DE102022119816A1

DE102022119816A1 - Brennstoffzellenvorrichtung mit Membranbauteil sowie Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE102022119816A1
Application number: DE102022119816.2A
Authority: DE
Inventors: Stefan Resch; David Fischer; Arno Bayer; Klaus Schaedel; Jürgen Kraft; Alejandro Orozco Arenas; Alexander Höflich; Michael Götz
Original assignee: Ekpo Fuel Cell Technologies GmbH
Current assignee: Ekpo Fuel Cell Technologies GmbH
Priority date: 2022-08-05
Filing date: 2022-08-05
Publication date: 2024-02-08
Also published as: WO2024028188A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung, welche zumindest ein einen Lagenverbund aufweisendes Membranbauteil umfasst vorgeschlagen, wobei bei dem Verfahren zumindest eine Lageneinheit, die mehrere Lagen umfasst, insbesondere eine Membranlage und zumindest eine weitere Lage umfasst, für den Lagenverbund aus einem Vorerzeugnis durch Applikation von Energie entlang einer Trennkontur zumindest teilweise abgetrennt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung mit zumindest einem einen Lagenverbund aufweisenden Membranbauteil sowie eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem einen Lagenverbund aufweisenden Membranbauteil und ein einen Lagenverbund aufweisendes Membranbauteil.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung und/oder ein Verfahren zur Herstellung eines Membranbauteils und/oder eine Brennstoffzellenvorrichtung und/oder ein Membranbauteil Membranbauteils zu verbessern.
Bei Ausführungsformen der Erfindung wird die voranstehend genannte Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung, welche zumindest ein einen Lagenverbund aufweisendes Membranbauteil umfasst, gelöst, wobei bei dem Verfahren zumindest eine Lageneinheit, die mehrere Lagen umfasst, insbesondere eine Membranlage und zumindest eine weitere Lage umfasst, für den Lagenverbund aus einem Vorerzeugnis durch Applikation von Energie entlang einer Trennkontur zumindest teilweise abgetrennt wird.
Insbesondere wird bei dem Verfahren die Lageneinheit aus dem Vorerzeugnis zumindest im Wesentlichen, vorzugsweise vollständig vereinzelt.
Insbesondere erfolgt das zumindest im Wesentlichen Vereinzeln zumindest teilweise, vorzugsweise zumindest im Wesentlichen, durch die Applikation von Energie.
Insbesondere ist ein Vorteil hiervon, dass durch die Applikation von Energie die Abtrennung entlang der Trennkontur materialschonend erfolgt und so vorteilhafterweise eine qualitativ hochwertige Trennkante ausgebildet wird.
Vorteilhafterweise wird das Material in den Lagen der Lageneinheit von dem Abtrennprozess insbesondere hinsichtlich seiner Zusammensetzung und/oder Position zumindest im Wesentlichen nicht beeinträchtigt.
Insbesondere umfasst das Vorerzeugnis bereits die aufeinander angeordneten und miteinander verbundenen Lagen für die Lageneinheit. Insbesondere umfasst die Herstellung des Vorerzeugnisses zumindest den Schritt diese Lagen übereinander anzuordnen und miteinander zu verbinden.
Bei der Abtrennung der Lageneinheit von dem Rest des Vorerzeugnisses kann so die Lageneinheit flexibel in unterschiedliche Größen und Formen geschnitten und vereinzelt werden, wobei das Vorerzeugnis als Masseware, beispielsweise als Rollenware, günstig und effizient hergestellt werden kann.
Insbesondere erfolgt so zuerst eine Stapelung und Verbindung zumindest einiger Lagen des Lagenverbundes und dann eine Konfektionierung der verbundenen Lagen zu der Lageneinheit.
Günstigerweise wird durch die Applikation von Energie die Lageneinheit in Form geschnitten, insbesondere in der für das Membranbauteil benötigten Form zurechtgeschnitten.
Insbesondere wird durch die Applikation von Energie entlang der Trennkontur eine vorteilhafterweise wohldefinierte Trennkante der Lageneinheit ausgebildet.
Insbesondere ist die Trennkante ein die Lageneinheit in einer Flächenausdehnungsebene derselben umgebender Rand.
Insbesondere ist vorteilhaft bei dem Verfahren, dass bei der Abtrennung durch Applikation von Energie ein Quetschen der Lagen im Bereich der Trennkontur vermieden wird, wie es beispielsweise bei einem Stanzverfahren wie beispielsweise Schneiden und/oder Scheren auftritt. Vorteilhafterweise wird so das Material der einzelnen Lagen zumindest im Wesentlichen nicht in der Position und/oder Ausrichtung verändert.
Günstigerweise werden bei dem Verfahren die Lagen, insbesondere die Membranlage, nicht durch Schneidestaub und/oder Bruchstücke, insbesondere Faserbruchstücke, der anderen Lagen beschädigt.
Vorteilhafterweise werden die einzelnen Lagen der Lageneinheit durch die schonende Abtragung durch die Applikation von Energie auch selbst nicht beschädigt, beispielsweise durch auftretende Kräfte und/oder Relativbewegungen, wie sie bei anderen Trennverfahren wie beispielsweise Stanzverfahren auftreten, sodass die Gefahr von Rissen und/oder Ablösungen oder anderen Beeinträchtigungen an den Lagen zumindest vermindert wird.
Besonders vorteilhaft wirkt sich die schonende Behandlung auf die Membranlage aus, da so bei dieser die Gefahr von Beschädigungen derselben durch eine lokal erhöhte Verpressung und/oder durch Materialverschiebungen aus anderen Lagen in die Membranlage, vermieden werden. Günstigerweise wird so die Gefahr einer Schadstelle, an welcher ein Kurzschluss bei der Membranlage auftreten kann, und/oder die Gefahr von Durchbruchstellen in der Membranlage zumindest verringert oder gar ganz vermieden. Insbesondere könnten Medien, insbesondere ein Oxidationsmedium und/oder ein Brennstoffmedium, welche nicht durch die Membranlage hindurchgelangen sollen, an Durchbruchstellen unerwünschter Weise auf die andere Seite der Membranlage gelangen.
Beispielsweise kann auch die Gefahr von über die Trennkannte hervorstehenden Fasern aus einer ein faserhaltiges Material umfassenden Lage bei diesem Trennverfahren vermieden werden. Die Gefahr von überstehenden Fasern tritt beispielsweise bei Lagen auf, in welchen Fasern in verschlungener Weise und/oder in Schleifen angeordnet sind. Bei dem Abtrennen können sich Faserverbindungen lösen und so Faserteile insbesondere durch deren Eigenspannung über die Trennkante hinausklappen. Beispielsweise können solche herausklappenden Faserteile bei der Applikation von Energie mit beseitigt werden.
Bei der Brennstoffzellenvorrichtung wirken sich diese Vorteile besonders wirkungsvoll aus, da deren Funktionsweise durch bereits ein Membranbauteil mit beschädigtem Lagenverbund, insbesondere mit einer beschädigten Membranlage, zumindest stark beeinträchtigt ist, insbesondere wenn ein Kurzschluss auftritt und/oder wenn beispielsweise ein Oxidationsmedium und/oder ein Brennstoffmedium unerlaubterweise durch die Membranlage hindurchtritt.
Hinsichtlich des Trennverfahrens mit der Applikation von Energie wurden bislang keine näheren Angaben gemacht.
Vorteilhafterweise erfolgt das Abtrennen, insbesondere zumindest das Abtrennen als solches, durch Applikation von Energie zumindest im Wesentlichen nicht durch ein Aufbringen von mechanischem Druck an der Trennkontur und/oder ohne ein Aufbringen von mechanischem Druck an der Trennkontur.
Insbesondere wird bei dem Abtrennen durch Applikation von Energie kein Werkzeug verwendet, welches im Bereich der Trennkontur einen mechanischen Druck auf das Vorerzeugnis zum Abtrennen der Lageneinheit ausübt.
Günstigerweise wird hierdurch eine mögliche Beschädigung der Lagen des Vorerzeugnisses und der Lageneinheit, beispielsweise eine Materialverschiebung aus einer Lage in eine andere Lage, zumindest im Wesentlichen vermieden.
Insbesondere erfolgt das Abtrennen als solches ohne ein Aufbringen von mechanischem Druck, wobei beispielsweise eine Haltevorrichtung dennoch eine Haltekraft beispielsweise auch durch Aufbringen von mechanischem Druck auf das Vorerzeugnis und/oder die Lageneinheit vorzugsweise entfernt von der Trennkontur ausübt, jedoch zum Halten derselben. Insbesondere wird dabei die Haltekraft lediglich auf Außenseiten des Vorerzeugnisses und/oder der Lageneinheit und/oder großflächig ausgeübt. Insbesondere dringt dabei kein Werkzeug in die verschiedenen Lagen ein.
Günstigerweise wird bei dem Abtrennen durch Applikation von Energie das Material der Lagen an der Trennkontur abgetragen.
Vorteilhafterweise erfolgt so ein schonenderes Abtrennen als beispielsweise bei einer Verdrängung von Material wie es beispielsweise bei Stanzverfahren geschieht.
Günstigerweise wird die zumindest eine Applikationsstelle während des Trennprozesses entlang der Trennkontur bewegt, sodass die Lageneinheit entlang der Trennkontur von dem Rest des Vorerzeugnisses abgetrennt wird.
Bei einigen vorteilhaften Ausführungsformen wird durch eine einmalige Applikation von Energie an einer jeweiligen Applikationsstelle bereits sämtliches Material der Lagen an der Applikationsstelle abgetragen, sodass günstigerweise ein schnelles und effizientes Abtrennen erfolgt.
Bei einigen vorteilhaften Ausführungsformen wird durch die Applikation von Energie schrittweise Material des Vorerzeugnisses abgetragen, insbesondere durch wiederholte Applikation von Energie an einer jeweiligen Applikationsstelle.
Beispielsweise kann so eine materialschonendere Abtragung erfolgen, da beispielsweise eine geringere Energiemenge je Applikation verwendet werden kann.
Insbesondere kann durch das schrittweise Abtragen von Material auch bei einem dickeren Vorerzeugnis die Lageneinheit durch dieses Verfahren abgetrennt werden.
Bei besonders vorteilhaften Ausführungsformen ist vorgesehen, dass nach dem zumindest teilweisen Abtrennen der Lageneinheit an deren Trennkante, die insbesondere durch ein vorangegangenes Applizieren von Energie entstanden ist, Energie appliziert wird.
Günstigerweise wird hierdurch die Trennkante begradigt.
Vorteilhafterweise werden durch die Applikation von Energie an der entstandenen Trennkante über die Trennkante überstehende Materialreste, insbesondere Fasern, abgetrennt.
Hinsichtlich der Einwirkung der Energie auf das Material wurden bislang keine näheren Angaben gemacht.
Insbesondere ist vorgesehen, dass durch die Applikation der Energie an einer entsprechenden Applikationsstelle, insbesondere lediglich lokal, ein Material des Vorerzeugnisses an der Applikationsstelle in eine abtragungsfähige Phase versetzt wird.
Günstigerweise ist die abtragungsfähige Phase eine flüchtige Phase, beispielsweise eine Fluidphase. Beispielsweise ist die abtragungsfähige Phase eine flüssige Phase.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die abtragungsfähige Phase eine gasförmige Phase ist.
Insbesondere ist ein Vorteil hiervon, dass durch das Versetzen in die abtragungsfähige Phase das Material schonend abgetragen werden kann, insbesondere ohne schädigende Einwirkung auf das Material der Lageneinheit und günstigerweise ohne mechanische Einwirkung eines Werkzeugs.
Bei vorteilhaften Ausführungsformen wird durch die Applikation von Energie an einer entsprechenden Applikationsstelle, insbesondere lediglich lokal, Material des Vorerzeugnisses an der Applikationsstelle in eine gasförmige Phase verdampft und/oder sublimiert.
Vorzugsweise erfolgt die Abtrennung durch Sublimationsschneiden.
Insbesondere erfolgt die Abtrennung durch die Applikation von Energie in einem kalten Schnitt.
Vorzugsweise erfolgt die Abtrennung durch Applikation von Energie als ein nicht-thermisches Verfahren.
Insbesondere ist dabei zu verstehen, dass bei der Abtrennung zwar lokal an der Applikationsstelle Energie eingebracht wird, insbesondere zum Versetzen des Materials in die abtragungsfähige Phase, vorzugsweise zum Verdampfen und/oder Sublimierens des Materials, dass jedoch der Energieeintrag so eingestellt ist, dass außerhalb der Applikationsstelle das Material der Lageneinheit zumindest im Wesentlichen nicht beeinträchtigt wird. Insbesondere gelangt zumindest im Wesentlichen keine Wärme aus der Applikationsstelle in deren Umgebung, sodass günstigerweise außerhalb des Bereiches der Applikationsstelle das Material im Wesentlichen unbeeinflusst bleibt.
Hinsichtlich vorteilhafter Bedingungen und/oder Parameter der Applikation von Energie wurden bislang keine näheren Angaben gemacht.
Beispielsweise werden diese Bedingungen und/oder Parameter so gewählt, um den kalten Schnitt und/oder ein nicht-thermisches Verfahren zu ermöglichen.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die Energie lokal fokussiert an zumindest einer Applikationsstelle entlang der Trennkontur eingebracht wird.
Vorteilhafterweise beträgt eine Fokusausdehnung höchstens 500 µm, vorzugsweise höchstens 100 µm, insbesondere höchstens 50 µm.
Insbesondere ist eine Fokusausdehnung mindestens 1 µm groß, vorzugsweise mindestens 5 µm groß, beispielsweise mindestens 15 µm groß, insbesondere mindestens 25 µm groß.
