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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Membran-Elektroden-Einheiten nach dem unabhängigen Verfahrensanspruch. Ferner betrifft die Erfindung eine entsprechende Membran-Elektroden-Einheit nach dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch. Zudem betrifft die Erfindung ein entsprechendes Brennstoffzellensystem nach dem nebengeordneten unabhängigen Vorrichtungsanspruch sowie ein entsprechendes Fahrzeug, insbesondere ein wasserstoffbetriebenes Fahrzeug.
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Stand der Technik
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Bei den modernen Brennstoffzellen wird stets versucht, den Anteil einer Brennstoffzelle zu optimieren, der der Energieerzeugung dient. Zur Energieerzeugung in den Brennstoffzellen dient Membranenmaterial mit einer Beschichtung aus einem aktiven Material, sog. Katalysatorschicht, und ggf. einer Gasdiffusionsschicht. Um die Energieerzeugung zu optimieren, wird in manchen Brennstoffzellen die Fläche des Membranenmaterials im Übergangsbereich, der zur Medienverteilung dient, ebenfalls zur Energieerzeugung ausgelegt. Dies kann zu einem relativen Gewinn von etwa 20-30% an volumetrischer Leistungsdichte führen. Um die kostspieligen Komponenten des Membranenmaterials möglichst ohne Abfall auszunutzen, kann die Form der Zuschnitte angepasst werden, die sich möglichst ohne Lücken auf dem, zumeist bandförmigen, Membranenmaterial wiederholen kann. Beispielhafte Designs der Zuschnitte des Membranenmaterials sind in den Druckschriften
DE 10 2015 201 548 A1 und
DE 10 2018 200 673 A1 gezeigt. Neben der Primärfunktion, wie die Energieerzeugung, müssen in den Brennstoffzellen sekundäre Funktionen, wie z. B. Abdichtung sowie Medienverteilung (Übergangsbereich mit sog. Ports), erfüllt werden. Dabei müssen stets Kompromisse getroffen werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung stellt gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren zum Herstellen von Membran-Elektroden-Einheiten mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruches bereit. Ferner stellt die Erfindung gemäß einem zweiten Aspekt eine entsprechende Membran-Elektroden-Einheit mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruches bereit. Zudem stellt die Erfindung gemäß einem dritten Aspekt ein entsprechendes Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des nebengeordneten unabhängigen Vorrichtungsanspruches bereit. Weiterhin stellt die Erfindung gemäß einem vierten Aspekt ein entsprechendes Fahrzeug, insbesondere ein wasserstoffbetriebenes Fahrzeug, mit den Merkmalen des weiteren nebengeordneten unabhängigen Vorrichtungsanspruches bereit. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit den einzelnen erfindungsgemäßen Aspekten beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit den anderen erfindungsgemäßen Aspekten und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem ersten Aspekt vor: ein Verfahren zum Herstellen von Membran-Elektroden-Einheiten für Brennstoffzellen, bspw. PEM-Brennstoffzellen, insbesondere in einem kontinuierlichen Fließbahn-Prozess, aufweisend folgende Schritte:
- 1) Bereitstellen eines bandförmigen Membranenmaterials in eine Fließbahnrichtung, bspw. auf einer Rolle, sodass insbesondere das Membranenmaterial in dem Fließbahn-Prozess von der Rolle abgewickelt werden kann,
- 2) Beschichten des bandförmigen Membranenmaterials mit einem aktiven Material und ggf. einer Gasdiffusionsschicht,
- 3) Zuschneiden des beschichteten Membranenmaterials zu einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten derart, dass die einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten mit mindestens einem Randbereich (bzw. Übergangsbereich, der zur Medienverteilung vorgesehen ist) ausgebildet werden, der in die Fließbahnrichtung gesehen gekrümmt und/oder abgewinkelt ausgebildet ist.
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Die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können in der vorgegebenen oder in einer abgeänderten Reihenfolge durchgeführt werden. Vorteilhafterweise können die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens simultan und/oder wiederholend durchgeführt werden, um einen Fließbahn-Prozess zu ermöglichen.
