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DE102005058370A1 - Fuel cell and roll-to-roll process to manufacture fuel cell assembly with electrical membrane units ultrasonically welded to surrounding frame - Google Patents

Fuel cell and roll-to-roll process to manufacture fuel cell assembly with electrical membrane units ultrasonically welded to surrounding frame Download PDF

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DE102005058370A1
DE102005058370A1 DE102005058370A DE102005058370A DE102005058370A1 DE 102005058370 A1 DE102005058370 A1 DE 102005058370A1 DE 102005058370 A DE102005058370 A DE 102005058370A DE 102005058370 A DE102005058370 A DE 102005058370A DE 102005058370 A1 DE102005058370 A1 DE 102005058370A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
eme
gdl
fuel cell
ultrasonic welding
frame
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE102005058370A
Other languages
German (de)
Inventor
Fritz Major
Peter Dipl.-Ing. Claußnitzer
Jochen Dipl.-Ing. Roser
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.)
Harro Hofliger Verpackungsmaschinen GmbH
Original Assignee
Harro Hofliger Verpackungsmaschinen 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 Harro Hofliger Verpackungsmaschinen GmbH filed Critical Harro Hofliger Verpackungsmaschinen GmbH
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

A fuel cell has two or more bi-polar plates, an electrode membrane unit. A gas diffusion layer separates each electrode membrane unit from the plate. In a process to manufacture a fuel cell of this type, the electrode membrane units and the supporting frames are brought together in a roll-to-roll assembly process and joined by ultrasonic welding action. The ultrasonic energy is directed at the frame. In an alternative embodiment, individual membrane units and frames are brought together in synchronized cycles. Further claimed is a commensurate fuel cell.

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Brennstoffzelle sowie eine Vorrichtung zum Ausführen eines solchen Verfahrens zum Herstellen einer Brennstoffzelle.The The invention relates to a fuel cell and a method for the production Such a fuel cell and an apparatus for carrying out a such method of manufacturing a fuel cell.

Die Brennstoffzellentechnologie ist eine umweltfreundliche Technologie, indem sie die Verwendung von Wasserstoff und Sauerstoff und damit von nicht fossilen Brennstoffen ermöglicht. Als weiterer Vorteil erweist sich der gegenüber konventionellen Verbrennungsmotoren wesentlich höhere Wirkungsgrad.The Fuel cell technology is an environmentally friendly technology by the use of hydrogen and oxygen and thus of non-fossil fuels. As a further advantage turns out to be the opposite conventional internal combustion engines much higher efficiency.

STAND DER TECHNIKWAS STANDING OF THE TECHNIQUE

Eine solche Brennstoffzelle ist bekannt. Darüber hinaus ist es aus der DE 42 06 490 C2 und dem darin erwähnten Stand der Technik bekannt, verschiedene Strukturen einzusetzen, um die Gase über den gesamten Querschnittsbereich der Brennstoffzelle hinweg zu verteilen. Ferner ist es aus der DE 26 35 636 C2 bekannt, beim Herstellen von Brennstoffzellen sogenannte Roll to Roll-Verfahren im Zusammenhang mit dem Herstellen von mit Gasdiffusionslagen beidseitig belegtem Elektrodenmaterial einzusetzen. Bei diesem auf Rollenware zurückgreifenden Herstellverfahren werden die einzelnen Lagen miteinander verklebt. Das Abziehen der Bahnen von der jeweiligen Rolle kann kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen.Such a fuel cell is known. In addition, it is from the DE 42 06 490 C2 and the art mentioned therein, to use various structures to distribute the gases over the entire cross-sectional area of the fuel cell. Furthermore, it is from the DE 26 35 636 C2 known to use in the manufacture of fuel cells so-called roll-to-roll method in connection with the production of both sides with gas diffusion layers electrode material. In this manufacturing process, which uses reel goods, the individual layers are glued together. The removal of the webs from the respective roll can be continuous or discontinuous.

Ansonsten wird die Brennstoffzelle durch einzelnes Übereinanderlegen der verschiedenen plattenförmigen Lagen einer solchen Zelle hergestellt.Otherwise The fuel cell is formed by superimposing the various plate-shaped layers one by one made of such a cell.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNGPRESENTATION THE INVENTION

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, möglichst kostengünstig hergestellte Brennstoffzellen bereit zu stellen.outgoing From this prior art, the invention is based on the object produced as inexpensively as possible To provide fuel cells.

