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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum integralen
Ausformen von Dichtungen eines Komponentenbauteils zur Verwendung in
einer Brennstoffzelle und auf eine dafür geeignete Ausformungsvorrichtung.
Genauer bezieht sie sich auf ein Verfahren zum integralen Ausformen
von Dichtungen eines Komponentenbauteils zur Verwendung in einer
Brennstoffzelle, bei dem ein Dichtungskörper integral mittels
Vernetzung an einem Umfangsbereich einer Öffnung und einem äußeren
Umfangsbereich einer Membranelektrodenbaugruppe durch eine Form
mit einer Erwärmungsanordnung ausgeformt wird. Die Membranelektrodenbaugruppe weist
eine Protonenaustauschmembran auf, wobei eine Gasdiffusionslage
an beiden Seiten der Protonenaustauschmembran durch eine eine Elektrode bildende
Katalysatorträgerlage integral laminiert ist und die Öffnung
entlang einer Seite der Membranelektrodenbaugruppe und zu deren
Vorrichtung hin ausgeformt ist.
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Stand der Technik
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Eine
(im folgenden als ME-Baugruppe bezeichnete) Membranelektrodenbaugruppe
besteht aus einer (im folgenden als PA-Membran bezeichneten) Protonenaustauschmembran,
die aus einer Ionenaustauschmembran wie z. B. einem festen Polymer
und einer (im folgenden als GD-Lage bezeichneten) Gasdiffusionslage
hergestellt ist, die unter Zwischenschaltung einer Elektrode (Anode,
Kathode), die aus einem einen Platinkatalysator aufweisenden Kohlestoffpulver
angefertigt ist, auf beide Seiten der PR-Membran integral auflaminiert
ist. Zur Ausbildung einer Einheitszelle wird eine derartige ME-Baugruppe
zwischen zwei Zwischenstücken angeordnet, und eine Mehrzahl
von derart ausgebildeten Einheitszellen wird aufeinander gestapelt
und integral befestigt, wodurch ein Brennstoffzellenkörper
(Stapel) ausgebildet wird. Ein Durchflussweg für Wasserstoffgas wird
zwischen einem Zwischenstück und der GD-Lage ausgebildet,
ein Durchflussweg für ein Sauerstoffgas (Luft) wird zwischen
dem anderen Zwischenstück und der GD-Lage ausgebildet,
und weiterhin wird ein Durchflussweg für Kühlmedium
(Wasser, Ethylenglykol usw.) zwischen den Zwischenstücken der
benachbarten Zellen ausgebildet. Die Elektrode, bei der der Durchflussweg
für Wasserstoffgas ausgebildet wird, wird zu einer Anode
(Brennstoffelektrode), und die Elektrode, bei der der Durchflussweg
für Luft (Sauerstoffgas) ausgebildet wird, wird zu einer Kathode
(Sauerstoffelektrode).
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Entlang
der Seite des Stapels dringen eine Mehrzahl von Verteilern ein,
um ein Wasserstoffgas, ein Sauerstoffgas sowie ein Kühlmedium
zuzuführen und abzugeben, wobei diese dazu ausgelegt sind, mit
dem oben erwähnten Durchflussweg für ein Wasserstoffgas,
dem Durchflussweg für ein Sauerstoffgas und dem Durchflussweg
für ein Kühlmedium zu kommunizieren. Zwischen
der ME-Baugruppe und dem Zwischenstück sowie zwischen den
Zwischenstücken sind Dichtungen vorgesehen, um eine Leckage
von Gas und dem Kühlmedium nach außen zu verhindern,
wobei die Dichtung um den Umfangsbereich einer Öffnung
herum bereitgestellt ist, die um den Umfang oder entlang der Seite
der ME-Baugruppe und dem äußeren Umfangsbereich
der ME-Baugruppe herum ausgebildet ist. Die Dichtung und die ME-Baugruppe
sind mit einem Klebemittel integral miteinander verbunden, oder
ein Dichtungsmaterial wie z. B. Kautschuk ist mittels Vernetzung
mittels einer Form mit einer Erwärmungsanordnung integral angeformt.
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Allerdings
beträgt die zulässige Temperaturgrenze der zwischen
zwei GD-Lagen angeordneten PA-Membran etwa 130°C, sodass
insofern das Problem bestanden hat, dass die Erwärmungstemperatur
bei dem Vernetzungsformen auf einen niedrigen Wert eingestellt werden
und ein langer Zeitraum notwendig sein sollte, um eine Beschädigung
der PA-Membran zu vermeiden, wenn die Dichtung und die ME-Baugruppe
durch eine Vernetzungsausformung integriert werden. Die die ME-Baugruppe
bildende GD-Lage und PA-Membran sind dünn und haben empfindliche
Filmkörper. Werden sie beschädigt, geht die Stromerzeugungsfunktion
als Brennstoffzelle verloren, weshalb ihre Handhabung eine sorgfältige
Achtsamkeit erfordert. Wenn die Erwärmungstemperatur jedoch
auf einen niedrigen Wert eingestellt wird, um eine Beschädigung
der PA-Membran zu vermeiden, und ein großer Zeitraum für
eine Vernetzungsausformung benötigt wird, wird die Produktivität
beeinträchtigt und es kann keine Massenfertigung bei niedrigen
Kosten bewerkstelligt werden.
