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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle, bei welchem eine durchgängige Materialbahn bereitgestellt wird. Die Materialbahn durchläuft eine Mehrzahl von Bearbeitungsstationen. Durch einen Teil der durchgängigen Materialbahn wird eine erste Komponente der Membran-Elektroden-Anordnung gebildet. Zumindest eine zweite Komponente der Membran-Elektroden-Anordnung wird im Bereich der ersten Komponente mit der Materialbahn verbunden. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung.
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Es gibt also Bestrebungen, eine kontinuierliche Fertigung von Membran-Elektroden-Anordnungen zu erreichen. So beschreibt die
DE 11 2008 001 580 T5 eine kontinuierliche Förderung einer Elektrolytmembranbahn, welche in einer Mehrzahl von Bearbeitungsschritten mit weiteren Komponenten einer Membran-Elektroden-Anordnung bestückt wird. Hierbei werden über Bearbeitungswalzen zunächst die Katalysatormaterialien auf die Membran aufgebracht und dann die Gasdiffusionslagen. Zum Verbinden der Gasdiffusionslagen mit der katalysatorbeschichteten Membran kommt hierbei das Heißsiegeln zum Einsatz. Hierfür werden die Bearbeitungswalzen auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt. Da bei der
DE 11 2008 001 580 T5 die Elektrolytmembran der Herstellungsvorrichtung durchläuft, und da die Elektrolytmembran vergleichsweise empfindlich ist, ist bei dieser Herstellungsvorrichtung ein Zugentlastungsmechanismus vorgesehen.
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In der
DE 10 2015 010 440 , welche am Anmeldetag der vorliegenden Anmeldung noch nicht offengelegt war, ist ein weiteres Verfahren der kontinuierlichen Fertigung von Membran-Elektroden-Anordnungen beschrieben, welches mit Bezug auf
1 erläutert werden soll.
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1 zeigt stark schematisiert eine Vorrichtung 10 zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung 12, welche einen Rahmen 14 aufweist, in einem kontinuierlichen Druckverfahren. Hierbei wird von einer Rolle 16 eine durchgängige Materialbahn abgerollt, durch welche vorliegend ein Rahmenmaterial 18 der Membran-Elektroden-Anordnung 12 bereitgestellt ist. Aus dem Rahmenmaterial 18 ist entsprechend bei der fertigen Membran-Elektroden-Anordnung 12 der Rahmen 14 gebildet. In 1 gibt ein Pfeil 20 eine Förderrichtung oder Vorschubrichtung der Materialbahn durch die Vorrichtung 10 an. Als das Rahmenmaterial 18 kann beispielsweise ein Kunststoff wie Polyethylennaphthalat (PEN) zum Einsatz kommen, welcher von der Rolle 16 abgewickelt wird.
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Anhand von 1 lässt sich auch das Verfahren zum Herstellen der Membran-Elektroden-Anordnung 12 veranschaulichen, welches mit der kontinuierlich arbeitenden Vorrichtung 10 durchführbar ist. Hierbei wird in einem ersten Schritt eine als Hilfsträger dienende Trägerbahn 46 von einer Rolle 94 abgewickelt. In einem in 1 durch einen Kreis 96 veranschaulichten Schritt wird die Trägerbahn 46 vorliegend einseitig, in alternativen Ausführungsformen jedoch auch beidseitig, oberflächenbehandelt und anschließend mit einem Klebstoff bedruckt. Die entsprechende Druckoperation 98 ist in 1 durch einen weiteren Kreis veranschaulicht. Bei dem hierbei verwendeten Klebstoff kann es sich insbesondere um einen anderen als einen zum Verbinden der Komponenten der Membran-Elektroden-Anordnung 12 miteinander verwendeten Klebstoff handeln. Die als Hilfsträger dienende Trägerbahn 46 ist vorliegend nämlich in der fertig gestellten, aus dem Rahmenmaterial 18 ausgestanzten Membran-Elektroden-Anordnung 12 nicht mehr mit dem Rahmenmaterial 18 verbunden.
