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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft elektrochemische Brennstoffzellen.
Insbesondere betrifft die Erfindung eine verbesserte Membran-Elektroden-Anordnung
für eine
Brennstoffzelle und ein Verfahren zur Herstellung einer verbesserten
Membran-Elektroden-Anordnung. Die verbesserte Membran-Elektroden-Anordnung
weist integrierte fluidundurchlässige
Dichtungen und koextensive Elektroden- und Membranschichten auf.
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Hintergrund
der Erfindung
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Elektrochemische
Brennstoffzellen wandeln Reaktionspartner, genauer Brennstoff- und Oxidationsmittelfluid-Ströme um, um
elektrische Leistung und Reaktionsprodukte zu erzeugen. Elektrochemische
Brennstoffzellen verwenden einen Elektrolyten, der zwischen zwei
Elektroden, nämlich
einer Kathode und einer Anode, angeordnet ist. Die Elektroden weisen
jeweils einen Elektrokatalysator auf, der an der Grenzfläche zwischen
dem Elektrolyten und den Elektroden angeordnet ist, um die gewünschten
elektrochemischen Reaktionen zu induzieren. Die Lage des Elektrokatalysators
definiert im Wesentlichen den elektrochemisch aktiven Bereich.
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Festpolymer-Brennstoffzellen
verwenden für gewöhnlich eine
Membran-Elektroden-Anordnung ("MEA"), bestehend aus
einem Festpolymerelektrolyten oder einer Ionenaustauschmembran zwischen zwei
Elektrodenschichten, welche aus porösem elektrisch leitfähigem Schichtmaterial
bestehen. Die Membran ist ionenleitfähig (typischerweise protonenleitfähig) und
wirkt auch als Barriere, um die Ströme der Reaktionspartner voneinander
zu isolieren. Eine weitere Funktion der Membran ist, als elektrischer Isolator
zwischen den beiden Elektrodenschichten zu wirken. Die Elektroden
sollten voneinander elektrisch isoliert sein, um Kurzschlüsse zu vermeiden.
Wenn eine Mehrschicht-MEA geschnitten wird, können kleine Teile des elektrisch
leitfähigen
Elektrodenmaterials, beispielsweise verstreute Fasern die dünne Membran überbrücken und
die Elektroden miteinander verbinden, was in einer arbeitenden Brennstoffzelle
elektrischen Kurzschluss bewirken kann. Übliche MEAs verwenden eine
Membran mit einem größeren Oberflächenbereich
als demjenigen der Elektrodenschichten, wobei wenigstens ein kleiner
Teil der Membran sich seitlich über
den Rand der Elektrodenschicht hinaus erstreckt. Der überstehende
Membranrand hilft, Kurzschlüsse
zwischen den Elektroden um den Rand der Membran herum zu verhindern.
Ein Problem hierbei ist, dass es schwierig ist, eine MEA zu schneiden,
nachdem die Elektroden mit der Membran verbunden worden sind, so
dass die dünne
Membran einen größeren Bereich
als die Elektroden hat. Eine herkömmliche MEA wird durch separates
Herstellen und Schneiden der Elektroden und Membranschichten hergestellt.
Nachdem die Elektroden und die Membran in gewünschte Größe und Form geschnitten worden
sind, werden die geschnittenen Elektrodenschichten mit der geschnittenen Membranschicht
laminiert. Diese Schritte sind Hochgeschwindigkeits-Herstellungsprozessen
nicht zugänglich.
Es wäre
vorteilhaft, eine Schicht oder Rolle von MEA-Material herstellen
zu können,
welches bereits die Elektrode und Membranschichten aufweist, wobei
dieses Mehrschichtmaterial dann für jeweilige MEAs in die gewünschte Größe und Form
geschnitten werden könnte.
Eine MEA, welche derart zugeschnitten ist, dass die Elektroden und
die Membran koextensiv sind, wird hier als "flush cut" MEA bezeichnet. Diese Vorgehensweise
war jedoch bisher in der Praxis aufgrund des oben beschriebenen
Kurzschlussproblems nicht anwendbar.
