DE102018120411A1

DE102018120411A1 - Verfahren zur herstellung einer umspritzten modularelektrodenanordnung

Info

Publication number: DE102018120411A1
Application number: DE102018120411.6A
Authority: DE
Inventors: Jeffrey A Rock
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-08-22
Filing date: 2018-08-21
Publication date: 2019-02-28
Also published as: CN109428086A; US20190067719A1

Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen einer gestuften MEA beinhaltet die Schritte des Bereitstellens einer Hauptdiffusionsschicht, einer PAM-Schicht und einer Nebendiffusionsschicht auf einer unteren Stützform; Einschließen der Hauptdiffusionsschicht, einer PAM-Schicht und einer Nebendiffusionsschicht in der unteren Stützform und der oberen Form; Einspritzen eines Polymermaterials in die Form; Durchdringen des polymeren Materials in einen Umfangskantenbereich jeder der Haupt- und Nebendiffusionsschichten und Formen des Polymermaterials direkt auf den Umfangskantenbereich der PAM; und Entfernen der umspritzten MEA von der oberen Form und der unteren Stützform.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung und insbesondere ein Verfahren zum Herstellen einer robusten Anordnung einer Modularelektrodenanordnung mit einer umspritzten Unterdichtung.
HINTERGRUND
Brennstoffzellen werden in vielen Anwendungen als elektrische Energiequelle verwendet. Es wird insbesondere vorgeschlagen, als Ersatz für Verbrennungsmotoren Brennstoffzellen in Automobilen einzusetzen. Für den Ionentransport zwischen Anode und Kathode arbeitet eine häufig verwendete Brennstoffzellenausführung mit einer Festpolymerelektrolytmembran („Solid Polymer Electrolyte, SPE“) oder einer Protonenaustauschmembran („Proton Exchange Membrane, PEM“).
Brennstoffzellen sind im Allgemeinen eine elektrochemische Vorrichtung, die die chemische Energie eines Kraftstoffs (Wasserstoff, Methanol usw.) und eines Oxidationsmittels (Luft oder reiner Sauerstoff) in Gegenwart eines Katalysators in Elektrizität, Wärme und Wasser umwandelt. Brennstoffzellen produzieren saubere Energie während der elektrochemischen Umwandlung des Brennstoffs. Dadurch sind sie umweltfreundlich, da sie keine oder nur sehr geringe Emissionen verursachen. Darüber hinaus bieten Brennstoffzellen ein System mit hoher Energieerzeugung von einigen Watt bis zu Hunderten von Kilowatt mit Wirkungsgraden, die wesentlich höher als ein herkömmlicher Verbrennungsmotor sind. Brennstoffzellen haben aufgrund der wenigen beweglichen Teile auch eine geringe Geräuschentwicklung.
In Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen wird der Anode Wasserstoff als Brennstoff zugeführt und der Kathode wird Sauerstoff als Oxidationsmittel zugeführt. Der Sauerstoff kann entweder in reiner Form (O₂) oder als Luft (eine Mischung aus O₂ und N₂) vorliegen. PEM-Brennstoffzellen besitzen typischerweise eine Membran-Elektroden-Einheit („Membrane Elektrode Assembly, MEA“), in der eine feste Polymermembran auf einer Seite einen Anodenkatalysator und auf der gegenüberliegenden Seite einen Kathodenkatalysator aufweist. Die Anoden- und Kathodenschichten einer typischen PEM-Brennstoffzelle sind aus porösen leitenden Materialien ausgebildet, wie beispielsweise gewebtem Graphit, graphitisierten Blättern oder Kohlepapier, damit der Kraftstoff über die Oberfläche der Membran dispergieren kann, die der Kraftstoffversorgungselektrode zugewendet ist. Jede Elektrode hat fein verteilte Katalysatorpartikel (beispielsweise Platinpartikel), die von Kohlenstoffpartikeln getragen werden und die die Oxidation von Wasserstoff an der Kathode und die Reduktion von Sauerstoff an der Anode fördern. Protonen fließen von der Anode durch die ionisch leitfähige Polymermembran zu der Kathode, wo sie mit Sauerstoff kombinieren, um Wasser zu bilden, das aus der Zelle ausgeleitet wird. Die Protonenaustauschmembran ist zwischen einem Paar poröser Gasdiffusionsschichten („GDL“) angeordnet, die wiederum zwischen einem Paar nicht poröser, elektrisch leitfähiger Elemente oder Platten (z. B. Strömungsfeldplatten) angeordnet sind. Die Platten fungieren als Stromabnehmer für die Anode und die Kathode und enthalten darin ausgebildete geeignete Kanäle und Öffnungen zur Verteilung der gasförmigen Reaktanten der Brennstoffzelle über der Oberfläche der jeweiligen Anoden- und Kathodenkatalysatoren. Um effizient Elektrizität zu produzieren, muss die Polymerelektrolytmembran einer PEM-Brennstoffzelle dünn, chemisch stabil, protonendurchlässig, nicht elektrisch leitend und gasundurchlässig sein. In typischen Anwendungen werden Brennstoffzellen in Anordnungen von vielen einzelnen Brennstoffzellenstapeln vorgesehen, um ein hohes Maß an elektrischer Energie bereitzustellen.
