DE102022202108A1 - Connection method and connection device - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbindungsverfahren (200) zum Verbinden von einer Membranelektrodeneinheit (10) eines elektrochemischen Energiewandlersystems (100) mit wenigstens einer Gasdiffusionslage (20) des elektrochemischen Energiewandlersystems (100) durch eine Verbindungsvorrichtung (150), das Verbindungsverfahren (200) aufweisend die folgenden Verfahrensschritte:
- Bereitstellen (202) der Membranelektrodeneinheit (10) und wenigstens einer Gasdiffusionslage (20),
- Auftragen (204) eines zumindest teilweise flüssigen Verbindungsmittels (30) auf die Membranelektrodeneinheit (10) und/oder die wenigstens eine Gasdiffusionslage (20) durch eine Auftragsvorrichtung (152) der Verbindungsvorrichtung (150), wobei das Auftragen (204) entlang einer Verbindungslinie (V) erfolgt und abschnittsweise unterbrochen wird,
- Verbinden (206) der Membranelektrodeneinheit (10) und der wenigstens einen Gasdiffusionslage (20) mittels des zumindest teilweise flüssigen Verbindungsmittels (30) durch die Verbindungsvorrichtung (150).
Ferner betrifft die Erfindung eine Verbindungsvorrichtung (150) zum Ausführen des Verbindungsverfahrens (200).
- Providing (202) the membrane electrode unit (10) and at least one gas diffusion layer (20),
- Application (204) of an at least partially liquid connecting agent (30) to the membrane electrode unit (10) and/or the at least one gas diffusion layer (20) by an application device (152) of the connecting device (150), the application (204) along a connecting line (V) takes place and is interrupted in sections,
- Connecting (206) the membrane electrode unit (10) and the at least one gas diffusion layer (20) by means of the at least partially liquid connecting agent (30) through the connecting device (150).
The invention also relates to a connecting device (150) for carrying out the connecting method (200).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbindungsverfahren zum Verbinden von einer Membranelektrodeneinheit eines elektrochemischen Energiewandlersystems mit wenigstens einer Gasdiffusionslage des elektrochemischen Energiewandlersystems durch eine Verbindungsvorrichtung. Ferner betrifft die Erfindung eine Verbindungsvorrichtung zum Ausführen des Verbindungsverfahrens.The present invention relates to a connection method for connecting a membrane electrode unit of an electrochemical energy converter system to at least one gas diffusion layer of the electrochemical energy converter system using a connection device. Furthermore, the invention relates to a connecting device for carrying out the connecting method.
Stand der TechnikState of the art
Im bekannten Stand der Technik kommen als Ausgleichsschicht beispielsweise bei PEM-Brennstoffzellen sogenannte Gasdiffusionslagen zum Einsatz. Diese werden zumeist zwischen eine Bipolarplatte und eine Membranelektrodeneinheit eingelegt oder auf der Membranelektrodeneinheit und/oder der Bipolarplatte angebunden. In der Regel erfolgt eine Montage der Gasdiffusionslage auf eine 5-Lagen-Membranelektrodeneinheit. Hier kommt häufig ein Klebeprozess zum Einsatz. Bei bekannten Verbindungsverfahren wird meist eine umlaufende Klebenaht appliziert. Dieses Vorgehen geht mit einem hohen Verbrauch an Klebstoff und einer langen Prozesszeit einher. Diese Nachteile werden jedoch häufig in Kauf genommen um eine ausreichende Festigkeit der Anbindung sicherzustellen.In the known state of the art, so-called gas diffusion layers are used as a leveling layer, for example in PEM fuel cells. These are usually placed between a bipolar plate and a membrane electrode unit or attached to the membrane electrode unit and/or the bipolar plate. The gas diffusion layer is usually mounted on a 5-layer membrane electrode unit. A bonding process is often used here. In the case of known connection methods, a peripheral adhesive seam is usually applied. This procedure is associated with a high consumption of adhesive and a long process time. However, these disadvantages are often accepted in order to ensure sufficient strength of the connection.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Die Erfindung beansprucht ein Verbindungsverfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Ferner offenbart die Erfindung eine Verbindungsvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 10. The invention claims a connection method having the features of independent claim 1. The invention further discloses a connection device having the features of
Weitere Vorteile und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verbindungsverfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.Further advantages and details of the invention result from the dependent claims, the description and the drawings. Features that are described in connection with the connection method according to the invention naturally also apply in connection with the connection device according to the invention and vice versa, so that the disclosure of the individual aspects of the invention is or can always be referred to reciprocally.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung offenbart die Erfindung ein Verbindungsverfahren zum Verbinden von einer Membranelektrodeneinheit eines elektrochemischen Energiewandlersystems mit wenigstens einer Gasdiffusionslage des elektrochemischen Energiewandlersystems durch eine Verbindungsvorrichtung. Das Verbindungsverfahren weist die folgenden Verfahrensschritte auf:
- - Bereitstellen der Membranelektrodeneinheit und der wenigstens einen Gasdiffusionslage,
- - Auftragen eines zumindest teilweise flüssigen Verbindungsmittels auf die Membranelektrodeneinheit und/oder die wenigstens eine Gasdiffusionslage durch eine Auftragsvorrichtung der Verbindungsvorrichtung, wobei das Auftragen entlang einer Verbindungslinie erfolgt und abschnittsweise unterbrochen wird,
- - Verbinden der Membranelektrodeneinheit und der wenigstens einen Gasdiffusionslage mittels des zumindest teilweise flüssigen Verbindungsmittels durch die Verbindungsvorrichtung.
