DE102018220825A1

DE102018220825A1 - Einheitszelle einer brennstoffzelle und verfahren zur herstellung derselben

Info

Publication number: DE102018220825A1
Application number: DE102018220825.5A
Authority: DE
Inventors: Soo Jin Lim; Byeong-Heon Jeong; Seong Il Heo
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp
Current assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp
Priority date: 2018-06-22
Filing date: 2018-12-03
Publication date: 2019-12-24
Also published as: JP7146593B2; US20190393529A1; KR20200000163A; KR102614145B1; CN110635149A; JP2019220448A

Abstract

Eine Einheitszelle einer Brennstoffzelle weist auf: einen Einsatz mit einer Membranelektrodenanordnung und einer Gasdiffusionsschicht; einen geschäumten Körper, der an einer Außenseitenfläche des Einsatzes angeordnet ist; und einen Rahmen, der eine Außenseitenfläche des geschäumten Körpers bedeckt, so dass ein Polymerharz an die Außenseitenfläche des geschäumten Körpers eingespritzt wird, während das Polymerharz teilweise in den geschäumten Körper eindringt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Einheitszelle einer Brennstoffzelle und ein Verfahren zum Herstellen derselben. Insbesondere betrifft die vorliegende Offenbarung eine Technik, die einen geschäumten Körper zum Formen eines Rahmens zum Zusammenbauen einer Membranelektrodenanordnung und einer Gasdiffusionsschicht als einen Körper aufweist.
Beschreibung des Stands der Technik
Eine Brennstoffzelle bezieht sich auf einen Generator, der chemische Energie eines Brennstoffs in elektrochemische Energie umwandelt. Brennstoffzellen werden nicht nur zur Stromversorgung von Industrie, Haushalt und Fahrzeugen eingesetzt, sondern auch zur Versorgung kleiner elektronischer Geräte wie tragbarer Geräte. In jüngster Zeit wurde der Einsatzbereich von Brennstoffzellen schrittweise zu einer hocheffizienten und sauberen Energiequelle ausgebaut.
Unter den Brennstoffzellen kann eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) unter verschiedenen Arten von Brennstoffzellen bei relativ niedrigen Temperaturen arbeiten und Eigenschaften wie schnelles Starten und Ansprechen aufweisen.
Daher werden PEMFCs hauptsächlich zum Vorsehen von Antriebsleistung für Fahrzeuge verwendet.
Eine erforderliche Anzahl von Einheitszellen wird gestapelt, um einen Stapel einer PEMFC auszubilden, wobei jede der Einheitszellen aufweist: eine Membranelektrodenanordnung (MEA), die eine Anode, eine Kathode, und eine Polymerelektrolytmembran aufweist, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist, eine Gasdiffusionsschicht (GDL), einen Separator aus Metall, der als Bipolarplatte bezeichnet wird, und eine Dichtung.
Die MEA ist so ausgestaltet, dass eine Elektrolytmembran mit Elektroden angebracht wird. Ein ionenleitendes Polymer wird hauptsächlich als Elektrolytmembran verwendet und muss eine hohe Ionenleitfähigkeit und eine hohe mechanische Festigkeit in feuchtem Zustand, eine geringe Gasdurchlässigkeit und eine hohe thermische und chemische Stabilität aufweisen.
Darüber hinaus ist die GDL ein Element, das Wasserstoffgas und Luft diffundiert, die aus einem Kanal eines Separators breiter und dünner eingeleitet werden, um einer MEA Wasserstoff und Luft zuzuführen, das eine Katalysatorschicht abstützt, von der Katalysatorschicht erzeugte Elektronen zum Separator zu bewegen, und das als Durchgang dient, durch den erzeugtes Wasser an die Außenseite der Katalysatorschicht abgegeben wird, und jede GDL ist jeweils an oberen und unteren Flächen der MEA vorgesehen.
In den letzten Jahren wurde eine Einheitszelle einer Brennstoffzelle entwickelt, bei der ein Rahmen an den Außenseitenflächen einer MEA und einer GDL unter Verwendung eines Polymerharzes in einer Spritzgießweise integral ausgebildet ist, um die Herstellung des Brennstoffzellenstapels zu vereinfachen.
1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Einheitszelle einer Brennstoffzelle gemäß dem Stand der Technik darstellt, und 2 ist eine Querschnittsansicht, die eine Einheitszelle einer Brennstoffzelle gemäß dem Stand der Technik darstellt.
