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Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle, umfassend eine Membran-Elektroden-Anordnung mit einer Membran, die beidseits mit einem katalytischen Material beschichtet ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Brennstoffzellenstapel mit mindestens einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle, insbesondere Brennstoffzelle sowie ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle, insbesondere Bren nstoffzel le.
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Stand der Technik
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Die aktuelle Tendenz in der Entwicklung zeigt einen zunehmenden Trend zu alternativen Antrieben für die Mobilität von Morgen. Hierbei spielen neben den batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen auch Brennstoffzellen-Fahrzeuge eine immer größer werdende Rolle.
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Mit Hilfe einer elektrochemischen Zelle in Form einer Brennstoffzelle kann unter Verwendung eines Brennstoffs, beispielsweise Wasserstoff, und eines Oxidationsmittels, beispielsweise Sauerstoff, chemische in elektrische Energie gewandelt werden. Die elektrochemische Zelle bzw. Brennstoffzelle weist hierzu eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) mit einer Membran auf, die zur Ausbildung von Elektroden beidseitig mit einem katalytischen Material beschichtet ist. In der Regel wird die beidseits beschichtete Membran zur Randverstärkung zwischen zwei Kunststofffolien einlaminiert. Diese Art der Randverstärkung wird auch „Gasket“ genannt. Großflächige Fenster in den Kunststofffolien stellen sicher, dass die beschichteten Oberflächen der Membran jeweils bis auf einen schmalen umlaufenden Randbereich frei bleiben. Denn über die freibleibenden „aktiven“ Flächen findet im Betrieb der elektrochemischen Zelle bzw. Brennstoffzelle der für die elektrochemische Reaktion erforderliche Protonenaustausch statt. An die derart einlaminierte Membran werden dann beidseits jeweils eine Gasdiffusionslage und ein Metallblech angelegt. Die Gasdiffusionslagen dienen der gleichmäßigen Verteilung der benötigten Reaktionsgase, welche der Brennstoffzelle über Versorgungskanäle zugeführt werden, die wiederum in den Metallblechen ausgebildet sind.
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Der mehrschichtige bzw. mehrlagige Aufbau einer elektrochemischen Zelle bzw. einer Brennstoffzelle macht zwischenliegende Dichtungen erforderlich. Diese können beispielsweise in einem Dispensprozess als Dichtraupe auf eine Schicht oder Lage aufgebracht werden. Die Aufbringung kann dabei im Bereich einer Nut und/oder Sicke erfolgen. Die Nut und/oder Sicke übernimmt dann beim anschließenden Fügen aufgrund einer anfänglichen plastischen Verformung die Elastizität der Dichtung und ermöglicht zugleich einen Toleranzausgleich. Anstelle einzelner Dichtraupen können auch dünne Dichtungsschichten aufgebracht werden. Ferner sind Dichtkonzepte bekannt, bei denen an das Metallblech oder direkt an die Randverstärkung der MEA eine Dichtung aus Flüssig-Silikon (LSR, „Liquid Silicone Rubber“) angespritzt wird.
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Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, die Dichtheit und damit die Effizienz einer elektrochemischen Zelle mit einer angespritzten Dichtgeometrie weiter zu steigern.
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Zur Lösung der Aufgabe wird die elektrochemische Zelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus werden ein Brennstoffzellenstapel sowie ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle angegeben.
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Die Erfindung bezieht sich auf elektrochemische Zellen im Allgemeinen, so dass sie nicht auf Brennstoffzellen begrenzt ist, sondern beispielsweise auch Elektrolysezellen und Batteriezellen miteinschließt.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorgeschlagen wird eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle, die eine Membran-Elektroden-Anordnung mit einer Membran umfasst, die beidseits mit einem katalytischen Material beschichtet ist. An die Membran-Elektroden-Anordnung ist dabei in zumindest einem Randbereich ein Elastomermaterial zur Ausbildung einer Dichtungsgeometrie angespritzt und in das Elastomermaterial ist eine Folie integriert.
