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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Elementarbrennstoffzelle.
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Aus der
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029 834 A und ihrem Familienmitglied
US 2014 / 0 004 442 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Elementarbrennstoffzelle bekannt, die eine Membran-Elektroden-Einheit, in der auf entgegengesetzten Seiten einer Elektrolytmembran Elektrodenkatalysatorschichten ausgebildet sind, eine erste Gasdiffusionsschicht, die auf einer Seitenfläche der Membran-Elektroden-Einheit angeordnet ist, eine zweite Gasdiffusionsschicht, die auf der anderen Seitenfläche der Membran-Elektroden-Einheit angeordnet ist, und einen Tragerahmen aufweist, der so gestaltet ist, dass er die Membran-Elektroden-Einheit an einem Außenumfang der Membran-Elektroden-Einheit trägt, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: einen Vorgang, bei dem auf einem Außenumfangskantenabschnitt der anderen Seitenfläche der Membran-Elektroden-Einheit eine thermoplastische Klebeschicht ausgebildet wird; einen Vorgang, bei dem die erste Gasdiffusionsschicht auf der einen Seitenfläche der Membran-Elektroden-Einheit angeordnet wird und die zweite Gasdiffusionsschicht so auf der anderen Seitenfläche der Membran-Elektroden-Einheit angeordnet wird, dass sich ein Außenumfangskantenabschnitt der zweiten Gasdiffusionsschicht mit einem inneren Abschnitt der Klebeschicht überlappt; einen Vorgang, bei dem die erste Gasdiffusionsschicht, die Membran-Elektroden-Einheit, der innere Abschnitt der Klebeschicht und die zweite Gasdiffusionsschicht erwärmt, zusammengedrückt und zu einer Einheit ausgebildet werden; einen Vorgang, bei dem ein Innenumfangskantenabschnitt des Tragerahmens auf einem äußeren Abschnitt der Klebeschicht angeordnet wird; und einen Vorgang, bei dem der Tragerahmen, der äußere Abschnitt der Klebeschicht und die Membran-Elektroden-Einheit erwärmt, zusammengedrückt und zu einer Einheit ausgebildet werden.
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In der
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029 834 A ist der Außenumfangskantenabschnitt der anderen Fläche der Membran-Elektroden-Einheit durch die Klebeschicht bedeckt. Somit liegt der Außenumfangskantenabschnitt der Membran-Elektroden-Einheit nicht zu einem von einem Spalt zwischen dem Tragerahmen und der zweiten Gasdiffusionsschicht aus zugeführten Gas frei. Dies ermöglicht es, eine Entstehung von Rissen in der Membran-Elektroden-Einheit zu vermeiden, die ansonsten beim Freiliegen auftreten würden.
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Allerdings besteht bei dem aus der
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029 834 A bekannten Verfahren die Möglichkeit, dass sich der aus Harz bestehende Tragerahmen thermisch verformt, wenn der Tragerahmen, der äußere Abschnitt der Klebeschicht und die Membran-Elektroden-Einheit erwärmt, zusammengedrückt und zu einer Einheit ausgebildet werden. Um dieser Möglichkeit zu begegnen, haben die Erfinder, wie in der
US 2010 / 0 216 048 A1 vorgeschlagen, versucht, einen Klebstoff zu verwenden, der durch ultraviolette Strahlen gehärtet wird, nämlich einen ultraviolett härtbaren Klebstoff.
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Da ultraviolette Strahlen nicht durch eine Gasdiffusionsschicht gehen können, ist es notwendig, den Klebstoff auszuhärten, bevor die Gasdiffusionsschicht in einer Membran-Elektroden-Einheit angeordnet wird. Es ist nämlich notwendig, dass eine Klebeschicht ausgebildet wird, indem auf einem Außenumfangskantenabschnitt einer Membran-Elektroden-Einheit ein ultraviolett härtbarer Klebstoff als Schicht aufgebracht wird, dass auf einem äußeren Abschnitt der Klebeschicht ein Innenumfangskantenabschnitt eines Tragerahmens angeordnet wird und dass dann die Klebeschicht mit ultravioletten Strahlen ausgehärtet wird, bevor auf einem inneren Abschnitt der Klebeschicht ein Außenumfangskantenabschnitt einer zweiten Gasdiffusionsschicht angeordnet wird. Wenn man jedoch in diesem Fall versucht, die zweite Gasdiffusionsschicht auf der durch die ultravioletten Strahlen gehärteten Klebeschicht anzuordnen, wird der Außenumfangskantenabschnitt der zweiten Gasdiffusionsschicht vom oberen Abschnitt des Innenabschnitts der Klebeschicht abgespreizt und überlappt sich mit ihm. Somit wird der Außenumfangskantenabschnitt der zweiten Gasdiffusionsschicht mehr als der übrige Teil der zweiten Gasdiffusionsschicht nach oben gehoben. Infolgedessen entsteht das Phänomen, dass Strömungswege eines zugeführten Gases, die von der zweiten Gasdiffusionsschicht und einem darauf vorhandenen Separator definiert werden, von dem angehobenen Abschnitt verschlossen werden, dass Fasern, die die zweite Gasdiffusionsschicht bilden, in dem angehobenen Abschnitt ausfusseln oder dass ein übermäßiger Oberflächendruck auf eine unter der Klebeschicht vorhandene Membran-Elektroden-Einheit aufgebracht wird. Es besteht somit die Möglichkeit, dass sich das Brennstoffzellenleistungsvermögen verringert. Wenn andererseits die Menge des Klebstoffs, der auf den Außenumfangskantenabschnitt der Membran-Elektroden-Einheit als Schicht aufgebracht wird, gering gehalten wird, damit die Klebeschicht nicht die Unterseite der Gasdiffusionsschicht erreicht, besteht die Möglichkeit, dass der Außenumfangskantenabschnitt der Membran-Elektroden-Einheit teilweise freiliegt.
