DE102020214491A1

DE102020214491A1 - Verfahren zur Herstellung einer Membranelektrodenanordnung

Info

Publication number: DE102020214491A1
Application number: DE102020214491.5A
Authority: DE
Inventors: Andy Gottschalk; Robert Landvogt; Andreas Gehrold
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-11-18
Filing date: 2020-11-18
Publication date: 2022-05-19
Also published as: US20230411645A1; WO2022106317A1; CN116529920A

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Membranelektrodenanordnungen (6) für eine Brennstoffzelleneinheit (1) als Brennstoffzellenstapel (1) mit den Schritten: zur Verfügung stellen je einer Protonenaustauschermembran (5), zur Verfügung stellen je eines ersten Subgaskets (53) als Abdichtschicht (41), zur Verfügung stellen je eines zweiten Subgaskets (54) als Abdichtschicht (41), Anordnen der je einen Protonenaustauschermembran (5) zwischen dem je ersten und je zweiten Subgasket (53, 54), Verbinden der je einen Protonenaustauschermembran (5) mit dem je ersten und/oder je zweiten Subgasket (53, 54), so dass je ein schichtförmiger Innenbereich (38) der je einen Protonenaustauschermembran (5) von dem je einen ersten und zweiten Subgasket (53, 54) als Abdichtschichten (41) umschlossen wird, wobei die Protonenaustauschermembranen (5), die ersten Subgaskets (53) und die zweiten Subgaskets (54) zur Verfügung gestellt werden indem diese als Protonenaustauschermembran-Band (65), erstes Subgasket-Band (63) und zweites Subgasket-Band (64) von Lagervorrichtungen (58, 59, 60) entnommen werden und das Anordnen der Protonenaustauschermembranen (5) zwischen den ersten und zweiten Subgaskets (53, 54) und das Verbinden der Protonenaustauschermembranen (5) mit den ersten und/oder zweiten Subgaskets (53, 54) ausgeführt wird im Zustand der ersten Subgaskets (53) als erstes Subgasket-Band (63) und der zweiten Subgaskets (54) als zweites Subgasket-Band (64), so dass während des Anordnens und Verbindens die ersten Subgaskets (53) miteinander verbunden an dem ersten Subgasket-Band (63) angeordnet sind und die zweiten Subgaskets (54) miteinander verbunden an dem zweiten Subgasket-Band (64) angeordnet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Membranelektrodenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, eine Brennstoffzelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 14 und ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 15.
Stand der Technik
Brennstoffzelleneinheiten als galvanische Zellen wandeln mittels Redoxreaktionen an einer Anode und Kathode kontinuierlich zugeführten Brennstoff und Oxidationsmittels in elektrische Energie und Wasser um. Brennstoffzellen werden in den unterschiedlichsten stationären und mobilen Anwendungen eingesetzt, beispielweise in Häusern ohne Anschluss an ein Stromnetz oder in Kraftfahrzeugen, im Schienenverkehr, in der Luftfahrt, in der Raumfahrt und in der Schifffahrt. In Brennstoffzelleneinheiten sind eine Vielzahl von Brennstoffzellen übereinander in einem Stapel als Stack angeordnet.
Bei der Herstellung einer Brennstoffzelleneinheit aus schichtförmigen Komponenten, insbesondere Membranelektrodenanordnungen, Gasdiffusionssichten und Bipolarplatten, werden diese gestapelt zu Brennstoffzellen und die Brennstoffzellen werden zu der Brennstoffzelleneinheit gestapelt. Die Membranelektrodenanordnungen umfassen schichtförmige Protonenaustauschermembranen mit einer schichtförmigen Anode und einer schichtförmigen Kathode sowie vorzugsweise je einer schichtförmigen Katalysatorschicht auf der Anode und Kathode.
Ein schichtförmiger Innenbereich der Membranelektrodenanordnung ist von der Protonenaustauschermembran mit Anode und Kathode und vorzugsweise Katalysatorschichten gebildet und diese sind von dem je einem ersten und zweiten Subgasket als Abdichtschicht umschlossen. In dem ersten und zweiten Subgasket ist eine Öffnung für die Protonenaustauschermembran mit Anode und Kathode ausgebildet und ferner Fluidöffnungen für die Prozessfluide Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel als Kühlfluid. Für die Herstellung einer Membranelektrodenanordnung wird eine erstes Subgasket von Rohware abgeschnitten, ein zweite Subgasket von Rohware abgeschnitten und ein CCM (coated catalyst membran) aus Protonenaustauschermembran, Anode und Kathode sowie Katalysatorschichten aus Rohware abgeschnitten. In den ersten und zweiten Subgaskets sind einzeln die Fluidöffnungen und die Öffnungen einzuarbeiten. Dies abgeschnitten Lagen müssen genau übereinandergestapelt werden und dies muss auch vermessen werden, anschließend erfolgt ein Kaschieren der drei Lagen bei Temperaturen zwischen 70°C und 150°C und einer Presskraft zwischen 10 kN und 500 kN zwischen Pressen. Diese Pressen müssen für jeden Vorgang zeitaufwendig geöffnet, entleert und neu befüllt werden bevor das Pressen starten kann und anschließend kann nach dem Öffnen die Membranelektrodenanordnung entnommen werden, d. h. es erfolgt eine diskontinuierliche Herstellung der Membranelektrodenanordnungen. Die Membranelektrodenanordnungen können nach dem Abkühlen für die Lagerung und/oder den Transport lediglich in einem Stapel gestapelt werden. Aufgrund der kleinen Schichtdicke ist es schwierig, aus diesem Stapel einzelne Membranelektrodenanordnungen zu entnehmen bei dem hohen Risiko, dass diese beschädigt werden.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung von Membranelektrodenanordnungen für eine Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel mit den Schritten: zur Verfügung stellen je einer Protonenaustauschermembran, zur Verfügung stellen je eines ersten Subgaskets als Abdichtschicht, zur Verfügung stellen je eines zweiten Subgaskets als Abdichtschicht, Anordnen der je einen Protonenaustauschermembran zwischen dem je ersten und je zweiten Subgasket, Verbinden der je einen Protonenaustauschermembran mit dem je ersten und/oder je zweiten Subgasket, so dass je ein schichtförmiger Innenbereich der je einen Protonenaustauschermembran von dem je einen ersten und zweiten Subgasket als Abdichtschicht umschlossen wird, wobei die Protonenaustauschermembranen, die ersten Subgaskets und die zweiten Subgaskets zur Verfügung gestellt werden indem diese als Protonenaustauschermembran-Band, erstes Subgasket-Band und zweites Subgasket-Band von Lagervorrichtungen entnommen werden und das Anordnen der Protonenaustauschermembranen zwischen den ersten und zweiten Subgaskets und das Verbinden der Protonenaustauschermembranen mit den ersten und/oder zweiten Subgaskets ausgeführt wird im Zustand der ersten Subgaskets als erstes Subgasket-Band und der zweiten Subgaskets als zweites Subgasket-Band, so dass während des Anordnens und Verbindens die ersten Subgaskets miteinander verbunden an dem ersten Subgasket-Band angeordnet sind und die zweiten Subgaskets miteinander verbunden an dem zweiten Subgasket-Band angeordnet sind.
In einer weiteren Ausgestaltung werden die ersten Subgaskets von einer ersten Lagervorrichtung, insbesondere einer ersten Rolle, als erstes Subgasket-Band entnommen, insbesondere abgewickelt, die zweiten Subgaskets werden von einer zweiten Lagervorrichtung, insbesondere einer zweiten Rolle, als zweites Subgasket-Band entnommen, insbesondere abgewickelt, und die Protonenaustauschermembranen werden von einer dritten Lagervorrichtung, insbesondere einer dritten Rolle, als Protonenaustauschermembran-Band entnommen, insbesondere abgewickelt. In Lagervorrichtungen sind die Bänder beispielsweise aufgewickelt bei Rollen oder mäanderförmig aufeinander gestapelt bei Behältern als Lagervorrichtungen.
In einer ergänzenden Ausgestaltung wird das Entnehmen, insbesondere Abwickeln, der Protonenaustauschermembranen, der ersten Subgaskets und der zweiten Subgaskets von den Lagervorrichtungen, insbesondere den Rollen, das Anordnen der Protonenaustauschermembranen zwischen den ersten und zweiten Subgaskets und das Verbinden der Protonenaustauschermembranen mit den ersten und/oder zweiten Subgaskets in einem kontinuierlichen Verfahren ausgeführt.
In einer zusätzlichen Variante wird das Entnehmen, insbesondere Abwickeln, der Protonenaustauschermembranen, der ersten Subgaskets und der zweiten Subgaskets von den Lagervorrichtungen, insbesondere den Rollen, das Anordnen der Protonenaustauschermembranen zwischen den ersten und zweiten Subgaskets und das Verbinden der Protonenaustauschermembranen mit den ersten und/oder zweiten Subgaskets simultan ausgeführt.