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Von der Rolle 16 wird das Rahmenmaterial 18 abgewickelt, kantengeregelt und einseitig (oder beidseitig) oberflächenbehandelt. Entsprechende Kreise 100 veranschaulichen diesen Verfahrensschritt. Des Weiteren werden bevorzugt Referenzpunkte oder dergleichen Registermarken auf das Rahmenmaterial 18 aufgedruckt. Eine entsprechende Druckoperation 102 ist ebenfalls in 1 veranschaulicht. Im Rahmen einer Härteoperation 104 werden diese Registermarken ausgehärtet. Die Registermarken dienen insbesondere der Regelung der in folgenden Verfahrensschritten mit dem Rahmenmaterial 18 beziehungsweise weiteren Komponenten der Membran-Elektroden-Anordnung 12 zu verbindenden Komponenten, insbesondere im Hinblick auf den Ort der Aufbringung.
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In einer Fügeoperation 106 werden die Trägerbahn 46 und das Rahmenmaterial 18 zusammengeführt, wobei vorliegend das Rahmenmaterial 18 oberhalb der Trägerbahn 46 positioniert wird. Der zuvor während der Druckoperation 98 auf die Trägerbahn 46 aufgebrachte Klebstoff stellt die Haftung zwischen der Trägerbahn 46 und dem Rahmenmaterial 18 sicher. In einem Aushärteschritt 108 wird dieser Klebstoff ausgehärtet. Ein Verbund, welcher das Rahmenmaterial 18 und die Trägerbahn 46 umfasst, wird vorliegend als Grundbahn bezeichnet. In einer Schneideoperation 112 wird in einem nächsten Schritt aus der Grundbahn von oben das Rahmenmaterial 18 durchtrennt. Die Trägerbahn 46 wird hierbei jedoch nicht durchschnitten.
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In einem nächsten Schritt wird das Rahmenmaterial 18 von oben mit dem Klebstoff bedruckt. Eine entsprechende Druckoperation ist in 1 durch einen weiteren Kreis 116 veranschaulicht. Anschließend erfolgt ein Aktivieren 118 des Klebstoffs. In einem nächsten Schritt wird eine Membran 26 von einer entsprechenden Rolle 120 abgewickelt. In einer weiteren Schneideoperation 122 wird die Membran 26 geschnitten und von oben auf die Grundbahn abgelegt. Eine entsprechende Fügeoperation 124 ist in 1 durch einen weiteren Kreis veranschaulicht.
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Anschließend wird die Membran 26 mit dem Klebstoff bedruckt. Eine entsprechende Druckoperation 128 ist in 1 durch einen weiteren Kreis veranschaulicht. Der Klebstoff wird in einem nächsten Schritt 130 aktiviert. Eine (beispielsweise kathodische) Gasdiffusionslage 36 wird von einer weiteren Rolle 126 abgewickelt. Anschließend erfolgt ein Schneiden 132 der kathodischen Gasdiffusionslage 36 und ein Ablegen 134 auf die Membran 26 von oben. Der Zustand, in welchem die kathodische Gasdiffusionslage 36 mit der Membran 26 durch den Klebstoff verbunden ist, die Membran 26 also von dem Rahmenmaterial 18 einerseits und von der Gasdiffusionslage 36 andererseits eingeschlossen ist, wird auch als Einkapseln oder Einkapselung („Encapsulation”) der Membran 26 bezeichnet. Hier muss eine absolute Dichtheit gewährleistet werden, damit im späteren Betrieb der Membran-Elektroden-Anordnung 12 kein Knallgas entstehen kann. Der Prozess zur Herstellung der Encapsulation ist daher einer der kritischsten im Betrieb der Anlage oder Vorrichtung 10.
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In einer nächsten Schneideoperation 138 wird die Grundbahn von unten geschnitten. Hierbei wird jedoch nur die Trägerbahn 46 durchtrennt. Der so entstandene Mittelteil des Trägers, also der Trägerbahn 46, wird mit dem bereits zuvor (nämlich während des Vornehmens der Schneideoperation 112) abgetrennten und mittels des Klebstoffs mit der Trägerbahn 46 verbundenen Bereich des Rahmenmaterials 18 nach unten als Abfall 142 abgezogen.
