzgießen, wobei das Flüssigmaterial Flüssigsilikon sein kann, direkt auf der Membran und dem Aktivmaterial ausgeformt. Hierzu wird eine Spritzgussform an die Membranelektrodenanordnung angelegt und das Dichtelement durch Einspritzen des Flüssigmaterials in einen von der Spritzgussform und der Membranelektrodenanordnung begrenzten Hohlraum ausgebildet. Um zu verhindern, dass das flüssige Spritzgussmaterial aus dem durch die Spritzgussform und die Membran sowie das Aktivmaterial begrenzten und komplementär zum Dichtelement ausgeformten Hohlraum austritt, ist die Spritzgussform mit einem vorgegebenen Mindestdruck gegen die Membran und das Aktivmaterial zu drücken. Ist der Druck zu stark, kann die Struktur des Aktivmaterials beschädigt werden, sodass die Membranelektrodenanordnung zumindest schlechter oder überhaupt nicht funktionieren kann.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Membranelektrodenanordnung bereitzustellen, die einfach und mit geringem Ausschuss herstellbar ist.
Für die eingangs genannte Membranelektrodenanordnung ist die Aufgabe dadurch gelöst, dass das Dichtelement einen ersten nur am unbeschichteten Bereich anliegen Dichtabschnitt und einen zweiten am beschichteten Bereich anliegenden Dichtabschnitt aufweist, wobei die beiden Dichtabschnitte durch ein Filmscharnier miteinander verbunden sind. Für die Brennstoffzelle ist die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Membranelektrodenanordnung eine erfindungsgemäße Membranelektrodenanordnung ist. Die Aufgabe ist für das Kraftfahrzeug dadurch gelöst, dass die Brennstoffzelle eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle ist.
Durch die Verbindung der beiden Dichtabschnitte mit dem Filmscharnier kann der erste Abschnitt den unbeschichteten Bereich bei seiner Ausformung kontaktieren, ohne dass der zweite Dichtabschnitt den beschichteten Bereich zu kontaktieren braucht. Das Filmscharnier ist vorzugsweise einteilig mit den Dichtabschnitten ausgebildet und kann senkrecht zur Membran eine Dicke aufweisen, die kleiner ist als die Dicke zumindest eines oder beider der Dichtabschnitte, und insbesondere als die Dicke des Dichtabschnittes. Durch die geringere Dicke ist das Filmscharnier leichter verformbar als zumindest der erste Dichtabschnitt und vorzugsweise als beide Dichtabschnitte, sodass die Dichtabschnitte im Vergleich zum Filmscharnier formstabil handhabbar und leicht relativ zueinander schwenkbar sein können. Ist das Dichtelement ausgeformt, so kann der zweite Dichtabschnitt also ohne Weiteres an den beschichteten Bereich und insbesondere an das Aktivmaterial angelegt werden. Eine dichtende Verbindung zwischen dem Spritzgusswerkzeug und dem Aktivmaterial braucht bei der Ausformung des zweiten Dichtabschnittes nicht erzeugt zu werden, sodass eine Beschädigung der Aktivmaterialschicht durch das Spritzgusswerkzeug vermieden wird.
Die erfindungsgemäße Lösung kann durch verschiedene, jeweils für sich vorteilhafte und, sofern nicht anders ausgeführt, beliebig miteinander kombinierbare Ausgestaltungen weiter verbessert werden. Auf diese Ausgestaltungsformen und die mit ihnen verbundenen Vorteile ist im Folgenden eingegangen.
So kann sich ein an den zweiten Dichtabschnitt angrenzender Abschnitt des Filmscharniers senkrecht zur Membran erstrecken, wenn der zweite Dichtabschnitt am Aktivmaterial anliegt. Ein sich parallel zur Membran erstreckender Abschnitt des Filmscharniers benötigt parallel zur Membran mehr Bauraum, als der sich senkrecht zur Membran erstreckende Abschnitt, wobei Bauraum in Brennstoffzellen nur in begrenztem Maß zur Verfügung steht.