Insbesondere bezieht sich die Fokusausdehnung auf eine Ausdehnung eines Fokus der eingebrachten Energie an der Applikationsstelle auf dem Vorerzeugnis und/oder in einer Fokussierebene. Die Fokussierebene verläuft insbesondere in dem Vorerzeugnis oder bei anderen Ausführungsformen etwas oberhalb oder unterhalb des Vorerzeugnisses und verläuft insbesondere zumindest näherungsweise parallel zu den Lagen des Vorerzeugnisses.
Insbesondere bezieht sich die Fokusausdehnung auf eine Ausdehnung der Applikationsstelle, an welcher die Energie appliziert wird.
Bei einigen vorteilhaften Ausführungsformen wird die Energie gepulst appliziert.
Beispielsweise ist ein Vorteil der Applikation in Energiepulsen, dass hierdurch die Energie hochpräzise eingebracht werden kann, vorzugsweise um einen kalten Schnitt und/oder ein nicht-thermisches Abtrennungsverfahren zu ermöglichen.
Beispielsweise liegt eine Pulsdauer der Energiepulse im Mikrosekundenbereich und/oder im Nanosekundenbereich und/oder Pikosekundenbereich und/oder Femtosekundenbereich und/oder Attosekundenbereich.
Beispielsweise beträgt eine Pulsdauer höchstens 100 ps, vorzugsweise höchstens 10 ps. Vorteilhafterweise beträgt eine Pulsdauer höchstens 5 ps, insbesondere höchstens 1 ps.
Bei einigen bevorzugten Ausführungsformen beträgt eine Pulsdauer höchstens 100 fs, vorzugsweise höchstens 10 fs. Vorteilhafterweise beträgt bei einigen Ausführungsformen eine Pulsdauer höchstens 5 fs, insbesondere höchstens 1 fs.
Beispielsweise beträgt eine Pulsdauer mindestens 100 as, vorzugsweise mindestens 300 as. Vorteilhafterweise beträgt eine Pulsdauer mindestens 600 as. Insbesondere beträgt eine Pulsdauer mindestens 800 as.
Bei einigen vorteilhaften Ausführungsformen beträgt eine Pulsdauer mindestens 100 fs, vorzugsweise mindestens 300 fs. Vorteilhafterweise beträgt eine Pulsdauer mindestens 600 fs, insbesondere mindestens 800 fs.
Beispielsweise ist eine Pulsenergie mindestens 5 µJ, insbesondere mindestens 20 µJ, insbesondere mindestens 50 µJ groß. Vorzugsweise ist die Pulsenergie mindestens 70 µJ groß.
Bei einigen günstigen Ausführungsformen ist die Pulsenergie größer als 250 µJ.
Beispielsweise ist eine Pulsenergie höchstens 5 mJ, insbesondere höchstens 2 mJ groß. Vorzugsweise ist eine Pulsenergie höchstens 1 mJ, insbesondere höchstens 500 µJ groß.
Bei einigen günstigen Ausführungsformen ist die Pulsenergie kleiner als 250 µJ.
Insbesondere ist unter der Pulsenergie die Gesamtenergie eines Pulses oder die Peakenergie zu verstehen.
Günstigerweise ist eine Pulsfrequenz mindestens 10 kHz, insbesondere mindestens 50 kHz groß.
Günstigerweise ist eine Pulsfrequenz höchstens 5 MHz, beispielsweise höchstens 2 MHz, insbesondere höchstens 1 MHz groß. Vorzugsweise ist eine Pulsfrequenz höchstens 500 kHz, insbesondere höchstens 250 kHz groß.
Vorzugsweise weist eine Pulsform zu Pulsbeginn und/oder zu Pulsende eine steile Flanke auf.
Beispielsweise erreicht ein Puls nach zumindest näherungsweise 10% der Pulsdauer zumindest 90% der Peakenergie des Pulses. Beispielsweise fällt die Pulsenergie innerhalb zumindest näherungsweise der letzten 10% der Pulsdauer von mindestens 90% der Peakenergie des Pulses auf einen Minimalwert, der insbesondere näherungsweise null ist, ab.
Insbesondere beträgt eine Pulsenergie in einem mittleren Bereich, welcher insbesondere zwischen der steilen Flanke zu Pulsbeginn und der steilen Flanke am Pulsende liegt und/oder welcher zumindest 50%, vorzugsweise zumindest 60%, vorzugsweise zumindest 70%, insbesondere zumindest 80% der Pulsdauer beträgt, mindestens 90% der Peakenergie des Pulses.
Beispielsweise ist die Pulsform zumindest näherungsweise rechteckig.
Insbesondere werden die Parameter der Pulse, beispielsweise die Pulsdauer und/oder die Pulsenergie und/oder die Pulsfrequenz und/oder die Pulsform, in Abhängigkeit von der Fokusausdehnung und/oder einer Dicke des Vorerzeugnisses und/oder einer Relativgeschwindigkeit zwischen dem Vorerzeugnis und der Bewegung der Applikationsstelle entlang der Trennkontur ausgewählt und gezielt eingestellt.
Bei einigen vorteilhaften Ausführungsformen wird die Energie an genau einer insbesondere lokalen Applikationsstelle eingebracht und diese genau eine Applikationsstelle entlang der Trennkontur bewegt.
Bei einigen günstigen Ausführungsformen wird diese genau eine Applikationsstelle genau einmal entlang des gesamten Verlaufs der Trennkontur bewegt. Bei einigen vorteilhaften Ausführungsformen wird diese genau eine Applikationsstelle mehrmals entlang des gesamten Verlaufs der Trennkontur bewegt.
Bei einigen vorteilhaften Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Energie gleichzeitig an mehreren insbesondere lokalen Applikationsstellen eingebracht wird und günstigerweise diese mehreren Applikationsstellen zumindest abschnittsweise entlang der Trennkontur bewegt werden.
Beispielsweise werden zumindest einige der mehreren Applikationsstellen lediglich entlang eines jeweiligen Abschnittes des gesamten Verlaufs der Trennkontur bewegt, sodass entlang unterschiedlicher Abschnitte der Trennkontur das Abtrennen an unterschiedlichen Applikationsstellen erfolgt.
Bei einigen vorteilhaften Ausführungsformen werden zumindest einige der mehreren Applikationsstellen insbesondere versetzt zueinander entlang des gesamten Verlaufs der Trennkontur bewegt.
Bei einigen günstigen Ausführungsformen wird zumindest eine Applikationsstelle lediglich einmal entlang ihres Abschnittes bewegt. Bei einigen vorteilhaften Ausführungsformen wird zumindest eine Applikationsstelle mehrmals entlang ihres Abschnittes bewegt. Dabei ist der Abschnitt der Applikationsstelle ein Teilabschnitt oder der gesamte Verlauf der Trennkontur.
Bei einigen vorteilhaften Ausführungsformen werden mehrere Energiequellen verwendet, die jeweils für zumindest eine der mehreren Applikationsstellen die Energie bereitstellen.
Bei einigen bevorzugten Ausführungsformen wird zumindest ein Energieteiler verwendet, welcher die von einer Energiequelle bereitgestellte Energie auf zumindest zwei Applikationsstellen aufteilt.
Bei bevorzugten Ausführungsformen wird die Energie als Strahlungsenergie appliziert.
Insbesondere wird die Energie durch elektromagnetische Strahlen appliziert.
Hierbei können Strahlungsfelder mit unterschiedlichsten Wellenlängen verwendet werden.
Bei einigen bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Strahlung der Strahlungsenergie eine Wellenlänge im nahinfraroten und/oder sichtbaren und/oder ultravioletten Bereich aufweist.
Bei einigen vorteilhaften Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Strahlung der Strahlungsenergie eine Wellenlänge im infraroten Bereich aufweist.
Beispielsweise ist eine Wellenlänge der Strahlung der Strahlungsenergie kleiner als 50.000 nm, günstigerweise kleiner als 10.000 nm, insbesondere kleiner als 5.000 nm.
Bei einigen bevorzugten Ausführungsformen ist die Wellenlänge der Strahlung kleiner als 2.000 nm, vorzugsweise kleiner als 1.800 nm, günstigerweise kleiner als 1.500 nm, beispielsweise kleiner als 1.200 nm.
Beispielsweise ist die Wellenlänge der Strahlung der Strahlungsenergie größer als 200 nm, insbesondere größer als 300 nm.
Bei einigen bevorzugten Ausführungsformen ist die Wellenlänge der Strahlung der Strahlungsenergie größer als 600 nm, insbesondere größer als 800 nm.
Bei besonders vorteilhaften Ausführungsformen wird die Energie durch Laserstrahlung appliziert.
Vorzugsweise ist die Laserstrahlung eine gepulste Laserstrahlung mit zumindest einem Parameter, wie voranstehend im Zusammenhang mit den Pulsen beschrieben und/oder weist die Laserstrahlung eine Wellenlänge wie voranstehend beschrieben auf.
Vorteilhafterweise ist somit das Abtrennverfahren ein Laserabtragungsprozess.
Vorzugsweise erfolgt die Abtrennung durch Laserschneiden.
Günstigerweise erfolgt das Abtrennen durch ein Ultrakurzpuls-Laserschneiden.
Insbesondere kann durch die Laserstrahlung die Energie hochpräzise und gezielt, vorzugsweise für ein nicht-thermisches Verfahren und/oder einen kalten Schnitt eingebracht werden.
Bei vorteilhaften Ausführungsformen ist die Strahlung der Strahlungsenergie zirkular polarisiert.
Vorteilhafterweise werden so richtungsunabhängig gleich gute Trennergebnisse erzielt.
Insbesondere wird genau ein Strahlungsfeld oder werden mehrere Strahlungsfelder genau einmal oder mehrmals entlang eines jeweiligen Abschnittes der Trennkontur entlanggeführt, wie voranstehend bereits erläutert.
Hinsichtlich weiterer Ausgestaltungen des Verfahrens wurden bislang keine näheren Angaben gemacht.
Bei einigen günstigen Ausführungsformen wird zumindest eine Lage der Lageneinheit zurückgesetzt zu einer anderen Lage abgetrennt.
Bei einigen vorteilhaften Ausführungsformen ist die Lage, die zurückgesetzt abgetrennt wird, auf einer anderen Seite der Membranlage angeordnet, als die Lage relativ zu welcher die zurückgesetzte Lage zurückgesetzt ist.
Insbesondere ist die zurückgesetzte Lage in einer Flächenausdehnungsrichtung der Lagen des Vorerzeugnisses und/oder der Lageneinheit zurückgesetzt.
Günstigerweise ist die zurückgesetzte Lage im Mikrometerbereich zurückgesetzt. Beispielsweise ist die zurückgesetzte Lage zumindest näherungsweise zumindest 1 µm weit zurückgesetzt und/oder zumindest näherungsweise höchstens 25 µm zurückgesetzt.
Bei einigen vorteilhaften Ausführungsformen wird durch Ausnutzung einer Strahlkaustik der Energiestrahlung eine Ausgestaltung der Trennkante ausgebildet.
Vorteilhafterweise kann so durch die gezielte Ausnutzung der Strahlkaustik, beispielsweise einer variierenden Ausdehnung des Strahlungsfeldes und/oder von dessen Fokussierung, die Trennkante günstig ausgestaltet werden.
Beispielsweise kann insbesondere durch die Ausnutzung eines Taperwinkels eine Lage zurückgesetzt zu einer anderen Lage günstig abgetrennt werden.
Bei besonders vorteilhaften Ausführungsformen wird eine Gasströmung angewendet, um ein Abtragen und/oder Wegfördern von Material von zumindest einer Applikationsstelle zumindest zu unterstützen.
Günstigerweise wird mittels der Gasströmung das in der abtragungsfähigen, insbesondere flüchtigen, vorzugsweise gasförmigen, Phase vorliegende Material zumindest teilweise abgetragen und/oder vorteilhafterweise abtransportiert.
Insbesondere strömt die Gasströmung an zumindest einer Applikationsstelle vorbei und nimmt zumindest ein Teil des Materials, insbesondere des in der abtragungsfähigen, insbesondere flüchtigen, vorzugsweise gasförmigen, Phase vorliegende Materials, mit.
Bei einigen vorteilhaften Ausführungsformen ist vorgesehen, dass mittels zumindest eines Teils der Gasströmung zumindest ein Teil des Materials, insbesondere des in der abtragungsfähigen, insbesondere flüchtigen, vorzugsweise gasförmigen, Phase vorliegende Materials, von zumindest einer Applikationsstelle weggeblasen wird.
Bei einigen vorteilhaften Ausführungsformen wird mittels zumindest eines Teils der Gasströmung zumindest ein Teil des Materials von zumindest einer Applikationsstelle abgesaugt.
Insbesondere ist ein Vorteil hiervon, dass durch die Gasströmung das Material schonend abtransportiert werden kann.
Insbesondere ist vorgesehen, dass zumindest ein Bereich des Vorerzeugnisses von zumindest einer Gasströmung erfasst wird und dieser erfasste Bereich zumindest eine Applikationsstelle umfasst. Insbesondere wird zumindest ein erfasster Bereich von zumindest einem Teil der Gasströmung angeströmt. Insbesondere strömt zumindest ein Teil der Gasströmung von zumindest einem erfassten Bereich hinweg.
Bei vorteilhaften Ausführungsformen erfolgt die Applikation der Energie, insbesondere ein Führen eines die Energie bereitstellenden Strahlungsfeldes, unabhängig von einer Führung und/oder einer Orientierung einer Gasströmung.
Vorzugsweise erfolgt die Applikation von Energie in einer zumindest ein Inertgas umfassenden Gasumgebung.
Insbesondere umfasst bei der Applikation von Energie ein zumindest eine Applikationsstelle umgebendes Fluid, insbesondere ein Gasgemisch, zumindest ein Inertgas.
Beispielsweise umfasst das Gas der Gasströmung zumindest ein Inertgas.
Bei einigen bevorzugten Ausführungsformen ist zumindest ein Inertgas Stickstoff und/oder Argon.