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Es
ist wünschenswert,
Durchlässe
für Reaktionspartner-Ströme abzudichten,
um Lecks oder das Vermischen der Brennstoff- und Oxidationsmittelfluidströme zu verhindern.
Brennstoffzellenstapel verwenden typischerweise elastische Dichtungen
zwischen den Stapelkomponenten. Solche Dichtungen isolieren die
Sammelkanäle
und den elektrochemisch aktiven Bereich der Brennstoffzellen-MEAs durch
Einfassen dieser Bereiche. Beispielsweise kann eine flüssigkeitsdichte
Versiegelung in einem herkömmlichen
Brennstoffzellenstapel erreicht werden, indem elastomere Gehäusedichtungen
verwendet werden, welche zwischen die Strömungsfeldplatten und die Membran
gesetzt sind, wobei eine Abdichtung durch Aufbringen einer Druckkraft
auf die nachgiebige Dichtung erhalten wird. Folglich ist es für herkömmliche
Brennstoffzellenstapel wichtig, mit Dichtungen und einer geeigneten
Kompressionsanordnung ausgestattet zu sein, um eine Druckkraft auf die
Dichtungen aufzubringen.
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Herkömmliche
Verfahren zum Abdichten um Platten-Sammelkanalöffnungen und MEAs herum innerhalb
von Brennstoffzellen umfassen das Einrahmen der MEA mit einer elastischen
fluidundurchlässigen
Dichtung, das Anordnen vorgeformter Dichtungen in Kanälen der
Elektrolytschichten und/oder Separatorplatten oder das Gießen von
Dichtungen innerhalb von Ausnehmungen in der Elektrodenschicht oder
der Separatorplatte unter Einfassung des elektrochemisch aktiven
Bereichs und jeglicher Fluidsammelkanal-Öffnungen. Beispiele herkömmlicher Verfahren
sind in den US-Patenten
5,176,966 und 5,284,718 offenbart. Typischerweise werden die Gehäuse dichtungen
aus einer Schicht von Dichtungsmaterial geschnitten. Für eine Gehäusedichtung, welche
um den elektrochemisch aktiven Bereich der MEA herum abdichtet,
wird der mittige Abschnitt der Schicht weggeschnitten. Dieser Vorgang
führt zu
einer Verschwendung einer großen
Menge an Dichtungsmaterial. Weil die Elektroden porös sind,
damit die Gehäusedichtungen
wirksam arbeiten können, befinden
sich die Gehäusedichtungen
für gewöhnlich in
direktem Kontakt mit den Strömungsfeldplatten und
der Ionenaustauschmembran. Daher wird in einer herkömmlichen
MEA Elektrodenmaterial in den Dichtbereichen so weggeschnitten,
dass die Dichtung die Ionenaustauschmembran kontaktiert. Einige MEAs
verwenden zusätzliche
Dünnfilmschichten,
um die Ionenaustauschmembran zu schützen, welche ansonsten in den
Gehäusedichtungsbereichen
freiliegen würde.
Separate Bauteile wie die Gehäusedichtungen
und die Dünnfilmschichten
machen entsprechende Herstellungs- oder Zusammenbauschritte notwendig,
was zur Komplexität
und den Kosten bei der Herstellung von Brennstoffzellenstapeln beiträgt.
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Die
EP 1 156 546 A1 offenbart
eine Membran-Elektroden-Anordnung mit elastischen integralen Dichtungen
zur Verwendung in einer elektrochemischen Brennstoffzelle. Die Membran-Elektroden-Anordnung
weist eine Ionenaustauschmembran, welche zwischen zwei Elektrodenschichten
liegt, und einen Elektrokatalysator auf, der an Grenzflächen zwischen
der Membran und den Elektrodenschichten angeordnet ist. Zur Herstellung
der Membran-Elektroden-Anordnung werden Dichtbereiche der Elektrodenschicht
mit einem fluidundurchlässigen,
aushärtbaren
und im fließfähigen Zustand
verarbeitbaren Dichtungsmaterial imprägniert, um die integrale Dichtung
zu bilden, welche eine erhöhte
Rippe aufweist und welche einen Randbereich der koextensiven Elektrodenschichten
und der Membran einfasst. Das elastische Dichtungsmaterial, das
in der
EP 1 156 546
A1 verwendet wird, schließt Silikone, Fluorelastomere,
Fluorsilikone, Ethylen-Propylen-Dimethyl und Naturgummi ein.