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Dadurch ist die Membran 26 beziehungsweise das Rahmenmaterial 18 nun von der Unterseite her zugänglich. Entsprechend wird das Rahmenmaterial 18 in einem nächsten Schritt mit dem Klebstoff bedruckt. Eine entsprechende Druckoperation 146 ist in 1 durch einen weiteren Kreis veranschaulicht. An diese Druckoperation 146 schließt sich erneut ein Aktivieren 148 des Klebstoffs an. Anschließend wird die zweite, vorliegend also beispielsweise anodische Gasdiffusionslage 38 von einer weiteren Rolle 144 abgewickelt. Anschließend wird der für die Membran-Elektroden-Anordnung 12 vorgesehene Bereich aus der in der Rolle 144 bereitgestellten Materialbahn herausgeschnitten, welcher die anodische Gasdiffusionslage 38 der Membran-Elektroden-Anordnung 12 bilden soll. Eine entsprechende Schneideoperation 150 ist in 1 durch einen weiteren Kreis veranschaulicht.
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In einer weiteren Fügeoperation 152 wird die ausgeschnittene Gasdiffusionslage 38 von unten gegen die nun freigelegte Membran 26 gedrückt. Hierbei bewirkt der Klebstoff das Verbinden der Gasdiffusionslage 38 mit dem Rahmenmaterial 18. In diesem Bereich braucht der Klebstoff jedoch keine Dichtfunktion bereitzustellen, sondern lediglich für den Zusammenhalt des Rahmenmaterials 18 mit der anodischen Gasdiffusionslage 38 zu sorgen.
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In einer weiteren Schneideoperation 154 wird die Grundbahn im Bereich des Rahmenmaterials 18 durchtrennt. Dadurch entsteht die fertige Membran-Elektroden-Anordnung 12 mit dem Rahmen 14. Der Rest der Grundbahn wird in einem weiteren Schritt nach oben als Abfall 156 abgezogen.
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Bei dieser Vorrichtung 10 beziehungsweise bei diesem Anlagenlayout zur Herstellung der Membran-Elektroden-Anordnung 12 wird beim Durchführen der Schneideoperation 112 ein aktiver Bereich aus dem Rahmenmaterial 18 ausgeschnitten, welcher auch als „Active Area” bezeichnet wird. Neben dieser Active Area werden in dieser Schneidoperation 112 auch die sogenannten Ports, durch welche die beiden Reaktionspartner Wasser- und Sauerstoff in die Brennstoffzelle strömen, ausgeschnitten. In dem aktiven Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung 12, in welchem die vorliegend mit einem Katalysator beschichtete Membran 26 (Catalyst Coated Membrane, CCM) in der Brennstoffzelle mit den Reaktanden beaufschlagt wird, findet die elektrochemische Brennstoffzellenreaktion statt. Bei diesem Ausschneiden erfolgt vorliegend ein Teilschnitt in der Grundbahn, bei welchem nur das Rahmenmaterial 18 durchtrennt wird, nicht jedoch die als Hilfsträger dienende Trägerbahn 46. Anschließend wird das Rahmenmaterial 18 mit einem Klebstoffrahmen bedruckt (Kreis 116), der Klebstoff aktiviert, die Membran 26 in das Klebstoffbett eingelegt und dann die Gasdiffusionslage 36 auf die Membran 26 abgelegt.
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Im weiteren Durchlauf der Materialbahn durch die Anlage wird die Grundbahn bestehend aus der Trägerbahn 46 und dem Rahmenmaterial 18 von unten angeschnitten und der Mittelsteg der Trägerbahn 46 zusammen mit dem für das Bereitstellen des aktiven Bereichs anfallenden Schneidabfall sowie dem Schneidabfall der Ports abgeführt.
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Die Trägerbahn 46 wird ausschließlich zur Stabilisierung des Rahmenmaterials 18 eingesetzt. Trotz des Vorsehens der als Hilfsträger dienenden Trägerbahn 46 schwächt das Ausschneiden des für den aktiven Bereich vorgesehenen Bereichs sowie der Ports aus dem Rahmenmaterial 18 das Rahmenmaterial 18 beziehungsweise die Rahmenbahn oder Framebahn. Entsprechend führt das Ausschneiden zu einer Verformung des Rahmenmaterials 18, etwa indem sich an dieser Stelle eine aufstehende Kante bildet. Dies erschwert das Aufbringen, insbesondere Aufdrucken, des Klebstoffs in dem durch den Kreis 116 veranschaulichten Schritt und das anschließende Fügen der Membran 26 und der Gasdiffusionslage 36 beim Ablegen 134 der Gasdiffusionslage 36 auf der Membran 26. Die Sicherstellung einer dichten Einkapselung der Membran 26 wird somit erschwert.
