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Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Einheit mit einer Trägerfolie, auf die Dichtungen aufgebracht werden sowie auf eine Membran-Elektroden-Einheit.
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Stand der Technik
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DE 101 60 905 B4 bezieht sich auf eine Dichtungsanordnung für Brennstoffzellen, ein Verfahren zur Herstellung und Verwendung einer solchen Dichtungsanordnung. Die Dichtungsanordnung umfasst einen Verbund gebildet aus zwei Zelltrennplatten mit einer zwischengelegten verformbaren Membran-Elektroden-Einheit, bestehend aus zwei porösen gasdurchlässigen Platten oder Lagen und einer dazwischen gelegten lonenaustauschmembran, wobei die Seitenflächen der Membran-Elektroden-Einheit gegenüber den Seitenflächen der Zelltrennplatte zurückspringen, um einen Dichtspalt freizulassen. Es ist ein elastisches Dichtelement vorgesehen, aus einem ersten Polymer, welches den Verbund nach Art eines umlaufenden Dichtbands umschließt, wobei das Dichtelement eine umlaufende Dichtleiste aufweist, die in den Dichtspalt ragt, um durch Verpressung zwischen den Zelltrennplatten den Dichtspalt gasdicht abzuschließen. Die porösen gasdurchlässigen Platten sind jeweils in einem Endbereich mit einem zweiten Polymer einseitig oder zweiseitig imprägniert und/oder beschichtet; die Seitenfläche der lonenaustauschmembran springt gegenüber den Seitenflächen der porösen Platten zurück und lässt einen zweiten Dichtspalt frei, in welchen eine zweite Dichtleiste ragt, um durch Verpressung zwischen den porösen Platten den zweiten Dichtspalt gasdicht abzuschließen.
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DE 10 2012 011 441 A1 bezieht sich auf eine Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle, die eine Protonenaustauschmembran aufweist, die auf der einen Seite eine aktive Fläche zur Ausbildung einer Anode und auf der anderen Seite eine aktive Fläche zur Ausbildung einer Kathode besitzt, wobei die aktiven Flächen jeweils von einer nicht-aktiven Fläche umgeben sind. Die nicht-aktiven Flächen sind anodenseitig und kathodenseitig mit einem Subgasket stabilisiert, wobei jeweils zumindest ein Bereich der nicht-aktiven Flächen zur Ausbildung zumindest einer Befeuchtungsfläche ohne Subgasket verbleibt oder mit einem perforierten oder durchbrochenen Subgasket versehen ist, wobei die zumindest eine Befeuchtungsfläche eine Größe von 1 % bis 15 % der Gesamtfläche der Membran-Elektroden-Einheit aufweist, und wobei die zumindest eine Befeuchtungsfläche ausbildenden nicht-aktiven Bereiche zumindest abschnittsweise deckungsgleich sind.
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WO00/74160 A1 bezieht sich auf eine Membran-Elektroden-Einheit für Brennstoffzellen. Diese weist am Umfang an dem Bereich von in ihrem aktiven Teil vorgesehenen Durchbrüchen zur Materialführung oder Montage einen Versteifungsrahmen auf, der durch eine beidseitig aufgebrachte Schmelzkleberschicht und mindestens eine Biegesteifplatte gebildet ist. Die Schmelzkleberschichten, die über den Außenrand der Membran-Elektroden-Einheit hinausragen, gehen unter Einwirkung von Druck und Wärme eine innige Verbindung mit den biegesteifen Platten und der Membran-Elektroden-Einheit und in dem überstehenden Bereich auch untereinander ein. Der Schmelzkleber weist ionische oder stark polare Gruppen auf, die in eine Wechselwirkung mit den ionischen Gruppen der Polymerelektrodenmembran treten und eine hohe Adhäsionswirkung zwischen Schmelzkleber und Membran-Elektroden-Einheit gewährleisten.