- - providing the membrane electrode unit and the at least one gas diffusion layer,
- - Application of an at least partially liquid connecting agent to the membrane electrode unit and/or the at least one gas diffusion layer using an application device of the connecting device, the application taking place along a connecting line and being interrupted in sections,
- - Connecting the membrane electrode unit and the at least one gas diffusion layer by means of the at least partially liquid connecting agent through the connecting device.
Die zuvor und die im Nachfolgenden beschrieben Verfahrensschritte können, wenn nicht explizit anderweitig angegeben, einzeln, zusammen, einfach, mehrfach, zeitlich parallel und/oder nacheinander in beliebiger Reihenfolge ausgeführt werden. Eine Benennung als beispielsweise „erster Verfahrensschritt“ und „zweiter Verfahrensschritt“ bedingt keine zeitliche Reihenfolge und/oder Priorisierung. Eine bevorzugte Reihenfolge der Verfahrensschritte sieht vor, dass die Verfahrensschritte in der aufgeführten Reihenfolge ausgeführt werden.Unless explicitly stated otherwise, the method steps described above and below can be carried out individually, together, once, multiple times, at the same time and/or one after the other in any order. A designation as, for example, “first procedural step” and “second procedural step” does not require any chronological order and/or prioritization. A preferred order of the method steps provides that the method steps are carried out in the order listed.
Ein elektrochemisches Energiewandlersystem ist im Rahmen der Erfindung als Brennstoffzellensystem und/oder als Elektrolyseursystem zu verstehen. Die Membranelektrodeneinheit ist bevorzugt an der wenigstens einen Gasdiffusionslage und/oder zwischen zwei Gasdiffusionslagen angeordnet. Eine Anordnung der Membranelektrodeneinheit zwischen zwei Gasdiffusionslagen sieht bevorzugt eine Anordnung jeweils einer Gasdiffusionslage auf gegenüberliegenden Seiten der Membranelektrodeneinheit vor. Die Membranelektrodeneinheit und die wenigstens eine Gasdiffusionslage sind bevorzugt aneinander, insbesondere kontaktierend angeordnet. Die Membranelektrodeneinheit und die wenigstens eine Gasdiffusionslage sind bevorzugt flächig ausgestaltet, sodass die Membranelektrodeneinheit und die wenigstens eine Gasdiffusionslage in zwei Raumachsen eine deutlich größere konstruktive Ausgestaltung als in der dritten Raumachse aufweisen. Eine erfindungsgemäße Verbindungsvorrichtung ist in einem eigenen Abschnitt der Beschreibung detaillierter dargestellt. Grundsätzlich soll eine Verbindungsvorrichtung beispielsweise als eine Fertigungsvorrichtung zur zumindest teilweisen Fertigung von Brennstoffzellen und/oder Elektrolyseuren verstanden werden. Bevorzugt erfolgen die Verfahrensschritte des Verbindungsverfahrens automatisiert durch die Vorrichtungen der Verbindungsvorrichtung. Beispielsweise ist die Auftragsvorrichtung als ein Jetter, zum Auftragen des zumindest teilweise flüssigen Verbindungsmittels auf die Membranelektrodeneinheit und/oder die wenigstens eine Gasdiffusionslage ausgestaltet. Ein Jetter ist bevorzugt als eine Vorrichtung zum Jetten des zumindest teilweise flüssigen Verbindungsmittels und/oder als eine Vorrichtung zum Mikrodosieren des zumindest teilweise flüssigen Verbindungsmittels bei dem Auftragen zu verstehen. Das erfindungsgemäße Verbindungsmittel umfasst beispielsweise Epoxide, Acrylate, Silikone, Polyurethane, Ein- oder ZweiKomponentenkleber und/oder eine Kombination der zuvor genannten Verbindungsmittel. Bevorzugt ist das Verbindungsmittel als ein Schmelzverbindungsmittel und/oder Hotmelt ausgestaltet und härtet durch Abkühlung aus. Bevorzugt dient das Verbindungsmittel der Montagehilfe der Membranelektrodeneinheit und der wenigstens einen Gasdiffusionslage für eine vereinfachte Stapelung der Membranelektrodeneinheit und der wenigstens einen Gasdiffusionslage und/oder des Energiewandlersystems. Das Verbindungsmittel ist im Rahmen der Erfindung bevorzugt nicht als alleinige Verbindungskraft des Energiewandlersystems zu verstehen. Das Energiewandlersystem wird bevorzugt zusätzlich über eine Flächenpressung der einzelnen Brennstoffzellen und/oder Elektrolyseure durch beispielsweise eine Pressvorrichtung