DE112006003103T5

DE112006003103T5 - Dichtungsformsystem für Membran-Elektroden-Einheiten

Info

Publication number: DE112006003103T5
Application number: DE112006003103T
Authority: DE
Inventors: Dennis E. Saint Paul Ferguson
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2005-11-14
Filing date: 2006-11-07
Publication date: 2008-11-06
Also published as: CN101310402A; JP2009516133A; US20070108657A1; US20100258976A1; WO2007058839A1; CN101310402B; JP5237103B2; US7771181B2; US8262967B2

Abstract

System zum Anformen einer Dichtung an eine Membran-Elektroden-Einheit, wobei das System aufweist:
einen Hohlraum, der mindestens teilweise durch verschließbare Formblöcke gebildet ist;
mindestens einen Einspritzanschluß zum Einspritzen von Dichtungsmaterial in den Hohlraum;
eine Halterung zum Halten der Membran-Elektroden-Einheit benachbart zum Hohlraum; und
einen Formeinsatz, der relativ zu den verschließbaren Formblöcken unabhängig beweglich ist, zum Ausüben von Druck auf die Membran-Elektroden-Einheit, die auf der Halterung gehalten wird.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft Membran-Elektroden-Einheiten zur Verwendung in elektrochemischen Vorrichtungen wie z. B. Brennstoffzellen. Insbesondere betrifft die Erfindung Systeme zum Anformen von Dichtungen an Membran-Elektroden-Einheiten.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Brennstoffzellen sind elektrochemische Vorrichtungen, die nutzbare Elektrizität durch die katalysierte Kombination eines solchen Brennstoffs wie z. B. Wasserstoff und eines Oxidationsmittels wie z. B. Sauerstoff erzeugen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Triebwerken, z. B. Verbrennungsgeneratoren, nutzen Brennstoffzellen keine Verbrennung. Somit erzeugen Brennstoffzellen kaum gesundheitsgefährdende Abprodukte. Brennstoffzellen wandeln Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff direkt in Elektrizität um und können mit höheren Wirkungsgraden verglichen mit Verbrennungsgeneratoren betrieben werden. Da einzelne Brennstoffzellen nicht viel Energie erzeugen (z. B. zwischen etwa 0,7–0,9 Volt), können mehrere Brennstoffzellen in einem Stapel gemeinsam angeordnet werden, um genügend Elektrizität zu erzeugen, um Kraftfahrzeuge zu betreiben und Elektrizität zu entfernten Standorten zu liefern.
Eine Brennstoffzelle, z. B. eine Protonenaustauschmembran-(PEM-)Brennstoffzelle, enthält normalerweise eine Membran-Elektroden-Einheit (MEE), die durch eine katalysatorbeschichtete Membran gebildet ist, die zwischen einem Paar Gasdiffusionsschichten angeordnet ist. Die katalysatorbeschichtete Membran selbst weist normalerweise eine Elektrolytmemb ran auf, die zwischen einem Paar Katalysatorschichten angeordnet ist. Die jeweiligen Seiten der Elektrolytmembran bezeichnet man als Anodenabschnitt und als Kathodenabschnitt. In einer typischen PEM-Brennstoffzelle wird Wasserstoff als Brennstoff in den Anodenabschnitt eingeleitet, wo der Wasserstoff reagiert und sich in Protonen und Elektronen auftrennt. Die Elektrolytmembran transportiert die Protonen zum Kathodenabschnitt, während sie einem Strom von Elektronen ermöglicht, durch einen externen Kreis zum Kathodenabschnitt zu fließen, um Leistung bereitzustellen. Sauerstoff wird in den Kathodenabschnitt eingeleitet und reagiert mit den Protonen und Elektronen, um Wasser und Wärme zu erzeugen.
Normalerweise sind MEE mit Dichtungen abgedichtet, um das Entweichen von Druckgasen und -flüssigkeiten zu verhindern. Um zu gewährleisten, daß die Druckgase und Flüssigkeiten nicht die Elektrolytmembranen umgehen, werden die Dichtungen allgemein um die Umfangskanten der MEE geformt. Ein verbreitetes Problem bei Dichtungsformsystemen ist aber, daß die Systeme die MEE zu stark komprimieren oder zu schwach komprimieren können. Durch zu starkes Komprimieren können sich die Anodenabschnitte und die Kathodenabschnitte der MEE durch die jeweiligen Elektrolytmembranen kontaktieren, was zu elektrischen Kurzschlüssen führt. Alternativ kann zu schwaches Komprimieren dazu führen, daß Dichtungsmaterialien an unerwünschten Stellen um die MEE geformt werden. Somit besteht Bedarf an einem Dichtungsformsystem, das die Gefahr von zu starkem Komprimieren und zu schwachem Komprimieren von MEE im Verlauf von Dichtungsformvorgängen verringert.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein System zum Anformen einer Dichtung an eine MEE. Das System verfügt über einen Formhohlraum, der mindestens teilweise durch verschließbare Formblöcke gebildet ist, und mindestens einen Einspritzanschluß zum Einspritzen von Dichtungsmaterial in den Formhohlraum. Ferner verfügt das System über eine Halterung zum Halten der MEE benachbart zum Formhohlraum und einen Formeinsatz, der relativ zu den verschließbaren Formblöcken unabhängig beweglich ist, zum Ausüben von Druck auf die MEE, die an der Halterung gehalten wird. Das System vermag geeignete Druckwerte auf MEE im Verlauf von Dichtungsformvorgängen auszuüben, was die Gefahr von zu starkem Komprimieren und zu schwachem Komprimieren verringert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine isometrische Seitenansicht eines Formsystems der Erfindung.