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Wenn
eine aus Kautschuk gefertigte Dichtung durch Vulkanisieren mit einer
Stahlplatte integral ausgeformt wird, wird die Erwärmungstemperatur
der Form der vulkanisierten Ausformung allgemein auf 150–200°C
eingestellt. Wird die Erwärmungstemperatur um 10°C
erhöht, wird die Erwärmungszeit auf die Hälfte
verringert, während andererseits die Erwärmungszeit
auf das Doppelte verlängert wird, wenn die Erwärmungstemperatur
um 10°C verringert wird. Wenn die Erwärmungstemperatur
daher auf einen niedrigen Wert eingestellt wird, um eine Beschädigung
der PA-Membran zu verhindern, wird der Zeitraum für das
Gummiaushärten sehr lang.
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Es
kann festgehalten werden, dass eine vulkanisierte Ausformung in
einem kurzen Zeitraum bewerkstelligt werden kann, wenn die Erwärmungstemperatur
hoch ist, und dass andererseits bei einer niedrigen Erwärmungstemperatur
ein langer Zeitraum zum Vulkanisieren erforderlich ist. Daher versteht
sich, dass der Erwärmungszeitraum für eine Verbesserung
der Produktivität und eine Bewerkstelligung der Massenfertigung
bei niedrigen Kosten ein wichtiger Faktor ist. Im Falle des integralen
Ausformens einer Dichtung zur Verwendung in einem Brennstoffzellenkomponentenbauteil
mit der ME-Baugruppe ist es erwünscht, diese in einem Erwärmungszeitraum
bei 150–200°C auszuformen.
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Hinsichtlich
der oben erwähnten Bauteile mit einem niedrigen zulässigen
Temperaturgrenzwert, die durch die von einer Vernetzungsausformung
erzeugten Wärme nicht beschädigt werden und sich dadurch
die Produktivität verbessert, liegen die folgenden Schriften
aus dem Stand der Technik vor: In der Druckschrift 1 ist offenbart,
dass wenn ein Kautschuk vulkanisiert wird, um mit einem Kunststoffprodukt
mit einer Wärmeverformungstemperatur, die geringer als
die Vulkanisationstemperatur von Kautschuk ist, ausgeformt zu werden,
das Kunststoffprodukt in einer Form angeordnet wird, die auf eine
Temperatur vorgewärmt wird, die geringer als die Verformungstemperatur
des Kunststoffs ist, und ein Kautschuk, der unmittelbar vor der
Injektion auf die Vulkanisationstemperatur erwärmt wurde,
injiziert wird.
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In
Druckschrift 2 ist ein Ausformungsverfahren offenbart, bei welchem
dann, wenn Kautschuk vulkanisiert wird, um mit einem aus Harz gefertigtem Einsatzbauteil
mit einem niedrigen zulässigen Temperaturgrenzwert ausgeformt
zu werden, eine Mehrzahl von Teilstücken unter Verwendung
einer Form ausgeformt wird, die eine Teilfläche an einer
Einsetzstelle des Einsatzbauteils festlegt, wobei das Einsatzbauteil
zwischen den Teilstücken angeordnet wird, während
diese Teilstücke nicht vulkanisiert verbleiben, und wobei
anschließend die unterteilten Bauteile als ein integraler
Gummi ausgeformt werden.
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In
Druckschrift 3 ist eine Form zur Vernetzungsausformung mit einer
Heiz- und einer Kühlanordnung offenbart. Der Fluidkreis
zum Erwärmen oder Abkühlen der Form, die durch
Aneinanderpassung mit einem Hohlraum ausgebildet wird, wird formgegossen
und durch ein Kohlefaserbündel erzeugt, das entlang der
Form des ausgeformten Produkts an der Rückseite des ausgeformten
Produkts formgegossen wird, und die Form wird so angeordnet, dass
sie das schmelzflüssige Material für den ausgeformten
Werkstoff, der in den Hohlraum von der Rückseite des ausgeformten
Produkts her injiziert wird, erwärmt oder abkühlt.
- Druckschrift 1: JP-A-03-047721
- Druckschrift 1: JP-A-2001-219428
- Druckschrift 1: JP-A-2004-174606
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Offenbarung der Erfindung
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Von der Erfindung zu lösende
Probleme
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Gemäß Druckschrift
1 besteht die Befürchtung, dass die Kautschuktemperatur
verringert wird, wodurch die Vulkanisierung unzureichend ausfällt, wenn
das Kautschuk einen in einer Form bereitgestellten dünnen
Injektionsweg durchläuft, und dass es keine Dichtung für
eine ME-Baugruppe ausbildet.
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Gemäß Druckschrift
2 liegt, obgleich das aus Kautschuk gefertigte Teilstück
nicht vulkanisiert wird, für die Vulkanisierung ausreichend
Wärme vor, sodass die Befürchtung besteht, dass
das mit dem Kautschuk in Kontakt tretende Einsatzbauteil thermisch verformt
und geschmolzen werden kann. Weiterhin besteht das Problem, dass
eine Zeitgebung für die dazwischen liegende Anordnung des
Einsatzbauteils schwierig ausfällt. Ähnlich wie
bei Druckschrift 1 ist hier nicht offenbart, dass eine Dichtung
für eine ME-Baugruppe ausgebildet wird.