Wenn der zweite Dichtabschnitt an dem Aktivmaterial anliegt, kann das Filmscharnier zumindest eine Biegung aufweisen. Die Biegung des Filmscharniers ermöglicht eine Relativbewegung der beiden Dichtabschnitte zueinander, sodass der zweite Dichtabschnitt einfach und präzise am Aktivmaterial positioniert werden kann.
Um das Dichtelement einfach ausbilden zu können, kann das Filmscharnier bei der Ausbildung des Dichtelementes und zum Beispiel auch dann, wenn der zweite Dichtabschnitt nicht an dem Aktivmaterial anliegt, gerade verlaufen. Ein gerades Filmscharnier kann mithilfe einer einfach ausgestalteten Spritzgussform hergestellt werden, wodurch nicht nur die Herstellung des Dichtelementes vereinfacht, sondern auch die Kosten für das Spritzgusswerkzeug verringert sind.
Wenn das Filmscharnier gerade und parallel zu Membran verläuft, kann sich der zweite Dichtabschnitt senkrecht von der Membran weg erstrecken. Ein derartiges Dichtelement kann besonders einfach und preiswert hergestellt werden, da nach dem Ausformen des Dichtelementes das Spritzgusswerkzeug einfach senkrecht von der Membran weg bewegt werden kann und keine Schieber oder Einlegeteile für das Werkzeug benötigt werden. Das senkrecht zur Membran verlaufend ausgebildete zweite Dichtelement kann nach dessen Ausformung einfach in Richtung auf die Membran und auf das Aktivmaterial geklappt werden oder sogar in diese Richtung infolge der Schwerkraft verkippen.
Ist das Filmscharnier gerade und mit einem im geraden Zustand des Filmscharniers senkrecht zur Membran verlaufenden zweiten Dichtabschnitt ausgebildet, so kann das Filmscharnier zwei in unterschiedliche Richtung gebogene Abschnitte aufweisen, wenn der zweite Dichtabschnitt an dem Aktivmaterial anliegt. Ein solches Dichtelement lässt sich nicht nur einfach und preiswert herstellen. Vielmehr kann der zweite Dichtabschnitt wegen der in unterschiedliche Richtungen gekrümmten Biegungen besonders einfach und präzise auf dem Aktivmaterial positioniert werden.
Alternativ kann das Filmscharnier durch die Spritzgussform gekrümmt oder unter einem Winkel zwischen 0° und 90°, zum Beispiel 30°, 45° oder 60°, ausgebildet werden. Bei der Ausformung eines ein solches Filmscharnier aufweisenden Dichtelementes liegt der erste Dichtabschnitt nach wie vor vorzugsweise an der Membran an und erstreckt sich parallel zu dieser.
Die Form des Dichtelementes kann durch das Spritzgusswerkzeug so vorgegeben sein, dass der zweite Dichtabschnitt zumindest bei seiner Herstellung von der Membran weg geklappt angeordnet ist und zur Membran einen Winkel von kleiner als 90°, zum Beispiel 30°, 45° oder 60°, aufweist. Endabschnitte des Filmscharniers, die jeweils an einem der Dichtabschnitte anliegen, können zumindest, wenn die Endabschnitte an der Membran anliegen, im Wesentlichen senkrecht zum jeweiligen Dichtabschnitt verlaufen, sodass sich das Filmscharnier biegt und mit einer vorzugsweise durchgehenden Biegung von der Membran weg wölbt. Zwar ist zur Ausbildung eines derartigen Dichtelementes ein komplexeres Spritzgusswerkzeug mit Schiebern, Einlegern oder zumindest zwei Werkzeughälften notwendig. Da der Weg, den der zweite Dichtabschnitt bis zum beschichteten Bereich beziehungsweise zum Aktivmaterial zurückzulegen hat, jedoch bei einem derartig ausgeformten Dichtelement geringer ist, als wenn der zweite Dichtabschnitt senkrecht zur Membran verlaufend ausgebildet wird, können womöglich durch das Filmscharnier erzeugte Rückstellkräfte geringer ausfallen und der zweite Dichtabschnitt sicherer an dem Aktivmaterial anliegen.