Diese Erfindung ist für die erfindungsgemäße Brennstoffzelle durch den Anspruch 1, für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer solchen Brennstoffzelle durch die Merkmale des Anspruchs 7 sowie für eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die zur Ausführung dieses Herstellverfahrens besonders geeignet ist, durch die Merkmale des Anspruchs 16 gegeben. Sinnvolle Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale von sich jeweils daran anschließenden Ansprüche gegeben.These Invention is for the fuel cell according to the invention by the claim 1, for the inventive method for producing such a fuel cell by the features of claim 7 and for a device according to the invention, to the execution This manufacturing method is particularly suitable, by the features of claim 16 given. Useful developments of the invention are given by the features of each subsequent claims.

Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest der zwischen zwei Bipolarplatten vorhandene Zellenbestandteil im sogenannten Roll to Roll-Verfahren hergestellt werden kann. Durch das dabei verwendete Ultraschallschweißverfahren zum Aneinanderheften der Elektroden-Membran-Einheit (EME) an einem Trägerrahmen lässt sich einerseits die jeweilige EME in diesem Roll to Roll-Verfahren problemlos einsetzen. Dabei kann mittels des Ultraschallschweißverfahrens eine gasdichte, technisch voll funktionsfähige Verbindung zwischen der EME und dem Trägerrahmen hergestellt werden.The Fuel cell according to the invention records characterized by at least that between two bipolar plates existing cell component in the so-called roll-to-roll method can be produced. By the ultrasonic welding process used for adhering the Electrode Membrane Unit (EME) to a support frame let yourself on the one hand, the respective EME in this roll-to-roll process without problems deploy. In this case, by means of the ultrasonic welding process a gastight, technically fully functional connection between the EME and the carrier frame getting produced.

Der Trägerrahmen kann aus zwei Rahmenteilen bestehen. Jedes dieser Rahmenteile kann beim Herstellen der Brennstoffzelle ebenfalls von einer Rolle abgewickelt zur Verfügung gestellt werden. In dem Trägerrahmen beziehungsweise in den beiden Rahmenteilen werden Öffnungen in der Art von Fensteröffnungen ausgeschnitten oder ausgestanzt, die dann durch die EME wieder verschlossen werden. Die EME und der Trägerrahmen beziehungsweise die beiden Rahmenteile werden dann mit einer umlaufenden Ultraschallschweißnaht gasdicht miteinander verschweißt. Anschließend wird an eine derartige Bahnlage, die das Innenteil einer Brennstoffzelle darstellt, beidseitig eine Gas-Diffusions-Lage (GDL) aufgebracht. jede dieser Gas-Diffusions-Lagen ist ebenfalls als Rollenware vorhanden. Die einzelnen GDL-Ausschnitte werden von der Rollenware abgetrennt und dann auf der EME befestigt. Verfahrensmäßig verbleibt dabei zwischen dem umlaufenden Rand der GDL und dem Trägerrahmen ein Spalt, wodurch die elektrische Leistung dieser Brennstoffzelle aber nur unwesentlich verringert wird. Das Befestigen dieser GDL auf der EME kann ebenfalls über ein Ultraschallschweißverfahren oder auch über eine Klebeverbindung hergestellt werden. Anschließend kann dann ein solcher zwischen jeweils zwei Bipolarplatten vorhandener Zellenbestandteil eingelagert und damit vorrätig gehalten werden. Es ist auch möglich, diesen Zellenbestandteil an zumindest einer Bipolarplatte zu befestigen und dann in dieser Form vorrätig zu halten.Of the support frame can consist of two frame parts. Each of these frame parts can at Producing the fuel cell also unwound from a roll to disposal be put. In the carrier frame or in the two frame parts are openings in the manner of window openings cut or punched out, which then closed again by the EME become. The EME and the carrier frame or the two frame parts are then with a circumferential ultrasonic welding gas-tight welded together. Subsequently is attached to such a web layer, which is the inner part of a fuel cell represents, applied on both sides of a gas diffusion layer (GDL). each of these gas diffusion layers is also available as roll stock. The individual GDL cutouts are separated from the roll goods and then attached to the EME. The procedure remains between the circumferential edge of the GDL and the support frame a gap, whereby the electrical power of this fuel cell but only slightly is reduced. Attaching this GDL to the EME can also be done via a Ultrasonic welding or over one Bonded connection can be made. Then then such a between each two bipolar plates existing cell constituent stored and thus in stock being held. It is also possible, to attach this cell component to at least one bipolar plate and then in stock in this form to keep.