verbunden.An electrochemical energy converter system is to be understood within the scope of the invention as a fuel cell system and/or as an electrolyzer system. The membrane electrode unit is preferably arranged on the at least one gas diffusion layer and/or between two gas diffusion layers. An arrangement of the membrane electrode unit between two gas diffusion layers preferably provides for an arrangement of one gas diffusion layer on opposite sides of the membrane electrode unit. The membrane electrode unit and the at least one gas diffusion layer are preferably arranged next to one another, in particular in contact. The membrane electrode unit and the at least one gas diffusion layer are preferably configured flat, so that the membrane electrode unit and the at least one gas diffusion layer have a significantly larger structural configuration in two spatial axes than in the third spatial axis. A connecting device according to the invention is presented in more detail in a separate section of the description. In principle, a connecting device should be understood, for example, as a manufacturing device for at least partially manufacturing fuel cells and/or electrolyzers. The method steps of the connection method are preferably carried out automatically by the devices of the connection device. For example, the application device is designed as a jetter for applying the at least partially liquid connecting agent to the membrane electrode unit and/or the at least one gas diffusion layer. A jetter is preferred as a device for jetting the at least partially liquid connecting agent and/or as a device for microdosing the at least To understand partially liquid connecting agent in the application. The connection means according to the invention includes, for example, epoxides, acrylates, silicones, polyurethanes, one- or two-component adhesives and/or a combination of the connection means mentioned above. The connecting means is preferably designed as a melt connecting means and/or hotmelt and hardens by cooling. The connecting means preferably serves as an assembly aid for the membrane electrode unit and the at least one gas diffusion layer for simplified stacking of the membrane electrode unit and the at least one gas diffusion layer and/or the energy converter system. In the context of the invention, the connecting means is preferably not to be understood as the sole connecting force of the energy converter system. The energy converter system is preferably additionally connected via a surface pressure of the individual fuel cells and/or electrolyzers, for example by a pressing device.
Die erfindungsgemäße Verbindungslinie ist als eine imaginäre Linie zu verstehen, entlang derer das Verbindungmittel durch die Auftragsvorrichtung aufgetragen wird. Durch die abschnittsweise Unterbrechung ist folglich nicht die gesamte Verbindungslinie mit Verbindungsmittel bedeckt. Die abschnittsweise Unterbrechung des Auftragens und damit des Klebemittels auf der Verbindungslinie ist bevorzugt regelmäßig und/oder vielfach unterbrochen ausgestaltet. Anschaulich beschrieben wird somit das Verbindungmittel auf Abschnitten der Verbindungslinie aufgetragen, wobei eben kein durchgängiges Auftragen des Verbindungsmittels, sondern ein örtlich unterbrochenes Auftragen des Verbindungsmittels erfolgt. Somit bleiben in dem erfindungsgemäßen Verbindungsverfahren Abschnitte der Verbindungslinie nach dem Auftragen verbindungsmittelfrei.The connecting line according to the invention is to be understood as an imaginary line along which the connecting agent is applied by the application device. As a result of the partial interruption, the entire connecting line is not covered with connecting means. The sectional interruption of the application and thus of the adhesive on the connecting line is preferably configured regularly and/or with multiple interruptions. Descriptively described, the connecting means is thus applied to sections of the connecting line, with the connecting means not being applied continuously, but rather a locally interrupted application of the connecting means. Thus, in the connection method according to the invention, sections of the connection line remain free of connection means after application.