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Der Umgang mit der geschwächten Bahn des Rahmenmaterials gestaltet sich also als schwierig. Um das Rahmenmaterial zu stabilisieren, wird aktuell die Trägerbahn als Hilfsträgermaterial eingesetzt. Durch diese Trägerbahn wird das Rahmenmaterial während der Verarbeitung gestützt. Im Laufe der Fertigung der Membran-Elektroden-Anordnung wird jedoch die Trägerbahn entfernt und entsorgt. Es entstehen also zusätzliche Kosten für das Material der Trägerbahn und eine vergleichsweise aufwendige Anlagentechnik zum Handling dieses Materials ist erforderlich. Des Weiteren wird zusätzlicher Bauraum benötigt.
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Darüber hinaus kann der Hilfsträger in Form der Trägerbahn eine Verformung des Rahmenmaterials nicht vollständig verhindern. Nach dem Ausschneiden des für den aktiven Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung vorgesehenen Bereichs aus dem Rahmenmaterial kann es nämlich trotz des Vorsehens der Trägerbahn zu dem Verzug in dem Rahmenmaterial kommen, bevor das Rahmenmaterial mit dem Klebstoff bedruckt wird und die Membran und die Gasdiffusionslage gefügt werden. Das Fügen der Membran und der Gasdiffusionslage soll die Einkapselung sicherstellen, also das Abdichten der Membran durch den Rahmen einerseits und durch die Gasdiffusionslage andererseits.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird als die durchgängige Materialbahn ein Rahmenmaterial bereitgestellt, welches als die erste Komponente einen Rahmen der in die Brennstoffzelle verwendbaren Membran-Elektroden-Anordnung bildet. Der Rahmen fasst hierbei einen aktiven Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung ein. Hierbei wird zunächst die zumindest eine zweite Komponente der Membran-Elektroden-Anordnung im Bereich der ersten Komponente mit der Materialbahn verbunden. Erst in einem späteren Verfahrensschritt werden aus dem Rahmenmaterial der dem aktiven Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung entsprechende Bereich sowie die Ports herausgetrennt.
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Mit anderen Worten wird also die Prozessreihenfolge so angepasst, dass das Heraustrennen des dem aktiven Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung entsprechenden Bereichs sowie der Ports aus dem Rahmenmaterial erst dann erfolgt, wenn die zumindest eine zweite Komponente und das Rahmenmaterial gefügt wurden. In diesem Zustand ist die Materialbahn stabiler. Dieser vergleichsweise stabile Zustand der Materialbahn wird also vorliegend genutzt, indem zu diesem Zeitpunkt das Herausschneiden des für den aktiven Bereich vorgesehenen Bereichs aus dem Rahmenmaterial vorgenommen wird. Es kann somit auf den Einsatz eines Hilfsträgers etwa in Form der Trägerbahn verzichtet werden. Entsprechend werden die Materialkosten bei der Herstellung der Membran-Elektroden-Anordnung gesenkt. Denn das Hilfsträgermaterial in Form etwa der Trägerbahn kann eingespart werden. Dies führt zu einer einfacheren Anlagentechnik, und die gesamte Anlage beziehungsweise Vorrichtung kann besonders kompakt ausgeführt werden. Eine insgesamt kleinere Anlage oder Vorrichtung führt zu einer Kostenersparnis. Insbesondere können die hohen Kosten für den Platzbedarf eines Reinraums verringert werden, wenn der die Vorrichtung oder zumindest Teile der Vorrichtung aufnehmende Reinraum kleiner ausgelegt werden kann.
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Des Weiteren ist die Materialbahn während des Verbindens mit der zumindest einen zweiten Komponente der Membran-Elektroden-Anordnung noch nicht geschwächt. Insbesondere die Einkapselung oder Encapsulation der Membran kann somit verzugsfrei erfolgen. Und die Materialbahn kann verzugsfrei durch die Anlage oder Vorrichtung geführt werden. Dies gilt insbesondere beim Bedrucken des Rahmenmaterials mit Klebstoff und dem Zuspenden etwa einer Membran und/oder eines Gasdiffusionselements als der zumindest einen zweiten Komponente, welche mit dem Rahmenmaterial verbunden wird. Es lässt sich somit eine besonders hohe Prozesssicherheit erreichen. Dies gilt insbesondere für den fertigungstechnisch besonders kritischen Schritt der Einkapselung.