Insbesondere wird so an zumindest einer Applikationsstelle eine günstige Gasatmosphäre geschaffen, durch welche unerwünschte chemische Reaktionen, beispielsweise eine Oxidation, zumindest reduziert oder gar im Wesentlichen unterbunden werden.
Günstigerweise ist bei zumindest einer Applikationsstelle ein Gasdruck durch die Gasströmung und/oder ein Gasdruck der ein Inertgas umfassenden Gasumgebung größer als 0,1 bar und/oder kleiner als 40 bar.
Vorzugsweise ist der Gasdruck mindestens 0,5 bar groß, insbesondere mindestens 1 bar groß.
Vorzugsweise ist der Gasdruck höchstens 25 bar groß, insbesondere höchstens 10 bar groß.
Bei einigen günstigen Ausführungsformen umfasst die abgetrennte Lageneinheit bereits sämtliche für den Lagenverbund erforderliche Lagen.
Beispielsweise ist ein Vorteil hiervon, dass weitere Schritte zum Versehen der Lageneinheit mit zumindest einer weiteren Lage nicht erforderlich sind.
Bei einigen vorteilhaften Ausführungsformen ist vorgesehen, dass in zumindest einem der Abtrennung der Lageneinheit nachfolgenden Schritt die Lageneinheit mit noch zumindest einer weiteren Lage versehen wird.
Beispielsweise ist ein Vorteil hiervon, dass somit das Vorerzeugnis nicht sämtliche erforderlichen Lagen aufweisen muss, und hierdurch dünner ist und ein Abtragen durch die Applikation von Energie günstiger möglich ist.
Beispielsweise ist ein Vorteil hiervon, dass die Herstellung des Vorerzeugnisses auf die Lagen, welche das Vorerzeugnis aufweist, spezialisiert werden kann und die Herstellung der weiteren nachfolgend aufzutragenden Lagen entsprechend auch gezielt erfolgen kann.
Bei einigen günstigen Ausführungsformen wird die Lageneinheit in zumindest einem Schritt mit genau einer weiteren Lage versehen.
Bei einigen günstigen Ausführungsformen wird die Lageneinheit in zumindest einem nachfolgenden Schritt noch mit mehreren bereits zu einem Verbund miteinander verbundenen Lagen versehen.
Bei vorteilhaften Ausführungsformen weist das Verfahren zumindest einen Schritt auf, um die Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere das Membranbauteil, beispielsweise den Lagenverbund und/oder die Lageneinheit, mit zumindest einem der nachstehend im Zusammenhang mit einer Brennstoffzellenvorrichtung erläuterten Merkmale zu versehen.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren einen Schritt zur Fertigstellung der Brennstoffzellenvorrichtung.
Bei Ausführungsformen der Erfindung wird die eingangs genannte Aufgabe durch eine Brennstoffzellenvorrichtung, welche zumindest ein einen Lagenverbund aufweisendes Membranbauteil umfasst, gelöst, wobei der Lagenverbund zumindest eine Membranlage umfasst und wobei die Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Verfahren, welches zumindest eines der voranstehend erläuterten, beispielsweise optionalen Merkmale aufweist, hergestellt ist. Insbesondere ist dabei eine mehrere Lagen umfassende Lageneinheit des Lagenverbunds gemäß einem Verfahren mit zumindest einem der voranstehend erläuterten beispielsweise optionalen Merkmalen von einem Vorerzeugnis zumindest teilweise abgetrennt worden, insbesondere vereinzelt worden.
Insbesondere weist die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest eines der nachstehend erläuterten beispielsweise optionalen Merkmale auf, wobei diese besonders günstig mit einem wie voranstehend erläuterten Verfahren ausgebildet werden können.
Bei Ausführungsformen der Erfindung wird die eingangs genannte Aufgabe durch eine Brennstoffzellenvorrichtung, welche zumindest ein einen Lagenverbund aufweisendes Membranbauteil umfasst, gelöst, wobei zumindest eine mehrere Lagen umfassende Lageneinheit des Lagenverbundes eine wohldefinierte Trennkante aufweist.
Insbesondere wird eine wohldefinierte Trennkante bei der Lageneinheit durch ein Abtrennen mit einem Verfahren, welches zumindest eines der voranstehend erläuterten beispielsweise optionalen Merkmale aufweist, erreicht.
Insbesondere umfasst die Lageneinheit zumindest eine Membranlage und zumindest eine weitere Lage.
Insbesondere wird die wohldefinierte Trennkante durch zumindest eines der nachfolgenden Merkmale des Bereiches der Trennkante definiert.
Insbesondere ragt zumindest im Bereich der Trennkante Material einer Lage der Lageneinheit von einer Seite, auf welcher diese Lage angeordnet ist, in eine weitere Lage der Lageneinheit, insbesondere in die Membranlage, hinein, aber höchstens bis etwa der gegenüberliegenden Seite der weiteren Lage, wobei die gegenüberliegende Seite bezogen auf eine Lagenanordnungsrichtung gegenüberliegend ist.
Insbesondere ist die Lage, von der Material in eine weitere Lage hineinragt, unmittelbar nächstliegend an einer Seite der weiteren Lage angeordnet oder mittelbar, also mit zumindest einer anderen Lage dazwischen, an einer Seite der weiteren Lage angeordnet.
Günstigerweise überbrückt so kein Material einer anderen Lage zumindest eine weitere Lage, insbesondere nicht die Membranlage, so dass die Funktion der weiteren Lage nicht gänzlich unterbunden wird.
Insbesondere wird so zumindest die Gefahr eines Kurzschlusses und/oder eines unerwünschten Durchtritts eines Mediums bei der weiteren Lage, insbesondere bei der Membranlage zumindest reduziert.
Vorzugsweise ist zumindest eine Lage der Lageneinheit, insbesondere die Membranlage, zumindest im Bereich der Trennkante zumindest näherungsweise frei von Material einer anderen Lage der Lageneinheit, insbesondere frei von Material sämtlicher anderen Lagen des Lagenverbundes.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Material einer anderen Lage höchstens bis zu der halben Ausdehnung der materialfreien Lage in der Lagenanordnungsrichtung, also insbesondere höchstens die halbe Dicke der materialfreien Lage weit, in diese materialfreie Lage eindringt.
Dies hat beispielsweise den Vorteil, dass falls von beiden Seiten Material in die materialfreie Lage eindringt, die eindringenden Materialteile nicht miteinander in Kontakt kommen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn zumindest im Bereich der Trennkante das Material einer anderen Lage höchstens bis etwa 20% der Ausdehnung der materialfreien Lage in der Lagenanordnungsrichtung in diese eindringt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn zumindest im Bereich der Trennkante Material einer Katalysatorlage höchstens um die Dicke einer Membranlage, vorzugsweise höchstens um die Hälfte der Dicke einer Membranlage, beispielsweise höchstens um 20% der Dicke einer Membranlage, in der Lagenanordnungsrichtung teilweise verschoben ist. Insbesondere ist die Katalysatorlage unmittelbar an einer Seite der Membranlage angeordnet.
Insbesondere ist Material einer Gasdiffusionslage zumindest im Bereich der Trennkannte höchstens um die Summe von der Dicke der Membranlage plus einen Lagenabstand, vorzugsweise höchstens um die Summe von der halben Dicke einer Membranlage plus einen Lagenabstand, besonders bevorzugt höchstens um die Summe von 20% der Dicke einer Membranlage plus einen Lagenabstand, in der Lagenanordnungsrichtung teilweise verschoben, wobei der Lagenabstand der Abstand in der Lagenanordnungsrichtung der Gasdiffusionslage von der Membranlage ist, also insbesondere ist der Lagenabstand die Dicke der einzigen zwischen der Gasdiffusionslage und der Membranlage angeordneten Lage oder die Summe der Dicken der zwischen der Gasdiffusionslage und der Membranlage angeordneten Lagen.
Beispielsweise ist zumindest eine Katalysatorlage zwischen der Gasdiffusionslage und der Membranlage angeordnet.
Noch günstiger ist es, wenn zumindest im Bereich der Trennkante Material einer anderen Lage höchstens in einem Kontaktbereich der materialfreien Lage und der anderen Lage in die materialfreie Lage eindringt, wobei der Kontaktbereich insbesondere sich höchstens 10% der Ausdehnung der materialfreien Lage in der Lagenanordnungsrichtung in diese erstreckt.
Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Membranlage zumindest näherungsweise materialfrei ist, sodass diese ihre Trennfunktion zwischen den zwei Elektroden einer Zelleinheit erfüllen kann.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn im Bereich der Trennkante die Membranlage zumindest im Wesentlichen einen gleichen elektrischen Widerstand insbesondere in Richtung der Lagenanordnungsrichtung aufweist wie in einem von der Abtrennung unbeeinflussten Bereich.
Insbesondere ist dies von Bedeutung, damit bei der Membranlage die Gefahr eines Kurzschlusses zumindest reduziert wird oder vorzugsweise zumindest im Wesentlichen verhindert wird.
Insbesondere wird bei dem voranstehend erläuterten Trennverfahren dies erreicht, da Verpressungen an der Trennkante und/oder in die Membranlage hineinragende Materialanteile aus einer anderen Lage vermieden werden.
Insbesondere ist an der Trennkante der Lageneinheit eine Modifikationszone ausgebildet, in welcher das Material der Lagen der Lageneinheit durch die Abtrennung noch zumindest leicht modifiziert ist.
Insbesondere dehnt sich die Modifikationszone von der Trennkante in einer Flächenausdehnungsrichtung der Lageneinheit insbesondere lediglich etwas in die Lageneinheit hinein. Vorzugsweise beträgt die Ausdehnung in der Flächenausdehnungsrichtung der Modifikationszone weniger als 500 µm, vorteilhafterweise weniger als 200 µm, beispielsweise weniger als 100 µm.
Beispielsweise ist voranstehend unter dem Bereich der Trennkante die Trennkante selbst zusammen mit der Modifikationszone zu verstehen.
Insbesondere ist das Material zumindest einer Lage in der Modifikationszone chemisch modifiziert, insbesondere durch den Abtrennungsprozess durch die Applikation von Energie.
Beispielsweise ist ein Kohlenstoffgehalt in der Modifikationszone, insbesondere in der Membranlage, erhöht, beispielsweise durch eine Degradation eines Ionomers in der Lage der Lageneinheit.
Beispielsweise ist ein Sauerstoffgehalt in der Modifikationszone, insbesondere in der Membranlage, erhöht, insbesondere aufgrund eines Oxidationsprozesses in einem Ionomer der Lage und/oder durch Reinforcement des Materials der Membranlage.
Beispielsweise können die insbesondere chemischen und/oder strukturellen Modifikationen im Bereich der Trennkante durch Elektronenmikroskopieverfahren und/oder durch Röntgenspektroskopieverfahren, insbesondere durch REM-EDX- und/oder SEXAFS- und/oder EXAFS- und/oder XANES-Analysen, nachgewiesen werden.
Insbesondere kann mit diesen Analyseverfahren auch untersucht und festgestellt werden, ob die Lageneinheit durch ein Verfahren, welches zumindest eines der voranstehend erläuterten Merkmale aufweist, von einem Vorerzeugnis abgetrennt wurde.
Insbesondere umfassen die Lageneinheit und/oder der Lagenverbund zumindest eine Membranlage und/oder zumindest eine Katalysatorlage und/oder zumindest eine Gasdiffusionslage.
Insbesondere ist die Membranlage aus einem elektrisch nicht leitenden Werkstoff ausgebildet.
Insbesondere ist die Membranlage für einen Durchtritt von Ionen ausgebildet und insbesondere dennoch im Wesentlichen elektrisch isolierend ausgebildet.
Beispielsweise ist bei der Membranlage die Durchlässigkeit für Ionen und die gleichzeitig elektrisch isolierende Wirkung durch den Grotthuss-Mechanismus ermöglicht.
Insbesondere umfasst die Membranlage ein Polymer und ist günstigerweise aus einer vorzugsweise semipermeablen Polymermembran ausgebildet. Beispielsweise ist das Polymer ein fluorbasiertes Polymer, beispielsweise ein Polymer auf einer Tetrafluorethylenbasis oder ein kohlenwasserstoffbasiertes, insbesondere fluoridfreies Polymer. Insbesondere ist das Polymer sulfoniert.
Insbesondere umfasst der Werkstoff der Membranlage ein Ionomer.
Vorzugsweise umfasst die Membranlage eine Verstärkung für die Membran.
Bei einigen günstigen Ausführungsformen umfasst der Werkstoff der Membranlage auch Radikalfänger, beispielsweise Cer und/oder Cer-Verbindungen.
Insbesondere beträgt eine Dicke der Membranlage, welche in der Lagenanordnungsrichtung und/oder in der Vertikalrichtung gemessen wird, mindestens 1 µm und/oder höchstens 200 µm.
Vorzugsweise beträgt die Dicke der Membranlage höchstens 150 µm, insbesondere höchstens 100 µm, beispielsweise höchstens 50 µm, vorteilhafterweise höchstens 20 µm.
Vorzugsweise beträgt die Dicke der Membranlage mindestens 5 µm, insbesondere mindestens 8 µm.
Insbesondere beträgt eine Dicke einer Gasdiffusionslage, welche in der Lagenanordnungsrichtung und/oder in der Vertikalrichtung gemessen wird, mindestens 10 µm, insbesondere mindestens 80 µm und/oder höchstens 500 µm vorteilhafterweise höchstens 200 µm.
Insbesondere beträgt eine Dicke einer Katalysatorlage, welche in der Lagenanordnungsrichtung und/oder in der Vertikalrichtung gemessen wird, mindestens 0,5 µm, insbesondere mindestens 2 µm und/oder höchstens 50 µm vorteilhafterweise höchstens 20 µm.
Beispielsweise beträgt bei besonders günstigen Ausführungsformen eine Dicke der Katalysatorlage für eine Anode höchstens 10 µm.
