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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzellen-Schicht für eine Brennstoffzelle, ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle und ein System zum Herstellen einer Brennstoffzellen-Schicht für eine Brennstoffzelle.
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Beim Stapeln eines Brennstoffzellen-Stapels werden nacheinander bis zu mehrere Hundert Brennstoffzellen-Schichten aufeinander gestapelt. Eine Reihenfolge der Brennstoffzellen-Schichten besteht dabei abwechselnd aus einer Bipolarplatte (BPP) gefolgt von einer Membran-Elektroden-Schicht (MEA). Dabei ist jeweils eine Membran-Elektroden-Schicht an ihrem Rand von einem Dichtungsmaterial umgeben, das dazu ausgebildet ist, ein Fließen von Medien bzw. Substanzen bei Durchführung einer chemischen Reaktion innerhalb der Brennstoffzellen-Schicht gegenüber der Umwelt abzudichten. Dabei wird das Dichtungsmaterial in einem Prozessschritt während einer Fertigung der Membran-Elektroden-Schicht an dieser angebracht. Hierbei wird zum Anbringen des Dichtungsmaterials ein Spritzguss-Verfahren (LIM) eingesetzt. Anschließend wird die Membran-Elektroden-Schicht aus einem Werkzeug zu deren Herstellung entnommen, ggf. gereinigt, geprüft oder zugeschnitten. Danach wird die Brennstoffzellen-Schicht mit dem Werkzeug zur Durchführung eines Stapelvorgangs bereitgestellt, mit dem aus mehreren Brennstoffzellen-Schichten der Brennstoffzellen-Stapel hergestellt wird.
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Allerdings ist hierbei zu berücksichtigen, dass der Rand der Membran-Elektroden-Schicht aus einem biegeweichen Material besteht, weshalb unter anderem ihre Ecken nicht formstabil sind. Deshalb muss in jedem Prozessschritt zum Herstellen des Brennstoffzellen-Stapels sichergestellt werden, dass eine jeweilige Brennstoffzellen-Schicht ihre ursprüngliche Form behält und bspw. deren Ecken nicht umknicken. Bei bisher bekannten Maßnahmen zum Herstellen einer Brennstoffzellen-Schicht sind zwei Prozessschritte notwendig, bei denen die Gefahr besteht, dass ein Rand der Brennstoffzellen-Schicht umknicken könnte. Bei diesen Prozessschritten handelt es sich um eine Entnahme der Brennstoffzellen-Schicht aus dem Werkzeug sowie ein Greifen der Brennstoffzellen-Schicht während des Stapelvorgangs.
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Die Druckschrift
DE 10 2005 058 370 A1 beschreibt eine Brennstoffzelle und ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle. Dabei umfasst die Brennstoffzelle zwei Bipolarplatten und eine Elektroden-Membran-Einheit. Dabei werden die Elektroden-Membran-Einheit und ein Trägerrahmen zusammengeführt und aneinander befestigt.
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Eine Brennstoffzellenanordnung und ein Verfahren zu deren Herstellung sind aus der Druckschrift
DE 11 2004 001 748 B4 bekannt.
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Aus der Druckschrift
WO 2010/053219 A1 ist eine bipolare Platte für eine Stapelanordnung einer Brennstoffzelle bekannt.
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Vor diesem Hintergrund war es eine Aufgabe, eine Brennstoffzellen-Schicht gegen Verformung zu sichern.
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Diese Aufgabe wird mit Verfahren und einem System mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausführungsformen der Verfahren und des Systems gehen aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung hervor.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Herstellen einer Brennstoffzellen-Schicht für eine Brennstoffzelle vorgesehen. Dabei wird zunächst auf einer Oberfläche einer Membran-Elektroden-Schicht mindestens eine Dichtung aufgebracht und somit angeordnet. Die Membran-Elektroden-Schicht mit der mindestens einen Dichtung wird direkt auf einer Bipolarplatte angeordnet, wobei die Brennstoffzellen-Schicht, die die Bipolarplatte, die Membran-Elektroden-Schicht und die mindestens eine Dichtung aufweist, hergestellt wird.
