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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle, die insbesondere nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellen werden in mobilen sowie in stationären Anwendungen genutzt. Mit ihrer Hilfe kann die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie gewandelt werden. Zur Leistungssteigerung können mehrere Brennstoffzellen übereinander zu einem Brennstoffzellenstapel, auch „Stack“ genannt, angeordnet werden.
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Das „Herzstück“ einer Brennstoffzelle ist die sogenannte Membran-Elektroden-Anordnung (MEA), die eine beidseits beschichtete Membran zur Ausbildung einer ersten und einer zweiten katalytisch aktiven Elektrode umfasst. Die erste Elektrode bildet die Anode und die zweite Elektrode die Kathode aus. Die Membran dazwischen dient als Elektrolyt. Der Anode wird im Betrieb der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels ein Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, zugeführt. Der Kathode wird als Oxidationsmittel Luft zugeführt.
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Die MEA ist üblicherweise zwischen zwei dünne Kunststofffolien einlaminiert, die gemeinsam als „Subgasket“ bezeichnet werden. Sie dienen der elektrischen Isolierung zwischen der Anode und der Kathode. Beide Folien weisen großflächige Fenster auf, damit die aktiven Bereiche der MEA frei bleiben. Die MEA wird daher nur in einem umlaufenden Randbereich von den beidseits anliegenden Kunststofffolien eingefasst. Sowohl die großflächigen Fenster als auch weitere Öffnungen werden vorab, beispielsweise mittels Stanzen, in die Kunststofffolien eingebracht, und zwar in jede Folie einzeln. Danach werden die filigranen Gebilde mit einem Kleber beschichtet, beidseits der MEA positioniert, so dass die Öffnungen der beiden Kunststofffolien exakt übereinander liegen, und anschließend miteinander verklebt. Dieser Prozess ist mühsam und zeitintensiv, da sehr genau gearbeitet werden muss.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Herstellung einer Brennstoffzelle zu vereinfachen. Insbesondere soll ein höherer Automatisierungsgrad bei der Herstellung von Brennstoffzellen erreichbar sein, um die Massenproduktion wirtschaftlicher zu gestalten.
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Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird eine Brennstoffzelle angegeben, die insbesondere nach dem Verfahren herstellbar ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle mit einer Membran-Elektroden-Anordnung, die zumindest abschnittsweise von einem Subgasket eingefasst ist. Zur Ausbildung des Subgaskets wird erfindungsgemäß die Membran-Elektroden-Anordnung zumindest abschnittsweise in einen Folienschlauch eingesetzt, der Folienschlauch wird zusammengedrückt, so dass zwei Folienschlauchhälften zumindest bereichsweise aufeinanderliegen, und die aufeinanderliegenden Folienschlauchhälften werden miteinander verbunden, vorzugsweise verklebt.
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Durch die vorgeschlagene Verwendung eines Folienschlauchs anstelle zweier Einzelfolien kann die Ausbildung des Subgaskets deutlich vereinfacht werden. Denn es entfällt das schwierige Handling zweier filigraner Einzelfolien. Ferner entfällt das exakte Ausrichten der Folien zueinander. Im Ergebnis kann somit die Ausbildung des Subgaskets in sehr kurzen Zeiten und zudem hoch automatisiert durchgeführt werden, was wiederum eine wirtschaftliche Massenproduktion ermöglicht.
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Bevorzugt wird vor dem Einsetzen der Membran-Elektroden-Anordnung in den Folienschlauch mindestens eine fensterartige Öffnung in den Folienschlauch eingebracht. Die fensterartige Öffnung dient der Freilassung mindestens eines aktiven Bereichs der Membran-Elektroden-Anordnung. Da die Membran-Elektroden-Anordnung beidseits, das heißt sowohl anoden- als auch kathodenseitig, aktive Bereiche ausbildet, kann die fensterartige Öffnung entsprechend groß gewählt werden und die Membran-Elektroden-Anordnung in der Weise in den Folienschlauch eingesetzt werden, dass beide aktiven Bereiche innerhalb dieser einen fensterartigen Öffnung zu liegen kommen. Die Öffnung erstreckt sich in diesem Fall von der Anodenseite bis auf die Kathodenseite der Membran-Elektroden-Anordnung. Alternativ können zwei fensterartige Öffnungen anstelle einer fensterartigen Öffnung in den Folienschlauch eingebracht werden. Die zwei fensterartigen Öffnungen sind vorzugsweise einander gegenüberliegend angeordnet. Nach dem Einsetzen der Membran-Elektroden-Anordnung und dem Zusammendrücken des Folienschlauchs liegen demnach die beiden fensterartigen Öffnungen exakt übereinander. Dadurch ist sichergestellt, dass die beiden aktiven Bereiche der Membran-Elektroden-Anordnung jeweils innerhalb der ihr zugeordneten fensterartigen Öffnung zu liegen kommen.
