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Stand der Technik
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Wasserstoffbasierte Brennstoffzellen gelten als Basis für ein Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie im Wesentlichen nur Wasser emittieren und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler, wobei eine Mehrzahl von solchen Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellen-Stack zusammengeschaltet werden, um eine entsprechend hohe Gesamtspannung bzw. Gesamtleistung bereitstellen zu können. Die Edukte Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (02) werden in elektrische Energie, Wasser (H2O) und Wärme gewandelt.
Beispielsweise PEM-Brennstoffzellen (PEM engl.:„proton-exchange-membrane‟; Protonen-Austausch-Membran) können mit der der Kathode der Brennstoffzelle zugeführten Luft, mit Sauerstoff als Oxidationsmittel, und dem der Anode der Brennstoffzelle zugeführten Wasserstoff als Brennstoff in einem
elektrokatalytischen Elektrodenprozess betrieben werden, um elektrische Energie mit einem hohen Wirkungsgrad bereitzustellen. Brennstoffzellensysteme
mit PEM-Brennstoffzellen sind bereits in ersten Serienanwendungen am Markt und haben ein großes Potential eine maßgebliche Rolle bei der Energie- und Verkehrswende zu spielen.
Eine Brennstoffzelle enthält normalerweise eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA), die durch eine katalysatorbeschichtete Membran gebildet ist, die zwischen einem Paar Gasdiffusionsschichten angeordnet ist. Die katalysatorbeschichtete Membran selbst weist normalerweise eine Elektrolytmembran auf, die zwischen einem Paar Katalysatorschichten angeordnet ist.
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Bei der Weiterentwicklung, insbesondere von PEM-Brennstoffzellen, kommt dem Wassermanagement, der Stromableitung und der Wärmeleitung in den Halbzellen der elektrochemischen Zellen eine besondere Bedeutung zu. Die deutlich höheren Verkaufspreise von Brennstoffzellenfahrzeugen im Vergleich zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor stellen noch eine große Hürde für die Massenmarkteinführung dar. Ein Weg, um die Zielkosten zu erreichen, liegt in der Verbesserung bzw. Vereinfachung der Herstellung der Komponenten.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine Gasdiffusionsschicht einer elektrochemischen Zelle, wie einer Brennstoffzelle, weist typischerweise kanalseitig zu einer Bipolarplatte der Brennstoffzelle ein Kohlenstofffaservlies (GDB = gas diffusion backing) und katalysatorseitig eine mikroporöse Partikelschicht (MPL = microporous layer) bzw. mikroporöse Schicht auf.
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Die Gasdiffusionsschicht hat innerhalb einer Brennstoffzelle verschiedene Aufgaben. Dazu zählen die Stoffverteilung von Sauerstoff, Wasserstoff, Wasser, etc., sowie eine Stromleitung, eine Wärmeleitung sowie eine Kraftverteilung von Anpressdrücken. Das typischerweise verwendete Faservlies ist in der Ebene der Gasdiffusionsschicht sehr gut für Gase durchlässig und hilft bei der Querverteilung der Medien, der Wärme und des Stroms unter Stegen von Bipolarplatten, die eingerichtet sind, den Strom nach außen abzuleiten. Eine Gasdiffusionslage wird typischerweise aus hydrophobierten Kohlenstofffasern gebildet und weist eine typische Dicke von kleiner als 1 mm, genauer von 0,1 mm bis 0,3 mm, auf.
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Die mikroporöse Funktionsschicht der Halbzelle für eine elektrochemische Vorrichtung ist so gestaltet, dass sie sowohl die Katalysatorschicht als auch die der Membran zugewandten Seite der Gasdiffusionsschicht direkt kontaktiert. Diese Kontaktierung erfolgt sowohl elektrisch als auch mechanisch. Dabei definiert sich die mikroporöse Funktionsschicht vor allem über ihre Eigenschaften, nämlich einen guten Elektronentransport von der Katalysatorschicht zur Fluidverteilerschicht bereitzustellen und das Wassermanagement an der der Membran abgewandten Seite der Katalysatorschicht zu unterstützen. Dabei kann die mikroporöse Schicht eine Trägerschicht aus Kohlenstofffasern, ähnlich dem Kohlenstoffvlies der Gasdiffusionsschicht, aufweisen.