Ein derart ausgestaltetes Verbindungsverfahren ist besonders vorteilhaft, da ein Verbinden der Membranelektrodeneinheit und der wenigstens einen Gasdiffusionslage mittels des zumindest teilweise flüssigen Verbindungsmittels durch die Verbindungsvorrichtung besonders einfach ermöglicht wird, wobei vorteilhaft geringe Mengen Verbindungsmittel für das Verbinden verbraucht werden, da das Auftragen entlang einer Verbindungslinie erfolgt und abschnittsweise unterbrochen wird. Bevorzugt wird durch ein erfindungsgemäßes Verbindungsverfahren die Einsatzmenge des Verbindungsmittels unter Beibehaltung einer Mindestfestigkeit für ein verliersicheres Teilehandling und eine positionsgenaue Fixierung der Gasdiffusionslage im Aufbau beispielsweise eines Brennstoffzellenstapels sicher ermöglicht.A connection method configured in this way is particularly advantageous, since the connection device makes it particularly easy to connect the membrane electrode unit and the at least one gas diffusion layer by means of the at least partially liquid connection medium, with advantageously small amounts of connection medium being used for the connection, since the application takes place along a connection line and is interrupted in sections. A connection method according to the invention preferably enables the amount of connection means to be used while maintaining a minimum strength for captive parts handling and precise fixing of the gas diffusion layer in the structure of a fuel cell stack, for example.
Anschaulich beschrieben wird als generelle Abgrenzung zu bereits bekannten Ausführungen anstatt einer umlaufenden Kleberaupe eine Fixierung mit beispielsweise punktuell aufgetragenen Klebestellen offenbart. Vorteilhaft wirkt sich hierbei aus, dass die eingesetzte Klebstoffmenge und Prozesszeit deutlich reduziert werden. Außerdem wird durch einen geringeren bzw. nur punktuellen Höhenaufbau der Klebepunkte eine Beeinflussung der Flächenpressung der Zellen im gestapelten Aufbau einer Brennstoffzelle und/oder eines Elektrolyseurs deutlich reduziert.Described clearly, as a general distinction from already known designs, instead of a circumferential bead of adhesive, a fixation with, for example, adhesive spots applied at certain points is disclosed. The advantage here is that the amount of adhesive used and the processing time are significantly reduced. In addition, an influence on the surface pressure of the cells in the stacked structure of a fuel cell and/or an electrolyzer is significantly reduced by a lower or only selective height structure of the adhesive points.
Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einem Verbindungsverfahren vorgesehen sein, dass das Verbindungsverfahren ferner umfasst:
- - Bereichsweise Entfernen wenigstens einer Oberflächenschicht der wenigstens einen Gasdiffusionslage durch eine Entfernungsvorrichtung der Verbindungsvorrichtung vor dem Auftragen des zumindest teilweise flüssigen Verbindungsmittels auf die wenigstens eine Gasdiffusionslage, wobei in dem Verfahrensschritt des Auftragens das zumindest teilweise flüssigen Verbindungsmittel an die Bereiche der entfernten wenigstens einen Oberflächenschicht aufgetragen wird.
- - Area-wise removal of at least one surface layer of the at least one gas diffusion layer by a removal device of the connecting device before the application of the at least partially liquid connecting agent to the at least one gas diffusion layer, wherein in the application process step the at least partially liquid connecting agent is applied to the areas of the removed at least one surface layer .