Bezugnehmend auf 1 und 2, ist die Einheitszelle der Brennstoffzelle gemäß dem Stand der Technik mit einem Rahmen 200 ausgestaltet, der eine MEA 110 und eine Außenumfangsfläche davon bedeckt. Im Detail ist jede GDL 120 so ausgestaltet, dass sie jeweils an oberen und unteren Flächen der MEA vorgesehen ist, und die Außenumfangsfläche der MEA ist so ausgestaltet, dass sie durch den Rahmen bedeckt ist.
Da jedoch der Rahmen unter Verwendung des Polymerharzes in einer Spritzgießweise ausgebildet wird, dringt das Polymerharz aufgrund des Einspritzdrucks unregelmäßig in die MEA und die GDL ein, was eine Kraft zum Einspritzen des Polymerharzes ist, so dass die MEA und die Gasdiffusionsschicht beschädigt werden.
Das Vorstehende soll lediglich zum Verständnis des Hintergrunds der vorliegenden Offenbarung beitragen und soll nicht bedeuten, dass die vorliegende Offenbarung in den Bereich des Standes der Technik fällt, der dem Fachmann bereits bekannt ist.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Offenbarung wurde unter Berücksichtigung der obigen Probleme gemacht, die im Stand der Technik auftreten, und die vorliegende Offenbarung soll eine Einheitszelle einer Brennstoffzelle und ein Verfahren zu ihrer Herstellung vorschlagen, wobei das Verfahren ausgestaltet ist, um einen Einspritzdruck abzusenken und das Polymerharz gleichmäßig zu verteilen, wenn Spritzgießen auf Außenseitenflächen einer Membranelektrodenanordnung (MEA) und eine Gasdiffusionsschicht (GDL) mit einem Polymerharz durchgeführt wird, wodurch Schäden an der MEA und der Gasdiffusionsschicht verhindert werden.
Um das obige Ziel zu erreichen, weist eine Einheitszelle einer Brennstoffzelle gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung auf: einen Einsatz, der eine Membranelektrodenanordnung (MEA) und eine Gasdiffusionsschicht (GDL) aufweist; einen geschäumten Körper, der an einer Außenseitenfläche des Einsatzes angeordnet ist; und einen Rahmen, der eine Außenseitenfläche des geschäumten Körpers bedeckt, so dass ein Polymerharz an die Außenseitenfläche des geschäumten Körpers eingespritzt ist, während das Polymerharz teilweise in den geschäumten Körper eindringt. Der geschäumte Körper kann derart ausgestaltet sein, das ein oberes Ende einer Innenseitenfläche des geschäumten Körpers höher ist als ein oberes Ende der Außenseitenfläche des Einsatzes, und ein unteres Ende der Innenseitenfläche des geschäumten Körpers niedriger ist als ein unteres Ende der Außenseitenfläche des Einsatzes, so dass der geschäumte Körper eine Dicke aufweist, die größer als der Einsatz ist.
Die Innenseitenfläche des geschäumten Körpers kann so ausgestaltet sein, dass sie die oberen und unteren Flächen des Einsatzes teilweise bedeckt.
Der geschäumte Körper kann aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen.
Der geschäumte Körper kann eine Porosität aufweisen, die größer ist als die der MEA und die GDL.
Der geschäumte Körper kann auf der Außenseitenfläche des Einsatzes extrudiert oder spritzgegossen sein.
Der geschäumte Körper kann an der Außenseitenfläche des Einsatzes extrudiert oder spritzgegossen sein.
Der geschäumte Körper kann eine erste Schicht, die direkt mit der Außenseitenfläche des Einsatzes in Kontakt kommt, und eine zweite Schicht aufweisen, die zum Abdecken einer Außenseitenfläche der ersten Schicht gekoppelt ist, und eine Porosität der ersten Schicht kann kleiner als eine Porosität der zweiten Schicht sein.
Ein Teil oder der gesamte geschäumte Körper kann mit dem Polymerharz, das den Rahmen ausbildet, aufgeschmolzen sein, so dass der geschäumte Körper und der Rahmen als ein Körper zusammengebaut sind.
Eine Innenseitenfläche des Rahmens kann so ausgestaltet sein, dass sie die oberen und unteren Flächen des Einsatzes teilweise bedeckt.
Um das obige Ziel zu erreichen, weist ein Verfahren zum Herstellen einer Einheitszelle einer Brennstoffzelle gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung auf: Formen eines geschäumten Körpers auf einer Außenseitenfläche eines Einsatzes, der eine Membranelektrodenanordnung und eine Gasdiffusionsschicht aufweist; und Formen eines Rahmens, in dem ein Polymerharz an einer Außenseitenfläche des geschäumten Körpers so eingespritzt wird, dass das Polymerharz teilweise in den geschäumten Körper eindringt.
Beim Formen des geschäumten Körpers kann der geschäumte Körper auf der Außenseitenfläche des Einsatzes extrudiert oder spritzgegossen werden.