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Bipolarplatten und Membran-Elektroden-Einheiten sind funktionstragende Komponenten in einem Brennstoffzellenstapel und stellen neben der elektrochemisch aktiven Mehrlagenmembran einen wesentlichen Teil der Fertigungskosten einer Brennstoffzelle dar. Bipolarplatten müssen zur Aufrechterhaltung der elektrochemischen Reaktion innerhalb des Brennstoffzellenstapels die anodenseitig gebildeten Elektronen unter möglichst geringem elektrischem Widerstand auf die Kathodenseite der benachbarten Zelle transportieren. Das bedeutet, dass neben einer guten Leitfähigkeit insbesondere auch die Kontaktübergangswiderstände so gering wie möglich sein sollten. Die Kontaktübergangswiderstände sind abhängig von der Oberflächenqualität der Platten, dem angrenzenden Kontaktmedium und der wirkenden Anpresskraft. Darüber hinaus müssen eine hohe Mediendichtigkeit, eine gute Korrosionsbeständigkeit sowie eine gute Wärmeableitung und eine ausreichende mechanische Stabilität sichergestellt sein. Insbesondere die mechanische Festigkeit ist bedeutsam, da die Bipolarplatten den Anpressdruck in den Brennstoffzellenstapel einleiten.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Einheit mit einer Trägerfolie, auf die Dichtungen aufgebracht werden, mit nachfolgenden Verfahrensschritten vorgeschlagen:
- a) Gleichzeitiges Erzeugen von Dichtungen durch Co-Extrusion auf der durch einen Extruder bewegten Trägerfolie auf deren erster Seite und deren zweiter Seite.
- b) Erzeugen von Dichtungen auf der Trägerfolie gemäß Verfahrensschritt a) zumindest durch eine stoffschlüssige Verbindung,
- c) Erzeugen von Abschnitten (59) aus Trägerfolie (24) mit beidseitig aufgebrachten Dichtungen (46, 48) und
- d) Aufbringen weiterer Dichtungen beidseitig auf Trennkanten von gemäß Verfahrensschritt c) erzeugten Abschnitten.
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In Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens wird als Trägerfolie ein Material wie beispielsweise Polyethylennaphthalat mit einem Schmelzpunkt von ca. 255 °C eingesetzt.
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In Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens wird eine Trägerfolie eingesetzt, in deren Randbereichen Öffnungen oder Nuten verlaufen. Durch derartige Elemente kann beispielsweise einerseits ein Stoffschluss erfolgen, was bedeutet, dass das Material aus dem die Dichtungen gefertigt sind, die Trägerfolie durchsetzt und sich somit sowohl eine formschlüssige als auch eine stoffschlüssige Verbindung erzeugen lässt.
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Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren können die Dichtungen auf dem Wege der Co-Extrusion aus einem Elastomer, einem TPE oder einem Silikon beidseitig extrudiert werden.
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In Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens wird zusätzlich zur stoffschlüssigen Verbindung gemäß Verfahrensschritt b) eine formschlüssige Verbindung zwischen der Trägerfolie und den Dichtungen erzeugt. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass das Material, aus welchem die Dichtungen auf dem Wege der Co-Extrusion auf der Trägerfolie beidseitig hergestellt werden, die in dieser innerhalb der Randbereiche vorgesehenen Öffnungen durchsetzen.
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In Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens werden die Abschnitte gemäß Verfahrensschritt c) durch Schneiden, Stanzen oder durch Lasern der Trägerfolie mit beidseitig darauf aufgebrachten Dichtungen hergestellt.
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Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren werden gemäß Verfahrensschritt d) die weiteren Dichtungen durch ein stoffschlüssiges Fügeverfahren, wie zum Beispiel eine TPE-Verschweißung oder mittels eines Dispensers aus Polyurethan oder Silikon aufgetragen.
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Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf eine Membran-Elektroden-Einheit hergestellt gemäß dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren mit einer Gasdiffusionsschicht und einer Membran mit einem Katalysator.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass durch die Co-Extrusion ein kontinuierlicher Prozess zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Einheit bereitgestellt werden kann, der erheblich kostengünstiger als ein diskontinuierlicher Prozess ist, da mit einem kontinuierlichen Prozess kürzere Durchlaufzeiten und eine erhöhte Stückzahl erreicht werden können.