Beispielsweise beträgt bei besonders günstigen Ausführungsformen eine Dicke der Katalysatorlage für eine Kathode mindestens 5 µm.
Beispielsweise verstehen sich die genannten Dicken in einem im Wesentlichen druckfreien Zustand und/oder bei einem Anpressdruck von zumindest näherungsweise 2Mpa.
Insbesondere ist die Katalysatorlage ausgebildet, um elektrochemische Reaktionen an der Elektrode, an welcher diese angeordnet ist, zumindest zu unterstützen und beispielsweise zu ermöglichen.
Insbesondere umfasst der Lagenverbund eine Katalysatorlage für die Kathode, um eine Reduktionsreaktion des Oxidationsmediums zumindest zu unterstützen.
Insbesondere umfasst der Lagenverbund eine Katalysatorlage für die Anode, um eine Oxidationsreaktion des Brennstoffmediums zumindest zu unterstützen.
Beispielsweise umfasst ein Werkstoff einer Katalysatorlage Platin als Katalysator.
Insbesondere umfasst eine Katalysatorlage einen Träger günstigerweise zur Stabilisierung der Lage und/oder für die elektrische Leitfähigkeit der Lage. Beispielsweise ist der Träger kohlenstoffbasiert.
Die Gasdiffusionslage ist insbesondere zum Transport und Verteilen eines Mediums, insbesondere je nach Elektrode eines Brennstoffmediums und/oder eines Oxidationsmediums, ausgebildet.
Insbesondere umfasst ein Werkstoff der Gasdiffusionslage ein faserhaltiges Material und/oder ein kohlenstoffbasiertes Material. Beispielsweise umfasst der Werkstoff einen Vliesstoff, beispielsweise umfassend Kohlefasern. Beispielsweise umfasst der Werkstoff ein Papier, beispielsweise Kohlepapier. Bei einigen günstigen Ausführungsformen umfasst der Werkstoff Füllstoffe, beispielsweise Grafit und/oder Kohlenstoff und/oder Ruß.
Insbesondere umfasst der Werkstoff der Gasdiffusionslage zumindest ein Polymer.
Beispielsweise wird je nach Anordnung der Gasdiffusionslage dessen Hydrophilie oder dessen Hydrophobie durch die Zusammensetzung des Werkstoffes, beispielsweise durch Polymere, den Anforderungen nach eingestellt.
Beispielsweise umfasst eine Gasdiffusionslage eine mikroporöse Schicht. Insbesondere umfasst die mikroporöse Schicht Polymere, beispielsweise Fluorpolymere, und/oder ein kohlenstoffbasiertes Material, insbesondere Kohlenstoffpartikel.
Bei einigen bevorzugten Ausführungsformen umfasst die Lageneinheit eine Membranlage und beidseits der Membranlage angeordnete Katalysatorlagen und auf einer Seite eine Gasdiffusionslage. Insbesondere wird nach der Vereinzelung dieser Lageneinheit diese noch zumindest mit einer weiteren Gasdiffusionslage versehen.
Bei einigen vorteilhaften Ausführungsformen umfasst die Lageneinheit eine Membranlage und auf einer Seite von dieser eine Katalysatorlage und eine Gasdiffusionslage. Insbesondere wird diese Lageneinheit in zumindest einem weiteren Schritt auf der anderen Seite noch mit einer weiteren Katalysatorlage und einer Gasdiffusionslage versehen.
Bei einigen günstigen Ausführungsformen umfasst die Lageneinheit eine Membranlage und beidseitig von dieser je eine Katalysatorlage. Insbesondere wird diese Lageneinheit in zumindest einem weiteren Schritt auf beiden Seiten der Membranlage noch mit je einer Gasdiffusionslage versehen.
Beispielsweise wird bei einigen Ausführungsformen die Lageneinheit in einem nachfolgenden Schritt mit einem Verbund aus einer Gasdiffusionslage und einer Katalysatorlage, welche so beispielsweise eine Gasdiffusionselektrode ausbilden, versehen.
Voranstehend und nachstehend sind Elemente und/oder Merkmale, welche als insbesondere und/oder beispielsweise und/oder günstigerweise und/oder vorzugsweise und/oder vorteilhafterweise und/oder bei Varianten und/oder dergleichen vorgesehen beschrieben sind, optionale Elemente und/oder Merkmale, welche mit dem Erfolg der grundlegenden Erfindungsidee nicht zwingend notwendig sind und beispielsweise vorteilhafte erfinderische Weiterentwicklungen darstellen.
Die Beschreibung erfindungsgemäßer Lösungen umfasst insbesondere die durch die nachfolgenden durchnummerierten Ausführungsformen definierten verschiedenen Merkmalskombinationen:

1. Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung (100), welche zumindest ein einen Lagenverbund (152) aufweisendes Membranbauteil (144) umfasst, wobei bei dem Verfahren zumindest eine Lageneinheit (192), die mehrere Lagen (178, 182, 184) umfasst, insbesondere eine Membranlage (178) und zumindest eine weitere Lage (182, 184) umfasst, für den Lagenverbund (152) aus einem Vorerzeugnis (196) durch Applikation von Energie entlang einer Trennkontur (272) zumindest teilweise abgetrennt wird.
2. Verfahren nach Ausführungsform 1, wobei die Lageneinheit (192) von dem Vorerzeugnis (196) zumindest im Wesentlichen vereinzelt wird.
3. Verfahren nach einer der voranstehenden Ausführungsformen, wobei zumindest das Abtrennen als solches zumindest im Wesentlichen durch Applikation von Energie und nicht durch ein Aufbringen von mechanischem Druck an der Trennkontur (272) erfolgt.
4. Verfahren nach einer der voranstehenden Ausführungsformen, wobei bei dem Abtrennen durch Applikation von Energie das Material der Lagen (178, 182, 184) an der Trennkontur (272) abgetragen wird.
5. Verfahren nach einer der voranstehenden Ausführungsformen, wobei durch die Applikation von Energie schrittweise Material des Vorerzeugnisses (196) abgetragen wird.
6. Verfahren nach einer der voranstehenden Ausführungsformen, wobei nach dem zumindest teilweisen Abtrennen der Lageneinheit (192) an deren Trennkante (284) Energie appliziert wird insbesondere zum Begradigen der Trennkante (284).
7. Verfahren nach einer der voranstehenden Ausführungsformen, wobei durch die Applikation der Energie an einer Applikationsstelle (194) ein Material des Vorerzeugnisses (196) an der Applikationsstelle (194) in eine abtragungsfähige Phase versetzt wird.
8. Verfahren nach einer der voranstehenden Ausführungsformen, wobei durch die Applikation von Energie an einer Applikationsstelle (194) Material des Vorerzeugnisses (196) an der Applikationsstelle (194) in eine gasförmige Phase verdampft und/oder sublimiert wird.
9. Verfahren nach einer der voranstehenden Ausführungsformen, wobei die Energie lokal fokussiert an zumindest einer Applikationsstelle (194) entlang der Trennkontur (272) eingebracht wird.
10. Verfahren nach einer der voranstehenden Ausführungsformen, wobei die Applikationsstelle (194), an welcher die Energie appliziert wird, eine Ausdehnung von höchstens 500 µm, vorzugsweise von höchstens 100 µm, insbesondere von höchstens 50 µm und/oder eine Ausdehnung von mindestens 1 µm, insbesondere von mindestens 5 µm, insbesondere von mindestens 25 µm, aufweist.
11. Verfahren nach einer der voranstehenden Ausführungsformen, wobei die Energie gepulst appliziert wird, wobei insbesondere,
- - eine Pulsdauer höchstens 10 ps, insbesondere höchstens 5 ps, insbesondere höchstens 1 ps lang ist und/oder mindestens 100 as, insbesondere mindestens 600 as, insbesondere mindestens 100 fs, insbesondere mindestens 800 fs lang ist
und/oder
- - eine Pulsenergie mindestens 5 µJ, insbesondere mindestens 20 µJ, insbesondere mindestens 50 µJ, insbesondere mindestens 70 µJ groß ist und/oder höchstens 2 mJ, insbesondere höchstens 1 mJ, insbesondere höchstens 500 µJ groß ist
und/oder
- - eine Pulsfrequenz mindestens 50 kHz groß ist und/oder höchstens 5 MHz, insbesondere höchstens 1 MHz, insbesondere höchstens 250 kHz groß ist, und/oder
- - eine Pulsform zu Pulsbeginn und/oder zu einem Pulsende eine steile Flanke aufweist, beispielsweise zumindest näherungsweise rechteckig ist.
12. Verfahren nach einer der voranstehenden Ausführungsformen, wobei die Energie gleichzeitig an mehreren insbesondere lokalen Applikationsstellen (194) eingebracht wird, insbesondere durch mehrere Energiequellen und/oder durch zumindest einen Energieteiler.
13. Verfahren nach einer der voranstehenden Ausführungsformen, wobei die Energie als Strahlungsenergie appliziert wird.
14. Verfahren nach der voranstehenden Ausführungsform, wobei die Strahlung der Strahlungsenergie eine Wellenlänge im infraroten und/oder sichtbaren und/oder ultravioletten Bereich aufweist.
15. Verfahren nach einer der voranstehenden Ausführungsformen, wobei die Energie durch Laserstrahlung appliziert wird.
16. Verfahren nach einer der voranstehenden Ausführungsformen, wobei die Strahlung der Strahlungsenergie zirkular polarisiert ist.
17. Verfahren nach einer der voranstehenden Ausführungsformen, wobei an der Trennkontur (272) zumindest eine Lage (178, 182, 184) der Lageneinheit (192) zurückgesetzt zu einer anderen Lage (178, 182, 184) abgetrennt wird.
18. Verfahren nach einer der voranstehenden Ausführungsformen, wobei durch Ausnutzung einer Strahlkaustik der Energiestrahlung eine Ausgestaltung der Trennkante (284) ausgebildet wird.
19. Verfahren nach einer der voranstehenden Ausführungsformen, wobei eine Gasströmung (234) angewendet wird, um ein Abtransportieren von Material von zumindest einer Applikationsstelle (194) zumindest zu unterstützen.
20. Verfahren nach der voranstehenden Ausführungsform, wobei mittels zumindest eines Teils der Gasströmung (234) zumindest ein Teil des Materials, insbesondere des in der abtragungsfähigen, insbesondere flüchtigen, vorzugsweise gasförmigen, Phase vorliegende Materials, von zumindest einer Applikationsstelle (194) weggeblasen wird.
21. Verfahren nach einer der zwei voranstehenden Ausführungsformen, wobei mittels zumindest eines Teils der Gasströmung (234) zumindest ein Teil des Material, insbesondere des in der abtragungsfähigen, insbesondere flüchtigen, vorzugsweise gasförmigen, Phase vorliegende Materials, von zumindest einer Applikationsstelle abgesaugt wird.
22. Verfahren nach einer der voranstehenden Ausführungsformen, wobei eine Applikation der Energie, insbesondere ein Führen eines Strahlungsfeldes, unabhängig von einer Führung und/oder einer Orientierung einer das Material zumindest teilweise abtransportierenden Gasströmung (234) erfolgt.
23. Verfahren nach einer der voranstehenden auf ein Verfahren gerichteten Ausführungsformen, wobei die abgetrennte Lageneinheit (192) bereits sämtliche für den Lagenverbund (152) erforderlichen Lagen umfasst.
24. Verfahren nach einer der voranstehenden Ausführungsformen, außer der voranstehenden Ausführungsform, wobei in zumindest einem der Abtrennung der Lageneinheit (192) nachfolgenden Schritt die Lageneinheit (192) mit noch zumindest einer weiteren Lage (182, 184) versehen wird.
25. Verfahren nach einer der voranstehenden Ausführungsformen, wobei das Verfahren zumindest einen Schritt aufweist zur Ausbildung zumindest eines Merkmals der nachstehend auf eine Brennstoffzellenvorrichtung (100) gerichteten Ausführungsformen.
26. Verfahren nach einer der voranstehenden Ausführungsformen, wobei das Verfahren einen Schritt zur Fertigstellung der Brennstoffzellenvorrichtung (100) umfasst.
27. Brennstoffzellenvorrichtung (100) umfassend zumindest ein einen Lagenverbund (152) aufweisendes Membranbauteil (144), wobei der Lagenverbund (152) zumindest eine Membranlage (178) umfasst, wobei die Brennstoffzellenvorrichtung (100) nach einer der voranstehenden auf ein Verfahren gerichteten Ausführungsformen hergestellt ist, wobei insbesondere eine mehrere Lagen (178, 182, 184) umfassende Lageneinheit (192) des Lagenverbunds (152) gemäß einer der voranstehenden auf ein Verfahren gerichteten Ausführungsformen hergestellt ist und/oder von einem Vorerzeugnis (196) abgetrennt wurde.
28. Brennstoffzellenvorrichtung (100), insbesondere nach der voranstehenden Ausführungsform, umfassend zumindest ein einen Lagenverbund (152) aufweisendes Membranbauteil (144), wobei zumindest eine mehrere Lagen (178, 182, 184) umfassende Lageneinheit (192) des Lagenverbundes (152) eine wohldefinierte Trennkante (284) aufweist.
29. Brennstoffzellenvorrichtung (100) nach einer der voranstehenden auf eine Brennstoffzellenvorrichtung gerichteten Ausführungsformen, wobei zumindest im Bereich der Trennkante (272) Material einer Lage (178, 182, 184) der Lageneinheit (192) von einer Seite, auf welche diese Lage (178, 182, 184) angeordnet ist, in eine weitere Lage (178, 182, 184) der Lageneinheit (192), insbesondere in die Membranlage (178) hinein ragt, aber höchstens bis etwa der gegenüberliegenden Seite der weiteren Lage (178, 182, 184) ragt, wobei die gegenüberliegende Seite bezogen auf eine Lagenanordnungsrichtung (198) gegenüberliegend ist.