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Durch die Anpassung der Prozessreihenfolge wird also eine Stabilisierung des Rahmenmaterials vor dem Heraustrennen des dem aktiven Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung entsprechenden Bereichs und beim Erstellen der Einkapselung ermöglicht. Entsprechend ist ein verbessertes Verfahren geschaffen.
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Die Membran-Elektroden-Anordnung dient dem Einsatz in einer sogenannten Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle. Der prinzipielle Aufbau einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle – kurz PEMFC – ist wie folgt. Die PEMFC enthält eine Membran-Elektroden-Anordnung – kurz MEA, die aus einer Anode, einer Kathode und einer dazwischen angeordneten Polymer-Elektrolyt-Membran (auch Ionomer-Membran) – kurz PEM – aufgebaut ist. Die MEA ist ihrerseits wiederum zwischen zwei Separatorplatten angeordnet, wobei eine Separatorplatte Kanäle für die Verteilung von Brennstoff aufweist und die andere Separatorplatte Kanäle für die Verteilung von Oxidationsmittel und wobei die Kanäle der MEA zugewandt sind. Die Kanäle bilden eine Kanalstruktur, ein sogenanntes Flow Field oder Strömungsfeld. Die Elektroden, Anode und Kathode, sind im Allgemeinen als Gasdiffusionselektroden – kurz GDE – ausgebildet. Diese haben die Funktion, den bei der elektrochemischen Reaktion (zum Beispiel 2H2 + O2 → 2H2O) erzeugten Strom abzuleiten und die Reaktionsstoffe, Edukte und Produkte, durchdiffundieren zu lassen. Eine GDE kann wenigstens eine Gasdiffusionsschicht beziehungsweise Gasdiffusionslage – kurz GDL – umfassen. Eine jeweilige Katalysatorschicht, welche der PEM zugewandt ist, kann ebenfalls durch die GDE bereitgestellt werden. An der Katalysatorschicht läuft die elektrochemische Reaktion ab. Die anodische Katalysatorschicht und die kathodische Katalysatorschicht können jedoch auch auf eine jeweilige Hauptoberfläche der PEM aufgebracht sein. In diesem Fall wird im Allgemeinen von einer Catalyst Coated Membrane – kurz CCM – gesprochen, also von einer mit einem Katalysator beschichteten Membran.
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Die GDE kann ferner noch eine Gasverteilungslage aufweisen, die sich der Gasdiffusionslage anschließt und die in der PEMFC einer Separatorplatte zugewandt ist. Gasdiffusionslage und Gasverteilungslage unterscheiden sich vor allem in ihren Porengrößen und damit in der Art des Transportmechanismus für einen Reaktionsstoff (Diffusion beziehungsweise Verteilung).
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Eine derartige Brennstoffzelle kann bei relativ geringen Betriebstemperaturen elektrischen Strom mit hoher Leistung erzeugen. Reale Brennstoffzellen sind meist zu so genannten Brennstoffzellenstapeln – kurz Stacks – gestapelt, um eine hohe Leistungsabgabe zu erzielen, wobei anstelle der monopolaren Separatorplatten bipolare Separatorplatten, so genannte Bipolarplatten, eingesetzt werden und monopolare Separatorplatten nur die beiden endständigen Abschlüsse des Stacks bilden. Sie werden zum Teil Endplatten genannt und können sich baulich erheblich von den Bipolarplatten unterscheiden.
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Die Bipolarplatten sind im Allgemeinen aus zwei Teilplatten zusammengesetzt. Diese Teilplatten weisen im Wesentlichen komplementäre und bezüglich einer Spiegelebene spiegelbildliche Formen auf. Die Teilplatten müssen aber nicht zwingend spiegelbildlich sein. Wichtig ist lediglich, dass sie zumindest eine gemeinsame Berührungsfläche aufweisen, an der sie verbunden werden können. Die Teilplatten weisen eine unebene Topographie auf. Hierdurch entstehen an den jeweils voneinander weg weisenden Oberflächen der Teilplatten die vorstehend bereits erwähnten Kanalstrukturen. An den jeweils aufeinander zuweisenden Oberflächen der Teilplatten besteht zum Beispiel bei geprägten metallischen Teilplatten die zur oben genannten Kanalstruktur komplementäre Kanalstruktur. Beim Aufeinanderlegen der beiden Teilplatten entsteht dadurch zwischen den Teilplatten, auf deren zueinander hin weisenden Oberflächen, ein Hohlraum, welcher aus einem System mehrerer miteinander verbundener Tunnels besteht. Der Hohlraum beziehungsweise das System der Tunnels ist durch eine im Wesentlichen die Teilplatten im Randbereich umlaufende Fügung flüssigkeitsdicht umrandet, wobei Öffnungen zur Kühlmittelzufuhr und -abfuhr vorgesehen sind, sodass der Hohlraum für die Verteilung eines Kühlmittels genutzt werden kann.