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Des Weiteren kann im Rahmen des erfindungsgemäß vorgeschlagenen kontinuierlichen Verfahrens ein einfacher Werkzeugaufbau, insbesondere für die Extrusion, bereitgestellt werden, der erheblich kostengünstiger ist als beispielsweise Spritzgießwerkzeuge, in denen nur ein Los gefertigt werden kann.
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Des Weiteren können bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren größere Formate hergestellt werden und ein - verglichen mit herkömmlichen Spritzgießwerkzeugen - höherer Automatisierungsgrad erreicht werden. Da es sich bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen, kontinuierlichen Verfahren eben um ein Durchlaufverfahren handelt, können im Gegensatz zur Losfertigung in Spritzgießwerkzeugen erheblich kürzere Taktzeiten erreicht werden. Des Weiteren kann beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen kontinuierlichen Verfahren neben dem einfachen Werkzeugaufbau auch die Werkstückelogistik, d. h. ein Umsetzen beziehungsweise eine Entnahme fertiger Werkstücke aus den Spritzgießwerkzeugen sowie deren Neubestückung umgangen werden. Die bei einer Herstellung besagter Bauteile im Spritzgießverfahren erforderliche manuelle Umsetzung beziehungsweise die mit diesem Verfahren einhergehende Werkzeuglogistik kann beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen kontinuierlichen Verfahren vollständig entfallen.
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Des Weiteren können bereits im Rahmen der Extrusion beziehungsweise der Co-Extrusion als kontinuierlicher Prozess hohe Oberflächengüten erreicht werden, so dass nachgeordnete Bearbeitungsgänge hinsichtlich einer Verbesserung der Oberflächengüte entfallen können, ferner ist eine Entgratung, wie sie im Rahmen der Spritzgussfertigung durchaus üblich ist, beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen kontinuierlichen Verfahren überflüssig.
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Figurenliste
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Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 einen Extruder zur Co-Extrusion mit Trägerfolie und Dichtungsmaterial,
- 2 eine schematische Ansicht einer Membran-Elektroden-Einheit,
- 3 eine Seitenansicht einer beidseitig mit Dichtungen versehenen Trägerfolie und
- 4 eine Draufsicht auf eine auf dem Wege der Co-Extrusion mit Dichtungen versehene Trägerfolie.
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Ausführungsvarianten der Erfindung
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In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
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1 zeigt einen Extruder 10, der eine Schnecke 14 umfasst, die in der Darstellung gemäß 1 nur schematisch angedeutet ist. Über die Schnecke 14 wird ein über eine Granulatzufuhr 18 mittels eines Trichters 20 zugeführtes Kunststoffmaterial in Förderrichtung 12 gefördert. Das an der Granulatzufuhr 18 zugeführte Material wird während der Passage des Extruders 10 in Förderrichtung 12 erwärmt und aufgeschmolzen, sodass über die Schnecke 14 erwärmtes und fließfähiges Kunststoffmaterial gefördert und an einem Ende des Extruders 10 auf eine Trägerfolie 24 appliziert wird. Auf dem Wege der im Extruder 10 angewandten Co-Extrusion 22 wird die ebenfalls in Förderrichtung 12 geförderte Trägerfolie 24 auf beiden Seiten mit einem Kunststoffmaterial, insbesondere innerhalb der Randbereiche 26, beschichtet. Die Beschichtung wird durch die in den jeweiligen Randbereichen 26 verlaufende, erhaben über die Oberseite der Trägerfolie 24 an beiden Seiten hervorstehende extrudierte Dichtung 28 gebildet.