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Die Faserstrukturen aus Kohlenstoff sind spröde und können bereits während der Fertigung der GDL oder während des Assemblierungsprozesses der Brennstoffzellen oder eines Brennstoffzellen-Stacks brechen. Die hierbei entstehenden Faserenden aus der GDL können aus der MPL herausragen und folglich die sehr dünne (< 20 µm) und mechanisch empfindliche katalysatorbeschichtete Membran durchstoßen. Dies führt zu einem irreparablen Schaden der elektrochemischen Zelle und in kürzester Zeit zum Ausfall der elektrochemischen Zelle. Daher ist es wichtig, die Gasdiffusionsschicht in Form einer Gasdiffusionslage, die in die Brennstoffzelle eingelegt wird, so zu fertigen, dass möglichst keine Faserenden herausragen. Das gleiche gilt für die Lage der mikroporösen Schicht.
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Entsprechend Aspekten der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Herstellen einer Lage für Brennstoffzellen, ein Verfahren zum Herstellen und eine Verwendung der Vorrichtung entsprechend den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche vorgeschlagen, die zumindest zum Teil die beschriebenen Aufgaben lösen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Gemäß einem Aspekt wird eine Vorrichtung zum Herstellen einer Lage für Brennstoffzellen mit einer ebenen Haltevorrichtung zur Platzierung eines Ausgangsmaterials für die Herstellung der Lage vorgeschlagen. Dabei weist die Haltevorrichtung einen umlaufenden Kanal auf, dessen Anordnung in der Haltevorrichtung mit äußeren Abmessungen der Lage korrespondiert. Weiterhin weist die Vorrichtung einen Laser zum Generieren eines Laserstrahls und eine Vorrichtung zur Ablenkung des generierten Laserstrahls oberhalb der Haltevorrichtung auf, die eingerichtet ist, den Laserstrahl entsprechend den äußeren Abmessungen der Lage über die Karbonfasermatte zu führen, um diese zu schneiden.
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Dabei kann unter der Gasdiffusionslage für Brennstoffzellen eine gemäß einer äußeren Form zugeschnittene Matte eines Vlieses aus Kohlenstofffasern verstanden werden, die eingelegt in einen Stapel zum Bilden einer Brennstoffzelle die oben beschriebene Aufgabe der Gasdiffusionsschicht in der Brennstoffzelle übernehmen kann. Mit einer solchen Vorrichtung können Gasdiffusionslagen für Brennstoffzellen hergestellt werden, die eine definierte Kante an den äußeren Abmessungen aufweisen, die die Karbonfasermatte durch das Schneiden mit dem Laserstrahl aufweist. Im Gegensatz zu einem Schneiden bzw. Stanzen mit einem Messer kann bei dem Schneiden mit dieser Vorrichtung jede einzelne Faser der Karbonfasermatte durchtrennt und aufgeschmolzen werden, wodurch zum einen keine abgebrochenen einzelnen Kohlenstofffasern entstehen, die im Aufbau der Brennstoffzelle gegebenenfalls die Membran durchstoßen können. Zum anderen entstehen weniger oder keine staubartigen Partikel, die in die Gasdiffusionslage undefiniert eindringen können und die Funktion der damit aufgebauten Brennstoffzelle verschlechtern können.