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Beim Einsetzen der Membran-Elektroden-Anordnung in den Folienschlauch ist daher darauf zu achten, dass die beidseits ausgebildeten aktiven Bereiche der Membran-Elektroden-Anordnung innerhalb der mindestens einen fensterartigen Öffnung platziert werden.
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Anstelle eines einzigen Folienschlauchs können auch zwei oder mehr Folienschläuche verwendet werden. Bei zwei Folienschläuchen wird vorzugsweise die Membran-Elektroden-Anordnung einenends in den ersten Folienschlauch und andernends in den zweiten Folienschlauch eingesetzt. Die beiden Folienschläuche werden anschließend jeweils zusammengedrückt und die jeweils aufeinanderliegenden Folienschlauchhälften eines Folienschlauchs werden miteinander verbunden, vorzugsweise verklebt. Bei Verwendung von zwei Folienschläuchen kann auf die Ausbildung der mindestens einen fensterartigen Öffnung im Folienschlauch verzichtet werden. Denn anstelle der Öffnung werden die beiden Folienschläuche einfach in einem ausreichenden Abstand zueinander angeordnet, so dass die aktiven Bereiche der Membran-Elektroden-Anordnung frei bleiben. Das Verfahren kann auf diese Weise weiter vereinfacht werden.
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Bei Verwendung von zwei Folienschläuchen wird ein zweiteiliges Subgasket ausgebildet. Ein erstes Teil umgibt einen ersten Endabschnitt der Membran-Elektroden-Anordnung, ein zweites Teil umgibt einen zweiten Endabschnitt der Membran-Elektroden-Anordnung. Zwischen den beiden Endabschnitten erstrecken sich jeweils die aktiven Bereiche der Membran-Elektroden-Anordnung. Die aktiven Bereiche werden in diesem Fall nur an zwei Seiten durch die beiden Teile des Subgaskets eingefasst.
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Anstelle von zwei Folienschläuchen können aber auch vier Folienschläuche zur Ausbildung des Subgaskets verwendet werden. Die beiden weiteren Folienschläuche werden in diesem Fall um 90° versetzt zu den beiden ersten Folienschläuchen angeordnet, so dass die Membran-Elektroden-Anordnung unter Freilassung der aktiven Bereiche umlaufend eingefasst ist.
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Bei Verwendung von nur einem Folienschlauch wird zur Freilassung der aktiven Bereiche der Membran-Elektroden-Anordnung vorzugsweise ein Folienschlauch mit mindestens zwei fensterartigen Öffnungen verwendet. Die Membran-Elektroden-Anordnung wird auf diese Weise umlaufend eingefasst, während die aktiven Bereiche auf beiden Seiten der Membran-Elektroden-Anordnung frei bleiben. Durch die umlaufende Einfassung der Membran-Elektroden-Anordnung wird zugleich eine umlaufende Randverstärkung ausgebildet.
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Bevorzugt wird die Membran-Elektroden-Anordnung vollständig in den Folienschlauch eingesetzt, so dass beidseits der Membran-Elektroden-Anordnung jeweils ein Folienschlauchende übersteht. Wird anschließend der Folienschlauch zusammengedrückt, legen sich im Bereich der überstehenden Folienschlauchenden jeweils zwei Folienschlauchhälften aufeinander und können in einfacher Weise miteinander verbunden, vorzugsweise verklebt, werden.
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Um eine Verklebung zweier aufeinanderliegender Folienschlauchhälften bereits beim Zusammendrücken des Folienschlauchs zu erzielen, wird vorgeschlagen, dass vor dem Einsetzen der Membran-Elektroden-Anordnung in den Folienschlauch dieser innenseitig mit einem Kleber beschichtet wird. Die Verfahrensschritte Zusammendrücken und Verbinden bzw. Verkleben können somit in einem Arbeitsgang ausgeführt werden, wodurch noch mehr Zeit eingespart wird.
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Nach den Verfahrensschritten:
- - Einsetzen der Membran-Elektroden-Anordnung in den Folienschlauch,
- - Zusammendrücken des Folienschlauchs und
- - Verbinden der aufeinanderliegenden Folienschlauchhälften
wird vorzugsweise mindestens eine Versorgungsöffnung in zwei aufeinanderliegende Folienschlauchhälften eingebracht. Die Versorgungsöffnung dient der Ausbildung eines Versorgungskanals, wenn mehrere gleichartige Brennstoffzellen zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels übereinander angeordnet werden. Da in der Regel mehrere Versorgungskanäle benötigt werden, wird vorgeschlagen, dass mehrere Versorgungsöffnungen in zwei aufeinanderliegende Folienschlauchhälften eingebracht werden.
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Durch das nachträgliche Einbringen der mindestens einen Versorgungsöffnung in die aufeinanderliegenden Folienschlauchhälften muss beim Einsetzen der Membran-Elektroden-Anordnung in den Folienschlauch und/oder beim anschließenden Zusammendrücken des Folienschlauchs nicht darauf geachtet werden, ob die Versorgungsöffnungen exakt übereinanderliegen, denn es sind noch gar keine Versorgungsöffnungen vorhanden.