Wie in 2A-2B gezeigt, können Dichtungen in einer herkömmlichen Modularelektrodenanordnung 110 durch Integrieren der geraden Kante 167 der MEA mit der Unterdichtung 134 durch Imprägnieren der porösen Elektrodenschichten 122, 120 auf jeder Seite der Protonenaustauschmembran 124 integriert werden, wie in 1 gezeigt. Die Unterdichtung 134 kann sich seitlich über die gleichförmige oder gerade Kante 167 der MEA 110 hinaus erstrecken und umhüllt ihren Umfang. Angesichts der Viskosität des elastomeren Dichtungsmaterials 132 neigen die mikroporösen Schichten 120, 122 und die PAM 124 jedoch dazu, sich zu biegen und zu brechen, wie in 1 gezeigt, da das elastomere Material 132 an die mikroporösen Schichten 120, 122 in der Form 155 angeformt wird und diese durchdringt, wodurch Undichtigkeiten in der Struktur verursacht werden. 2A zeigt eine beispielhafte herkömmliche umspritzte MEA 110, das auf einer Bipolarplatte 116 angeordnet ist, während 2B eine exemplarische herkömmliche Brennstoffzellenanordnung 112 mit der herkömmlichen umspritzten MEA 110 und den Bipolarplatten 114, 116 zeigt. Dementsprechend besteht ein Bedarf an einem Herstellungsverfahren, das eine robuste Modularelektrodenanordnung und/oder Brennstoffzellenanordnung bereitstellt, die ein verringertes Risiko eines Brechens und/oder von Undichtigkeiten in den Gasdiffusionsschichten aufweist.
KURZDARSTELLUNG
Die vorliegende Offenbarung stellt eine gestufte umspritzte MEA zur Verwendung in einer Brennstoffzellenanordnung bereit. Die gestufte MEA enthält eine Hauptdiffusionsschicht, eine Nebendiffusionsschicht, eine umspritzte Unterdichtung und eine Protonenaustauschmembranschicht, die zwischen der Hauptdiffusionsschicht und der Nebendiffusionsschicht angeordnet ist. Die umspritzte Unterdichtung kann direkt an den Umfangskantenbereich für die Hauptdiffusionsschicht, die Nebendiffusionsschicht und die Protonenaustauschmembranschicht geformt werden.
In noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine Brennstoffzellenanordnung bereitgestellt, die eine erste Bipolarplatte, eine zweite Bipolarplatte und eine gestufte MEA mit einer umspritzten Unterdichtung aufweist, die zwischen der ersten Bipolarplatte und der zweiten Bipolarplatte angeordnet ist. Die gestufte MEA umfasst ferner eine Hauptdiffusionsschicht, eine Nebendiffusionsschicht und eine Protonenaustauschmembranschicht, die zwischen der Hauptdiffusionsschicht und der Nebendiffusionsschicht angeordnet ist. Es versteht sich, dass die Nebendiffusionsschicht einen Flächenbereich aufweist, der kleiner ist als jede der Hauptdiffusionsschicht und der Protonenaustauschmembranschicht. Die Hauptdiffusionsschicht und die Protonenaustauschmembranschicht können Flächenbereiche aufweisen, die im Wesentlichen äquivalent in der Größe sind.