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Die
EP 0 951 086 A2 betrifft
eine Membran-Elektroden-Anordnung, bei der gasdichte elektrisch
isolierte Schichten aus einem thermisch härtenden Harz, beispielsweise
einem Silikonharz oder Phenolharz oder einem thermoplastischen Harz
oder einem Gummi wie Silikongummi oder Butadiengummi hergestellt
werden.
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Folglich
ist es wünschenswert,
die Anzahl von individuellen oder separaten Bauteilen zu vereinfachen
und zu verringern, welche bei der Abdichtung in einem Brennstoffzellenstapel
beteiligt sind, da dies die Zusammenbauzeit und die Herstellungskosten verringert.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Vorgesehen
sind eine verbesserte MEA für eine
elektrochemische Brennstoffzelle und ein Verfahren zur Herstellung
der verbesserten MEA. In einer Ausführungsform umfasst die MEA:
eine
erste poröse
Elektrodenschicht;
eine zweite poröse Elektrodenschicht;
eine
zwischen den ersten und zweiten porösen Elektrodenschichten angeordnete
Ionenaustauschmembran, wobei die ersten und zweiten Elektrodenschichten
und die Membran koextensiv zueinander sind;
eine Menge eines
Elektrokatalysators, der an der Grenzfläche zwischen der Ionenaustauschmembran und
jeder der ersten und zweiten porösen
Elektrodenschichten angeordnet ist, wodurch ein elektrochemisch
aktiver Bereich auf jeder der ersten und zweiten Elektrodenschichten
festgelegt wird; und
eine integriert mit der Membran-Elektroden-Anordnung
ausgebildete fluidundurchlässige
Dichtung, wobei die Dichtung ein starres Dichtungsmaterial aufweist,
das in Dichtungsbereiche der ersten und zweiten porösen Elektrodenschichten
imprägniert
ist und wenigstens eine erhöhte
Rippe aufweist, wobei die Dichtung einen Umfangsbereich sowohl der
ersten und zweiten Elektroden als auch der Ionenaustauschmembran
umgibt.
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Die
integriert ausgebildete Dichtung umgibt den Umfangsbereich einschließlich des
Seitenrandes der MEA. Die integriert ausgebildete Dichtung kann
den elektrochemisch aktiven Bereich der MEA umfassen und kann sich
auch seitlich über
den Rand der MEA erstrecken. Eine integriert ausgebildete Dichtung
kann auch um jegliche Öffnungen
herum angeordnet sein, beispielsweise Sammelkanalöffnungen,
welche innerhalb oder außerhalb
der MEA ausgebildet sind. Die Dichtung hat Dichtungseinrichtungen,
beispielsweise erhöhte
Rippen und kann auch Ausrichteinrichtungen haben. Dichtungs- und/oder
Ausrichteinrichtungen können
aus dem starren Dichtungsmaterial oder aus elastischem Dichtungsmaterial
gebildet sein, das auf die Oberfläche der integriert ausgebildeten
Dichtung aufgebracht wird.