In einer weiteren Ausführungsform werden nach dem Entnehmen, insbesondere Abwickeln, der ersten Subgaskets von der ersten Lagervorrichtung, insbesondere der ersten Rolle, in die ersten Subgaskets als erstes Subgasket-Band Fluidöffnungen für Prozessfluide, insbesondere sechs Fluidöffnungen in einem Fluidöffnungsbereich, eingearbeitet und nach dem Entnehmen, insbesondere Abwickeln, des zweiten Subgaskets werden von der zweiten Lagervorrichtung, insbesondere der zweiten Rolle, in die zweiten Subgaskets als zweites Subgasket-Band Fluidöffnungen für Prozessfluide, insbesondere sechs Fluidöffnungen in einem Fluidöffnungsbereich, eingearbeitet. Zweckmäßig sind die Fluidöffnungen und/oder die Öffnungen in dem ersten und/oder zweiten Subgasket-Band in der Lagervorrichtung ausgebildet, so dass kein Einarbeiten der Fluidöffnungen und/oder Öffnungen mehr notwendig ist. Zweckmäßig wird das Einarbeiten der Fluidöffnungen und/oder Öffnungen und/oder Perforationen mit Trennvorrichtungen, insbesondere Prägewalzen, ausgeführt.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung werden die Fluidöffnungen in die ersten und zweiten Subgaskets als erstes und zweites Subgasket-Band eingearbeitet bevor oder nach dem das Anordnen der Protonenaustauschermembranen zwischen den ersten und zweiten Subgaskets und vorzugsweise das Verbinden der Protonenaustauschermembranen mit den ersten und/oder zweiten Subgaskets ausgeführt wird.
In einer weiteren Variante werden nach dem Einarbeiten der Fluidöffnungen in die ersten und zweiten Subgaskets die ersten und zweiten Subgaskets als erstes und zweites Subgasket-Band dahingehend aufeinander angeordnet, so dass die Fluidöffnungen je des ersten und zweiten Subgaskets fluchten.
In einer zusätzlichen Ausführungsform wird nach dem Entnehmen, insbesondere Abwickeln, der ersten Subgaskets von der ersten Lagervorrichtung, insbesondere der ersten Rolle, in das erste Subgasket als erstes Subgasket-Band eine Perforation für je eine Öffnung für die Protonenaustauschermembran in je einem Streifenbereich eingearbeitet und nach dem Entnehmen, insbesondere Abwickeln, des zweiten Subgaskets von der zweiten Lagervorrichtung, insbesondere der zweiten Rolle, wird in das zweite Subgasket als zweites Subgasket-Band eine Perforation für je eine Öffnung für die Protonenaustauschermembran in je einem Streifenbereich eingearbeitet. Zweckmäßig werden die Perforationen mit Trennvorrichtungen, insbesondere Prägewalzen, eingearbeitet. Damit kann bis zum Entfernen eines Teils des ersten und zweiten Subgaskets innerhalb der Performationen das Herstellungsverfahren in einem Prozess von Prozesswalze zu Prozesswalze ausgeführt werden, weil die Protonenaustauschermembranen mit Anoden und Kathoden beim Umlenken an den Prozesswalzen durch den ersten und zweiten Subgasket geschützt sind. Prozesswalzen sind beispielsweise eine Kaschierwalze und/oder Prägewalze und/oder Umlenkwalzen. Das erste Subgasket-Band, welches während des Verfahrens unten angeordnet ist, bildet auch eine Auflage für das Band während des Verfahrens.
In einer ergänzenden Ausgestaltung werden die Fluidöffnungen und die Perforationen für die Öffnungen von Trennvorrichtungen, insbesondere Prägewalzen, kontinuierlich in die ersten und zweiten Subgaskets als erstes und zweites Subgasket-Band eingearbeitet.
In einer weiteren Variante wird vor dem Anordnen der Protonenaustauschermembranen zwischen den ersten und zweiten Subgaskets als erstes und zweites Subgasket-Band die Protonenaustauschermembran von dem Protonenaustauschermembran-Band für je eine Membranelektrodenanordnung je ein Abschnitt von dem Protonenaustauschermembran-Band als die je eine Protonenaustauschermembran für die je eine Membranelektrodenanordnung abgeschnitten und anschließend wird das Anordnen der je einen Protonenaustauschermembran als den je einen abgeschnittenen Abschnitt zwischen dem ersten und zweiten Subgasket-Band ausgeführt.
In einer weiteren Variante wird an Teilbereichen des ersten und zweiten Subgasket-Bandes in Längsrichtung zwischen den Protonenaustauschermembranen keine Protonenaustauschermembran angeordnet. Vorzugsweise sind die Teilbereiche von den Fluidöffnungsbereichen der Membranelektrodenanordnungen gebildet.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung werden die abgetrennten Abschnitte als die Protonenaustauschermembranen vor dem Anordnen zwischen dem ersten und zweiten Subgasket als erstes und zweits Subgasket-Band an dem ersten oder an dem zweiten Subgasket-Band, insbesondere stoffschlüssig mit einer Kaschierwalze, fixiert.
In einer weiteren Variante wird nach dem Anordnen der Protonenaustauschermembranen zwischen den ersten und zweiten Subgaskets als erstes und zweits Subgasket-Band und dem Verbinden der Protonenaustauschermembranen mit den ersten und/oder zweiten Subgaskets als erstes und zweites Subgasket-Band das erste und zweite Subgasket-Band abgetrennt, so dass einzelne getrennte Membranelektrodenanordnungen hergestellt werden. Vorzugsweise wird das Abtrennen mit einer Trennvorrichtung, insbesondere einer vierten Trennvorrichtung, beispielsweise einer Trennwalze, ausgeführt.
Erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend gestapelt angeordnete Brennstoffzellen, die Brennstoffzellen umfassend jeweils eine Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, eine Bipolarplatte und eine Gasdiffusionsschicht, wobei die Protonenaustauschermembran, die Anode und die Kathode mit einem ersten und zweiten Subgasket eine Membranelektrodenanordnung bilden, wobei die Membranelektrodenanordnungen mit einem in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Verfahren hergestellt sind und/oder die Ränder an den ersten und zweiten Subgaskets an den Öffnungen für die Protonenaustauschermembranen in Teilbereichen mit einer Perforation mittels Stanzen hergestellt sind als gestanzte Randteilbereiche und an anderen Teilbereichen außerhalb der Perforationen als durchgerissene Randteilbereiche ausgebildet sind und/oder an dem Membranelektrodenanordnungen an einem Überlappungsbereich zwischen dem ersten und zweiten Subgasket mit der Protonenaustauschermembran keine Katalysatorschicht und/oder keine Anode und/oder keine Kathode ausgebildet ist, insbesondere sind die Membranelektrodenanordnungen mit dem Verfahren gemäß dem Maschinensystem in 12 hergestellt, wobei keine Kathoden und keine Anoden an dem Überlappungsbereich vorhanden sind, wenn die Kathoden und Anoden während des Verfahrens mit Beschichtung auf die Protonenaustauschermembranen aufgebracht werden und nicht auf dem Protonenaustauschermembran-Band in der Lagervorrichtung vorhanden sind.
Erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie mit den Schritten: zur Verfügung stellen von Komponenten der Brennstoffzellen, nämlich Membranelektrodenanordnungen, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten, wobei die Membranelektrodenanordnungen je einen schichtförmigen Innenbereich mit einer Protonenaustauschermembran, einer Anode und einer Kathode und je zwei Abdichtschichten als erstes und zweites Subgasket umfassen und die Protonenaustauschermembran zwischen der Anode und Kathode angeordnet ist und die den Innenbereich umschließende schichtförmige Abdichtschichten als erste und zweite Subgaskets ausgebildet sind, Stapeln der Komponenten der Brennstoffzellen, so dass Brennstoffzellen und eine Brennstoffzelleneinheit ausgebildet werden, wobei die Membranelektrodenanordnungen zur Verfügung gestellt werden indem ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren ausgeführt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung ist auf einer Innenseite des ersten und/oder zweiten Subgasket-Bandes eine Klebstoffbeschichtung angeordnet oder wird aufgebracht. Mittels der Klebstoffbeschichtung erfolgt das Verbinden des ersten und zweiten Subgasket-Bandes miteinander und das Verbinden des ersten und/oder zweiten Subgasket-Bandes mit den Protonenaustauschermembranen in der wenigstens einen Vorrichtung zum Verbinden, beispielsweise einer Kaschierwalze bei einer hohen Temperatur zwischen 70° und 150° C.
Vorzugsweise ist auf den Innenseiten des ersten und/oder zweiten Subgasket-Bandes in der Lagervorrichtung keine Klebstoffbeschichtung angeordnet und auf die Innenseiten des ersten und/oder zweiten Subgasket-Bandes wird mit einer Beschichtungsvorrichtung, insbesondere einer Sprühvorrichtung, die Klebstoffbeschichtung während des Verfahrens aufgebracht. Damit kann in vorteilhafter Weise die Klebstoffbeschichtung nur an den notwendigen Bereichen der Innenseiten des ersten und/oder zweiten Subgasket-Bandes aufgebracht werden, d. h. beispielsweise nicht an Innenseiten innerhalb der Perforationen.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das erste und/oder zweite Subgasket-Band die Protonenaustauschermembran und die Anode und Kathode und vorzugsweise zwei Katalysatorschichten an der Anode und Kathode als CCM (coated catalyst membran).
