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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Membran-Elektroden-Einheit für eine elektrochemische Zelle, insbesondere für eine Brennstoffzelle, und ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Membran-Elektroden-Einheit.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler, bei denen bspw. Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser, elektrische Energie und Wärme gewandelt werden. Brennstoffzellen bzw. Brennstoffzellenstapel sind aus mehrteiligen Zellen aufgebaut, welche abwechselnd übereinander angeordnete Membran-Elektroden-Einheiten und Bipolarplatten aufweisen. Hierbei dienen die Bipolarplatten zur Versorgung der Elektroden mit Edukten und zur Kühlung des Brennstoffzellenstapels. Die Bipolarplatten weisen hierzu eine Verteilerstruktur auf, die Edukt enthaltende Fluide entlang den Elektroden führen; üblicherweise besteht eine Bipolarplatte dabei aus zwei Verteilerplatten. Darüber hinaus dienen die Verteilerstrukturen dazu ein Kühlfluid entlang der weiteren Verteilerstrukturen bzw. innerhalb der Bipolarplatte zu führen. Die Verteilerstrukturen sind üblicherweise als Kanäle ausgebildet, wodurch die unterschiedlichen Fluide leitbar sind.
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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. PEM-Elektrolysezellen sind ähnlich aufgebaut.
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Aus der
DE 10 2005 058 370 A1 ist eine Brennstoffzelle bekannt, welche zwei Bipolarplatten aufweist, wobei zwischen den Bipolarplatten eine Membran-Elektroden-Einheit und zwischen der Membran-Elektroden-Einheit und den Bipolarplatten jeweils eine Diffusionslage angeordnet sind. Die Membran-Elektroden-Einheit ist dabei an einem Trägerrahmen bzw. einer Rahmenstruktur angeordnet.
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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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In der Rahmenstruktur der Membran-Elektroden-Einheit kann es zu Lufteinschlüssen kommen, welche die Funktion und die Toleranzen der Membran-Elektroden-Einheit verschlechtern.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, diese Lufteinschlüsse zu vermeiden und dadurch die Robustheit der elektrochemischen Zelle zu erhöhen.
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Offenbarung der Erfindung
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Dazu umfasst die Membran-Elektroden-Einheit eine Membran, zwei Elektrodenschichten und eine Rahmenstruktur. Die Rahmenstruktur umfasst eine Folie und eine weitere Folie, welche mittels eines Klebemittels miteinander verklebt sind. Die Folie weist eine Vielzahl von Ausnehmungen auf.
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Durch die Ausnehmungen kann beim Aufeinanderlegen der Folien eingeschlossene Luft wieder entweichen. Nachteilige Luftblasen in der Rahmenstruktur werden so vermieden. Die Ausnehmungen schwächen die Festigkeit der Folie lediglich in einer vernachlässigbaren Weise, so dass die Festigkeit der Rahmenstruktur dennoch erhalten bleibt. Weiterhin ist durch diesen Aufbau ein flächiges Fügen der beiden Folien zueinander möglich; ein flächiges Abrollen unter Druck - zum Minimieren der Luftblasen - ist nicht mehr erforderlich.
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Die Membran-Elektroden-Einheit umfasst bevorzugt eine flächige Membran, insbesondere eine Polymerelektrolytmembran (PEM). Die Membran-Elektroden-Einheit umfasst bevorzugt zwei poröse Elektrodenschichten mit jeweils einer Katalysatorpaste, wobei die Elektrodenschichten an der Membran angeordnet sind und diese beidseitig begrenzen. Man kann hier insbesondere von einer MEA-3 sprechen. Zusätzlich kann die Membran-Elektroden-Einheit zwei Diffusionslagen umfassen. Diese können insbesondere die MEA-3 beidseitig begrenzen. Man kann hier insbesondere von einer MEA-5 sprechen.