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Die Integration der Folie in das Elastomermaterial erhöht die Dichtwirkung, so dass die notwendige Medientrennung zwischen der Kathoden- und der Anodenseite verbessert wird. Die verbesserte Medientrennung wiederum führt zu einer Steigerung der Effizienz der elektrochemischen Zelle.
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Die durch das angespritzte Elastomermaterial ausgebildete Dichtungsgeometrie ersetzt eine nachträglich aufgebrachte Dichtraupe und/oder Dichtungsschicht. Im Bereich der integrierten Folie wird zugleich eine erhöhte Formsteifigkeit erreicht, so dass das angespritzte Elastomermaterial ferner eine Randverstärkung der Membran-Elektroden-Anordnung bzw. ein „Gasket“ ersetzen kann. Durch Funktionsintegration kann der Aufbau der elektrochemischen Zelle vereinfacht werden.
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Bei dem Elastomermaterial kann es sich insbesondere um ein thermoplastisches Elastomermaterial, kurz „TPE", handeln. Die Verwendung von TPE beim An- bzw. Umspritzen ermöglicht niedrige Werkzeugtemperaturen. Zudem härtet TPE beim Erkalten in der Form aus, so dass die Prozesszeiten verringert werden können. In der Folge steigt die Effizienz des Herstellungsprozesses und die Herstellungskosten sinken. Aufgrund seiner teilkristallinen Struktur ist TPE vergleichsweise permeationsdicht, insbesondere im Vergleich zu Flüssig-Silikon bzw. LSR, so dass durch Permeation hervorgerufene Verluste gering sind.
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Um die Verluste durch Permeation weiter zu senken und/oder Freiheiten in der Wahl des Elastomermaterials zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass die integrierte Folie aus einem Material gefertigt ist, das permeationsdichter als das Elastomermaterial ist. Die Folie kann beispielsweise aus Metall, insbesondere aus Aluminium, oder aus Kunststoff gefertigt sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Folie beidseitig vollflächig mit dem Elastomermaterial umspritzt. Das heißt, dass die Folie vollständig in das Elastomermaterial eingebettet ist. Die Folie wird somit durch das Elastomermaterial gegenüber der Membran-Elektroden-Anordnung und nach außen elektrisch isoliert. Die Folie muss in diesem Fall nicht zwingend aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material gefertigt sein.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Folie unter Freilassung mindestens eines Oberflächenbereichs auf einer oder beiden Seiten umlaufend mit dem Elastomermaterial umspritzt. Das heißt, dass mindestens ein Oberflächenbereich auf einer oder auf beiden Seiten der Folie freiliegt und demnach nicht isoliert ist. Die Folie sollte in diesem Fall aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material gefertigt sein. Durch Freilassen mindestens eines Oberflächenbereichs kann Elastomermaterial eingespart werden.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Folie und/oder das Elastomermaterial eine Gasverteilerstruktur ausbildet bzw. ausbilden, beispielsweise in Form von Stegen und/oder Noppen. Über die Gasverteilerstruktur kann eine Verteilung des jeweiligen Reaktionsgases in der Fläche erzielt werden. Sofern die Folie und/oder das Elastomermaterial Stege und/oder Noppen zur Ausbildung der Gasverteilerstruktur aufweist bzw. aufweisen, bilden die zwischen den Stegen und/oder Noppen verbleibenden Zwischenräume Strömungspfade für das jeweilige Reaktionsgas aus. Die Stege und/oder Noppen stützen zugleich die nächste Schicht oder Lage der elektrochemischen Zelle, so dass die Strömungspfade auch unter Druckbelastung erhalten bleiben.