Beim Formen des geschäumten Körpers kann eine synthetische Faser einen äußeren Abschnitt des Einsatzes teilweise umgeben.
Beim Formen des Rahmens kann, wenn das Polymerharz in den geschäumten Körper eindringt, der Rahmen mit dem geschäumten Körper als ein Körper zusammengebaut werden, so dass eine Innenseitenfläche des Rahmens die oberen und unteren Flächen des Einsatzes teilweise bedeckt.
Gemäß einer Einheitszelle einer Brennstoffzelle und einem Verfahren zur Herstellung derselben der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, Beschädigungen einer Membranelektrodenanordnung (MEA) und einer Gasdiffusionsschicht (GDL) durch einen aufgeschäumten Körper, der an einer Außenseitenfläche der MEA und der GDL vorgesehen ist, zu minimieren.
Darüber hinaus ist es möglich, die MEA und die GDL in einer Form zu positionieren.
Ferner ist es möglich, einen Einspritzdruck, der in die MEA und die GDL eingeleitet wird, zu reduzieren und ein Einspritzmaterial gleichmäßig zu verteilen, wodurch die Qualität der Produkte verbessert wird.
Figurenliste
Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und andere Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verständlich, in denen:

1 eine perspektivische Ansicht ist, die eine Einheitszelle einer Brennstoffzelle gemäß dem Stand der Technik zeigt;
2 eine Querschnittsansicht ist, die eine Einheitszelle einer Brennstoffzelle gemäß dem Stand der Technik darstellt;
3A und 3B Draufsichten zeigen, die jeweils eine Einheitszelle einer Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellen;
4 eine Querschnittsansicht ist, welche die Einheitszelle der Brennstoffzelle gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt;
5 ein Diagramm ist, das einen Rahmen und eine Form der Einheitszelle der Brennstoffzelle gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt; und
6 bis 8 Querschnittsansichten zeigen, die jeweils eine Einheitszelle einer Brennstoffzelle und eine Rahmenform gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Spezifische strukturelle und funktionale Beschreibungen von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, die hierin offenbart sind, dienen nur zur Veranschaulichung der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Die vorliegende Offenbarung kann in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden, ohne vom Geist und den wesentlichen Merkmalen der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Daher werden die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung nur zu Illustrationszwecken offenbart und sollten nicht als Einschränkung der vorliegenden Offenbarung aufgefasst werden.
Nun wird detailliert auf verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung Bezug genommen, von denen spezifische Beispiele in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und nachstehend beschrieben sind, da die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung in vielen verschiedenen Formen verschiedenartig modifiziert werden können. Während die vorliegende Offenbarung in Verbindung mit beispielhaften Ausführungsformen davon beschrieben wird, versteht es sich, dass die vorliegende Beschreibung die vorliegende Offenbarung nicht auf diese beispielhaften Ausführungsformen beschränken soll. Im Gegenteil soll die vorliegende Offenbarung nicht nur die beispielhaften Ausführungsformen abdecken, sondern auch verschiedene Alternativen, Modifikationen, Äquivalente und andere Ausführungsformen, die im Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung enthalten sein können, wie durch die beigefügten Ansprüche definiert.
Es versteht sich, dass, obwohl die Ausdrücke „erste“, „zweite“ usw. hier verwendet werden können, um verschiedene Elemente zu beschreiben, diese Elemente nicht durch diese Ausdrücke beschränkt sein sollen. Diese Ausdrücke werden nur verwendet, um ein Element von einem anderen Element zu unterscheiden. Beispielsweise könnte ein erstes Element, das unten erörtert wird, als zweites Element bezeichnet werden, ohne von den Lehren der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. In ähnlicher Weise könnte das zweite Element auch als erstes Element bezeichnet werden.
Es versteht sich, dass wenn ein Element als „gekoppelt“ oder „verbunden“ mit einem anderen Element bezeichnet wird, es direkt mit dem anderen Element gekoppelt oder verbunden sein kann oder dazwischenliegende Elemente vorhanden sein können. Im Gegensatz dazu ist zu verstehen, dass, wenn ein Element als „direkt gekoppelt“ oder „direkt verbunden“ mit einem anderen Element bezeichnet wird, keine dazwischenliegenden Elemente vorhanden sind. Andere Ausdrücke, welche die Beziehung zwischen Elementen erklären, wie „zwischen“, „direkt zwischen“, „neben“ oder „direkt neben“, sollten auf dieselbe Weise ausgelegt werden.