Ein Verfahren zum Herstellen einer gestuften MEA beinhaltet die Schritte des Bereitstellens einer Hauptdiffusionsschicht, einer PAM-Schicht und einer Nebendiffusionsschicht auf einer unteren Stützform; Einschließen der Hauptdiffusionsschicht, einer PAM-Schicht und einer Nebendiffusionsschicht in der unteren Stützform und der oberen Form; Einspritzen eines Polymermaterials in die Form; Durchdringen des polymeren Materials in einen Umfangskantenbereich jeder der Haupt- und Nebendiffusionsschichten und Formen des Polymermaterials direkt auf den Umfangskantenbereich der PAM; und Entfernen der umspritzten MEA von der oberen Form und der unteren Stützform.
Die vorliegende Offenbarung und ihre besonderen Eigenschaften und Vorteile wird aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen offensichtlicher werden.
Figurenliste
Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung, dem besten Modus, den Ansprüchen und den dazugehörigen Zeichnungen ersichtlich:

1 ist eine schematische Querschnittsansicht einer herkömmlichen umspritzten MEA an einem Formanguss.
2A ist eine schematische Querschnittsansicht der herkömmlichen umspritzten MEA auf einer zweiten Bipolarplatte.
2B ist eine schematische Querschnittsansicht der herkömmlichen Brennstoffzellenanordnung mit einer umspritzten MEA, die zwischen einer ersten Bipolarplatte und einer zweiten Bipolarplatte angeordnet ist.
3A ist eine schematische Querschnittsansicht einer exemplarischen nichtbeschränkenden umspritzten MEA auf einer zweiten Bipolarplatte.
3B ist eine schematische Querschnittsansicht einer exemplarischen nicht einschränkenden Brennstoffzellenanordnung mit einer umspritzten MEA, die zwischen einer ersten Bipolarplatte und einer zweiten Bipolarplatte angeordnet ist
4 ist eine schematische Querschnittsansicht einer exemplarischen umspritzten MEA, die innerhalb eines Formangusses gemäß der vorliegenden Offenbarung angeordnet ist.
5 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Beispiel eines nicht einschränkenden Verfahrens zum Herstellen der gestuften MEA veranschaulicht.

Gleiche Referenznummern beziehen sich auf gleiche Teile in der Beschreibung der verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es wird nun im Detail auf derzeit bevorzugte Zusammensetzungen, Ausführungsformen und Verfahren der vorliegenden Offenbarung Bezug genommen, welche die besten Arten der Durchführung der vorliegenden Offenbarung darstellen, die den Erfindern gegenwärtig bekannt sind. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstäblich. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich exemplarisch für die vorliegende Offenbarung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden kann. Daher sind die spezifischen Details, die hierin offenbart werden, nicht als Beschränkungen zu verstehen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage für jegliche Aspekte der vorliegenden Offenbarung und/oder dienen nur als repräsentative Grundlage, um Fachleuten auf dem Gebiet die verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten zu vermitteln.
Außer in den Beispielen oder wenn ausdrücklich erwähnt, sind alle nummerischen Angaben über Materialmengen oder Reaktions- und/oder Nutzungsbedingungen in dieser Beschreibung so zu verstehen, dass sie durch den Zusatz „etwa“ modifiziert werden, sodass sie den weitestmöglichen Umfang der vorliegenden Offenbarung beschreiben. Das Ausführen innerhalb der angegebenen nummerischen Grenzen wird im Allgemeinen bevorzugt. Ferner, wenn nicht ausdrücklich anders angegeben: Prozent, „Teile von“ und Verhältniswerte nach Gewicht; Wenn eine Gruppe oder Klasse von Materialien für einen bestimmten Zweck im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung als geeignet oder bevorzugt beschrieben wird, bedeutet das, dass Mischungen von zwei oder mehreren Mitgliedern der Gruppe oder Klasse gleichermaßen geeignet oder bevorzugt sind; die erste Definition eines Akronyms oder einer anderen Abkürzung gilt für alle nachfolgenden Verwendungen derselben Abkürzung und gilt in entsprechender Anwendung für normale grammatikalische Variationen der anfangs definierten Abkürzung entsprechend. Und es wird, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, die Messung einer Eigenschaft wird anhand derselben Technik gemessen, wie vorher oder nachher für dieselbe Eigenschaft angegeben ist.