Das Filmscharnier kann elastisch verformt oder gebogen sein, wenn der zweite Dichtabschnitt an dem Aktivmaterial anliegt. Um zu verhindern, dass der zweite Dichtabschnitt durch elastische Rückstellkräfte des Filmscharniers von dem beschichteten Bereich abgehoben wird, kann der zweite Dichtabschnitt im montierten Zustand der Brennstoffzelle in seiner Dichtposition zumindest am beschichteten Bereich gehalten sein. Ferner kann das Filmscharnier so ausgebildet sein, dass auf den zweiten Dichtabschnitt einwirkende Kräfte, beispielsweise die während der Montage der Brennstoffzelle auf den zweiten Dichtabschnitt wirkende Schwerkraft, ausreichen, um den zweiten Dichtabschnitt in seiner Dichtposition auf dem beschichteten Bereich zu halten.
Vorzugsweise ist das Dichtelement aus einem flüssigen und sich zum Dichtelement verfestigenden Material, beispielsweise Flüssigsilikon, gegossen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Membranelektrodenanordnung mit Spritzgusswerkzeugen,
2 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Membranelektrodenanordnung in einem Zustand, in dem der zweite Dichtabschnitt noch nicht auf den beschichteten Bereich aufgelegt ist,
3 eine schematische Darstellung des Ausführungsbeispiels der 2, in der der zweite Dichtabschnitt auf den beschichteten Bereich aufgelegt ist,
4 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle, und
5 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuges.
Im Folgenden ist die Erfindung beispielhaft anhand von Ausführungsformen in 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.
Zunächst sind Aufbau und Funktion einer erfindungsgemäßen Membranelektrodenanordnung mit Bezug auf das Ausführungsbeispiel der 1 beschrieben.
1 zeigt die Membranelektrodenanordnung 1 schematisch in einem mehrteiligen Spritzgusswerkzeug 2 und in einer seitlichen Schnittdarstellung. Die Membranelektrodenanordnung 1 ist nur teilweise dargestellt und weist eine Membran 3 mit einem unbeschichteten Bereich 4 und einem beschichteten Bereich 5 auf. Auf dem beschichteten Bereich 5 ist vorzugsweise beidseitig der Membran 3 ein Aktivmaterial 6 vorgesehen, das eine auf wenigstens einer Flachseite der Membran 3 zumindest eine Aktivmaterialschicht ausformt.
Ferner weist die Membranelektrodenanordnung 1 ein Dichtelement 7 auf, das mithilfe des Spritzgusswerkzeuges 2 auf der Membran 3 ausgebildet wird. Das Dichtelement 7 ist mit einem ersten Dichtabschnitt 8 ausgeformt, der an der Membran 3 anliegt und an dieser optional mithilfe einer Haftschicht 9 befestigt sein kann. Ferner weist das Dichtelement 7 einen zweiten Dichtabschnitt 10 auf, der unter einem Winkel W von kleiner als 90° und beispielsweise in einem Bereich zwischen 75° und 35° zur Membran 3 verlaufend dargestellt ist.
Der erste und der zweite Dichtabschnitt 8, 10 sind mithilfe eines Filmscharniers 11 miteinander verbunden. Das Filmscharnier 11 ist vorzugsweise einteilig mit den Dichtabschnitten 8, 10 ausgebildet und kann senkrecht zur Membran 3 eine Dicke d aufweisen, die kleiner ist als die Dicke D zumindest eines oder beider der Dichtabschnitte 8, 10 und insbesondere als die Dicke D des Dichtabschnittes 8. Durch die geringere Dicke d ist das Filmscharnier 11 leichter verformbar als zumindest der erste Dichtabschnitt 8 und vorzugsweise als beide Dichtabschnitte 8, 10, sodass die Dichtabschnitte 8, 10 im Vergleich zum Filmscharnier 11 formstabil handhabbar sein können.