Die hier verwendete Terminologie dient nur der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen und soll nicht einschränkend sein. Wie hier verwendet, sollen die Singularformen „ein“, „eine“, „einer“ und „der / die / das“ auch die Pluralformen einschließen, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes angibt. Es versteht sich ferner, dass die Ausdrücke „aufweisen“, „aufweisend“, „mit“ usw., wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Komponenten und / oder Kombinationen davon angeben, Sie schließen jedoch nicht aus, dass ein oder mehrere andere Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Komponenten und / oder Kombinationen davon vorhanden sind oder hinzugefügt werden.
Wenn nicht anders definiert, haben alle Ausdrücke, einschließlich technischer und wissenschaftlicher Ausdrücke, die hierin verwendet werden, dieselbe Bedeutung, wie sie üblicherweise von einem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet, zu dem diese Offenbarung gehört, verstanden wird. Es versteht sich ferner, dass Ausdrücke, wie beispielsweise diejenigen, die in häufig verwendeten Wörterbüchern definiert sind, so interpretiert werden sollten, dass sie eine Bedeutung haben, die mit ihrer Bedeutung im Zusammenhang mit dem relevanten Stand der Technik und der vorliegenden Offenbarung übereinstimmt, und nicht als idealisiert oder im übermäßig formalen Sinn interpretiert werden, sofern hierin nicht ausdrücklich definiert.
Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben. In allen Zeichnungen beziehen sich dieselben Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche Teile.
3A und 3B zeigen Draufsichten, die jeweils eine Einheitszelle einer Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellen; 4 ist eine Querschnittsansicht, welche die Einheitszelle der Brennstoffzelle gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt; und 5 ist ein Diagramm, das einen Rahmen und eine Form der Einheitszelle der Brennstoffzelle gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt.
Bezugnehmend auf 3A, 3B, 4 und 5, weist die Einheitszelle der Brennstoffzelle gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung auf: einen Einsatz 100 mit einer Membranelektrodenanordnung (MEA) 110 und einer Gasdiffusionsschicht (GDL) 120; einen geschäumten Körper 300, der an einer Außenseitenfläche des Einsatzes 100 vorgesehen ist; und einen Rahmen 200, in dem ein Polymer in eine Außenseitenfläche des geschäumten Körpers 300 eingespritzt ist, und ausgestaltet ist, um die Außenseitenfläche des geschäumten Körpers 300 zu bedecken, während das Polymerharz teilweise in den geschäumten Körper 300 eindringt.
Im Detail zeigt 3A zeigt nur den Einsatz 100 und den geschäumten Körper 300. 3B zeigt den Rahmen 200, der an der Außenseitenfläche des geschäumten Körpers 300 ausgebildet ist.
Der Einsatz 100 ist als Reaktionszelle ausgestaltet und weist die MEA 110, die ausgestaltet ist, durch eine Elektrolytmembran, eine Kathode und eine Anode zusammengesetzt zu sein, und die GDL 120 auf, durch die Wasserstoffgas und Luft diffundiert, wobei die GDL 120 an jeder der gegenüberliegenden Seiten der MEA 110 vorgesehen ist. Die GDLs 120 sind jeweils an oberen und unteren Flächen der MEA 110 angeordnet. Die MEA 110 und die GDL 120 sind aus einem porösen Material hergestellt, um Gase wie Wasserstoffgas und Sauerstoff hindurchzuleiten.
Der Rahmen 200 ist so ausgebildet, dass ein Polymer an der Außenseite des Einsatzes 100 einschließlich der MEA 110 und der GDL 120 eingespritzt wird. Das Polymerharz kann in die MEA 110 und die GDL 120 eindringen, welche poröse Materialien sind. Es ist notwendig, dass das Polymerharz teilweise in die MEA 110 und die GDL 120 eindringt, um die MEA 110 und die GDLs 120 in einem Körper zusammenzubauen. Gemäß dem Stand der Technik ist es jedoch schwierig, den Einspritzdruck zu kontrollieren, und da das Polymerharz unregelmäßig in die MEA 110 und die GDL 120 eindringt, werden die MEA 110 und die GDL 120 beschädigt.
Um dieses Problem zu überwinden, weist die vorliegende Offenbarung ferner den geschäumten Körper 300 auf, der an der Außenseitenfläche des Einsatzes 100 derart vorgesehen ist, dass das den Rahmen 200 bildende Polymerharz in den geschäumten Körper 300 eindringt, während das Polymerharz gleichmäßig verteilt wird, der Einspritzdruck abgesenkt wird und der Einsatz 100 und der Rahmen 200 fest zusammengebaut werden. Dementsprechend fließt die minimale Menge des Polymerharzes in das Innere des Einsatzes 100, wodurch Schäden der MEA 110 und der GDL 120 unterdrückt werden.