Alternativ ist es auch möglich, die GDL nicht an der EME sondern nur an der jeweiligen Bipolarplatte zu befestigen. Diese Befestigung kann ebenfalls über eine Ultraschallschweißverbindung oder auch durch eine Klebeverbindung bewirkt werden.alternative it is also possible the GDL not at the EME but only at the respective bipolar plate to fix. This attachment can also be via an ultrasonic weld or be effected by an adhesive bond.

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind den in den Ansprüchen ferner aufgeführten Merkmalen sowie den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen zu entnehmen.Further Embodiments and advantages of the invention are those further in the claims listed Characteristics and the embodiments illustrated in the drawing refer to.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGSHORT DESCRIPTION OF THE DRAWING

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:The invention is described below with reference to the embodiments illustrated in the drawings described and explained in detail. Show it:

1 einen Schichtaufbau einer Zelleneinheit einer Brennstoffzelle, 1 a layer structure of a cell unit of a fuel cell,

2 eine zweite Ausführungsform einer Zelleneinheit einer Brennstoffzelle, 2 A second embodiment of a cell unit of a fuel cell,

3 einen schematisierten Verfahrensablauf zum Herstellen der Zelleneinheit einer Brennstoffzelle gemäß 1, 3 a schematic process flow for producing the cell unit of a fuel cell according to 1 .

4 eine perspektivische schematisierte Darstellung der verschiedenen Bahnenlagen der Zelleneinheit gemäß dem Schichtaufbau der 1, vor ihrer endgültigen gegenseitigen Verbindung, 4 a perspective schematic representation of the different sheet layers of the cell unit according to the layer structure of 1 , before their final mutual connection,

5 einen Schnitt in Richtung des Pfeils 5 der 4, 5 a cut in the direction of the arrow 5 of the 4 .

6 einen Schnitt in Richtung des Pfeils 6 der 4, 6 a cut in the direction of the arrow 6 of the 4 .

7 eine Darstellung ähnlich der von 4 für einen Schichtaufbau gemäß 2, 7 a representation similar to that of 4 for a layer construction according to 2 .

8 einen Schnitt in Richtung des Pfeils 8 der 7, 8th a cut in the direction of the arrow 8th of the 7 .

9 einen Schnitt in Richtung des Pfeils 9 der 7, 9 a cut in the direction of the arrow 9 of the 7 .

10 eine Draufsicht auf einen Schichtaufbau gemäß 1, 10 a plan view of a layer structure according to 1 .

11 eine Draufsicht auf einen Schichtaufbau gemäß 2, 11 a plan view of a layer structure according to 2 .

12 eine Draufsicht auf eine im Herstellverfahren vorhandene Ultraschallschweißstation, 12 a top view of an existing in the manufacturing process ultrasonic welding station,

13 einen Schnitt in Richtung des Pfeils 13 der 12, 13 a cut in the direction of the arrow 13 of the 12 .

14 einen Schnitt in Richtung des Pfeils 14 der 12, 14 a cut in the direction of the arrow 14 of the 12 .

15 einen Schnitt in Richtung des Pfeils 15 der 12. 15 a cut in the direction of the arrow 15 of the 12 ,

WEGE ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNGWAYS TO EXECUTE INVENTION