30. Brennstoffzellenvorrichtung (100) nach einer der voranstehenden auf eine Brennstoffzellenvorrichtung gerichteten Ausführungsformen, wobei zumindest im Bereich der Trennkante (272) die Membranlage (178) zumindest näherungsweise frei von Material anderer Lagen zumindest der Lageneinheit (192) ist.
31. Brennstoffzellenvorrichtung (100) nach einer der voranstehenden auf eine Brennstoffzellenvorrichtung gerichteten Ausführungsformen, wobei im Bereich der Trennkante (272) die Membranlage (178) zumindest im Wesentlichen einen gleichen elektrischen Widerstand aufweist wie in einem von der Abtrennung unbeeinflussten Bereich.
32. Brennstoffzellenvorrichtung (100) nach einer der voranstehenden auf eine Brennstoffzellenvorrichtung gerichteten Ausführungsformen, wobei an der Trennkante (284) der Lageneinheit (192) eine Modifikationszone ausgebildet ist, in welcher das Material zumindest einer Lage (178, 182, 184) der Lageneinheit (192) insbesondere chemisch modifiziert ist.
33. Brennstoffzellenvorrichtung (100) nach einer der voranstehenden auf eine Brennstoffzellenvorrichtung gerichteten Ausführungsformen und/oder Verfahren nach einer der voranstehenden auf ein Verfahren gerichteten Ausführungsform, wobei die Lageneinheit (192) und/oder der Lagenverbund (152) zumindest eine Membranlage (178) und/oder zumindest eine Katalysatorlage (182) und/oder zumindest eine Gasdiffusionslage (184) umfasst.

Bevorzugte Merkmale und beispielsweise Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels in unterschiedlichen Varianten.
In der Zeichnung zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung;
2 zwei als Bipolarplatten ausgebildete Flachbauteile mit einem dazwischen angeordneten Membranbauteil, welche zusammen eine Zelleinheit ausbilden,
3 eine schematische Darstellung eines Lagenverbundes des Membranbauteils;
4 eine schematische Darstellung einer Anlage für ein Abtrennverfahren einer Lageneinheit von einem Vorerzeugnis;
5 eine Haltevorrichtung der Anlage;
6 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung einer Ausnutzung einer Strahlkaustik für die Ausgestaltung einer Trennkante der Lageneinheit;
7 eine Trennkante bei einer Lageneinheit nach dem Stand der Technik mit einer Beschädigung; und
8 Darstellungen von wohldefinierten Trennkanten von Lageneinheiten gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren.

Ein Ausführungsbeispiel einer als Ganzes mit 100 bezeichneten Brennstoffzellenvorrichtung umfasst zumindest eine Brennstoffzelleneinheit 110 und ein im Ganzen mit 112 bezeichnetes Leitungssystem mit zumindest einer Leitungseinrichtung 114 für ein Brennstoffmedium sowie einer Leitungs
einrichtung 116 für ein Oxidationsmedium, wobei die Leitungseinrichtungen 114, 116 mit der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit 110 verbunden sind, wie beispielhaft und schematisch in 1 dargestellt ist.
Die zumindest eine Brennstoffzelleneinheit 110 umfasst zumindest einen Stapel 122 von Zelleinheiten 124, wobei in den Zelleinheiten 124 das Brennstoffmedium und das Oxidationsmedium zumindest teilweise in ein Produktmedium chemisch umgesetzt werden und insbesondere dabei elektrische Energie bereitgestellt wird.
Insbesondere sind die Zelleinheiten 124 in dem Stapel 122 in einer Stapelrichtung übereinander angeordnet und in Reihe geschaltet.
Mittels der Leitungseinrichtung 114 für das Brennstoffmedium ist einer Anodenseite der Brennstoffzelleneinheit 110 und den einzelnen Zelleinheiten 124 das Brennstoffmedium insbesondere als Bestandteil eines Anodenfluidgemisches zuführbar und ein Anodenrestfluidgemisch, welches insbesondere der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit 110 zugeführte aber in dieser chemisch nicht umgesetzte Brennstoffmediumanteile und/oder Anteile des Produktmediums und/oder Bestandteile des zugeführten Anodenfluidgemisches umfasst, von der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit 110 wieder abführbar.
Mittels der Leitungseinrichtung 116 für das Oxidationsmedium ist einer Kathodenseite der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit 110 und den einzelnen Zelleinheiten 124 das Oxidationsmedium, insbesondere als Bestandteil eines Kathodenfluidgemisches, zuführbar und ein Kathodenrestfluidgemisch, welches insbesondere der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit 110 zugeführte aber in dieser chemisch nicht umgesetzte Oxidationsmediumanteile und/oder Anteile des Produktmediums und/oder Bestandteile des zugeführten Kathodenfluidgemisches umfasst, von der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit 110 wieder abführbar.
Beispielsweise ist ferner eine Temperiereinrichtung 132 vorgesehen, um die zumindest eine Brennstoffzelleneinheit 110 in einem für einen ordnungsgemäßen Betrieb derselben zulässigen Temperaturbereich zu halten.
Vorzugsweise ist die Temperiereinrichtung 132 zur bedarfsweisen Kühlung und/oder zur bedarfsweisen Erwärmung der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit 110, insbesondere in Abhängigkeit eines Betriebszustandes der Brennstoffzellenvorrichtung, ausgebildet.
Insbesondere umfasst die Temperiereinrichtung 132 als Teil des Leitungssystems 112 eine Leitungseinrichtung 134 für ein Temperiermedium zum Zuführen eines Temperiermediums zur Brennstoffzelleneinheit 110 und den einzelnen Zelleinheiten 124 und zum Abführen des Temperiermediums von den einzelnen Zelleinheiten 124 oder der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit 110, wobei das Temperiermedium nach dem Zuführen und vor dem Abführen in einem wärmetauschenden Kontakt mit der Brennstoffzelleneinheit 110 und den einzelnen Zelleinheiten 124 steht.
Der Stapel 122 umfasst Flachbauteile 142, welche insbesondere als Bipolarplatten ausgebildet sind, und Membranbauteile 144, welche zwischen je zwei Flachbauteilen 142I und 142II angeordnet sind und so eine jeweilige Zelleinheit 124 zumindest mit ausbilden, wie beispielhaft in 2 in einer Explosionsdarstellung dargestellt ist.
Insbesondere sind aneinanderliegende Flachbauteile 142 und Membranbauteile 144 fest, vorzugsweise zumindest abschnittsweise fluiddicht, miteinander verbunden.
Günstigerweise ist für die fluiddichte Verbindung zwischen aneinanderliegenden Bauteilen, insbesondere einem Flachbauteil 142 und einem Membranbauteil 144, eine Dichtung ausgebildet, welche beispielsweise angespritzt ist und/oder eine Dichtschnur aufweist und/oder im Siebdruck aufgebracht ist.
Insbesondere bilden dabei zwei Flachbauteile 142I und 142II zumindest eine Reaktionskammer aus, in welcher eine Membran des Membranbauteils 144, welches zwischen den zwei Flachbauteilen 142I, 142II angeordnet ist, sich erstreckt, wobei in der Reaktionskammer zugeführtes Oxidationsmedium und Brennstoffmedium chemisch reagieren und bei der chemischen Reaktion elektrische Energie bereitgestellt wird.
Insbesondere wird das Brennstoffmedium in einen von der Membran des Membranbauteils 144 und von einem der zwei Flachbauteile 142I, 142II begrenzten Teil der Reaktionskammer zugeführt und das Oxidationsmedium in einen von der Membran des Membranbauteils 144 und dem anderen der zwei Flachbauteile 142I, 142II begrenzten Teil der Reaktionskammer zugeführt. Das Brennstoffmedium und das Oxidationsmedium treten über die Membran in Wechselwirkung, insbesondere treten Ionen durch die Membran von einem Teil der Reaktionskammer in den anderen Teil der Reaktionskammer und gegensätzlich geladene Elektronen gelangen über einen Stromkreis von einem Teil der Reaktionskammer zu dem anderen Teil der Reaktionskammer.
Somit sind die Flachbauteile 142 auch als Anode beziehungsweise Kathode für eine einzelne Zelleinheit 124 ausgebildet und die einzelnen Zelleinheiten sind in Reihe geschaltet.
Das Membranbauteil 144 umfasst einen Lagenverbund 152, welcher die Membran des Membranbauteils 144 ausbildet und beispielhaft in 3 schematisch dargestellt ist.
Insbesondere ist der Lagenverbund 152 umfangsseitig von einem Rahmenelement 154 des Membranbauteils 144 umgeben.
Vorzugsweise ist das Membranbauteil 144 mit seinem Rahmenelement 154 an dem nächstanliegend angeordneten Flachbauteil 142I, 142II befestigt und günstigerweise ist die Dichtung an dem Rahmenelement 154 angeordnet.
Günstigerweise erstreckt sich der Lagenverbund 152 im Wesentlichen in einer geometrischen Flächenausdehnungsebene 162, welche von zwei Flächenausdehnungsrichtungen 164 und 166 aufgespannt wird.
Insbesondere ist das Rahmenelement 154 an einem bezogen auf die Flächenausdehnungsrichtungen 164, 166 bezogenen Rand des Lagenverbundes 152 an diesen angeordnet und umrandet vorteilhafterweise den Lagenverbund 152 vollständig.
Der Lagenverbund 152 umfasst mehrere Lagen, welche sich flächig im Wesentlichen in zu der Flächenausdehnungsebene 162 parallel verlaufenden Lagenebenen erstrecken. Die mehreren Lagen sind in einer zu der geometrischen Flächenausdehnungsebene 162 zumindest näherungsweise senkrecht verlaufenden Vertikalrichtung 172 übereinander angeordnet.
Der Lagenverbund 152 umfasst zumindest eine Membranlage 178.
Insbesondere ist die Membranlage 178 für Ionen durchlässig. Günstigerweise ist die Membranlage 178 zumindest für das Brennstoffmedium und/oder das Oxidationsmedium und/oder insbesondere für weitere Bestandteile des Anodenfluidgemisches und/oder des Kathodenfluidgemisches sowie für das Produktmedium undurchlässig. Vorzugsweise ist die Membranlage 178 eine fluidundurchlässige, vorteilhafterweise gasundurchlässige, Lage.
Insbesondere ist die Membranlage 178 abgesehen von ihrer Durchlässigkeit für Ionen elektrisch isolierend. Beispielsweise ist der Ionentransport durch den Grotthuss-Mechanismus ermöglicht.
Günstigerweise umfasst ein Material der Membranlage zumindest ein Ionomer. Beispielsweise umfasst das Material der Membranlage auch Additive.
Beispielsweise ist die Membranlage durch eine Verstärkungsstruktur verstärkt.
Beispielsweise beträgt eine in der Vertikalrichtung 172 gemessene Dicke der Membranlage einige Mikrometer, insbesondere mindestens 1 µm und/oder höchstens 25 µm.
Vorzugsweise weist der Lagenverbund 152 bezogen auf die Vertikalrichtung 172 beidseits der Membranlage 178 jeweils eine Katalysatorlage 182I und 182II auf.
Vorteilhafterweise umfassen die Katalysatorlagen 182 jeweils ein katalytisch aktives Material, welches beispielsweise mit einem insbesondere kohlenstoffbasierten Träger der jeweiligen Katalysatorlage 182 verbunden ist. Beispielsweise umfassen die Katalysatorlagen ein Ionomer.
Vorzugsweise ist je eine der Katalysatorlagen 182, insbesondere hinsichtlich des katalytisch aktiven Materials, zum einen für eine Anode und zum anderen für eine Kathode einer jeweiligen Zelleinheit 124 ausgebildet.
Vorzugsweise umfasst der Lagenverbund 152 bezogen auf die Vertikalrichtung 172 beidseits der Membranlage 178 je eine Gasdiffusionslage 184I und 184II.
Insbesondere ist jeweils auf einer Seite der Membranlage 178 eine jeweilige Katalysatorlage 182 zwischen der Membranlage 178 und einer entsprechenden Gasdiffusionslage 184 angeordnet.
Insbesondere umfassen die Gasdiffusionslagen 184 jeweils zumindest eine mikroporöse Schicht, durch welche günstigerweise ein Fluid, insbesondere das Brennstoffmedium und/oder das Oxidationsmedium, hindurchdringen kann und zur Membranlage 178 gelangen kann, sodass an der Membranlage 178 ein Übertritt von Ionen erfolgen kann.
Günstigerweise umfassen die Gasdiffusionslagen 184 jeweils zumindest ein Substrat, insbesondere zum Tragen und Stabilisieren der mikroporösen Schicht.
Insbesondere umfassen die Gasdiffusionslagen 184 jeweils, insbesondere deren mikroporöse Schicht und/oder deren Substrat, ein faserhaltiges Material.
Vorteilhafterweise ist eine mikroporöse Schicht einer Gasdiffusionslage 184 jeweils der nächstangeordneten Katalysatorlage 182 zugewandt angeordnet. Insbesondere ist das Substrat auf einer der Katalysatorlage 182 abgewandten Seite der Gasdiffusionslage 184 angeordnet.
Vorteilhafterweise wird bei einem Herstellverfahren zumindest eine Lageneinheit 192 des Lagenverbunds 152, welche zumindest die Membranlage 178 und zumindest eine weitere Lage umfasst, zumindest teilweise durch gezielte Applikation von Energie an zumindest einer Applikationsstelle 194 von einem Vorerzeugnis 196 abgetrennt, wie beispielhaft in 4 schematisch dargestellt ist.
Insbesondere wird aus dem Vorerzeugnis 196 durch die gezielte Applikation von Energie die Lageneinheit 192 vereinzelt.
Insbesondere wird für die Applikation der Energie eine im Ganzen mit 208 bezeichnete Anlage verwendet. Beispielhaft ist eine Anlage 208 zumindest in Teilen in den 4 und 5 dargestellt.