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Somit gehört zu den Aufgaben einer Bipolarplatte: Die Verteilung von Oxidationsmittel und von Reduktionsmittel; die Verteilung von Kühlmittel und somit die Kühlung (besser gesagt Temperierung) der Brennstoffzellen; die fluidische Trennung der Einzelzellen eines Stacks voneinander; ferner die elektrische Kontaktierung der hintereinander geschalteten Einzelzellen eines Stacks und somit die Durchleitung des von den Einzelzellen erzeugten elektrischen Stroms.
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Bevorzugt wird als die zumindest eine zweite Komponente eine Membran mit dem Rahmenmaterial verbunden. Die Membran kann insbesondere mit wenigstens einem Katalysatormaterial versehen werden, es kann also das Rahmenmaterial mit einer mit Katalysatormaterial beschichteten Membran (CCM) verbunden werden.
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Vorzugsweise wird auf zumindest eine der Komponenten wenigstens ein Klebestoff aufgebracht, welcher das Verbinden der ersten Komponenten mit der zumindest einen zweiten Komponente bewirkt.
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Insbesondere hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn der wenigstens eine Klebstoff auf die Membran aufgebracht wird, wobei wenigstens ein Gasdiffusionselement mittels des wenigstens einen Klebstoffs mit dem Membran verbunden wird. Anschließend wird dann aus dem Rahmenmaterial der dem aktiven Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung entsprechende Bereich herausgetrennt. Bevorzugt wird also der Active Area-Schnitt (also das Heraustrennen des für den aktiven Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung vorgesehenen Bereichs aus der Materialbahn) dann durchgeführt, wenn die Membran bereits eingekapselt ist. Der Active Area-Schnitt erfolgt also bevorzugt erst nach dem Fügen der Membran und der Gasdiffusionslage beziehungsweise des Gasdiffusionselements. Denn dann ist die Materialbahn besonders stabil.
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Wenn die Membran und die Gasdiffusionslage von oben auf das Rahmenmaterial aufgebracht und gefügt werden, so kann die Schneidoperation, nämlich das Heraustrennen des dem aktiven Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung entsprechenden Bereichs aus dem Rahmenmaterial, von unten erfolgen. Bei dieser Schneidoperation wird jedoch lediglich das Rahmenmaterial durchtrennt. Mit anderen Worten wird ein Teilschnitt durchgeführt, bei dem weder die Membran noch die Gasdiffusionslage verletzt werden. Vielmehr wird lediglich das Rahmenmaterial durchtrennt. Eine derartige Schneidoperation wird auch als Kiss-Cut-Operation oder Kiss-Cut-Verfahren bezeichnet, also wörtlich als „Kuss-Schnitt-Verfahren”, da bei diesem lediglich ein sanfter Schnitt vorgenommen wird.
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Bevorzugt wird der Verschnitt, also der aus der den Rahmen bildenden Materialbahn heraus getrennte Bereich, an derselben Bearbeitungsstation beziehungsweise in demselben Modul abgeführt, an welcher beziehungsweise in welchem das Heraustrennen erfolgt.