In 1 ist der Schichtaufbau einer inneren Zelleneinheit 12 dargestellt, der aus einer inneren Elektroden-Membran-Einheit (EME) 15 besteht, die zwischen zwei Trägerrahmen 14, 16 angeordnet ist. Auf beiden äußeren Seiten der inneren Zelleneinheit 12 wird eine Gas-Diffusions-Lage (GDL) 18, 20 angeordnet. An den beiden Außenseiten dieser GDL 18, 20 ist dann eine Bipolarplatte 22, 24 angeordnet. Die strukturierten Bipolarplatten 22, 24 mit den zwischen ihnen vorhandenen Zellenlagen bilden eine Rumpfzelle 26. Eine entsprechende Brennstoffzelle könnte eine oder mehrere innere Zelleneinheiten 12, die jeweils Bipolarplatten 22, 24 und dazwischenliegende GDL 18, 20 aufweisen könnte, enthalten. Außerhalb der äußeren Bipolarplatten 22, 24 wären dann Stromabnehmerplatten und beispielsweise endseitige Widerlagerplatten vorhanden. Die Widerlagerplatten, Stromabnehmerplatten, Bipolarplatten und die innere Zelleneinheit 12 mit ihren beiden Trägerrahmen 14, 16 könnten dann durch beispielsweise in ihren Eckrahmen hindurchführenden Befestigungsstangen beziehungsweise Gewindestangen zu einer festen Brennstoffzelle zusammengefügt werden. Eine solche Stapelbauweise von Brennstoffzellen ist an sich bekannt.In 1 is the layer structure of an inner cell unit 12 shown consisting of an internal electrode membrane unit (EME) 15 that exists between two support frames 14 . 16 is arranged. On both outer sides of the inner cell unit 12 becomes a gas diffusion layer (GDL) 18 . 20 arranged. On the two outer sides of this GDL 18 . 20 is then a bipolar plate 22 . 24 arranged. The structured bipolar plates 22 . 24 with the cell layers existing between them form a fuselage cell 26 , A corresponding fuel cell could have one or more inner cell units 12 , each bipolar plates 22 . 24 and intervening GDL 18 . 20 could contain included. Outside the outer bipolar plates 22 . 24 then pantograph plates and, for example, end abutment plates would be available. The abutment plates, pantograph plates, bipolar plates and the inner cell unit 12 with their two support frames 14 . 16 could then be joined together by, for example, in their corner frame passing through mounting rods or threaded rods to a solid fuel cell. Such a stacked construction of fuel cells is known per se.

Im vorliegenden Beispielsfall sind bei der in 1 dargestellten inneren Zelleneinheit 12 zwei Trägerrahmen 14, 16 vorhanden. Die beiden Trägerrahmen 14, 16 sind identisch ausgebildet. In jedem derselben ist eine zentrale Fensteröffnung 30, 32 vorhanden. Die EME 15 liegt auf den ihr zugewandten Seiten dieser Trägerrahmen 14, 16 und bedeckt die Fensteröffnung 30, 32 vollständig. In Produktionsrichtung 34, die nachstehend im Zusammenhang mit den 3 und folgende noch näher erläutert wird, hat die zwischen den beiden Trägerrahmen 14, 16 positionierte EME 15 eine Länge 36, die gleich groß ist wie die Länge 38 der beiden Trägerrahmen 14, 16. Dadurch ist der in Produktionsrichtung 34 vordere Rand 40 der EME 15 fluchtend mit dem vorderen Rand 42 der beiden Trägerrahmen 14, 16. Entsprechendes gilt auch für den hinteren Rand 46 der EME 15, welcher mit den hinteren Rändern 48 der beiden Trägerrahmen 14, 16 fluchtet. In der Querrichtung 50 ist die Breite 52 der EME 15 kleiner als die Breite 54 der beiden Trägerrahmen 14, 16, aber größer als die Breite 56 der beiden Fensteröffnungen 30, 32. Der sich dadurch bildende Überdeckungsbereich 58 ist auf dem Trägerrahmen 16 schraffiert angedeutet. Auf dem in 1 hinteren Trägerrahmen 14 ist ein vergleichbarer Überdeckungsbereich zwischen dem Trägerrahmen 14 und der EME 15 vorhanden.In the present example, the in 1 illustrated inner cell unit 12 two support frames 14 . 16 available. The two support frames 14 . 16 are identical. In each one of them is a central window opening 30 . 32 available. The EME 15 lies on the sides facing this support frame 14 . 16 and covers the window opening 30 . 32 Completely. In production direction 34 hereafter referred to in connection with 3 and the following is explained in more detail, which has between the two support frames 14 . 16 positioned EME 15 a length 36 , which is the same size as the length 38 the two support frames 14 . 16 , This is the one in production direction 34 front edge 40 the EME 15 in alignment with the front edge 42 the two support frames 14 . 16 , The same applies to the rear edge 46 the EME 15 , which with the rear edges 48 the two support frames 14 . 16 flees. In the transverse direction 50 is the width 52 the EME 15 smaller than the width 54 the two support frames 14 . 16 but bigger than the width 56 the two window openings 30 . 32 , The thereby forming coverage area 58 is on the support frame 16 hatched hinted. On the in 1 rear support frame 14 is a comparable coverage area between the carrier frame 14 and the EME 15 available.