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In
einer Ausführungsform
umfasst das Verfahren zur Herstellung der vorliegenden MEA:
Anordnen
einer Ionenaustauschmembran zwischen ersten und zweiten porösen Elektrodenschichten;
Verbinden
der Ionenaustauschmembran mit den ersten und zweiten Elektrodenschichten;
Anordnen
der ersten und zweiten Elektrodenschichten und der Ionenaustauschmembran
zwischen zwei Schichten aus starrem Dichtungsmaterial;
Verbinden
der Schichten aus starrem Dichtungsmaterial miteinander;
Imprägnieren
eines Teils des starren Dichtungsmaterials in Abschnitte der ersten
und zweiten Elektrodenschichten, um eine integrierte Dichtung zu
bilden; und
Ausbilden mindestens einer Rippe in mindestens
einer Hauptoberfläche
der integrierten Dichtung.
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Die
Schichten aus starrem Dichtungsmaterial können externe Sammelkanalöffnungen
haben, welche darin vor, während
oder nach dem Verbinden ausgebildet werden. Ähnlich können Dicht-, Ausricht- und/oder
Fluidverteilungseinrichtungen in den Schichten vor, während oder
nach dem Verbinden ausgebildet werden. Alternativ können solche
Einrichtungen aus elastischem Dichtungsmaterial gebildet werden,
welches auf eine oder beide Oberflächen der integralen Dichtung
aufgebracht wird.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnung
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In
der Zeichnung bezeichnen identische Bezugszeichen ähnliche
Elemente oder Funktionen. Die Größen und
Relativlagen von Elementen in der Zeichnung sind nicht notwendigerweise
maßstäblich. Beispielsweise
sind die Formen verschiedener Elemente und die Winkel nicht maßstäblich und
einige dieser Elemente sind willkürlich vergrößert und positioniert, um die
Lesbarkeit der Zeichnung zu verbessern. Weiterhin sollen die konkreten
Formen der Elemente, wie sie gezeichnet sind, nicht irgendwelche Informationen
betreffend die tatsächliche
Form der betreffenden Elemente vermitteln, sondern sie wurden alleine
zur Vereinfachung der Erkennbarkeit in der Zeichnung gewählt.
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1 ist
eine Draufsicht auf eine Ausführungsform
der vorliegenden verbesserten Membran-Elektroden-Anordnung.
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2 ist
eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform der vorliegenden
verbesserten Membran-Elektroden-Anordnung.
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3a, 3b und 3c sind
Schnitt-Teilansichten eines Randbereichs der Membran-Elektroden-Anordnung
der 1 und 2, wie durch die Schnittlinie
in 1 angegeben.
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4a und 4b sind
Schnitt-Teilansichten der Ränder
von Ausführungsformen
der vorliegenden Membran-Elektroden-Anordnung, die zwischen zwei
Brennstoffzellen-Separatorplatten mit integralen Dichtungen angeordnet
ist, welche dazwischen zusammengedrückt sind.
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Detaillierte
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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In
der folgenden Beschreibung werden gewisse bestimmte Details dargelegt,
um ein vollständiges
Verständnis
der verschiedenen Ausführungsformen
der vorliegenden verbesserten Membran-Elektroden-Anordnung zu liefern.
Ein Fachmann auf dem hier betreffenden Gebiet erkennt jedoch, dass
die vorliegende verbesserte Membran-Elektroden-Anordnung ohne diese Details
in die Praxis umgesetzt werden kann. In anderen Fällen sind
wohlbekannte, Polymer-Elektrolytbrennstoffzellen und Brennstoffzellenstapeln
zugehörige
Strukturen nicht gezeigt oder im Detail beschrieben, um eine unnötig verwirrende
Beschreibung der Ausführungsformen
der vorliegenden verbesserten Membran-Elektroden-Anordnung zu vermeiden.
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1 zeigt
eine MEA 100 mit integrierten Dichtungen 110, 120,
welche jeweils den elektrochemisch aktiven Bereich der MEA 100 umgeben,
und Sammelkanalöffnungen 105 und
einer Öffnung 115, durch
welche sich ein Spannbauteil (nicht gezeigt) erstreckt. Die MEA 100 weist
eine (in 1 nicht sichtbare) Ionenaustauschmembran
auf, welche zwischen zwei porösen,
elektrisch leitfähigen
Elektrodenschichten 140 angeordnet ist.
