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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 8.
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Stand der Technik
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Mit Hilfe einer Brennstoffzelle kann unter Verwendung eines Brennstoffs, beispielsweise Wasserstoff, und eines Oxidationsmittels, beispielsweise Sauerstoff, chemische in elektrische Energie umgewandelt werden. Die Brennstoffzelle weist hierzu eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) mit einer Membran auf, welche üblicherweise in zwei Lagen Kunststofffolie einlaminiert ist. Die Laminierfolien dienen als Randverstärkung und werden auch „Gasket“ oder „Sub-Gasket“ genannt. Sie weisen großflächige Fenster auf, damit die Membran - bis auf einen schmalen umlaufenden Einfassungsbereich - frei liegt und in Kontakt mit beidseitig aufzubringenden Gasdiffusionslagen gebracht werden kann.
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Der Aufbau einer Brennstoffzelle ist beispielhaft in der 5 dargestellt. Sie zeigt in Form einer Explosionsdarstellung die einzelnen Lagen bzw. Schichten. Im Zentrum befindet sich eine Membran-Elektroden-Anordnung 1 mit einer Membran 2, die vorliegend beidseitig eine Katalysatorschicht aufweist. Auf beiden Seiten der Membran 2 sind ferner jeweils eine Gasdiffusionslage 10, 11 sowie eine Kunststofffolie 3, 4 zur Ausbildung einer Randverstärkung („Gasket“) angeordnet. Die beiden Kunststofffolien 3, 4 bilden jeweils ein Fenster 9 aus, so dass die Gasdiffusionslagen 10, 11 auch in Kontakt mit der Membran 2 gelangen, wenn sie - wie üblicherweise der Fall - erst nach dem Laminieren aufgebracht werden.
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Die Fenster werden vor dem Laminieren aus den Kunststofffolien herausgestanzt. Dies bedeutet, dass eine große Menge Verschnitt anfällt, der entsorgt werden muss. Zudem ist ein zusätzlicher Arbeitsschritt erforderlich, der die Prozessabfolge bei der Herstellung der Brennstoffzelle aufwendig und damit kostenintensiv macht.
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Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Herstellung einer Brennstoffzelle zu vereinfachen und damit kostengünstiger zu gestalten. Ferner soll der Materialverbrauch gesenkt werden, was sich ebenfalls kostensenkend auswirkt.
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Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie die Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 7 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle wird eine Membran-Elektroden-Anordnung mit einer Membran zumindest bereichsweise zwischen zwei Kunststofffolien einlaminiert. Erfindungsgemäß wird die Membran-Elektroden-Anordnung in einem ersten Randbereich A zwischen zwei erste Kunststofffolien und in einem zweiten Randbereich B zwischen zwei zweite Kunststofffolien einlaminiert. Die beiden Randbereiche A, B können dabei auf sich gegenüberliegenden Seiten der Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet und/oder zueinander parallel verlaufen.
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Die Herstellung der Brennstoffzelle erfordert demnach mindestens vier Kunststofffolien, wobei jeweils zwei Kunststofffolien aufeinanderliegen und einen Randbereich der Membran-Elektroden-Anordnung aufnehmen. Dadurch entfällt der Arbeitsschritt des Ausstanzens eines Fensters aus den Kunststofffolien. Zugleich wird Material eingespart, da der Verschnitt minimal ist.
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Anstelle einer Kunststofffolie mit einem Fenster, werden zwei Kunststofffolien an sich gegenüberliegenden Seiten der Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet. Die Kunststofffolien können dabei als schmale Streifen ausgebildet sein, was ebenfalls Material einsparen hilft. Da die Membran-Elektroden-Anordnung insbesondere eine rechteckige Grundform aufweisen kann, führt die Anordnung der Kunststofffolien bzw. Kunststoffstreifen auf sich gegenüberliegenden Seiten der Membran-Elektroden-Anordnung zu parallel verlaufenden Kunststofffolien bzw. -streifen.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Membran-Elektroden-Anordnung in den beiden Randbereichen A, B jeweils formschlüssig mit den Kunststofffolien verbunden wird. Der Formschluss optimiert den Verbund zwischen der Membran-Elektroden-Anordnung und den Kunststofffolien. Insbesondere schützen sie die Membran-Elektroden-Anordnung vor dem Herausrutschen aus der Randverstärkung. Dies ist insbesondere von Vorteil, da die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Membran-Elektroden-Anordnung nicht mehr umlaufend eingefasst ist, sondern nur noch an zwei sich gegenüberliegenden Seiten. Die an den sich gegenüberliegenden Seiten ausgebildeten Randverstärkungen sind zudem nur mittelbar über die Membran-Elektroden-Anordnung miteinander verbunden.
