EP4248510A1 - Verfahren zur herstellung einer membran-elektroden-anordnung sowie eine membran-elektroden-anordnung für eine brennstoffzelle - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer membran-elektroden-anordnung sowie eine membran-elektroden-anordnung für eine brennstoffzelle

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EP4248510A1
EP4248510A1 EP21809965.3A EP21809965A EP4248510A1 EP 4248510 A1 EP4248510 A1 EP 4248510A1 EP 21809965 A EP21809965 A EP 21809965A EP 4248510 A1 EP4248510 A1 EP 4248510A1
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EP
European Patent Office
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membrane
film
supporting film
foil
supporting
Prior art date
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Pending
Application number
EP21809965.3A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen Kiener
Stefan Kiener
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Lacom GmbH
Original Assignee
Lacom GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Lacom GmbH filed Critical Lacom GmbH
Publication of EP4248510A1 publication Critical patent/EP4248510A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
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    • H01M8/1213—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material
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    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • US 2010/0151350 A discloses a structure for a membrane electrode assembly and a method for its production.
  • a carrier layer with a supporting film applied thereto is fed to a pair of rotary die-cutting rollers in order to make a cutout in the supporting film.
  • the carrier layer with the cut section is then pulled off and the supporting film is fed to a processing station in which blanks of an electrolyte membrane are applied to the supporting film.
  • These cuts of the electrolyte membrane are obtained from a so-called CCM membrane.
  • This electrolyte membrane is aligned with the cutout in the first support film. The residual strip from which the electrolyte membrane was cut out is discharged.
  • This object is achieved by a method for producing a membrane electrode assembly for a fuel cell
  • a membrane foil is fed to the processing station, which comprises a strip-shaped electrolyte membrane on which catalyst layers are applied on both sides in a format,
  • first and second supporting film with the membrane film cuts arranged between them are firmly connected to one another to form a film composite.
  • This method has the advantage that the production of the membrane-electrode assembly is made possible in an automated process and thus high processing speeds and quantities can be achieved.
  • the first and/or second supporting film is provided with an adhesive coating on one side.
  • the individual subsequent layers can be applied and prefixed directly thereon.
  • a layer of adhesive can be applied to one side of the first and/or second supporting film in a gluing station.
  • the cut-outs can be made in the second supporting film by punching or laser cutting before it is fed to the membrane film blanks equipped with the first supporting film.
  • the redundancy of the workstations can in turn make it possible to reduce the costs of the manufacturing process.
  • the membrane blanks are preferably cut with a peripheral edge compared to the catalyst layers applied to both sides of the electrolyte membrane, so that the peripheral edge is formed with an overhang of the same width compared to all side edges of the format of the catalyst layers.
  • the membrane foil blanks can be securely accommodated between the two supporting foils.
  • a high level of tightness can be created, which is advantageous when using a plurality of membrane electrode assemblies arranged one above the other in a fuel cell.
  • the catalyst layers can be applied to the electrolyte membrane in a square or rectangular format, and the cutouts in the first and second support foils are preferably adapted to the square or rectangular format of the catalyst layers.
  • the size of the cutouts that are made in the first and second supporting foil is the same as or slightly smaller than the format of the catalyst layers.
  • the catalyst layers can be introduced with a tolerance of +/- 0.1 mm between the edges of the cutouts in the support foils. This precision when introducing the catalyst layers of the membrane foil cuts into the cutouts of the supporting foils is a decisive factor for the performance of the fuel cell. As a result, higher packing densities and thus a reduced size of the fuel cell can be made possible.
  • an adhesive layer is preferably applied to the respective catalyst layer of the membrane foil cut, in particular in an adhesive coating station. This also enables a continuous manufacturing process.
  • the gas diffusion layer is cut to size in a further processing station and applied to the respective catalyst layer of the membrane foil cuts and glued to them.
  • the gas diffusion layers can be cut to size by a pair of rotary die-cutting rollers and then applied.
  • the processing station is produced by a pair of vacuum punching rollers, the membrane foil blanks being cut to size with a rotary die cutter and then applied to the first supporting film with a vacuum counter-punching roller or positioned in the cutout of the first supporting film.
  • the processing station can be cut by a pair of rotary die-cutting rollers, with holding webs being formed between the membrane foil blank and the remaining web material, and with a squeezing and laminating roller arranged downstream of the pair of rotary die-cutting rollers in the conveying direction, the membrane foil blanks are pressed out and positioned in the cutouts of the first supporting foil and applied to the backing sheet.
  • the film composite produced can be separated into membrane-electrode assemblies, in particular after the film composite has been trimmed to a constant width.
  • the separation can be made possible by punching or by means of a laser by cross-cutting.
  • a further preferred embodiment of the method provides that the first supporting film, the second supporting film and the membrane film are provided and supplied as semi-finished products on a roll. This enables a continuous production process, which also enables a high degree of precision in the alignment of the individual layers or the cutouts of the support foils with respect to the catalyst layers of the membrane foil.
  • the application of the membrane foil cuts to the first supporting foil and the feeding of the second supporting foil to the first supporting foil is advantageously controlled with a continuous web speed. As a result, a large number can be manufactured and thus the manufacturing costs can be reduced.
  • a membrane-electrode assembly in which a first and second support film each have a cutout and a membrane film cut, which includes an electrolyte membrane on which a catalyst layer is provided on both sides and opposite the catalyst layers applied on both sides a peripheral edge protruding from the electrolyte membrane is formed, the peripherally protruding edge of the membrane foil blank being firmly connected to the side of the supporting foil pointing towards the peripheral edge.
  • this membrane electrode assembly can be highly sealed.
  • the peripheral edge is glued on both sides to the respective supporting film.
  • the section of the first supporting film and the section of the second supporting film are aligned congruently with one another.
  • Figure 1 shows a basic structure of a known fuel cell
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view of a film composite for a membrane electrode assembly
  • FIG. 3 shows a schematic view of the film composite according to FIG. 2,
  • FIG. 4 shows a schematic side view of a system for producing the membrane electrode assembly
  • FIG. 5 shows a schematic side view of an alternative embodiment to FIG. 4,
  • FIG. 6 shows a schematic sectional view of a further embodiment of the membrane electrode assembly
  • FIG. 7 is a schematic view from above of the alternative embodiment according to FIG. 6, and
  • FIG. 8 shows a schematic partial view of the system for producing the alternative embodiment of the membrane electrode assembly according to FIG.
  • a fuel cell 11 is shown schematically with respect to its basic components.
  • Catalyst layers 16, 17 are provided on both sides of an electrolyte membrane 14, the hydrogen being separated into hydrogen ions H + and electrons e - on the catalyst layer 16 (anode).
  • the electrolyte membrane 14 allows only one passage for hydrogen ions or protons and water to get to the further catalyst layer 17, the cathode.
  • the electrodes travel through an electrical circuit in the form of an electrical current. This can be transferred to a battery, in particular a rechargeable battery.
  • Gas diffusion layers (GDL) 18 , 19 are provided on both sides of the catalyst layers 16 , 17 .
  • a first plate and a second plate 21, 22 are provided outside of these gas diffusion layers 18, 19, respectively. Hydrogen can flow through the first plate 21 .