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Angesichts dessen haben die Erfinder vor der Aufgabe gestanden, eine Technik zur Verfügung zu stellen, die dazu imstande ist, den Tragerahmen, die Gasdiffusionsschicht und die Membran-Elektroden-Einheit zuverlässig zu einer Einheit auszubilden, ohne die Membran-Elektroden-Einheit freizulegen und ohne den Tragerahmen zu verformen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Mit den erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, den Tragerahmen, die Gasdiffusionsschicht und die Membran-Elektroden-Einheit zuverlässig zu einer Einheit auszubilden, ohne die Membran-Elektroden-Einheit freizulegen und ohne den Tragerahmen zu verformen.
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Die Merkmale, die Vorteile und die technische und gewerbliche Bedeutung exemplarischer Ausführungsbeispiele der Erfindung werden unten unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Ziffern gleiche Elemente bezeichnen. Es zeigen:
- 1 eine Teilschnittansicht, die ein Gestaltungsbeispiel eines Brennstoffzellenstapels darstellt, der eine Elementarbrennstoffzelle aufweist;
- 2 eine teilweise vergrößerte Ansicht des in 1 dargestellten Brennstoffzellenstapels;
- 3 eine Teilschnittansicht, die einen Vorgang eines Verfahrens zur Herstellung einer Elementarbrennstoffzelle darstellt;
- 4 eine Teilschnittansicht, die einen Vorgang eines Verfahrens zur Herstellung einer Elementarbrennstoffzelle darstellt;
- 5 eine Teilschnittansicht, die einen Vorgang eines Verfahrens zur Herstellung einer Elementarbrennstoffzelle darstellt;
- 6 eine Teilschnittansicht, die einen Vorgang eines Verfahrens zur Herstellung einer Elementarbrennstoffzelle darstellt;
- 7 eine Teilschnittansicht, die einen Vorgang eines Verfahrens zur Herstellung einer Elementarbrennstoffzelle darstellt;
- 8 eine Teilschnittansicht, die einen Vorgang eines Verfahrens zur Herstellung einer Elementarbrennstoffzelle darstellt;
- 9 eine Teilschnittansicht, die ein Gestaltungsbeispiel eines Brennstoffzellenstapels eines Vergleichsbeispiels darstellt;
- 10 ein Diagramm, das die Haftfestigkeit von Elementarbrennstoffzellen eines Vergleichsbeispiels und eines Beispiels darstellt;
- 11 ein Foto von druckempfindlichem Papier, das eine Oberflächendruckverteilung einer Elementarbrennstoffzelle eines Vergleichsbeispiels darstellt; und
- 12 ein Foto von druckempfindlichem Papier, das eine Oberflächendruckverteilung einer Elementarbrennstoffzelle eines Beispiels darstellt.
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1 ist eine Teilschnittansicht, die ein Gestaltungsbeispiel eines Brennstoffzellenstapels A darstellt, der eine Elementarbrennstoffzelle 1 aufweist. In 1 wird der Brennstoffzellenstapel A von einem Stapelkörper gebildet, in dem eine Vielzahl von Elementarbrennstoffzellen 1 in einer Dickenrichtung S der Elementarbrennstoffzellen 1 aufgestapelt ist. Die Elementarbrennstoffzelle 1 erzeugt elektrischen Strom, indem sie eine elektrochemische Reaktion eines Brennstoffgases und eines Oxidationsmittelgases nutzt, die der Elementarbrennstoffzelle 1 zugeführt werden. Der in der Elementarbrennstoffzelle 1 erzeugte elektrische Strom wird über eine Vielzahl von Verdrahtungsleitungen (nicht dargestellt), die von an den entgegengesetzten Enden des Stapelkörpers angeordneten Anschlussplatten (nicht dargestellt) zur Außenseite des Brennstoffzellenstapels A verlaufen, zur Außenseite des Brennstoffzellenstapels A herausgeführt. Der aus dem Brennstoffzellenstapel A herausgeführte elektrische Strom wird zum Beispiel einem Elektromotor zum Antreiben eines Elektrofahrzeugs oder einem Kondensator zugeführt.