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Bevorzugt werden in den beiden Randbereichen A, B der Membran-Elektroden-Anordnung zur formschlüssigen Verbindung mit den Kunststofffolien Aussparungen, insbesondere Ausstanzungen, vorgesehen. Diese sind vorzugsweise derart dimensioniert und platziert, dass sie nach dem Laminieren von den Kunststofffolien vollständig abgedeckt werden. Beim Laminieren dringt dann das Material der Kunststofffolien in die Aussparungen der Membran-Elektroden-Anordnung ein, so dass hierüber der Formschluss bewirkt wird. Die Form der Aussparungen kann beliebig gewählt werden. Beispielsweise können rechteckige Aussparungen vorgesehen werden. Die Aussparungen können zum Beispiel in regelmäßigen Abständen in einer oder in mehreren Reihen angeordnet werden.
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Des Weiteren bevorzugt werden die Kunststofffolien vor oder nach dem Laminieren mit Aussparungen, vorzugsweise Ausstanzungen, versehen. Diese dienen der Ausbildung von Medienkanälen, wenn mehrere Brennstoffzellen zu einem Stapel angeordnet werden, so dass die Aussparungen einander überdecken.
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Vorteilhafterweise wird als Ausgangsmaterial jeweils Bahnware verwendet, die nach dem Laminieren nur noch auf die erforderliche Länge geschnitten werden muss. Das heißt, dass sowohl die Membran als Bahnware vorliegt, als auch die Kunststofffolien, zwischen denen die Membran einlaminiert werden soll. Auf diese Weise können in kurzer Zeit eine Vielzahl von Brennstoffzellen hergestellt werden. Der Produktionsprozess wird dadurch deutlich beschleunigt. Zudem vereinfacht sich die Handhabung der als Bahn vorliegenden randverstärkten Membran-Elektroden-Anordnung, da die Bahn an der robusten Randverstärkung gehandhabt werden kann, ohne mit der Membran-Elektroden-Anordnung in Berührung zu kommen.
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Da die Randverstärkung an lediglich zwei sich gegenüberliegenden Seiten der Membran-Elektroden-Anordnung angebracht ist, sind auch nur diese Seiten gasdicht und elektrisch isoliert ausgeführt. Auf den Querseiten hierzu bzw. im Bereich der Schnittkanten, wenn die Membran-Elektroden-Anordnung zuvor auf Länge geschnitten wurde, fehlt eine solche Dichtung bzw. elektrische Isolierung. Als weiterbildende Maßnahme wird daher vorgeschlagen, dass auf die Membran-Elektroden-Anordnung in Randbereichen, die nicht zwischen zwei Kunststofffolien einlaminiert sind oder werden, zumindest einseitig, vorzugsweise beidseitig, eine Dicht- und/oder Klebeschicht aufgebracht wird. Auf diese Weise kann sehr einfach und schnell die geforderte Gasdichtheit und elektrische Isolierung hergestellt werden. Alternativ oder ergänzend kann eine elektrische Isolierung mittels einer Lackschicht auf einer Bipolarplatte hergestellt werden, die außenliegend an der randverstärkten Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet wird.