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Bevorzugt ist die Folie in einem Verklebebereich mittels des Klebemittels direkt mit der weiteren Folie verklebt. Die Ausnehmungen sind nur in dem Verklebebereich angeordnet. Das Auflegen der beiden Folien aufeinander, unter Zwischenlage des Klebemittels, ist besonders anfällig für das Einschließen von Luftblasen. Genau in diesem Verklebebereich sind die Ausnehmungen dann entsprechend besonders wirkungsvoll zum Ausgasen der eingeschlossenen Luft.
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In vorteilhaften Ausführungen überdeckt die Folie in einem Überlappbereich die Elektrodenschicht. Die Ausnehmungen sind dann zumindest zum Teil in dem Überlappbereich angeordnet. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn auch das Klebemittel in dem Überlappbereich vorhanden ist, weil das Klebemittel wiederum das Risiko eingeschlossener Luft in dem Überlappbereich erhöht.
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In bevorzugten Ausführungen weist die weitere Folie keine Ausnehmungen auf. Dadurch ist die Dichtheit der Rahmenstruktur gewährleistet, weil die weitere Folie die Funktion Dichtheit erfüllt, obwohl die Dichtheit der ersten Folie aufgrund der Ausnehmungen beeinträchtigt ist.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Einheit nach einer der obigen Ausführungen. Die Membran-Elektroden-Einheit weist eine Membran, zwei Elektrodenschichten und eine Rahmenstruktur auf. Die Rahmenstruktur umfasst eine Folie und eine weitere Folie. Das Verfahren ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:
- • Einbringen einer Vielzahl von Ausnehmungen in die Folie.
- • Verkleben der Folie und der weiteren Folie mittels eines Klebemittels.
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Bevorzugt erfolgt das Einbringen der Ausnehmungen durch eine Stachelwalze oder durch einen Laser. Mittels der Stachelwalze können die Ausnehmungen schnell und günstig über ein Roll-Verfahren in die Folie eingebracht werden. Mit einem Laser können die Positionierungen der Ausnehmungen beliebig variiert werden.
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In vorteilhaften Ausführungen erfolgt das Aufeinanderlegen der beiden Folien flächig. Darunter wird insbesondere verstanden, dass die beiden Folien nicht mittels Rollverfahren zueinander unter Druck positioniert werden. Bislang war das Rollverfahren notwendig, um eingeschlossene Luftblasen bestmöglich zu vermeiden. Die Positioniergenauigkeit der beiden Folien zueinander wird nun durch das flächige bzw. ganzheitliche Aufeinanderlegen verbessert.
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Die elektrochemische Zelle kann beispielsweise eine Brennstoffzelle, eine Elektrolysezelle oder eine Batteriezelle sein. Die Brennstoffzelle und die Elektrolysezelle sind dabei insbesondere eine PEM-FC (Polymer-Elektrolyt-Membran Brennstoffzelle) bzw. PEM-EC. Ein Zellenstapel umfasst insbesondere eine Vielzahl an übereinander angeordneten elektrochemischen Zellen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 Schnitt durch eine schematische elektrochemische Zelle, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,
- 2 Vertikalschnitt einer Membran-Elektroden-Anordnung, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,
- 3 schematisch die Rahmenstruktur einer Membran-Elektroden-Anordnung mit einer eingeschlossenen Luftblase, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,
- 4 Vertikalschnitt einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Anordnung, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,
- 5 schematisch die Rahmenstruktur einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Anordnung ohne eingeschlossene Luftblase, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,
- 6 Draufsicht auf zwei flächige Membran-Elektroden-Einheiten, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
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1 zeigt schematisch eine aus dem Stand der Technik bekannte elektrochemische Zelle 100 in Form einer Brennstoffzelle, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Die Brennstoffzelle 100 weist eine Membran 2 auf, insbesondere eine Polymerelektrolyt-Membran. Zu einer Seite der Membran 2 ist ein Kathodenraum 100a, zu der anderen Seite ein Anodenraum 100b ausgebildet.