2 ist eine Seitenschnittansicht des Formsystems.
3 ist eine expandierte Ansicht von Teilstück 3 in 2 und zeigt eine an eine MEE angeformte Dichtung in einem Hohlraum des Formsystems.
4 ist eine weggeschnittene Perspektivansicht einer alternativen MEE, die zur Verwendung mit dem Formsystem geeignet ist, und einer an die alternative MEE angeformten Dichtung.
5a–5c sind Draufsichtdarstellungen alternativer Elektrolytmembranen, die zur Verwendung mit dem Formsystem geeignet sind.
6 ist eine expandierte Schnittansicht eines Abschnitts eines alternativen Formsystems der Erfindung.
7 ist eine expandierte Ansicht von Teilstück 7 in 6 und zeigt eine an eine MEE angeformte Dichtung in einem Hohlraum des alternativen Formsystems.
8 ist eine weggeschnittene Perspektivansicht einer alternativen MEE, die zur Verwendung mit dem alternativen Formsystem geeignet ist, und einer an die alternative MEE angeformten Dichtung.
9a und 9b sind expandierte Schnittansichten eines Abschnitts eines zweistufigen Formsystems der Erfindung.
Während die zuvor aufgeführten Zeichnungen mehrere Ausführungsformen der Erfindung zeigen, sind auch andere Ausführungsformen erwogen, wie aus der Diskussion hervorgeht. In allen Fällen präsentiert die Offenbarung die Erfindung als Veranschaulichung und nicht als Einschränkung. Verständlich sollte sein, daß zahlreiche andere Abwandlungen und Ausführungsformen vom Fachmann gestaltet werden können, die dem Schutzumfang und Grundgedanken der Grundsätze der Erfindung entsprechen. Die Darstellungen sind möglicherweise nicht maßstäblich. Gleiche Bezugszahlen dienen in den Darstellungen durchweg zur Bezeichnung gleicher Teile.
NÄHERE BESCHREIBUNG
1 ist eine isometrische Seitenansicht eines Formsystems 10 der Erfindung, das zum Anformen von Dichtungen an MEE geeignet ist. Darstellungsgemäß verfügt das Formsystem 10 über einen oberen Block 12, einen unteren Block 14, einen Formeinsatz 16, eine Halterung 18 und eine Ablaufsteuereinheit 20. Der obere Block 12 und untere Block 14 sind verschließbare Spritzgießblöcke, wobei sich der obere Block 12 entlang einer Achse A zum Öffnen und Schließen am unteren Block 14 mit Hilfe von Standard-Bewegungssystemen bewegen kann, z. B. hydraulischen, mechanischen oder pneumatischen Systemen. In einer alternativen Anordnung kann der untere Block 14 der Formgebungsblock sein, der sich entlang der Achse A bewegen kann, und der obere Block 12 ist feststehend. Richtungsorientierungen wie "oben" und "unten" dienen hierin zur Erleichterung der Diskussion und sollen nicht einschränkend sein.
Der obere Block 12 weist eine Umfangs- bzw. Umfassungswand 22 auf, die sich seitlich um einen vertieften Abschnitt 24 erstreckt und ihn abgrenzt. Außerdem weist der obere Block 12 eine Öffnung 26 (gestrichelt gezeigt) auf, durch die der Formeinsatz 16 beweglich festgehalten wird. Der vertiefte Abschnitt 24 ist eine Vertiefung in der Umfassungswand 22, die sich seitlich um den Formeinsatz 16 erstreckt. Der vertiefte Abschnitt 24 verfügt über eine gemusterte Oberfläche 28, die mehrere replizierte Muster aufweist, um Dichtungen mit "mikrostrukturierten Kontaktmustern mit erhabenen Stegen" und "replizierten Strukturen" gemäß der Offenbarung in Wald et al., US-Patentanmeldung Nr. 2003/0211378 und in der anhängigen US-Patentanmeldung mit dem Titel "Gasketed Subassembly For Use In Fuel Cells" (Anwaltsaktenzeichen Nr. 61026US002) zu bilden, die beide gemeinsam übertragen sind.