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Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird ferner eine Brennstoffzelle für einen Brennstoffzellenstapel vorgeschlagen, die eine Membran-Elektroden-Anordnung mit einer Membran umfasst. Die Membran ist dabei zumindest bereichsweise zwischen zwei Kunststofffolien einlaminiert. Erfindungsgemäß ist die Membran-Elektroden-Anordnung in einem ersten Randbereich A zwischen zwei erste Kunststofffolien und in einem zweiten Randbereich B zwischen zwei zweite Kunststofffolien einlaminiert. Das heißt, dass die Membran-Elektroden-Anordnung an lediglich zwei Randbereichen randverstärkt ist. Dies erleichtert die Herstellung der Brennstoffzelle, da die Herstellung nach dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren erfolgen kann. Zugleich sinken die Herstellungskosten. Was sich ebenfalls als kostensenkend auswirkt, ist, dass bei der Herstellung kaum Verschnitt anfällt, da zum Laminieren keine Kunststofffolien mit großflächigen Fenstern, sondern schmale streifenförmige Kunststofffolien verwendet werden. Diese werden vorzugsweise nicht umlaufend, sondern lediglich in zwei Randbereichen der Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet. Ferner vorzugsweise sind die beiden Randbereiche A, B auf sich gegenüberliegenden Seiten der Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet und/oder verlaufen parallel. Dadurch ist es möglich, dass bei der Herstellung Bahnware verwendet wird, die erst nach dem Laminieren auf Länge geschnitten wird, so dass der Herstellungsprozess weiter beschleunigt werden kann.
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Bevorzugt ist die Membran-Elektroden-Anordnung in den beiden Randbereichen A, B jeweils formschlüssig mit den Kunststofffolien verbunden. Der Formschluss verbessert den Verbund zwischen der Membran-Elektroden-Anordnung bzw. der Membran und den Kunststofffolien. Dies ist insbesondere von Vorteil, da die Oberflächen der Membran üblicherweise sehr glatt sind, so dass die Gefahr besteht, dass sie aus der Randverstärkung herausrutscht. Dies ist möglich, da auch die beiden an sich gegenüberliegenden Seiten angeordneten Randverstärkungen nicht miteinander verbunden sind. Der Formschluss wirkt einem Herausrutschen entgegen.
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Der Formschluss ist vorzugsweise durch Aussparungen, insbesondere Ausstanzungen, der Membran-Elektroden-Anordnung realisiert ist, in denen die Kunststofffolien eingreifen. Das heißt, dass die Aussparungen bzw. Ausstanzungen in den beiden Randbereichen A, B angeordnet sind und von den Kunststofffolien vollständig überdeckt werden. Beim Laminieren wird jeweils Material der beidseits aufliegenden Kunststofffolien in die Aussparungen gedrückt, so dass auf diese Weise der Formschluss bewirkt wird.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Kunststofffolien Aussparungen, insbesondere Ausstanzungen, zur Ausbildung von Medienkanälen aufweisen. Dies gilt insbesondere, wenn mehrere gleichartige Brennstoffzellen übereinander gestapelt werden, so dass ein Brennstoffzellenstapel bzw. ein Stack gebildet wird. Die Aussparungen der jeweiligen Brennstoffzellen werden dann in Überdeckung gebracht, so dass jeweils senkrecht zu den einzelnen Brennstoffzellen verlaufende Medienkanäle ausgebildet werden.
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Da die Membran-Elektroden-Anordnung einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle nicht umlaufend randverstärkt ist, ist die üblicherweise mittels der Randverstärkung hergestellte Gasdichtheit und/oder elektrische Isolierung ebenfalls nicht umlaufend gewährleistet. In Weiterbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, dass die Membran-Elektroden-Anordnung in Randbereichen, die nicht zwischen zwei Kunststofffolien einlaminiert sind, zumindest einseitig, vorzugsweise beidseitig, eine Dicht- und/oder Klebeschicht aufweist. Die Dicht- und/oder Klebeschicht ersetzt dann die fehlende Randverstärkung und übernimmt deren Funktion im Hinblick auf Gasdichtheit und elektrische Isolierung. Alternativ oder ergänzend kann die Membran-Elektroden-Anordnung zwischen zwei Bipolarplatten angeordnet werden, die eine Lackschicht zur elektrischen Isolierung aufweisen.