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Gemäß Druckschrift
3 ist hauptsächlich die Temperatur steuerbar, um das in
eine metallische Form zu injizierende schmelzflüssige Material
zu erwärmen oder abzukühlen. Hier kann das oben
genannte Problem, dass ein Bauteil mit einem niedrigen zulässigen
Temperaturgrenzwert vor einer Beschädigung durch die Erwärmung
der Vulkanisationsausformung geschützt wird, nicht gelöst
werden.
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Angesichts
der oben erwähnten Probleme wird die vorliegende Erfindung
vorgeschlagen, deren Aufgabe in der Bereitstellung eines Verfahrens
zum integralen Ausformen von Dichtungen eines eine Brennstoff zelle
verwendenden Komponentenbauteils und einer Ausformungsvorrichtung
besteht, die Beschädigungen einer PA-Membran mit einem
niedrigen zulässigen Temperaturgrenzwert vermeiden, welche
als ein Bauteil eines Stromerzeugungsfunktionsabschnitts eines Brennstoffzellenkomponentenbauteils
ausgelegt sind, wodurch die Produktivität verbessert wird.
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Mittel zur Lösung des Problems
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Der
erste Aspekt der vorliegenden Erfindung ist durch ein Verfahren
zum integralen Ausformen von Dichtungen eines Brennstoffzellenkomponentenbauteils
gekennzeichnet, in welchem ein Dichtungskörper integral
mit einem äußeren Umfangsbereich einer Membranelektrodenbaugruppe
ausgeformt und ein Umfangsbereich einer Öffnung an der
Membranelektrodenbaugruppe durch Vernetzungsausformung unter Verwendung
einer Form mit einer Erwärmungsanordnung gebildet werden,
wobei die Membranelektrodenbaugruppe eine Protonenaustauschmembran und
eine Gasdiffusionslage aufweist, die an beiden Seiten der Protonenaustauschmembran
unter Zwischenschaltung einer Katalysatorträgerlage, die
eine Elektrode bildet, integral laminiert ist. Die Form weist einen
Hohlraum auf, der einem Formgebungsbereich des Dichtungskörpers
entspricht, sowie eine Wärmedämmzone, die einem
Stromerzeugungsfunktionsabschnitt des Brennstoffzellenkomponentenbauteils entspricht;
und ein nicht vernetztes Dichtungsmaterial wird in den Hohlraum
gefüllt und das Dichtungsmaterial wird durch eine Wärmevernetzungsausformung unter
Verwendung der Erwärmungsanordnung ausgeformt, wobei durch
die Wärmedämmzone verhindert wird, dass die von
der Ausformung erzeugte Wärme zu dem Stromerzeugungsfunktionsabschnitt übertragen
wird.
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Der
Stromerzeugungsfunktionsabschnitt bezeichnet denjenigen Abschnitt
der ME-Baugruppe, bei dem keine Dichtung ausgebildet ist.
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Der
zweite Aspekt der vorliegenden Erfindung ist dadurch charakterisiert,
dass bei dem Verfahren des ersten Aspekts die Wärmedämmzone
mit einem an der Form ausgebildeten ausgesparten Bereich aufgebaut
ist, der dem Stromerzeugungsfunktionsabschnitt entspricht. Luft
kann in dem ausgesparten Bereich zirkuliert werden, um einen Wärmezuwachs
in dem ausgesparten Bereich zu hemmen.
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Der
dritte Aspekt der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass bei dem Verfahren des zweiten Aspekts eine Innenwand des ausgesparten
Bereichs mit einem Wärmedämmmaterial ausgekleidet
wird.
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Der
vierte Aspekt der vorliegenden Erfindung ist dadurch charakterisiert,
dass bei dem Verfahren des zweiten und des dritten Aspekts der ausgesparte Bereich
einen Kühlblock mit einem Kühlmediumdurchflussweg
umfasst, der benachbart zu dem Stromerzeugungsfunktionsabschnitt
angeordnet ist.
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Der
fünfte Aspekt der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass bei dem Verfahren des dritten und des vierten Aspekts der Kühlblock
integral mit dem Wärmedämmmaterial versehen wird,
das mit diesem fest verbunden wird.
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Der
sechste Aspekt der vorliegenden Erfindung ist dadurch charakterisiert,
dass bei dem Verfahren des zweiten und vierten Aspekts der Kühlblock
durch eine Feder an der Innenwand des ausgesparten Bereichs abgestützt
wird, um einen Zwischenraum auszubilden, und er wird durch die elastische
Energie der Feder mit dem Stromerzeugungsfunktionsabschnitt elastisch
in Kontakt gebracht.
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Der
siebte Aspekt der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass eine Vorrichtung zum integralen Ausformen einer Dichtungs einer Brennstoffzellenkomponente
bereitgestellt wird, bei der ein Dichtungskörper integral
mit einem äußeren Umfangsbereich einer Membranelektrodenbaugruppe
ausgeformt und ein Umfangsbereich einer Öffnung an der
Membranelektrodenbaugruppe mittels Vernetzungsausformung unter Verwendung
einer Form mit einer Erwärmungsanordnung ausgebildet wird,
wobei die Membranelektrodenbaugruppe eine Protonenaustauschmembran
aufweist und eine Gasdiffusionslage an beiden Seiten der Protonenaustauschmembran
unter Zwischenschaltung einer Katalysatorträgerlage, die
eine Elektrode bildet, integral laminiert wird. Die Dichtung wird
durch das Vernetzungsausformungsverfahren, das im ersten bis sechsten
Aspekt dargelegt ist, integral ausgeformt.