  • Oxygen can flow through the second plate 22 , water and heat being formed on the surface of the catalyst layer 17 and dissipated via this second plate 22 .
  • This fuel cell 11 can be combined and stacked with a large number of other fuel cells 11 .
  • the number of stacked fuel cells 11 determines the total voltage or mains voltage, with the surface area of the individual fuel cells determining the total current.
  • the total electrical power generated by such a stack of fuel cells 11 can be determined by the product of voltage and current.
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view of a composite film 35 for producing membrane electrode assemblies 25 (MEA).
  • the film composite 35 is separated into membrane-electrode assemblies 25 by making separating cuts 36 .
  • the membrane-electrode assemblies 25 comprise at least the electrolyte membrane 14 and the catalyst layers 16, 17 as well as a first and second support film 26, 27.
  • the first and second support films 26, 27 are not shown in FIG. 1 for the sake of simplicity.
  • This first support film 26 is usually referred to as subgasket 1 and the second support film 27 as subgasket 2 . These have the task of supporting the electrolyte membrane 14 mechanically and/or statically, without thereby influencing the ongoing electrochemical processes of the fuel cell 11 .
  • This membrane electrode assembly (MEA) 25 is constructed as follows:
  • the first supporting film 26 and the second supporting film 27 each have cutouts 29 .
  • a membrane foil blank 31 is provided between the first and second support foils 26 , 27 .
  • This membrane foil blank 31 consists of an electrolyte membrane 14, which is preferably designed as a polymer electrolyte membrane.
  • the catalyst layers 16 , 17 are provided on both sides of the electrolyte membrane 14 .
  • the catalyst layer 16 forms the anode.
  • the catalyst layer 17 forms the cathode.
  • These catalyst layers 16, 17 are preferably congruently one on top of the other and are formed with the same format. For example, a rectangular format is provided, alternatively a square format can also be formed.
  • the membrane foil blank 31 includes a peripheral edge 32 which consists of the electrolyte membrane 14 .
  • This peripheral edge 32 extends completely around the catalyst layers 16, 17.
  • the width of the edge 32 along each longitudinal side of the format of the catalyst layers 16, 17 is of the same size.
  • the membrane foil blank 31 is arranged with the catalyst layer 16, 17 in the respective cutout 29 of the first and second supporting foil 26, 27.
  • the peripheral edge 32 extends beyond the cutouts 29 between the first supporting film 26 and the second supporting film 27 .
  • an overlapping area 33 is formed between the peripheral edge 32 and each side of the first and second support film 26 , 27 associated with the peripheral edge 32 .
  • the peripheral edge 32 is firmly connected to the first and second supporting film 26, 27.
  • An adhesive connection is preferably provided.
  • the first and second support films 26, 27 are firmly connected directly to one another, in particular glued.
  • the cutouts 29 in the first and second supporting film 26, 27 are the same in size or format as the areal extent of the catalyst layers 16, 17.
  • the cutouts 29 can also be only slightly smaller than the format of the catalyst layers 16, 17, so that the edges of the catalyst layers 16, 17 are directly adjacent to the edges of the cutouts 29.
  • FIG. 4 shows a schematic side view of a system 41 for producing the membrane-electrode assembly 25 from a film composite 35 according to FIGS.
  • the first supporting film 26 is preferably provided on a roll 42 .
  • This first supporting film 26 is preferably free of a carrier layer.
  • This first supporting film 26 is stored on the roll 42 as web material with a predetermined width.
  • This web material is fed to a gluing station 44 .
  • a layer of adhesive is applied to one side of the supporting film 26 .
  • a first supporting film 26 with an adhesive layer can already be stored on the roll 42 and pulled off.
  • the cutouts 29 are introduced successively and at a predetermined distance from one another.
  • a laser cutting station 46 is shown.
  • a stamping processing station for producing the cutouts 29 can also be provided.
  • the gluing station 44 and the station 46 for punching out the cutouts 29 can also be interchanged in their order.
  • a membrane film 49 is processed in a subsequent processing station 48 .
  • This membrane foil 49 is in turn preferably provided on a roll 50 .
  • This membrane foil 49 consists of the electrolyte membrane 14, on both sides of which the catalyst layers 16, 17 are applied at predetermined intervals and congruently opposite one another.
  • This membrane film 49 is fed to a pair of vacuum punching rollers.
  • a membrane foil blank 31 is punched out of the membrane foil 41 by means of a rotary die-cutting roller 51 . The punching takes place in such a way that the peripheral edge 32 is formed outside of the catalyst layers 16 , 17 .
  • the resulting punched-out membrane foil 49 is wound up to form a further roll 53 .
  • the membrane foil blanks 31 punched out by the rotary punching roller 51 are transferred to a counter-rotating vacuum counter-punching roller 52, which then positions the catalyst layer 16, 17 facing the first support film 26 in the cutout 29 with a precise fit and inserts it.
  • the peripheral edge 32 of the membrane foil blank 31 is supported on the first supporting foil 26 adjacent to the cutout 29 . Due to the application of the layer of adhesive, a first adhesion of the peripheral edge 32 of the membrane foil blank 31 to the first supporting foil 26 can be provided.
  • This second supporting film 27 is in turn provided and drawn off from a roll 57 as web material. This second supporting film 27 is also preferably provided on the roll 57 without a backing layer.
  • the second support roller 27 can be fed to a gluing station 44 if the second support roller 27 is not already provided with a layer of adhesive.
  • the cutouts 29 are then successively made in the second supporting film 27, for example using the laser cutting station 46.
  • the second supporting film 27 is then fed to the first supporting film 26 via deflection rollers 59 .
  • the feed of the second support film 27 is controlled and aligned in such a way that the respective cutouts 29 in the second support film 27 are aligned with the catalyst layers 16, 17 pointing upwards, so that these catalyst layers 16, 17 are positioned in the cutout 29 of the second support film 27 .
  • the supporting films 26, 27 and the membrane film blank 31 arranged between them, in particular the peripheral edge 32, can be firmly connected to one another.
  • the action of heat or UV crosslinking of the adhesive preferably takes place in order to bond the first and second punched foils 26, 27 and the edge 32 of the membrane foil blank 31 arranged between them.
  • This finished composite film 35 is formed in five layers, for example.
  • the membrane-electrode assemblies 25 can be separated, which up to this point in time have been in the form of a multi-layer film composite in the form of a web. These individual membrane-electrode assemblies 25 can be supplied to a magazine or can be transferred to further downstream processing stations.
  • This removal is effected by a squeezing and laminating roller 69 downstream of the pair of rotary die-cutting rollers, through which the membrane foil blank 31 is transferred into the cut-out 29 of the first die-cut foil 26, with the membrane foil blank 31 being detached from the membrane foil 49 by tearing off the holding webs.
  • the composite film 35 shown in FIGS. 2 and 3 is present after the station 61 or after the processing station 63 and before it is separated by the processing station 65 .
  • the distances between the cutouts 29 in the first and second support foils 26, 27 seen in the longitudinal direction and thus the positioning of the membrane foil cuts 31 between the punched foils 26, 27 are designed in such a way that a separating cut 36 positioned centrally between two cutouts 29 ( Figures 2 and 3 ) or cross section for separating the membrane electrode assemblies 25 already has a final format for further processing.