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Die im Rahmen der Erfindung vorgeschlagene Brennstoffzelle ist vorzugsweise nach einem der zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden. Dadurch ist sichergestellt, dass die Herstellung der Brennstoffzelle vergleichsweise kostengünstig und insbesondere materialsparend ist.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 eine perspektivische Darstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung für eine erfindungsgemäß hergestellte Brennstoffzelle nach dem Laminieren,
- 2 eine perspektivische Darstellung eines Randbereichs der Membran-Elektroden-Anordnung der 1,
- 3 eine perspektivische Darstellung eines Randbereichs einer weiteren Membran-Elektroden-Anordnung für eine erfindungsgemäß hergestellte Brennstoffzelle nach dem Laminieren,
- 4 eine Draufsicht auf eine Membran-Elektroden-Anordnung der 3 vor dem Laminieren und
- 5 eine Explosionsdarstellung einer Brennstoffzelle gemäß dem Stand der Technik.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Der 1 ist eine nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Membran-Elektroden-Anordnung 1 mit einer Membran 2 zu entnehmen, die in zwei Randbereichen A, B zur Ausbildung einer Randverstärkung jeweils zwischen zwei Kunststofffolien 3, 4, 5, 6 einlaminiert ist. Bei den Kunststofffolien 3, 4, 5, 6 handelt es sich um schmale Kunststofffolienstreifen, die an sich gegenüberliegenden Seiten der Membran-Elektroden-Anordnung 1 angeordnet sind und lediglich einen sehr kleinen Überlappungsbereich mit der Membran-Elektroden-Anordnung 1 aufweisen (siehe 2). Außerhalb dieses Überlappungsbereichs weisen die Kunststofffolienstreifen Aussparungen 8 auf, die in regelmäßigen Abständen in einer Reihe parallel zum jeweiligen Randbereich A, B angeordnet sind. Die Aussparungen 8 dienen der Ausbildung von Medienkanälen in einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack. Mehrere gleichartige Brennstoffzellen werden dann in gestapelter Anordnung zu einem Stack verbunden, so dass sich die Aussparungen 8 einander überdecken.
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Zur Herstellung einer Vielzahl gleichartiger Brennstoffzellen kann, wie in der 1 angedeutet, jeweils Bahnware als Ausgangsmaterial verwendet werden. Das heißt, dass eine Membranbahn sowie Kunststofffolienbahnen verwendet werden, zwischen den die Membranbahn einlaminiert wird. Auf diese Weise wird eine „Endlosbahn“ einer randverstärkten Membranbahn hergestellt, die zur Vereinzelung von Membran-Elektroden-Anordnungen 1 nur noch auf Länge geschnitten werden muss. Die Schnittkante verläuft dabei bevorzugt senkrecht zur Randverstärkung bzw. den beidseits angeordneten Kunststofffolienstreifen. In der 1 ist beispielhaft eine durch Schneiden von der randverstärkten Membranbahn getrennte einzelne Membran-Elektroden-Anordnung 1 dargestellt.
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Jeweils im Bereich der Schnittkanten bzw. in Randbereichen C, D, die nicht randverstärkt sind, fehlt eine Abdichtung bzw. elektrische Isolierung. Hier kann nachträglich eine Dicht- und/oder Klebeschicht aufgebracht werden (nicht dargestellt), welche die Funktionen der fehlenden Randverstärkung übernimmt.
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Eine modifizierte Membran-Elektroden-Anordnung 1 für eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle ist in der 3 dargestellt. Hier weist die Membran 2 Aussparungen 7 in den randverstärkten Randbereichen A, B auf, in welche die anliegenden Kunststofffolien 3, 4, 5, 6 eingreifen. Auf diese Weise wird ein Formschluss zwischen der Membran 2 und den Kunststofffolien 3, 4, 5, 6 erreicht, der verhindert, dass die Membran 2 aus der Randverstärkung herausrutscht. Wie beispielhaft in der 4 dargestellt, können die Aussparungen 7 in den Randbereichen A, B jeweils in einer Reihe angeordnet sein, die parallel zur späteren Randverstärkung verläuft. Dadurch ist sichergestellt, dass die Aussparungen 7 nach dem Laminieren vollständig durch die Kunststofffolien 3, 4, 5, 6 abgedeckt werden (siehe 3).
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Da 5, welche den zu verbessernden Stand der Technik betrifft, bereits eingangs erläutert wurde, wird diesbezüglich auf den entsprechenden Teil der Beschreibungseinleitung verwiesen.