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Auswirkungen der Erfindung
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Gemäß des
Verfahrens zum integralen Ausformen und der Vorrichtung zum integralen
Ausformen von Dichtungen des in dem ersten und siebten Aspekt der
vorliegenden Erfindung beschriebenen Brennstoffzellenkomponentenbauteils
wird die Dichtung integral unter Verwendung der Form mit der Wärmedämmzone
ausgeformt, die dem Stromerzeugungsfunktionsabschnitt des Brennstoffzellenkomponentenbauteils
entspricht. Eine Wärmeübertragung zu dem Stromerzeugungsfunktionsabschnitt
der ME-Baugruppe wird von der Wärmedämmzone verhindert,
sodass eine Beschädigung (thermische Verformung und dergleichen)
an der PA-Membran vermieden wird und die Dichtung integral ausgeformt werden
kann, ohne die Stromerzeugungsfunktion der ME-Baugruppe nachteilig
zu beeinflussen. Weiterhin kann der Hohlraum, der dem Formgebungsbereich des
Dichtungskörpers entspricht, auf eine hohe Temperatur erwärmt
werden, wodurch der Ausformungs- und Aushärtungszeitraum
verringert wird. Dadurch können die Produktivität
verbessert sowie eine Massenproduktion und niedrige Kosten ermöglicht
werden.
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Gemäß dem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Wärmedämmzone
mit einem an der Form ausgebildeten ausgesparten Bereich gestaltet.
Ein Zwischenraum wird zwischen dem Stromerzeugungsfunktionsabschnitt
und der Form ausgebildet, der als eine effektive Wärmedämmzone fungiert,
wodurch eine Wärmedämmzone mit einer einfachen
Struktur ausgebildet wird.
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Gemäß dem
dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung, bei dem an der Innenwand
des ausgesparten Bereichs Wärmedämmmaterial angebracht wird,
kann der Wärmeschutzeffekt durch eine einfache Struktur
verbessert werden.
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Gemäß dem
vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst der ausgesparte
Bereich den Kühlblock mit dem Kühlmediumdurchflussweg.
Der Stromerzeugungsfunktionsabschnitt der ME-Baugruppe wird durch
den Kühlblock nach oben und unten gedrückt, sodass
die von der Erwärmungsanordnung erzeugte Wärme
auf effektive Weise daran gehindert werden kann, zu dem Stromerzeugungsfunktionsabschnitt übertragen
zu werden. Weiterhin wird die Wärmeverformung durch die
Kühlung vermieden, sodass die ME-Baugruppe an einer Verformung durch
den Ausformungsdruck gehindert wird.
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Gemäß dem
fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird der Kühlblock
integral und feststehend mit dem Wärmedämmmaterial
ausgerüstet. Die Wärmeübertragung zu
dem Stromerzeugungsfunktionsabschnitt wird durch das Wärmedämmmaterial blockiert,
und die Kühlwirkung des Kühlblocks wirkt nicht
auf die Form ein, sodass die Form auf einer geeigneten Erwärmungstemperatur
gehalten werden kann. Wenn weiterhin die Temperatur in der Form
erhöht wird, kann ein Anstieg der Temperatur des Stromerzeugungsfunktionsabschnitts
durch den Kühlblock verhindert werden. Zusätzlich
wird durch die Bereitstellung des Kühlblocks der Stromerzeugungsfunktionsabschnitt
der ME-Baugruppe durch den Kühlblock nach oben und unten
gedrückt, und eine Verformung der ME-Baugruppe durch den
Ausformungsdruck wird vermieden.
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Gemäß dem
sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird der Kühlblock
durch eine Feder an der Innenwand des ausgesparten Bereichs abgestützt,
um einen Zwischenraum auszubilden, und er wird durch die elastische
Energie der Feder mit dem Stromerzeugungsfunktionsabschnitt elastisch
in Kontakt gebracht. Die Wärmeübertragung von
der Form kann durch den Zwischenraum blockiert werden, und der Kühlungsbetrieb
des Kühlblocks wirkt nicht auf die Form ein, sodass die
Form auf einer geeigneten Erwärmungstemperatur gehalten
werden kann. Selbst bei einer Erhöhung der Temperatur in der
Form kann durch den Kühlblock eine Wärmezunahme
des Stromerzeugungsfunktionsabschnitts verhindert werden. Weiterhin
wird durch die Bereitstellung des Kühlblocks der Stromerzeugungsfunktionsabschnitt
der ME-Baugruppe durch den Kühlblock nach oben und unten
gedrückt, und eine Verformung der ME-Baugruppe durch den
Ausformungsdruck wird vermieden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine diagrammartige perspektivische Ansicht und stellt eine Ausführungsform
einer Brennstoffzelle dar, die mit einem Brennstoffzellenkomponentenbauteil
aufgebaut ist, das durch ein Verfahren zum integralen Ausformen
einer Dichtung und eine Ausformungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung
erhalten wurde.
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2 ist
eine perspektivische Ansicht eines Brennstoffzellenkomponentenbauteils,
das durch ein Verfahren zum integralen Ausformen einer Dichtung und
eine Ausformungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung erhalten
wurde.