  • FIG. 6 shows a schematic sectional view of the membrane electrode assembly 25 according to FIG. 2 after a further processing step.
  • FIG. 7 shows a view of the sectional view according to FIG.
  • These gas diffusion layers 18, 19 have the task of evenly distributing the gases supplied by the plates 21, 22, namely hydrogen and oxygen, over the surface.
  • These gas diffusion layers 18, 19 can consist, for example, of chopped carbon fibers which are processed into a suspension in a binder polymer, subsequently dried and impregnated, for example with a duroplastic resin. The applied resin can then be graffitied to increase durability.
  • An adhesive coating in particular in the form of adhesive beads, is applied to the catalyst layers 16, 17 in order to connect the gas diffusion layers 18, 19 to the catalyst layers 16, 17 to form a common film composite 35.
  • These gas diffusion layers 18, 19 correspond in size or format to the catalyst layers 16, 17.
  • FIG. 8 shows a schematic view of the system according to FIG. 4 or FIG. 5, a processing station 74 for applying the gas diffusion layers 18, 19 is shown.
  • adhesive application devices 76 are provided on both sides of the composite film 35, by means of which adhesive is applied to the catalyst layers 16, 17, preferably over the entire surface.
  • the processing station 74 with a pair of vacuum rotary die-cutting rollers can then in turn be provided on both sides of the film composite 75 .
  • the gas diffusion layers 18, 19 are provided as web goods on a roll 78.
  • the gas diffusion layers 18, 19 are fed to the pair of vacuum rotary die-cutting rollers, so that the gas diffusion layers 18, 19 are cut to size by the rotary die-cutting roller 51 in the format of the catalyst layers 16, 17 or cutouts 29.
  • a blank of the gas diffusion layers 18, 19 is then applied to the catalyst layers 16, 17 via the vacuum roller 52 and glued to them.
  • a membrane electrode assembly 25 is produced, which is designed in seven layers or with seven layers.
  • the membrane electrode assembly 25 is then separated by cross cutting via the processing station 63.
  • the methods described here have the advantage that the layers or plies for producing the membrane electrode assembly 25 are all provided as rolled goods. As a result, the individual layers can be processed continuously and the layers can be brought together so that they fit together precisely for the production of the membrane-electrode assembly 25 .
  • this method aligns and positions a catalyst layer 16, 17 of the membrane sheet blank 31 with a precise fit to the cutout 29 of the first supporting sheet 26, and then a section 29 of the second supporting sheet 27 is aligned and positioned with a precise fit to the second catalyst layer 17, 16 of the membrane sheet blank 31.
  • the cutouts 29 of the first and second supporting foils 21, 22 are aligned congruently with one another.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Membran-Elektroden- Anordnung (25) für eine Brennstoffzelle, mit einer ersten und zweiten Stützfolie (26, 27), die jeweils Ausschnitte (29) aufweisen, mit einem Membranfolienzuschnitt (31), der eine Elektrolytmembran (14) als Trägerschicht umfasst, auf welcher beidseitig eine Katalysator schiebt vorgesehen ist, wobei gegenüber den Katalysatorschichten (16, 17) ein umlaufender Rand (32) der Elektrolytmembran (14) ausgebildet ist, wobei jeweils eine Außenseite des umlaufend hervorstehenden Randes (32) des Membranfolienzuschnittes (31) mit der zum Rand (32) weisenden Seite der Stützfolie (26, 27) fest verbunden ist.

Description

  • Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung sowie eine Membran-Elektroden-Anordnung für
    eine Brennstoffzelle
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle, welche mehrschichtig aufgebaut ist sowie eine solche Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle.
  • Aus der US 2010/0151350 A sind ein Aufbau einer Membran-Elektroden-Anordnung sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung bekannt. Bei dieser Membran-Elektroden-Anordnung wird eine Trägerschicht mit einer darauf aufgebrachten Stützfolie einem Rotationsstanzwalzenpaar zugeführt, um einen Ausschnitt in die Stützfolie einzubringen. Nachfolgend wird die Trägerschicht mit dem geschnittenen Ausschnitt abgezogen und die Stützfolie einer Bearbeitungsstation zugeführt, in welcher Zuschnitte einer Elektrolytmembran auf die Stützfolie aufgebracht werden. Diese Zuschnitte der Elektrolytmembran werden aus einer sogenannten CCM-Membran gewonnen. Diese Elektrolytmembran wird zum Ausschnitt in der ersten Stützfolie ausgerichtet. Der Reststreifen, aus welchem die Elektrolytmembran ausgeschnitten wurde, wird abgeführt.
  • Darauffolgend wird an der gegenüberliegenden Seite der ersten Stützfolie eine zweite Stützfolie mit Ausschnitten aufgebracht, wobei dessen Ausschnitte zu jenen der ersten Stützfolie ausgerichtet sind. Die Elektrolytmembran ist dazwischenliegend angeordnet. Anschließend wird eine weitere Trägerschicht mit Katalysatorschichten in einem Rotationsstanzwalzenpaar geschnitten. Danach wird die Trägerschicht mit den geschnittenen Katalysatorschichten auf jede Seite der Elektrolytmembran aufgebracht. Darauffolgend wird die jeweilige Trägerschicht abgezogen, sodass die Katalysatorschicht auf der Elektrolytmembran verbleibt. Des Weiteren ist die zweite Stützfolie durch eine Klebeschicht mit der ersten Stützfolie verklebt, wobei in einem Bereich, in welchem die Elektrolytmem-bran zwischen der ersten und zweiten Stützfolie angeordnet ist, die Elektrolytmembran nicht mit der ersten und zweiten Stützfolie verklebt ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung sowie eine Membran-Elektroden-Anordnung vorzuschlagen, bei welcher die Herstellkosten reduziert werden, um eine bessere Marktdurchdringung für die Brennstoffzellentechnologie zu ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle, gelöst,
  • bei dem eine erste Stützfolie als Bahnmaterial bereitgestellt wird,
  • bei dem in die erste Stützfolie aufeinanderfolgend und mit Abstand zueinander Ausschnitte eingebracht werden,
  • bei dem die mit Ausschnitten versehene Stützfolie einer Bearbeitungsstation zugeführt wird,
  • bei dem eine Membranfolie der Bearbeitungsstation zugeführt wird, welche eine bahnförmige Elektrolytmembran umfasst, auf welcher beidseitig in einem Format Katalysatorschichten aufgebracht sind,
  • bei dem die Membranfolien in der Bearbeitungsstation in Membranfolienzuschnitte zugeschnitten werden, sodass ein umlaufender Rand der Elektrolytmembran gegenüber dem Format der Katalysatorschichten verbleibt,
  • bei dem die Membranfolienzuschnitte zu den Ausschnitten in der ersten Stützfolie ausgerichtet und aufgebracht werden,
  • bei dem eine zweite Stützfolie als Bahnmaterial bereitgestellt wird,
  • bei dem in die zweite Stützfolie aufeinanderfolgend mit Abstand zueinander ausgerichtete Abschnitte eingebracht werden,
  • bei dem die zweite Stützfolie mit den Ausschnitten zu den der ersten Stützfolie gegenüberliegenden Katalysatorschichten der Mem-branfolienzuschnitte auf der ersten Stützfolie ausgerichtet und aufgebracht wird, und
  • bei dem die erste und zweite Stützfolie mit den dazwischen angeordneten Membranfolienzuschnitten fest zu einem Folienverbund miteinander verbunden werden.