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Im Kathodenraum 100a sind von der Membran 2 nach außen weisend - also in Normalenrichtung bzw. Stapelrichtung z - eine Elektrodenschicht 3, eine Diffusionslage 5 und eine Verteilerplatte 7 angeordnet. Analog sind im Anodenraum 100b von der Membran 2 nach außen weisend eine Elektrodenschicht 4, eine Diffusionslage 6 und eine Verteilerplatte 8 angeordnet. Die Membran 2 und die beiden Elektrodenschichten 3, 4 bilden eine Membran-Elektroden-Anordnung 1. Weiterhin sind auch noch die beiden Diffusionslagen 5, 6 Bestandteil der Membran-Elektroden-Anordnung 1.
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Die Verteilerplatten 7, 8 weisen Kanäle 11 für die Gaszufuhr - beispielsweise Luft im Kathodenraum 100a und Wasserstoff im Anodenraum 100b -zu den Diffusionslagen 5, 6 auf. Die Diffusionslagen 5, 6 bestehen typischerweise kanalseitig - also zu den Verteilerplatten 7, 8 hin - aus einem Kohlefaserflies und elektrodenseitig - also zu den Elektrodenschichten 3, 4 hin - aus einer mikroporösen Partikelschicht.
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Die Verteilerplatten 7, 8 weisen die Kanäle 11 und somit implizit auch an die Kanäle 11 angrenzende Stege 12 auf. Die Unterseiten dieser Stege 12 bilden demzufolge eine Kontaktfläche 13 der jeweiligen Verteilerplatte 7, 8 zu der darunterliegenden Diffusionslage 5, 6.
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Üblicherweise unterscheiden sich kathodenseitige Verteilerplatte 7 und anodenseitige Verteilerplatte 8 voneinander; vorteilhafterweise sind die kathodenseitige Verteilerplatte 7 einer elektrochemischen Zelle 100 und die anodenseitige Verteilerplatte 8 der dazu benachbarten elektrochemischen Zelle fest verbunden, beispielsweise durch Schweißverbindungen, und damit zu einer Bipolarplatte zusammengefasst.
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2 zeigt in einem Vertikalschnitt die Membran-Elektroden-Anordnung 1 einer elektrochemischen Zelle 100, insbesondere einer Brennstoffzelle, in einem Randbereich, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Die Membran-Elektroden-Anordnung 1 weist die flächige Membran 2, beispielhaft eine Polymerelektrolytmembran (PEM), und die zwei porösen Elektrodenschichten 3 bzw. 4 mit jeweils einer Katalysatorschicht bzw. einer Katalysatorpaste 31, 41 auf, wobei die Elektrodenschichten 3 bzw. 4 mit ihren Katalysatorpasten 31, 41 jeweils an einer Seite bzw. Fläche der Membran 2 angeordnet sind. Weiter weist die elektrochemische Zelle 100 die beiden Diffusionslagen 5 bzw. 6 auf, welche je nach Ausführung auch zur Membran-Elektroden-Anordnung 1 gehören können.
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Die Membran-Elektroden-Anordnung 1 ist an ihrem Umfang von der Rahmenstruktur 16 umgeben, hier spricht man auch von einem Subgasket. Die Rahmenstruktur 16 dient der Steifigkeit und der Dichtheit der Membran-Elektroden-Anordnung 1 und ist ein nicht-aktiver Bereich der elektrochemischen Zelle 100.
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Die Rahmenstruktur 16 ist im Schnitt insbesondere U-förmig bzw. Y-förmig ausgebildet, wobei ein erster Schenkel des U-förmigen Rahmenabschnitts durch eine Folie 161 aus einem ersten Werkstoff W1 gebildet ist und ein zweiter Schenkel des U-förmigen Rahmenabschnitts durch eine weitere Folie 162 aus einem zweiten Werkstoff W2 gebildet ist. Zusätzlich sind die Folie 161 und die weitere Folie 162 mittels eines Klebemittels 163 aus einem dritten Werkstoff W3 zusammengeklebt. Häufig sind der erste Werkstoff W1 und der zweite Werkstoff W2 identisch und aus thermoplastischem Polymer, beispielsweise aus PEN (Polyethylennaphthalat) ausgeführt.