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2 zeigt
eine MEA mit einer integrierten Dichtung 110, welche den
elektrochemisch aktiven Bereich der MEA 100 umgibt. In
dieser Ausführungsform
erstreckt sich das Dichtungsmaterial von gegenüberliegenden Seiten der MEA 100 aus,
um einen externen Bereich zu bilden, der integrierte Dichtungen 120' zum Abdichten
externer Sammelkanalöffnungen 105' aufweist. Obgleich
nicht gezeigt, kann die MEA 100 aus 2 auch eine
interne Öffnung
für ein Spannbauteil
und eine diese umgebende integrierte Umfangsdichtung etwa gemäß 1 enthalten,
falls dies gewünscht
ist.
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Die
integrierten Dichtungen 110 und 120 weisen ein
starres, fluidundurchlässiges
Dichtungsmaterial auf, welches in die porösen Elektrodenschichten der
MEA 100 imprägniert
ist. Das Dichtungsmaterial wird nach mechanischen und chemischen
Beständigkeitseigenschaften
gewählt,
die zur Verwendung in der Brennstoffzelle geeignet sind. Beispielsweise können thermoplastische
Materialien verwendet werden. Thermoplastische Materialien schließen thermoplastische
Polymere und Kunst stoffe und Zusammensetzungen ein, welche thermoplastische
Polymere enthalten. Thermisch härtende
Materialien können
auch geeignet sein, vorausgesetzt, sie sind nicht zu bruchempfindlich.
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Die
integrierten Dichtungen 110 und 120 können durch
Gießen
des Dichtungsmaterials gebildet werden, beispielsweise durch Spritzguss.
Alternativ kann schichtförmiges
Material an der MEA 100 angebracht werden. Beispielsweise
kann eine Schicht eines starren Dichtungsmaterials thermisch befestigt
werden oder zwei oder mehr Schichten können laminiert werden (thermisch
oder durch die Aufbringung von Klebern oder Lösungsmitteln), so dass das
Material in die porösen
Schichten der MEA 100 imprägniert wird. Geeignete derartige
Dichtungsmaterialien, die in Schichtform verfügbar sind, schließen Teflon® (Polytetrafluorethylen),
Tedlar® (Polyvinylfluorid),
Oroglas® (Acryl)
und Kynar® (Polyvinylidenfluorid)
ein. Die Auswahl bestimmter starrer Dichtungsmaterialien ist bei
der vorliegenden MEA nicht wesentlich und ein Durchschnittsfachmann
in der hier vorliegenden Technologie kann ohne Weiteres derartige
geeignete Dichtungsmaterialien für
eine bestimmte Anwendung auswählen.
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Verschiedene
Ausführungsformen
einer MEA 100 mit einer integrierten Dichtung, wie etwa 110,
sind in den 3a, 3b und 3c in Schnittdarstellungen
gezeigt. Die Figuren zeigen eine integrierte Dichtung 110 am
Umfangsrand, beispielsweise entlang der Schnittlinie 3-3 in 1,
obgleich die gleichen Ausgestaltungen auch bei einer integrierten
Dichtung 120 an einer Sammelkanalöffnung (wie in 1)
verwendet werden könnten.
Jede Ausführungsform
einer MEA 100 weist eine Ionenaustauschmembran 130,
die zwischen zwei porösen elektrisch
leitfähigen
Elektrodenschichten 140 angeordnet ist, und ein Dichtungsmaterial 125 auf,
das in einen Bereich 150 der porösen Elektrodenschichten der
MEA 100 imprägniert
ist. Wenigstens ein Abschnitt der Dichtung 110 kann über die
Oberflächen der
porösen
Elektrodenschichten 140 vorstehen.
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In
jeder der in den 3a, 3b und 3c gezeigten
Ausführungsformen
erstrecken sich die porösen
Elektrodenschichten 140 bis zum Rand der Ionenaustauschmembran 130.