Das Spritzgusswerkzeug 2 zum Ausbilden des Dichtelementes 7 des Ausführungsbeispiels der 1 ist drei Werkzeugteile 12, 13, 14 aufweisend dargestellt. Das Werkzeugteil 14 dient als Ablage der Membranelektrodenanordnung 1 und kann beispielsweise horizontal angeordnet und als vom Spritzgusswerkzeug 2 separat ausgebildet sein. Das Werkzeugteil 13 füllt bei der Herstellung des Dichtelementes 7 zumindest teilweise den Raum zwischen dem Dichtelement 7 und der Membran 3 aus. Insbesondere grenzt das Werkzeugteil 13 an ein Ausformvolumen, in dem das Dichtelement 7 ausgeformt werden soll, an. Ist das Dichtelement 7 ausgeformt, so grenzt Werkzeugteil 13 größtenteils an den zweiten Dichtabschnitt 10 an. Ferner grenzt das zweite Werkzeugteil 13 an eine zur Membran 3 weisende Seite des Filmscharniers 11 und an eine zum zweiten Dichtabschnitt 10 weisende Seite des ersten Dichtabschnittes 8 an. Schließlich begrenzt das Werkzeugteil 12 die Form des Dichtelementes 7 weg weisend von der Membran 3.
Nach der Ausformung und Aushärtung des Dichtelementes 7 kann das Werkzeugteil 12 ohne Weiteres beispielsweise senkrecht zur Membran 3 entfernt werden. Ist das Dichtelement 7 in seinem ausgehärteten Zustand flexibel und kann ohne Weiteres beschädigungsfrei verformt werden, so kann das Werkzeugteil 13, ohne dass Schieber oder Einleger notwendig sind, unter Verformung des Dichtelementes 7 und insbesondere des zweiten Dichtabschnittes 10 und des Filmscharnieres 11 weg von der Membran 13 bewegt werden. Schließlich kann die Membranelektrodenanordnung 1 mit der Membran 3 und dem Dichtelement 7 vom Werkzeugteil 14 abgenommen werden.
Das Filmscharnier 11 erstreckt sich im Ausführungsbeispiel der 1 gebogen vom ersten Dichtabschnitt 8 zum zweiten Dichtabschnitt 10, wobei Endabschnitte 15, 16 des Filmscharniers 11, die jeweils an einen der Dichtabschnitte 8, 9 angrenzen, im Wesentlichen senkrecht zum jeweiligen Dichtabschnitt 8, 9 verlaufen können. Das Filmscharnier 11 des Ausführungsbeispiels der 1 ist also mit einer sich zwischen den Endabschnitte 15, 16 erstreckenden Biegung 19 dargestellt, sodass der zweite Dichtabschnitt 10 einfach mit Bezug auf den ersten Dichtabschnitt 8 verschoben werden kann, um den zweiten Dichtabschnitt 10 beispielsweise präzise auf dem beschichteten Bereich 5 anordnen zu können.
Liegt der zweite Dichtabschnitt 10 auf dem beschichteten Bereich 5 und insbesondere auf dem Aktivmaterial 6 auf, so verlaufen die Endabschnitte 15, 16 vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht zur Membran 3. Durch die gebogene Ausgestaltung des Filmscharniers 11 in Kombination mit den senkrecht zur Membran 3 verlaufenden Endabschnitten 15, 16, können die Dichtabschnitte 8, 9 besonders einfach relativ zueinander bewegt und beispielsweise geschwenkt oder verschoben werden, damit die Dichtabschnitte 8, 9 optimal auf der Membran 3 anordenbar sind.
Im an der Membran 3 anliegenden Zustand des zweiten Dichtabschnittes 10 kann dieser ausschließlich auf dem beschichteten Bereich 5 anliegen. Vorzugsweise liegt der zweite Dichtabschnitt 10 jedoch sowohl auf dem beschichteten Bereich 5 als auch auf dem unbeschichteten Bereich 4 auf, um so eine besonders gute Dichtwirkung zu erzielen.
Das Filmscharnier 11 kann in einem Dichtzustand, in dem der zweite Dichtabschnitt 10 auf der Membran 3 anliegt, die beiden Dichtabschnitte 8, 10 senkrecht zur Membran 3 überragen. Ist das Filmscharnier 11 elastisch verformbar ausgebildet, kann das Filmscharnier 11 jedoch ohne Weiteres im montierten Zustand der Membranelektrodenanordnung 1 in der Brennstoffzelle so in Richtung auf die Membran 3 verformt sein, dass die Dichtwirkung des Dichtelementes 7 durch das Filmscharnier 11 nicht beeinträchtigt und die Dicke der Membranelektrodenanordnung 1 senkrecht zur Membran 3 nicht erhöht ist.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Membranelektrodenanordnung 1 in einer schematischen seitlichen Schnittansicht. Für Elemente, die in Funktion und/oder Aufbau Elementen des Ausführungsbeispiels der 1 entsprechen, sind dieselben Bezugszeichen verwendet. Der Kürze halber ist im Folgenden lediglich auf die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel der 1 eingegangen.