Das Vorerzeugnis 196 umfasst bereits zumindest die Membranlage 178 und zumindest eine weitere Lage, also jene Lagen, welche auch die Lageneinheit 192 umfasst.
Insbesondere werden in einem vorangegangenen Schritt des Verfahrens die Lagen des Vorerzeugnisses 196 aufeinander angeordnet und miteinander verbunden. Beispielsweise wird zumindest eine Lage auf zumindest eine andere Lage laminiert.
Bei einigen bevorzugten Varianten umfasst das Vorerzeugnis 196 und damit auch die Lageneinheit 192 eine Gasdiffusionslage 184, eine Katalysatorlage 182, eine Membranlage 178 und eine weitere Katalysatorlage 182 in dieser Anordn u ngsrei henfolge.
Bei einigen günstigen Varianten umfasst das Vorerzeugnis 196 und damit auch die Lageneinheit 192 eine Gasdiffusionslage 184, eine Katalysatorlage 182 und eine Membranlage 178 in dieser Anordnungsreihenfolge.
Bei einigen günstigen Varianten umfasst das Vorerzeugnis 196 und damit auch die Lageneinheit 192 eine Katalysatorlage 182, eine Membranlage 178 und eine Katalysatorlage 182 in dieser Anordnungsreihenfolge.
Bei einigen günstigen Varianten umfasst das Vorerzeugnis 196 und damit auch die Lageneinheit 192 eine Gasdiffusionslage 184, eine Katalysatorlage 182, eine Membranlage 178, eine Katalysatorlage 182 und eine Gasdiffusionslage 184 in dieser Anordnungsreihenfolge.
Bei vorteilhaften Versionen der voranstehend erläuterten Varianten umfasst das Vorerzeugnis 196 und damit auch die Lageneinheit 192 keine weitere Lage zusätzlich zu den jeweils genannten Lagen.
Insbesondere erstrecken sich die einzelnen Lagen des Vorerzeugnisses 196 und der Lageneinheit 192 zumindest im Wesentlichen in einer jeweiligen Lagenebene, wobei die Lagenebenen zumindest näherungsweise senkrecht zu einer Lagenanordnungsrichtung 198 verlaufen. Die Anordnungsreihenfolge ist auf diese Lagenanordnungsrichtung 198 bezogen.
Insbesondere entsprechen die Lagenebenen und die Lagenanordnungsrichtung 198 des Vorerzeugnisses 196 und der Lageneinheit 192 den Lagenebenen und der Vertikalrichtung 172 des herzustellenden Lagenverbundes 152.
Vorteilhafterweise wird bei dem Verfahren die Energie durch ein Strahlungsfeld 212, welches günstigerweise ein Laserstrahlungsfeld ist, appliziert, wie beispielhaft in 4 dargestellt ist.
Günstigerweise wird hierbei eine Strahlungsfeldeinrichtung 214 der Anlage 208 verwendet. Die Strahlungsfeldeinrichtung 214 umfasst eine Strahlungsfeldquelle 216, welche das Strahlungsfeld 212 bereitstellt, und günstigerweise ein optisches System 218 von optischen Elementen, wobei mit dem System 218 von optischen Elementen das Strahlungsfeld 212 manipuliert, insbesondere geführt und beispielsweise geweitet und/oder fokussiert und/oder geteilt, werden kann und wird.
Bei günstigen Varianten stellt die Strahlungsfeldquelle 216 Strahlung im infraroten Bereich zur Verfügung.
Insbesondere ist die Strahlungsfeldquelle 216 ein Laser, beispielsweise ein Nd:YAG-Laser.
Günstigerweise umfasst das System 218 von optischen Elementen vorzugsweise einstellbare optische Elemente zur Führung und/oder Lenkung und/oder Aufweitung und/oder Fokussierung des Strahlungsfeldes 212, beispielsweise Spiegel, welche günstigerweise in ihrer Ausrichtung und/oder Position einstellbar sind, und/oder Linsen und/oder Lichtleiter.
Günstigerweise bilden dabei zumindest einige der optischen Elemente des optischen Systems 218 eine Scanneroptik 222 aus, mit welcher das Strahlungsfeld 212 in von einem Benutzer gewünschter und gesteuerter Weise geführt und/oder fokussiert werden kann.
Insbesondere wird mit zumindest einigen optischen Elementen des Systems 218, vorzugsweise mit der Scanneroptik 222, das Strahlungsfeld 212 auf die Applikationsstelle 194 gelenkt und vorzugsweise fokussiert.
Bei einigen günstigen Varianten umfasst die Strahlungsfeldeinrichtung 214 einen Strahlteiler 226, welcher das Strahlungsfeld 212 in mehrere Teilstrahlungsfelder 228 aufteilt, sodass mit den mehreren Teilstrahlungsfeldern 228', 228" Energie an unterschiedlichen Applikationsstellen 194', 194" gleichzeitig appliziert werden kann. Vorteilhafterweise umfasst bei diesen Varianten das optische System 218 für jedes der Teilstrahlungsfelder 228', 228" jeweils eine Scanneroptik 222', 222".
Bei einigen Varianten umfasst die Strahlungsfeldeinrichtung 214 mehrere Strahlungsfeldquellen 216 vorzugsweise mit einer jeweiligen Scanneroptik 222.
Vorzugsweise ist das Strahlungsfeld ein gepulstes Strahlungsfeld, wobei eine Pulsdauer der Puls beispielsweise im Mikrosekundenbereich oder vorzugsweise im Nanosekundenbereich und/oder Pikosekundenbereich und/oder Femtosekundenbereich und/oder Attosekundenbereich liegt.
Insbesondere wird durch die Applikation von Energie das Material des Vorerzeugnisses 196 an der Applikationsstelle 194 in eine abtragungsfähige Phase versetzt.
Günstigerweise ist die abtragungsfähige Phase eine flüchtige Phase, insbesondere eine Fluidphase, vorzugsweise eine Gasphase.
Insbesondere hat das Laserstrahlungsfeld 212 und/oder gegebenenfalls haben die Teilstrahlungsfelder 228, eine hinreichend große Energiedichte, sodass an einer, beispielsweise jeweiligen, Applikationsstelle 194, bei welcher das Strahlungsfeld 212, 228 auf das Vorerzeugnis 196 auftrifft, das Material der Lagen des Vorerzeugnisses insbesondere lediglich lokal an der Applikationsstelle 194 verdampft, insbesondere sublimiert.
Günstigerweise ist eine von den Strahlungsfeldern 212, 228 auf eine Fläche der jeweiligen Applikationsstelle 194 induzierte Energie und/oder Leistung hinreichend groß, sodass an der Applikationsstelle das Material verdampft, insbesondere sublimiert. Vorteilhafterweise ist eine Energie, insbesondere eine Gesamtenergie und/oder Peakenergie, und/oder eine Leistung der entsprechenden Strahlungsfeldpulse des gepulsten Strahlungsfeldes hinreichend groß, sodass das Material an der Applikationsstelle 194 verdampft, insbesondere sublimiert.
Besonders günstig ist es, wenn bei der Bearbeitung eine Gasströmungseinrichtung 232 verwendet wird, welche eine Gasströmung 234 bereitstellt.
Günstigerweise wird die Gasströmung 234 angewendet, um ein an zumindest einer Applikationsstelle 194 nicht benötigtes Material, insbesondere verdampftes Material, zumindest teilweise abzutransportieren.
Insbesondere umfasst die Gasströmungseinrichtung 232 zumindest eine Absaugevorrichtung 236, welche das Material, das insbesondere in einer abtragungsfähigen Phase ist, zumindest teilweise von zumindest einer Applikationsstelle 194 absaugt.
Vorteilhaft ist es, wenn die Gasströmungseinrichtung 232 eine Gasdüse 238 umfasst, welche eine zumindest eine Applikationsstelle 194 anströmende Gasströmung bereitstellt. Günstigerweise wird dabei die Gasdüse 238 derart ausgerichtet, dass die anströmende Gasströmung die zumindest eine Applikationsstelle 194 anströmt und dabei vorteilhafterweise zu entfernendes Material, welches insbesondere in einer abtragungsfähigen Phase ist, von der Applikationsstelle mitnimmt und abtransportiert.
Bei günstigen Varianten erfasst die Gasströmung 234, insbesondere die Gasströmung einer Absaugevorrichtung 236 und/oder einer Gasdüse 238, das Vorerzeugnis 196 großflächig, sodass zumindest ein Großteil der Applikationsstellen 194, vorteilhafterweise sämtliche Applikationsstellen 194, von der Gasströmung erfasst werden.
Bei einigen günstigen Varianten sind mehrere Absaugevorrichtungen 236 und/oder mehrere Gasdüsen 238 vorgesehen, sodass durch die mehreren Gasströmungen zumindest ein Großteil der Applikationsstellen 194, vorzugsweise sämtliche Applikationsstellen 194, erfasst werden.
Bei einigen vorteilhaften Varianten ist zumindest eine Absaugevorrichtung 236 und/oder zumindest eine Gasdüse 238 beweglich gelagert und in ihrer Ausrichtung steuerbar. Insbesondere erfasst deren Gasströmung nur einen Bereich mit einigen Applikationsstellen 194, jedoch kann durch die steuerbare Ausrichtung die Gasströmung auf verschiedene Bereiche mit unterschiedlichen Applikationsstellen 194 gerichtet werden.
Insbesondere umfasst oder beispielsweise ist das Gas der Gasströmung 234 ein Inertgas, welches vorteilhafterweise eine unerwünschte chemische Reaktion des Materials, insbesondere eine Oxidation des Materials, an der Applikationsstelle 194 zumindest reduziert, vorzugsweise zumindest im Wesentlichen verhindert.
Günstigerweise umfasst die Anlage 208 eine Haltevorrichtung 252, welche beispielhaft in Varianten in 5 dargestellt ist.
Günstigerweise umfasst die Haltevorrichtung 252 eine Auflage 254 mit einer Auflagefläche 256, welche dafür vorgesehen und ausgelegt ist, dass bei der Applikation der Energie das Vorerzeugnis 196 auf der Auflagefläche 256 aufliegt.
Vorteilhafterweise umfasst die Haltevorrichtung 252 eine Niederhalteeinrichtung 262, durch welche das Vorerzeugnis 196 auf der Auflage 254 gehalten wird und günstigerweise in einer vordefinierten Fokuslage positioniert und gehalten wird.
Beispielsweise wird das Vorerzeugnis 196 insbesondere bezüglich der Lagenanordnungsrichtung 198 von der Haltevorrichtung 252, insbesondere von der Niederhalteeinrichtung 262, mit einer Toleranz von höchstens +/-0,1 mm in der Fokuslage gehalten.
Insbesondere ist die Auflagefläche 256 eine ebene Fläche und die Lagenanordnungsrichtung 198 des Vorerzeugnisses 196 ist zumindest im Wesentlichen parallel zu der Normalen der Auflagefläche 256 orientiert, wenn das Vorerzeugnis 196 auf der Auflage 254 angeordnet ist.
Bei günstigen Varianten umfasst die Niederhalteeinrichtung 262 zumindest eine Halteplatteneinheit 264, wie beispielhaft in 5 dargestellt ist. Die Halteplatteneinheit 264 umfasst zumindest eine Platte, mit welcher das Vorerzeugnis 196 auf die Auflage 254 gedrückt und vorzugsweise in die Fokussierlage positioniert wird.
Bei einigen günstigen Varianten umfasst die Niederhalteeinrichtung 262, insbesondere die Halteplatteneinheit 264, zumindest einen Magnet, um die Haltekraft aufzubringen. Beispielsweise weist die Halteplatteneinheit 264 und die Auflage 254 jeweils zumindest einen Magneten auf, welche zum Halten des Vorerzeugnisses 196 zusammenwirken.
Bei einigen günstigen Varianten ist die Niederhalteeinrichtung 262 eine hydraulische oder pneumatische Einrichtung und die Halteplatteneinheit 264 wird mit Druck in Richtung auf die Auflage 254 beaufschlagt.
Bei einigen vorteilhaften Varianten umfasst die Niederhalteeinrichtung 262 eine Unterdruckeinheit in der Auflage 254, wobei das Vorerzeugnis 196 durch den in der Unterdruckeinheit erzeugten Unterdruck an die Auflagefläche 256 gezogen und damit gehalten wird.
Bei dem Abtrennungsprozess der Lageneinheit 192 von dem Vorerzeugnis 196 wird das Strahlungsfeld 212 von dem optischen System 218, insbesondere der Scanneroptik 222, auf eine Applikationsstelle 194 auf einer Trennkontur 272 auf das Vorerzeugnis 196 gelenkt und entlang der Trennkontur 272 geführt, so dass sich die Applikationsstelle 194 also entlang der Trennkontur 272 bewegt. Entsprechend werden bei Varianten die mehreren Teilstrahlungsfelder 228 durch das optische System 218, insbesondere durch ihre jeweilige Scanneroptik 222, auf eine jeweilige Applikationsstelle 194 gelenkt und entlang der Trennkontur 272 geführt.
Durch das Auftreffen des Strahlungsfeldes 212, 228 auf die entsprechende Applikationsstelle 194 wird das Material des Vorerzeugnisses 196 an der Applikationsstelle 194 in eine abtragungsfähige Phase versetzt, insbesondere verdampft das Material, vorzugsweise sublimiert das Material.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Strahlungsfeld 212, 228 derart auf die Applikationsstelle 194 gerichtet wird, dass ein entstehender Dampfdruck des in die abtragungsfähige Phase, insbesondere in eine Gasphase, versetzten Materials ein Entfernen dieses Materials von der Applikationsstelle 194 zumindest unterstützt.
Günstigerweise wird ein Abtransport des in die abtragungsfähige Phase versetzten Materials von der Applikationsstelle durch die Gasströmung 234 der Gasströmungseinrichtung 232, beispielsweise durch Wegblasen und/oder Absaugen, zumindest unterstützt.