Weiterhin kann durch die Wahl der Energie des Laserstrahls der Energieeintrag in die Gasdiffusionslage minimiert werden. Die typischen Schnitt-Geschwindigkeiten, die mit der Vorrichtung erreicht werden können, fördern die preisgünstige Herstellung von Brennstoffzellen, wodurch die Gasdiffusionslage in einem schnellen Industrieprozess hergestellt werden kann. Weiterhin kann dieser Prozess der Herstellung der Gasdiffusionslage mit der Vorrichtung kontinuierlich durchgeführt werden, insbesondere wenn keine stumpfen Messer ausgetauscht werden müssen. Entsprechendes gilt für andere Lagen für eine Herstellung einer Brennstoffzelle, wie insbesondere für das Herstellen von Lagen mikroporöser Schichten.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass der umlaufende Kanal eingerichtet ist als Strahlenfalle für den Laserstrahl zu wirken. Eine solche Strahlenfalle für Laserstrahlen absorbiert das Laserlicht zum einen aus Sicherheitsgründen, um kein Bedienungs-Personal zu schädigen zum anderen aus technischen Gründen, um die Lage nicht zu beschädigen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird vorgeschlagen, dass der Kanal eingerichtet ist einen einfallenden Laserstrahl zumindest teilweise zu absorbieren, um eine intensive Reflexion aus dem Kanal heraus auf die Rückseite der Karbonfasermatte zu verhindern. Dabei ist der umlaufende Kanal entsprechend den äußeren Abmessungen der Lage innerhalb der Haltevorrichtung so angeordnet, dass beim Schneiden der Karbonfasermatte mit dem Laserstrahl unterhalb der Karbonfasermatte, bzw. eines anderen Ausgangsmaterials für die Herstellung einer Lage, der Laserstrahl zumindest soweit absorbiert wird, dass keine Rückreflexion des Laserstrahls erfolgt, die die Lage oder Bestandteile der Lage und/oder das Ausgangsmaterial der Lage, wie die Karbonfasermatte, von der Rückseite schädigen kann.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die Haltevorrichtung eingerichtet ist das Ausgangsmaterial für die Lage auf der Haltevorrichtung zu spannen.
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Wenn das Ausgangsmaterial, wie beispielsweise die Karbonfasermatte, auf der Haltevorrichtung definiert gespannt ist, kann ein engerer Toleranzbereich in Bezug auf die Abmessungen der Lage erreicht werden.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass der Laser ein Faserlaser ist. Insbesondere kann der Laser als Strahlquelle für den Laserstrahl ein Single Mode Laser sein. Da ein solcher Faserlaser hochenergetisch und zuverlässig betrieben werden kann, kann damit ein industrietauglicher Prozess zur Herstellung der Lage erreicht werden.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung zur Ablenkung des generierten Laserstrahls zwei senkrecht zueinander den Laserstrahl ablenkende, bewegliche Spiegel aufweist. Dadurch, dass der Laserstrahl mit den beweglichen und steuerbaren Spiegeln abgelenkt wird, kann ein zuverlässiger Betrieb der Vorrichtung gewährleistet werden und durch die mögliche hohe Geschwindigkeit den Laserstrahl mittels der Spiegel zu führen, kann eine hohe Taktzeit zur Herstellung der Lage wie beispielsweise einer Gasdiffusionslage und/oder eine Lage einer mikroporösen Schicht, erreicht werden. Eine Geschwindigkeit für einen solchen Schneideprozess kann beispielsweise 5 m/s bis 10 m/s betragen. Insbesondere kann die Geschwindigkeit 5 m/s oder 7 m/s betragen. Mit diesen Geschwindigkeiten kann der Schneideprozess, bei entsprechend gewählter Leistung des Lasers, mehrmals um die äußeren Abmessungen der Lage geführt werden, ohne den Durchsatz bei der Fertigung einer solchen Lage zu stark zu beeinträchtigen.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung zur Ablenkung ein Laser-Scanner ist. Ein solcher Laser-Scanner wird für die Zwecke der Industrie angeboten und kann in einem Fertigungsprozess zuverlässig betrieben werden.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung zur Ablenkung des generierten Laserstrahls eingerichtet ist, den Laserstrahl über das Ausgangsmaterial mit einer Geschwindigkeit von 5 m/s bis 10 m/s zu führen. Durch eine solche Geschwindigkeit des Schneidens kann eine hohe Taktrate für die Herstellung der Lage erreicht werden.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass das Ausgangsmaterial für die Herstellung der Gasdiffusionslage eine mit PTFE und/oder Platin und/oder mit einer Membran beschichtete Karbonfasermatte und/oder eine Matte für eine mikroporöse Schicht ist.