In einer weiteren Ausführungsform werden die zwei Katalysatorschichten mit Vorrichtungen zum Aufbringen von Katalysatorschichten, insbesondere Sprühvorrichtungen, auf die Anoden und/oder Kathoden und/oder die Protonenaustauschermembranen aufgebracht. Damit kann Material für die Katalysatorschichten eingespart werden, weil zwischen dem ersten und/oder zweiten Subgasket an dem Überlappungsbereich keine Katalysatorschicht vorhanden ist wie bei einer Ausführung des Verfahrens, bei dem die Katalysatorschichten bereits auf dem Protonenaustauschermembran-Band in der Lagervorrichtung auf einer oder beiden Seiten vollständig ausgebildet sind. Dabei sind die Protonenaustauschermembranen während des Beschichtens mit den zwei Katalysatorschichten zwischen dem ersten und zweiten Subgasket-Band an den Überlappungsbereichen angeordnet und fixiert, so dass vorzugsweise das Quellen der Protonenaustauschermembranen während des Beschichtens zu im Wesentlichen keiner Wellenbildung der Protonenaustauschermembran führt.
Vorzugsweise werden die an den ersten und/oder zweiten Subgasket-Bändern aufgebrachten Katalysatorschichten entfernt, insbesondere mit Bürsten und/oder Rütteln und/oder Laserverfahren und/oder Schaben und/oder Druckluft, und vorzugweise werden die entfernen Katalysatorschichten für spätere Beschichtungen mit Katalysatorschichten wiederverwendet. Dies kann notwendig sein, weil die Katalysatorschichten nicht mit einer ausreichend hohen Fertigungsgenauigkeit nur auf den Protonenaustauschermembranen innerhalb der Öffnungen aufgebracht werden können.
In einer weiteren Ausführungsform werden die zwei Katalysatorschichten und die Anoden und Kathoden, insbesondere als erste und zweite Mischschichten oder als getrennte Schichten, mit Vorrichtungen zum Aufbringen von Katalysatorschichten, Anoden und Kathoden, insbesondere Sprühvorrichtungen, auf die die Protonenaustauschermembranen aufgebracht. Damit kann Material für die Katalysatorschichten, Anoden und Kathoden eingespart werden, weil zwischen dem ersten und/oder zweiten Subgasket an dem Überlappungsbereich keine Katalysatorschicht, keine Anode und keine Kathode vorhanden ist wie bei einer Ausführung des Verfahrens, bei dem die Katalysatorschichten, Anoden und Kathoden bereits auf dem Protonenaustauschermembran-Band in der Lagervorrichtung auf einer oder beiden Seiten vollständig ausgebildet sind. Die Mischschichten sind als Katalysatorschicht mit Anode oder Kathode ausgebildet.
Vorzugsweise werden die an den ersten und/oder zweiten Subgasket-Bändern aufgebrachten Katalysatorschichten, Anoden und Kathoden entfernt, insbesondere mit Bürsten und/oder Rütteln und/oder Laserverfahren und/oder Schaben und/oder Druckluft, und vorzugweise werden die entfernen Katalysatorschichten, Anoden und Kathoden für spätere Beschichtungen mit Katalysatorschichten, Anoden und Kathoden wiederverwendet. Dies kann notwendig sein, weil die Katalysatorschichten, Anoden und Kathoden nicht mit einer ausreichend hohen Fertigungsgenauigkeit nur auf den Protonenaustauschermembranen innerhalb der Öffnungen aufgebracht werden können.
In einer weiteren Variante wird und/oder ist an Überlappungsbereichen des ersten und zweiten Subgasket-Bandes mit der Protonenaustauschermembran zwischen dem ersten und zweiten Subgasket-Band keine Katalysatorschicht und/oder keine Anode und/oder keine Kathode angeordnet.
In einer weiteren Ausgestaltung wird mit einer ersten und/oder zweiten Trocknungsvorrichtung ein Trocknen der aufgebrachten Katalysatorschichten und/oder Anoden und/oder Kathoden ausgeführt.
Zweckmäßig wird das Band mit dem ersten und zweiten Subgasket-Band und den Protonenaustauschermembranen von Prozesswalzen umgelenkt und/oder bearbeitet und/oder verändert.
Vorzugsweise werden Beschichtungen, insbesondere mit Klebstoff für eine Klebstoffschicht und/oder mit Katalysatorstoff für eine Katalysatorschicht und/oder mit Anodenstoff für eine Anodenschicht bzw. Anode und/oder mit Kathodenstoff für eine Kathodenschicht bzw. Kathode, mittels Düsen und/oder Schlitzdüsen, insbesondere intermittierend, und/oder mit Schablonendruck und/oder mit Siebdruck ausgeführt.
In einer weiteren Variante weisen an je einer Membranelektrodenanordnung die Anode und Kathode in den Öffnungen gleiche oder unterschiedliche Abmessungen und/oder Flächen auf.
In einer weiteren Ausgestaltung bilden die Katalysatorbeschichtungen die Anoden und Kathoden oder die Anoden und Kathoden sind zusätzliche Beschichtungen in Ergänzung zu den Katalysatorbeschichtungen.
In einer weiteren Ausgestaltung werden mit wenigstens einer Kamera und einer Steuerungs- und/oder Regeleinheit mit Bildverarbeitungssoftware die Positionen der Protonenaustauschermembranen und/oder des ersten und zweiten Subgasket-Bandes und/oder des ersten und/oder zweiten Subgaskets erfasst und in Abhängigkeit hiervon das Verfahren gesteuert und/oder geregelt, insbesondere für genau Positionierung.
Zweckmäßig wird die bandförmige Membranelektrodenanordnung in einer Lagervorrichtung, insbesondere Lagerrolle, ohne dem Entfernen der Teile des ersten und zweiten Subgaskets innerhalb der Perforationen gelagert, so dass die Protonenaustauschermembranen von den ersten und zweiten Subgaskets geschützt sind.
In einer weiteren Variante wird das Verbinden der Protonenaustauschermembranen mit dem je ersten und je zweiten Subgasket mit einer Kaschierwalze kontinuierlich ausgeführt im Zustand des ersten und zweiten Subgasket als erstes und zweites Subgasket-Band.
In einer ergänzenden Ausführungsform werden erste Gasdiffusionsschichten von einer vierten Lagervorrichtung, insbesondere einer vierten Rolle, als erstes Gasdiffusionsschicht-Band und zweite Gasdiffusionsschichten von einer fünften Lagervorrichtung, insbesondere einer fünften Rolle, als zweites Gasdiffusionsschicht-Band entnommen, insbesondere abgewickelt, und die von dem ersten Gasdiffusionsschicht-Band abgetrennten ersten Gasdiffusionsschichten werden auf den ersten Subgaskets als erstes Subgasket-Band befestigt und die von dem zweiten Gasdiffusionsschicht-Band abgetrennten zweiten Gasdiffusionsschichten werden auf den zweiten Subgaskets als zweites Subgasket-Band befestigt, so dass die Membranelektrodenanordnungen mit je einer ersten und zweiten Gasdiffusionssicht hergestellt werden. Damit können in einem kontinuierlichen Verfahren Membranelektrodenanordnungen mit den ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten hergestellt werden.
Zweckmäßig werden in das Band vor dem Lagern, insbesondere Aufwickeln, in einer Lagervorrichtung, insbesondere Lagerrolle, Perforationen an den Positionen der notwendigen späteren Durchtrennung eingearbeitet. Nach dem Abwickeln von der Lagerrolle können damit die Membranelektrodenanordnungen einfach abschließend hergestellt werden indem die Perforationen durchtrennt werden.
Vorzugsweise wird das Band in einer Lagervorrichtung, insbesondere Lagerrolle, gelagert, insbesondere aufgewickelt. Das Band umfasst wenigstens das erste und zweite Subgasket-Band und die dazwischen angeordneten Protonenaustauschermembranen mit Anoden und Kathoden und vorzugsweise Katalysatorschichten.
In einer weiteren Variante umfasst die Abdichtschicht als Werkstoff thermoplastischen Kunststoff, insbesondere Polyethylennaphthalat.
In einer weiteren Variante umschließen die Abdichtschichten mit dem ersten und zweiten Subgasket die Protonenaustauschermembran als den Innenbereich vollständig umlaufend an einem äußeren Rand der Protonenaustauschermembran.
In einer weiteren Ausgestaltung werden die Verfahrensschritte, insbesondere sämtliche Verfahrensschritte, des Verfahrens zur Herstellung der Membranelektrodenanordnungen kontinuierlich und/oder simultan ausgeführt.
Erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel mit Brennstoffzellen, einen Druckgasspeicher zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff, eine Gasfördervorrichtung zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden der Brennstoffzellen, wobei die Brennstoffzelleneinheit als eine in dieser Schutzrechtsanmelddung beschriebene Brennstoffzelleneinheit ausgebildet ist.
Vorzugsweise umfasst die Membranelektrodenanordnung wenigstens eine Katalysatorschicht, insbesondere zwei Katalysatorschichten.
In einer weiteren Variante sind Lagervorrichtungen für die Protonenaustauschermembranen und/oder die ersten Subgaskets und/oder die zweiten Subgaskets Vorrichtungen zur Herstellung der Protonenaustauschermembranen und/oder der ersten Subgaskets und/oder der zweiten Subgaskets. Die Protonenaustauschermembranen und/oder die ersten Subgaskets und/oder die zweiten Subgaskets können somit zur Verfügung gestellt werden indem diese simultan zu der Herstellung der Membranelektrodenanordnungen in den Lagervorrichtungen als Vorrichtungen zur Herstellung hergestellt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die wenigstens eine Katalysatorschicht eine gesonderte Schicht auf der Anode und/oder Kathode oder die wenigstens eine Katalysatorschicht ist in die Anode und/oder Kathode integriert, insbesondere indem die Anode und/oder Kathode einen Katalysatorstoff umfasst.