Vorteilhafterweise weist die Halteplatteneinheit 264 einen Schnittspalt 276 auf, dessen Verlauf der Trennkontur 272 entspricht und durch welchen das Strahlungsfeld 212, 228 durch die Halteplatteneinheit 264 auf das Vorerzeugnis 196 geführt wird.
Günstigerweise weist die Auflage 254 eine sich von der Auflagefläche 256 in die Auflage 254 hinein ausdehnende Aussparung 278 auf, welche zumindest im Bereich der Trennkontur 272 ausgebildet ist. Vorteilhafterweise kann so das in die abtragungsfähige Phase versetzte Material, also insbesondere das gasförmige Material, in die Aussparung 278 hinein expandieren und/oder über die Aussparung 278 zumindest teilweise abtransportiert werden.
Bei einigen günstigen Varianten ist das Strahlungsfeld 212, 228 derart ausgelegt und ausgebildet, dass bei einer einmaligen Applikation an einer Applikationsstelle 194 das Material an dieser Applikationsstelle 194 in der Lagenanordnungsrichtung 198 vollständig entfernt wird und somit bei einer einmaligen Applikation der Bereich der Lageneinheit 192 an der Applikationsstelle 194 vollständig von dem verbleibenden Rest des Vorerzeugnisses 196 abgetrennt ist.
Beispielsweise wird so vorteilhafterweise bei einem einzigen Umlauf des Strahlungsfeldes 212, 228 entlang der Trennkontur 272 die Lageneinheit 192 von dem Rest des Vorerzeugnisses 196 abgetrennt.
Bei einigen vorteilhaften Varianten ist das Strahlungsfeld 212, 228 derart ausgelegt und ausgebildet, dass bei einer Applikation des Strahlungsfeldes 212, 228 an einer Applikationsstelle 194 Material einer sich in einer gewissen Tiefe erstreckenden Schicht in die abtragungsfähige Phase versetzt wird und abtransportiert wird. Günstigerweise wird so dann in mehreren Umläufen des Strahlungsfeldes 212, 228 das Material an der Trennkontur 272 schichtweise abgetragen.
Bei besonders vorteilhaften Varianten erfolgt nach der Abtrennung der Lageneinheit 192 von dem Rest des Vorerzeugnisses 196, insbesondere nachdem das Material an der Trennkontur 272 zumindest im Wesentlichen vollständig abgetragen wurde, noch zumindest ein Umlauf des Strahlungsfeldes 212, 228 entlang der Trennkontur 272. Vorteilhafterweise werden so noch über die Trennkontur hinausstehende Materialrückstände entfernt und/oder eine Trennkante 284 an der Lageneinheit 192 begradigt.
Bei vorteilhaften Varianten wird die Strahlkaustik des Strahlungsfeldes 212, 228, also insbesondere die Form des Strahlungsfeldes 212, 228, beispielsweise der Verlauf eines Durchmessers eines Strahles des Strahlungsfeldes 212, 228 in der Propagationsrichtung des Strahlungsfeldes 212, 228, ausgenutzt, um eine Ausgestaltung der Trennkante 284 gezielt auszuformen.
Bei einigen günstigen Varianten wird ein zumindest im Wesentlichen kolliminiertes Strahlungsfeld 212, 228 verwendet, bei welchem eine Ausdehnung des Strahlungsfeldes 212, 228 im Wesentlichen senkrecht zu dessen Propagationsrichtung zumindest im Bereich des Vorerzeugnisses 196 zumindest im Wesentlichen konstant ist, verwendet. Dabei wird dann bei einem im Wesentlichen in der Lagenanordnungsrichtung 198 propagierenden Strahlungsfeld 212, 228 eine über die mehrere Lagen 178, 182, 184 der Lageneinheit 192 im Wesentlichen in der Lagenanordnungsrichtung 198 und damit in der Vertikalrichtung 172 der Lageneinheit 192 verlaufende Trennkante 284 ausgebildet, wie beispielhaft bei der Variante in der 3 dargestellt ist.
Bei einigen vorteilhaften Varianten wird ein im Wesentlichen in der Lagenanordnungsrichtung 198 propagierendes Strahlungsfeld 212, 228 verwendet, welches jedoch so fokussiert ist, dass dessen Ausdehnung im Wesentlichen senkrecht zu der Propagationsrichtung im Bereich des Vorerzeugnisses 196 variiert, insbesondere abnimmt, sodass, insbesondere unter Ausnutzung des Taper-Winkels des Strahlungsfeldes 212, 228 eine über die mehreren Lagen 178, 182, 184 der Lageneinheit 192 schräg zu der Lagenanordnungsrichtung 198 und damit schräg zu der Vertikalrichtung 172 verlaufende Trennkante 284 ausgebildet wird, wie beispielhaft bei der in 6 dargestellten Variante gezeigt wird, wobei die Darstellung in der 6 zur Verdeutlichung schematisch ist und die Proportionen übertrieben dargestellt sind.
Insbesondere kann so erreicht werden, dass zumindest eine Lage 178, 182, 184 der Lageneinheit 192 gegenüber einer anderen Lage 178, 182, 184 der Lageneinheit 192 quer zu der Vertikalrichtung 172, insbesondere in einer Flächenausdehnungsrichtung 164, 166, an der Trennkante 284 zurückgezogen ausgebildet ist.
Beispielsweise sind so bei der in 6 dargestellten Variante die Katalysatorlage 182I und die Gasdiffusionslage 184 auf einer Seite der Membranlage 178 gegenüber der Katalysatorlage 182II auf der anderen Seite der Membranlage 178 zurückgezogen ausgebildet.
Insbesondere ist die zurückgezogene Lage im Mikrometerbereich, beispielsweise zwischen 1 µm und 50 µm, insbesondere höchstens 25 µm, gegenüber der anderen Lage zurückgezogen.
Insbesondere weist die Lageneinheit 192 eine Modifikationszone 292 auf, welche sich von der Trennkante 284 quer zu der Vertikalrichtung 172, insbesondere in einer der Flächenausdehnungsrichtungen 164, 166, in die Lageneinheit 192 hineinerstreckt. Insbesondere ist in der Modifikationszone 292 das Material der Lage 178, 182, 184 der Lageneinheit 192 zumindest teilweise durch die Applikation der Energie chemisch verändert.
Insbesondere ist die Modifikationszone 292 klein ausgebildet, da durch die gezielte Applikation der Energie, vorteilhafterweise durch eine günstig gewählte Energiedichte und/oder günstig gewählte Pulsparameter und/oder eine günstig gewählten Relativgeschwindigkeit der Applikationsstelle 194 entlang der Trennkontur 272, also insbesondere einer Relativgeschwindigkeit zwischen dem Vorerzeugnis 196 und dem auftreffenden Strahlungsfeld 212, 228, die eingebrachte Energie zwar ausreichend ist, um das Material an der Trennkontur 272 in die abtragungsfähige Phase zu versetzen, jedoch die eingebrachte Energiemenge und/oder deren Applikationszeit an einer Applikationsstelle 194 so gering ist, dass deren Einwirkung, insbesondere eine Wärmeausstrahlung, in die Lagen 178, 182, 184 quer zu der Lagenanordnungsrichtung 198 / Vertikalrichtung 172 äußerst gering ist.
Beispielsweise ist in zumindest einer Lage 178, 182, 184, insbesondere in der Membranlage 178, ein Sauerstoffgehalt in der Modifikationszone 292 höher als in einem nicht beeinflussten Bereich der Lage, beispielsweise durch Oxidationsprozesse in einem Ionomer und/oder durch ein Reinforcement der Membran.
Beispielsweise ist ein Kohlenstoffgehalt einer Lage 178, 182, 184, insbesondere der Membranlage 178, in der Modifikationszone 292 höher als in einem unbeeinflussten Bereich dieser Lage, insbesondere durch eine Degradation eines Ionomers in dieser Lage.
Insbesondere können Veränderungen in der Modifikationszone 292 und/oder eine Ausdehnung der Modifikationszone 292 durch eine Röntgenanalyse, insbesondere durch Röntgenabsorptionsspektroskopie, beispielsweise durch eine SEXAFS- und/oder EXAFS- und/oder XANES-Analyse, und/oder energiedispersive Röntgenspektroskopie EDX, und/oder durch Elektronenmikroskopie, insbesondere Rasterelektronenmikroskopie REM, detektiert und analysiert werden.
Insbesondere kann mit diesen Analysen auch festgestellt werden, ob die Abtrennung durch Applikation von Energie, insbesondere durch ein Versetzen des Materials an der Trennkontur 272 in eine abtragungsfähige Phase, erfolgt ist.
Insbesondere umfasst das Verfahren den weiteren Schritt nach der Vereinzelung der Lageneinheit 192, die Lageneinheit 192 mit zumindest einer weiteren Lage, welche für den Lagenverbund 152 des Membranbauteils 144 erforderlich ist, zu versehen.
So wird beispielsweise eine Lageneinheit 192, welche eine Membranlage 178 und beidseits der Membranlage 178 je eine Katalysatorlage 1821 und 182II sowie auf einer Seite eine Gasdiffusionslage 1841 umfasst, in einem weiteren Schritt mit einer weiteren Gasdiffusionslage 184II versehen, wobei diese weitere Gasdiffusionslage 184 auf der Seite der Membranlage 178, auf welcher noch keine Gasdiffusionslage 184 angeordnet ist, aufgebracht wird, insbesondere direkt auf die Katalysatorlage 182 aufgebracht wird.
Beispielsweise werden bei einer Lageneinheit 192, welche eine Membranlage 178 und beidseits der Membranlage 178 jeweils eine Katalysatorlage 182I, 182II, aber keine Gasdiffusionslage 184 umfasst, beidseits der Membranlage 178 insbesondere direkt auf die jeweilige Katalysatorlage 182 eine Gasdiffusionslage 184 aufgebracht.
Beispielsweise wird bei einer Lageneinheit 192, welche eine Membranlage 178 und auf einer Seite der Membranlage 178 eine Katalysatorlage 182 und eine Gasdiffusionslage 184 und auf der anderen Seite der Membranlage 178 keine Lage oder zumindest keine Katalysatorlage 182 und keine Gasdiffusionslage 184 umfasst, auf der anderen Seite der Membranlage 178 zumindest in einem weiteren Schritt eine Katalysatorlage 182 und eine Gasdiffusionslage 184 aufgebracht. Bei einigen günstigen Varianten werden diese beiden Lagen 182, 184 in getrennten Schritten aufgebracht. Bei einigen vorteilhaften Ausführungsformen werden zunächst die Katalysatorlage 182 und die Gasdiffusionslage 184 miteinander verbunden und bilden so beispielsweise eine Gasdiffusionselektrode aus, und dann in einem weiteren Schritt wird der Verbund der Katalysatorlage 182 und der Gasdiffusionslage 184 auf die Lageneinheit 192 aufgebracht.
Es sind auch noch weitere Varianten der Ausbildung der Lageneinheit 192 und der auf diese noch aufzubringenden Lagen möglich.
Insbesondere wird die zumindest eine weitere Lage auf die Lageneinheit 192 laminiert.
Insbesondere sind günstige Merkmale und Ausgestaltungen einer Brennstoffzellenvorrichtung 100, welche zumindest ein einen Lagenverbund 152 aufweisendes Membranbauteil 144 umfasst, und eines Verfahrens zur Herstellung einer solchen Brennstoffzellenvorrichtung 100 sowie beispielsweise Vorteile hiervon kurz zusammengefasst wie folgt.
Eine zumindest eine Membranlage 178 und zumindest eine weitere Lage 182, 184 umfassende Lageneinheit 192 für den Lagenverbund 152 wird durch Applikation von Energie, insbesondere durch zumindest ein Strahlungsfeld 212, 228, zumindest teilweise von einem Vorerzeugnis 196, bei welchem die Lagen 178, 182, 184 für die Lageneinheit 192 bereits übereinander angeordnet und miteinander verbunden sind, zumindest teilweise abgetrennt und vorteilhafterweise wird durch die Applikation der Energie die Lageneinheit 192 von dem Vorerzeugnis 196 vereinzelt.
Vorzugsweise ist das Strahlungsfeld 212, 228 ein Laserstrahlungsfeld.
Durch die Applikation der Energie wird an einer Trennkontur 272 an einer jeweiligen Applikationsstelle 194, insbesondere lediglich lokal an der Applikationsstelle 194, das Material des Vorerzeugnisses 196 in eine abtragungsfähige Phase versetzt und entfernt, wodurch die Lageneinheit 192 von einem Rest des Vorerzeugnisses 196 abgetrennt wird.
Durch eine günstige Auswahl der Parameter der Applikation der Energie wird lediglich in einer kleinen Modifikationszone 292, welche an die hergestellte Trennkante 284 der Lageneinheit 192 angrenzt, das Material der Lagen 178, 182, 184 der Lageneinheit 192 modifiziert.
Insbesondere werden die Parameter so gewählt, sodass das Abtrennverfahren als nichtthermisches Abtrennverfahren erfolgt, sodass also im Wesentlichen der überwiegende Großteil des Materials der Lagen 178, 182, 184 der Lageneinheit 192 trotz der Applikation der Energie nicht beeinflusst wird.
Günstigerweise erfolgt die Applikation der Energie so, dass ein kalter Schnitt entlang der Trennkontur 272 erfolgt.
Günstigerweise wird zumindest ein Parameter der nachfolgenden Gruppe von Parametern gezielt ausgewählt für eine vorteilhafte Applikation der Energie und/oder um eine qualitativ hochwertige Trennkante 284 zu erhalten. Insbesondere umfasst die Gruppe der auszuwählenden Parameter eine Energiedichte der eingebrachten Energie und/oder eine Applikationsdauer und/oder Pulsparameter, wie beispielsweise Pulsdauer und/oder Pulsform und/oder Pulsfrequenz und/oder Pulsenergie, und/oder insbesondere bei einem Strahlungsfeld 212, 228 dessen Wellenlänge und/oder dessen Fokussierung und/oder dessen Strahlkaustik.