Der Formeinsatz 16 weist eine Kontaktfläche 30 auf, die eine ebene Oberfläche zur Druckausübung auf eine MEE (nicht gezeigt) ist, die im Formsystem 10 während eines Dichtungsformbetriebs festgehalten wird. Die Kontaktfläche 30 des Formeinsatzes 16 kann eine nachgiebige Oberfläche (z. B. eine Gummioberfläche) aufweisen, um die Gleichmäßigkeit von Druck zu erhöhen, der über die MEE ausgeübt wird. Alternativ kann die Kontaktfläche 30 des Formeinsatzes 16 eine Umfassungslippe (nicht gezeigt) aufweisen, die sich um die Seitenkanten der Kontaktfläche 30 erstreckt. In dieser Ausführungsform ist der Mittelabschnitt der Kontaktfläche 30 von der Umfassungslippe vertieft (z. B. höchstens etwa 200 Mikrometer), und die Umfassungslippe kontaktiert die Seitenkanten einer MEE und übt Druck um diese aus, die im Formsystem 10 während eines Dichtungsformbetriebs festgehalten ist.
Wie später diskutiert wird, kann sich der Formeinsatz 16 entlang der Achse A in der Öffnung 26 unabhängig vom oberen Block 12 bewegen. Dadurch kann der Formeinsatz 16 den auf eine MEE ausgeübten Druck unabhängig einstellen, was die Gefahr von zu starker Kompression und zu schwacher Kompression der MEE verringert. Der Formeinsatz 16 kann mit Standard-Bewegungssystemen bewegt werden, z. B. mit hydraulischen, mechanischen oder pneumatischen Systemen. Solche Bewegungssysteme können mit der Ablaufsteuereinheit 20 über eine Signalleitung 20a kommunizieren. Die Ablaufsteuereinheit 20 ist ein automa tisiertes System, das den Druck überwacht, den der Formeinsatz 16 auf eine bestimmte MEE ausübt. Überwachen läßt sich der ausgeübte Druck mit einem Kraftsensor, z. B. einem Druckkissen oder einer Druckmeßdose (z. B. Meßdose mit Dehnstreifen), die mit der Ablaufsteuereinheit 20 über eine Signalleitung 20b kommuniziert. Die Ablaufsteuereinheit 20 kann jedes geeignete System zum Steuern der Bewegung des Formeinsatzes 16 auf der Grundlage des erfaßten ausgeübten Drucks sein. In alternativen Ausführungsformen kann die Bewegung des Formeinsatzes 16 ohne Verwendung der Ablaufsteuereinheit 20 manuell gesteuert werden.
Der untere Block 14 weist eine Umfassungswand 32 auf, die sich seitlich um einen vertieften Abschnitt 34 erstreckt und ihn abgrenzt. Der vertiefte Abschnitt 34 ist eine Vertiefung in der Umfassungswand 32, die sich seitlich um die Halterung 18 ähnlich wie der vertiefte Abschnitt 24 erstreckt. Der vertiefte Abschnitt 34 verfügt über eine gemusterte Oberfläche 36, die die gleichen replizierten Muster wie die gemusterte Oberfläche 28 aufweist. In alternativen Ausführungsformen können die gemusterte Oberfläche 28 und 26 unterschiedliche Muster beinhalten, oder alternativ können die gemusterte Oberfläche 28 und/oder 26 frei von replizierten Mustern sein.
Die Halterung 18 ist ein Einsatz, der am unteren Block 14 befestigt und zum Formeinsatz 16 ausgerichtet ist. In einer alternativen Ausführungsform kann die Halterung 18 in einem Stück mit dem unteren Block 14 gebildet sein. Die Halterung 18 weist eine Oberfläche 38 zum Halten einer MEE während eines Dichtungsformbetriebs auf. Die Oberfläche 38 des Formeinsatzes 16 kann auch eine nachgiebige Oberfläche (z. B. eine Gummioberfläche) aufweisen, um die Gleichmäßigkeit von Druck zu erhöhen, der über die MEE ausgeübt wird.
Wie 1 weiter zeigt, weist der obere Block 12 auch Einspritzanschlüsse 40 auf, die Öffnungen in der gemusterten Oberfläche 28 zum Einspritzen von Dichtungsmaterial sind. Während es mit einem Paar Einspritzanschlüssen 40 gezeigt ist, kann das Formsystem 10 mehrere Einspritzanschlüsse an vielfältigen Stellen aufweisen, z. B. in den gemusterten Oberflächen 28 und 36, in den Umfassungswänden 22 und 32 (mit Austritt in die vertieften Abschnitte 24 bzw. 34) und deren Kombinationen. In einer Ausführungsform können die Einspritzanschlüsse 40 an Positionen in der resultierenden Dichtung liegen, an denen Verteileröffnungen erzeugt werden (zum Erleichtern von Gas- und/oder Flüssigkeitstransport durch die Dichtung).
Wie später näher diskutiert, ist das Formsystem 10 zum Anformen von Dichtungen an MEE geeignet, wobei der Formeinsatz 16 entlang der Achse A eingestellt werden kann, um die Gefahr von zu starkem Komprimieren und zu schwachem Komprimieren der MEE zu verringern. Dies wahrt die strukturelle Unversehrtheit der MEE und verbessert die Verbindungen zwischen den MEE und den Dichtungen.