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Der Erfindungsgedanke liegt dabei darin, die Zuschnitte des beschichteten Membranenmaterials mit derartigen Randabschnitten bereitzustellen, die von der aktiven Fläche der einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten gekrümmt oder abgewinkelt sind. Die Randbereiche können dabei in Form von gekrümmten bzw. gebogenen und/oder winkligen Streifen (bspw. in Form von Parallelogrammen) ausgebildet werden.
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Auf diese Weise können mindestens zwei wesentliche Vorteile erreicht werden. Zum einen können sich dadurch die Zuschnitte ohne Lücken auf dem bandförmigen Membranenmaterial wiederholen. Somit entsteht nach dem Zuschneiden der einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten nahezu kein Abfall aus dem teuren aktiven Material. Zum anderen kann dadurch ein schmaler, bspw. trapezförmiger, Streifen eines ungenutzten Volumens auf einer Seite der einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten entstehen. Beim Stapeln von einzelnen Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellensystem kann dabei ein trapezförmiger Stauraum entstehen (oder geometrisch ausgedrückt ein gerader Zylinder mit einer trapezförmigen Bodenfläche), in welchem sämtliche Geräte und Anschlüsse des Brennstoffzellensystems platzsparend angeordnet werden können, wie z.B. Stromschienen und elektrische Verbindern. Da diese Geräte ohnehin im Brennstoffzellensystem benötigt werden, erhöht dies die gesamte Platzeffizienz des Systems auf eine vorteilhafte Weise. Weiterhin kann dadurch ein kompaktes rechteckiges Gehäuse verwendet werden, um das Brennstoffzellensystem aufzunehmen.
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Mit anderen Worten liegen die erfindungsgemäßen Vorteile zumindest darin, dass die Randbereiche mit der aktiven Fläche des beschichteten Membranenmaterials nahezu zu 100% ohne Abfall hergestellt werden und gleichzeitig die Verpackungsmöglichkeiten des Brennstoffzellensystems maximiert werden.
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Ferner kann die Erfindung bei einem Verfahren zum Herstellen von Membran-Elektroden-Einheiten für Brennstoffzellen vorsehen, dass im Schritt 3) die einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten mit beiden Randbereichen ausgebildet werden, die in die Fließbahnrichtung gesehen gekrümmt und/oder abgewinkelt ausgebildet sind. Auf diese Weise können symmetrische Membran-Elektroden-Einheiten bereitgestellt werden, die beim Stapeln von Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellensystem leicht gehandhabt werden können. Somit kann der Zusammenbau des Brennstoffzellensystems vereinfacht werden.
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Weiterhin ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, dass die beiden Randbereiche in die gleiche Richtung gekrümmt und/oder abgewinkelt ausgebildet sind. Auf diese Weise kann ein besonders kompaktes Brennstoffzellensystem bereitgestellt werden.
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Des Weiteren ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, dass die beiden Randbereiche in entgegensetzte Richtungen gekrümmt und/oder abgewinkelt ausgebildet sind. Auf diese Weise kann ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt werden mit einem vergleichmäßigten Verspannungsprofil.
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Zudem kann die Erfindung bei einem Verfahren zum Herstellen von Membran-Elektroden-Einheiten für Brennstoffzellen vorsehen, dass die beiden Randbereiche symmetrisch ausgebildet sind. Auf diese Weise können die Brennstoffzellen mit symmetrischen Ports auf beiden Randbereichen ermöglicht werden, wodurch die Verschaltung der Brennstoffzellen innerhalb des Brennstoffzellensystems und die Komponenten zur Medienversorgung vereinfacht werden kann.