Vorteilhafterweise wird durch den Abtragungsprozess durch die Applikation der Energie zumindest im Wesentlichen kein Material einer Lage 178, 182, 184 in einen Bereich einer anderen Lage 178, 182, 184 verschoben, wie es beispielsweise bei einem Stanzverfahren durch die Einbringung von Druck geschehen kann.
Insbesondere kann so ein Lagenverbund 152 ausgebildet werden, bei dem das Material einer auf einer Seite einer Membranlage 178 angeordneten Lage, insbesondere einer Katalysatorlage 182 und/oder einer Gasdiffusionslage 184, nicht auf eine andere Seite der Membranlage 178, insbesondere höchstens bis zur Hälfte der Dicke der Membranlage 178, günstigerweise noch weniger weit in die Membranlage 178, verschoben wird.
Günstigerweise kann durch das Verfahren eine scharfe Trennkante 284 ausgebildet werden.
Beispielsweise umfasst zumindest eine weitere Lage 182, 184 der Lageneinheit 192 ein faserhaltiges Material. Insbesondere sind die Fasern zumindest teilweise miteinander verschlungen und/oder in Schleifen angeordnet. Bei einem Abtrennen der Fasern können Faserteile sich teilweise lösen, beispielsweise durch ein Lösen eines verschlungenen Teils und/oder einer Durchtrennung einer Schleife, und gegebenenfalls über die Trennkante 284 hervorstehen. Vorteilhafterweise ist bei dem Verfahren vorgesehen, dass nach dem Abtrennen der Lageneinheit 192 von dem Rest des Vorerzeugnisses 196 und ein weiterer Umlauf der Applikation der Energie, insbesondere des Strahlungsfelds 212, 228, erfolgt, um gegebenenfalls bei dem Abtrennen teilweise gelöste und nun über die Trennkante 284 hervorstehende Fasern abzutrennen.
Insbesondere wird auch in der Trennkante 284 und in der Modifikationszone 292 die Membranlage 178 soweit nicht beeinflusst, dass deren elektrischer Widerstand auch in diesem Bereich hoch bleibt und somit eine Gefahr von Kurzschlüssen, beispielsweise durch überstehende Fasern und/oder Bruchstücken der anderen Lagen, welche die Membranlage 178 überbrücken, und/oder durch Eindrücken beschädigen, zumindest verringert oder gar größtenteils ausgeschlossen wird.
In der 7 ist beispielhaft eine Trennkante einer Lageneinheit nach dem Stand der Technik gezeigt, wobei die Lageneinheit eine beidseitig mit je einer Katalysatorlage 182' versehene Membranlage 178', welche zusammen in der 7 als CCM bezeichnet werden, sowie beidseitig der CCM je eine Gasdiffusionslage 184', die in der 7 als GDL bezeichnet werden, umfasst.
Bei der in der 7 gezeigten Trennkante nach dem Stand der Technik ist die Membranlage 178' durch zumindest eine aus einer der Gasdiffusionslagen 184' stammenden Faser beschädigt, wobei diese Faser die Membranlage 178 durchbricht und überbrückt.
In der 8 sind beispielhaft wohldefinierte Trennkanten 284 von Lageneinheiten 192, welche mit einem erfindungsgemäßen Trennverfahren durch Applikation von Energie aus einem Vorerzeugnis 196 vereinzelt wurden, gezeigt.
In der 8 wird eine Gasdiffusionslage 184 mit GDL bezeichnet und deren mikroporöse Schicht mit MPL bezeichnet. Mit „Elektrode“ ist eine Gasdiffusionselektrode, die unter anderem einen kohlenstoffgeträgerten Edelmetallkatalysator sowie ein Ionomer enthält, bezeichnet.
Die Bilder der 8 wurden mit einem Rasterelektronenmiskroskop Verfahren aufgenommen.
BEZUGSZEICHENLISTE

100: Brennstoffzellenvorrichtung
110: Brennstoffzelleneinheit
112: Leitungssystem
114: Leitungseinrichtung für Brennstoffmedium
116: Leitungseinrichtung für Oxidationsmedium
122: Stapel
124: Zelleinheit
132: Temperiereinrichtung
134: Leitungseinrichtung der Temperiereinrichtung
142: Flachbauteil
144: Membranbauteil
152: Lagenverbund
154: Rahmenelement
162: Flächenausdehnungsebene
164: Flächenausdehnungsrichtung
166: Flächenausdehnungsrichtung
172: Vertikalrichtung
178: Membranlage
182: Katalysatorlage
184: Gasdiffusionslage
192: Lageneinheit
194: Applikationsstelle
196: Vorerzeugnis
198: Lagenanordnungsrichtung
208: Anlage
212: Strahlungsfeld
214: Strahlungsfeldeinrichtung
216: Strahlungsfeldquelle
218: optisches System
222: Scanneroptik
226: Strahlteiler
228: Teilstrahlungsfeld
232: Gasströmungseinrichtung
234: Gasströmung
236: Absaugevorrichtung
238: Gasdüse
252: Haltevorrichtung
254: Auflage
256: Auflagefläche
262: Niederhalteeinrichtung
264: Halteplatteneinheit
272: Trennkontur
276: Schnittspalt
278: Aussparung
284: Trennkante
292: Modifikationszone

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung (100), welche zumindest ein einen Lagenverbund (152) aufweisendes Membranbauteil (144) umfasst, wobei bei dem Verfahren zumindest eine Lageneinheit (192), die mehrere Lagen (178, 182, 184) umfasst, insbesondere eine Membranlage (178) und zumindest eine weitere Lage (182, 184) umfasst, für den Lagenverbund (152) aus einem Vorerzeugnis (196) durch Applikation von Energie entlang einer Trennkontur (272) zumindest teilweise abgetrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lageneinheit (192) von dem Vorerzeugnis (196) zumindest im Wesentlichen vereinzelt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das Abtrennen als solches zumindest im Wesentlichen durch Applikation von Energie und nicht durch ein Aufbringen von mechanischem Druck an der Trennkontur (272) erfolgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Abtrennen durch Applikation von Energie das Material der Lagen (178, 182, 184) an der Trennkontur (272) abgetragen wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Applikation von Energie schrittweise Material des Vorerzeugnisses (196) abgetragen wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem zumindest teilweisen Abtrennen der Lageneinheit (192) an deren Trennkante (284) Energie appliziert wird insbesondere zum Begradigen der Trennkante (284).
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Applikation der Energie an einer Applikationsstelle (194) ein Material des Vorerzeugnisses (196) an der Applikationsstelle (194) in eine abtragungsfähige Phase versetzt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Applikation von Energie an einer Applikationsstelle (194) Material des Vorerzeugnisses (196) an der Applikationsstelle (194) in eine gasförmige Phase verdampft und/oder sublimiert wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie lokal fokussiert an zumindest einer Applikationsstelle (194) entlang der Trennkontur (272) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Applikationsstelle (194), an welcher die Energie appliziert wird, eine Ausdehnung von höchstens 500 µm, vorzugsweise von höchstens 100 µm, insbesondere von höchstens 50 µm und/oder eine Ausdehnung von mindestens 1 µm, insbesondere von mindestens 5 µm, insbesondere von mindestens 25 µm, aufweist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie gepulst appliziert wird, wobei insbesondere - eine Pulsdauer höchstens 10 ps, insbesondere höchstens 5 ps, insbesondere höchstens 1 ps lang ist und/oder mindestens 100 as, insbesondere mindestens 600 as, insbesondere mindestens 100 fs, insbesondere mindestens 800 fs lang ist und/oder - eine Pulsenergie mindestens 5 µJ, insbesondere mindestens 20 µJ, insbesondere mindestens 50 µJ, insbesondere mindestens 70 µJ groß ist und/oder höchstens 2 mJ, insbesondere höchstens 1 mJ, insbesondere höchstens 500 µJ groß ist und/oder - eine Pulsfrequenz mindestens 50 kHz groß ist und/oder höchstens 5 MHz, insbesondere höchstens 1 MHz, insbesondere höchstens 250 kHz groß ist, und/oder - eine Pulsform zu Pulsbeginn und/oder zu einem Pulsende eine steile Flanke aufweist, beispielsweise zumindest näherungsweise rechteckig ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie gleichzeitig an mehreren insbesondere lokalen Applikationsstellen (194) eingebracht wird, insbesondere durch mehrere Energiequellen und/oder durch zumindest einen Energieteiler.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie als Strahlungsenergie appliziert wird.
Verfahren nach dem voranstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung der Strahlungsenergie eine Wellenlänge im infraroten und/oder sichtbaren und/oder ultravioletten Bereich aufweist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie durch Laserstrahlung appliziert wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung der Strahlungsenergie zirkular polarisiert ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Trennkontur (272) zumindest eine Lage (178, 182, 184) der Lageneinheit (192) zurückgesetzt zu einer anderen Lage (178, 182, 184) abgetrennt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Ausnutzung einer Strahlkaustik der Energiestrahlung eine Ausgestaltung der Trennkante (284) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gasströmung (234) angewendet wird, um ein Abtransportieren von Material von zumindest einer Applikationsstelle (194) zumindest zu unterstützen.
Verfahren nach dem voranstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mittels zumindest eines Teils der Gasströmung (234) zumindest ein Teil des Materials, insbesondere des in der abtragungsfähigen, insbesondere flüchtigen, vorzugsweise gasförmigen, Phase vorliegende Materials, von zumindest einer Applikationsstelle (194) weggeblasen wird.
Verfahren nach einem der zwei voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels zumindest eines Teils der Gasströmung (234) zumindest ein Teil des Material, insbesondere des in der abtragungsfähigen, insbesondere flüchtigen, vorzugsweise gasförmigen, Phase vorliegende Materials, von zumindest einer Applikationsstelle abgesaugt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Applikation der Energie, insbesondere ein Führen eines Strahlungsfeldes, unabhängig von einer Führung und/oder einer Orientierung einer das Material zumindest teilweise abtransportierenden Gasströmung (234) erfolgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden auf ein Verfahren gerichteten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die abgetrennte Lageneinheit (192) bereits sämtliche für den Lagenverbund (152) erforderlichen Lagen umfasst.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, außer dem voranstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem der Abtrennung der Lageneinheit (192) nachfolgenden Schritt die Lageneinheit (192) mit noch zumindest einer weiteren Lage (182, 184) versehen wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zumindest einen Schritt aufweist zur Ausbildung zumindest eines Merkmals der nachstehend auf eine Brennstoffzellenvorrichtung (100) gerichteten Ansprüche.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren einen Schritt zur Fertigstellung der Brennstoffzellenvorrichtung (100) umfasst.
Brennstoffzellenvorrichtung (100) umfassend zumindest ein einen Lagenverbund (152) aufweisendes Membranbauteil (144), wobei der Lagenverbund (152) zumindest eine Membranlage (178) umfasst, wobei die Brennstoffzellenvorrichtung (100) nach einem der voranstehenden Verfahrensansprüche hergestellt ist, wobei insbesondere eine mehrere Lagen (178, 182, 184) umfassende Lageneinheit (192) des Lagenverbunds (152) gemäß einem der voranstehenden Verfahrensansprüche von einem Vorerzeugnis (196) abgetrennt wurde.
Brennstoffzellenvorrichtung (100), insbesondere nach dem voranstehenden Anspruch, umfassend zumindest ein einen Lagenverbund (152) aufweisendes Membranbauteil (144), wobei zumindest eine mehrere Lagen (178, 182, 184) umfassende Lageneinheit (192) des Lagenverbundes (152) eine wohldefinierte Trennkante (284) aufweist.
Brennstoffzellenvorrichtung (100) nach einem der voranstehenden auf eine Brennstoffzellenvorrichtung gerichteten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im Bereich der Trennkante (272) Material einer Lage (178, 182, 184) der Lageneinheit (192) von einer Seite, auf welche diese Lage (178, 182, 184) angeordnet ist, in eine weitere Lage (178, 182, 184) der Lageneinheit (192), insbesondere in die Membranlage (178) hinein ragt, aber höchstens bis etwa der gegenüberliegenden Seite der weiteren Lage (178, 182, 184) ragt, wobei die gegenüberliegende Seite bezogen auf eine Lagenanordnungsrichtung (198) gegenüberliegend ist.
Brennstoffzellenvorrichtung (100) nach einem der voranstehenden auf eine Brennstoffzellenvorrichtung gerichteten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im Bereich der Trennkante (272) die Membranlage (178) zumindest näherungsweise frei von Material anderer Lagen zumindest der Lageneinheit (192) ist.
Brennstoffzellenvorrichtung (100) nach einem der voranstehenden auf eine Brennstoffzellenvorrichtung gerichteten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Trennkante (272) die Membranlage (178) zumindest im Wesentlichen einen gleichen elektrischen Widerstand aufweist wie in einem von der Abtrennung unbeeinflussten Bereich.
Brennstoffzellenvorrichtung (100) nach einem der voranstehenden auf eine Brennstoffzellenvorrichtung gerichteten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Trennkante (284) der Lageneinheit (192) eine Modifikationszone ausgebildet ist, in welcher das Material zumindest einer Lage (178, 182, 184) der Lageneinheit (192) insbesondere chemisch modifiziert ist.
Brennstoffzellenvorrichtung (100) nach einem der voranstehenden auf eine Brennstoffzellenvorrichtung gerichteten Ansprüche und/oder Verfahren nach einem der voranstehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lageneinheit (192) und/oder der Lagenverbund (152) zumindest eine Membranlage (178) und/oder zumindest eine Katalysatorlage (182) und/oder zumindest eine Gasdiffusionslage (184) umfasst.