Insbesondere wenn die Lage weitere Komponenten als nur eine strukturbildendes Material, wie ein Kohlenstoffvlies, aufweist, ist der Schneideprozess mit der Vorrichtung vorteilhaft, um möglichst wenig Energie in die Lage einzutragen, die die Verteilung von den Komponenten innerhalb des strukturbildenden Materials, wie beispielsweise der Faserstruktur der Gasdiffusionslagen, unvorteilhaft für den Betrieb der Brennstoffzelle verändern könnte. Dabei kann eine weitere Komponente auch eine mikroporöse Schicht sein, die auf der Gasdiffusionslage bzw. der Karbonfasermatte schon vor dem Schneiden aufgebracht ist.
Insbesondere kann mit der Vorrichtung eine Membran-Elektrodeneinheit zugeschnitten werden, die zusätzlich zu der Gasdiffusionslage zumindest eine Membran aufweist.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung eine Absaugvorrichtung aufweist, die eingerichtet ist, beim Herstellen der Lage entstehende Substanzen abzusaugen. Durch das Absaugen der entstehenden Substanzen, wie beispielsweise verdampfende Bestandteile der Karbonfasermatte, die beispielsweise auch mit anderen Komponenten beschichtet ist, kann sowohl der Arbeitsschutz erreicht werden als auch verhindert werden, dass die entstehenden Substanzen in die Lage eindringen und die Funktion der Lage, wie beispielsweise der Gasdiffusionslage, in der Brennstoffzelle beeinträchtigen.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die Absaugvorrichtung eine Düse aufweist, die mit den äußeren Abmessungen der Lage korrespondiert, um entstehende Substanzen nah am Entstehungsort abzusaugen.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung zur Ablenkung des generierten Laserstrahls eingerichtet ist, den Laserstrahl mehrmals über die äußeren Abmessungen der Lage zum Durchtrennen des Ausgangsmaterials zu führen. Dadurch, dass die Vorrichtung eingerichtet ist, den Laserstrahl mehrmals über die äußeren Abmessungen der Lage, wie beispielsweise der Gasdiffusionslage, zu führen, um sie an der Stelle zu durchtrennen, kann der Energieeintrag in die Lage und das Freisetzen der bei dem Schneidevorgang entstehenden Substanzen gesteuert werden.
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Es wird ein Verfahren zum Herstellen einer Lage für Brennstoffzellen mit den folgenden Schritten vorgeschlagen. In einem ersten Schritt wird ein Ausgangsmaterial zur Herstellung der Lage bereitgestellt. In einem weiteren Schritt wird das Ausgangsmaterial in eine Vorrichtung zum Laserschneiden eingebracht. In einem weiteren Schritt wird das Ausgangsmaterial mittels eines Laserstrahls der Vorrichtung zum Laserschneiden entlang der äußeren Abmessungen der Lage geschnitten, wobei der Laserstrahl eine Schneidleistung für das Ausgangsmaterial aufweist, die ausreicht, bei mehrmaligem Überfahren der äußeren Abmessungen, das Ausgangsmaterial zu durchtrennen. Die Vorteile dieses Verfahrens korrespondieren mit den Vorteilen der Vorrichtung zum Herstellen der Lage.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass in dem Verfahren der Laserstrahl mittels einer Ablenkvorrichtung mehrmals entlang der äußeren Abmessungen der Lage geführt wird, um das Ausgangsmaterial durch mehrmaliges Einwirken des Laserstrahls zu durchtrennen. Dadurch, dass die Vorrichtung eingerichtet ist, den Laserstrahl mehrmals über die äußeren Abmessungen der Lage zu führen, um sie an der Stelle zu durchtrennen, kann der Energieeintrag in die Lage und das Freisetzen der bei dem Schneidevorgang entstehenden Substanzen gesteuert werden.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung zum Laserschneiden der oben beschriebenen Vorrichtung zum Herstellen der Lage entspricht.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass bei dem Einwirken des Laserstrahls beim Laserschneiden freiwerdende Substanzen mittels einer Absaugvorrichtung nah am Entstehungsort aus dem Schneidbereich entfernt werden.