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Die Ausbildung einer Gasverteilerstruktur durch die Folie setzt voraus, dass diese in zumindest einem Bereich freiliegt, das heißt einen freiliegenden Oberflächenbereich aufweist. Die Gasverteilerstruktur kann vorab, das heißt vor dem Umspritzen mit dem Elastomermaterial, in die Folie eingebracht worden sein, beispielsweise durch Prägen. Sofern die Gasverteilerstruktur allein durch das Elastomermaterial ausgebildet wird, kann die Gasverteilerstruktur in einem Schritt mit dem Anspritzen des Elastomermaterials an die Membran-Elektroden-Anordnung hergestellt werden.
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Ferner bevorzugt bildet das angespritzte Elastomermaterial in zumindest einem Randbereich mindestens eine als Medieneinlass oder Medienauslass dienende Öffnung aus. Derartige Öffnungen werden auch „Ports“ genannt. Sie dienen dem Einlass bzw. dem Auslass eines Reaktionsgases und/oder eines Kühlmediums. Werden eine Vielzahl gleichartiger elektrochemischer Zellen übereinandergestapelt, beispielsweise zur Ausbildung eines Brennstoffzellenstapels, bilden die einander überdeckenden Öffnungen jeweils einen Versorgungs- oder Entsorgungskanal für ein Medium aus.
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Die mindestens eine als Medieneinlass oder Medienauslass dienende Öffnung ist des Weiteren bevorzugt umlaufend oder zumindest bereichsweise von einem Steg oder Wulst aus dem Elastomermaterial eingefasst. Der Steg oder Wulst bildet eine Dichtungsgeometrie aus, über die eine Medientrennung sowie eine Abdichtung nach außen bewirkt werden kann. Zusätzliche Dichtungen können somit entfallen. Sofern dennoch eine zusätzliche Dichtung vorgesehen ist, kann die aus dem Elastomermaterial ausgebildete Dichtungsgeometrie mit dieser zusammenwirken. Beispielsweise kann die aus dem Elastomermaterial ausgebildete Dichtungsgeometrie zur Stützung der zusätzlichen Dichtung eingesetzt werden. In diesem Zusammenhang kann über die Dichtungsgeometrie aus dem Elastomermaterial ein zusätzlicher Toleranzausgleich geschaffen werden.
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Des Weiteren bevorzugt bildet das Elastomermaterial eine Kanalstruktur zur Verbindung einer als Medieneinlass oder als Medienauslass dienenden Öffnung mit der Gasverteilerstruktur aus. Über die Kanalstruktur kann dann das jeweilige Medium in die Gasverteilerstruktur eingeleitet bzw. aus der Gasverteilerstruktur ausgeleitet werden. Sofern die Öffnung von einem Steg oder Wulst eingefasst ist, ist dieser im Bereich der Kanalstruktur unterbrochen. Die Stege oder Wulste der Öffnungen für die anderen Medien sind dagegen durch einen umlaufenden Steg oder Wulst von der Gasverteilerstruktur getrennt, so dass sich die Medien nicht vermischen können.
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Die Kanalstruktur kann mehrere parallel verlaufende Stege aufweisen, die zueinander jeweils beabstandet angeordnet sind, so dass zwischen ihnen Kanäle ausgebildet werden, über die das jeweilige Medium in die Gasverteilerstruktur ein- bzw. aus der Gasverteilerstruktur ausströmen kann. Die Stege verlaufen hierzu bevorzugt parallel zur Strömungsrichtung des jeweiligen Mediums. Unter Druckbelastung stellen die Stege sicher, dass die Kanäle offenbleiben, da die Stege zugleich eine Stützstruktur ausbilden.
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Vorteilhafterweise ist die Membran-Elektroden-Anordnung umlaufend von dem angespritzten Elastomermaterial eingefasst. Analog einer Randverstärkung kann dabei die Einfassung an den Längsseiten der Membran- Elektroden-Anordnung schmaler ausfallen als an den beiden Querseiten. Im Bereich der beiden Querseiten ist dann bevorzugt jeweils eine Folie als Permeationsblocker integriert. Im Bereich der Medien-Ports, die üblicherweise ebenfalls an den Querseiten angeordnet sind, ist vorzugsweise keine Folie integriert, da diese dann mit entsprechenden Aussparungen versehen werden müssten, was aufgrund eines erhöhten Verschnitts zu einem erhöhten Materialverbrauch führen würde.