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Bei der Trägerfolie 24, die im Extruder 10 in Förderrichtung 12 verarbeitet wird, handelt es sich um eine dünne Folie, die vorzugsweise aus einem Material wie Polyethylennaphthalat gefertigt wird, welches einen Schmelzpunkt von ca. 255 °C aufweist. Es können durchaus auch andere Kunststoffmaterialien eingesetzt werden, die eine ähnliche Zusammensetzung haben und die einen Schmelzpunkt aufweisen, der im Bereich zwischen 250° C und 260° C liegt. Das Kunststoffmaterial, welches über die Granulatzufuhr 18 in den Trichter 20 des Extruders 10 aufgegeben wird, kann beispielsweise ein Elastomer, TPE oder ein Silikon sein.
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Vorteilhafterweise ist die Trägerfolie 24, die am Extruder 10 als Rollenvorrat bevorratet wird, eine dünne filmartige Folie, welche in ihren Randbereichen 26 Öffnungen 50 oder Nuten oder dergleichen aufweist. Bei der Co-Extrusion 22 wird auf die jeweiligen Seiten, d. h. die erste Seite 40 der Trägerfolie 24 sowie eine zweite Seite 42 der Trägerfolie 24, gleichzeitig extrudiertes fließfähiges Kunststoffmaterial aufgebracht und entsprechende sich in Förderrichtung 12 erstreckende Dichtungen, eine erste Dichtung 46 und eine zweite Dichtung 48, geformt.
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2 ist in schematischer Weise eine Membran-Elektroden-Einheit zu entnehmen, die beidseits der Trägerfolie 24 jeweils eine Gasdiffusionsschicht 34 aufweist. Zwischen den Gasdiffusionsschichten 34 ist eine Membran 32 aufgenommen. Die Gasdiffusionsschicht 34 kann auch mit einem Katalysator 30 versehen sein, welcher an Ober- und Unterseite der Membran 32 angeordnet ist. 3 zeigt in schematischer Weise eine Seitenansicht der Trägerfolie 24 in vergrößertem Maßstab nach durchgeführter Co-Extrusion 22.
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Aus 3 geht hervor, dass die dort dargestellte Trägerfolie 24 sowohl auf der ersten Seite 40 (Oberseite) als auch auf der zweiten Seite 42 (Unterseite) jeweils mit der ersten Dichtung 46 sowie der zweiten Dichtung 48 versehen ist. Die beiden im Wege der Co-Extrusion 22 auf die Trägerfolie 24 aufgebrachten Dichtungen 46, 48 weisen in Bezug auf die erste Seite 40 als auch auf die zweite Seite 42 jeweils eine Höhe 58 auf und stehen erhaben über die erste Seite 40 und die zweite Seite 42 der Trägerfolie 24 hervor. Aus der in 3 schematisch dargestellten Schnittzeichnung geht hervor, dass in dieser Ausführungsvariante die als Rollenvorrat bevorratete Trägerfolie 24 mit Öffnungen 50 versehen ist. Diese sind hier in einem vergrößerten Maßstab dargestellt und dienen der Veranschaulichung einer stoffschlüssigen Verbindung 36 beziehungsweise einer formschlüssigen Verbindung 38, die auf dem Wege der Co-Extrusion 22 zwischen der ersten Dichtung 46 und der zweiten Dichtung 48 beim Aufbringen auf die Trägerfolie 24 erreicht wird. Das viskose, d. h. erwärmte, aus dem Extruder 10 in Förderrichtung 12 austretende Kunststoffmaterial durchdringt beim Applizieren auf die erste Seite 40 beziehungsweise die zweite Seite 42 der Trägerfolie 24 die Öffnungen 50. Diese könnten auch als Nuten oder dergleichen ausgebildet werden, sodass das fließfähige Kunststoffmaterial durch die Öffnungen 50 beziehungsweise Nuten hindurch tritt und beidseits der Trägerfolie 24 während der Co-Extrusion 22 sowohl eine stoffschlüssige Verbindung 36 als auch eine formschlüssige Verbindung 38 zwischen der ersten Dichtung 46 und der zweiten Dichtung 48 ausbildet.