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Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn nach dem Heraustrennen des dem aktiven Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung entsprechenden Bereichs aus dem Rahmenmaterial wenigstens ein Klebstoff auf das Rahmenmaterial aufgebracht wird. Hierbei wird anschließend wenigstens ein weiteres Gasdiffusionselement mittels des wenigstens einen Klebstoffs mit dem Rahmenmaterial verbunden. Durch Vereinzeln entsprechender Stücke aus der das Rahmenmaterial bildenden Materialbahn kann so die fertig gestellte Membran-Elektroden-Anordnung erhalten werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle umfasst eine Mehrzahl von Bearbeitungsstationen zum Bearbeiten einer durchgängigen Materialbahn, welche die Bearbeitungsstationen durchläuft. Durch einen Teil der durchgängigen Materialbahn kann eine erste Komponente der Membran-Elektroden-Anordnung bereitgestellt werden. Eine erste Bearbeitungsstation ist zum Bereitstellen eines Rahmenmaterials als der durchgängigen Materialbahn ausgebildet, welches als die erste Komponente einen Rahmen der in der Brennstoffzelle verwendbaren Membran-Elektroden-Anordnung bildet. Der Rahmen fasst einen aktiven Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung ein. Eine zweite Bearbeitungsstation ist zum Verbinden zumindest einer zweiten Komponente der Membran-Elektroden-Anordnung im Bereich der ersten Komponente mit der Materialbahn ausgebildet. Eine dritte Bearbeitungsstation, welche der zweiten Bearbeitungsstation nachgeschaltet ist, ist dazu ausgebildet, in einem späteren Verfahrensschritt aus dem Rahmenmaterial den dem aktiven Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung entsprechenden Bereich herauszutrennen.
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Die für das erfindungsgemäße Verfahren beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für die erfindungsgemäße Vorrichtung.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind somit auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
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1 in einer schematischen Darstellung eine Vorrichtung für eine kontinuierliche Fertigung einer mit einem Rahmen versehenen Membran-Elektroden-Anordnung gemäß dem Stand der Technik;
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2 eine alternative Vorrichtung für eine kontinuierliche Fertigung einer mit einem Rahmen versehenen Membran-Elektroden-Anordnung.
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Zur Erläuterung der in 1 gezeigten Vorrichtung 10 zum Fertigen einer Membran-Elektroden-Anordnung 12 für eine Brennstoffzelle wird auf die Ausführungen im einleitenden Teil der vorliegenden Beschreibung verwiesen.
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Bei einer schematisch in 2 gezeigten, alternativen Vorrichtung 22 zum Fertigen der Membran-Elektroden-Anordnung 12 in einem kontinuierlichen Fertigungsverfahren wird an einer ersten Bearbeitungsstation 24 das Rahmenmaterial 18 von der Rolle 16 abgewickelt, kantengeregelt und einseitig (oder beidseitig) oberflächenbehandelt. Die entsprechenden Kreise 100 veranschaulichen diese Schritte der Oberflächenbehandlung. Anschließend werden bevorzugt in der Druckoperation 102 die Referenzpunkte oder Registermarken auf das Rahmenmaterial 18 aufgedruckt. Durch die Härteoperation 104 werden diese Registermarken ausgehärtet, welche in folgenden Verfahrensschritten insbesondere der Regelung der mit dem Rahmenmaterial 18 beziehungsweise weiteren Komponenten der Membran-Elektroden-Anordnung 12 zu verbindenden Komponenten dienen, insbesondere im Hinblick auf den Ort der Aufbringung. Auch in 2 gibt der Pfeil 20 eine Förderrichtung oder Vorschubrichtung der Materialbahn in Form des Rahmenmaterials 18 durch die Vorrichtung 22 an.
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Der Kreis 116 veranschaulicht das in einer weiteren Druckoperation erfolgende Aufbringen von Klebstoff von oben auf das Rahmenmaterial 18. Anschließend erfolgt das Aktivieren 118 des Klebstoffs. An einer weiteren Bearbeitungsstation 28 wird die Membran 26 von der Rolle 120 abgewickelt. In der Schneidoperation 122 wird die Membran 26 geschnitten und in der Fügeoperation 124 mittels des Klebstoffs mit dem Rahmenmaterial 18 verbunden.
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Anschließend wird die Membran 26 in der Druckoperation 128 mit dem Klebstoff bedruckt. Auch dieser Klebstoff wird im nächsten Schritt 130 aktiviert. Des Weiteren wird die (beispielsweise anodische) Gasdiffusionslage 36 von der weiteren Rolle 126 abgewickelt. Es folgt das Schneiden 132 der Gasdiffusionslage 36 und das Ablegen 134 der Gasdiffusionslage 36 auf der mit dem Klebstoff bedruckten Membran 26 von oben. An dieser Stelle erfolgt also das Einkapseln der Membran 26.