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Vorzugsweise bildet das umlaufend an die Membran-Elektroden-Anordnung angespritzte Elastomermaterial mindestens eine Dichtungsgeometrie in Form eines randseitig umlaufenden Stegs aus, um die elektrochemische Zelle nach außen abzudichten.
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Darüber hinaus wird ein Brennstoffzellenstapel vorgeschlagen, der mindestens eine erfindungsgemäße elektrochemische Zelle in Form einer Brennstoffzelle umfasst. Die erhöhte Effizienz der mindestens einen erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle erhöht zugleich die Effizienz des Brennstoffzellenstapels. Dies gilt insbesondere, wenn eine Vielzahl, beispielsweise mehrere Hundert, erfindungsgemäßer elektrochemischer Zellen zu einem Brennstoffzellenstapel verbunden werden. Da eine erfindungsgemäße elektrochemische Zelle zudem einfach und kostengünstig herstellbar ist, kann bei mehreren Hundert Brennstoffzellen eine deutliche Kostensenkung erzielt werden.
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Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird ferner ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle, insbesondere einer Brennstoffzelle, vorgeschlagen. Bei dem Verfahren wird zur Ausbildung einer Membran-Elektroden-Anordnung eine Membran beidseits mit einem katalytischen Material beschichtet. Zur Ausbildung einer Dichtungsgeometrie wird an die Membran-Elektroden-Anordnung in zumindest einem Randbereich ein Elastomermaterial angespritzt und in das Elastomermaterial wird eine Folie integriert.
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Das vorgeschlagene Verfahren dient insbesondere der Herstellung einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle, so dass mit der nach dem Verfahren hergestellten elektrochemischen Zelle die gleichen zuvor beschriebenen Vorteile erzielbar sind. Das Verfahren selbst weist den Vorteil einer vereinfachten und damit kostengünstigeren Herstellung einer elektrochemischen Zelle auf, da sowohl auf eine Randverstärkung in Form eines Gaskets als auch auf zusätzliche Dichtungen in Form einer Dichtraupe oder einer Dichtungsschicht verzichtet werden kann.
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Die Integration der Folie kann in einem Arbeitsschritt mit dem An- bzw. Umspritzen der Membran-Elektroden-Anordnung mit dem Elastomermaterial vorgenommen werden. Die Folie wird hierzu einfach mit in die Form eingelegt.
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Sofern ein thermoplastisches Elastomermaterial bzw. TPE verwendet wird, können aufgrund verringerter Prozesszeiten die Herstellungskosten weiter gesenkt werden. Da TPE zudem vergleichsweise permeationsdicht ist und die integrierte Folie einen zusätzlichen Permeationsblocker ausbildet, können Verluste durch Permeation auf ein Minimum reduziert werden. Entsprechend steigt die Effizienz der elektrochemischen Zelle.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 eine Schnittansicht durch einen Randbereich einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle (vertikal geschnitten),
- 2 eine Schnittansicht des Randbereichs der elektrochemischen Zelle der 1 (horizontal geschnitten),
- 3 eine perspektivische Darstellung eines Randbereichs einer zweiten erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle und
- 4 eine perspektivische Darstellung eines Randbereichs einer dritten erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die in der 1 dargestellte elektrochemische Zelle 1 weist eine Membran-Elektroden-Anordnung 2 auf, an die in mindestens einem Randbereich 3 ein Elastomermaterial 5 angespritzt ist, in das eine Folie 4 integriert ist. Das angespritzte Elastomermaterial 5 mit integrierter Folie 4 dient der Ausbildung einer Dichtungsgeometrie 6. Zugleich wird mit Hilfe des angespritzten Elastomermaterials 5 und der Folie 4 eine Verstärkung erzielt, so dass die sonst übliche Randverstärkung in Form eines „Gaskets“ entfallen kann.