  • Dieses Verfahren weist den Vorteil auf, dass die Herstellung der Mem-bran-Elektroden-Anordnung in einem automatisierten Prozess ermöglicht ist und somit hohe Verarbeitungsgeschwindigkeiten und Stückzahlen erzielt werden können.
  • Bevorzugt werden die erste und/oder die zweite Stützfolie trägerschichtfrei bereitgestellt. Dies ermöglicht eine weitere Prozessoptimierung.
  • Vorteilhafterweise wird die erste und/oder zweite Stützfolie mit einer einseitigen Klebebeschichtung bereitgestellt. Dadurch können die einzelnen nachfolgenden Schichten unmittelbar darauf aufgebracht und vorfixiert werden. Alternativ kann in einer Klebestation einseitig auf die erste und/oder zweite Stützfolie eine Klebemittelschicht aufgebracht werden.
  • In einem weiteren Herstellungsschritt werden bevorzugt in die erste Stützfolie vor dem Zuführen in die Bearbeitungsstation die Ausschnitte durch Stanzen oder Laserschneiden eingebracht. Beide Herstellungsmöglichkeiten können bei einem kontinuierlichen Prozess eingesetzt werden.
  • In die zweite Stützfolie können vor dem Zuführen auf die mit der ersten Stützfolie bestückten Membranfolienzuschnitte die Ausschnitte durch Stanzen oder Laserschneiden eingebracht werden. Durch die Redundanz der Arbeitsstationen kann wiederum eine Kostenreduzierung des Herstellungsprozesses ermöglicht sein.
  • In der Bearbeitungsstation werden bevorzugt die Membranzuschnitte mit einem gegenüber den beidseitig auf die Elektrolytmembran aufgebrachten Katalysatorschichten umlaufenden Rand geschnitten, sodass der umlaufende Rand gegenüber allen Seitenkanten des Formats der Katalysatorschichten mit einem Überstand mit gleicher Breite ausgebildet ist. Dadurch kann eine sichere Aufnahme der Membranfolienzuschnitte zwischen den beiden Stützfolien ermöglicht sein. Zudem kann dadurch eine hohe Dichtheit geschaffen werden, welche beim Einsatz von mehreren übereinander angeordneten Membran-Elektroden-Anordnungen zu einer Brennstoffzelle von Vorteil ist.
  • Die Katalysatorschichten können in einem quadratischen oder rechteckförmigen Format auf der Elektrolytmembran aufgebracht sein, und die Ausschnitte in der ersten und zweiten Stützfolie werden bevorzugt an das quadratische oder rechteckförmige Format der Katalysatorschichten angepasst. Vorteilhafterweise ist die Größe der Ausschnitte, welche in die erste und zweite Stützfolie eingebracht werden, gleich oder geringfügig kleiner als das Format der Katalysatorschichten ausgebildet. Dadurch können geforderte Toleranzen gut eingehalten werden. Beispielsweise können die Katalysatorschichten mit einer Toleranz +/- 0,1 mm zwischen den Rändern der Ausschnitte in den Stützfolien eingebracht sein. Diese Präzision beim Einbringen der Katalysatorschichten der Membranfolienzuschnitte in die Ausschnitte der Stützfolien ist ein maßgeblicher Faktor für eine Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle. Dadurch können höhere Packungsdichten und somit eine reduzierte Größe der Brennstoffzelle ermöglicht sein.
  • Des Weiteren wird bevorzugt der gegenüber dem Format der Katalysatorschichten überstehende Rand des Membranfolienzuschnittes zwischen der ersten und zweiten Stützfolie beidseitig verklebt. Dadurch kann eine hohe Dichtigkeit einer solchen Membran-Elektroden-Anordnung sichergestellt werden.
  • Vorteilhafterweise wird auf jeder Seite der Membranfolienzuschnitte des hergestellten Folienverbundes gleichzeitig oder aufeinanderfolgend zumindest eine Gasdiffusionslage auf die jeweilige Katalysatorschicht aufgebracht.
  • Vor dem Aufbringen der Gasdiffusionslage wird bevorzugt auf die jeweilige Katalysatorschicht des Membranfolienzuschnittes eine Klebeschicht, insbesondere in einer Klebebeschichtungsstation, aufgebracht. Dies ermöglicht des Weiteren einen kontinuierlichen Herstellungsprozess.
  • Insbesondere wird die Gasdiffusionslage in einer weiteren Bearbeitungsstation zugeschnitten und auf die jeweilige Katalysatorschicht der Mem-branfolienzuschnitte aufgebracht sowie mit diesen verklebt. In dieser weiteren Bearbeitungsstation können beispielsweise die Gasdiffusionslagen durch ein Rotationsstanzwalzenpaar zugeschnitten und darauffolgend aufgebracht werden.
  • Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform zur Herstellung der Membranfolienzuschnitte wird die Bearbeitungsstation durch ein Vakuum-Stanzwalzenpaar hergestellt, wobei die Membranfolienzuschnitte mit einer Rotationsstanze zugeschnitten und darauffolgend mit einer Vakuum-Stanzgegenwalze auf die erste Stützfolie aufgebracht beziehungsweise in dem Ausschnitt der ersten Stützfolie positioniert wird.
  • Alternativ kann die Bearbeitungsstation durch ein Rotations-Stanzwalzenpaar geschnitten werden, wobei Haltestege zwischen dem Membranfolienzuschnitt und dem verbleibenden Bahnmaterial ausgebildet werden sowie mit einer in Förderrichtung dem Rotations-Stanzwalzenpaar nachfolgend angeordneten Ausdrück- und Laminierwalze die Membranfolienzuschnitte ausgedrückt und in den Ausschnitten der ersten Stützfolie positioniert und auf die Stützfolie aufgebracht werden.
  • Des Weiteren werden bevorzugt die einander gegenüberliegenden Längskanten des hergestellten Folienverbundes auf eine konstante Breite geschnitten, vorzugsweise mittels eines Lasers. Dadurch werden die Ränder der übereinanderliegenden Stützfolien gleichzeitig geschnitten, sodass deren Ränder deckungsgleich sind.
  • Vorteilhafterweise kann der hergestellte Folienverbund, insbesondere nach dem Beschneiden des Folienverbundes auf eine konstante Breite, in Membran-Elektroden-Anordnungen vereinzelt werden. Beispielsweise kann die Vereinzelung durch Stanzen oder mittels eines Lasers durch Querschneiden ermöglicht sein.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass die erste Stützfolie, die zweite Stützfolie und die Membranfolie als Halbzeuge auf einer Rolle bereitgestellt und zugeführt werden. Dies ermöglicht einen kontinuierlichen Herstellungsprozess, der darüber hinaus eine hohe Präzisierung in der Ausrichtung der einzelnen Schichten beziehungsweise der Ausschnitte der Stützfolien zu den Katalysatorschichten der Membranfolie ermöglicht.