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Dabei wird die Membran-Elektroden-Schicht aufgrund einer Gravitation und/oder Haftreibung auf der Bipolarplatte temporär fixiert. Weiterhin ist vorgesehen, mehrere hergestellte Brennstoffzellen-Schichten übereinander zu stapeln und/oder zu schichten und dabei einen Brennstoffzellen-Stapel zu bilden. Dabei werden die Brennstoffzellen-Schichten verpresst, wobei u. a. eine Membran-Elektroden-Schicht und eine Bipolarplatte einer jeweiligen Brennstoffzellen-Schicht miteinander verbunden werden.
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In Ausgestaltung wird die mindestens eine Dichtung in einem Dichtungswerkzeug auf der Membran-Elektroden-Schicht aufgebracht. Außerdem wird die Bipolarplatte auf einem Positionierungswerkzeugs angeordnet. Die Membran-Elektroden-Schicht mit der mindestens einen aufgebrachten Dichtung wird aus einem Ausgabemodul des Dichtungswerkzeugs heraus auf der Bipolarplatte angeordnet.
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Hierbei ist vorgesehen, dass die Membran-Elektroden-Schicht mit der mindestens einen aufgebrachten Dichtung aus dem Ausgabemodul des Dichtungswerkzeugs ausgeworfen und auf der Bipolarplatte angeordnet wird.
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Die mindestens eine Dichtung wird üblicherweise durch ein Spritzgieß- bzw. Spritzgussverfahren bzw. einen Liquid Injection Molding (LIM)-Prozess auf der Membran-Elektroden-Schicht aufgebracht. Ein derartiges Spritzgießverfahren wird in dem und/oder mit dem Dichtungswerkzeug durchgeführt, wobei als Ausgangsmaterial Dichtungsmaterial auf der Membran-Elektroden-Schicht aufgebracht wird, wobei die mindestens eine Dichtung gebildet wird.
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Weiterhin ist es möglich, dass auf der Bipolarplatte mindestens eine weitere Dichtung aufgebracht wird, bevor die Membran-Elektroden-Schicht mit der mindestens einen Dichtung auf der Bipolarplatte mit der mindestens einen weiteren Dichtung aufgebracht wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Herstellen einer Brennstoffzelle aus mehreren Brennstoffzellen-Schichten vorgesehen, wobei mindestens eine Brennstoffzellen-Schicht durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wird.
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Bei diesem Verfahren werden die Brennstoffzellen-Schichten übereinander und/oder aufeinander angeordnet und somit gestapelt, wobei ein Brennstoffzellen-Stapel gebildet wird. Die übereinander gestapelten Brennstoffzellen-Schichten werden weiterhin verpresst, wobei die Brennstoffzelle hergestellt wird.
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In Ausgestaltung umfasst die herzustellende Brennstoffzelle mehrere übereinander gestapelte sowie verpresste Brennstoffzellen-Schichten und ist auch als Brennstoffzellen-Stapel ausgebildet und/oder zu bezeichnen. Die Brennstoffzelle wird aus einer Abfolge von mehreren übereinander bzw. aufeinander abwechselnd angeordneter Membran-Elektroden-Schichten und Bipolarplatten gebildet.
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Das erfindungsgemäße System ist zum Herstellen einer Brennstoffzellen-Schicht für eine Brennstoffzelle ausgebildet und weist ein Dichtungswerkzeug sowie ein Positionierungswerkzeug auf. Das Dichtungswerkzeug ist dazu ausgebildet, auf einer Oberfläche einer Membran-Elektroden-Schicht mindestens eine Dichtung aufzubringen und somit anzuordnen. Außerdem ist eine Bipolarplatte auf dem Positionierungswerkzeug anordenbar. Die Membran-Elektroden-Schicht mit der mindestens einen Dichtung ist direkt auf der Bipolarplatte anordenbar, wobei die Brennstoffzellen-Schicht, die die Bipolarplatte, die Membran-Elektroden-Schicht und die mindestens eine Dichtung aufweist, herstellbar ist.
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In Ausgestaltung weist das Dichtungswerkzeug ein Ausgabemodul und das Positionierungswerkzeug eine definierbare Position auf, auf der die Bipolarplatte anordenbar ist. In der Regel ist das Ausgabemodul direkt oberhalb der definierbaren Position des Positionierungswerkzeugs angeordnet. Dabei ist es möglich, das Positionierungswerkzeug und das Ausgabemodul relativ zueinander zu bewegen.