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Das an den Randbereich 3 angespritzte Elastomermaterial 5 bildet Öffnungen 7 aus, wobei es sich um mindestens einen Medieneinlass und mindestens einen Medienauslass handelt. Insgesamt weist der dargestellte Randbereich 3 drei Öffnungen 7 bzw. Ports auf. Die gleiche Anzahl an Ports sind vorzugsweise im Randbereich am gegenüberliegenden Ende (nicht dargestellt) der Membran-Elektroden-Anordnung 2 ausgebildet, so dass über die Ports die benötigten Reaktionsgase sowie ein Kühlmedium zugeführt und wieder abgeführt werden können. Zur Medientrennung sind die Öffnungen 7 bzw. Ports jeweils von einem umlaufenden Steg 8 als Dichtungsgeometrie 6 umgeben. Lediglich eine Öffnung 7 weist einen durch Kanalstrukturen 11 unterbrochenen Steg 8 auf, so dass diese Öffnung 7 über die Kanalstrukturen 11 mit einer Gasverteilerstruktur 9 verbunden ist. Die Gasverteilerstruktur 9 wird vorliegend durch eine Vielzahl an Noppen 10 gebildet, die über die Fläche des angespritzten Elastomermaterials 5 in einem regelmäßigen Raster verteilt angeordnet sind und durch das Elastomermaterial 5 ausgebildet werden. Die zwischen den Noppen 10 verbleibenden Zwischenräume bilden Strömungskanäle für das jeweilige Medium aus.
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Bei der elektrochemischen Zelle 1 der 1 ist die Folie 4 vollständig mit dem Elastomermaterial 5 umspritzt bzw. vollständig in das Elastomermaterial 5 eingebettet. Sie hat demnach keinen Kontakt zu einem Medium.
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Wie der 2 zu entnehmen ist, weist die Folie 4 auch keinen Kontakt zur Membran-Elektroden-Anordnung 2 auf, da die Verbindung über das Elastomermaterial 5 hergestellt ist. Die vollständige Isolation der Folie 4 durch da Elastomermaterial 5 ermöglicht eine große Materialauswahl. Insbesondere kann eine Folie 4 aus Metall, beispielsweise aus Aluminium, verwendet werden. Alternativ kann auch eine Folie aus Kunststoff eingesetzt werden. Bevorzugt wird ein Material gewählt, das permeationsdichter als das Elastomermaterial ist, so dass die Folie einen zusätzlichen Permeationsblocker ausbildet. Über die integrierte Folie 4 kann zugleich eine zusätzliche Aussteifung bewirkt werden.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zelle 1 ist in der 3 dargestellt. In dieser Ausführungsform liegt die Folie 4 in zumindest einem Oberflächenbereich 12 frei. Das heißt, dass sie nur bereichsweise von dem Elastomermaterial 5 umspritzt ist. Die Folie 4 gelangt in diesem Fall in Kontakt mit mindestens einem Medium, insbesondere mit einem Reaktionsgas. Abhängig davon, ob der freiliegende Oberflächenbereich 12 anoden- oder kathodenseitig angeordnet ist, kann es sich bei dem Medium um Wasserstoff oder Luft handeln. Die Folie 4 kann zudem sowohl anoden- als auch kathodenseitig jeweils einen freiliegenden Oberflächenbereich 12 aufweisen. Der mindestens eine freiliegende Oberflächenbereich 12 hilft Elastomermaterial 5 einzusparen.
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Eine Weiterbildung der Ausführungsform der 3 ist in der 4 dargestellt. Hier bildet der freiliegende Oberflächenbereich 12 der Folie 4 zugleich eine Gasverteilerstruktur 9 aus. In die Folie 4 sind hierzu Noppen 10 eingebracht.