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Die beiden Diffusionslagen 5 bzw. 6 überlappen in einem Randbereich 22 die Rahmenstruktur 16. In einem Überlappbereich 22 sind die Elektrodenschichten 3, 4 von der Rahmenstruktur 16 bedeckt, es handelt sich hier um einen nicht-aktiven Bereich der elektrochemischen Zelle 100. Alternativ kann die Rahmenstruktur 16 auch die beiden Diffusionslagen 5, 6 mit umgreifen.
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In einem aktiven Bereich 21 sind die Diffusionslagen 5, 6 mit je einer Elektrodenschicht 3, 4 in Kontakt, so dass hier die für die elektrochemische Zelle 100 charakteristische elektrochemische Reaktion ablaufen kann. Die Elektrodenschichten 3, 4 weisen je eine Katalysatorpaste 31, 41 auf, in welcher Katalysatoren, üblicherweise Katalysatorpartikel, eingebettet sind. Die Katalysatorpaste 31, 41 ist üblicherweise ein sehr teurer Bestandteil der elektrochemischen Zelle 100.
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Im nicht-aktiven Überlappbereich 22 gelangen keine Reaktionsfluide an die in die Elektrodenschichten 3, 4 bzw. Katalysatorpasten 31, 41 eingebetteten Katalysatoren; somit finden im Überlappbereich 22 keine chemischen Reaktionen statt, die Stromdichte der elektrochemischen Zelle 100 fällt hier also relativ zur aktiven Fläche 21 sehr stark ab bzw. ist sogar Null, selbst wenn hier die teure Katalysatorpaste 31, 41 vorhanden ist.
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In dem nicht-aktiven Überlappbereich 22 sind von innen nach außen folgende Komponenten der Membran-Elektroden-Anordnung 1 angeordnet:
- - Membran 2,
- - Elektrodenschichten 3, 4 mit Katalysatorpasten 31, 41,
- - Klebemittel 163,
- - Folie 161 bzw. weitere Folie 162,
- - Diffusionslagen 5, 6.
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Weiterhin gibt es einen Verklebebereich 23, in welchem die beiden Folien 161, 162 mittels des Klebemittels 163 direkt miteinander verbunden sind. Hierbei kommen bevorzugt mit Klebemittel 163 vorbeschichtete Folien 161, 162 zum Einsatz. Dieser Verbund ist „klebrig“, d.h. die Folien 161, 162 sind nach erstem Kontakt miteinander zueinander fixiert, ein Nachpositionieren bzw. Verschieben ist nicht mehr möglich.
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Beim Verbinden der beiden Folien 161, 162 werden, insbesondere im Bereich des Klebemittels 163, Luftblasen eingeschlossen. Dazu zeigt 3 in dem Verklebebereich 23 schematisch den Einschluss einer Luftblase 170 zwischen den beiden mit Klebemittel 163 beschichteten Folien 161, 162. Selbst eine Laminierung unter Druck kann nicht sicherstellen, dass die eingeschlossenen Luftblasen 170 aus der Rahmenstruktur 16 ausgedrückt werden.
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Erfindungsgemäß weist jetzt zumindest eine der beiden Folien 161, 162 eine Vielzahl von Ausnehmungen 164 auf, welche dazu dienen, dass die beim Verkleben eingeschlossenen Luftblasen 170 durch die Ausnehmungen 164 aus der Rahmenstruktur 16 entweichen können. Dies kann dabei bereits beim Fügen der Rahmenstruktur 16 passieren, funktioniert aber auch noch nachträglich beim Laminieren bzw. Siegeln der beiden Folien 161, 162.
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Dazu zeigt 4 einen Vertikalschnitt einer Membran-Elektroden-Einheit 1, welche ähnlich zu der Ausführung nach 2 ist. Die Ausnehmungen 164 sind in der Folie 161 ausgebildet und sowohl im Überlappbereich 22 als auch im Verklebebereich 23 angeordnet. Alternativ können die Ausnehmungen 164 jedoch auch nur in einem dieser beiden Bereiche angeordnet sein.