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3 ist
eine vertikale Schnittansicht einer Ausformungsvorrichtung, die
für ein Verfahren zum integralen Ausformen einer Dichtung
eines Brennstoffzellenkomponentenmaterials der vorliegenden Erfindung
verwendet wird.
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4 ist
eine vergrößerte Ansicht des Bereichs Y in 3.
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5 ist
eine ähnliche Ansicht wie 4 und zeigt
eine modifizierte Ausführungsform.
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6 ist
eine ähnliche Ansicht wie 4 und stellt
eine modifizierte Ausführungsform dar.
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7 ist
eine ähnliche Ansicht wie 4 und zeigt
eine modifizierte Ausführungsform.
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8 ist
eine ähnliche Ansicht wie 4 einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform.
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9 ist
eine ähnliche Ansicht wie 6 und stellt
eine modifizierte Ausführungsform dar.
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Bevorzugte Ausführungsformen
zum Ausführen der Erfindung
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Nun
werden die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. 1 ist
eine diagrammartige perspektivische Ansicht und stellt eine Ausführungsform
einer Brennstoffzelle dar, die mit einem Brennstoffzellenkomponentenbauteil
aufgebaut ist, welches durch ein Verfahren zum integralen Ausformen
einer Dichtung und die Ausformungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung
erhalten wurde. 2 ist eine perspektivische Ansicht
eines Brennstoffzellenkomponentenbauteils, das durch ein Verfahren
zum integralen Ausformen einer Dichtung und die Ausformungsvorrichtung
der vorliegenden Erfindung erhalten wurde. 3 ist eine
vertikale Schnittansicht einer Ausformungsvorrichtung, die für
ein Verfahren zum integralen Ausformen eines Brennstoffzellenkomponentenmaterials
mit einer Dichtung der vorliegenden Erfindung verwendet wird. 4 ist eine
vergrößerte Ansicht des Bereichs Y in 3, 5 bis 7 sind ähnliche
Ansichten wie 4 und stellen modifizierte Ausführungsformen
dar. 8 ist eine ähnliche Ansicht wie 4 einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform, und 9 ist eine ähnliche
Ansicht wie 6 und stellt deren modifizierte
Ausführungsform dar.
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Das
Brennstoffzellenkomponentenbauteil A in 1 ist zwischen
Trennstücken 1, 2 angeordnet, um eine
Einheitszelle C auszubilden, und eine Mehrzahl von derart aufgebauten
Einheitszellen C werden gestapelt, um einen Brennstoffzellkörper
(Stapel) S auszubilden. An beiden Enden des Stapels S, gesehen Stapelungsrichtung,
sind Stromabnehmer 3, 4 vorgesehen, und die Stapel
S sind an beiden Enden durch eine (nicht dargestellte) Schraube
und Mutter integral mit den Stromabnehmern 3, 4 verbunden, wodurch
eine Brennstoffzelle B aufgebaut wird. Eine Mehrzahl von Verteilern
ist auf durchdringende Weise entlang der Längsrichtung
(in der Richtung der Stapelung) vorgesehen. Die Verteiler umfassen
in der Figur einen Verteiler 5 zum Zuführen eines
Kühlmediums (Wasser oder Ethylenglykol), einen Verteiler 5a zum
Ableiten des Kühlmediums, einen Verteiler 6 zum
Zuführen eines Wasserstoffgases, einen Verteiler 6a mm
Ableiten des Wasserstoffgases, einen Verteiler 7 zum Zufuhren
eines Sauerstoffgases (Luft), und einen Verteiler 7a zum
Ableiten des Sauerstoffgases. Das Kühlmedium, das Wasserstoffgas und
das Sauerstoffgas, das von den Verteilern 5, 6 bzw. 7 zugeführt
werden, werden von den Verteilern 5a, 6a bzw. 7a über
einen (später erläuterten) Durchflussweg abgeleitet,
der pro Einheitszelle C gebildet wird.
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Das
in den 1–9 dargestellte
Brennstoffzellenkomponentenbauteil A umfasst eine ME-Baugruppe 20,
die so aufgebaut ist, dass GD-Lagen 9, 10 an beiden
Seiten der PA-Membran 8, die durch eine Katalysatorträgerlage,
welche eine Elektrode bildet, integriert werden soll, laminiert
werden, und die Dichtungen 12, 13 werden durch
Vernetzung an dem Umfangsbereich einer Öffnung 11 und
dem äußeren Umfangsbereich der ME-Baugruppe 20 integral
ausgeformt.
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Die
Dichtungen 12, 13 sind aus einem Kautschukmaterial
wie z. B. Silikonkautschuk, Perfluorelastomer, Butylkautschuk, Styrol-Butadien-Copolymer,
Ethylen-Vinylacetatcopolymer, Ethylen-Acrylsäure-Methylcopolymer,
Butadienkautschuk, Polyisobutylen, Fluorokautschuk, Ethylen-Propylen-Kautschuk
und ähnlichem angefertigt. Das Kautschukmaterial wird vulkanisiert
und ausgeformt, um für die ME-Baugruppe 20 bereitgestellt
zu werden. Die Winkelbereiche 12a, 13a der Dichtungen 12, 13 werden zwischen
den Trennstücken 1, 2 zum Zeitpunkt der oben
erwähnten Bindung komprimiert und verformt, um durch ihre
Rückstellelastizität eine Abdichtung zwischen
den Trennstücken 1, 2 zu bewerkstelligen, sodass
das durch den Durchflussweg oder den Verteiler strömende
Kühlmedium, Wasserstoffgas und Sauerstoffgas an einer Leckage
nach außen gehindert werden.