Das heißt, die
Elektrodenschichten 140 und die Ionenaustauschmembran 130 sind
koextensiv zueinander, insbesondere bezüglich ihrer Umfänge.
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In
der Ausführungsform
von 3a hüllt
die integrierte Dichtung den Rand der Ionenaustauschmembran 130 ein.
Durch Einhüllen
des Rands berührt
das Dichtungsmaterial 125 drei Oberflächen der Ionenaustauschmembran 130,
nämlich
Abschnitte der beiden Oberflächen,
welche zu den beiden Elektroden 140 weisen, und den seitli chen
Rand, der durch die Dicke der Membran 130 definiert ist.
Die integrierte Dichtung 110 hat eine einzelne erhöhte Rippe 160.
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In
der Ausführungsform
von 3b erstreckt sich die integrierte Dichtung 110 seitlich über den Rand
der MEA 100 hinaus. Die integrierte Dichtung 110 hat
zwei erhöhte
Rippen 160 in dem Bereich der Dichtung, der sich über die
Membran hinaus erstreckt. 3b zeigt
auch eine Ausrichteinrichtung in Form eines zylindrischen Steckers
oder Stiftes 162. Dichtungsmaterial kann zur Ausbildung
des Steckers 162 verwendet werden, der zur gleichen Zeit
wie die integrierte Dichtung 110 ausgebildet wird. Der
Stecker 162 kann mit einer entsprechenden zylindrischen
Vertiefung oder einem Loch in der benachbarten Separatorplatte einer
Brennstoffzelle zusammenwirken, um die Ausrichtung der MEA 100 mit
den Separatorplatten während
des Zusammenbaus der Brennstoffzelle zu erleichtern.
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3c zeigt
eine Ausführungsform
einer integrierten Dichtung 110, welche einige gleiche
Merkmale wie die in 3b dargestellte Ausführungsform hat. 3c zeigt
auch das Merkmal eines erhöhten Referenzrandes 170,
der aus dem Dichtungsmaterial geformt werden kann. Der Referenzrand 170 kann verwendet
werden, um die Ausrichtung der MEA mit benachbarten Brennstoffzellenkomponenten
zu unterstützen,
die so geformt sein können,
dass sie in Eingriff mit dem Referenzrand 170 gelangen.
Alternativ kann der Referenzrand 170 während des Herstellungsprozesses
verwendet werden, um die MEA an einer Führungsoberfläche einer
Maschine festzulegen, die zum Zusammenbau der Brennstoffzellen verwendet
wird.
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Die
Mehrschicht-MEA 100 kann zusammengebaut werden und dann
kann das Dichtungsmaterial 125 in einen Abschnitt 150 der
porösen
Elektrodenschichten 140 imprägniert werden. Die integrierten
Dichtungen für
mehrere MEAs können
auf die Schicht des MEA-Materials spritzgegossen werden, wobei viele
Dichtungsabschnitte der porösen
Elektrodenschichten 140 imprägniert werden. Nachdem das Dichtungsmaterial 125 ausgehärtet ist,
können
die MEA 100 und das Dichtungsmaterial 125 beide
(bevorzugt in den Dichtungsbereichen) gleichzeitig auf die gewünschten
Abmessungen zugeschnitten werden. Da das Dichtungsmaterial vor dem
Zuschneiden der Ionenaustauschmembran spritzgegossen wurde, werden
die beiden Elektrodenschichten beabstandet gehalten, während das
Dichtungsmaterial eingespritzt wird. Somit ist das Elektrodenmaterial
in den Dichtungsbereichen in das elektrisch isolierende Dichtungsmaterial
eingebettet. Ein Schneiden des Mehrschichtmaterials in den Dichtungsbereichen, nachdem
das Dichtungsmaterial ausgehärtet
ist, hilft die Wahr scheinlichkeit von Kurzschlüssen zu verhindern, da das
ausgehärtete
Dichtungsmaterial das eingebettete Elektrodenmaterial immobilisiert.