Der geschäumte Körper 300 ist aus einem porösen Material hergestellt, und der geschäumte Körper 300 kann aus einem porösen Material mit hoher Porosität hergestellt sein. Ein poröses Material kann insbesondere ein Material mit einer feinen Maschenstruktur und einer gleichmäßigen Porosität sein.
Zum Beispiel kann der geschäumte Körper 300 aus einem Polymermaterial, einem Keramikmaterial oder dergleichen bestehen. Im Detail kann der geschäumte Körper 300 aus einem Kunststofftreibmittel wie Polystyrolschaum, Polyurethanschaum und Polyvinylchloridschaum bestehen, der durch Zugabe eines Treibmittels zu einem Harz, das ein Rohmaterial ist, geschäumt und gehärtet wird.
Der geschäumte Körper 300 kann auf der Außenseitenfläche des Einsatzes 100 durch Extrudieren oder Spritzgießen ausgebildet sein. Das heißt, wenn der geschäumte Körper 300 ein Polymermaterial oder ein keramisches Material ist, ist der geschäumte Körper 300 an der Außenseitenfläche des Einsatzes 100 durch Extrudieren oder Spritzgießen ausgebildet, und dann ist der Rahmen 200 an der Außenseitenfläche des geschäumten Körpers 300 durch Extrudieren oder Spritzgießen angeordnet.
Der geschäumte Körper 300 kann aus einem Material mit großen Teilchen hergestellt sein, so dass die Menge des geschäumten Körpers 300, die in den Einsatz 100 eindringt, während eines Extrusionsprozesses oder eines Einspritzvorgangs mit dem geschäumten Körper 300 minimiert wird. Das Polymerharz, welches den Rahmen 200 ausbildet, kann in einen Teil oder den gesamten geschäumten Körper 300 eindringen, so dass der Rahmen 200 und der geschäumte Körper 300 in einem Körper zusammengebaut sind. Außerdem kann das Polymerharz teilweise in die MEA 110 und die GDL 120 eindringen, so dass die Bindung dazwischen verstärkt wird.
Der geschäumte Körper 300 kann eine Porosität aufweisen, die größer als die der MEA 110 und der GDL 120 ist. Die MEA 110 und die GDL 120 sind ebenfalls aus dem porösen Material hergestellt, während der geschäumte Körper 300 eine Porosität aufweisen kann, die größer als die der MEA 110 und der GDL ist. Dementsprechend ist es möglich, die Menge des Polymerharzes, die in die MEA 110 und die GDL 120 eindringt, zu minimieren, wobei das Polymerharz zuvor in den geschäumten Körper 300 eindringt.
Außerdem kann der geschäumte Körper 300 aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt sein. Da der geschäumte Körper 300 an einer Außenseitenfläche der MEA 110 vorgesehen ist, kann der geschäumte Körper 300 mit einer Elektrode der MEA 110 in Kontakt stehen. Wenn beide Elektroden der MEA 110 miteinander in Kontakt stehen, besteht ein Kurzschluss und dergleichen tritt auf, wodurch der geschäumte Körper 300 aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt ist, um ein solches Problem zu vermeiden.
Der Rahmen 200 kann ausgestaltet sein, um obere und untere Flächen des Einsatzes 100 teilweise zu bedecken, um die Bindung zwischen dem Rahmen 200 und dem Einsatz 100 zu verstärken. Insbesondere kann der Rahmen 200 Umfangsabschnitte der oberen und unteren Flächen des Einsatzes 100 und eine Außenseitenfläche des Einsatzes 100 abdecken.
Dementsprechend ist eine Innenseitenfläche des Rahmens 200 so ausgestaltet, dass sie eine größere Dicke als die Außenseitenfläche des Einsatzes 100 aufweist, sodass die Innenseitenfläche des Rahmens 200 so ausgestaltet ist, dass sie die oberen und unteren Flächen des Einsatzes 100 teilweise bedeckt.
Um einen gesamten Bereich abzudecken, in dem der Rahmen 200 durch Spritzgießen ausgebildet wird, ist der geschäumte Körper 300 so ausgestaltet, dass ein oberes Ende der Innenseitenfläche des geschäumten Körpers 300 höher ist als ein oberes Ende der Außenseitenfläche des Einsatzes 100, und ein unteres Ende der Innenseitenfläche des geschäumten Körpers 300 ist niedriger als ein unteres Ende der Außenseitenfläche des Einsatzes 100, so dass der geschäumte Körper 300 eine Dicke aufweist, die größer als die des Einsatzes 100 ist. Die Höhen des geschäumten Körpers 300 und des Rahmens 200 sind gleich groß ausgestaltet, so dass der geschäumte Körper 300 den gesamten Bereich abdeckt, in dem der Rahmen 200 durch Spritzgießen geformt wird.