  • Das Aufbringen der Membranfolienzuschnitte auf die erste Stützfolie und das Zuführen der zweiten Stützfolie auf die erste Stützfolie wird vorteilhafterweise mit einer kontinuierlichen Bahngeschwindigkeit angesteuert. Dadurch kann eine hohe Stückzahl gefertigt und somit die Herstellkosten reduziert werden.
  • Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird des Weiteren durch eine Membran-Elektroden-Anordnung gelöst, bei der eine erste und zweite Stützfolie jeweils einen Ausschnitt sowie einen Membranfolienzuschnitt aufweist, der eine Elektrolytmembran umfasst, auf welcher beidseitig eine Katalysatorschicht vorgesehen ist und gegenüber den beidseitig aufgebrachten Katalysatorschichten hervorstehend ein umlaufender Rand aus der Elektrolytmembran ausgebildet ist, wobei der umlaufend hervorstehende Rand des Membranfolienzuschnittes jeweils mit der zum umlaufenden Rand weisenden Seite der Stützfolie fest verbunden ist. Dadurch kann eine hohe Dichtheit dieser Membran-Elektroden-Anordnung erzielt werden. Vorteilhafterweise ist der umlaufende Rand beidseitig zur jeweiligen Stützfolie verklebt.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind der Ausschnitt der ersten Stützfolie und der Ausschnitt der zweiten Stützfolie deckungsgleich zueinander ausgerichtet. Dadurch kann ein gleichbleibend dimensionierter Überlappungsbereich zwischen den jeweiligen Stützfolien und dem außen umlaufenden Rand des Membranfolienzuschnitts ermöglicht sein.
  • Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Beispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale können einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt werden. Es zeigen:
  • Figur 1 einen grundsätzlichen Aufbau einer bekannten Brennstoffzelle,
  • Figur 2 eine schematische Schnittansicht eines Folienverbundes für eine Membran-Elektroden-Anordnung,
  • Figur 3 eine schematische Ansicht auf den Folienverbund gemäß Figur 2,
  • Figur 4 eine schematische Seitenansicht einer Anlage zur Herstellung der Membran-Elektroden-Anordnung,
  • Figur 5 eine schematische Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform zu Figur 4,
  • Figur 6 eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Membran-Elektroden-Anordnung,
  • Figur 7 eine schematische Ansicht von oben auf die alternative Ausführungsform gemäß Figur 6, und
  • Figur 8 eine schematische Teilansicht der Anlage zur Herstellung der alternativen Ausführungsform der Membran-Elektroden-Anordnung gemäß Figur 6.
  • In Figur 1 ist eine Brennstoffzelle 11 bezüglich deren Grundkomponenten schematisch dargestellt. Beidseitig zu einer Elektrolytmembran 14 sind Katalysatorschichten 16, 17 vorgesehen, wobei an der Katalysatorschicht 16 (Anode) der Wasserstoff in Wasserstoffionen H+ und in Elektronen e- aufgetrennt wird. Die Elektrolytmembran 14 ermöglicht nur einen Durchgang für Wasserstoffionen oder Protonen sowie Wasser, um zur weiteren Katalysatorschicht 17, der Kathode, zu gelangen. Bevorzugt wandern die Elektroden durch einen elektrischen Schaltkreis in Form eines elektrischen Stroms. Dieser kann an eine Batterie, insbesondere eine wiederaufladbare Batterie, übergeführt werden. Beidseitig zu den Katalysatorschichten 16, 17 sind Gasdiffusionslagen (GDL) 18, 19 vorgesehen. Jeweils außerhalb dieser Gasdiffusionslagen 18, 19 sind eine erste Platte und eine zweite Platte 21, 22 vorgesehen. Die erste Platte 21 ist mit Wasserstoff durchströmbar. Die zweite Platte 22 ist mit Sauerstoff durchströmbar, wobei an der Oberfläche der Katalysatorschicht 17 Wasser und Wärme gebildet und über diese zweite Platte 22 abgeführt wird.
  • Diese Brennstoffzelle 11 kann mit einer Vielzahl von weiteren Brennstoffzellen 11 kombiniert und gestapelt werden. Die Anzahl der gestapelten Brennstoffzellen 11 bestimmt die Gesamtspannung beziehungsweise Netzspannung, wobei die Oberfläche der einzelnen Brennstoffzellen den gesamten Strom bestimmt. Die gesamte elektrische Leistung, die durch einen solchen Stapel von Brennstoffzellen 11 erzeugt wird, kann durch das Produkt aus Spannung und Strom ermittelt werden.
  • In Figur 2 ist eine schematische Schnittansicht eines Folienverbundes 35 zur Herstellung von Membran-Elektroden-Anordnungen 25 (MEA) dargestellt. Durch das Einbringen von Trennschnitten 36 wird der Folienverbund 35 in Membran-Elektroden-Anordnungen 25 vereinzelt. Die Mem-bran-Elektroden-Anordnungen 25 umfassen zumindest die Elektrolytmembran 14 und die Katalysatorschichten 16, 17 als auch eine erste und zweite Stützfolie 26, 27. Die erste und zweite Stützfolie 26, 27 wurden der Einfachheit halber in Figur 1 nicht dargestellt.
  • Üblicherweise wird diese erste Stützfolie 26 als Subgasket 1 und die zweite Stützfolie 27 als Subgasket 2 bezeichnet. Diese haben die Aufgabe, die Elektrolytmembran 14 mechanisch und/oder statisch zu stützen, ohne dass dadurch ein Einfluss auf die ablaufenden elektrochemischen Prozesse der Brennstoffzelle 11 genommen wird. Diese Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) 25 ist folgendermaßen aufgebaut:
  • Die erste Stützfolie 26 sowie die zweite Stützfolie 27 weisen jeweils Ausschnitte 29 auf. Zwischen der ersten und zweiten Stützfolie 26, 27 ist ein Membranfolienzuschnitt 31 vorgesehen. Dieser Membranfolienzuschnitt 31 besteht aus einer Elektrolytmembran 14, welche vorzugsweise als eine Polymerelektrolytmembran ausgebildet ist. Beidseitig zur Elektrolytmembran 14 sind die Katalysatorschichten 16, 17 vorgesehen. Die Katalysatorschicht 16 bildet die Anode. Die Katalysatorschicht 17 bildet die Kathode. Diese Katalysatorschichten 16, 17 sind vorzugsweise deckungsgleich übereinanderliegend und mit demselben Format ausgebildet. Beispielsweise ist ein rechteckförmiges Format vorgesehen, alternativ kann auch ein quadratisches Format ausgebildet sein. Der Membranfolienzuschnitt 31 umfasst einen umlaufenden Rand 32, der aus der Elektrolytmembran 14 besteht. Dieser umlaufende Rand 32 erstreckt sich vollständig umlaufend zu den Katalysatorschichten 16, 17. Bevorzugt ist die Breite des Randes 32 entlang jeder Längsseite des Formates der Katalysatorschichten 16, 17 in der Größe gleich ausgebildet. Der Membranfolienzuschnitt 31 ist mit der Katalysatorschicht 16, 17 in dem jeweiligen Ausschnitt 29 der ersten und zweiten Stützfolie 26, 27 angeordnet. Der umlaufende Rand 32 erstreckt sich über die Ausschnitte 29 zwischen der ersten Stützfolie 26 und der zweiten Stützfolie 27 hinaus. Dadurch ist ein Überlappungsbereich 33 zwischen dem umlaufenden Rand 32 und jeder dem umlaufenden Rand 32 zugeordneten Seite der ersten und zweiten Stützfolie 26, 27 ausgebildet. In diesem Überlappungsbereich 33 ist der umlaufende Rand 32 mit der ersten und zweiten Stützfolie 26, 27 fest verbunden. Vorzugsweise ist eine Klebeverbindung vorgesehen. Des Weiteren sind außerhalb des umlaufenden Randes 32 die erste und zweite Stützfolie 26, 27 direkt miteinander fest verbunden, insbesondere verklebt.