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Alternativ
kann die Mehrschicht-MEA 100 zusammengebaut werden und
dann auf die gewünschte
Form und Abmessung zugeschnitten werden; dann kann das Dichtungsmaterial 125 in
einen Abschnitt 150 der porösen Elektrodenschichten 140 imprägniert werden.
Beispielsweise kann die MEA 100 zusammengeklebt werden
und das Dichtungsmaterial 125 wird in die Abschnitte 150 der
Elektrodenschichten 140 imprägniert. Als weiteres Beispiel können die
Bauteile der MEA 100 zusammen mit einer oder mehreren Schichten
eines starren Dichtungsmaterials zusammengebaut werden; das Zusammenkleben
der MEA 100 und das Imprägnieren des Dichtungsmaterials 125 in
die Elektroden 140 kann dann gleichzeitig durchgeführt werden.
In der Ausführungsform
von 2 können
z.B. die Bauteile der MEA 100 zwischen Kynar®-Matrizen
zusammengebaut werden. Die Aufbringung von Hitze und Druck verbindet
dann die MEA 100 und die Kynar®-Matrizen und
laminiert sie thermisch zusammen, wobei ein Abschnitt des Dichtungsmaterials
in das Elektrodenmaterial 140 imprägniert. Externe Sammelkanalöffnungen
können
in dem Dichtungsmaterial vor, während oder
nach dem Verbinden ausgebildet werden. Somit kann die MEA in einem
einzelnen Herstellungsschritt zusammengebaut und abgedichtet werden.
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In
den voranstehenden Ausführungsformen kann
der Abschnitt 150, in welchem das Dichtungsmaterial in
die porösen
Elektrodenschichten 140 imprägniert wird, ausgewählt werden,
um zum Bereitstellen eines verbesserten Reaktionspartnerflusses über die
MEA 100 hinweg beizutragen. Beispielsweise kann der Abschnitt 150 der
MEA 100 so gewählt werden,
dass er Reaktionspartnerabschnitte benachbarter Strömungsfeldplatten
in der zusammengebauten Brennstoffzelle überdeckt, so dass die Richtung des
Reaktionspartnerflusses, der von den Anschlüssen her eintritt, in die Strömungsfeldkanäle unterstützt wird.
Dies kann auch den Abschnitt der Ionenaustauschmembran schützen, der über den
Anschlüssen
liegt, welche empfindlich für
Beschädigungen
durch den Druck der Reaktionspartner sind, die in die Anschlüsse eintreten.
Als weiteres Beispiel kann in der Ausführungsform von 2 der
Abschnitt der Dichtung 100 zwischen den Elektroden 140 und den
Sammelkanalöffnungen 105' Fluidverteilungseinrichtungen
enthalten, um den Fluss von Reaktionspartnern und/oder Kühlmittel
von jeweiligen Sammelkanalöffnungen 105' zum aktiven
Bereich der MEA zu unterstützen.
Solche Einrichtungen können gegossen,
gestanzt oder anderweitig nach Wunsch in der integrierten Dichtung 110 ausgebildet
werden.
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Falls
gewünscht,
können
Abdichtungs- und/oder Ausrichtungseinrichtungen aus einem elastischen
Material gebildet werden, das auf das starre Dichtungsmaterial der
integrierten Dichtung 110 aufgebracht wird. Solche geeigneten
Materialien schließen
flüssige
spritzgussfähige
elastomere Zusammensetzungen ein, wie Silikone, Fluorelastomere, Fluorsilikone,
Ethylen-Co-Propylen-Dimethyl und Naturgummi. In der Ausführungsform
von 3a können
beispielsweise die Abschnitte des Dichtungsmaterials 125 an
den Oberflächen
der Elektroden 140 bei Wunsch aus einem elastischen Material
gebildet werden. Als anderes Beispiel können in den Ausführungsformen
der 3b und 3c der
Abschnitt des Dichtungsmaterials 125, der sich von dem
Ende des MEA 100 aus erstreckt, oder nur dessen erhöhte Einrichtungen
aus einem elastischen Material gebildet sein. Wenn Brennstoffzellen,
welche die vorliegende verbesserte MEA enthalten, zu einem Stapel zusammengebaut
und zusammengedrückt
werden, verformen sich die elastischen Dichtungseinrichtungen gegen
benachbarte Platten, um Abdichtungen zwischen der MEA und benachbarten
Platten zu bilden.