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Die Elementarbrennstoffzelle 1 weist eine Membran-Elektroden-Einheit 5, in der an entgegengesetzten Seiten einer Elektrolytmembran 5e jeweils Elektrodenkatalysatorschichten 5c und 5a ausgebildet sind (d. h. die Elektrodenkatalysatorschicht 5c ist auf einer Seite der Elektrolytmembran 5e ausgebildet und die Elektrodenkatalysatorschicht 5a ist auf einer anderen Seite der Elektrolytmembran 5e ausgebildet), eine erste Gasdiffusionsschicht 3a, die auf einer Seitenfläche 51 der Membran-Elektroden-Einheit 5 angeordnet ist, eine zweite Gasdiffusionsschicht 3c, die auf der anderen Seitenfläche 52 der Membran-Elektroden-Einheit 5 angeordnet ist, und einen Tragerahmen 2 auf, der so gestaltet ist, dass er die Membran-Elektroden-Einheit 5 an einem Außenumfang der Membran-Elektroden-Einheit 5 trägt. In der folgenden Beschreibung werden die erste Gasdiffusionsschicht 3a und die zweite Gasdiffusionsschicht 3c gemeinsam als Gasdiffusionsschicht 3 bezeichnet.
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Beispiele eines Materials der Elektrolytmembran 5e können einen fluorbasierten Polymerfilm mit Ionenleitfähigkeit wie Perfluorsulfonsäure oder dergleichen einschließen. Beispiele eines Materials der Elektrodenkatalysatorschicht 5a und der Elektrodenkatalysatorschicht 5c können katalysatortragenden Kohlenstoff einschließen, der einen Katalysator wie Platin oder Platinlegierung trägt. In einem anderen Beispiel wird zu dem katalysatortragenden Kohlenstoff außerdem ein Ionomer des gleichen Materials wie die Elektrolytmembran zugegeben. Die Elektrolytmembran 5e, die Elektrodenkatalysatorschicht 5a und die Elektrodenkatalysatorschicht 5c haben im Wesentlichen die gleiche Größe. Die Elektrolytmembran 5e, die Elektrodenkatalysatorschicht 5a und die Elektrodenkatalysatorschicht 5c überlappen sich im Wesentlichen miteinander, wenn die Membran-Elektroden-Einheit 5 ausgebildet wird, indem die Elektrodenkatalysatorschichten 5c und 5a an den entgegengesetzten Seiten der Elektrolytmembran 5e angeordnet werden. In einem alternativen Beispiel hat zumindest eine der Elektrodenkatalysatorschichten 5a und 5c eine geringere Größe als die Elektrolytmembran 5e.
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Beispiele eines Materials der Gasdiffusionsschicht 3 können einen porösen Körper mit Leitfähigkeit, z. B. einen kohlenstoffhaltigen porösen Körper wie Kohlenstoffpapier, Kohlenstofftuch, glasartigen Kohlenstoff oder dergleichen, und einen metallischen porösen Körper wie ein Metallgitter, Metallschaum oder dergleichen einschließen. In einem anderen Beispiel wird der poröse Körper in einem solchen Ausmaß mit einem Material mit starkem Wasserabweisungsvermögen wie Polytetrafluorethylen oder dergleichen imprägniert, dass die Porosität nicht verloren geht. In einem weiteren Beispiel wird auf einer Seitenfläche des porösen Körpers eine Mischschicht aus einem Material mit starkem Wasserabweisungsvermögen und Kohlenstoffpartikeln vorgesehen. Die erste Gasdiffusionsschicht 3a hat im Wesentlichen die gleiche Größe wie die Membran-Elektroden-Einheit 5. Die Membran-Elektroden-Einheit 5 und die erste Gasdiffusionsschicht 3a überlappen sich im Wesentlichen miteinander, wenn die erste Gasdiffusionsschicht 3a auf einer Seitenfläche 51 der Membran-Elektroden-Einheit 5 angeordnet wird. Andererseits hat die zweite Gasdiffusionsschicht 3c eine etwas geringere Größe als die Membran-Elektroden-Einheit 5. Wenn die zweite Gasdiffusionsschicht 3c auf der anderen Seitenfläche 52 der Membran-Elektroden-Einheit 5 angeordnet wird, liegt ein Kantenbereich der anderen Seitenfläche 52 der Membran-Elektroden-Einheit 5 frei, der entlang des Außenumfangs, nämlich eines Außenumfangskantenabschnitts E, verläuft, ohne mit der zweiten Gasdiffusionsschicht 3c bedeckt zu sein. Mit anderen Worten umgibt der Außenumfangskantenabschnitt E auf der anderen Seitenfläche 52 der Membran-Elektroden-Einheit 5 die Außenseite der zweiten Gasdiffusionsschicht 3c. Durch die Membran-Elektroden-Einheit 5 und die erste Gasdiffusionsschicht 3a und zweite Gasdiffusionsschicht 3c, die auf den entgegengesetzten Seitenflächen der Membran-Elektroden-Einheit 5 angeordnet sind, wird eine Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Einheit 6 gebildet.