Auch in der 2 ist das Dichtelement 7 in einem im Spritzgusswerkzeug 2 angeordneten Zustand dargestellt, wobei das Spritzgusswerkzeug 2 und das Aktivmaterial 6 der Übersichtlichkeit halber in der 2 nicht dargestellt ist.
Das Dichtelement 7 und folglich auch das Spritzgusswerkzeug 2 zur Ausformung des Dichtelementes 7 unterscheiden sich jedoch durch ihre Form vom Dichtelement 7 und dem Spritzgusswerkzeug 2 des Ausführungsbeispiels der 1.
Der erste Dichtabschnitt 8 weist optional zwei Dichtvorsprünge 17, 18 auf, die weg von der Membran 3 vorspringen. Die Dichtvorsprünge 17, 18 können sich senkrecht zur Zeichenebene und parallel zur Membran 3 erstrecken und Dichtrippen ausbilden. Auch der erste Dichtabschnitt 8 des Ausführungsbeispiels der 1 kann mit solchen Dichtvorsprüngen 17, 18 ausgebildet sein.
Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 1 erstreckt sich der zweite Dichtabschnitt 10 des Ausführungsbeispiels der 2 nicht unter einem Winkel W von kleiner als 90° zur Membran 3. Vielmehr kann sich der zweite Dichtabschnitt 10 im Wesentlichen unter einem Winkel W von 90° zur Membran 3 erstrecken, wenn er durch das Spritzwerkzeug 2 ausgebildet wird. Dadurch, dass sich der zweite Dichtabschnitt 10 unter dem Winkel W von im Wesentlichen 90° weg von der Membran 3 erstreckt, braucht das Dichtelement 7 im Spritzgusswerkzeug 2 keine Hinterschneidungen aufzuweisen, sodass das Spritzgusswerkzeug 2 das Dichtelement 7 mit dem Werkzeugteil 12 und insbesondere ohne das Werkzeugteil 13 ausbilden kann. Das Werkzeugteil 12 kann ohne Weiteres von der Membran 3 weg bewegt werden, ohne dass das Dichtelement 7 hierdurch verformt zu werden braucht. Folglich wird bei der Herstellung des Dichtelementes 7 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 2 vermieden, dass das Dichtelement 7 durch die Entfernung des Spritzgusswerkzeuges 2 beschädigt werden kann.
Zur leichteren Ausformung des Dichtelementes 7 aus dem Spritzgusswerkzeug 2 kann der zweite Dichtabschnitt 10 einen keilförmigen Querschnitt aufweisen, der sich weg von der Membran 3 verjüngt.
Auch das Filmscharnier 11 selbst ist gemäß dem Ausführungsbeispiel der 2 einfacher herzustellen, als das Filmscharnier 11 des Ausführungsbeispiels der 1, da dieses im Ausführungsbeispiel der 2 einfach auf der Membran 3 und insbesondere auf dem unbeschichteten Bereich 4 aufliegend und gerade mit dem Spritzgusswerkzeug 2 herstellbar ist.
Auf voneinander weg weisenden Flachseiten der Membran 3 kann jeweils ein Dichtelement 7 angeordnet sein. Alternativ und, wie im Ausführungsbeispiel der 2 dargestellt, kann auf einer vom Dichtelement 7 weg weisenden Seite der Membran 3 auch ein anders ausgebildetes Dichtelement 7' oder kein sich vom unbeschichteten auf den beschichteten Bereich erstreckendes Dichtelement angeordnet sein.