2 ist eine Seitenschnittansicht des Formsystems 10 und zeigt den oberen Block 12 geschlossen am unteren Block 14, wobei eine MEE 42 zwischen dem Formeinsatz 16 und der Halterung 18 angeordnet ist. Zur leichteren Diskussion ist die Dicke der Schichten der MEE 42 in 2 übertrieben. Während eines Dichtungsformbetriebs kann die MEE 42 auf der Halterung 18 automatisch oder manuell plaziert werden. Wird die MEE 42 auf der Halterung 18 festgehalten, kann der obere Block 12 gegen den unteren Block 14 geschlossen werden, um einen Hohlraum 44 zu bilden. Der Hohlraum 44 erstreckt sich seitlich um die MEE 42 und hat ein Volumen, das den vertieften Abschnitten 24 und 34 (gemäß 1) entspricht. Schließt der obere Block 12 gegen den unteren Block 14, drückt außerdem die Kontaktfläche 30 des Formeinsatzes 16 an die MEE 42, wodurch die MEE 42 an der Oberfläche 38 der Halterung 18 komprimiert wird.
Der obere Block 12 schließt gegen den unteren Block 14 mit einem voreingestellten Kraftbetrag, um die Umfassung 22 an der Umfassung 32 wirksam abzudichten. Damit wird verhindert, daß Dichtungsmaterial während eines Dichtungsformbetriebs aus dem Formsystem 10 austritt. Wäre also der Formeinsatz 16 am oberen Block 12 befestigt (d. h. nicht unabhängig beweglich), so wäre der Relativabstand zwischen der Kontaktfläche 30 des Formeinsatzes 16 und der Oberfläche 38 der Halterung 18 für jeden Einspritzvorgang konstant. Dadurch würde der auf eine an der Halterung 18 gehaltene MEE (z. B. MEE 42) ausgeübte Druck in Abhängigkeit von der Schichtdicke der jeweiligen MEE variieren. Hat z. B. eine bestimmte MEE eine hohe Schichtdicke (z. B. 1000 Mikrometer), kann die MEE zu stark komprimiert werden, was potentiell zu einem elektrischen Kurzschluß führt. Hat die jeweilige MEE alternativ eine niedrige Schichtdicke (z. B. 200 Mikrometer), kann die MEE zu schwach komprimiert werden, was dazu führen kann, daß eingespritztes Dichtungsmaterial zwischen der MEE und den Oberflächen 30 und 38 unerwünscht fließt.
Allerdings ist der Formeinsatz 16 relativ zum oberen Block 12 (und unteren Block 14) unabhängig beweglich. Daher kann der durch den Formeinsatz 16 auf die MEE 42 ausgeübte Druck durch Einstellen der Position des Formeinsatzes 16 entlang der Achse A konstant gehalten werden. Dies verringert die Gefahr von zu starkem Komprimieren oder zu schwachem Komprimieren der MEE 42 während eines Dichtungsformbetriebs. Während also der obere Block 12 am unteren Block 14 schließt, kann sich der Formeinsatz 16 gemeinsam mit dem oberen Block 12 zur Halterung 18 und MEE 42 bewegen. Dabei überwacht die Ablaufsteuereinheit 20 den vom Formeinsatz 16 ausgeübten Druck in Echtzeit.
Kontaktiert der Formeinsatz 16 die MEE 42, steigt der überwachte Druck entsprechend, der auf die MEE 42 ausgeübt wird. Der Formeinsatz 16 fährt fort die MEE 42 an der Halte rung 18 zu komprimieren, bis ein voreingestellter Solldruck erreicht ist. Danach hält die Ablaufsteuereinheit 20 die MEE 42 in dieser Lage relativ zum unteren Block 14 und zur Halterung 18 unabhängig von der Bewegung des oberen Blocks 12. Hat z. B. die MEE 42 eine hohe Schichtdicke, kann der Formeinsatz 16 den Solldruck erreichen und seine Position halten, bevor der obere Block 12 den unteren Block 14 erreicht. Dies verringert die Gefahr von zu starkem Komprimieren der MEE 42, während sich der obere Block 12 weiter zum unteren Block 14 bewegt. Hat alternativ die MEE 42 eine niedrige Schichtdicke, kann der Formeinsatz 16 die MEE 42 weiter komprimieren, nachdem der obere Block 12 am unteren Block 14 abgedichtet ist, bis der Solldruck erreicht ist. Damit verringert sich entsprechend die Gefahr, daß die MEE 42 zu schwach komprimiert wird.
Sind der obere Block 12 und untere Block 14 aneinander abgedichtet und hat der Formeinsatz 16 die MEE auf den Solldruck komprimiert, kann Dichtungsmaterial durch die Einspritzanschlüsse 40 in den Hohlraum 44 eingespritzt werden. Zu Beispielen für Dichtungsmaterialien, die zur Bildung einer Dichtung 46 verwendet werden können, zählen Elastomermaterialien, z. B. Kautschuke, Silikonelastomere, thermoplastische Elastomere, duroplastische Elastomere, Elastomerkleber, styrolhaltige Diblock- und Triblockcopolymere und deren Kombinationen.