Es versteht sich ferner, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf die bestimmten Ausführungsformen und Verfahren beschränkt ist, die im Folgenden beschrieben werden, da bestimmte Komponenten und/oder Bedingungen natürlich variieren können. Des Weiteren dient die hierin verwendete Terminologie nur zum Zweck der Beschreibung verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung und ist in keiner Weise als einschränkend zu verstehen.
Es wird ferner darauf hingewiesen, dass, wie in der Spezifikation und den angehängten Patentansprüchen verwendet, die Singularformen „ein/e“ und „der/die/das“ auch die Pluralverweise umfassen, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig etwas anderes hervor. Der Verweis auf eine Komponente im Singular soll beispielsweise eine Vielzahl von Komponenten umfassen.
Der Begriff „umfassend“ ist gleichbedeutend mit „beinhaltend“, „aufweisend“, „enthaltend“ oder „gekennzeichnet durch“. Diese Begriffe sind einschließlich und offen auszulegen, und schließen zusätzliche ungenannte Elemente oder Verfahrensschritte nicht aus.
Der Ausdruck „bestehend aus“ schließt jedes Element, jeden Schritt oder Bestandteil aus, der nicht in dem Anspruch spezifiziert ist. Wenn dieser Ausdruck in einem Abschnitt des Hauptteils eines Anspruchs erscheint, anstatt sofort nach der Einleitung zu folgen, begrenzt er nur das Element, das in dem Abschnitt beschrieben ist; wobei andere Elemente nicht vom Anspruch insgesamt ausgeschlossen werden.
Der Ausdruck „im Wesentlichen bestehend aus“ begrenzt den Umfang eines Anspruchs auf die angegebenen Materialien oder Schritte, plus denjenigen, die nicht erheblich die Grund- und neuartigen Merkmal(e) des beanspruchten Gegenstands beeinflussen.
Die Begriffe „umfassend“, „bestehend aus“ und „im Wesentlichen bestehend aus“ können alternativ verwendeten werden. Wo einer von diesen drei Begriffen verwendet wird, kann der vorliegend offenbarte und beanspruchte Gegenstand die Verwendung eines der anderen beiden Begriffe beinhalten.
Offenbarungen der Veröffentlichungen, auf die in dieser Anwendung verwiesen wird, gelten durch Bezugnahme in vollem Umfang in diese Anwendung aufgenommen, um den Stand der Technik, auf die sich dies vorliegende Offenbarung bezieht, genauer zu beschreiben.
Die folgende ausführliche Beschreibung ist ihrer Art nach lediglich exemplarisch und beabsichtigt nicht, die vorliegende Offenbarung oder die Anwendung oder Verwendungen der vorliegenden Offenbarung zu begrenzen. Darüber hinaus besteht keinerlei Verpflichtung zur Einschränkung auf eine der im vorstehenden Hintergrund oder in der folgenden ausführlichen Beschreibung dargestellten Theorien.
Die vorliegende Offenbarung stellt eine gestufte umspritzte MEA 10 zur Verwendung in einer Brennstoffzellenanordnung 12 bereit. Die gestufte umspritzte MEA 10 ist in 3A gezeigt. Die gestufte MEA 10 enthält eine Hauptdiffusionsschicht 20, eine Nebendiffusionsschicht 22, eine umspritzte Unterdichtung 34 und eine Protonenaustauschmembranschicht 24 (PAM 24), die zwischen der Hauptdiffusionsschicht 20 und der Nebendiffusionsschicht 22 angeordnet ist. Die umspritzte Unterdichtung 34 kann direkt an den Umfangskantenbereich für die Hauptdiffusionsschicht 20, die Nebendiffusionsschicht 22 und die Protonenaustauschmembranschicht 24 geformt werden. Die umspritzte Dichtung der vorliegenden Offenbarung verhindert eine Fluidübertragung um die Kanten der MEA 10 herum und bewirkt fluiddichte Abdichtungen an beiden angrenzenden Strömungsfeldplatten aufgrund einer verringerten Bruchgefahr in den mikroporösen Schichten/PAM 24. Wie in 3A gezeigt, ist die gestufte MEA-Anordnung 10 gezeigt, bei der sich die Hauptdiffusionsschicht 20 und die PAM 24 über die Nebendiffusionsschicht 22 hinaus erstrecken. Wie gezeigt, beinhalten die Hauptdiffusionsschicht 20, die Nebendiffusionsschicht 22 und die PAM 24 jeweils einen Umfangskantenbereich, der als Elemente 26, 28 bzw. 30 in den 3A und 3B gezeigt ist. Die Hauptdiffusionsschicht 20 und die Nebendiffusionsschicht 22 können jeweils entweder eine Anode oder eine Kathode sein. Wenn die Hauptdiffusionsschicht 20 jedoch eine Anode ist, dann muss die Nebendiffusionsschicht eine Kathode sein. In ähnlicher Weise muss, wenn die Hauptdiffusionsschicht 20 eine Kathode ist, die Nebendiffusionsschicht eine Anode sein.