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Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem zweiten Aspekt vor: eine Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle, die wie oben beschrieben hergestellt werden kann. Mithilfe der erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
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Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem dritten Aspekt vor: ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle, die eine Membran-Elektroden-Einheit aufweist, die wie oben beschrieben hergestellt werden kann. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann in Form eines Brennstoffzellenstapels, eines sog. Brennstoffzellenstacks, mit mehreren gestapelten Wiederholeinheiten in Form einzelner Brennstoffzellen, vorzugsweise PEM-Brennstoffzellen, ausgeführt sein. Mithilfe des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
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Ferner kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass ein rechteckiges Gehäuse (oder geometrisch ausgedrückt ein gerader Zylinder mit einer rechteckigen Bodenfläche) für die mindestens eine Brennstoffzelle vorgesehen ist. Ein solches Gehäuse ist nicht nur einfach in der Herstellung, sondern auch einfach in der Handhabung, bspw. bei der Montage in einem Fahrzeug. Auch können somit auf eine einfache Weise mehrere Brennstoffzellensysteme flexibel zu einem beliebig großen modular aufgebauten System zusammengestellt werden. Somit können unterschiedliche Verwendungen mit einer flexiblen Anzahl an Brennstoffzellensystemen bedient werden.
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Weiterhin kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass in eine Stapelrichtung des Brennstoffzellensystems gesehen ein, vorzugsweise trapezförmiger, Stauraum (oder geometrisch ausgedrückt ein gerader Zylinder mit einer trapezförmigen Bodenfläche) ausgebildet ist, um mindestens eine funktionswesentliche Komponente des Brennstoffzellensystems anzuordnen. Dabei ist es denkbar, dass die mindestens eine funktionswesentliche Komponente des Brennstoffzellensystems eine Sammelschiene, einen elektrischen Stecker, einen Verdichter, eine Turbine, einen Befeuchter, ein Brennstofftank, eine Pumpe, ein Wassertank, ein Kühlmitteltank und/oder eine Steuereinheit aufweisen kann. Somit kann ein platzsparender Aufbau des Brennstoffzellensystems ermöglicht werden.
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Des Weiteren kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass der Stauraum dazu ausgeführt ist, eine Tragstruktur eines Stromabnehmers, insbesondere eine Tragstruktur eines Fahrzeuges, aufzunehmen, vorzugsweise form- und/oder kraftschlüssig aufzunehmen. Auf diese Weise kann das Brennstoffzellensystem einfach und mit wenig Aufwand im Fahrzeug angeordnet werden, um bspw. als ein Energielieferant für mindestens einen Verbraucher, vorzugsweise für einen Elektromotor, des Fahrzeuges zu dienen.
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Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem vierten Aspekt vor: ein Fahrzeug, insbesondere ein wasserstoffbetriebenes Fahrzeug, mit mindestens einem Brennstoffzellensystem, welches wie oben beschrieben ausgeführt sein kann. Mithilfe des erfindungsgemäßen Fahrzeuges können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und/oder mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
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Figurenliste
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Die Erfindung und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
- 1 Beispiele von bekannten Designs zum Zuschneiden eines bandförmigen Membranenmaterials zu einzelnen Membran-Elektroden- Einheiten,
- 2 eine schematische Darstellung einer bekannten Brennstoffzelle mit einer rechteckförmigen Membran-Elektroden-Einheit,
- 3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle und
- 5 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Bren nstoffzel le.
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In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile der Erfindung stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese in der Regel nur einmal beschrieben werden.
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Die 1 und 2 zeigen bekannte Geometrien zum Zuschneiden eines bandförmigen Membranenmaterials M zu einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten MEA. Das Membranenmaterial M wird oft mit einer Beschichtung aus einem aktiven Material E, sog. Katalysatorschicht, und ggf. einer nicht dargestellten Gasdiffusionsschicht versehen.
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Das aktive Material E dient dazu, eine aktive Fläche der Membran-Elektroden-Einheiten MEA zu bilden. Bei den modernen Brennstoffzellen 101 werden oft auch die Randbereiche des Membranenmaterials M, die zur Medienverteilung dienen, ebenfalls mit dem aktiven Material E versehen, damit auch diese Randbereiche zur Energieerzeugung dienen können.