In einer ergänzenden Ausgestaltung umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens einen Zuführkanal zur Zuleitung von Brennstoff in die Brennstoffzellen, insbesondere ist der wenigstens eine Zuführkanal teilweise von Fluidöffnungen in den Fluidöffnungsbereichen des ersten und zweiten Subgaskets der Membranelektrodenanordnungen ausgebildet.
In einer ergänzenden Variante sind die Komponenten der Brennstoffzellen und/oder die Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinheit fluchtend gestapelt, insbesondere übereinander, angeordnet.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Brennstoffzelleneinheit ein Gehäuse und vorzugsweis eine Lagerplatte. Vorzugsweise begrenzen das Gehäuse und vorzugsweise die Lagerplatte einen Innenraum. Insbesondere ist innerhalb des Innenraumes der Brennstoffzellenstapel angeordnet.
In einer weiteren Variante umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens eine Verbindungsvorrichtung, insbesondere mehrere Verbindungsvorrichtungen, und Spannelemente.
Zweckmäßig sind Komponenten für Brennstoffzellen Membranelektrodenanordnungen, Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Verbindungsvorrichtung als ein Bolzen ausgebildet und/oder ist stabförmig und/oder ist als ein Spanngurt ausgebildet.
Zweckmäßig sind die Spannelemente als Spannplatten ausgebildet.
In einer weiteren Variante ist die Gasfördervorrichtung als ein Gebläse und/oder ein Kompressor und/oder eine Druckbehälter mit Oxidationsmittel ausgebildet.
Insbesondere umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens 3, 4, 5 oder 6 Verbindungsvorrichtungen.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Spannelemente plattenförmig und/oder scheibenförmig und/oder eben ausgebildet und/oder als ein Gitter ausgebildet.
Vorzugsweise ist der Brennstoff Wasserstoff, wasserstoffreiches Gas, Reformatgas oder Erdgas.
Zweckmäßig sind die Brennstoffzellen im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig ausgebildet.
In einer ergänzenden Variante ist das Oxidationsmittel Luft mit Sauerstoff oder reiner Sauerstoff.
Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit eine PEM-Brennstoffzelleneinheit mit PEM-Brennstoffzellen.
Figurenliste
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

1 eine stark vereinfachte Explosionsdarstellung eines Brennstoffzellensystems mit Komponenten einer Brennstoffzelle,
2 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Brennstoffzelle,
3 einen Längsschnitt durch eine Brennstoffzelle,
4 eine perspektivische Ansicht einer Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel, d. h. einen Brennstoffzellenstack,
5 einen Schnitt durch die Brennstoffzelleneinheit gemäß 4,
6 eine perspektivische Ansicht einer Membranelektrodenanordnung der Brennstoffzelleneinheit,
7 einen Längsschnitt A-A gemäß 6 der Membranelektrodenanordnung,
8 eine stark schematisierte Ansicht eines Maschinensystems in einem ersten Ausführungsbeispiel zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung der Membranelektrodenanordnung,
9 eine stark schematisierte Ansicht eines Maschinensystems in einem zweiten Ausführungsbeispiel zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung der Membranelektrodenanordnung,
10 eine stark schematisierte Ansicht eines Maschinensystems in einem dritten Ausführungsbeispiel zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung der Membranelektrodenanordnung,
11 eine stark schematisierte Ansicht eines Maschinensystems in einem vierten Ausführungsbeispiel zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung der Membranelektrodenanordnung und
12 eine stark schematisierte Ansicht eines Maschinensystems in einem fünften Ausführungsbeispiel zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung der Membranelektrodenanordnung.

In den 1 bis 3 ist der grundlegende Aufbau einer Brennstoffzelle 2 als einer PEM-Brennstoffzelle 3 (Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle 3) dargestellt. Das Prinzip von Brennstoffzellen 2 besteht darin, dass mittels einer elektrochemischen Reaktion elektrische Energie bzw. elektrischer Strom erzeugt wird. An eine Anode 7 wird Wasserstoff H₂ als gasförmiger Brennstoff geleitet und die Anode 7 bildet den Minuspol. An eine Kathode 8 wird ein gasförmiges Oxidationsmittel, nämlich Luft mit Sauerstoff, geleitet, d. h. der Sauerstoff in der Luft stellt das notwendige gasförmige Oxidationsmittel zur Verfügung. An der Kathode 8 findet eine Reduktion (Elektronenaufnahme) statt. Die Oxidation als Elektronenabgabe wird an der Anode 7 ausgeführt.
Die Redoxgleichungen der elektrochemischen Vorgänge lauten:

Kathode: O₂ + 4 H⁺ + 4 e^- --» 2 H₂O
Anode: 2 H₂ --» 4 H⁺ + 4 e^-
Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode: 2 H₂ + O₂ --» 2 H₂O

Die Differenz der Normalpotentiale der Elektrodenpaare unter Standardbedingungen als reversible Brennstoffzellenspannung oder Leerlaufspannung der unbelasteten Brennstoffzelle 2 beträgt 1,23 V. Diese theoretische Spannung von 1,23 V wird in der Praxis nicht erreicht. Im Ruhezustand und bei kleinen Strömen können Spannungen über 1,0 V erreicht werden und im Betrieb mit größeren Strömen werden Spannungen zwischen 0,5 V und 1,0 V erreicht. Die Reihenschaltung von mehreren Brennstoffzellen 2, insbesondere eine Brennstoffzelleneinheit 1 als Brennstoffzellenstapel 1 von mehreren übereinander angeordneten Brennstoffzellen 2, weist eine höhere Spannung auf, welche der Zahl der Brennstoffzellen 2 multipliziert mit der Einzelspannung je einer Brennstoffzelle 2 entspricht.
Die Brennstoffzelle 2 umfasst außerdem eine Protonenaustauschermembran 5 (Proton Exchange Membrane, PEM), welche zwischen der Anode 7 und der Kathode 8 angeordnet ist. Die Anode 7 und Kathode 8 sind schichtförmig bzw. scheibenförmig ausgebildet. Die PEM 5 fungiert als Elektrolyt, Katalysatorträger und Separator für die Reaktionsgase. Die PEM 5 fungiert außerdem als elektrischer Isolator und verhindert einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Anode 7 und Kathode 8. Im Allgemeinen werden 12 µm bis 150 µm dicke, protonenleitende Folien aus perfluorierten und sulfonierten Polymeren eingesetzt. Die PEM 5 leitet die Protonen H⁺ und sperrt andere Ionen als Protonen H⁺ im Wesentlichen, so dass aufgrund der Durchlässigkeit der PEM 5 für die Protonen H⁺ der Ladungstransport erfolgen kann. Die PEM 5 ist für die Reaktionsgase Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ im Wesentlichen undurchlässig, d. h. sperrt die Strömung von Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ zwischen einem Gasraum 31 an der Anode 7 mit Brennstoff Wasserstoff H₂ und dem Gasraum 32 an der Kathode 8 mit Luft bzw. Sauerstoff O₂ als Oxidationsmittel. Die Protonenleitfähigkeit der PEM 5 vergrößert sich mit steigender Temperatur und steigenden Wassergehalt.
Auf den beiden Seiten der PEM 5, jeweils zugewandt zu den Gasräumen 31, 32, liegen die Elektroden 7, 8 als die Anode 7 und Kathode 8 auf. Eine Einheit aus der PEM 5 und Anode 7 sowie Kathode 8 wird als Membranelektrodenanordnung 6 (Membran Electrode Assembly, MEA) bezeichnet. Die Elektroden 7, 8 sind mit der PEM 5 verpresst. Die Elektroden 6, 7 sind platinhaltige Kohlenstoffpartikel, die an PTFE (Polytetrafluorethylen), FEP (Fluoriertes Ethylen-Propylen-Copolymer), PFA (Perfluoralkoxy), PVDF (Polyvinylidenfluorid) und/oder PVA (Polyvinylalkohol) gebunden sind und in mikroporösen Kohlefaser-, Glasfaser- oder Kunststoffmatten heißverpresst sind. An den Elektroden 7, 8 sind auf der Seite zu den Gasräumen 31, 32 hin normalerweise jeweils eine Katalysatorschichten 30 aufgebracht. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 31 mit Brennstoff an der Anode 7 umfasst nanodisperses Platin-Ruthenium auf grafitierten Rußpartikeln, die an einem Bindemittel gebunden sind. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 32 mit Oxidationsmittel an der Kathode 8 umfasst analog nanodisperses Platin. Als Bindemittel werden beispielsweise Nafion®, eine PTFE-Emulsion oder Polyvinylalkohol eingesetzt.
Auf der Anode 7 und der Kathode 8 liegt eine Gasdiffusionsschicht 9 (Gas Diffusion Layer, GDL) auf. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Anode 7 verteilt den Brennstoff aus Kanälen 12 für Brennstoff gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Anode 7. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Kathode 8 verteilt das Oxidationsmittel aus Kanälen 13 für Oxidationsmittel gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Kathode 8. Die GDL 9 zieht außerdem Reaktionswasser in umgekehrter Richtung zur Strömungsrichtung der Reaktionsgase ab, d. h. in einer Richtung je von der Katalysatorschicht 30 zu den Kanälen 12, 13. Ferner hält die GDL 9 die PEM 5 feucht und leitet den Strom. Die GDL 9 ist beispielsweise aus einem hydrophobierten Kohlepapier und einer gebundenen Kohlepulverschicht aufgebaut.
