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Stand der Technik
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Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Zelle, wobei diese zwei Elektroden, welche mittels eines ionenleitenden Elektrolyten voneinander separiert sind, aufweist. Die Brennstoffzelle wandelt die Energie einer chemischen Reaktion eines Brennstoffes mit einem Oxidationsmittel direkt in Elektrizität um. Es existieren verschiedene Typen von Brennstoffzellen.
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Ein spezieller Brennstoffzellentyp ist die Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEM-FC). In einem aktiven Bereich einer PEM-FC grenzen an eine Polymerelektrolytmembran (PEM) zwei poröse Elektroden mit einer Katalysatorschicht an. Weiter umfasst die PEM-FC im aktiven Bereich Gasdiffusionslagen (GDL), welche die Polymerelektrolytmembran (PEM) und die zwei porösen Elektroden mit einer Katalysatorschicht beidseitig begrenzen. Die PEM, die beiden Elektroden mit der Katalysatorschicht und optional auch die beiden GDL können eine sog. Membran-Elektroden-Einheit (MEA) in dem aktiven Bereich der PEM-FC bilden. Zwei sich gegenüberliegende Bipolarplatten(-hälften) wiederum begrenzen beidseitig die MEA. Ein Brennstoffzellenstapel ist aus abwechselnd übereinander angeordneten MEA und Bipolarplatten aufgebaut. Mit einer Anodenplatte einer Bipolarplatte findet eine Verteilung des Brennstoffes, insbesondere Wasserstoff, und mit einer Kathodenplatte der Bipolarplatte eine Verteilung des Oxidationsmittels, insbesondere Luft/Sauerstoff, statt. Zur elektrischen Isolierung benachbarter Bipolarplatten, zur Formstabilisierung der MEA und zum Verhindern von einem ungewollten Entweichen des Brennstoffes bzw. des Oxidationsmittels kann die MEA in einer rahmenartigen Öffnung zweier aneinander angeordneten Folien eingefasst werden. Üblicherweise sind die beiden Folien dieser Rahmenstruktur aus dem gleichen Werkstoff, bspw. Polyethylennaphthalat (PEN), gebildet. Die aus dem gleichen Werkstoff gebildeten, beiden Folien können verzichtbar redundante Eigenschaften, bspw. wie eine elektrische Isolierfähigkeit (elektrisch isolierend) und/oder eine Sauerstoffdichtigkeit jeder der beiden Folien, aufweisen.
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In der
DE 101 40 684 A1 ist eine Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle, enthaltend eine Schichtanordnung aus einer Anoden-Elektrode, einer Kathoden-Elektrode und einer dazwischen angeordneten Membran, offenbart, wobei auf eine Ober- und Unterseite der Schichtanordnung ein Polymermaterial aufgebracht wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es das Auspressen eines Klebemittels aus der Rahmenstruktur zu verhindern und bevorzugt eine definierte Höhe der Rahmenstruktur zu gewährleisten.
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Offenbarung der Erfindung
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Dazu umfasst die Membran-Elektroden-Einheit eine Rahmenstruktur. Die Rahmenstruktur weist eine erste Folie und eine zweite Folie unter Zwischenlage eines Klebemittels auf. In dem Klebemittel sind mehrere als Hohlkörper ausgeführte Abstandshalter angeordnet.
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Die Membran-Elektroden-Einheit kann eine Membran, insbesondere eine Polymerelektrolytmembran (PEM) umfassen. Die Membran-Elektroden-Einheit kann weiter zwei poröse Elektroden mit jeweils einer Katalysatorschicht umfassen, wobei diese insbesondere an die PEM angeordnet sind und beidseitig begrenzen. Man kann hier insbesondere von einer MEA-3 sprechen. Zusätzlich kann die Membran-Elektroden-Einheit zwei Gasdiffusionslagen umfassen. Diese können insbesondere die MEA-3 beidseitig begrenzen. Man kann hier insbesondere von einer MEA-5 sprechen.
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Die elektrochemische Zelle kann beispielsweise eine Brennstoffzelle, eine Elektrolysezelle oder eine Batteriezelle sein. Die Brennstoffzelle ist insbesondere eine PEM-FC (Polymer-Elektrolyt-Membran Brennstoffzelle). Ein Zellenstapel umfasst insbesondere eine Vielzahl an übereinander angeordneten elektrochemischen Zellen.
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Die Rahmenstruktur weist insbesondere eine Rahmenform auf. Die Rahmenstruktur ist vorzugsweise umlaufend ausgeführt. Somit können eine Membran und die beiden Elektroden besonders vorteilhaft in der Rahmenstruktur eingefasst sein. Des Weiteren ist die Rahmenstruktur im Querschnitt insbesondere U-förmig oder Y-förmig zur Aufnahme der Membran und der beiden Elektroden zwischen den Schenkeln der U-Form bzw. Y-Form ausgebildet.