Insbesondere, wenn das Dichtelement 7 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 2 ausgebildet ist und die Membranelektrodenanordnung 1 zwei auf einander gegenüberliegenden Flachseiten angeordnete Dichtelemente 7, 7' aufweist, können die beiden Dichtelemente 7, 7' einfach in einem Verfahrensschritt und mit zwei symmetrisch ausgebildeten Werkzeugteilen 12, 14 hergestellt werden, wobei die Membran 3 einfach zwischen den Werkzeugteilen 12, 14 des Spritzwerkzeuges 2 anzuordnen und die Dichtelemente 7, 7' auszuformen sind.
3 zeigt das Ausführungsbeispiel der 2 schematisch in einer seitlichen Schnittansicht.
Im Ausführungsbeispiel der 3 ist der zweite Dichtabschnitt 10 auf die Membran 3 geklappt. Der Übersichtlichkeit halber ist das Aktivmaterial 6 im Ausführungsbeispiel der 3 nicht dargestellt.
Der zweite Dichtabschnitt 10 kann beispielsweise infolge der Schwerkraft auf die Membran 3 verkippt sein. Alternativ kann der zweite Dichtabschnitt 10 manuell oder automatisiert auf die Membran 3 geklappt worden sein.
Das Filmscharnier 11 weist zwei unterschiedlich ausgerichtete Biegungen 19, 19‘ auf, wobei, ausgehend vom ersten Dichtabschnitt 8, das Filmscharnier 11 zunächst eine Biegung 19‘ weg von der Membran aufweist und sich in seinem weiteren Verlauf in einer weiteren Biegung 19 in Richtung auf die Membran zu krümmt.
Der Endabschnitt 15 des Filmscharniers 11 verläuft im Ausführungsbeispiel der 3 parallel zur Membran 3. Der Endabschnitt 16 verläuft im Ausführungsbeispiel der 3 senkrecht zur Membran 3. Auch wenn der Endabschnitt 15 parallel zur Membran 3 verläuft, ermöglicht die Biegung 19 eine Relativverschiebung der beiden Dichtabschnitte 8, 10 zueinander.
4 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle mit einer Membranelektrodenanordnung 1. Für Elemente, die in Funktion und/oder Aufbau Elementen der Ausführungsbeispiele der 1 bis 3 entsprechen, sind dieselben Bezugszeichen verwendet.
4 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Brennstoffzelle 20 mit einem Brennstoffzellenstapel 21. Die Brennstoffzelle 20 umfasst eine erste Endplatte 22 sowie eine zweite Endplatte 23. Zwischen den Endplatten 22, 23 ist eine Vielzahl übereinander gestapelter Stapelelemente angeordnet, welche Bipolarplatten 24 und Membranelektrodenanordnungen 1 umfassen. Die Bipolarplatten 24 sind mit den Membranelektrodenanordnungen 1 beispielsweise abwechselnd gestapelt, wobei weitere Stapelelemente vorhanden sein können. Die Membranelektrodenanordnungen 1 können jeweils die Membran 3 und sich beidseitig der Membran 3 anschließende Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode (nicht dargestellt) aufweisen. An der Membran 3 anliegend können die Membranelektrodenanordnungen 1 zudem (ebenfalls nicht dargestellte) Gasdiffusionslagen aufweisen. Zwischen den Bipolarplatten 24 und den Membranelektrodenanordnungen 1 kann jeweils wenigstens eines der Dichtelemente 7 angeordnet sein. Weitere Dichtelemente zur gasdichten Abdichtung von Anoden- und Kathodenräumen nach außen können zwischen den Bipolarplatten 24 und den Membranelektrodenanordnungen 1 vorgesehen sein, die vorzugsweise näher an einem Rand der jeweiligen Membranelektrodenanordnung 1 angeordnet sind als das Dichtelement 7. Zwischen den Endplatten 22 und 23 kann der Brennstoffzellenstapel 21 mittels Zugelementen 25, zum Beispiel Zugstangen oder Spannblechen, verpresst sein. Wegen der Verpressung kann der zweite Dichtabschnitt 10 auf dem beschichteten Bereich 5 gehalten sein.
In 4 sind von den Bipolarplatten 24 und den Membranelektrodenanordnungen 1 lediglich Schmalseiten sichtbar. Die Flach- oder Hauptseiten der Bipolarplatten 24 und der Membranelektrodenanordnungen 1 weisen aufeinander zu und können aneinander anliegen.