Das eingespritzte Dichtungsmaterial füllt im wesentlichen den Hohlraum 44 und paßt sich an die Umfangskanten der MEE 42 und die gemusterten Oberflächen 28 und 36 an. Nach Erstarren bildet das Dichtungsmaterial eine Dichtung (nicht gezeigt), die an den Umfangskanten der MEE 42 befestigt ist. Außerdem hat die Dichtung replizierte Muster, die durch die zuvor diskutierten gemusterten Oberflächen 28 und 36 gebildet sind und die Abdichtwirkung der Dichtung verbessern.
3 ist eine expandierte Ansicht des Teilstücks 3 in 2, das die im Hohlraum 44 gebildete Dichtung 46 zeigt. Wie in 3 weiter gezeigt, weist die MEE 42 eine Elektrolytmembran 48 auf, die zwischen Gasdiffusionsschichten 50 und 52 angeordnet ist, wobei sich die Gasdiffusionsschichten 50 und 52 über die Umfangskante der Elektrolytmembran 48 hinaus erstrecken, um einen Spalt 53 zu bilden. Wird das Dichtungsmaterial in den Hohlraum 44 eingespritzt, dringt das Dichtungsmaterial in den Spalt 53 ein, um die Verbindung zwischen der MEE 42 und der resultierenden Dichtung 46 zu verstärken.
Ein verbreitetes Problem bei einspritzbaren Dichtungsmaterialien ist, daß die Viskosität und andere Fließkennwerte eines bestimmten Dichtungsmaterials zwischen Produktionschargen erheblich variieren können. Als Ergebnis kann die Kraft des eingespritzten Dichtungsmaterials zwischen Einspritzungen variieren, was beeinflussen kann, wie weit das Dichtungsmaterial in den Spalt 53 eindringt. Um dies zu berücksichtigen, kann die Position des Formeinsatzes 16 eingestellt werden, um den auf die MEE 42 ausgeübten Druck entsprechend einzustellen. Dadurch kann die Sollmenge von Dichtungsmaterial in den Spalt 53 eindringen. Hat z. B. das Dichtungsmaterial eine hohe Viskosität, kann der Druck, den der Formeinsatz 16 auf die MEE 42 ausübt, reduziert werden, um die zum Eindringen in den Spalt 53 erforderliche Kraft zu verringern. Hat alternativ das Dichtungsmaterial eine niedrige Viskosität, kann der ausgeübte Druck erhöht werden, um zu verhindern, das Dichtungsmaterial unter hohem Druck zwischen der Elektrolytmembran 48 und den Gasdiffusionsschichten 50/52 fließt.
Nachdem die Dichtung 46 an die MEE 42 angeformt ist, können sich der obere Block 12 und Formeinsatz 16 vom unteren Block 14 öffnen, und die resultierende abgedichtete MEE 42 kann entfernt werden. Die Dichtung 46 erstreckt sich um die Umfangskanten der MEE 42, um Druckgase und -flüssigkeiten am Umgehen der Elektrolytmembran 48 im Gebrauch in einer elekt rochemischen Vorrichtung (z. B. einer Brennstoffzelle) zu hindern. Durch Steuern des auf die MEE 42 ausgeübten Drucks während des Dichtungsformbetriebs kann die Dichtung 46 sicher mit den Umfangskanten der MEE 42 verbunden werden, während zugleich die Gefahr von zu starkem Komprimieren und zu schwachem Komprimieren der MEE 42 verringert wird.
4 ist eine weggeschnittene Perspektivansicht einer MEE 42a und der Dichtung 46, wobei die MEE 42a eine alternative Gestaltung der MEE 42 ist und eine Elektrolytmembran 48a sowie Gasdiffusionsschichten 50a und 52a aufweist. Darstellungsgemäß hat die Elektrolytmembran 48a ein Sägezahn-Kantenprofil, das sich um die gesamte Umfangskante der Elektrolytmembran 48a im Spalt 53 erstreckt. Das Sägezahn-Kantenprofil vergrößert die Oberfläche zwischen der MEE 42a und Dichtung 46, wodurch es die Verbindung zwischen der MEE 42a und Dichtung 46 weiter verstärkt. Beim Einspritzen in den Hohlraum 44 dringt das Dichtungsmaterial in den Spalt 53 ein und paßt sich dem Sägezahn-Kantenprofil der Elektrolytmembran 48a an. Wie zuvor diskutiert, kann der Druck, den der Formeinsatz 16 auf die MEE 42a ausübt, eingestellt werden, um Viskositätsschwankungen des eingespritzten Dichtungsmaterials Rechnung zu tragen. Dies verbessert das Ausmaß, in dem das Dichtungsmaterial in den Spalt 53 eindringen und sich dem Sägezahn-Kantenprofil der Elektrolytmembran 48a anpassen kann.
5a–5c sind Draufsichtdarstellungen von Elektrolytmembranen 48a, 48b bzw. 48c, die Beispiele für geeignete Kantenprofile für die MEE 42 zeigen. Zusätzlich zum Sägezahn-Kantenprofil gemäß 4 und 5a können geeignete Kantenprofile für Elektrolytmembranen T-Einschnitte (Elektrolytmembran 48b) und Schlitzeinschnitte (Elektrolytmembran 48c) aufweisen. Im wesentlichen kann jede Kantenprofilgestaltung verwendet werden, die die Kontaktfläche zwischen der MEE 42 und Dichtung 46 im Spalt 53 vergrößert.