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Das Klebemittel dichtet bevorzugt die Membran-Elektroden-Einheit nach außen ab, verklebt die beiden Folien zueinander und fixiert die Membran mit den beiden Elektroden in der Rahmenstruktur.
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Das Klebemittel kann ferner vorzugsweise elektrisch isolierend sein. Somit kann die Rahmenstruktur besonders vorteilhaft elektrisch isolierend sein und ein ungewollter Stromfluss in einem inaktiven Bereich der elektrochemischen Zelle besonders vorteilhaft geringgehalten, insbesondere verhindert, werden.
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Die Abstandshalter bzw. Hohlkörper stellen einen definierten Abstand zwischen den beiden Folien ein und verhindern beim Stapelprozess ein weiteres Zusammendrücken der Rahmenstruktur und damit ein Auspressen des Klebemittels. Eine definierte Höhe der elektrochemischen Zelle wird damit robust eingehalten. Das Klebemittel wird durch die Zugabe der Hohlkörper quasi flexibler, die Extrusion des Klebemittels wird verhindert bzw. verringert.
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Vorteilhafterweise umfassen die Hohlkörper jeweils eine Schale und ein darin eingeschlossenes Volumen. Die Hohlkörper sind also mit einem sehr leichten Gewicht ausgeführt.
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In vorteilhaften Weiterbildungen ist die Schale aus einem thermoplastischen Kunststoff gebildet. Dadurch ist die Schale in der Lage große Dehnungen und damit auch Dickenänderungen zu vollziehen.
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Bevorzugt ist das Volumen mit einem Kohlenwasserstoff-Gas gefüllt. Das Kohlenwasserstoff-Gas weist einen vergleichsweise hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Dadurch erhöht sich die Größe des Hohlkörpers unter Temperaturanstieg stark; die Federwirkung der Hohlkörper im verpressten Zustand eines Zellenstapels ist somit besonders stark.
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Die so ausgeführten Hohlkörper, welche sich unter Temperaturerhöhung stark ausdehnen, werden auch als expandierende Mikrokapseln oder als Expancels bezeichnet.
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Generell sind die Hohlkörper aufgrund des in ihnen eingeschlossenen Gases besonders elastisch ausgeführt und können dadurch etwaige Toleranzen auch besonders gut ausgleichen. Optional ist es auch möglich, dass die Hohlkörper im bereits expandierten Zustand dem Klebemittel beigemischt werden.
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In vorteilhaften Weiterbildungen ist eine Gasdiffusionslage mittels eines weiteren Klebemittels an der Rahmenstruktur befestigt. Das weitere Klebemittel weist ebenfalls mindestens einen Abstandshalter auf. Auch hier sind der/die Abstandshalter bevorzugt nach einer der oben beschriebenen Ausführungen gestaltet.
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Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Einheit nach einer der obigen Ausführungen. Das Verfahren weist dabei folgende Verfahrensschritte auf:
- • Bereitstellen der ersten Folie
- • Applizieren des Klebemittels auf die erste Folie
- • Zugeben der als Hohlkörper ausgeführten Abstandshalter in das Klebemittel
- • Auflegen der - optional mit den Elektroden beschichteten - Membran auf die erste Folie
- • Heiß-Laminieren der ersten Folie mit der zweiten Folie unter abschnittsweiser Zwischenlage der Membran
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Beim Verkleben der beiden Folien werden diese bevorzugt nur am Mittelschenkel der Y-Form verklebt, zwischen den beiden anderen Schenkeln ist die Membran angeordnet. Die Membran kann dabei auch mit beiden Folien verklebt sein.
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Nach Zugabe der Hohlkörper in das Klebemittel werden diese während dem heißen Laminier-Prozess expandiert. Die Hohlkörper wirken später wie eine Art Feder entgegen der Presskraft im Zellenstapel. Optional ist es jedoch auch denkbar, dass die Hohlkörper schon im expandierten Zustand dem Klebemittel zugemischt werden.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
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Es zeigen schematisch:
- 1 eine Membran-Elektroden-Einheit aus dem Stand der Technik, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
- 2 eine erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Einheit, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
- 3 ein Hohlkörper in einer perspektivischen Ansicht mit einem Schnitt, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
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1 zeigt in einem Vertikalschnitt einen Ausschnitt einer Membran-Elektroden-Einheit 1 einer elektrochemischen Zelle 100, insbesondere einer Brennstoffzelle, aus dem Stand der Technik, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
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Die Membran-Elektroden-Einheit 1 weist eine Membran 2, beispielhaft eine Polymerelektrolytmembran (PEM), und zwei poröse Elektroden 3 bzw. 4 mit jeweils einer Katalysatorschicht auf, wobei die Elektroden 3 bzw. 4 jeweils an eine Seite der Membran 2 angeordnet sind. Weiter weist die elektrochemische Zelle 100 insbesondere zwei Gasdiffusionslagen 5 bzw. 6 auf, welche je nach Ausführung auch zur Membran-Elektroden-Einheit 1 gehören können.