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Um die Membran-Elektroden-Einheiten MEA möglichst ohne Abfall an dem teuren aktiven Material E zuzuschneiden, können die Membran-Elektroden-Einheiten MEA bspw. rechteckförmig zugeschnitten werden, wie dies links in der 1 gezeigt ist. Dies könnte jedoch dazu führen, dass der Bereich um die Membran-Elektroden-Einheiten MEA herum nicht optimal ausgenutzt werden kann. Wie dies in der 2 angedeutet ist, können dabei an den Längsseiten der Membran-Elektroden-Einheiten MEA innerhalb einer Brennstoffzelle 101 Bereiche entstehen, die nicht ganz ausgenutzt werden können.
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Rechts in der 1 sind Membran-Elektroden-Einheiten MEA gezeigt, die bspw. mit dreieckförmigen Randabschnitten TR ausgeführt werden. Mithilfe der dreieckförmigen Randabschnitte TR wird versucht, einen Kompromiss zu finden, um Randbereiche mit einer Stromerzeugungsfunktion und eine Brennstoffzelle mit einem kompakten Design bereitzustellen. Wie es jedoch aus der 1 erkennbar ist, entstehen dabei Abfälle mit einem kostspieligen aktiven Material E.
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Die Erfindung wird mithilfe der Figuren 3 bis 5 erklärt.
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Die 3 dient zum Veranschaulichen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen von Membran-Elektroden-Einheiten MEA für Brennstoffzellen 101, insbesondere in einem kontinuierlichen Fließbahn-Prozess. Das Verfahren weist dabei folgende Schritte auf:
- 1) Bereitstellen eines bandförmigen Membranenmaterials M in eine Fließbahnrichtung D, bspw. auf einer Rolle, sodass insbesondere das Membranenmaterial M in dem Fließbahn-Prozess von der Rolle abgewickelt werden kann,
- 2) Beschichten des bandförmigen Membranenmaterials M mit einem aktiven Material E und ggf. einer nicht dargestellten Gasdiffusionsschicht,
- 3) Zuschneiden des beschichteten Membranenmaterials M zu einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten MEA derart, dass die einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten MEA mit mindestens einem Randbereich TR ausgebildet werden, der in die Fließbahnrichtung D gesehen gekrümmt und/oder abgewinkelt ausgebildet ist.
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Gemäß der Erfindung werden im Schritt 3) Zuschnitte des beschichteten Membranenmaterials M mit derartigen Randabschnitten TR bereitgestellt, die von der aktiven Fläche FF der einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten MEA gekrümmt oder abgewinkelt sind. Die 2 bis 5 zeigen die Randabschnitte TR im Wesentlichen in Form von winkligen Streifen an den Randseiten der aktiven Flächen FF der einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten MEA. Grundsätzlich ist es im Rahmen der Erfindung aber auch möglich, dass die Randabschnitte TR in Form von gekrümmten bzw. gebogenen Streifen bereitgestellt werden können.
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Mithilfe der Erfindung können mindestens zwei wesentliche Vorteile erreicht werden:
- - dass die Zuschnitte ohne Lücken auf dem bandförmigen Membranenmaterial M folgen können, sodass nach dem Zuschneiden der einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten MEA nahezu kein Abfall aus dem teuren aktiven Material E entsteht, und
- - dass nur ein (4) oder zwei (5) schmale, bspw. trapezförmige ( 4) oder rechteckförmige (5), Streifen eines ungenutzten Volumens auf einer Längsseite oder auf beiden Längsseiten der einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten MEA entstehen.
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Beim Stapeln von einzelnen Brennstoffzellen 101 gemäß der 4 zu einem Brennstoffzellensystem 100 kann dabei ein trapezförmiger Stauraum A entstehen (oder geometrisch ausgedrückt ein gerader Zylinder mit einer trapezförmigen Bodenfläche), in welchem sämtliche Geräte und Anschlüsse des Brennstoffzellensystems 100 platzsparend angeordnet werden können, wie z.B. Sammelschienen, elektrische Stecker, Verdichter, Turbinen, Befeuchter, Brennstofftanks, Pumpen, Wassertanks, Kühlmitteltanks und/oder mindestens eine Steuereinheit. Da diese funktionswesentlichen Komponenten ohnehin im Brennstoffzellensystem 100 benötigt werden, kann somit die Platzeffizienz im Brennstoffzellensystem 100 insgesamt erhöht werden. Dadurch kann auch ein kompaktes rechteckiges Gehäuse verwendet werden, um das Brennstoffzellensystem 100 aufzunehmen, welches in den Figuren lediglich aus Einfachheitsgründen nicht dargestellt ist.