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Es ist möglich, dass das System mindestens ein Übergabemodul für die Membran-Elektroden-Schicht mit der mindestens einen Dichtung aufweist. Das Ausgabemodul und das Positionierungsmodul sind durch das mindestens eine Übergabemodul miteinander verbindbar. Das mindestens eine Übergabemodul ist dazu ausgebildet, die Membran-Elektroden-Schicht mit der mindestens einen Dichtung ausgehend von dem Ausgabemodul auf der an der definierbaren Position angeordneten Bipolarplatte anzuordnen.
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Im Rahmen des vorgestellten Verfahrens ist es unter Nutzung des vorgestellten Systems möglich, die Membran-Elektroden-Schicht, auf der die mindestens eine Dichtung unmittelbar angebracht wurde, auf der Bipolarplatte zu positionieren und somit eine mechanisch stabile Brennstoffzellen-Schicht herzustellen, wobei aus mehreren derartigen Brennstoffzellen-Schichten durch Stapeln dieser Brennstoffzellen-Schichten eine Brennstoffzelle herstellbar ist.
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In Ausgestaltung wird die Membran-Elektroden-Schicht direkt an dem Ausgabemodul des Dichtungswerkzeugs und somit an einem Ausgang dieses Dichtungswerkzeugs direkt auf der Bipolarplatte positioniert, wobei auf der Membran-Elektroden-Schicht bereits die mindestens eine Dichtung aufgebracht ist. Hierzu ist vorgesehen, dass die Bipolarplatte an dem Ausgabemodul und somit an einer Entnahmestelle des Dichtungswerkzeugs positioniert wird. Dies wird wiederum durch Positionieren des Positionierungswerkzeugs, das zur Aufnahme der Bipolarplatte vorgesehen ist, relativ zu dem Ausgabemoduls des Dichtungswerkzeugs erreicht. Somit ist es möglich, die Membran-Elektroden-Schicht mit der mindestens einen aufgebrachten Dichtung direkt aus dem Dichtungswerkzeug zu entnehmen und zugleich auf der Bipolarplatte anzuordnen, wobei direkt die Brennstoffzellen-Schicht gebildet wird.
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Hierbei ist in Ausgestaltung des Systems vorgesehen, dass das Positionierungswerkzeug mit der Bipolarplatte unmittelbar unter dem Ausgabemodul angeordnet wird. Die aus dem Ausgabemodul ausgegebene Membran-Elektroden-Schicht wird direkt aus dem Ausgabemodul in einer korrekten Position auf der Bipolarplatte angeordnet, üblicherweise aufgelegt, wobei die korrekte Position durch das Positionierungswerkzeug definierbar ist. Falls das Ausgabemodul in Ausgestaltung als Auswerfmodul ausgebildet ist, mit dem die Membran-Elektroden-Schicht aus dem Dichtungswerkzeug ausgeworfen wird, ist vorgesehen, dass die Membran-Elektroden-Schicht auch beim Auswerfen auf der korrekten Position angeordnet wird. Weitere nachfolgende Prozessschritte, bspw. ein Reinigen und/oder Prüfen der Brennstoffzellen-Schicht, sind nun direkt an dieser durchführbar.
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In möglicher Ausgestaltung des Verfahrens und des Systems ist vorgesehen, dass nach Herstellen jeweils einer Brennstoffzellen-Schicht deren Position in dem Positionierungsmodul beibehalten wird und dass nachfolgend eine weitere Bipolarplatte auf dieser Brennstoffzellen-Schicht auf dieser Bipolarplatte angeordnet wird. Außerdem wird mit dem Dichtungswerkzeug eine weitere Membran-Elektroden-Schicht mit mindestens einer Dichtung versehen und direkt aus dem Ausgabemodul des Dichtungswerkzeugs auf der weiteren Bipolarplatte angeordnet. Somit ist es unter anderem möglich, ausgehend von dem Dichtungswerkzeug mehrere Brennstoffzellen-Schichten übereinander anzuordnen und somit zu der Brennstoffzelle bzw. dem Brennstoffzellen-Stapel zu stapeln. Die übereinander gestapelten Brennstoffzellen-Schichten werden weiterhin miteinander verpresst und somit verbunden.