  • Die Ausschnitte 29 in der ersten und zweiten Stützfolie 26, 27 sind in der Größe beziehungsweise dem Format gleich wie die flächige Erstreckung der Katalysatorschichten 16, 17. Auch können die Ausschnitte 29 nur geringfügig kleiner als das Format der Katalysatorschichten 16, 17 ausgebildet sein, sodass die Ränder der Katalysatorschichten 16, 17 direkt an die Ränder der Ausschnitte 29 angrenzen.
  • In Figur 4 ist eine schematische Seitenansicht einer Anlage 41 zur Herstellung der Membran-Elektroden-Anordnung 25 aus einem Folienverbund 35 gemäß den Figuren 2 und 3 dargestellt. Die erste Stützfolie 26 wird bevorzugt auf einer Rolle 42 bereitgestellt. Diese erste Stützfolie 26 ist bevorzugt trägerschichtfrei. Diese erste Stützfolie 26 ist als Bahnmaterial mit einer vorbestimmten Breite auf der Rolle 42 bevorratet. Dieses Bahnmaterial wird einer Klebestation 44 zugeführt. In dieser Klebestation 44 wird einseitig auf die Stützfolie 26 eine Klebemittelschicht aufgebracht. Alternativ kann auf der Rolle 42 bereits eine erste Stützfolie 26 mit einer Klebemittelschicht bevorratet und abgezogen werden.
  • In einem nachfolgenden Bearbeitungsschritt werden aufeinanderfolgend und in einem vorbestimmten Abstand zueinander die Ausschnitte 29 eingebracht. Beispielsweise ist eine Laserschneidstation 46 dargestellt. Alternativ kann auch eine Stanzbearbeitungsstation zur Herstellung der Ausschnitte 29 vorgesehen sein. Des Weiteren können alternativ die Klebestation 44 und die Station 46 zum Ausstanzen der Ausschnitte 29 auch in der Reihenfolge vertauscht sein.
  • In einer nachfolgenden Bearbeitungsstation 48 wird eine Membranfolie 49 verarbeitet. Diese Membranfolie 49 wird wiederum bevorzugt auf einer Rolle 50 bereitgestellt. Diese Membranfolie 49 besteht aus der Elektrolytmembran 14, auf welcher beidseitig die Katalysatorschichten 16, 17 in vorbestimmten Abständen und deckungsgleich einander gegenüberliegend aufgebracht sind. Diese Membranfolie 49 wird einem Vakuum-Stanzwalzenpaar zugeführt. Mittels einer Rotationsstanzwalze 51 wird aus der Membranfolie 41 ein Membranfolienzuschnitt 31 ausgestanzt. Dabei erfolgt die Stanzung derart, dass außerhalb der Katalysatorschichten 16, 17 der umlaufende Rand 32 ausgebildet ist. Die sich daraus ergebende ausgestanzte Membranfolie 49 wird zu einer weiteren Rolle 53 aufgewickelt. Die durch die Rotationsstanzwalze 51 ausgestanzten Membranfolienzuschnitte 31 werden an eine gegenläufig dazu angetriebene Vakuum-Stanzgegenwalze 52 übergeben, welche daraufhin passgenau die zur ersten Stützfolie 26 weisende Katalysatorschicht 16, 17 in dem Ausschnitt 29 positioniert und einsetzt. Gleichzeitig stützt sich der umlaufende Rand 32 des Membranfolienzuschnitts 31 auf der ersten Stützfolie 26 an den Ausschnitt 29 angrenzend ab. Aufgrund des Aufbringens der Klebemittelschicht kann ein erstes Anhaften des umlaufenden Randes 32 des Membranfolienzuschnitts 31 auf der ersten Stützfolie 26 gegeben sein.
  • Dieser Bearbeitungsstation 48 nachgeschalten ist eine Zuführung der zweiten Stützfolie 27 vorgesehen. Diese zweite Stützfolie 27 wird wiederum von einer Rolle 57 als Bahnmaterial bereitgestellt und abgezogen. Diese zweite Stützfolie 27 ist ebenfalls bevorzugt trägerschichtfrei auf der Rolle 57 bereitgestellt. Die zweite Stützrolle 27 kann einer Klebestation 44 zugeführt werden, sofern die zweite Stützrolle 27 nicht bereits mit einer Klebemittelschicht versehen ist. Darauffolgend werden aufeinanderfolgend die Ausschnitte 29 in die zweite Stützfolie 27 beispielsweise mit der Laser-Schneidstation 46 eingebracht. Anschließend wird über Umlenkrollen 59 die zweite Stützfolie 27 der ersten Stützfolie 26 zugeführt. Die Zuführung der zweiten Stützfolie 27 ist derart angesteuert und ausgerichtet, dass die jeweiligen Ausschnitte 29 in der zweiten Stützfolie 27 zu den nach oben weisenden Katalysatorschichten 16, 17 ausgerichtet sind, sodass diese Katalysatorschichten 16, 17 in dem Ausschnitt 29 der zweiten Stützfolie 27 positioniert werden.
  • In einer nachfolgenden Station 61 können die Stützfolien 26, 27 und der dazwischen angeordnete Membranfolienzuschnitt 31, insbesondere der umlaufende Rand 32, fest miteinander verbunden werden. Bevorzugt erfolgt in dieser Station 61 eine Wärmeeinwirkung oder eine UV-Vernetzung des Klebemittels, um die erste und zweite Stanzfolie 26, 27 sowie den dazwischen angeordneten Rand 32 des Membranfolienzuschnittes 31 zu verkleben. Dieser fertiggestellte Folienverbund 35 ist beispielsweise fünflagig ausgebildet.
  • Im Anschluss daran kann in einer weiteren Bearbeitungsstation 63 ein Beschneiden der Längsränder der ersten und zweiten Stützfolie 26, 27 erfolgen, sodass diese Membran-Elektroden-Anordnung 25 über deren Länge eine konstante Breite aufweist.
  • Nachfolgend kann in einer Bearbeitungsstation 65 ein Vereinzeln der Membran-Elektroden-Anordnungen 25 erfolgen, die bis zu diesem Zeitpunkt als ein bahnförmiger Mehrschichtfolienverbund ausgebildet sind. Diese einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen 25 können einem Magazin zugeführt oder in weitere nachgeschaltete Bearbeitungsstationen übergeführt werden.