Auf der GDL 9 liegt eine Bipolarplatte 10 auf. Die elektrisch leitfähige Bipolarplatte 10 dient als Stromkollektor, zur Wasserableitung und zur Leitung der Reaktionsgase durch eine Kanalstruktur 29 und/oder ein Flussfeld 29 und zur Ableitung der Abwärme, welche insbesondere bei der exothermischen elektrochemischen Reaktion an der Kathode 8 auftritt. Zum Ableiten der Abwärme sind in die Bipolarplatte 10 Kanäle 14 zur Durchleitung eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels eingearbeitet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 31 für Brennstoff ist von Kanälen 12 gebildet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel ist von Kanälen 13 gebildet. Als Material für die Bipolarplatten 10 werden beispielsweise Metall, leitfähige Kunststoffe und Kompositwerkstoffe oder Grafit eingesetzt. Die Bipolarplatte 10 umfasst somit die drei Kanalstrukturen 29, gebildet von den Kanälen 12, 13 und 14, zur getrennten Durchleitung von Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel.
In einer Brennstoffzelleneinheit 1 und/oder einem Brennstoffzellenstapel 1 und/oder einem Brennstoffzellenstack 1 sind mehrere Brennstoffzellen 2 fluchtend gestapelt angeordnet (4 und 5). In 1 ist eine Explosionsdarstellung von zwei gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2 abgebildet. Eine Dichtung 11 dichtet die Gasräume 31, 32 fluiddicht ab. In einem Druckgasspeicher 21 (1) ist Wasserstoff H₂ als Brennstoff mit einem Druck von beispielsweise 350 bar bis 700 bar gespeichert. Aus dem Druckgasspeicher 21 wird der Brennstoff durch eine Hochdruckleitung 18 zu einem Druckminderer 20 geleitet zur Reduzierung des Druckes des Brennstoffes in einer Mitteldruckleitung 17 von ungefähr 10 bar bis 20 bar. Aus der Mitteldruckleitung 17 wird der Brennstoff zu einem Injektor 19 geleitet. An dem Injektor 19 wird der Druck des Brennstoffes auf einen Einblasdruck zwischen 1 bar und 3 bar reduziert. Von dem Injektor 19 wird der Brennstoff einer Zufuhrleitung 16 für Brennstoff (1) zugeführt und von der Zufuhrleitung 16 den Kanälen 12 für Brennstoff, welche die Kanalstruktur 29 für Brennstoff bilden. Der Brennstoff durchströmt dadurch den Gasraum 31 für den Brennstoff. Der Gasraum 31 für den Brennstoff ist von den Kanälen 12 und der GDL 9 an der Anode 7 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 12 wird der nicht in der Redoxreaktion an der Anode 7 verbrauchte Brennstoff und gegebenenfalls Wasser aus einer kontrollieren Befeuchtung der Anode 7 durch eine Abfuhrleitung 15 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet.
Eine Gasfördereinrichtung 22, beispielsweise als ein Gebläse 23 oder ein Kompressor 24 ausgebildet, fördert Luft aus der Umgebung als Oxidationsmittel in eine Zufuhrleitung 25 für Oxidationsmittel. Aus der Zufuhrleitung 25 wird die Luft den Kanälen 13 für Oxidationsmittel, welche eine Kanalstruktur 29 an den Bipolarplatten 10 für Oxidationsmittel bilden, zugeführt, so dass das Oxidationsmittel den Gasraum 32 für das Oxidationsmittel durchströmt. Der Gasraum 32 für das Oxidationsmittel ist von den Kanälen 13 und der GDL 9 an der Kathode 8 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 13 bzw. des Gasraumes 32 für das Oxidationsmittel 32 wird das nicht an der Kathode 8 verbrauchte Oxidationsmittel und das an der Kathode 8 aufgrund der elektrochemischen Redoxreaktion entstehenden Reaktionswasser durch eine Abfuhrleitung 26 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet. Eine Zufuhrleitung 27 dient zur Zuführung von Kühlmittel in die Kanäle 14 für Kühlmittel und eine Abfuhrleitung 28 dient zur Ableitung des durch die Kanäle 14 geleiteten Kühlmittels. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 sind in 1 aus Vereinfachungsgründen als gesonderte Leitungen dargestellt und sind konstruktiv tatsächlich am Endbereich in der Nähe der Kanäle 12, 13, 14 als fluchtende Fluidöffnungen 42 an Abdichtschichten 41 am Endbereich der aufeinander liegender Membranelektrodenanordnungen 6 (6 und 7) ausgebildet. Analog sind auch an plattenförmigen Verlängerungen (nicht dargestellt) der Bipolarplatten 10 Fluidöffnungen (nicht dargestellt) ausgebildet und die Fluidöffnungen in den plattenförmigen Verlängerungen der Bipolarplatten 10 fluchten mit den Fluidöffnungen 42 and den Abdichtschichten 41 der Membranelektrodenanordnungen 6 zur teilweisen Ausbildung der Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28. Der Brennstoffzellenstack 1 zusammen mit dem Druckgasspeicher 21 und der Gasfördereinrichtung 22 bildet ein Brennstoffzellensystem 4.
In der Brennstoffzelleneinheit 1 sind die Brennstoffzellen 2 zwischen zwei Spannelementen 33 als Spannplatten 34 angeordnet. Eine obere Spannplatte 35 liegt auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und eine untere Spannplatte 36 liegt auf der untersten Brennstoffzelle 2 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst ungefähr 200 bis 400 Brennstoffzellen 2, die aus zeichnerischen Gründen nicht alle in 4 dargestellt sind. Die Spannelemente 33 bringen auf die Brennstoffzellen 2 eine Druckkraft auf, d. h. die obere Spannplatte 35 liegt mit einer Druckkraft auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und die untere Spannplatte 36 liegt mit einer Druckkraft auf der untersten Brennstoffzelle 2 auf. Damit ist der Brennstoffzellenstapel 2 verspannt, um die Dichtheit für den Brennstoff, das Oxidationsmittel und das Kühlmittel, insbesondere aufgrund der elastischen Dichtung 11, zu gewährleisten und außerdem den elektrischen Kontaktwiderstand innerhalb des Brennstoffzellenstapels 1 möglichst klein zu halten. Zur Verspannung der Brennstoffzellen 2 mit den Spannelementen 33 sind an der Brennstoffzelleneinheit 1 vier Verbindungsvorrichtungen 39 als Bolzen 40 ausgebildet, welche auf Zug beansprucht sind. Die vier Bolzen 40 sind mit den Spanplatten 34 fest verbunden.
In 6 ist eine perspektivische Ansicht der Membranelektrodenanordnung 6 der Brennstoffzelleneinheit 1 dargestellt, welche mit dem in 12 dargestellten Maschinensystem hergestellt worden ist. Die schichtförmige Membranelektrodenanordnung 6 umfasst einen schichtförmigen Innenbereich 38 aus der Protonenaustauschermembran 5. Die im Wesentlichen rechteckförmige Protonenaustauschermembran 5 ist von zwei schichtförmigen Abdichtschichten 41 als einem ersten Subgasket 53 und einem zweiten Subgasket 54 vollständig umschlossen und umrahmt. In dem Innenbereich 38 ist zwischen der schichtförmigen Anode 7 und schichtförmigen Kathode 8 die schichtförmige Protonenaustauschermembran 5 angeordnet. Die Abdichtschichten 41 und damit der erste und zweite Subgasket 53, 54 umfasst die Materialien bzw. Werkstoffe Polyethylennaphthalat (PEN) als einem thermoplastischen Kunststoff. Die schichtförmige Membranelektrodenanordnung 6 spannt eine fiktive Ebene 37 (3) auf. Darüber hinaus spannen auch die Bipolarplatten 10 und Gasdiffusionssichten 9 fiktive Ebenen 37 auf, die zueinander parallel ausgerichtet sind.
Die Protonenaustauschermembran 5 ist an einem Randbereich zwischen dem ersten und zweiten Subgasket 53, 54 als einem Überlappungsbereich 56 angeordnet. An diesem Überlappungsbereich 56 ist der Randbereich der Protonenaustauschermembran 5 stoffschlüssig, insbesondere mit einem Klebstoff, mit den Innenseiten des ersten und zweiten Subgaskets 53, 54 verbunden. Abweichend hiervon kann die Protonenaustauschermembran 5 auch nur mit dem ersten Subgasket 53 oder nur mit dem zweiten Subgasket 54 stoffschlüssig verbunden sein. An einem Teilbereich 57 ist zwischen dem ersten und zweiten Subgasket 53, 54 keine Protonenaustauschermembran 5 angeordnet, d. h. der erste und zweite Subgasket 53, 54 liegen unmittelbar an dem Teilbereich 57 miteinander verbunden aufeinander. Das erste und zweite Subgasket 53, 54 endet an je einer Öffnung 55 an einem umlaufenden Rand 43. Der Rand 43 ist hergestellt, indem in die Protonenaustauschermembran 5 zuerst eine Perforation eingearbeitet worden ist und anschließend nach dem Anordnen der Protonenaustauschermembran 5 zwischen dem ersten und zweiten Subgasket 53, 54 die Perforation vollständig durchtrennt und ein Teil des ersten und zweiten Subgaskets 53, 54 innerhalb je einer Perforation entfernt worden ist. Der Rand 43 umfasst zwei Längsseiten 44 parallel zu einer Längsrichtung 49 und zwei Breitseiten 45 parallel zu einer Querrichtung 50. Der ersten und zweite Subgasket 53, 54 weist einen umlaufenden äußeren Rand 46 auf mit zwei Längsseiten 47 und zwei Breitseiten 48. An einem Fluidöffnungsbereich 52 des ersten und zweiten Subgaskets 53, 54 als dem Teilbereich 57 sind sechs Fluidöffnungen 42 als Zufuhr- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 zur Einleitung und Ausleitung von Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel bzw. Kühlfluid in die Kanäle 12, 13, 14 ausgebildet. Zwischen den zwei Fluidöffnungsbereichen 52 ist ein Streifenbereich 51 der Membranelektrodenanordnung 6 mit zwei streifenförmigen, gestapelten Bereichen des ersten und zweien Subgaskets 53, 54 und mit der Protonenaustauschermembran 5 ausgebildet.