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Der Tragerahmen 2 ist ein Rahmen, der die Membran-Elektroden-Einheit 5 (oder die Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Einheit 6) an ihrem Außenumfang trägt. Beispiele eines Materials des Tragerahmens 2 können eine Platte mit elektrischer Isolierung und Luftdichtheit, z. B. eine Platte aus einem Harz wie Polypropylen, einem Phenolharz, einem Epoxidharz, Polyethylen, Polyethylenterephthalat oder dergleichen einschließen. Der Tragerahmen 2 weist einen Tragerahmenkörper 21 und einen Vorsprungsabschnitt 22 auf, der sich von einer Innenkantenseite des Tragerahmenkörpers 21 aus nach innen erstreckt und eine geringere Dicke als der Tragerahmenkörper 21 hat. Der Vorsprungsabschnitt 22 des Tragerahmens 2 kann als ein Abschnitt einer Innenumfangskantenseite des Tragerahmens 2, nämlich als ein Innenumfangskantenabschnitt des Tragerahmens 2, angesehen werden. Der Vorsprungsabschnitt 22 (der Innenumfangskantenabschnitt) des Tragerahmens 2 ist mit dem Außenumfangskantenabschnitt E der Membran-Elektroden-Einheit 5 durch eine Klebeschicht 10 verbunden. Bei einer Gestaltung, bei der der Vorsprungsabschnitt 22 mit dem Außenumfangskantenabschnitt E verbunden ist, befindet sich zwischen einem inneren Endabschnitt des Vorsprungsabschnitts 22 und einem äußeren Endabschnitt der zweiten Gasdiffusionsschicht 3c ein Spalt G.
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Die Klebeschicht 10 verbindet den Vorsprungsabschnitt 22 und den Außenumfangskantenabschnitt E der Membran-Elektroden-Einheit 5. Darüber hinaus bedeckt die Klebeschicht 10 den Außenumfangskantenabschnitt E, der sich radial außerhalb des Spalts G zwischen der zweiten Gasdiffusionsschicht 3c und dem Tragerahmen 2 befindet. Die Klebeschicht 10 hat ultraviolette Härtbarkeit, bei der die Klebeschicht 10 durch ultraviolette Strahlen gehärtet wird, und Wärmehärtbarkeit, bei der die Klebeschicht 10 durch Erwärmen gehärtet wird. Die Klebeschicht 10 ist ein Klebstoff, der beide Eigenschaften gleichzeitig hat. Die Wellenlänge der ultravioletten Strahlen kann zum Beispiel etwa 200 bis 400 nm betragen. Die Erwärmungstemperatur kann zum Beispiel etwa 80 bis 140°C betragen. Die Klebeschicht 10 kann zum Beispiel ein auf Polyisobutylen (PIB) basierender Klebstoff sein. In einem anderen Beispiel kann die Klebeschicht 10 ein gemischter Klebstoff sein, der durch Mischen eines Klebstoffs mit ultravioletter Härtbarkeit und ohne Wärmehärtbarkeit und eines Klebstoffs mit Wärmehärtbarkeit und ohne ultraviolette Härtbarkeit erzielt wird.
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Die Elementarbrennstoffzelle 1 weist außerdem Separatoren 4 auf, nämlich einen Anodenseparator 4a und einen Kathodenseparator 4c. Der Umfangskantenabschnitt des Anodenseparators 4a geht mit dem Tragerahmenkörper 21 Kontakt ein. Der mittlere Abschnitt des Anodenseparators 4a, der auf der Innenseite des Umfangskantenabschnitts vorhanden ist, geht mit der ersten Gasdiffusionsschicht 3a Kontakt ein. Am mittleren Abschnitt des Anodenseparators 4a ist eine Vielzahl von Brennstoffgas zuführenden Nuten ausgebildet, die zueinander parallel verlaufen. Durch die Nute und die Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Einheit 6 wird eine Vielzahl von Brennstoffgasversorgungswegen 32 ausgebildet. Ein von den Brennstoffgasversorgungswegen 32 zugeführtes Brennstoffgas wird der Membran-Elektroden-Einheit 5 über die erste Gasdiffusionsschicht 3a zugeführt. Der Umfangskantenabschnitt des Kathodenseparators 4c geht mit dem Tragerahmenkörper 21 Kontakt ein. Der mittlere Abschnitt des Kathodenseparators 4c, der auf der Innenseite des Umfangskantenabschnitts vorhanden ist, geht mit der zweiten Gasdiffusionsschicht 3c Kontakt ein. Am mittleren Abschnitt des Kathodenseparators 4c ist eine Vielzahl von Oxidationsmittelgas zuführenden Nuten ausgebildet, die zueinander parallel verlaufen. Durch die Nute und die Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Einheit 6 wird eine Vielzahl von Oxidationsmittelgasversorgungswegen 31 ausgebildet. Ein von den Oxidationsmittelgasversorgungswegen 31 zugeführtes Oxidationsmittelgas wird der Membran-Elektroden-Einheit 5 über die zweite Gasdiffusionsschicht 3c zugeführt. In zwei benachbarten Elementarbrennstoffzellen 1 gehen der Kathodenseparator 4c von einer der Elementarbrennstoffzellen 1 und der Anodenseparator 4a der anderen der Elementarbrennstoffzellen 1 miteinander Kontakt ein. Infolgedessen werden Kühlmittelversorgungswege 30 ausgebildet, von denen jeder zwischen zwei Oxidationsmittelgasversorgungswegen 31 und zwei Brennstoffgasversorgungswegen 32 liegt. Der Kathodenseparator 4c und der Anodenseparator 4a werden durch ein Material ausgebildet, das kein Oxidationsmittelgas (z. B. Luft), kein Brennstoffgas (z. B. Wasserstoffgas) und kein Kühlmittel (z. B. Wasser) hindurch lässt und das elektrische Leitfähigkeit hat, zum Beispiel ein Metall wie rostfreier Stahl oder dergleichen oder ein Kohlenstofffaser/Harz-Verbundmaterial.