6 ist eine expandierte Schnittansicht eines Abschnitts eines Formsystems 110, das ein dem zuvor diskutierten Formsystem 10 ähnelndes System ist (entsprechende Bezugszahlen sind um "100" erhöht). Das Formsystem 110 ist zum Anformen von Dichtungen an eine MEE 142 geeignet, die der MEE 42 mit der Ausnahme ähnelt, daß sich eine Elektrolytmembran 148 in einen Hohlraum 144 erstreckt. Die Elektrolytmembran 148 kann Teildichtungsschichten (nicht gezeigt) aufweisen, die auf jeder Seite der Elektrolytmembran 148 angeordnet sind, um die MEE 142 weiter abzudichten und um den Abschnitt der Elektrolytmembran 148 mechanisch abzustützen, der im Hohlraum 144 angeordnet ist.
Wie weiter gezeigt ist, weist das Formsystem 110 Einspritzanschlüsse 140a und 140b auf, wobei der Einspritzanschluß 140a mit den zuvor in 2 diskutierten Einspritzanschlüssen 40 identisch ist. Der Einspritzanschluß 140b ähnelt auch den Einspritzanschlüssen 40 mit der Ausnahme, daß sich der Einspritzanschluß 140b durch einen unteren Block 114 erstreckt. Durch die Verwendung der Einspritzanschlüsse 140a und 140b kann Dichtungsmaterial von jeder Seite der Elektrolytmembran 148 in den Hohlraum 144 eingespritzt werden, wodurch Dichtungen (nicht gezeigt) auf jeder Seite der Elektrolytmembran 148 gebildet werden.
7 ist eine expandierte Ansicht des Teilstücks 7 in 6, das Dichtungen 146a und 146b zeigt, die im Hohlraum 144 benachbart zu den gegenüberliegenden Oberflächen der Elektrolytmembran 148 gebildet sind. Nach Erstarrung sind die Dichtungen 146a und 146b an der Elektrolytmembran 148 befestigt und funktionieren auf die gleiche Weise wie die Dichtung 46 zum Verhindern, daß Druckgase und -flüssigkeiten die Elektrolytmembran 148 im Gebrauch umgehen.
8 ist eine weggeschnittene Perspektivansicht einer MEE 142a, die eine alternative Gestaltung der MEE 142 ist und eine Elektrolytmembran 148a sowie Gasdiffusionsschichten 150a und 152a aufweist. Darstellungsgemäß haben die Gasdiffusionsschichten 150a und 152a jeweils ein Sägezahn-Kantenprofil, das sich um die gesamte Umfangskante der MEE 142a erstreckt, was die Verbindung zwischen der MEE 142a und der Dichtung 146 verbessert. Beim Einspritzen in den Hohlraum 144 paßt sich das Dichtungsmaterial an die Sägezahn-Kantenprofile der Gasdiffusionsschichten 150a und 152a an. Der Druck, den ein Formeinsatz 116 auf die MEE 142a ausübt, kann ebenfalls eingestellt werden, um Viskositätsschwankungen der eingespritzten Dichtungsmaterialien auf die gleiche Weise wie zuvor diskutiert Rechnung zu tragen. Damit verbessert sich das Ausmaß, in dem sich die Dichtungsmaterialien den Sägezahn-Kantenprofilen der Gasdiffusionsschichten 150a und 152a anpassen können. In alternativen Ausführungsformen können die Gasdiffusionsschichten 150a und 152a alternative Kantenprofilgestaltungen beinhalten, z. B. die zuvor für die Elektrolytmembranen 48a–48c in 5a–5c diskutierten.
9a und 9b sind expandierte Schnittansichten eines Abschnitts eines Formsystems 210, das ein alternatives System zu den zuvor diskutierten Formsystemen 10 und 110 ist (entsprechende Bezugszahlen sind gegenüber dem Formsystem 10 um "200" erhöht). Wie später diskutiert, ist das Formsystem 210 ein zweistufiges Formsystem, das Dichtungsmaterial auf jeder Seite einer Elektrolytmembran 248 einer MEE 242 einspritzt.
Gemäß 9a weisen ein oberer Block 212 und ein unterer Block 214 keine gemusterte Oberfläche ähnlich wie die gemusterten Oberflächen 28 und 36 des Formsystems 10 auf. Statt dessen weist das Formsystem 210 Hohlraumeinsätze 254 und 256 auf, die auf gegenüberliegenden Seiten der Elektrolytmembran 248 liegen. Die Hohlraumeinsätze 254 und 256 weisen gemusterte Oberflächen 228 und 236 auf, die auf die gleiche Weise wie in der vorstehenden Diskussion für die gemusterten Oberflächen 28 und 36 in 1 funktionieren.