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Die
GD-Lagen 9, 10 werden aus einer Lage aus Kohlefaser
oder Metallfaser angefertigt, und ihre zu der PA-Membran 8 weisende
Seite ist als eine (nicht dargestellte) Katalysatorträgerlage
ausgebildet, die einen Platinkatalysator trägt. Eine Seite
der Katalysatorträgerlage, zu der ein Sauerstoffgas diffundiert
wird, ist eine Sauerstoffelektrode (Kathode), und deren andere Seite,
zu der ein Wasserstoffgas diffundiert wird, ist eine Brennstoffelektrode
(Anode). Die PA-Membran 8 besteht aus einer Festpolymer-Ionenaustauschmembran,
und ihre Dicke beträgt etwa 25 μm, wobei die Dicke
jedoch nicht hierauf begrenzt ist.
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Ausführungsform 1
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Die 3–5 zeigen
eine Ausführungsform der Ausformungsvorrichtung zum integralen Vulkanisieren
und Ausformen einer Dichtung mit der oben erwähnten ME-Baugruppe.
In den Figuren ist eine Ausformungsvorrichtung D vom Injektionstyp dargestellt,
jedoch bedeutet dies nicht, dass eine Press/Erwärmungs-Ausformungsvorrichtung
ausgeschlossen ist.
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Die
Ausformungsvorrichtung D umfasst eine bewegliche Platte 17b,
die sich durch einen Kolben 18 nach oben und nach unten
bewegt, eine oberhalb der beweglichen Platte 17b bereitgestellte
untere Form (Teilform) 22a, eine durch einen Pfeiler 17 oberhalb
der beweglichen Platte 17b abgestützte feststehende
Platte 17a, und eine obere Form (Teilform) 22a,
die unter der feststehenden Platte 17a befestigt ist. Eine
obere Heizplatte 21a wird durch eine obere Schiene 23 oberhalb
der oberen Form 22a bereitgestellt, und eine untere Heizplatte 21b ist
unter der unteren Form 22b vorgesehen. Eine Wärmedämmplatte 19 ist zwischen
der oberen Heizplatte 21a und der feststehenden Platte 17a sowie
zwischen der unteren Heizplatte 21b und der beweglichen
Platte 17b bereitgestellt. In der Mitte der oberen Form 22a ist
ein Injektionsweg 14 für einen nicht vulkanisierten
Kautschuk bereitgestellt, um mit einem Hohlraum 23 zu kommunizieren,
der in Abhängigkeit von der Form der Dichtungen 12, 13,
die integral an dem Umfangsbereich der Öffnung 11 und
dem äußeren Umfangsbereich der ME-Baugruppe 20 ausgebildet
werden, geformt ist. Der nicht vulkanisierte Kautschuk, der durch
Vulkanisationsausformung als die Dichtungen 12, 13 ausgeformt
werden soll, wird von dem Injektionsweg 14 durch einen
Injektionseinlass 14a, der optional auf eine derartige
Weise bereitgestellt wird, dass das nicht vulkanisierte Kautschuk
gleichförmig in den Hohlraum 23 fließt,
in den Hohlraum 23 eingefüllt. Die Position des
Einlasses 14a begrenzt sich nicht auf die in der Figur
dargestellte Position. Eine Antriebsanordnung zum Ausfahren des
Kolbens 18 sowie eine Antriebsanordnung für die
obere Heizplatte 21a und die untere Heizplatte 21b sind
bereitgestellt, die in der Figur jeweils nicht dargestellt sind. Eine
Erwärmungsanordnung wie z. B. ein integriertes Heizgerät
kann als die obere Heizplatte 21a und die untere Heizplatte 21b verwendet
werden.
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Die
Form 22 besteht aus der unteren Form 22b und der
oberen Form 22a, wobei beide Teilformen 22a, 22b kombiniert
werden, wenn sich die bewegliche Platte 17b entsprechend
dem Auszug des Kolbens 18 anhebt, wobei der Hohlraum 23 zwischen den
beiden Teilformen 22a, 22b durch ein Schleifverfahren
ausgebildet wurde, um die ME-Baugruppe 20 und die Dichtungen 12, 13 entsprechend
der Form der Öffnung 11 der ME-Baugruppe 20 integral
auszuformen, wie dies in 2 dargestellt ist.
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Die
Form 22 verfügt über einen derartigen Hohlraum 23 sowie
eine Wärmedämmzone, welche die Wärmeübertragung
von der oberen Heizplatte 21a und der unteren Heizplatte 21b derart
blockiert, dass ein Stromerzeugungsfunktionsabschnitt der ME-Baugruppe 20 durch
die von der Ausformung erzeugte Wärme nicht beschädigt
wird. Die Wärmedämmzone weist einen ausgesparten
Bereich 15 auf, der auf der kombinierten Stirnfläche
der oberen und unteren Formen 22a, 22b entsprechend
dem Stromerzeugungsfunktionsabschnitt gebildet wird. Die 3 und 4 stellen
eine Ausführungsform dar, in der ein Wärmedämmmaterial 15a an
der Innenwand des ausgesparten Bereichs 15, der die Wärmedämmzone
bildet, befestigt ist, und ein Kühlblock 16 ist
in dem ausgesparten Bereich 15 bereitgestellt. Als das
Wärmedämmaterial 15a kann eine harte
Harzverbundwärmedämmplatte, die mit einer Glasfaser wie
z. B. FRP verstärkt ist, verwendet werden. Der Kühlblock 16 ist
dazu vorgesehen, mit dem Stromerzeugungsfunktionsabschnitt der ME-Baugruppe 20 in Kontakt
zu treten, und der Stromerzeugungsfunktionsabschnitt wird zum Zeitpunkt
der Vulkanisationsausformung mit dem Kühlblock 16 nach
oben und unten gepresst, um die gesamte ME-Baugruppe 20 bezüglich
der Form 22 festzulegen, wodurch eine Beschädigung
der ME-Baugruppe 20 durch den Ausformungsdruck vermieden
wird.