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Die Länge der ersten Dichtung 46 und der zweiten Dichtung 48 in Förderrichtung 12 gesehen, hängt ab von der Vorschubgeschwindigkeit der Trägerfolie 24 während der Co-Extrusion 22.
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Einzelne Abschnitte 59 der Trägerfolie 24 und auf dieser applizierte Dichtungen 46, 48 werden durch Trennvorgänge erhalten. An einer ersten Trennkante 43 und einer zweiten Trennkante 44 wird die Trägerfolie 24 und damit auch die erste Dichtung 46 und die zweite Dichtung 48 quer zur Förderrichtung 12 getrennt. Das Erzeugen der ersten Trennkante 43 und der zweiten Trennkante 44 senkrecht zur Förderrichtung 12 der Trägerfolie 24 kann beispielsweise durch Schneiden, Stanzen oder Lasern vorgenommen werden.
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4 zeigt eine Draufsicht auf die Darstellung der Trägerfolie 24, wie sie in der Schnittdarstellung gemäß 3 wiedergegeben ist.
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Aus der Darstellung gemäß 4 geht hervor, dass auf dem Wege der Co-Extrusion 22 am Ende des Extruders 10 die erste Dichtung 46 und die zweite Dichtung 48 in einem ersten Randbereich 54 beziehungsweise einem zweiten Randbereich 56 auf die erste Seite 40 der Trägerfolie 24 aufgebracht werden. Zwischen dem ersten Randbereich 54 und dem zweiten Randbereich 56 verbleibt eine freie Fläche 52, die frei von Dichtungen ist. Aus den Darstellungen gemäß den 3 und 4 geht hervor, dass am Abschnitt 59 die erste Trennkante 43 und die zweite Trennkante 44 noch ohne Dichtungen verbleiben.
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Nach der Abtrennung des Abschnitts 59 vom Rollenvorrat der Trägerfolie 24 mit aufgebrachter erster Dichtung 46 und aufgebrachter zweiter Dichtung 48 werden die Trennkanten 43, 44 behandelt. Dazu kann beispielsweise eine TPE-Verschweißung vorgenommen werden oder ein Dichtungsmaterial, beispielsweise Polyurethan oder Silikon, kann unter Einsatz eines Dispensers aufgebracht werden, so dass der Abschnitt 59 - wie er beispielsweise schematisch in 4 dargestellt ist - auch an den Trennkanten 43, 44 mit jeweils einer Dichtung, nämlich einer dritten Dichtung 60 beziehungsweise einer vierten Dichtung 62 versehen werden kann. Die dritte Dichtung 60 beziehungsweise die vierte Dichtung 62 verlaufen senkrecht zu den im Wege der Co-Extrusion hergestellten Dichtungen 46, 48.
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Nach dem Durchlaufen des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens wird eine Trägerfolie 24 erhalten, die als Abschnitt 59 vorliegt. Dieser Abschnitt 59 ist innerhalb seiner Randbereiche 54, 56 auf der ersten Seite 40 und der zweiten Seite 42 jeweils mit einer ersten Dichtung 46 und einer zweiten Dichtung 48 versehen. Senkrecht zu diesen beiden Dichtungen 46, 48 werden an den Trennkanten 43, 44 die dritte Dichtung 60 und die vierte Dichtung 62 durch die Anwendung eines Dispensers, durch Auftrag von Polyurethan oder einen Silikonauftrag, hergestellt oder auf dem Wege eines stoffschlüssigen Fügeverfahrens, wie zum Beispiel TPE-Verschweißung, erzeugt. Auf dem so erhaltenen Verbund aus Dichtungen 46, 48 - parallel zur Förderrichtung 12 der Trägerfolie 24 verlaufend - und Trägerfolie 24 werden die eigentliche Membran 32 inklusive eines Platinkatalysators sowie Gasdiffusionsschichten 34 - wie in 2 schematisch dargestellt - aufgetragen.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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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 10160905 B4 [0002]
- DE 102012011441 A1 [0003]
- WO 0074160 A1 [0004]