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2 ist eine teilweise vergrößerte Ansicht von 1. Wie in 2 dargestellt ist, befindet sich die Klebeschicht 10 an der Elektrodenkatalysatorschicht 5c auf dem Außenumfangskantenabschnitt E der Membran-Elektroden-Einheit 5. Die Klebeschicht 10 weist einen äußeren Abschnitt 11, der auf einem äußeren Bereich des Außenumfangskantenabschnitts E vorhanden ist, einen inneren Abschnitt 13, der auf einem inneren Bereich des Außenumfangskantenabschnitts E vorhanden ist, und einen mittleren Abschnitt 12 auf, der auf einem mittleren Bereich des Außenumfangskantenabschnitts E vorhanden ist. Der äußere Abschnitt 11 befindet sich zwischen dem Vorsprungsabschnitt 22 des Tragerahmens 2 und der Membran-Elektroden-Einheit 5. Der äußere Abschnitt 11 der Klebeschicht 10 erstreckt sich von einem Endabschnitt 22g des Vorsprungsabschnitts 22 des Tragerahmens 2 zu einer Außenkante 3ag der ersten Gasdiffusionsschicht 3a und verbindet den Vorsprungsabschnitt 22 und die Membran-Elektroden-Einheit 5. Darüber hinaus befindet sich ein Teil des inneren Abschnitts 13 zwischen einem Außenumfangskantenabschnitt 3ce der zweiten Gasdiffusionsschicht 3c und der Membran-Elektroden-Einheit 5, sodass er den Außenumfangskantenabschnitt 3ce der zweiten Gasdiffusionsschicht 3c und die Membran-Elektroden-Einheit 5 miteinander verbindet. Andere Teile des inneren Abschnitts 13 sind im Außenumfangskantenabschnitt 3ce der zweiten Gasdiffusionsschicht 3c absorbiert. Der mittlere Abschnitt 12 der Klebeschicht 10 füllt den Spalt G zwischen dem Endabschnitt 22g des Vorsprungsabschnitts 22 und dem Endabschnitt 3cg der zweiten Gasdiffusionsschicht 3c. Da der nicht mit der Gasdiffusionsschicht 3 bedeckte Außenumfangskantenabschnitt E des Spalts G durch die Klebeschicht 10 bedeckt ist, liegt am Außenumfangskantenabschnitt E kein Bereich zur Außenseite frei. In einem nicht dargestellten alternativen Beispiel werden der Tragerahmen 2 und die zweite Gasdiffusionsschicht 3c nahe aneinander gebracht und der mittlere Abschnitt 12 der Klebeschicht 10 liegt im Wesentlichen nicht frei.
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Als Nächstes erfolgt eine Beschreibung eines Verfahrens zum Herstellen einer Elementarbrennstoffzelle. Die 3 bis 8 sind Teilschnittansichten, die jeweilige Vorgänge eines Verfahrens zur Herstellung einer Elementarbrennstoffzelle 1 darstellen.
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Wie in 3 dargestellt ist, wird zunächst die Membran-Elektroden-Einheit 5 angefertigt, die auf einer Seitenfläche 51 die erste Gasdiffusionsschicht 3a angeordnet hat. Die erste Gasdiffusionsschicht 3a und die Membran-Elektroden-Einheit 5 werden im Voraus durch z. B. einen Heißpressvorgang erwärmt, zusammengedrückt und verbunden.
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Dann wird, wie in 4 dargestellt ist, auf dem Außenumfangskantenabschnitt E der anderen Seitenfläche 52 der Membran-Elektroden-Einheit 5 die Klebeschicht 10 mit ultravioletter Härtbarkeit und Wärmehärtbarkeit angeordnet. Die Klebeschicht 10 weist den auf dem äußeren Bereich des Außenumfangskantenabschnitts E vorhandenen äußeren Abschnitt 11, den auf dem inneren Bereich des Außenumfangskantenabschnitts E vorhandenen inneren Abschnitt 13 und den auf dem mittleren Bereich des Außenumfangskantenabschnitts E vorhandenen mittleren Abschnitt 12 auf. Die Klebeschicht 10 kann zum Beispiel ein auf Polyisobutylen basierender Klebstoff sein. Das Ausbildungsverfahren der Klebeschicht 10 kann zum Beispiel ein Verfahren sein, das von einem Spender Verwendung macht, oder ein Verfahren, das von Siebdrucken Verwendung macht.
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Anschließend wird, wie in den 5 und 6 gezeigt ist, auf dem äußeren Abschnitt 11 der Klebeschicht 10 der Innenumfangskantenabschnitt (der Vorsprungsabschnitt 22) des Tragerahmens 2 angeordnet. Auf dem inneren Abschnitt 13 der Klebeschicht 10 wird der Außenumfangskantenabschnitt 3ce der zweiten Gasdiffusionsschicht 3c angeordnet.