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Es wird eine Verwendung der oben beschriebenen Vorrichtung zur Herstellung einer Gasdiffusionslage und oder einer Lage einer mikroporösen Schicht für eine Brennstoffzelle vorgeschlagen. Durch diese Verwendung der Vorrichtung können Lagen für Brennstoffzellen hergestellt werden, die eine definierte Kante an den äußeren Abmessungen aufweisen, die das geschnittene Ausgangsmaterial, wie beispielsweise die Karbonfasermatte, durch das Schneiden mit dem Laserstrahl aufweist.
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In dieser gesamten Beschreibung der Erfindung ist die Abfolge von Verfahrensschritten so dargestellt, dass das Verfahren leicht nachvollziehbar ist. Der Fachmann wird aber erkennen, dass viele der Verfahrensschritte auch in einer anderen Reihenfolge durchlaufen werden können und zu dem gleichen oder einem entsprechenden Ergebnis führen. In diesem Sinne kann die Reihenfolge der Verfahrensschritte entsprechend geändert werden. Einige Merkmale sind mit Zählwörtern versehen um die Lesbarkeit zu verbessern oder die Zuordnung eindeutiger zu machen, dies impliziert aber nicht ein Vorhandensein bestimmter Merkmale.
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der 1 näher erläutert. Hierbei zeigt die
- 1 eine Vorrichtung zum Herstellen einer Gasdiffusionslage für Brennstoffzellen.
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Die 1 skizziert eine Vorrichtung 100 zum Herstellen einer Gasdiffusionslage 130 für Brennstoffzellen, mit einer ebenen Haltevorrichtung 150 zur Platzierung einer Karbonfasermatte, als Ausgangsmaterial für die Herstellung der Gasdiffusionslage 130. Die Haltevorrichtung 150 kann mit einer in 1 nicht dargestellten Vorrichtung eingerichtet sein, die Karbonfasermatte auf der Haltevorrichtung zu spannen. Dabei weist die Haltevorrichtung 150 einen umlaufenden Kanal 140 auf, dessen Anordnung in der Haltevorrichtung 150 mit äußeren Abmessungen der Gasdiffusionslage 130 korrespondiert. Dabei ist der umlaufende Kanal eingerichtet als Strahlenfalle für den Laserstrahl 120 zu wirken, sodass der einfallende Laserstrahl zumindest teilweise absorbiert wird, um eine intensive Reflexion aus dem Kanal heraus auf die Rückseite der Karbonfasermatte zu verhindern. Damit kann eine Beschädigung der Karbonfasermatte von der Rückseite aus vermieden werden. Ein Laser zum Generieren eines Laserstrahls 120 kann in die Vorrichtung zur Ablenkung des generierten Laserstrahls 110 integriert sein oder separat angeordnet sein und außerhalb der 1 angeordnet sein.
Eine Vorrichtung 110 zur Ablenkung des generierten Laserstrahls 120 ist oberhalb der Haltevorrichtung 150 angeordnet und eingerichtet, den Laserstrahl 120 entsprechend den äußeren Abmessungen 160 der Gasdiffusionslage 130 über die Karbonfasermatte zu führen. Dazu kann die Vorrichtung 110 zur Ablenkung des generierten Laserstrahls 120 zwei bewegliche Spiegel aufweisen, die so angeordnet und eingerichtet sind, dass sie den Laserstrahl in zwei senkrecht zueinander stehende Richtungen ablenken können.
Die Vorrichtung 100 kann eine in der 1 nicht gezeigte Absaugvorrichtung aufweisen, die nah an der äußeren Abmessung 160 der Gasdiffusionslage 130 angeordnet ist und eingerichtet ist, die beim Herstellen der Gasdiffusionslage 130 entstehenden Substanzen nah am Entstehungsort, nämlich der äußeren Abmessung 160 der Gasdiffusionslage 130 abzusaugen.