Es versteht sich, dass die in den 3A-3B können entlang des gesamten Umfangs der Gasdiffusionsschichten (Haupt- und Nebenschicht) und der PAM 24 implementiert sein können. Daher ist zu verstehen, dass die Protonenaustauschmembranschicht 24 und die Hauptdiffusionsschicht 20 äquivalent bemessen sein können oder im Wesentlichen äquivalente Flächenbereiche aufweisen, während der Flächenbereich 61 der Nebendiffusionsschicht 22 kleiner als der der Hauptdiffusionsschicht 20 ist. Wie in 3A-3B gezeigt, ist das Ende 69 der Nebendiffusionsschicht 22 innerhalb der Enden 67 der Hauptdiffusionsschicht 20 und der PAM 24 angeordnet.
Bei dieser Anordnung ist ein Umfangskantenbereich 28 der Protonenaustauschmembranschicht 24 freigelegt, sodass das Polymermaterial 32 der Unterdichtung direkt auf die PAM 24 geformt werden kann. Darüber hinaus kann das Polymermaterial 32 in dem Formverfahren direkt auf den Umfangskantenbereich der Hauptdiffusionsschicht 20 und der Nebendiffusionsschicht 22 geformt werden und diesen durchdringen. Die Umfangskantenbereiche für die Hauptdiffusionsschicht und die Nebendiffusionsschichten sind jeweils als Elemente 30 und 26 gezeigt, wo sich die Kreuzschraffur der Unterdichtung 34 und der verschiedenen Schichten 20, 22 schneiden. Es versteht sich ferner, dass das Polymermaterial 32 direkt an einen Umfangskantenbereich 28 der Protonenaustauschmembranschicht 24 geformt werden kann, wodurch die umspritzte Unterdichtung 34 für die MEA 10 gebildet wird. Die umspritzte Unterdichtung 34 ist daher so konfiguriert, dass sie eine Barriere 36 zwischen der Hauptdiffusionsschicht 20 und der Nebendiffusionsschicht 22 bildet, während sie auch die Hauptdiffusionsschicht 20 und die Nebendiffusionsschicht 22 von der äußeren Umgebung 38 abdichtet, wie in 3B gezeigt.
Wie in 3B gezeigt, ist die umspritzte Unterdichtung 34 so konfiguriert, dass sie eine erste Bipolarplatte 14 mit einer zweiten Bipolarplatte 16 abdichtet, und die umspritzte Unterdichtung 34 ist ferner dazu ausgebildet, die Protonenaustauschmembranschicht 24 und die Hauptdiffusionsschicht 20 an der zweiten Bipolarplatte 16 abzudichten. Es versteht sich ferner, dass die umspritzte Unterdichtung 34 ferner mindestens einen Dichtungswulst 40 nahe einem Kantenbereich der umspritzten Unterdichtung 34 definieren kann. 3A und 3B zeigen zwei Dichtungswülste 40, die zwischen dem Ende 42 der umspritzten Dichtung und den Enden 67 der Hauptdiffusionsschicht 20 und der PAM 24 angeordnet sind. Die Dichtungswülste 40 können aus der Unterdichtungsfläche 69 herausragen, wie in 3A gezeigt, um die Abdichtung zwischen der ersten und der zweiten Bipolarplatte 14, 16 zu ermöglichen, wie in 3B gezeigt ist.
In noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine Brennstoffzellenanordnung 12 bereitgestellt, die eine erste Bipolarplatte 14, eine zweite Bipolarplatte 16 und eine gestufte MEA 10 mit einer umspritzten Unterdichtung 34 beinhaltet, die zwischen der ersten Bipolarplatte 14 und der zweiten Bipolarplatte 16 angeordnet ist. Die Brennstoffzellenanordnung 12 ist in 3B gezeigt. Wie gezeigt, beinhaltet die Brennstoffzellenanordnung 12 eine gestufte MEA 10, die ferner eine Hauptdiffusionsschicht 20, eine Nebendiffusionsschicht 22 und eine Protonenaustauschmembranschicht 24 umfasst, die zwischen der Hauptdiffusionsschicht 20 und der Nebendiffusionsschicht 22 angeordnet ist. Es versteht sich, dass die Nebendiffusionsschicht 22 einen Flächenbereich 61 aufweist, der kleiner ist als jede Fläche 61 der Hauptdiffusionsschicht 20 und der Protonenaustauschmembranschicht 24. Die Hauptdiffusionsschicht 20 und die Protonenaustauschmembranschicht 24 können Flächenbereiche 61 aufweisen, die im Wesentlichen äquivalent in der Größe sind.
Wie gezeigt, ist ein Umfangskantenbereich 28 der Protonenaustauschmembranschicht 24 freigelegt, sodass das Polymermaterial 32 der umspritzten Unterdichtung 34 direkt auf den Umfangskantenbereich 28 der PAM 24 geformt werden kann. Die in 3B gezeigte gestufte MEA-Anordnung 10 kann allgemein entlang des gesamten Umfangs 63 der MEA 10 vorgesehen sein. Daher versteht sich, dass die Protonenaustauschmembranschicht 24 und die Hauptdiffusionsschicht 20 im Wesentlichen äquivalent bemessen sein können und einen im Wesentlichen äquivalenten Flächenbereich 61 aufweisen. Wie gezeigt, kann die Nebendiffusionsschicht 22 jedoch einen Flächenbereich 61 aufweisen, der kleiner ist als die Hauptdiffusionsschicht 20 und die PAM 24. Unter dieser Anordnung der Brennstoffzellenanordnung 12 ist das Polymermaterial 32 an einen Umfangskantenbereich 30, 26 der Hauptdiffusionsschicht 20 und der Nebendiffusionsschicht 22 angeformt und durchdringt diese. Es ist ferner zu verstehen, dass das Polymermaterial 32 direkt auf den Umfangskantenbereich 28 der Protonenaustauschmembranschicht 24 geformt werden kann, wie in 3B gezeigt.
Dementsprechend bildet das Polymermaterial 32, das an die Umfangskantenbereiche 30, 26, 28 der Hauptdiffusionsschicht 20, der Nebendiffusionsschicht 22 und der Protonenaustauschmembranschicht 24 angeformt ist, die umspritzte Unterdichtung 34 für die MEA 10. Die umspritzte Unterdichtung 34 ist so konfiguriert, dass sie eine Barriere 36 zwischen der Hauptdiffusionsschicht 20 und der Nebendiffusionsschicht 22 bildet, während sie auch die Hauptdiffusionsschicht 20 und die Nebendiffusionsschicht 22 von der äußeren Umgebung 38 abdichtet. Wie in 3B gezeigt ist ferner zu verstehen, dass die umspritzte Unterdichtung 34 so konfiguriert ist, dass sie eine erste Bipolarplatte 14 mit einer zweiten Bipolarplatte 16 abdichtet, und die umspritzte Unterdichtung 34 ist ferner dazu ausgebildet, die Protonenaustauschmembranschicht 24 und die Hauptdiffusionsschicht 20 an der zweiten Bipolarplatte 16 abzudichten. Wie in 3B gezeigt, enthält die Brennstoffzellenanordnung 12 ferner eine umspritzte Unterdichtung 34, die nahe einem Kantenbereich der umspritzten Unterdichtung 34 mindestens einen Dichtungswulst 40 definiert.
Unter Bezugnahme auf 5 ist das Verfahren 58 zum Herstellen der umspritzten Unterdichtung 34 in Form eines Ablaufdiagramms gezeigt. Das Verfahren 58 beinhaltet die Schritte des Bereitstellens 60 einer Hauptdiffusionsschicht 20, einer PAM-Schicht 24 und einer Nebendiffusionsschicht 22 auf einer unteren Stützform 50; Einschließen 62 der Hauptdiffusionsschicht 20, einer PAM-Schicht 24 und einer Nebendiffusionsschicht 22 in der unteren Stützform 50 und der oberen Form 52; Einspritzen eines Polymermaterials 32 in die Form 55 (gebildet durch die obere Form 52 und die untere Stützform 50); Durchdringen 64 des Polymermaterials 32 in einen Umfangskantenbereich jeder der Haupt- und Nebendiffusionsschichten 20, 22 und Formen 66 des Polymermaterials 32 direkt auf den Umfangskantenbereich 28 der PAM 24, um eine umspritzte MEA zu erzeugen; und Entfernen 68 der umspritzten MEA 10 aus der oberen Form 52 und der unteren Stützform 50. Es versteht sich, dass die Hauptdiffusionsschicht, die PAM-Schicht und die Nebendiffusionsschicht jeweils einen Umfangskantenbereich beinhalten.