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Genauer wird, wie in 5 dargestellt ist, zunächst der Tragerahmen 2 so angeordnet, dass er die Membran-Elektroden-Einheit 5 umgibt. Der Vorsprungsabschnitt 22 des Tragerahmens 2 wird auf dem äußeren Abschnitt 11 der Klebeschicht 10 angeordnet. Der Vorsprungsabschnitt 22 wird dabei angeordnet, indem von oberhalb des Vorsprungsabschnitts 22 aus eine Last aufgebracht wird. Somit wird der Klebstoff des äußeren Abschnitts 11 zerdrückt. Infolgedessen erreicht der Klebstoff an der Außenseite der Membran-Elektroden-Einheit 5 die Außenkante 3ag der ersten Gasdiffusionsschicht 3a. Folglich ist es möglich, die Verbindungsfläche der Membran-Elektroden-Einheit 5 und des Tragerahmens 2 zu vergrößern. Darüber hinaus bedeckt der Klebstoff an der Innenseite der Membran-Elektroden-Einheit 5 den Endabschnitt 22g des Vorsprungsabschnitts 22. Der Klebstoff wird teilweise nach innen verdrängt. Aus diesem Grund wird der innere Abschnitt 13 etwas nach innen verlängert. Folglich ist es möglich, den Klebstoff zuverlässig in dem Bereich anzuordnen, wo der Außenumfangskantenabschnitt 3ce der zweiten Gasdiffusionsschicht 3c angeordnet wird. Dies ermöglicht es, den Außenumfangskantenabschnitt E der Membran-Elektroden-Einheit 5 zuverlässig zu bedecken.
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Anschließend wird, wie in 6 dargestellt ist, auf der Elektrodenkatalysatorschicht 5c der Membran-Elektroden-Einheit 5 die zweite Gasdiffusionsschicht 3c platziert. Der Außenumfangskantenabschnitt 3ce der zweiten Gasdiffusionsschicht 3c wird auf dem inneren Abschnitt 13 der Klebeschicht 10 angeordnet. Dann wird die zweite Gasdiffusionsschicht 3c vorübergehend an der Membran-Elektroden-Einheit 5 befestigt. Dabei wird der Klebstoff der Klebeschicht 10 weder mit ultravioletten Strahlen bestrahlt, noch wird er erwärmt. Somit wird der Klebstoff der Klebeschicht 10 nicht ausgehärtet und in dem Zustand gehalten, der unmittelbar nach seinem Beschichten vorhanden ist. Wenn die zweite Gasdiffusionsschicht 3c auf der Klebeschicht 10 angeordnet wird, dringt der Klebstoff dementsprechend in den porösen Körper ein. Somit geht die zweite Gasdiffusionsschicht 3c in die Klebeschicht 10 hinein und kann schließlich mittels eines dünnen Klebstoffs mit der Membran-Elektroden-Einheit 5 Kontakt eingehen. Dementsprechend wird die zweite Gasdiffusionsschicht 3c nicht durch die Klebeschicht 10 abgespreizt und angehoben. Infolgedessen gibt es keinen Fall, in dem die Oxidationsmittelgasversorgungswege 31, die durch den auf der zweiten Gasdiffusionsschicht 3c vorhandenen Kathodenseparator 4c definiert werden, in einem ansonsten angehobenen Abschnitt verschlossen werden, in dem die Fasern, die die zweite Gasdiffusionsschicht 3c bilden, in einem ansonsten angehobenen Abschnitt fusselig werden oder in dem ein übermäßiger Oberflächendruck auf die unter der Klebeschicht 10 vorhandene Membran-Elektroden-Einheit 5 aufgebracht wird.
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In dieser Hinsicht ist egal, ob auf der Klebeschicht 10 zuerst der Tragerahmen 2 oder die zweite Gasdiffusionsschicht 3c angeordnet wird. Allerdings wird bevorzugt, dass zuerst der Tragerahmen 2 angeordnet wird. Wenn angenommen wird, dass zuerst die zweite Gasdiffusionsschicht 3c angeordnet wird, wird, wenn anschließend der Tragerahmen 2 auf dem äußeren Abschnitt 11 angeordnet wird, der Klebstoff des äußeren Abschnitts 11 zerdrückt und teilweise zum mittleren Abschnitt 12 verdrängt. Somit besteht die Möglichkeit, dass der Klebstoff des mittleren Abschnitts 12 vom Endabschnitt 3cg der zweiten Gasdiffusionsschicht 3c bis zu einer Oberseite ihres Außenumfangskantenabschnitts 3ce vorhanden ist. Wenn ja, besteht die Möglichkeit, dass der Klebstoff die Oxidationsmittelgasversorgungswege 31 verschließt, die durch den auf der zweiten Gasdiffusionsschicht 3c vorhandenen Kathodenseparator 4c definiert werden.
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Danach wird, wie in den 7 und 8 gezeigt ist, die Klebeschicht 10 ausgehärtet, um die Membran-Elektroden-Einheit 5, die zweite Gasdiffusionsschicht 3c und den Tragerahmen 2 zu einer Einheit auszubilden. Folglich werden die Membran-Elektroden-Einheit 5, die erste Gasdiffusionsschicht 3a, die zweite Gasdiffusionsschicht 3c und der Tragerahmen 2 zu einer Einheit ausgebildet.