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Wie
in 3 und 4 dargestellt ist, werden dann,
wenn der Durchflussweg 16a für ein Kühlmedium
in dem Kühlblock 16 bereitgestellt ist, um ein Fluid
wie z. B. ein Niedertemperaturöl, Wasser oder Luft in dem
Weg 16a zu zirkulieren, Beschädigungen des Stromerzeugungsfunktionsabschnitts
der ME-Baugruppe 20 zusätzlich verhindert. Namentlich dient
der ausgesparte Bereich 15 fair die Blockade der Wärmeübertragung
zu dem Stromerzeugungsfunktionsabschnitt, und der Kühlblock 16 kann
den Stromerzeugungsfunktionsabschnitt abkühlen, sodass
der Stromerzeugungswärmebereich selbst dann von dem Kühlblock 16 abgekühlt
werden kann, wenn Wärme von dem Hohlraum 23 übertragen
wird, und weiterhin wirkt der Abkühlungseffekt des Kühlblocks 16 nicht
auf die Form 22 ein, wodurch es ermöglicht wird,
die Form bei einer geeigneten Heiztemperatur zu halten.
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Die
Struktur der Form 22 für die Verhinderung einer
Beschädigung des Stromerzeugungsfunktionsabschnitts durch
die von der Vulkanisationsausformung erzeugte Wärme begrenzt
sich nicht auf die in 3 und 4 dargestellte
Ausführungsform, bei welcher der Kühlblock 16 integral
und feststehend bereitgestellt ist, wobei das Wärmedämmmaterial 15a an
dem ausgesparten Bereich 15 angebracht ist. Sie kann auch
so ausfallen, dass eine Feder S für die Innenwand des ausgesparten
Bereichs 15 bereitgestellt ist, und der Kühlblock 16 durch
die Feder S gestützt wird, um dazwischen einen Zwischenbereich 15b anzuordnen.
In diesem Fall wird der Kühlblock 16 durch die
elastische Energie der Feder S elastisch an dem Stromerzeugungsfunktionsabschnitt
gehalten, wie dies in 5 dargestellt ist. Weiterhin
fungiert der Zwischenbereich 15b als eine Wärmedämmlage,
um die Wärmeübertragung zu blockieren, und der
Kühlungsbetrieb des Kühlblocks 16 wirkt
sich nicht auf die Form 22 aus, wodurch die Form auf einer
geeigneten Erwärmungstemperatur gehalten wird.
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Die
Ausführungsformen in den 3–5 zeigen,
dass die Dichtungen 12, 13 nur an einer Seite der
ME-Baugruppe 20 ausgebildet werden, jedoch begrenzt sich
die vorliegende Erfindung nicht auf eine derartige Ausführungsform,
sondern sie ist auch für solche Ausführungsformen
anwendbar, bei denen die Dichtungen wie in 6 dargestellt
an beiden Seiten der ME-Baugruppe 20 bereitgestellt werden. In
diesem Fall wird der Hohlraum 23 an Bereichen ausgebildet,
die den Dichtungen an beiden Seiten der ME-Baugruppe 20 entsprechen.
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Weiterhin
kann, wie in 7 dargestellt, die Wärmedämmzone
zwischen der Öffnung 11 der ME-Baugruppe 20 und
dem Außenumfang der ME-Baugruppe 20 der Form 22 (zwischen
der Dichtung 12 und der Dichtung 13) vorgesehen
werden.
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Gemäß einer
derartigen Struktur können durch Wärme verursachte
Schäden für einen größeren Bereich
der ME-Baugruppe 20 vermieden werden, sodass die als der
Stromerzeugungsfunktionsabschnitt dienende Zone groß ausfällt,
was zu einer erhöhten Energieerzeugung als eine Brennstoffzelle beiträgt.
Aufgrund der. erhöhten Energieerzeugung durch den vergrößerten
Stromerzeugungsfunktionsabschnitt kann die ME-Baugruppe 20 dementsprechend
verkleinert werden.
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Ausführungsform 2
-
8 und 9 zeigen
eine weitere Ausführungsform der Ausformungsvorrichtung
zum integralen Vulkanisieren und Ausformen der Dichtung mit der
ME-Baugruppe. Die mit der Ausführungsform 1 gemeinsamen
Bauteile tragen die gleichen Bezugszeichen und werden hier nicht
weiter erläutert.
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Bei
dieser Ausführungsform wird kein Kühlblock 16 der
Ausführungsform 1 bereitgestellt, und der ausgesparte
Bereich 15 kann in der Form 22 ausgebildet sein.