Der Hohlraumeinsatz 254 ist so am oberen Block 212 befestigt, daß die gemusterte Oberfläche 228 zur Elektrolytmembran 248 weist, um allgemein einen oberen Hohlraum 244a zu bilden. Allerdings ist der Hohlraumeinsatz 256 an einer versetzten Stelle im Hohlraum 244 von der Oberfläche des unteren Blocks 214 (als Oberfläche 258 bezeichnet) beweglich festgehalten. Der Hohlraumeinsatz 256 ist von der Oberfläche 258 um einen Abstand versetzt, der ermöglicht, daß die gemusterte Oberfläche 236 des Hohlraumeinsatzes 256 die Elektrolytmembran 248 während einer ersten Einspritzstufe des zweistufigen Formvorgangs abstützt.
Während der Hohlraumeinsatz 256 die Elektrolytmembran 248 abstützt, kann Dichtungsmaterial in den oberen Hohlraum 244a aus einem Einspritzanschluß 240a eingespritzt werden. Dies füllt im wesentlichen den oberen Hohlraum 244a und ermöglicht dem Dichtungsmaterial, sich der Elektrolytmembran 248, einer Gasdiffusionsschicht 250 und der gemusterten Oberfläche 228 anzupassen. Nach dem Erstarren bildet das Dichtungsmaterial eine erste Dichtung (nicht gezeigt), die an der Elektrolytmembran 248 und Gasdiffusionsschicht 250 befestigt ist. Nachdem die erste Dichtung im oberen Hohlraum 244a erstarrt ist, kann der Hohlraumeinsatz 256 zum Einspritzen von Dichtungsmaterial aus einem Einspritzanschluß 240b zur Oberfläche 258 abgesenkt werden. An diesem Punkt kann die erste Dichtung als Stütze für die Elektrolytmembran 248 fungieren, während Dichtungsmaterial aus dem Einspritzanschluß 240b eingespritzt wird.
Ist gemäß 9b der Hohlraumeinsatz 256 an der Oberfläche 258 angeordnet, bilden die gemusterte Oberfläche 236 und die Elektrolytmembran 248 allgemein einen unteren Hohlraum 244b. Dann kann Dichtungsmaterial in den unteren Hohlraum 244b aus dem Einspritzanschluß 240b eingespritzt werden. Dies füllt im wesentlichen den unteren Hohlraum 244b und ermöglicht dem Dichtungsmaterial, sich der Elektrolytmembran 248, einer Gasdiffusionsschicht 252 und der gemusterten Oberfläche 236 anzupassen. Nach Erstarrung bildet das Dichtungsmaterial eine zweite Dichtung (nicht gezeigt), die an der Elektrolytmembran 248 und Gasdiffusionsschicht 252 befestigt ist.
Die Hohlraumeinsätze 254 und 256 sind geeignete Einsätze zum strukturellen Abstützen der Elektrolytmembran 248 im Verlauf von mehrstufigen Dichtungsformvorgängen. Dies verringert die Gefahr von Beschädigung der Elektrolytmembran 248, während die einzelnen Einspritzungen von Dichtungsmaterialien stattfinden.
Wie zuvor diskutiert, können MEE auf den Halterungen der Formsysteme 10, 110 und 210 automatisch oder manuell plaziert werden. In einer Ausführungsform kann das Formsystem der Erfindung in einem kontinuierlichen Verfahren verwendet werden, in dem die MEE (z. B. MEE 42, 142 und 242) dem Formsystem auf einem Förderband (nicht gezeigt) automatisch zugeführt werden. In dieser Ausführungsform kann das Förderband direkt über der Halterung (z. B. Halterungen 18, 118 und 218) zum Positionieren einer bestimmten MEE auf der Halterung verlaufen. Danach können der obere Block und der Formeinsatz am unteren Block schließen, um einen Dichtungsformbetrieb durchzuführen. Nach Abschluß können sich der obere Block und der Formeinsatz dann vom unteren Block öffnen. Danach kann das Förderband die mit Dichtung versehene MEE entfernen und eine neue MEE auf der Halterung 18 positionieren. Dann kann das Verfahren wiederholt werden. Die Formsysteme der Erfindung sind zur Verwendung mit kontinuierlichen Verfahren besonders geeignet, da die Formeinsätze (z. B. Formeinsätze 16, 116 und 216) einen konstanten Druck auf jede MEE trotz Schichtdickenschwankungen zwischen den vorgegebenen MEE ausüben können. Dies verringert die Zeit und den Aufwand, die zur Herstellung von MEE erforderlich sind.
Obwohl die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, daß Änderungen in Form und Detail vorgenommen werden können, ohne vom Grundgedanken und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
Zusammenfassung
Bei der Erfindung handelt es sich um ein System zum Anformen einer Dichtung an eine Membran-Elektroden-Einheit. Das System weist auf: einen Hohlraum, der mindestens teilweise durch verschließbare Formblöcke gebildet ist, mindestens einen Einspritzanschluß zum Einspritzen von Dichtungsmaterial in den Hohlraum, eine Halterung zum Festhalten der Membran-Elektroden-Einheit benachbart zum Hohlraum und einen Formeinsatz, der relativ zu den verschließbaren Formblöcken unabhängig beweglich ist, zum Ausüben von Druck auf die Membran-Elektroden-Einheit, die auf der Halterung festgehalten ist.