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Insbesondere
bei Ausführungsformen,
welche ein elastisches Dichtungsmaterial verwenden, können komplexere
Abdichtungseinrichtungen verwendet werden. Beispielsweise können in
Abschnitte unterteilte Dichtungen mit einer Mehrzahl erhöhter Rippen
ausgebildet werden, etwa wie diejenigen, die in der US-PS 6,057,054
beschrieben sind. Jedoch ist die Auswahl bestimmter elastischer
Dichtungsmaterialien, wenn diese verwendet werden, oder die Auswahl
der Dichtungsgeometrie bei der vorliegenden MEA nicht ausschlaggebend
und ein Durchschnittsfachmann auf dem betreffenden Gebiet kann problemlos
derartige geeignete Dichtungsmaterialien und geometrien für eine bestimmte
Anwendung auswählen.
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Bei
anderen Ausführungsformen
können
Abdichtungseinrichtungen unmittelbar aus dem starren Dichtungsmaterial
gebildet werden. In diesen Ausführungsformen
ist eine halbstarre Druckdichtung zwischen der MEA und benachbarten
Platten ausgebildet. Aus einem verformbaren Material, beispielsweise
aus einer expandierten Graphitschicht gemachte Strömungsfeldplatten
werden während
des Zusammenbaus des Stapels mit ausreichend Druck gegen die Dichtungseinrichtung
gepresst, um die Platte zu verformen. Die Abdichtungseinrichtungen bilden
dann während
des Betriebs des Stapels eine Dichtung vom Konus-Typ gegen die Platte.
Ausrichtungseinrichtungen können
falls gewünscht
ebenfalls unmittelbar aus dem starren Dichtungsmaterial gebildet
werden.
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4a zeigt
die MEA aus 3b zusammengedrückt zwischen
zwei Separatorplatten 20. In 4a sind
die Abschnitte des Dichtungsmaterials 125 mit den Rippen 160 aus
einem elastischen Material gebildet und die Platten 200 weisen
eine vertiefte Nut 265 auf. Die Rippen 160 verformen
sich in den Nuten 265 gegen die Platten 200 und
bilden eine Abdichtung. Die vertiefte Oberfläche der Nut 265 ist
weniger anfällig
für Kratzerbildung
oder andere Schäden,
welche während
des Herstellungsprozesses auftreten können, wenn eine Reihe von Strömungsfeldplatten 200 aufeinander
gestapelt werden kann.
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4b zeigt
ebenfalls die MEA aus 3b zusammengedrückt zwischen
zwei Separatorplatten 200. In 4b sind
die Abschnitte des Dichtungsmaterials 125 mit den Rippen 160 aus
einem starren Dichtungsmaterial gebildet und die Platten sind aus einem
verformbaren Material hergestellt. Die Rippen 160 der integrierten
Dichtung 110 verformen die Platten 200 örtlich,
wie gezeigt. Im Betrieb bilden die Rippen 160 mit den Platten 200 Konus-Dichtungen,
wie oben beschrieben. Die integrierte Dichtung 110 kann falls
gewünscht
an einer oder beiden ihrer Oberflächen mehr als eine erhöhte Rippe
aufweisen. Der Fachmann auf dem vorliegenden Gebiet erkennt, dass
zusätzliche
Rippen den Schutz gegen Undichtigkeiten erhöhen. Ein Bruch in einer der
Rippen führt nicht
zu einem Leck, solange es keine Brüche in der anderen Rippe gibt.
Falls gewünscht,
kann eine der erhöhten
Rippen in dem Dichtungsbereich 150 angeordnet werden, der
der Membran überlagert
ist.