Beim Aneinanderbefestigen der EME 15 an den beiden Trägerrahmen 14, 16 wird eine in dem rahmenartigen Überdeckungsbereich 58 umlaufende Ultraschallschweißnaht hergestellt. Diese Ultraschallschweißnaht kann in dem gesamten Überdeckungsbereich 58 der beiden Trägerrahmen 14, 16 vorhanden sein. Die Ultraschallschweißnaht kann auch nur in einer gegenüber der Breite des Überdeckungsbereichs 58 schmaleren, umlaufenden Rahmennaht ausgebildet werden. Wichtig ist, dass die EME 15 gas- und flüssigkeitsdicht an den beiden Trägerrahmen 14, 16 befestigt wird.When attaching the EME to each other 15 on the two support frames 14 . 16 becomes one in the frame-like coverage area 58 circumferential ultrasonic weld produced. This ultrasonic weld can be used throughout the coverage area 58 the two support frames 14 . 16 to be available. The ultrasonic weld can also only in one opposite the width of the overlap area 58 be formed narrower, circumferential frame seam. Importantly, the EME 15 gas and liquid tight on the two support frames 14 . 16 is attached.

Von außen auf der inneren Zelleneinheit 12 wird dann im Bereich der Fensteröffnungen 32 eines jeden Trägerrahmens 14, 16 eine GDL 18 beziehungsweise 20 angelegt und an der EME 15 im Bereich der Fensteröffnung 32 lagemäßig fixiert befestigt. Wie nachstehend noch näher beschrieben wird, ist dieses lagemäßige Fixieren ebenfalls mittels einer Ultraschallverschweißung oder auch über eine Verklebung machbar.From the outside on the inner cell unit 12 will then be in the area of the window openings 32 of each support frame 14 . 16 a GDL 18 respectively 20 created and at the EME 15 in the area of the window opening 32 fixed in position fixed. As will be described in more detail below, this positional fixation is also feasible by means of an ultrasonic welding or via a bond.

Die in 2 dargestellte innere Zelleneinheit 12.2 unterscheidet sich von der inneren Zelleneinheit 12 dahingehend, dass der vordere Rand 40.2 der EME 15.2 im Inneren der beiden Trägerrahmen 14, 16 vorhanden ist und nicht mit dem jeweiligen vorderen Rand 42 dieser beiden Trägerrahmen 14, 16 fluchtet. Entsprechendes gilt auch für den hinteren Rand 46.2 der EME 15.2. Die EME 15.2 umgibt die Fensteröffnung 30, 32 mit einem schmaleren Rahmen als es bei der EME 15 (1) der Fall ist. Dieser rahmenmäßige Überdeckungsbereich 58.2 ist dabei lediglich zur Produktionsrichtung 34 schmaler vorhanden; in der anderen Richtung 50 kann der Rahmen bei der EME 15.2 gleich breit sein wie bei der EME 15.In the 2 illustrated inner cell unit 12.2 is different from the inner cell unit 12 in that the front edge 40.2 the EME 15.2 inside the two support frames 14 . 16 is present and not with the respective front edge 42 of these two carrier frames 14 . 16 flees. The same applies to the rear edge 46.2 the EME 15.2 , The EME 15.2 surrounds the window opening 30 . 32 with a narrower frame than the EME 15 ( 1 ) the case is. This frame covering area 58.2 is just the production direction 34 narrower available; in the other direction 50 can the frame at the EME 15.2 be the same width as the EME 15 ,

Bei dem in 3 dargestellten Herstellverfahren der inneren Zelleneinheit 12 wird die EME 15 als Bahn 15a von einer Bahnrolle 60 abgewickelt. Auf der Bahnrolle 60 ist die EME 15 mit einer Schutzfolie 62 versehen, so dass aufgewickelte EME-Bahnen 15a nicht direkten Kontakt miteinander haben. Diese Schutzfolie 62 wird nach einer geringen Wegstrecke über eine Umlenkrolle 64 hinweg nach – in 3 – unten weggezogen und auf einer Aufwickelrolle 66 aufgewickelt und damit aus dem Produktionsablauf entfernt. Die EME-Bahn 15a wird dann in Produktionsrichtung 34 zwischen zwei Rollen 68, 70 hindurchgeführt.At the in 3 illustrated manufacturing method of the inner cell unit 12 becomes the EME 15 as a train 15a from a web roll 60 settled. On the web roll 60 is the EME 15 with a protective film 62 provided so that wound EME webs 15a do not have direct contact with each other. This protective film 62 is after a small distance over a pulley 64 away to - in 3 - pulled down and on a take-up roll 66 wound up and removed from the production process. The EME train 15a will then be in production direction 34 between two roles 68 . 70 passed.