In dem zuvor genannten Verfahren ist zu verstehen, dass die Nebendiffusionsschicht 22 einen Flächenbereich 61 aufweist, die kleiner ist als jede Flächenschicht 61 der Hauptdiffusionsschicht 20 und der Nebendiffusionsschicht 22, die den Umfangskantenbereich 28 der PAM 24 ermöglicht, dem Polymermaterial 32 ausgesetzt sein. Darüber hinaus versteht sich, dass die untere Stützform 50 die Umfangskantenbereiche 30, 28 der Hauptdiffusionsschicht 20 und der PAM-Schicht 24 während des Formverfahrens trägt, wodurch die Gefahr von Brüchen oder Undichtigkeiten in den Schichten verringert wird. Die Nebendiffusionsschicht 22, wie sie in 4 gezeigt ist, wird durch die PAM 24 und die Hauptdiffusionsschicht 20 getragen, wodurch das Risiko eines Brechens oder von Undichtigkeiten in der Nebendiffusionsschicht 22 während des Formverfahrens reduziert wird.
Während mindestens eine exemplarische Ausführungsform in der vorstehenden ausführlichen Beschreibung dargestellt wurde, versteht es sich, dass es eine große Anzahl an Varianten gibt. Es versteht sich weiterhin, dass die exemplarische Ausführungsform oder die exemplarischen Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration dieser Offenbarung in keiner Weise einschränken sollen. Die vorstehende ausführliche Beschreibung stellt Fachleuten auf dem Gebiet vielmehr einen zweckmäßigen Plan zur Implementierung der exemplarischen Ausführungsform bzw. der exemplarischen Ausführungsformen zur Verfügung. Es versteht sich, dass verschiedene Veränderungen an der Funktion und der Anordnung von Elementen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung, wie er in den beigefügten Ansprüchen und deren rechtlichen Entsprechungen aufgeführt ist, abzuweichen.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer gestuften MEA, umfassend die Schritte: Bereitstellen einer Hauptdiffusionsschicht, einer PAM-Schicht und einer Nebendiffusionsschicht auf einer unteren Stützform; Einschließen der Hauptdiffusionsschicht, einer PAM-Schicht und einer Nebendiffusionsschicht in der unteren Stützform und der oberen Form, wobei die Hauptdiffusionsschicht, die PAM-Schicht und die Nebendiffusionsschicht jeweils einen Umfangskantenbereich umfassen; Einspritzen eines Polymermaterials in die Form; Durchdringen des polymeren Materials in den Umfangskantenbereich jeder der Haupt- und Nebendiffusionsschichten und Formen des Polymermaterials direkt auf den Umfangskantenbereich der PAM, um eine umspritzte MEA zu erzeugen; und Entfernen der umspritzten MEA von der oberen Form und der unteren Stützform.
Verfahren zum Herstellen einer gestuften MEA nach Anspruch 1, wobei die Nebendiffusionsschicht einen Flächenbereich aufweist, der kleiner ist als jeder Flächenbereich der Hauptdiffusionsschicht und der PAM
Verfahren zum Herstellen einer gestuften MEA nach Anspruch 2, wobei der Umfangskantenbereich der PAM dem in die Form eingespritzten Polymermaterial ausgesetzt ist.
Verfahren zum Herstellen einer gestuften MEA nach Anspruch 3, wobei die untere Stützform die Umfangskantenbereiche der Hauptdiffusionsschicht und der PAM unterstützt, wenn das Polymermaterial in die Form eingespritzt wird.
Verfahren zur Herstellung einer gestuften MEA nach Anspruch 4, wobei die Nebendiffusionsschicht von der PAM und der Hauptdiffusionsschicht getragen wird, wenn das Polymermaterial in die Form eingespritzt wird.