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An einer weiteren Bearbeitungsstation 30 wird eine Schneidoperation 32 vorgenommen. Durch diese Schneidoperation 32 wird aus dem Rahmenmaterial 18 ein Bereich herausgetrennt, welcher dem aktiven Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung 12 entspricht. Es wird also der aktive Bereich der Membran 26 freigelegt, in welchem die Reaktanden oder Reaktionsgase bei der Brennstoffzellenreaktion der (vorliegend mit dem Katalysator beschichteten) Membran 26 (CCM) zugeführt werden. Gemeinsam mit dem aktiven Bereich werden in dieser Schneidoperation 32 auch die Ports herausgetrennt. Diese können nun jedoch auch gemeinsam mit der Außenkontur ausgeschnitten werden. Diese Schneidoperation 32 wird vorliegend von unten vorgenommen. Jedoch wird bei der Schneidoperation 32 lediglich das Rahmenmaterial 18 durchtrennt. Es erfolgt also ein Teilschnitt, bei welchem die Membran 26 und die Gasdiffusionslage 36 nicht verletzt werden. Eine derartige Schneidoperation 32 wird auch als Kiss-Cut-Operation bezeichnet, da ein sanfter Schnitt durchgeführt wird. An derselben Bearbeitungsstation 30 wird ein Verschnitt 34, also der aus dem Rahmenmaterial 18 heraus getrennte Bereich der Materialbahn, als Abfall 40 abgeführt.
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Nach diesem Heraustrennen des dem aktiven Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung 12 entsprechenden Bereichs aus der Materialbahn in Form des Rahmenmaterials 18 sind die Membran 26 beziehungsweise der den Rahmen 14 der Membran-Elektroden-Anordnung 12 bildende Bereich des Rahmenmaterials 18 derart zugänglich, dass die zweite (vorliegend kathodische) Gasdiffusionslage 38 mit dem Rahmenmaterial 18 verbunden werden kann.
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Hierfür wird zunächst in der Druckoperation 146 das Rahmenmaterial 18 von unten mit Klebstoff bedruckt. Anschließend erfolgt das Aktivieren 148 des Klebstoffs. Die kathodische Gasdiffusionslage 38 wird von der weiteren Rolle 144 abgewickelt. In der Schneidoperation 150 wird der für die Membran-Elektroden-Anordnung 12 vorgesehene Bereich aus der in der Rolle 144 bereitgestellten Materialbahn herausgeschnitten, welcher die Gasdiffusionslage 38 der Membran-Elektroden-Anordnung 12 bilden soll. In der Fügeoperation 152 wird die ausgeschnittene Gasdiffusionslage 38 von unten gegen die Membran 26 gedrückt. Hierbei bewirkt der Klebstoff das Verbinden der Gasdiffusionslage 38 mit dem Rahmenmaterial 18.
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In der weiteren Schneidoperation 154 wird das Rahmenmaterial 18 durchtrennt. Dabei wird entweder nur die Außenkontur oder, wie oben beschrieben, die Außenkontur gemeinsam mit den Ports beschnitten. Durch dieses Vereinzeln wird die fertige Membran-Elektroden-Anordnung 12 erzeugt, welche den Rahmen 14 umfasst. Das übrige Rahmenmaterial 18, also der Verschnitt des Rahmenmaterials 18, wird in einem weiteren Schritt nach oben als Abfall 42 abgezogen.
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Die Materialbahn in Form des Rahmenmaterials 18 ist bei dem in der Vorrichtung 22 angewendeten Verfahren während der Erstellung der Einkapselung noch nicht geschwächt und kann somit verzugsfrei durch die Vorrichtung 22 geführt werden. Das Bedrucken mit dem Klebstoff erfolgt vor dem Zuspenden der Membran 26 und nach dem Zuspenden der Membran 26 also vor dem Zuspenden der Gasdiffusionslage 36. Somit erfolgt dieser Schritt der Einkapselung der Membran 26 mit einer besonders großen Prozesssicherheit. Des Weiteren kann Hilfsträgermaterial eingespart werden, und mit der einfacheren Anlagentechnik der Vorrichtung 22 geht ein Kostenersparnis einher. Dies gilt insbesondere im Hinblick auf die kleinere Auslegung eines für die Vorrichtung 22 oder Teile der Vorrichtung 22 vorzusehenden Reinraums.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 112008001580 T5 [0002, 0002]
- DE 102015010440 [0003]