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Genauer werden, wie in 7 gezeigt ist, zunächst ultraviolette Strahlen UV auf die Klebeschicht 10 abgestrahlt. In dem Fall, in dem als der Klebstoff der Klebeschicht 10 ein auf Polyisobutylen basierender Klebstoff verwendet wird, kann die Bestrahlungsbedingung ultravioletter Strahlen zum Beispiel 4500 mJ/cm2 sein. Zu diesem Zeitpunkt können die ultravioletten Strahlen UV durch den Vorsprungsabschnitt 22 hindurchgehen, da die Dicke des Vorsprungsabschnitts 22 ausreichend gering ist. Somit werden der mittlere Abschnitt 12 und der äußere Abschnitt 11 der Klebeschicht 10 primär ausgehärtet, wodurch der Vorsprungsabschnitt 22 und der Außenumfangskantenabschnitt E miteinander verbunden werden. Da die zweite Gasdiffusionsschicht 3c die ultravioletten Strahlen nicht hindurch lässt, wird der innere Abschnitt 13 der Klebeschicht 10 nicht ausgehärtet. Somit werden die zweite Gasdiffusionsschicht 3c und der Außenumfangskantenabschnitt E nicht aneinander gebunden. Durch diesen Vorgang werden die Membran-Elektroden-Einheit 5 und der Tragerahmen 2 zu einer Einheit ausgebildet. Dabei erfolgt kein Erwärmen. Dementsprechend wird der Tragerahmen 2 nicht erwärmt. Aus diesem Grund wird der Tragerahmen 2 nicht durch Erwärmen beeinflusst. Somit wird eine thermische Verformung des Tragerahmens 2 verhindert.
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Anschließend werden, wie in 8 gezeigt ist, die Membran-Elektroden-Einheit 5 und die zweite Gasdiffusionsschicht 3c erwärmt. Zum Beispiel werden die Membran-Elektroden-Einheit 5 und die zweite Gasdiffusionsschicht 3c durch einen Heißpressvorgang erwärmt und zusammengedrückt. Die Heißpressbedingungen können zum Beispiel 140°C und 5 Minuten sein. Somit werden die Elektrodenkatalysatorschicht 5c und die zweite Gasdiffusionsschicht 3c miteinander verbunden. Durch diesen Vorgang werden die Membran-Elektroden-Einheit 5 und die zweite Gasdiffusionsschicht 3c zu einer Einheit ausgebildet. Infolgedessen wird die Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Einheit 6 ausgebildet, die den Tragerahmen 2 aufweist. Dabei wird der innere Abschnitt 13 der Klebeschicht 10, nämlich die Klebeschicht 10 innerhalb der zweiten Gasdiffusionsschicht 3c, durch das Erwärmen im Heißpressvorgang hauptsächlich thermisch ausgehärtet. Somit werden die Membran-Elektroden-Einheit 5 und die zweite Gasdiffusionsschicht 3c durch den Klebstoff am inneren Abschnitt 13 der Klebeschicht 10 miteinander verbunden. Dabei werden die Membran-Elektroden-Einheit 5 und die zweite Gasdiffusionsschicht 3c erwärmt. Der Tragerahmen 2 wird nicht erwärmt. Aus diesem Grund wird der Tragerahmen 2 nicht durch das Erwärmen beeinflusst. Somit wird die thermische Verformung des Tragerahmens 2 verhindert.
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In dem oben genannten Beispiel ist die eine Seitenfläche 51 der Membran-Elektroden-Einheit 5 (die auf der Seite der ersten Gasdiffusionsschicht 3a vorhanden ist) eine anodenseitige Fläche, und die andere Seitenfläche 52 der Membran-Elektroden-Einheit 5 (die auf der Seite der zweiten Gasdiffusionsschicht 3c vorhanden ist) ist eine kathodenseitige Fläche. In einem anderen Beispiel kann die eine Seitenfläche der Membran-Elektroden-Einheit 5 eine kathodenseitige Fläche sein, und die andere Seite der Membran-Elektroden-Einheit 5 kann eine anodenseitige Fläche sein.
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Es wurden die Eigenschaften der Elementarbrennstoffzelle 1, die durch das oben genannte Herstellungsverfahren hergestellt wurde (nachstehend als „die Elementarzelle des Beispiels“ bezeichnet), mit den Eigenschaften einer Elementarbrennstoffzelle verglichen, die durch ein Herstellungsverfahren hergestellt wurde, das sich von dem oben genannten Herstellungsverfahren unterschied (nachstehend als „die Elementarzelle des Vergleichsbeispiels“ bezeichnet). Die Elementarzelle des Vergleichsbeispiels hat die in 9 dargestellte Gestaltung und verwendet das folgende Herstellungsverfahren. Und zwar wird zunächst eine Membran-Elektroden-Einheit 105 angefertigt, die auf einer Seitenfläche 151 eine erste Gasdiffusionsschicht 103a angeordnet hat. Dann wird auf einem Außenumfangskantenabschnitt E1 der anderen Seitenfläche 152 der Membran-Elektroden-Einheit 105 eine Klebeschicht 110 mit ultravioletter Härtbarkeit ausgebildet. Anschließend wird auf einem äußeren Abschnitt 111 der Klebeschicht 110 ein Innenumfangskantenabschnitt 122 eines Tragerahmens 102 angeordnet. Danach wird die Klebeschicht 110 mit ultravioletten Strahlen ausgehärtet, um den Tragerahmen 102 und die Membran-Elektroden-Einheit 105 miteinander zu verbinden. Anschließend wird auf einem inneren Abschnitt 113 der Klebeschicht 110 ein Außenumfangskantenabschnitt 103ce einer zweiten Gasdiffusionsschicht 103c angeordnet. Danach werden die erste Gasdiffusionsschicht 103a, die Membran-Elektroden-Einheit 105 und die zweite Gasdiffusionsschicht 103c heißgepresst, um eine Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Einheit auszubilden, die den Tragerahmen 102 aufweist. Bei diesem Herstellungsverfahren wird der Tragerahmen 102 nicht erwärmt und daher nicht thermisch verformt. Allerdings wird der Außenumfangskantenabschnitt 103ce der zweiten Gasdiffusionsschicht 103c durch die Klebeschicht 110 abgespreizt und angehoben.