Außerdem kann die Innenseitenfläche des geschäumten Körpers 300 auch so ausgestaltet sein, dass sie die oberen und unteren Flächen des Einsatzes 100 teilweise bedeckt. Dementsprechend bedeckt der geschäumte Körper 300 die oberen und unteren Flächen des den Rahmen 200 bedeckenden Einsatzes 100, so dass es möglich ist, zu verhindern, dass das Polymerharz, das den Rahmen 200 ausbildet, die obere oder untere Fläche des Einsatzes 100 durchdringt.
Ein Teil oder der gesamte geschäumte Körper 300 wird mit dem Polymerharz, das den Rahmen 200 ausbildet, aufgeschmolzen, so dass der geschäumte Körper 300 und der Rahmen 200 in einem Körper zusammengebaut sind. Das heißt, ein Schmelzpunkt des geschäumten Körpers 300 kann niedriger sein als eine Temperatur, bei der das den Rahmen 200 bildende Polymerharz eingespritzt wird. Wenn somit das Polymerharz, das den Rahmen 200 ausbildet, eingespritzt wird, kann der geschäumte Körper 300 aufgrund des Kontakts mit dem Polymerharz teilweise oder vollständig aufgeschmolzen sein, so dass der aufgeschmolzene geschäumte Körper 300 mit dem Polymerharz, das den Rahmen 200 ausbildet, gemischt wird, wodurch der geschäumte Körper 300 und der Rahmen 200 in einem Körper zusammengebaut sind.
Nachdem der geschäumte Körper 300 dazu dient, den Einspritzdruck des Polymerharzes, das den Rahmen 200 ausbildet, abzusenken und das Polymerharz gleichmäßig zu verteilen, werden der geschäumte Körper 300 und der Rahmen 200 in einem Körper zusammengefügt, wodurch die Bindung zwischen ihnen verstärkt wird.
Das Polymerharz kann teilweise oder vollständig in den geschäumten Körper 300 eindringen, so dass der Rahmen 200 mit dem geschäumten Körper 300 in einem Körper zusammengebaut ist. Das Polymerharz kann die Außenseitenfläche des geschäumten Körpers 300 umgeben.
6 bis 8 zeigen Querschnittsansichten, die jeweils eine Einheitszelle einer Brennstoffzelle und Formen 400 für den Rahmen 200 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellen.
Bezugnehmend auf 6, kann zusätzlich zu einer Extrusions- oder Spritzgussform der geschäumte Körper 300 ferner so ausgestaltet sein, dass er den Einsatz 100 teilweise umgibt. Im Detail kann der geschäumte Körper 300 so ausgestaltet sein, dass er die oberen und unteren Flächen des Einsatzes 100 und eine Seitenfläche zwischen den oberen und unteren Flächen des Einsatzes 100 in der Reihenfolge teilweise umgibt. Das heißt, der separat ausgebildete geschäumte Körper 300 kann so positioniert sein, dass er sich von dem Einsatz 100 nach außen erstreckt, während er den Einsatz 100 teilweise umgibt.
Insbesondere ist der geschäumte Körper 300 so ausgestaltet, dass eine synthetische Faser den äußeren Abschnitt des Einsatzes 100 teilweise umgibt. Der geschäumte Körper 300 kann in einer Struktur ausgebildet sein, in der dünne und lange synthetische Fasern so miteinander verflochten sind, dass sie den äußeren Abschnitt des Einsatzes 100 teilweise abdecken und sich weiter zur Außenseite des Einsatzes 100 erstrecken können. Die synthetische Faser kann ein poröses Material sein. Alternativ kann die synthetische Faser kein poröses Material sein, sondern eine verschränkte Struktur aufweisen, um den geschäumten Körper 300 aufgrund von Zwischenräumen zwischen den synthetischen Fasern zu bilden.
Bezugnehmend auf 7 kann der geschäumte Körper 300 so ausgestaltet sein, dass er eine größere Dicke als der Einsatz 100 aufweist. Wie oben beschrieben, kann der Rahmen 200 so ausgestaltet sein, dass er eine größere Dicke als der Einsatz 100 aufweist, um die oberen und unteren Flächen des Einsatzes 100 teilweise zu bedecken. Der geschäumte Körper 300 kann so ausgestaltet sein, dass er eine größere Dicke als der Einsatz 100 aufweist, um die gleiche Dicke wie der Rahmen 200 haben.