In 8 ist ein Maschinensystem zur Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung der Membranelektrodenanordnung 6 dargestellt in einem ersten Ausführungsbeispiel. Das Maschinensystem umfasst eine erste Rolle 58 als eine erstes Lagervorrichtung 58 und auf der ersten Rolle 58 ist ein erstes Subgasket-Band 63 aufgerollt, so dass an dem ersten Subgasket-Band 63 eine große Anzahl, beispielsweise mehr als 50, 100 oder 300, erste im Wesentlichen rechteckförmige Subgaskets 53 miteinander verbunden als erstes Subgasket-Band 63 angeordnet sind. Analog ist auf einer zweiten Rolle 59 als zweite Lagervorrichtung 59 ein zweites Subgasket-Band 64 aufgerollt, so dass an dem zweiten Subgasket-Band 64 eine große Anzahl, beispielsweise mehr als 50, 100 oder 300, zweite im Wesentlichen rechteckförmige Subgaskets 54 miteinander verbunden als zweites Subgasket-Band 64 angeordnet sind. Außerdem ist auf einer dritten Rolle 60 als dritte Lagervorrichtung 60 ein Protonenaustauscher-Band 65 aufgerollt, so dass an dem Protonenaustauscher-Band 65 eine große Anzahl, beispielsweise mehr als 50, 100 oder 300, im Wesentlichen rechteckförmige Protonenaustauschermembranen 5 miteinander verbunden als Protonenaustauscher-Band 65 angeordnet sind. Das Protonenaustauscher-Band 65 umfasst neben der eigentlichen Protonenaustauschermembran 5 als weitere Schichten die Anoden 7, die Kathoden 8 und jeweils auf der Anode 7 und Kathode 8 die Katalysatorschicht 30. Die Anoden 7, Kathoden 8 und die Katalysatorschichten 30 sind in den 1 bis 11 nicht dargestellt.
Das erste und zweite Subgasket-Band 63, 64 und das Protonenaustauschermembran-Band 65 werden simultan von den Rollen 58, 59, 60 abgerollt. Nach dem Abrollen bzw. Abwickeln wird das erste Subgasket-Band 63 durch eine erste Prägewalze 69 als erste Trennvorrichtung 68 geführt und unter der ersten angetriebenen Prägewalze 69 ist eine weitere angetriebene Walze angeordnet, so dass das erste Subgasket-Band 63 zwischen der ersten Prägewalze 69 und der weiteren Walze durchgeführt wird, so dass diese zusätzlich als Fördervorrichtung zum Abwickeln des ersten Subgasket-Bandes 63 von der ersten Rolle 58 fungieren. Die erste Prägewalze 69 schneidet in jeden ersten Subgasket 53 an den zwei Fluidöffnungsbereichen 52 sechs Fluidöffnungen 42 und außerdem eine Perforation für die große Öffnung 55 für die Protonenaustauschermembran 5, so dass die Protonenaustauschermembran 5 durch die Öffnung 55 als Fenster 55 für die Prozessfluide zugänglich ist für die elektrochemische Reaktion nach dem späteren vollständigen Durchtrennen der Perforation. Nach dem Abrollen bzw. Abwickeln wird das zweite Subgasket-Band 64 durch eine zweite Prägewalze 71 als zweite Trennvorrichtung 70 geführt und unter der zweiten angetriebenen Prägewalze 70 ist eine weitere angetriebene Walze angeordnet, so dass das zweite Subgasket-Band 64 zwischen der zweiten Prägewalze 70 und der weiteren Walze durchgeführt wird, so dass diese zusätzlich als Fördervorrichtung zum Abwickeln des zweiten Subgasket-Bandes 64 von der zweiten Rolle 59 fungieren. Die zweite Prägewalze 71 schneidet in jeden zweiten Subgasket 54 an den zwei Fluidöffnungsbereichen 52 sechs Fluidöffnungen 42 und außerdem eine Perforation für die große Öffnung 55 für die Protonenaustauschermembran 5, so dass die Protonenaustauschermembran 5 durch die Öffnung 55 als Fenster 55 für die Prozessfluide zugänglich ist für die elektrochemische Reaktion nach dem späteren vollständigen Durchtrennen der Perforation. Das Protonenaustauschermembran-Band 65 wird durch eine dritte Trennvorrichtung 72 als Schneidwalze 73 und unter der Schneidwalze 73 ist eine weitere angetriebene Walze angeordnet, so dass das Protonenaustauschermembran-Band 65 zwischen der Schneidwalze 72 und der weiteren Walze durchgeführt wird, so dass diese zusätzlich als Fördervorrichtung zum Abwickeln des Protonenaustauscher-Bandes 65 von der dritten Rolle 60 fungieren. Die Schneidwalze 72 schneidet einzelne, im Wesentlichen rechteckförmige Abschnitte von dem Protonenaustauscher-Band 65 ab und diese abgeschnittenen Abschnitte bilden die einzelnen Protonenaustauschermembranen 5.
In der Vorrichtung 74, beispielsweise einer Kaschierwalze, zum Verbinden der abgeschnittenen Protonenaustauschermembranen 5 mit dem ersten Subgasket-Band 63 werden die Protonenaustauschermembranen 5 in einem Abstand zueinander mit dem ersten Subgasket-Band 63 verbunden und der Abstand entspricht dem zweifachen Wert der Länge je eines Fluidöffnungsbereiches 52 in der Längsrichtung 49. Das Verbinden wird stoffschlüssig und/oder formschlüssig ausgeführt, beispielsweise mit Kleben, Prägen und/oder Heißlaminieren. Anschließend wird auf das erste Subgasket-Band 63 und die einzelnen bereits abgeschnittenen Protonenaustauschermembranen 5 das zweite Subgasket-Band 64 aufgelegt, so dass die Fluidöffnungen 42 in den Fluidöffnungsbereichen 52 und die Öffnungen 55 in dem ersten und zweiten Subgasket-Band 63, 64 fluchten und damit die Protonenaustauschermembranen 5 an dem Überlappungsbereichen 56 zwischen dem ersten und zweiten Subgasket-Band 63, 64 angeordnet sind. In der Vorrichtung 75 als zwei Kaschierwalzen 76 zum Verbinden der ersten und zweiten Subgasket-Bandes 63, 64 miteinander und mit den Protonenaustauschermembranen 5 werden das erste und zweite Subgasket-Band 63, 64 und die Protonenaustauschermembranen 5 mittels Kaschieren und/oder Prägen, d. h. stoffschlüssig und/oder formschlüssig, miteinander verbunden. In der Vorrichtung 77 zum Entfernen und/oder Abheben werden an dem ersten und zweiten Subgasket-Band 63, 64 die von der Perforation umschlossenen Bereiche des ersten und zweiten Subgasket-Bandes 63, 64 entfernt, d. h. die mit der ersten und zweiten Trennvorrichtung 68, 70 eingearbeiteten Perforationen vollständig durchtrennt, insbesondere durchgerissen beim Entfernen, so dass die Protonenaustauschermembranen 5 an den Öffnungen 55 zugänglich sind. Die Vorrichtung 77 ist beispielsweise als eine Abreißwalze 78 oder ein Vakuumsauger oder eine Vakuumwalze 78 ausgebildet. Anschließend wird das Band mit den miteinander verbundenen ersten und zweiten Subgasket-Bändern 63, 64 und den dazwischen angeordneten verbundenen Protonenaustauschermembranen 5 an den jeweiligen Enden in Längsrichtung 49 der Fluidöffnungsbereiche 52, d. h. an Teilbereichen des ersten und zweiten Subgasket-Bandes ohne Protonenaustauschermembran 5, von der vierten Trennvorrichtung 79 durchtrennt, so dass die einzelnen Membranelektrodenanordnungen 6 ausgebildet sind. Die Membranelektrodenanordnungen 6 werden von einem Förderband 80 abtransportiert. Die obigen Vorgänge werden kontinuierlich und simultan ausgeführt und vorzugsweise mit Kameras und Bildverarbeitungssoftware in einer Steuer- und/oder Regeleinheit (nicht dargestellt) überwacht, gesteuert und/oder geregelt, insbesondere bezüglich der Positionen der Protonenaustauschermembranen 5 und der ersten und zweiten Subgaskets 53, 54, als erstes und zweites Subgasket-Band 63, 64 zueinander.