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Die Membran-Elektroden-Einheit 1 ist an ihrem Umfang von einer Rahmenstruktur 10 umgeben, hier spricht man auch von einem Subgasket. Die Rahmenstruktur 10 dient der Steifigkeit und der Dichtheit der Membran-Elektroden-Einheit 1 und ist ein nicht-aktiver Bereich der elektrochemischen Zelle 100.
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Die Rahmenstruktur 10 ist im Schnitt insbesondere U-förmig bzw. Y-förmig ausgebildet, wobei ein erster Schenkel des U-förmigen Rahmenabschnitts durch eine erste Folie 11 aus einem ersten Werkstoff W1 gebildet ist und ein zweiter Schenkel des U-förmigen Rahmenabschnitts durch eine zweite Folie 12 aus einem zweiten Werkstoff W2 gebildet ist. Zusätzlich sind die erste Folie 11 und die zweite Folie 12 mittels eines Klebemittels 13 aus einem dritten Werkstoff W3 zusammengeklebt. Häufig sind der erste Werkstoff W1 und der zweite Werkstoff W2 identisch.
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Die beiden Gasdiffusionslagen 5 bzw. 6 sind mittels eines weiteren Klebemittels 14 wiederum jeweils an einer Seite der Rahmenstruktur 10 angeordnet, üblicherweise so, dass sie über der aktiven Fläche der elektrochemischen Zelle 100 mit je einer Elektrode 3, 4 in Kontakt sind.
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Beim Verspannen mehrerer elektrochemischer Zellen 100 zu einem Zellenstapel besteht die Gefahr, dass das Klebemittel 13 aus der Rahmenstruktur 10 gepresst wird. Dies kann zur Undichtheit der Membran-Elektroden-Einheit 1 und in der Folge sogar zum Totalausfall des gesamten Zellenstapels führen.
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Erfindungsgemäß werden nun Abstandshalter zwischen die erste Folie 11 und die zweite Folie 12 eingesetzt, so dass ein definierter Abstand zwischen diesen beiden Folien 11, 12 erhalten bleibt und ein Auspressen des Klebemittels 13 verhindert wird. Die Abstandshalter sind dabei als Hohlkörper 20 ausgebildet.
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Dazu zeigt 2 eine Mehrzahl von in dieser Ausführung kugelförmigen, hohlen Abstandshaltern 20, die in dem Klebemittel 13 angeordnet sind.
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Die Abstandshalter bzw. Hohlkörper 20 übertragen die Verspannkraft des Zellenstapels im verpressten Zustand von der ersten Folie 11 zu der zweiten Folie 12 und wahren einen definierten Abstand der beiden Folien 11, 12 zueinander; ein Herausdrücken des Klebemittels 13 aus der Rahmenstruktur 10 wird somit vermieden. Die Form der als Hohlkörper 20 können beispielsweise Stäbchen, Würfel oder Fasern sein, sind jedoch bevorzugt Kugeln. Die Hohlkörper 20 können dem Klebemittel 13 vor oder nach dem Applizieren auf einer der beiden Folien 11, 12 zugegeben werden.
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Auch das weitere Klebemittel 14 - zwischen der Rahmenstruktur 10 und den beiden Gasdiffusionslagen 5, 6 kann analog mit den Hohlkörper 20 versehen werden.
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3 zeigt einen als expandierende Mikrokapsel ausgeführten Hohlkörper 20 in einem Schnitt. Der Hohlkörper 20 umfasst eine Schale 22 und ein darin eingeschlossenes Volumen 21. Das Material der Schale 22 ist bevorzugt ein thermoplastischer Kunststoff.
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Das Volumen 21 ist mit einem Gas, beispielsweise mit einem Kohlenwasserstoff, gefüllt. Die Schale 22 weist eine Schalendicke d auf, bei Raumtemperatur kann die Schalendicke beispielsweise d0=2µm betragen. Das Ausmaß, beispielsweise ein Durchmesser, des Hohlkörpers 20 kann beispielsweise bei Raumtemperatur 12µm betragen, weist also eine Größe von etwa der Schichtdicke des Klebemittels 13 auf, bevorzugt 5µm bis 20µm.
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Bei Erhöhung der Temperatur erfährt der Hohlkörper 20 bzw. die Mikrokapsel eine vergleichsweise große Ausdehnung, im vorliegenden Beispiel steigt ihr Durchmesser von 12µm auf 40µm an. Die Schalendicke d verringert sich gleichzeitig von beispielsweise d0=2µm auf d1=0,1µm.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10140684 A1 [0003]
- DE 102018131092 A1 [0004]