  • In Figur 5 ist eine alternative Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung 25 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist die Bearbeitungsstation 48 zum Zuführen der Membranfolienzuschnitte 31 auf die Ausschnitte 29 in die erste Stützfolie 26 abweichend. Im Übrigen kann auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen Bezug genommen werden. Diese Bearbeitungsstation 48 umfasst ein Rotationsstanzrollenpaar mit einer Rotationsstanzwalze 67 und einer Stanzgegenwalze 68, zwischen denen die zugeführte Membranfolie 49 bearbeitet wird. Dabei wird der Membranfolienzuschnitt 31 in die Membranfolie 49 geschnitten, wobei einzelne Stege oder Haltestege verbleiben, sodass der Membranfolienzuschnitt 31 noch innerhalb der Membranfolie 49 gehalten ist. Diese Stege sind dünn ausgebildet, sodass diese ein einfaches Herauslösen der Membranfolienzuschnitte 31 auf der Membranfolie 49 durch Abreißen ermöglichen. Dieses Herauslösen erfolgt durch eine dem Rotationsstanzrollenpaar nachgeschaltene Ausdrück- und Laminierwalze 69, durch welche der Membranfolienzuschnitt 31 in den Ausschnitt 29 der ersten Stanzfolie 26 überführt wird, wobei der Membranfolienzuschnitt 31 durch Abreißen der Haltestege aus der Membranfolie 49 gelöst wird.
  • Der in den Figuren 2 und 3 dargestellte Folienverbund 35 liegt nach der Station 61 oder nach der Bearbeitungsstation 63 und vor der Vereinzelung durch die Bearbeitungsstation 65 vor. Die Abstände der Ausschnitte 29 in der ersten und zweiten Stützfolie 26, 27 in Längsrichtung gesehen und somit die Positionierung der Membranfolienzuschnitte 31 zwischen den Stanzfolien 26, 27 sind derart ausgebildet, dass bevorzugt ein mittig zwischen zwei Ausschnitten 29 positionierter Trennschnitt 36 (Figuren 2 und 3) beziehungsweise Querschnitt zum Vereinzeln der Membran-Elektroden-Anordnungen 25 bereits ein Endformat für die Weiterverarbeitung aufweist.
  • In Figur 6 ist eine schematische Schnittansicht der Membran-Elektroden-Anordnung 25 gemäß Figur 2 nach einem weiteren Bearbeitungsschritt dargestellt. Figur 7 zeigt eine Ansicht auf die Schnittansicht gemäß Figur 6. Bei dieser Membran-Elektroden-Anordnung 25 ist beidseitig auf die Katalysatorschichten 16, 17 jeweils eine Gasdiffusionslage 18, 19 aufgebracht. Diese Gasdiffusionslagen 18, 19 haben die Aufgabe, die von den Platten 21, 22 zugeführten Gase, und zwar Wasserstoff und Sauerstoff, gleichmäßig über die Oberfläche zu verteilen. Diese Gasdiffusionslagen 18, 19 können beispielsweise aus geschnittenen Kohlenstofffasern bestehen, welche in einem Binderpolymer zu einer Suspension verarbeitet, darauffolgend getrocknet und imprägniert werden, wie beispielsweise mit einem duroplastischen Harz. Anschließend kann noch eine Graffitierung des aufgebrachten Harzes zur Erhöhung der Beständigkeit erfolgen. Auf den Katalysatorschichten 16, 17 ist jeweils eine Klebebeschichtung, insbesondere in Form von Kleberaupen, aufgebracht, um die Gasdiffusionslagen 18, 19 mit den Katalysatorschichten 16, 17 zu einem gemeinsamen Folienverbund 35 zu verbinden. Diese Gasdiffusionslagen 18, 19 entsprechen in der Größe beziehungsweise dem Format den Katalysatorschichten 16, 17.
  • In Figur 8 ist eine schematische Ansicht der Anlage gemäß Figur 4 oder Figur 5 dargestellt, wobei nach der Station 61 zur Herstellung des Folienverbundes 35 und vor der Bearbeitungsstation 65 zum Vereinzeln der Membran-Elektroden-Anordnungen 25 eine Bearbeitungsstation 74 zum Aufbringen der Gasdiffusionslagen 18, 19 dargestellt ist.
  • In einem ersten Schritt sind beidseitig zum Folienverbund 35 Klebemittelauftragsvorrichtungen 76 vorgesehen, durch welche auf die Katalysatorschichten 16, 17, vorzugsweise vollflächig, Klebemittel aufgebracht wird. Darauffolgend kann wiederum beidseitig zum Folienverbund 75 die Bearbeitungsstation 74 mit einem Vakuum-Rotationsstanzwalzenpaar vorgesehen sein. Die Gasdiffusionslagen 18, 19 werden als Bahnware auf einer Rolle 78 bereitgestellt. Die Gasdiffusionslagen 18, 19 werden dem Vakuum-Rotationsstanzwalzenpaar zugeführt, sodass die Gasdiffusionslagen 18, 19 im Format der Katalysatorschichten 16, 17 beziehungsweise Ausschnitte 29 durch die Rotationsstanzwalze 51 zugeschnitten werden. Anschließend wird über die Vakuumwalze 52 ein Zuschnitt der Gasdiffusionslagen 18, 19 auf die Katalysatorschichten 16, 17 aufgebracht und mit dieser verklebt. Dies erfolgt aufeinanderfolgend
    oder beidseitig durch einander gegenüberliegende Vakuum-Rotationsstanzwalzenpaare. Dadurch wird eine Membran-Elektroden-Anordnung 25 hergestellt, welche siebenlagig beziehungsweise mit sieben Schichten ausgebildet ist. Danach erfolgt über die Bearbeitungsstation 63 durch Querschneiden eine Vereinzelung der Membran-Elektroden-Anordnung 25.
  • Die vorliegend beschriebenen Verfahren weisen den Vorteil auf, dass die Schichten oder Lagen zur Herstellung der Membran-Elektroden-Anordnung 25 alle als Rollenware bereitgestellt werden. Dadurch können eine kontinuierliche Bearbeitung der einzelnen Schichten und das Zusammenführen der Schichten passgenau zueinander für die Herstellung der Membran-Elektroden-Anordnung 25 erfolgen. Insbesondere wird durch dieses Verfahren eine Katalysatorschicht 16, 17 des Membranfolienzuschnittes 31 passgenau zum Ausschnitt 29 der ersten Stützfolie 26 ausgerichtet und positioniert sowie darauffolgend ein Ausschnitt 29 der zweiten Stützfolie 27 passgenau zur zweiten Katalysatorschicht 17, 16 des Membranfolienzuschnittes 31 ausgerichtet und positioniert. Die erste und zweite Stützfolie 21, 22 sind mit deren Ausschnitte 29 deckungsgleich zueinander ausgerichtet.