Bei dieser Ausführungsform können Schäden,
die durch die von dem Stromerzeugungsfunktionsabschnitt der ME-Baugruppe 20 erzeugte Wärme
verursacht werden, durch eine einfache Struktur verringert werden.
Zusätzlich kann zur Verbesserung dieses Effekts Kühlluft
in dem ausgesparten Bereich 15c zirkuliert werden.
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Weiterhin
kann wie bei der Ausführungsform 1 das Wärmedämmbauteil 15a an
der Innenwand des ausgesparten Bereichs 15 angebracht werden.
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In
der Ausführungsform in 8 und 9 werden
die Dichtungen 12, 13 nur an einer Seite der ME-Baugruppe 20 ausgebildet,
jedoch ist die vorliegende Erfindung auch für diejenigen
Fälle anwendbar, bei denen, wie in der Ausführungsform
1 in 6 gezeigt ist, die Dichtungen an beiden Seiten
der ME-Baugruppe 20 bereitgestellt werden. In diesem Fall
wird der Hohlraum 23 in Bereichen bereitgestellt, die den
Dichtungen an beiden Seiten der ME-Baugruppe 20 entsprechen.
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Weiterhin
kann, wie in der Ausführungsform 1 von 7 dargestellt,
die Wärmedämmzone zwischen der Öffnung 11 der
ME-Baugruppe 20 und dem Außenumfang der ME-Baugruppe 20 (zwischen der
Dichtung 12 und der Dichtung 13) vorgesehen werden,
wie dies unter Bezugnahme auf die Ausführungsform 1 erläutert
wurde.
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Gemäß einer
derartigen Struktur kann der durch die Wärme verursachte
Schaden für einen größeren Bereich der
ME-Baugruppe 20 vermieden werden, sodass die als der Stromerzeugungsfunktionsabschnitt
dienende Zone groß wird, was zu einer erhöhten
Stromerzeugung als eine Brennstoffzelle beiträgt. Aufgrund
der gesteigerten Stromerzeugung durch den vergrößerten
Stromerzeugungsfunktionsabschnitt kann die ME-Baugruppe 20 dementsprechend
verkleinert werden.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass die gesamte Konfiguration der Brennstoffzelle,
die das Brennstoffzellenkomponentenbauteil A der vorliegenden Erfindung
einschließt, die Form jedes Verteilers und die entsprechenden
Durchgangslöcher für den Verteiler sowie die Struktur
der Ausformungsvorrichtung nicht auf die in den Figuren dargestellten
Ausführungsformen begrenzt sind. Das Material der Dichtungen
begrenzt sich nicht auf den oben erwähnten Kautschuk, denn
auch ein nicht vernetztes weiches Harz kann anwendbar sein.
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Zusammenfassung
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Integrales
Ausformungsverfahren von Dichtungen eines Brennstoffzellenkomponentenbauteils, bei
dem ein Dichtungskörper integral mit einem äußeren
Umfangsbereich einer Membranelektrodenbaugruppe ausgeformt und ein
Umfangsbereich einer Öffnung an der Membranelektrodenbaugruppe durch
Vernetzungsausformung unter Verwendung einer Form mit einer Erwärmungsanordnung
ausgebildet wird, wobei die Membranelektrodenbaugruppe eine Protonenaustauschmembran
aufweist und eine Gasdiffusionslage an beiden Seiten der Protonenaustauschmembran
durch eine Katalysatorträgerlage, die eine Elektrode bildet,
integral laminiert ist. Die Form hat eine einem Formgebungsbereich
des Dichtungskörpers entsprechenden Hohlraum und eine Wärmedämmzone,
die einem Stromerzeugungsfunktionsabschnitt des Brennstoffzellenkomponentenbauteils
entspricht, Ein nicht-vernetztes Dichtungsmaterial wird in den Hohlraum
eingefüllt und das Dichtungsmaterial wird durch Wärmevernetzungsausformung
unter Verwendung der Erwärmungsanordnung ausgeformt, wobei
eine durch die Ausformung erzeugte Wärme durch die Wärmedämmzone an
einer Übertragung zu dem Stromerzeugungsfunktionsabschnitt
gehindert wird. Die Wärmedämmzone ist mit einem
ausgesparten Bereich aufgebaut, der an der Form in Entsprechung
zu dem Stromerzeugungsfunktionsabschnitt ausgebildet ist und an
der Innenwand des ausgesparten Bereichs ist ein Wärmedämmmaterial
angebracht.
-
- 8
- Protonenaustauschmembran
(PA-Membran)
- 9
- Gasdiffusionslage
(GD-Lage)
- 9a
- Katalysatorträgerlage
(Kathode)
- 10
- Gasdiffusionslage
(GD-Lage)
- 10a
- Katalysatorträgerlage
(Anode)
- 11
- Öffnung
- 12,
13
- Dichtungskörper
- 15
- ausgesparter
Bereich
- 15a
- Isoliermaterial
- 15b
- Zwischenbereich
- 16
- Kühlblock
- 16a
- Durchflussweg
für Kühlmedium
- 20
- Membranelektrodenbaugruppe
(ME-Baugruppe)
- 22
- Form
- 23
- Hohlraum
- A
- Brennstoffzellenkomponentenbauteil
- S
- Feder
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 03-047721
A [0009]
- - JP 2001-219428 A [0009]
- - JP 2004-174606 A [0009]