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Mit dem Verfahren ist eine Brennstoffzellen-Schicht mit einer formstabilen Umrandung herstellbar, wodurch ein technischer und zeitlicher Aufwand zum Herstellen der Brennstoffzelle reduziert werden. Jeweils eine Brennstoffzellen-Schicht ist aufgrund der Verbindung der Membran-Elektroden-Schicht mit der mindestens einen aufgebrachten Dichtung und der Bipolarplatte biegesteif, wodurch zum Herstellen der Brennstoffzelle einfachere Stapelvorgänge realisiert werden.
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Die Erfindung ist anhand einer Ausführungsform in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung schematisch und ausführlich beschrieben.
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1 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems.
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Die in 1 schematisch dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems umfasst als Komponenten ein Dichtungswerkzeug 4 und ein Positionierungsmodul 6. Dabei umfasst das Dichtungswerkzeug 4 ein Ausgabemodul 14, wobei das Positionierungsmodul 6 hier unmittelbar unter dem Ausgabemodul 14 angeordnet ist.
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Das Dichtungswerkzeug 4 ist dazu ausgebildet, auf jeweils einer Membran-Elektroden-Schicht 8 mindestens eine Dichtung 10 aufzubringen. Hierbei ist vorgesehen, dass die Membran-Elektroden-Schicht 8 dem Dichtungswerkzeug 4 zugeführt wird. Außerdem wird auf einer Oberfläche der Membran-Elektroden-Schicht 8 als Ausgangsmaterial für die mindestens eine Dichtung 10 Dichtungsmaterial 9 aufgebracht und somit angeordnet, wobei die mindestens eine Dichtung 10 auf der Oberfläche der Membran-Elektroden-Schicht 8 gebildet wird.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass eine Bipolarplatte 12 in dem Positionierungswerkzeug 6 aufgenommen und direkt unterhalb des Ausgabemoduls 14 des Dichtungswerkzeugs 4 angeordnet wird. Beim Durchführen einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Membran-Elektroden-Schicht 8 mit der mindestens einen darauf aufgebrachten Dichtung 10 direkt aus dem Ausgabemodul 14 des Dichtungswerkzeugs 4 ausgegeben und auf der Bipolarplatte 12 angeordnet.
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Bei der hier vorgestellten Ausführungsform des Systems 2 ist vorgesehen, dass das Dichtungsmaterial durch ein Spritzgießverfahren bzw. einen LIM-Prozess durch das Dichtungswerkzeug 4 und/oder innerhalb des Dichtungswerkzeugs 4 auf der Oberfläche der Membran-Elektroden-Schicht 8 angeordnet wird. Ein Herstellen und somit ein Bilden einer herzustellenden Brennstoffzellen-Schicht wird direkt im Anschluss an das Spritzgießen bzw. Spritzgießverfahren durch das Dichtungswerkzeug 4 durchgeführt. Die Bipolarplatte 12, auf der die Membran-Elektroden-Schicht 8 mit der mindestens einen Dichtung 10 anzuordnen ist, wird unmittelbar unter dem Ausgabemodul 14 angeordnet. Dabei ist es möglich, dass das Ausgabemodul 14 als Auswerfer ausgebildet wird, aus dem die Membran-Elektroden-Schicht 8 mit der mindestens einen Dichtung 10 ausgeworfen wird. Dabei ist es möglich, das Positionierungswerkzeug 6 mit der Bipolarplatte 12 in geringem Abstand unterhalb des Ausgabemoduls 14 anzuordnen, wodurch Verformungen der Membran-Elektroden-Schicht 8 vermieden werden. Sobald die aus dem Ausgabemodul 14 ausgegebene Membran-Elektroden-Schicht 8 mit der mindestens einen Dichtung 10 auf der Bipolarplatte 12 auf der korrekten Position aufliegt, ist die Herstellung der Brennstoffzellen-Schicht abgeschlossen.
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1 zeigt weiterhin ein Übergabemodul 16, mit dem es möglich ist, eine Bewegung der Membran-Elektroden-Schicht 8 aus dem Ausgabemodul 14 zu dem Positionierungsmodul 6 zu führen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005058370 A1 [0004]
- DE 112004001748 B4 [0005]
- WO 2010/053219 A1 [0006]