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Wie es die 3 zeigt, können die Randbereiche TR, die zur Medienverteilung dienen, nahezu vollständig mit dem aktiven Material E beschichtet werden, wobei die einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten MEA nahezu zu 100% ohne Abfall aus dem beschichteten Membranenmaterial M zugeschnitten werden können.
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Zugleich deuten die 4 und 5 an, dass die Verpackungsmöglichkeiten des Brennstoffzellensystems 100 auf eine vorteilhafte Weise erhöht werden können.
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Wie es die 3 bis 5 ferner zeigen, können im Schritt 3) die einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten MEA auf beiden Schmalseiten Randbereiche TR aufweisen, die in die Fließbahnrichtung D gesehen gekrümmt und/oder abgewinkelt ausgebildet sind. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, dass nur ein Randbereich TR in die Fließbahnrichtung D gesehen gekrümmt und/oder abgewinkelt ausgebildet sein kann.
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Wie es die 4 zeigt, können die beiden Randbereiche TR in die gleiche Richtung gekrümmt und/oder abgewinkelt ausgebildet sein. Dies kann zu einer verbesserten Platzersparnis im Brennstoffzellensystem 100 führen.
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Wie es die 5 zeigt, können die beiden Randbereiche TR in entgegengesetzte Richtungen gekrümmt und/oder abgewinkelt ausgebildet sind. Dies kann zu einem verbesserten Verspannungsprofil im Brennstoffzellensystem 100 führen.
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Wie es die 3 bis 5 weiterhin andeuten, können die beiden Randbereiche TR symmetrisch ausgebildet sein. Auf diese Weise kann die Herstellung und die Handhabung der einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten MEA vereinfacht werden.
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Entsprechend hergestellte Membran-Elektroden-Einheiten MEA für Brennstoffzellen 101 stellen ebenfalls einen Aspekt der Erfindung dar.
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Auch ein Brennstoffzellensystem 100 mit mehreren Brennstoffzellen 101, die jeweils eine solche Membran-Elektroden-Einheit MEA aufweisen, stellt einen Aspekt der Erfindung dar.
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Vorteilhafterweise kann ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 100 in einem rechteckigen Gehäuse 102 platzsparend untergebracht werden.
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Wie es in den 4 und 5 zudem angedeutet und oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bereits erwähnt ist, bildet/bilden sich in eine Stapelrichtung R des Brennstoffzellensystems 100 gesehen ein trapezförmiger Stauraum A oder zwei rechteckige Stauräume, um funktionswesentliche Komponenten des Brennstoffzellensystems 100 anzuordnen.
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Weiterhin kann im Rahmen der Erfindung vorteilhaft sein, wenn der Stauraum A oder mindestens ein von den beiden Stauräumen A nicht nur zur Aufnahme von funktionswesentlichen Komponenten des Brennstoffzellensystems 100 ausgebildet sein kann, sondern zusätzlich oder stattdessen dazu, um eine Tragstruktur eines Stromabnehmers, insbesondere eine Tragstruktur eines Fahrzeuges, aufzunehmen, bspw. form- und/oder kraftschlüssig aufzunehmen. Auf diese Weise kann das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 100 besonders einfach und elegant an der Tragstruktur des Stromabnehmers, bspw. innerhalb des Fahrzeuges, montiert werden.
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Ein entsprechendes Fahrzeug mit mindestens einem oder mehreren modular miteinander zusammengefügten Brennstoffzellensystem(en) 100, welche(s) wie oben beschrieben ausgeführt sein kann/können, stellt ebenfalls einen Aspekt der Erfindung dar. Das Fahrzeug im Ganzen ist in den Figuren lediglich aus Einfachheitsgründen nicht gezeigt.
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Die voranstehende Beschreibung der Figuren beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015201548 A1 [0002]
- DE 102018200673 A1 [0002]