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Zunächst wurde durch einen Zugscherhaftfestigkeitsversuch die Haftfestigkeit der Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Einheit und des Tragerahmens gemessen. 10 ist ein Diagramm, das die Zugscherhaftfestigkeit der Elementarzelle des Vergleichsbeispiels und der Elementarzelle des Beispiels darstellt. Die vertikale Achse gibt die Zugscherhaftfestigkeit mit einer beliebigen Einheit (b. E.) an. Es stellte sich heraus, dass die Zugscherhaftfestigkeit der Elementarzelle des Vergleichsbeispiels im Wesentlichen gleich der Zugscherhaftfestigkeit der Elementarzelle des Beispiels war. Dementsprechend lässt sich sagen, dass die Elementarzelle des Ausführungsbeispiels eine Haftfestigkeit hat, die der der Elementarzelle des Vergleichsbeispiels nicht unterlegen ist.
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Dann wurde die Oberflächendruckverteilung gemessen, die vorhanden war, als ein durchschnittlicher Oberflächendruck von 1 MPa zwischen der einen Seitenfläche (der Fläche auf Seiten der ersten Gasdiffusionsschicht) und der anderen Seitenfläche (der Fläche auf Seiten der zweiten Gasdiffusionsschicht) der Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Einheit aufgebracht wurde, indem auf der zweiten Gasdiffusionsschicht ein druckempfindliches Papier platziert wurde. Die 11 und 12 sind Fotos von druckempfindlichem Papier, die jeweils die Oberflächendruckverteilung der Elementarzelle des Vergleichsbeispiels und die Oberflächendruckverteilung der Elementarzelle des Ausführungsbeispiels zeigen. Bei der Elementarzelle des Vergleichsbeispiels war die Färbung am Außenumfangskantenabschnitt 103ce der zweiten Gasdiffusionsschicht 103c verhältnismäßig dunkel. Somit wurde festgestellt, dass der Oberflächendruck übermäßig auf den Außenumfangskantenabschnitt 103ce der zweiten Gasdiffusionsschicht 103c aufgebracht wird. Dementsprechend wurde bei der Elementarzelle des Vergleichsbeispiels bestätigt, dass sich in dem Außenumfangskantenabschnitt 103ce der zweiten Gasdiffusionsschicht 103c die zweite Gasdiffusionsschicht 103c mit der Klebeschicht 110 überlappt und angehoben wird (siehe 9). Andererseits ist die Färbung bei der Elementarzelle des Ausführungsbeispiels als Ganzes weniger einseitig, was den Außenumfangskantenabschnitt 3ce der zweiten Gasdiffusionsschicht 3c einschließt. Es wurde somit festgestellt, dass der Oberflächendruck auf die zweite Gasdiffusionsschicht 3c als Ganzes im Wesentlichen gleichmäßig aufgebracht wird. Dementsprechend wurde bei der Elementarzelle des Ausführungsbeispiels bestätigt, dass es möglich ist zu verhindern, dass sich die zweite Gasdiffusionsschicht 3c mit der Klebeschicht 10 überlappt und angehoben wird.
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In dem oben genannten Ausführungsbeispiel wird die Klebeschicht 10 auf dem Außenumfangskantenabschnitt E der Membran-Elektroden-Einheit 5 als Schicht aufgebracht, bevor der Tragerahmen 2 und die zweite Gasdiffusionsschicht 3c angeordnet werden. Es ist daher möglich, zuverlässig ein Freiliegen des Außenumfangskantenabschnitts E zu verhindern. Da der Tragerahmen 2 mit der Membran-Elektroden-Einheit 5 unter Verwendung der Klebeschicht 10 mit der ultravioletten Härtbarkeit verbunden wird, ist es möglich, eine thermische Verformung des Tragerahmens 2 zu vermeiden. Da die zweite Gasdiffusionsschicht 3c auf der Klebeschicht 10 angeordnet wird, bevor die Klebeschicht 10 ausgehärtet wird, kann die Klebeschicht 10 die zweite Gasdiffusionsschicht 3c durchdringen. Es ist daher möglich, die zweite Gasdiffusionsschicht 3c daran zu hindern, sich mit dem oberen Abschnitt der Klebeschicht 10 zu überlappen und angehoben zu werden. Gemäß dem oben beschriebenen Verfahren zur Herstellung einer Elementarbrennstoffzelle ist es möglich, den Tragerahmen 2, die Gasdiffusionsschicht 3 und die Membran-Elektroden-Einheit 5 zu einer Einheit auszubilden, ohne den Außenumfangskantenabschnitt E der Membran-Elektroden-Einheit 5 freizulegen und ohne den Tragerahmen 2 mit Wärme oder dergleichen zu verformen.