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5 zeigt das Verkleben der beiden Folien 161, 162 in dem Verklebebereich 23, analog zu 3. Jetzt weist die Folie 161 jedoch eine Vielzahl an Perforationen bzw. Ausnehmungen 164 auf, die während des Laminierens das Entweichen der Luftblasen 170 aus dem Raum zwischen den beiden Folien 161, 162 ermöglichen. Die Dichtheit der Rahmenstruktur 16 wird durch die bevorzugt nicht perforierte weitere Folie 162 sichergestellt. Lufteinschlüsse werden durch die Ausnehmungen 164 verhindert bzw. zwischen den Folien 161, 162 befindliche Luftblasen 170 können durch die Perforierung entweichen.
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Durch die Vielzahl an Ausnehmungen 164 wird die Anforderung der Blasenfreiheit der Rahmenstruktur 16, insbesondere in der Verklebung der beiden Folien 161, 162 erfüllt und ermöglicht sogar den Einsatz einfacherer Prozesstechnik. Ein Abrollen nach dem Laminieren ist nicht mehr nötig, ein flächiges Ablegen ist zulässig, auch dadurch entweichen die Luftblasen 170 über die Ausnehmungen 164. Die Aufgaben bzw. Anforderungen an Positioniergenauigkeit und Blasenfreiheit können somit sogar entkoppelt werden. Die Fertigungsanlagen vereinfachen und vergünstigen sich. Die Fertigungsprozesse werden stabiler.
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Das Fügen der beiden Folien 161, 162 muss nun nicht mehr unter Abrollen erfolgen, sondern kann auch flächig erfolgen, die beiden Folien 161, 162 können dabei unter Zwischenlage des Klebemittels 163 aufeinandergelegt werden. Die Ausnehmungen 164 erlauben auch bei flächigem Fügen, dass die eingeschlossene Luft entweicht. Die mechanische Festigkeit der Rahmenstruktur 16 und die Symmetrie des Aufbaus bleiben dennoch erhalten. Ein Abrollen -wie bisher notwendig - ist nicht mehr notwendig, die damit einhergehenden Handlingsfehler sowie Materialschwankungen, die bisher zu Lufteinschlüssen führten, müssen nicht mehr berücksichtigt werden. Der Fokus beim Montieren der Membran-Elektroden-Einheit 1 kann auf die Positioniergenauigkeit gelegt werden. Das Laminieren der Rahmenstruktur 16 kann hiervon entkoppelt werden.
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Die Perforierung bzw. die Vielzahl an Ausnehmungen 164 können vollflächig eingebracht werden, wie in 6a zu sehen. Dort weisen sowohl der Überlappbereich 22 als auch der Verklebebereich 23 die mit einer Vielzahl an Kreisen skizzierten Ausnehmungen auf. Dies hat zum Beispiel Vorteile, da diese Variante einfach als Rollenware angeliefert werden kann.
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Denkbar ist jedoch auch ein teilflächiges Anordnen der Löcher, orientiert an definierten Bereichen der Baugruppe, bevorzugt nur in der Teilfläche des Verklebebereichs 23, wie in 6b dargestellt.
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Die Ausnehmungen 164 können mit verschiedenen Verfahren eingebracht werden, z.B. mechanisch durch eine Stachelwalze bzw. thermisch durch Laser und weitere Verfahren. Die Ausnehmungen 164 können auch an verschiedenen Stellen in der Prozesskette eingebracht werden. Dies kann bereits beim Herstellen der Folien 161, 162 erfolgen, aber auch erst als Teilprozess beim Herstellen der Membran-Elektroden-Einheit 1. Dies kann vor oder nach dem Fügen der beiden Folien 161, 162 erfolgen. Beim Perforieren nach Fügen wird bevorzugt sichergestellt, dass die weitere Folie 162 nicht perforiert wird, um die Dichtheitsanforderung an die Rahmenstruktur 16 gewährleisten zu können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005058370 A1 [0004]
- DE 10140684 A1 [0005]