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Vorteilhafterweise wird bzw. werden die mindestens eine fensterartige Öffnung und/oder die mindestens eine Versorgungsöffnung in einem Stanzverfahren eingebracht. Durch Stanzen lassen sich Öffnungen einfach und kostengünstig herstellen. Ferner können Schablonen gefertigt werden, welche die Massenproduktion vereinfachen.
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Darüber hinaus wird eine Brennstoffzelle mit einer Membran-Elektroden-Anordnung vorgeschlagen, die zumindest abschnittsweise von einem Subgasket eingefasst ist. Erfindungsgemäß ist das Subgasket aus mindestens einem Folienschlauch ausgebildet. Das heißt, dass das Subgasket entlang zweier Seitenkanten, die vorzugsweise im Wesentlichen parallel verlaufen, jeweils eine Falte ausbildet. Denn hier liegen nicht zwei Einzelfolien aufeinander, sondern zwei Folienschlauchhälften.
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Die vorgeschlagene Brennstoffzelle kann demnach insbesondere nach dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden. Das heißt, dass die vorgeschlagene Brennstoffzelle vergleichsweise einfach und kostengünstig herstellbar ist. Insbesondere kann ein hoher Automatisierungsgrad bei der Herstellung der Brennstoffzelle erreicht werden, so dass sie massenproduktionstauglich ist.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Folienschlauch zwei zumindest bereichsweise aufeinanderliegende und miteinander verbundene, vorzugsweise verklebte, Folienschlauchhälften aufweist. Durch das Verbinden bzw. Verkleben der Folienschlauchhälften werden diese zueinander sowie in Bezug auf die Membran-Elektroden-Anordnung fixiert.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 eine einfache perspektivische Darstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung mit einem Folienschlauch zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle,
- 2 eine einfache perspektivische Darstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung mit zwei Folienschläuchen zur Herstellung einer erfindungsgenmäßen Brennstoffzelle,
- 3 eine einfache perspektivische Darstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung mit Subgasket zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle und
- 4 eine einfache perspektivische Darstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung mit zwei Einzelfolien zur Herstellung einer aus dem Stand der Technik bekannten Brennstoffzelle.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Der stark vereinfachten Darstellung der 1 sind eine Membran-Elektroden-Anordnung 1 und ein Folienschlauch 3 zur Herstellung einer Brennstoffzelle zu entnehmen. Die Membran-Elektroden-Anordnung 1 umfasst eine Membran, die zur Ausbildung von Elektroden beidseits mit einem katalytisch aktiven Material beschichtet ist, was in der 1 nicht näher dargestellt ist. Zur Ausbildung eines Subgaskets 2 (siehe 3) wird die Membran-Elektroden-Anordnung 1 in den Folienschlauch 3 eingesetzt, der Folienschlauch 3 wird zusammengedrückt und die aufeinanderliegenden Folienschlauchhälften werden miteinander verbunden, vorzugsweise verklebt. Im Bereich zweier fensterartiger Öffnungen 4 des Folienschlauchs 3 bleiben aktive Bereiche 5 der Membran-Elektroden-Anordnung 1 frei (siehe 3). Zur Ausbildung von Versorgungsöffnungen 6 (siehe 3) werden in den aufeinanderliegenden und miteinander verbundenen, vorzugsweise verklebten, Folienschlauchhälften nachträglich Ausstanzungen vorgesehen. Auf diese Weise erhält man die von dem Subgasket 2 eingefasste Membran-Elektroden-Anordnung 1 der 3.
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Im Unterschied zur Verwendung zweier Einzelfolien 7 gemäß dem Stand der Technik (siehe 4), müssen keine filigranen gitterartigen Gebilde exakt positioniert und aufeinandergelegt werden. Durch die Verwendung eines Folienschlauchs 3 kann somit die Herstellung einer Brennstoffzelle deutlich vereinfacht werden. Anders als bei der Verwendung zweier Einzelfolien 7 bildet ein aus einem Folienschlauch 3 ausgebildetes Subgasket 2 entlang zweier Seitenkanten jeweils eine Falte 8 aus (siehe 3).
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Anstelle eines einzigen Folienschlauchs 3 können auch zwei Folienschläuche 3 verwendet werden. Jeweils ein Endabschnitt der Membran-Elektroden-Anordnung 1 wird dann in einen Folienschlauch 3 eingesetzt. Diese Ausführungsform ist beispielhaft in der 2 dargestellt. Auch hier bleiben die aktiven Bereiche 5 der Membran-Elektroden-Anordnung 1 frei, da die beiden Folienschläuche 3 jeweils nur einen Endabschnitt der Membran-Elektroden-Anordnung 1 einfassen. Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass keine fensterartige Öffnung 4 in den Folienschlauch 3 eingebracht werden muss.