In 9 ist ein Maschinensystem zur Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung der Membranelektrodenanordnung 6 dargestellt in einem zweiten Ausführungsbeispiel. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 8 beschrieben. Das Band mit dem ersten und zweiten Subgasket-Band 63, 64 und den in Abständen dazwischen angeordneten Protonenaustauschermembranen 5 wird nicht von einer Trennvorrichtung 79 durchtrennt, sondern auf einer Lagerrolle 81 als Lagervorrichtung 81 aufgerollt und kann damit leicht transportiert werden. Für die abschließende Herstellung der Membranelektrodenanordnungen 6 wird das auf der Lagerrolle 81 aufgerollte Band wieder abgewickelt und mit einer nicht dargestellten Trennvorrichtung analog zu dem ersten Ausführungsbeispiel durchtrennt. Die genaue Lage der Durchtrennung kann mit einer Kamera und Bildverarbeitungssoftware sowie einer Steuer- und/oder Regeleinheit, beispielsweise anhand der Öffnungen 55, bestimmt werden, weil die Öffnungen 55 von der Kamera erfasst werden können.
In 10 ist ein Maschinensystem zur Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung der Membranelektrodenanordnung 6 dargestellt in einem dritten Ausführungsbeispiel. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 8 beschrieben. Das Band mit dem ersten und zweiten Subgasket-Band 63, 64 und den in Abständen dazwischen angeordneten Protonenaustauschermembranen 5 wird nicht von einer Trennvorrichtung 79 durchtrennt, sondern mit einer fünften Trennvorrichtung 82 als einer Prägewalze 83 wird an den Positionen des späteren notwendigen Durchtrennens eine Perforation eingearbeitet und anschließend auf der Lagerrolle 81 für einen einfachen Transport aufgerollt. Aufgrund der eingearbeiteten Perforationen können die Positionen der notwendigen vollständigen Durchtrennung des Bandes für die abschließende Herstellung der Membranelektrodenanordnungen 6 einfach ermittelt und leicht durchgeführt werden nach dem Abrollen des Bandes von der Lagerrolle 81, beispielsweise indem mit einer Kamera und Bildverarbeitungssoftware sowie einer Steuer- und/oder Regeleinheit die Perforationen erfasst werden.
In 11 ist ein Maschinensystem zur Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung der Membranelektrodenanordnung 6 dargestellt in einem vierten Ausführungsbeispiel. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 8 beschrieben. Nach dem Bearbeiten des Bandes in der Vorrichtung 77 und vor dem Abtrennen in der vierten Trennvorrichtung 79 wird auf die Außenseite des ersten Subgasket-Bandes 63 ein erstes Gasdiffusionssicht-Band 66 aufgelegt und stoffschlüssig mit einer Klebeverbindung verbunden indem in dem Verfahrensablauf nach dem Bearbeiten in der Vorrichtung 77 mit einer Vorrichtung 88 Klebstoff auf das erste und zweite Subgasket-Band 63, 64 aufgebracht wird. Abweichend hiervon kann der Klebstoff mit der Vorrichtung 88 auch auf das erste und zweite Gasdiffusionsschicht-Band 66, 67 aufgebracht werden oder der Klebstoff ist auf einer vierten und fünften Rolle 61, 62 bereits auf dem ersten und zweiten Gasdiffusionsschicht-Band 66, 67 vorhanden (nicht dargestellt). Das erste Gasdiffusionsschicht-Band 66 wird von der vierten Rolle 61 als vierte Lagervorrichtung 61 abgewickelt und vor dem Auflegen und Verbinden mit dem ersten Subgasket-Band 63 in eine sechsten Trennvorrichtung 84 als Schneidwalze 85 abgetrennt, so dass auf das erste Subgasket-Band 63 einzelne im Wesentlichen rechteckförmige Gasdiffusionsschichten 9 in einem Abstand zueinander auf das erste Subgasket-Band 63 aufgelegt werden an dem Streifenbereich 51 des ersten Subgaskets 53 und der Protonenaustauschermembran 5, jedoch nicht an den Fluidöffnungsbereichen 52. In analoger Weise wird von einer fünften Rolle 62 als fünfte Lagervorrichtung 62 mit einem zweiten Gasdiffusionsschicht-Band 67 dieses abgewickelt und in der sechsten Trennvorrichtung 84 werden die Gasdiffusionsschichten 9 abgetrennt und auf das zweite Subgasket-Band 64 aufgelegt. Anschließend wird mit der Vorrichtung 86 zum Pressen als zwei Andrückwalzen 87 das Band mit den Protonenaustauschermembranen 5, dem ersten und zweiten Subgasket-Band 63, 64 und den ersten und zweiten abgeschnittenen Gasdiffusionsschichten 9 zusammengepresst, so dass mittels des Klebstoffes die ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten 9 auf dem ersten und zweiten Subgasket-Band 66, 67 stoffschlüssig angeklebt werden. Alternativ hierzu kann das Verbinden ohne Klebstoff mit Laminieren oder einem hohen lonomergehalt in dem ersten und zweiten Gasdiffusionsschicht-Band 66, 67 erreicht werden (nicht dargestellt). Anschließend wird das Band von der vierten Trennvorrichtung 79 abgetrennt zu den Membranelektrodenanordnungen 6 mit erster und zweiter Gasdiffusionsschicht 9 und mit dem Förderband 80 abtransportiert.
In 12 ist ein Maschinensystem zur Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung der Membranelektrodenanordnung 6 dargestellt in einem vierten Ausführungsbeispiel. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 8 beschrieben. Auf dem Protonenaustauschermembran-Band 65 an der dritten Rolle 60 ist keine Katalysatorschicht 30 vorhanden. Die Katalysatorschicht 30 wird nach dem Bearbeiten des Bandes mit der Vorrichtung 75 mit einer ersten Vorrichtung 89 auf die Protonenaustauschermembran 5 in der Öffnung 55 des ersten Subgasket-Bandes 63 aufgebracht, insbesondere mit Sprühen, und mit einer zweiten Vorrichtung 90 auf die Protonenaustauschermembran 5 in der Öffnung 55 des zweiten Subgasket-Bandes 64 aufgebracht, insbesondere mit Sprühen. Anstelle von Sprühen kann als einem Beschichtungsverfahren beispielsweise Siebdruck oder Schablonendruck eingesetzt werden. Die Katalysatorschichten 30 sind somit ausschließlich gemäß 7 an der Protonenaustauschermembran 5 in den Öffnungen 55 und nicht auch zwischen der Protonenaustauschermembran 5 und dem ersten und zweiten Subgasket 53, 54 an dem Überlappungsbereich 56 vorhanden wie in dem ersten Ausführungsbeispiel, so dass Materialkosten für die Katalysatorschicht 30 eingespart werden können. Nach dem Beschichten mit den Katalysatorschichten 30 wird die Katalysatorschicht 30 auf der Protonenaustauschermembran 5 in der Öffnung 55 des ersten Subgasket-Bandes 63 mit einer ersten Trocknungsvorrichtung 91 getrocknet und analog wird die Katalysatorschicht 30 auf der Protonenaustauschermembran 5 in der Öffnung 55 des zweiten Subgasket-Bandes 64 mit einer zweiten Trocknungsvorrichtung 92 getrocknet.
Abweichend hiervon auf dem Protonenaustauschermembran-Band 65 an der dritten Rolle 60 ist keine Katalysatorschicht 30, keine Anode 7 und keine Kathode 8 vorhanden und eine erste Mischschicht aus Katalysatorschicht 30 und Anode 7 und eine zweite Mischschicht aus Katalysatorschicht 39 und Kathode 8 wird auf die Protonenaustauschermembran 5 aufgebracht. Nach dem Bearbeiten des Bandes mit der Vorrichtung 75 mit der ersten Vorrichtung 89 wird auf die Protonenaustauschermembran 5 in der Öffnung 55 des ersten Subgasket-Bandes 63 die zweite Mischschicht aufgebracht, insbesondere mit Sprühen, und mit der zweiten Vorrichtung 90 auf die Protonenaustauschermembran 5 in der Öffnung 55 des zweiten Subgasket-Bandes 64 die erste Mischschicht aufgebracht, insbesondere mit Sprühen. Anschließend werden die Membranelektrodenanordnungen 6 mit der vierten Trennvorrichtung 79 abgeschnitten und mit dem Förderband 80 abtransportiert. Bei diesem Herstellungsverfahren sind somit an dem Überlappungsbereich 56 keine Anode 7, keine Kathode 8 und keine Katalysatorschicht 30 vorhanden, d. h. nur das erste und zweite Subgasket 53, 54 und die Protonenaustauschermembran 5 an der Membranelektrodenanordnung 6.
Die einzelnen Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden.
Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der Membranelektrodenanordnung 6, der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit 1 und dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der Brennstoffzelleneinheit 1 wesentliche Vorteile verbunden. Die einzelnen Lagen der Membranelektrodenanordnung 6, d. h. die Protonenaustauschermembran 5 mit Anode 7, Kathode 8 und optionalen Katalysatorschicht 30 sowie das erstes Subgasket 53 und das zweite Subgasket 54 werden in einem kontinuierlichen Verfahren als einem gemeinsamen Band, d. h. gemeinsamen Mehrschichtband, aufeinander angeordnet und miteinander verbunden, so dass der Herstellungsprozess wesentlich beschleunigt werden kann und damit die Kosten reduziert sind.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Membranelektrodenanordnungen (6) für eine Brennstoffzelleneinheit (1) als Brennstoffzellenstapel (1) mit den Schritten: - zur Verfügung stellen je einer Protonenaustauschermembran (5), - zur Verfügung stellen je eines ersten Subgaskets (53) als Abdichtschicht (41), - zur Verfügung stellen je eines zweiten Subgaskets (54) als Abdichtschicht (41), - Anordnen der je einen Protonenaustauschermembran (5) zwischen dem je ersten und je zweiten Subgasket (53, 54), - Verbinden der je einen Protonenaustauschermembran (5) mit dem je ersten und/oder je zweiten Subgasket (53, 54), so dass je ein schichtförmiger Innenbereich (38) der je einen Protonenaustauschermembran (5) von dem je einen ersten und zweiten Subgasket (53, 54) als Abdichtschicht (41) umschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Protonenaustauschermembranen (5), die ersten Subgaskets (53) und die zweiten Subgaskets (54) zur Verfügung gestellt werden indem diese als Protonenaustauschermembran-Band (65), erstes Subgasket-Band (63) und zweites Subgasket-Band (64) von Lagervorrichtungen (58, 59, 60) entnommen werden und das Anordnen der Protonenaustauschermembranen (5) zwischen den ersten und zweiten Subgaskets (53, 54) und das Verbinden der Protonenaustauschermembranen (5) mit den ersten und/oder zweiten Subgaskets (53, 54) ausgeführt wird im Zustand der ersten Subgaskets (53) als erstes Subgasket-Band (63) und der zweiten Subgaskets (54) als zweites Subgasket-Band (64), so dass während des Anordnens und Verbindens die ersten Subgaskets (53) miteinander verbunden an dem ersten Subgasket-Band (63) angeordnet sind und die zweiten Subgaskets (54) miteinander verbunden an dem zweiten Subgasket-Band (64) angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Subgaskets (53) von einer ersten Lagervorrichtung (58), insbesondere einer ersten Rolle (58), als erstes Subgasket-Band (63) entnommen, insbesondere abgewickelt werden, die zweiten Subgaskets (54) von einer zweiten Lagervorrichtung (59), insbesondere einer zweiten Rolle (59), als zweites Subgasket-Band (64) entnommen, insbesondere abgewickelt, werden und die Protonenaustauschermembranen (5) von einer dritten Lagervorrichtung (60), insbesondere einer dritten Rolle (60), als Protonenaustauschermembran-Band (65) entnommen, insbesondere abgewickelt, werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Entnehmen, insbesondere Abwickeln, der Protonenaustauschermembranen (5), der ersten Subgaskets (53) und der zweiten Subgaskets (54) von den Lagervorrichtungen (58, 59, 60), insbesondere den Rollen (58, 59, 60), das Anordnen der Protonenaustauschermembranen (5) zwischen den ersten und zweiten Subgaskets (53, 54) und das Verbinden der Protonenaustauschermembranen (5) mit den ersten und/oder zweiten Subgaskets (53, 54) in einem kontinuierlichen Verfahren ausgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Entnehmen, insbesondere Abwickeln, der Protonenaustauschermembranen (5), der ersten Subgaskets (53) und der zweiten Subgaskets (54) von den Lagervorrichtungen (58, 59, 60), insbesondere den Rollen (58, 59, 60), das Anordnen der Protonenaustauschermembranen (5) zwischen den ersten und zweiten Subgaskets (53, 54) und das Verbinden der Protonenaustauschermembranen (5) mit den ersten und/oder zweiten Subgaskets (53, 54) simultan ausgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Entnehmen, insbesondere Abwickeln, der ersten Subgaskets (53) von der ersten Lagervorrichtung (58), insbesondere der ersten Rolle (58), in die ersten Subgaskets (53) als erstes Subgasket-Band (63) Fluidöffnungen (42) für Prozessfluide, insbesondere sechs Fluidöffnungen (42) in einem Fluidöffnungsbereich (52), eingearbeitet werden und nach dem Entnehmen, insbesondere Abwickeln, des zweiten Subgaskets (549 von der zweiten Lagervorrichtung (59), insbesondere der zweiten Rolle (59), in die zweiten Subgaskets (54) als zweites Subgasket-Band (64) Fluidöffnungen (42) für Prozessfluide, insbesondere sechs Fluidöffnungen (42) in einem Fluidöffnungsbereich (52), eingearbeitet werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidöffnungen (42) in die ersten und zweiten Subgaskets (53, 54) als erstes und zweites Subgasket-Band (63, 64) eingearbeitet werden bevor oder nach dem das Anordnen der Protonenaustauschermembranen (5) zwischen den ersten und zweiten Subgaskets (53, 54) und vorzugsweise das Verbinden der Protonenaustauschermembranen (5) mit den ersten und/oder zweiten Subgaskets (53, 54) ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Einarbeiten der Fluidöffnungen (42) in die ersten und zweiten Subgaskets (53, 54) die ersten und zweiten Subgaskets (53, 54) als erstes und zweites Subgasket-Band (63, 64) dahingehend aufeinander angeordnet werden, so dass die Fluidöffnungen (42) je des ersten und zweiten Subgaskets (53, 54) fluchten.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Entnehmen, insbesondere Abwickeln, der ersten Subgaskets (53) von der ersten Lagervorrichtung (58), insbesondere der ersten Rolle (58), in das erste Subgasket (53) als erstes Subgasket-Band (63) eine Perforation für je eine Öffnung (55) für die Protonenaustauschermembran (5) in je einem Streifenbereich (51) eingearbeitet wird und nach dem Entnehmen, insbesondere Abwickeln, des zweiten Subgaskets (54) von der zweiten Lagervorrichtung (59), insbesondere der zweiten Rolle (59), in das zweite Subgasket (54) als zweites Subgasket-Band (64) eine Perforation für je eine Öffnung (55) für die Protonenaustauschermembran (5) in je einem Streifenbereich (51) eingearbeitet wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidöffnungen (52) und die Perforationen für die Öffnungen (55) von Trennvorrichtungen (68, 70), insbesondere Prägewalzen (69, 71), kontinuierlich in die ersten und zweiten Subgaskets (53, 54) als erstes und zweites Subgasket-Band (63, 64) eingearbeitet werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Anordnen der Protonenaustauschermembranen (5) zwischen den ersten und zweiten Subgaskets (53, 54 als erstes und zweites Subgasket-Band (63, 64) die Protonenaustauschermembran (5) von dem Protonenaustauschermembran-Band (65) für je eine Membranelektrodenanordnung (6) je ein Abschnitt (5) von dem Protonenaustauschermembran-Band (60) als die je eine Protonenaustauschermembran (5) für die je eine Membranelektrodenanordnung (6) abgeschnitten wird und anschließend das Anordnen der je einen Protonenaustauschermembran (5) als den je einen abgeschnittenen Abschnitt (5) zwischen dem ersten und zweiten Subgasket-Band (63, 64) ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass an Teilbereichen des ersten und zweiten Subgasket-Bandes (63, 64) in Längsrichtung (49) zwischen den Protonenaustauschermembranen (5) keine Protonenaustauschermembran (5) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die abgetrennten Abschnitte (5) als die Protonenaustauschermembranen (5) vor dem Anordnen zwischen dem ersten und zweiten Subgasket (53, 54) als erstes und zweits Subgasket-Band (63, 64) an dem ersten oder an dem zweiten Subgasket-Band (63, 64), insbesondere stoffschlüssig mit einer Kaschierwalze (74), fixiert werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Anordnen der Protonenaustauschermembranen (5) zwischen den ersten und zweiten Subgaskets (53, 54) als erstes und zweits Subgasket-Band (63, 64) und dem Verbinden der Protonenaustauschermembranen (5) mit den ersten und/oder zweiten Subgaskets (53, 54) als erstes und zweites Subgasket-Band (63, 64) das erste und zweite Subgasket-Band (63, 64) abgetrennt wird, so dass einzelne getrennte Membranelektrodenanordnungen (6) hergestellt werden.
Brennstoffzelleneinheit (1) als Brennstoffzellenstapel (1) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend gestapelt angeordnete Brennstoffzellen (2), die Brennstoffzellen (2) umfassend jeweils eine Protonenaustauschermembran (5), eine Anode (7), eine Kathode (8), eine Bipolarplatte (10) und eine Gasdiffusionsschicht (9), wobei die Protonenaustauschermembran (5), die Anode (7) und die Kathode (8) mit einem ersten und zweiten Subgasket (53, 54) eine Membranelektrodenanordnung (6) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass an den Membranelektrodenanordnungen (6) an einem Überlappungsbereich (56) zwischen dem ersten und zweiten Subgasket (53, 54) mit der Protonenaustauschermembran (5) keine Katalysatorschicht (30) und/oder keine Anode (7) und/oder keine Kathode (8) ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelleneinheit (1) als Brennstoffzellenstapel (1) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie mit den Schritten: - zur Verfügung stellen von Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10) der Brennstoffzellen (2), nämlich Membranelektrodenanordnungen (6), Gasdiffusionsschichten (9) und Bipolarplatten (10), - wobei die Membranelektrodenanordnungen (6) je einen schichtförmigen Innenbereich (38) mit einer Protonenaustauschermembran (5), einer Anode (7) und einer Kathode (8) und je zwei Abdichtschichten (41) als erstes und zweites Subgasket (53, 54) umfassen und die Protonenaustauschermembran (5) zwischen der Anode (7) und Kathode (8) angeordnet ist und die den Innenbereich (38) umschließende schichtförmige Abdichtschichten (41) als erste und zweite Subgaskets (53, 54) ausgebildet sind, - Stapeln der Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10) der Brennstoffzellen (2), so dass Brennstoffzellen (2) und eine Brennstoffzelleneinheit (1) ausgebildet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranelektrodenanordnungen (6) zur Verfügung gestellt werden indem ein Verfahren gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 13 ausgeführt wird.