Außerdem kann der Einsatz 100 innerhalb der Form 400 positioniert sein, die eine obere Form und eine untere Form aufweist, und somit ist es möglich, den Einsatz 100 direkt durch die obere Form und die untere Form zu positionieren. Der in Kontakt stehende Einsatz 100 kann jedoch beschädigt werden, wenn die Temperatur der Form 400 aufgrund des Spritzgießens steigt, in welche das Hochtemperaturpolymerharz eingespritzt wird. Somit ist die Dicke des geschäumten Körpers 300 so ausgestaltet, dass sie größer als die Dicke des Einsatzes 100 ist, um den Einsatz 100 innerhalb der Form 400 zu positionieren, wodurch verhindert werden kann, dass der Einsatz 100 durch hohe Temperatur beschädigt wird.
Bezugnehmend auf 8 kann der geschäumte Körper 300 eine erste Schicht 310, die direkt mit der Außenseitenfläche des Einsatzes 100 in Kontakt kommt, und eine zweite Schicht 320 aufweisen, die zum Abdecken einer Außenseitenfläche der ersten Schicht 310 gekoppelt ist. Eine Porosität der ersten Schicht 310 kann kleiner sein als eine Porosität der zweiten Schicht 320.
Das heißt, der geschäumte Körper 300 kann mit der ersten Schicht 310 und der zweiten Schicht 320 ausgestaltet sein, die mit Materialien mit unterschiedlichen Porositäten ausgebildet sind. Eine Innenseitenfläche der ersten Schicht 310 kann so ausgestaltet sein, dass sie die Außenseitenfläche des Einsatzes 100 in direktem Kontakt bedeckt, und eine Innenseitenfläche der zweiten Schicht 320 kann so ausgestaltet sein, dass sie die Außenseitenfläche der ersten Schicht 310 bedeckt.
Die erste Schicht 310 kann so ausgestaltet sein, dass sie eine relativ kleinere Porosität aufweist, um das Polymerharz, das ein Injektionsmaterial ist, das in das Innere des Einsatzes 100 eindringt, auf eine Weise zu reduzieren, dass die erste Schicht 310 direkt mit der Außenseitenfläche des Einsatzes 100 in Kontakt kommt, die angrenzend an den Einsatz 100 positioniert werden soll.
Andererseits ist die zweite Schicht 320 ein Bereich, in den das Injektionsmaterial direkt strömt, und kann so ausgestaltet sein, dass er relativ zu dem Einsatz 100 beabstandet ist und eine relativ größere Porosität aufweist, so dass das Polymerharz leicht in das Innere des Einsatzes 100 eindringt.
Zusätzlich kann die zweite Schicht 320 im Vergleich zu der ersten Schicht 310 einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweisen, so dass die zweite Schicht 320 durch das Einbringen des Polymerharzes geschmolzen wird und mit dem Polymerharz gemischt wird, wodurch der Rahmen 200 in einem Körper zusammengefügt wird.
Da der geschäumte Körper 300 als die erste Schicht 310 und die zweite Schicht 320 ausgestaltet ist, die relativ benachbart und relativ zu dem Einsatz 100 positioniert sind und unterschiedliche Porositäten aufweisen, ist der geschäumte Körper 300 so ausgestaltet, dass er gemäß den Positionseigenschaften eine optimale Porosität aufweist.
Ein Verfahren zum Herstellen einer Einheitszelle einer Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung weist auf: Formen eines geschäumten Körpers 300 auf einer Außenseitenfläche eines Einsatzes 100, der eine MEA 110 und eine GDL 120 aufweist; und Formen eines Rahmens 200, in dem ein Polymer an einer Außenseitenfläche des geschäumten Körpers 300 so eingespritzt wird, dass das Polymerharz teilweise in den geschäumten Körper 300 eindringt.
Beim Formen des geschäumten Körpers 300 wird der geschäumte Körper 300 auf der Außenseitenfläche des Einsatzes 100 extrudiert oder spritzgegossen.
In einer anderen Ausführungsform kann der geschäumte Körper 300 beim Formen des geschäumten Körpers 300 so ausgestaltet sein, dass er mit der Außenseite des Einsatzes 100 koppelt. Insbesondere kann der geschäumte Körper 300 so ausgestaltet sein, dass eine synthetische Faser den äußeren Abschnitt teilweise umgibt. Das heißt, die Kunstfaser, die separat hergestellt wird, umgibt den äußeren Abschnitt des Einsatzes 100 teilweise zum Binden, so dass der geschäumte Körper 300 ausgebildet wird. Die synthetische Faser kann sich nach außen von dem Einsatz 100 erstrecken, während sie den äußeren Abschnitt des Einsatzes 100 teilweise umgibt.