In der Regel weist die Gasdiffusionslage eine zusätzliche einseitig aufgebrachte Oberflächenschicht auf, beispielsweise eine mikroporöse Oberflächenschicht. Diese Oberflächenschicht wird zumeist als Schutzschicht zur Membranelektrodeneinheit hin montiert. Diese Oberflächenschicht besteht als mikroporöse Schicht beispielsweise aus sehr kleinen gebundenen Kohlepartikeln. Diese Oberflächenschicht besitzt in der Regel jedoch eine sehr geringe Haftung zur restlichen makroporösen Schicht der Gasdiffusionslage. Um eine verbesserte Festigkeit zwischen der Gasdiffusionslage und der Membranelektrodeneinheit zu ermöglichen, wird vor dem Auftragen des zumindest teilweise flüssigen Verbindungsmittels auf die wenigstens eine Gasdiffusionslage bereichsweise wenigstens eine Oberflächenschicht der wenigstens einen Gasdiffusionslage durch eine Entfernungsvorrichtung der Verbindungsvorrichtung entfernt. Eine Entfernungsvorrichtung ist bevorzugt als Laser zum Abtrag wenigstens einer Oberflächenschicht ausgestaltet. Alternativ oder zusätzlich erfolgt das Entfernen mechanisch und/oder als ein Anrauen der Verbindungsstellen. Das Entfernen erfolgt bevorzugt punktuell an den späteren Klebestellen. So wird beispielsweise anschaulich die grobe Faserstruktur der Gasdiffusionslage freigelegt und eine direkte Anbindung des Verbindungsmittels an die grobe Faserstruktur der Gasdiffusionslage ermöglicht. Durch das Eindringen des Klebstoffs kann dieser direkt an die Faserstruktur anbinden und sich dort vernetzen. Damit wird eine deutliche Steigerung der Festigkeit pro Klebepunkt erreicht und damit kann trotz deutlicher Reduzierung der Verbindungsmittelmenge eine ausreichende Verbindung der Bauteile sichergestellt werden.As a rule, the gas diffusion layer has an additional surface layer applied on one side, for example a microporous surface layer. This surface layer is mostly mounted as a protective layer towards the membrane electrode unit. As a microporous layer, this surface layer consists, for example, of very small bonded carbon particles. As a rule, however, this surface layer has very little adhesion to the remaining macroporous layer of the gas diffusion layer. In order to enable improved strength between the gas diffusion layer and the membrane electrode unit, before the at least partially liquid bonding agent is applied to the at least one gas diffusion layer, at least one surface layer of the at least one gas diffusion layer is removed in regions by a removal device of the bonding device. A removal device is preferably designed as a laser for removing at least one surface layer. Alternatively or additionally, the removal takes place mechanically and/or by roughening the connection points. The removal is preferably carried out selectively at the subsequent bonding points. For example, the coarse fiber structure of the gas diffusion layer is clearly exposed and a direct connection of the connecting means to the coarse fiber structure of the gas diffusion layer is made possible. By penetrating the adhesive, it can bind directly to the fiber structure and crosslink there. This becomes a clear Increase in strength per adhesive point is achieved and thus a sufficient connection of the components can be ensured despite a significant reduction in the amount of fasteners.
Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einem Verbindungsverfahren vorgesehen sein, dass das Auftragen des zumindest teilweise flüssigen Verbindungsmittels entlang der Verbindungslinie zumindest abschnittsweise entlang einer Außenkante der Membranelektrodeneinheit und/oder einer Außenkante der wenigstens einen Gasdiffusionslage erfolgt. Wie voranstehend beschrieben sind die Membranelektrodeneinheit und die wenigstens eine Gasdiffusionslage flächig ausgestaltet. Die Außenkanten sind somit als die Außenkanten der Grundfläche der Membranelektrodeneinheit und der wenigstens einen Gasdiffusionslage zu verstehen. Die Grundfläche ist zumeist rechteckig ausgestaltet und mit zwei kurzen Stirnseiten und zwei längeren Seiten entlang der Fließrichtung der Prozessfluide des Energiewandlersystems innerhalb der Ebene der Membranelektrodeneinheit und der wenigstens einen Gasdiffusionslage ausgestaltet. Die einzelnen Brennstoffzellen und/oder Elektrolyseure weisen zumeist ein Verteilerfeld an den Stirnseiten auf und ein aktives Feld zwischen den Verteilerfeldern auf. Bevorzugt wird mit der vorliegenden Lösung auf den Auftrag von Verbindungsmittel auf der kurzen Seite der Verteilerfelder verzichtet, um eine erhöhte Flächenpressung in diesem Bereich zu verhindern. In Folge einer erhöhten Flächenpressung würde es zu einer Reduzierung des Kanalquerschnitts in den Verteilerfeldern einer Bipolarplatte des elektrochemisches Energiewandlersystems kommen, was wiederum das freie Durchströmen mit den Prozessfluiden und damit die Performance der Brennstoffzelle und/oder des Elektrolyseurs negativ beeinflusst. Anschaulich wird somit das Verbindungsmittel entlang zwei Verbindungslinien an den langen Seiten und/oder Außenkanten der Membranelektrodeneinheit und/oder der wenigstens einen Gasdiffusionslage aufgetragen. Ein derart ausgestaltetes Verbindungsverfahren ist besonders vorteilhaft, da somit eine vorteilhafte Verbindung der Membranelektrodeneinheit und der wenigstens einen Gasdiffusionslage bei gleichzeitig geringem Verbindungsmittelbedarf ermöglicht wird.According to a preferred further development of the invention, it can be provided in a connection method that the at least partially liquid connecting agent is applied along the connecting line at least in sections along an outer edge of the membrane electrode unit and/or an outer edge of the at least one gas diffusion layer. As described above, the membrane electrode unit and the at least one gas diffusion layer are of two-dimensional design. The outer edges are thus to be understood as the outer edges of the base area of the membrane electrode unit and the at least one gas diffusion layer. The base area is mostly rectangular and has two short end faces and two longer sides along the direction of flow of the process fluids of the energy converter system within the plane of the membrane electrode unit and the at least one gas diffusion layer. The individual fuel cells and/or electrolyzers usually have a distributor field on the end faces and an active field between the distributor fields. With the present solution, the application of connecting means on the short side of the distribution panels is preferably dispensed with in order to prevent increased surface pressure in this area. As a result of an increased surface pressure, there would be a reduction in the channel cross section in the distributor fields of a bipolar plate of the electrochemical energy converter system, which in turn negatively influences the free flow of the process fluids and thus the performance of the fuel cell and/or the electrolyzer. The connecting means is thus clearly applied along two connecting lines on the long sides and/or outer edges of the membrane electrode unit and/or the at least one gas diffusion layer. A connection method configured in this way is particularly advantageous, since it enables an advantageous connection of the membrane electrode unit and the at least one gas diffusion layer with a simultaneous low requirement for connection means.
Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einem Verbindungsverfahren vorgesehen sein, dass das Auftragen des zumindest teilweise flüssigen Verbindungsmittels entlang der Verbindungslinie umlaufend und/oder abschnittsweise entlang wenigstens einer Haupterstreckungsrichtung der Membranelektrodeneinheit und/oder der wenigstens einen Gasdiffusionslage erfolgt. Alternativ oder zusätzlich zu den voran genannten Ausgestaltungen des Auftragens des Verbindungsmittels ist es vorteilhaft das Verbindungsmittel entlang der Verbindungslinie umlaufend und/oder abschnittsweise entlang wenigstens einer Haupterstreckungsrichtung der Membranelektrodeneinheit und/oder der wenigstens einen Gasdiffusionslage aufzutragen. Als umlaufendes Auftragen ist bevorzugt ein Auftragen des Verbindungsmittels um das aktive Feld der Membranelektrodeneinheit zu verstehen. Die Haupterstreckungsrichtung der Membranelektrodeneinheit und/oder der wenigstens einen Gasdiffusionslage ist bevorzugt als die Erstreckung zwischen den zuvor beschriebenen zwei Verteilerfeldern der entsprechenden Brennstoffzelle und/oder des Elektrolyseurs zu verstehen.According to a preferred further development of the invention, it can be provided in a connection method that the at least partially liquid connecting agent is applied circumferentially along the connecting line and/or in sections along at least one main direction of extent of the membrane electrode unit and/or the at least one gas diffusion layer. As an alternative or in addition to the aforementioned configurations of applying the connecting agent, it is advantageous to apply the connecting agent along the connecting line all the way around and/or in sections along at least one main extension direction of the membrane electrode unit and/or the at least one gas diffusion layer. Applying the connecting means around the active field of the membrane electrode unit is preferably understood as circumferential application. The main extension direction of the membrane electrode unit and/or the at least one gas diffusion layer is preferably to be understood as the extension between the previously described two distributor fields of the corresponding fuel cell and/or the electrolyzer.
Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einem Verbindungsverfahren vorgesehen sein, dass das Verbinden druckbeaufschlagt durch eine Druckvorrichtung der Verbindungsvorrichtung erfolgt und/oder dass das Verbinden wärmebeaufschlagt durch eine Wärmevorrichtung der Verbindungsvorrichtung erfolgt. Ein Druckbeaufschlagen der Membranelektrodeneinheit und der wenigstens einen Gasdiffusionslage erfolgt bevorzugt zueinander und ermöglicht vorteilhaft eine stabilere und/oder sichere Verbindung der Membranelektrodeneinheit und der wenigstens einen Gasdiffusionslage. Ein Wärmebeaufschlagen ermöglich vorteilhaft eine bessere und/oder einfachere Verbindung der Membranelektrodeneinheit und der wenigstens einen Gasdiffusionslage, eine vorteilhafte Aktivierung des Verbindungsmittels und/oder eine verbesserte Aushärtung des Verbindungsmittels.According to a preferred further development of the invention, it can be provided in a connection method that the connection takes place under pressure by a pressure device of the connection device and/or that the connection takes place under heat by a heating device of the connection device. The membrane electrode unit and the at least one gas diffusion layer are preferably pressurized relative to one another and advantageously enables a more stable and/or secure connection of the membrane electrode unit and the at least one gas diffusion layer. Applying heat advantageously enables a better and/or simpler connection of the membrane electrode unit and the at least one gas diffusion layer, an advantageous activation of the connection means and/or improved curing of the connection means.
Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einem Verbindungsverfahren vorgesehen sein, dass das Auftragen des zumindest teilweise flüssigen Verbindungsmittels entlang der Verbindungslinie punktuell, gestrichelt und/oder als Punkt-Strich-Muster erfolgt. Diese Weiterentwicklung stellt eine anschauliche Beschreibung von möglichen Ausgestaltungen des abschnittsweise unterbrochenen Auftragens des Verbindungsmittels auf die Membranelektrodeneinheit und/oder die wenigstens eine Gasdiffusionslage durch eine Auftragsvorrichtung der Verbindungsvorrichtung dar. Ein derart ausgestaltetes Verbindungsverfahren ermöglicht vorteilhaft eine sparsame Verwendung des Verbindungsmittels bei gleichzeitiger Sicherung eines ausreichenden Halts zwischen der Membranelektrodeneinheit und der wenigstens einen Gasdiffusionslage.According to a preferred further development of the invention, it can be provided in a connection method that the at least partially liquid connection medium is applied along the connection line in dots, dashed lines and/or as a dot-dash pattern. This further development provides a clear description of possible configurations of the partially interrupted application of the connecting agent to the membrane electrode unit and/or the at least one gas diffusion layer by an application device of the connecting device the membrane electrode assembly and the at least one gas diffusion layer.
Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einem Verbindungsverfahren vorgesehen sein, dass bei dem Verfahrensschritt des Verbindens die Membranelektrodeneinheit und die wenigstens eine Gasdiffusionslage direkt verbunden wird und/oder die Membranelektrodeneinheit und die wenigstens eine Gasdiffusionslage indirekt über zumindest eine Dichtvorrichtung verbunden wird, insbesondere wobei die Dichtvorrichtung die Membranelektrodeneinheit zumindest abschnittsweise umgibt und/oder an der Membranelektrodeneinheit befestigt ist. Die Verbindung zwischen der Membranelektrodeneinheit und der wenigstens einen Gasdiffusionslage kann im Rahmen der Erfindung direkt oder indirekt erfolgen. Als direkte Verbindung ist dabei bevorzugt eine Kontaktierung der Membranelektrodeneinheit und der wenigstens einen Gasdiffusionslage und ein entsprechender Auftrag von Verbindungsmittel zwischen der Membranelektrodeneinheit und der wenigstens einen Gasdiffusionslage zu verstehen. Als eine indirekte Verbindung ist hingegen eine Verbindung der Membranelektrodeneinheit und der wenigstens einen Gasdiffusionslage über die zumindest eine Dichtvorrichtung zu verstehen. Dabei kontaktieren die Membranelektrodeneinheit und die wenigstens eine Gasdiffusionslage jeweils die zumindest eine Dichtvorrichtung und das Verbindungsmittel ist jeweils zwischen der zumindest einen Dichtvorrichtung und der Membranelektrodeneinheit sowie zwischen der zumindest einen Dichtvorrichtung und der wenigstens einen Gasdiffusionslage aufgetragen. Die zumindest eine Dichtvorrichtung umgibt die Membranelektrodeneinheit zumindest abschnittsweise und/oder ist an der Membranelektrodeneinheit befestigt. Ein derart ausgestaltetes Verbindungsverfahren ermöglicht vorteilhaft eine sparsame Verwendung des Verbindungsmittels bei gleichzeitiger vorteilhafter Abdichtung der Membranelektrodeneinheit und/oder der wenigstens einen Gasdiffusionslage.According to a preferred further development of the invention, it can be provided in a connection method that the membrane electrode unit and the at least one gas diffusion layer are connected directly in the connection method step and/or the membrane electrode unit and the at least one gas diffusion layer is connected indirectly via at least one sealing device, in particular wherein the sealing device at least partially surrounds the membrane electrode unit and/or is attached to the membrane electrode unit. Within the scope of the invention, the connection between the membrane electrode unit and the at least one gas diffusion layer can be direct or indirect. A direct connection is preferably to be understood as a contacting of the membrane electrode unit and the at least one gas diffusion layer and a corresponding application of connecting means between the membrane electrode unit and the at least one gas diffusion layer. By contrast, an indirect connection is understood to be a connection of the membrane electrode unit and the at least one gas diffusion layer via the at least one sealing device. The membrane electrode unit and the at least one gas diffusion layer each contact the at least one sealing device and the connecting means is applied between the at least one sealing device and the membrane electrode unit and between the at least one sealing device and the at least one gas diffusion layer. The at least one sealing device surrounds the membrane electrode unit at least in sections and/or is attached to the membrane electrode unit. A connection method configured in this way advantageously enables economical use of the connection means while at the same time advantageously sealing the membrane electrode unit and/or the at least one gas diffusion layer.
Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einem Verbindungsverfahren vorgesehen sein, dass das Auftragen des zumindest teilweise flüssigen Verbindungsmittels ein Auftragen des zumindest teilweise flüssigen Verbindungsmittels auf die zumindest eine Dichtvorrichtung umfasst. Für die voranstehend beschriebene indirekte Verbindung ist es gemäß dieser Weiterentwicklung der Erfindung vorteilhaft, wenn das Auftragen des zumindest teilweise flüssigen Verbindungsmittels ein zusätzliches Auftragen des zumindest teilweise flüssigen Verbindungsmittels auf die Dichtvorrichtung umfasst. Somit wird ein ausreichender Auftrag von Verbindungsmitteln vorteilhaft sichergestellt.According to a preferred further development of the invention, it can be provided in a connection method that the application of the at least partially liquid connection medium comprises application of the at least partially liquid connection medium to the at least one sealing device. According to this further development of the invention, it is advantageous for the indirect connection described above if the application of the at least partially liquid connecting agent comprises an additional application of the at least partially liquid connecting agent to the sealing device. A sufficient application of connecting means is thus advantageously ensured.
Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einem Verbindungsverfahren vorgesehen sein, dass das Auftragen des zumindest teilweise flüssigen Verbindungsmittels durch die Auftragsvorrichtung kontaktlos erfolgt. Als ein kontaktloses Auftragen des zumindest teilweise flüssigen Verbindungsmittels durch die Auftragsvorrichtung ist ein Auftragen ohne Kontakt zwischen der Auftragsvorrichtung und der Membranelektrodeneinheit, der wenigstens einen Gasdiffusionslage und/oder der zumindest einen Dichtvorrichtung zu verstehen. Ein derart ausgestaltetes Verbindungsverfahren ermöglicht vorteilhaft den Auftrag von Verbindungsmittel ohne eine Kontaktierung damit beispielsweise ohne eine Verschiebung und/oder Erschütterung der Membranelektrodeneinheit, der wenigstens einen Gasdiffusionslage und/oder der zumindest einen Dichtvorrichtung.According to a preferred further development of the invention, it can be provided in a connection method that the at least partially liquid connection medium is applied by the application device without contact. Contactless application of the at least partially liquid connecting agent by the application device is understood to mean application without contact between the application device and the membrane electrode unit, the at least one gas diffusion layer and/or the at least one sealing device. A connection method designed in this way advantageously enables the application of connection means without contacting them, for example without displacement and/or vibration of the membrane electrode unit, the at least one gas diffusion layer and/or the at least one sealing device.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung offenbart die Erfindung eine Verbindungsvorrichtung mit einer Auftragsvorrichtung. Die Verbindungsvorrichtung ist zum Ausführen des Verbindungsverfahrens gemäß dem ersten Aspekt ausgestaltet. Bei der beschriebenen Verbindungsvorrichtung ergeben sich sämtliche Vorteile, die bereits zu dem Verbindungsverfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind.According to a second aspect of the invention, the invention discloses a connecting device with an application device. The connection device is configured to carry out the connection method according to the first aspect. All the advantages that have already been described for the connection method according to the first aspect of the invention result from the connection device described.
Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einer Verbindungsvorrichtung vorgesehen sein, dass die Verbindungsvorrichtung eine Entfernungsvorrichtung, eine Druckvorrichtung und/oder eine Wärmevorrichtung umfasst.According to a preferred further development of the invention, it can be provided in the case of a connecting device that the connecting device comprises a removal device, a pressure device and/or a heating device.
Ein erfindungsgemäßes Verbindungsverfahren sowie eine erfindungsgemäße Verbindungsvorrichtung werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
-
1 in einer perspektivischen Draufsicht ein elektrochemisches Energiewandlersystem mit einer Membranelektrodeneinheit, einer Gasdiffusionslage und einer Dichtvorrichtung, -
2 in drei Seitenansichten eine Abfolge von Verfahrensschritten des Verbindungsverfahrens, und -
3 in einem Flussdiagramm eine erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verbindungsverfahrens.
-
1 in a perspective top view, an electrochemical energy converter system with a membrane electrode unit, a gas diffusion layer and a sealing device, -
2 in three side views a sequence of process steps of the connection process, and -
3 in a flowchart an embodiment of the connection method according to the invention.
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den
In
In
In
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| EP3476001B1 (en) | 2016-06-28 | 2021-09-15 | Johnson Matthey Fuel Cells Limited | System and method for the manufacture of membrane electrode assemblies |
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