Claims

System zum Anformen einer Dichtung an eine Membran-Elektroden-Einheit, wobei das System aufweist: einen Hohlraum, der mindestens teilweise durch verschließbare Formblöcke gebildet ist; mindestens einen Einspritzanschluß zum Einspritzen von Dichtungsmaterial in den Hohlraum; eine Halterung zum Halten der Membran-Elektroden-Einheit benachbart zum Hohlraum; und einen Formeinsatz, der relativ zu den verschließbaren Formblöcken unabhängig beweglich ist, zum Ausüben von Druck auf die Membran-Elektroden-Einheit, die auf der Halterung gehalten wird.
System nach Anspruch 1, wobei der Hohlraum seitlich um die Halterung angeordnet ist.
System nach Anspruch 1, wobei die Membran-Elektroden-Einheit eine Umfassungskante hat und wobei die Halterung so konfiguriert ist, daß sich die Umfassungskante der Membran-Elektroden-Einheit in den Hohlraum erstreckt.
System nach Anspruch 1, wobei der durch den Formeinsatz auf die Membran-Elektroden-Einheit ausgeübte Druck einstellbar ist.
System nach Anspruch 1, ferner mit einer Ablaufsteuereinheit zum Steuern von Bewegung des Halterungseinsatzes, wobei die Bewegung des Halterungseinsatzes mindes tens teilweise auf dem Druck beruht, der auf die Membran-Elektroden-Einheit ausgeübt wird.
System nach Anspruch 1, wobei der Hohlraum mehrere replizierte Muster zum Bilden replizierter Strukturen in der geformten Dichtung aufweist.
System nach Anspruch 1, ferner mit einem beweglichen Hohlraumeinsatz, der im Hohlraum angeordnet ist.
System zum Anformen einer Dichtung an eine Membran-Elektroden-Einheit, wobei das System aufweist: einen ersten Formblock; einen zweiten Formblock, wobei der erste Formblock und der zweite Formblock so konfiguriert sind, daß sie aneinander schließen, um einen Hohlraum zu bilden; mindestens einen Einspritzanschluß zum Einspritzen von Dichtungsmaterial in den Hohlraum; eine am ersten Formblock befestigte Halterung zum Halten der Membran-Elektroden-Einheit benachbart zum Hohlraum; und einen im zweiten Formblock angeordneten Formeinsatz zum Ausüben eines einstellbaren Drucks auf die durch die Halterung gehaltene Membran-Elektroden-Einheit.
System nach Anspruch 8, wobei der Formeinsatz relativ zum ersten Formblock und zum zweiten Formblock unabhängig beweglich ist.
System nach Anspruch 9, ferner mit einer Ablaufsteuereinheit zum Steuern von Bewegung des Halterungseinsatzes, wobei die Bewegung des Halterungseinsatzes mindestens teilweise auf dem Druck beruht, der auf die Membran-Elektroden-Einheit ausgeübt wird.
System nach Anspruch 8, wobei sich der ausgeübte einstellbare Druck als Reaktion auf einen oder mehrere Fließkennwerte des Dichtungsmaterials einstellt.
System nach Anspruch 8, wobei der Hohlraum mehrere replizierte Muster zum Bilden replizierter Strukturen in der geformten Dichtung aufweist.
System nach Anspruch 8, ferner mit einem beweglichen Hohlraumeinsatz, der im Hohlraum angeordnet ist.
System nach Anspruch 8, wobei der mindestens eine Einspritzanschluß an einer Stelle angeordnet ist, die einer Verteileröffnung in der Dichtung entspricht.
Verfahren zum Anformen einer Dichtung an eine Membran-Elektroden-Einheit mit einer Umfassungskante, wobei das System aufweist: Positionieren der Membran-Elektroden-Einheit zwischen einem ersten Formblock und einem zweiten Formblock; Schließen des ersten Formblocks am zweiten Formblock, um einen Hohlraum zu bilden, wobei die Umfassungskante der Membran-Elektroden-Einheit im Hohlraum angeordnet ist; Bewegen eines Formeinsatzes, um Druck auf die Membran-Elektroden-Einheit auszuüben; und Einspritzen von Dichtungsmaterial in die Form, um die Dichtung auf der Umfassungskante der Membran-Elektroden-Einheit zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Formeinsatz bewegt wird, bis ein voreingestellter Druck auf die Membran-Elektroden-Einheit ausgeübt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der voreingestellte Druck mindestens teilweise auf einem oder mehreren Fließkennwerten des Dichtungsmaterials beruht.
Verfahren nach Anspruch 15, ferner mit Festhalten der Membran-Elektroden-Einheit auf einer Halterung, wobei der Hohlraum seitlich um die Halterung angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 15, ferner mit Bilden mehrerer replizierter Strukturen in der Dichtung.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Umfassungskante der Membran-Elektroden-Einheit mehrere Kantenformen hat und wobei sich das eingespritzte Dichtungsmaterial den Kantenformen anpaßt.