Beim Formen des Rahmens 200 wird, wenn das Polymerharz in den geschäumten Körper 300 eindringt, der Rahmen 200 mit dem geschäumten Körper 300 in einem Körper zusammengebaut, so dass eine Innenseitenfläche des Rahmens 200 teilweise die oberen und unteren Flächen des Einsatzes 100 bedeckt.
Das heißt, wenn das Polymerharz in den geschäumten Körper 300 eindringt, wird der Rahmen 200 mit dem geschäumten Körper 300 in einem Körper so zusammengebaut, dass eine Innenseitenfläche des Rahmens 200 teilweise auch die oberen und unteren Flächen des Einsatzes 100 sowie die Außenseitenfläche des Einsatzes 100 bedeckt.
Obwohl die spezifischen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben worden sind, werden Fachleute erkennen, dass verschiedene Modifikationen, Hinzufügungen und Ersetzungen möglich sind, ohne vom Schutzumfang und vom Geist der Erfindung abzuweichen.

Claims

Einheitszelle für eine Brennstoffzelle, wobei die Einheitszelle aufweist: einen Einsatz, der eine Membranelektrodenanordnung (MEA) und eine Gasdiffusionsschicht (GDL) aufweist; einen geschäumten Körper, der an einer Außenseitenfläche des Einsatzes angeordnet ist; und einen Rahmen, der eine Außenseitenfläche des geschäumten Körpers so bedeckt, dass ein Polymerharz an die Außenseitenfläche des geschäumten Körpers eingespritzt wird, während das Polymerharz teilweise in den geschäumten Körper eindringt.
Einheitszelle nach Anspruch 1, wobei ein oberes Ende einer Innenseitenfläche des geschäumten Körpers angeordnet ist, um höher zu sein als ein oberes Ende der Außenseitenfläche des Einsatzes, und ein unteres Ende der Innenseitenfläche des geschäumten Körpers angeordnet ist, um niedriger als ein unteres Ende der Außenseitenfläche des Einsatzes zu sein, so dass der geschäumte Körper eine Dicke aufweist, die größer als der Einsatz ist.
Einheitszelle nach Anspruch 2, wobei die Innenseitenfläche des geschäumten Körpers die oberen und unteren Flächen des Einsatzes teilweise bedeckt.
Einheitszelle nach einem der bisherigen Ansprüche, wobei der geschäumte Körper ein elektrisch isolierendes Material aufweist.
Einheitszelle nach einem der bisherigen Ansprüche, wobei der geschäumte Körper eine Porosität aufweist, die größer ist als die der MEA und der GDL.
Einheitszelle nach einem der bisherigen Ansprüche, wobei der geschäumte Körper eine synthetische Faser aufweist, die einen äußeren Abschnitt des Einsatzes teilweise umgibt.
Einheitszelle nach einem der bisherigen Ansprüche, wobei der geschäumte Körper aufweist: eine erste Schicht, die direkt mit der Außenseitenfläche des Einsatzes in Kontakt kommt; und eine zweite Schicht, die mit einer Außenseitenfläche der ersten Schicht gekoppelt ist und diese abdeckt, wobei eine Porosität der ersten Schicht kleiner als eine Porosität der zweiten Schicht ist.
Einheitszelle nach einem der bisherigen Ansprüche, wobei ein Teil oder der gesamte geschäumte Körper mit dem Polymerharz, das den Rahmen ausbildet, aufgeschmolzen ist, so dass der geschäumte Körper und der Rahmen als ein Körper zusammengebaut sind.
Einheitszelle nach einem der bisherigen Ansprüche, wobei eine Innenseitenfläche des Rahmens teilweise obere und untere Flächen des Einsatzes bedeckt.
Verfahren zum Herstellen einer Einheitszelle einer Brennstoffzelle, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Formen eines geschäumten Körpers an einer Außenseitenfläche eines Einsatzes, der eine Membranelektrodenanordnung und eine Gasdiffusionsschicht aufweist; und Formen eines Rahmens, in dem ein Polymerharz an einer Außenseitenfläche des geschäumten Körpers so eingespritzt wird, dass das Polymerharz teilweise in den geschäumten Körper eindringt.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei, in dem Schritt des Formens des geschäumten Körpers, der geschäumte Körper an der Außenseitenfläche des Einsatzes durch Extrusion oder Spritzguss geformt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei, in dem Schritt des Formens des geschäumten Körpers, eine synthetische Faser einen äußeren Abschnitt des Einsatzes teilweise umgibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei, in dem Schritt des Formens des geschäumten Körpers, wenn das Polymerharz in den geschäumten Körper eindringt, der Rahmen mit dem geschäumten Körper als ein Körper zusammengebaut wird, so dass eine Innenseitenfläche des Rahmens die oberen und unteren Flächen des Einsatzes teilweise bedeckt.