5 zeigt ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug mit einem Antriebssystem und einer mit dem Antriebssystem Antriebsenergie übertragend verbundenen Brennstoffzelle 20.
Das schematisch in einer seitlichen Ansicht dargestellte Kraftfahrzeug 30 weist ein Antriebssystem 31 auf, wobei das Antriebssystem 31 beispielsweise mit einem Elektromotor zum Antreiben des Kraftfahrzeuges 30 versehen sein kann. Ferner ist das Kraftfahrzeug 30 mit der Brennstoffzelle 20 ausgestattet, die Antriebsenergie für das Antriebssystem 31 und beispielsweise elektrische Energie für den Elektromotor bereitstellen und durch eine Energieleitung 32 mit den Antriebssystem 31 verbunden sein kann.
Bezugszeichenliste

1: Membranelektrodenanordnung
2: Spritzgusswerkzeug
3: Membran
4: unbeschichteter Bereich
5: beschichteter Bereich
6: Aktivmaterial
7, 7‘: Dichtelement
8: erster Dichtabschnitt
9: Haftschicht
10: zweiter Dichtabschnitt
11: Filmscharnier
12–14: Werkzeugteile
14, 16: Endabschnitte des Filmscharniers
17, 18: Dichtvorsprünge
19, 19‘: Biegung
20: Brennstoffzelle
21: Brennstoffzellenstapel
22, 23: Endplatte
24: Bipolarplatte
25: Zugelement
30: Kraftfahrzeug
31: Antriebssystem
32: Energieleitung
W: Winkel
d: Dicke des Filmscharniers
D: Dicke wenigstens eines der Dichtabschnitte

Claims

Membranelektrodenanordnung (1) für eine Brennstoffzelle (20), mit einer Membran (3), die einen mit einem Aktivmaterial (6) beschichteten Bereich (5) und einem unbeschichteten Bereich (4) ohne das Aktivmaterial (6) aufweist, und mit einem Dichtelement (7), das am unbeschichteten Bereich (4) anliegt und das sich bis auf das Aktivmaterial (6) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (7) einen ersten nur am unbeschichteten Bereich (4) anliegenden Dichtabschnitt (8) und einen zweiten am beschichteten Bereich (5) anliegenden Dichtabschnitt (10) aufweist, wobei die beiden Dichtabschnitte (8, 10) durch ein Filmscharnier (11) miteinander verbunden sind.
Membranelektrodenanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein an den zweiten Dichtabschnitt (10) angrenzender Endabschnitt (16) des Filmscharniers (11) senkrecht zur Membran (3) erstreckt, wenn der zweite Dichtabschnitt (10) an dem Aktivmaterial (6) anliegt.
Membranelektrodenanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Filmscharnier (11) zumindest eine Biegung (19) aufweist, wenn der zweite Dichtabschnitt (10) am Aktivmaterial (6) anliegt.
Membranelektrodenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Filmscharnier (11) gerade verläuft, wenn der zweite Dichtabschnitt (10) nicht am Aktivmaterial (6) anliegt.
Membranelektrodenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich der zweite Dichtabschnitt (10) senkrecht von der Membran (3) weg erstreckt, wenn das Filmscharnier (11) gerade und parallel zur Membran (3) verläuft.
Membranelektrodenanordnung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Filmscharnier (11) zwei in unterschiedliche Richtungen gekrümmte Biegungen (19, 19‘) aufweist, wenn der zweite Dichtabschnitt (10) am Aktivmaterial (6) anliegt.
Membranelektrodenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Filmscharnier (11) elastisch verformt ist, wenn der zweite Dichtabschnitt (10) am Aktivmaterial (6) anliegt.
Membranelektrodenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (7) aus einem flüssigen und sich zum Dichtelement (7) verfestigenden Material gegossen ist.
Brennstoffzelle (20) mit wenigstens einer Membranelektrodenanordnung (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Membranelektrodenanordnung (1) eine Membranelektrodenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ist.
Kraftfahrzeug (30) mit einem Antriebssystem (31) und einer Antriebsenergie übertragend mit dem Antriebssystem (31) verbundenen Brennstoffzelle (20), dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (20) eine Brennstoffzelle (20) nach Anspruch 9 ist.