Claims (20)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung (25) für eine Brennstoffzelle (11),
    - bei dem eine erste Stützfolie (26) als Bahnmaterial bereitgestellt wird,
    - bei dem in die erste Stützfolie (26) aufeinanderfolgend und mit Abstand zueinander Ausschnitte (29) eingebracht werden,
    - bei dem die mit Ausschnitten (29) versehene erste Stützfolie (26) einer Bearbeitungsstation (48) zugeführt wird,
    - bei dem eine Membranfolie (49) der Bearbeitungsstation (48) zugeführt wird, welche eine bahnförmige Elektrolytmembran (14) umfasst, auf welcher beidseitig in einem Format Katalysatorschichten (16, 17) aufgebracht sind,
    - bei dem die Membranfolie (49) in der Bearbeitungsstation (48) in Membranfolienzuschnitte (31) zugeschnitten wird, sodass ein umlaufender Rand (32) der Elektrolytmembran (14) zu den Katalysatorschichten (16, 17) gebildet wird,
    - bei dem die jeweiligen Membranfolienzuschnitte (31) mit einer der beiden Katalysatorschichten (16, 17) zu dem jeweiligen Ausschnitt (29) in der ersten Stützfolie (21) ausgerichtet und auf die erste Stützfolie (26) aufgebracht werden,
    - bei dem eine zweite Stützfolie (27) als Bahnmaterial bereitgestellt wird,
    - bei dem in die zweite Stützfolie (27) aufeinanderfolgend und mit Abstand zueinander Ausschnitte (29) eingebracht werden,
    - bei dem die zweite Stützfolie (27) mit den jeweiligen Ausschnitten (29) zu den der ersten Stützfolie (26) gegenüberliegenden Katalysatorschichten (17, 16) der Membranfolienzuschnitte (31) auf der ersten Stützfolie (26) ausgerichtet und aufgebracht wird, und
    - bei dem die erste und zweite Stützfolie (26, 27) und die dazwischen angeordneten Membranfolienzuschnitte (31) fest miteinander zu einem Folienverbund (35) verbunden werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Stützfolie (26, 27) trägerschichtfrei bereitgestellt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Stützfolie (26, 27) mit einer einseitig aufgebrachten Klebemittelschicht bereitgestellt oder in einer Klebestation (44) einseitig mit einer Klebemittelschicht beschichtet werden.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die erste Stützfolie (26) vor dem Zuführen zur Bearbeitungsstation (48) aufeinanderfolgend die Ausschnitte (29) durch Stanzen oder Laserschneiden eingebracht werden.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die zweite Stützfolie (27) vor dem Zuführen auf die mit der ersten Stützfolie (26) bestückten Membranfolienzuschnitte (31) die aufeinanderfolgenden Ausschnitte (29) durch Stanzen oder Laserschneiden eingebracht werden.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Bearbeitungsstation (48) die Membranfolienzuschnitte (31) mit einem gegenüber der beidseitig aufgebrachten Katalysatorschichten (16, 17) umlaufenden Rand (32) geschnitten werden, sodass der umlaufende Rand (32) gegenüber allen Seitenkanten der Katalysatorschichten (16, 17), welche vorzugsweise deckungsgleich zur Elektrolytmembran (14) ausgerichtet sind, einen Überstand mit einer gleichen Breite aufweist.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatorschichten (16, 17) auf der Elektrolytmembran (14) in einem quadratischen oder rechteckförmigen Format aufgebracht sind und die Ausschnitte (29) in der ersten und zweiten Stützfolie (26, 27) an das quadratische oder rechteckförmige Format der Katalysatorschichten (16, 17) angepasst werden, wobei die Größe der Ausschnitte (29) in der ersten und zweiten Stützfolie (26, 27) gleich oder kleiner als das Format der Katalysatorschichten (16, 17) ausgeschnitten wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gegenüber dem Format der Katalysatorschichten (16, 17) überstehende Rand (32) der Elektrolytmembran (14) im Überlappungsbereich (33) jeweils mit der ersten und zweiten Stützfolie (26, 27) verklebt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf jeder Seite der Membranfolienzuschnitte (31) des hergestellten Folienverbundes (35) gleichzeitig oder aufeinanderfolgend eine Gasdiffusionslage (18, 19) aufgebracht wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der Gasdiffusionslage (18, 19) auf die Katalysatorschichten (16, 17) des Membranfolienzuschnittes (31) eine Klebemittelschicht aufgebracht oder dass die Gasdiffusionslage (18, 19) mit einer daran vorgesehenen Klebemittelschicht zugeführt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionslagen (18, 19) in einer weiteren Bearbeitungsstation (74) zugeschnitten und auf die Katalysatorschichten (16, 17) des Folienverbundes (35) aufgebracht und verklebt werden.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranfolie (49) in der Bearbeitungsstation (48) durch ein Vakuum-Stanzwalzenpaar mit einer Rotationsstanzwalze (51) in Membranfolienzuschnitte (31) geschnitten und durch eine Vakuum-Stanzgegenwalze (52) die Membranfolienzuschnitte (31) aufeinanderfolgend auf die erste Stützfolie (26) aufgebracht werden.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranfolie (49) in der Bearbeitungsstation (48) durch ein Rotationsstanzwalzenpaar (67, 68) in Membranfolienzuschnitte (31) mit Haltestegen geschnitten und mit einer in Förderrichtung dem Rotationsstanzwalzenpaar (67, 68) nachfolgend angeordneten Ausdrück- und Laminierwalze (69) auf die Ausschnitte (29) der ersten Stützfolie (26) aufgebracht wird.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einander gegenüberliegende Längskanten des hergestellten Folienverbundes (35) auf eine konstante Breite, vorzugsweise durch Laserschneiden, geschnitten werden.
  15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Folienverbund (35) in einer Bearbeitungsstation (65) in Membran-Elektroden-Anordnungen (25) vereinzelt wird, insbesondere nach dem Schneiden des Folienverbundes (35) auf dessen Breite, und vorzugsweise die Membran-Elektroden-Anordnungen (25) durch Querschneiden, vorzugsweise mittels Laserschneiden, vereinzelt werden.
  16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stützfolie (26), die zweite Stützfolie (27) und die Membranfolie (49) als Halbzeuge auf einer Rolle (42, 50, 57) bereitgestellt und zugeführt werden.
  17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Membranfolienzuschnitte (31) auf die erste Stützfolie (26) und das Zuführen der zweiten Stützfolie (27) auf die erste Stützfolie (26) mit einer kontinuierlichen Bahngeschwindigkeit angesteuert wird.
  18. Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle (11),
    - mit einer ersten und zweiten Stützfolie (26, 27), die jeweils Ausschnitte (29) aufweisen,
    - mit einem Membranfolienzuschnitt (31), der eine Elektrolytmembran (14) als Trägerschicht umfasst, auf welcher beidseitig eine Katalysatorschicht (16, 17) vorgesehen ist, wobei gegenüber den Katalysatorschichten (16, 17) hervorstehend ein umlaufender Rand (32) der Elektrolytmembran (14) ausgebildet ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass jeweils eine Außenseite des umlaufend hervorstehenden Randes (32) des Membranfolienzuschnittes (31) mit der zum Rand (32) weisenden Seite der Stützfolien (26, 27) fest verbunden ist.
  19. Membran-Elektroden-Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der umlaufende Rand (32) des Membranfolienzuschnittes (31) jeweils im Überlappungsbereich (33) zur ersten und zweiten Stützfolie (26, 27) verklebt ist.
  20. Membran-Elektroden-Anordnung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausschnitt (29) in der ersten und der zweiten Stützfolie (26, 27) dasselbe Format aufweist und deckungsgleich zueinander ausgerichtet ist.
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