Zusätzlich wird zwischen den beiden Rollen 68, 70 von oben eine Trägerbahn 72 und von unten eine Trägerbahn 74 hindurchgeführt, die von oben beziehungsweise unten an der EME-Bahn 15a anliegen. Diese beiden Trägerbahnen 72, 74 bestehen aus Kunststoff und werden von einer Bahnrolle 76, 78 abgezogen. Bevor diese abgezogenen Trägerbahnen 72, 74, in den Bereich der beiden Rollen 68, 70 gelangen, werden in einer Schneid-Stanz-Vorrichtung 80, 82 die Fensteröffnungen 30, 32 in der betreffenden Trägerbahn 72, 74 hergestellt, indem entsprechende Bahnbereiche aus der jeweiligen Trägerbahn 72, 74 herausgetrennt werden.In addition, between the two roles 68 . 70 from above a carrier web 72 and from below a carrier web 74 passed from the top or bottom of the EME train 15a issue. These two carrier webs 72 . 74 are made of plastic and are made of a web roll 76 . 78 deducted. Before these peeled carrier webs 72 . 74 , in the area of the two roles 68 . 70 arrive are in a cutting-punching device 80 . 82 the window openings 30 . 32 in the relevant carrier web 72 . 74 made by corresponding web areas from the respective carrier web 72 . 74 be cut out.

Nach Durchlaufen des Bereiches der Rollen 68, 70 kommt die dreilagige Zelleneinheit 12, bei der die einzelnen Lagen noch lose aufeinanderliegen, in den Bereich einer ersten Ultraschallschweißstation 86. In dieser Station 86 wird im Bereich der Überdeckungsbereiche 58 der beiden Trägerbahnen 72, 74 eine umlaufende gas- und flüssigkeitsdichte Ultraschallschweißverbindung zwischen den beiden äußeren Trägerbahnen 72, 74 und der dazwischenliegenden EME -Bahn 15a hergestellt. Wie die 4, 5 und 6 zeigen, hängen die einzelnen EME-Abschnitte 15 endlos aneinander. Nach einem späteren Durchtrennen der noch aneinanderhängenden inneren Zelleneinheiten 12 durch einen Trennschnitt 88, der zwischen zwei Fensteröffnungen 30 beziehungsweise zwei Fensteröffnungen 32 verläuft, können dann einzelne innere Zelleneinheiten 12 erzeugt werden.After passing through the range of rollers 68 . 70 comes the three-layer cell unit 12 , in which the individual layers are still loose on one another, in the area of a first ultrasonic welding station 86 , In this station 86 is in the range of coverage areas 58 the two carrier webs 72 . 74 a circumferential gas and liquid-tight ultrasonic welding connection between the two outer carrier webs 72 . 74 and the intervening EME train 15a produced. As the 4 . 5 and 6 show, the individual EME sections hang 15 endlessly together. After a later cutting through the still contiguous inner cell units 12 through a separation cut 88 between two window openings 30 or two window openings 32 runs, then can single inner cell units 12 be generated.

Dieses Durchtrennen längs des Trennschnittes 88 erfolgt nicht in dem in 4 dargestellten Zustand, sondern erst wenn die einzelnen GDL 18 beziehungsweise 20 in die Fensteröffnungen eingesetzt und dort an der jeweiligen EME 15 sind.This cutting along the separating cut 88 does not take place in the 4 state, but only when the individual GDL 18 or 20 inserted into the window openings and there at the respective EME 15 are.

Aus den 5 und 6 wird deutlich, dass in Produktionsrichtung 34 die einzelnen EME 15 genauso lang sind wie die einzelnen Trägerrahmen 14, 16 einer inneren Zelleneinheit 12. In Querrichtung 50 (5) ist die Ausdehnung einer EME 15 kleiner als die der beiden Trägerrahmen 14, 16.From the 5 and 6 it becomes clear that in production direction 34 the individual EME 15 are just as long as the individual support frames 14 . 16 an inner cell unit 12 , In the transverse direction 50 ( 5 ) is the extent of an EME 15 smaller than the two support frames 14 . 16 ,

Jede der beiden GDL 18, 20 ist flächenmäßig kleiner als der durch die Fensteröffnungen 30, 32 eingerahmte Flächenbereich beziehungsweise Flächenausschnitt. Dadurch ist zwischen dem umlaufenden Rand 90 der GDL und der Fensteröffnung 30 beziehungsweise 32 ein umlaufender, geringer Spalt 92 vorhanden.Each of the two GDL 18 . 20 is smaller in area than the one through the window openings 30 . 32 framed surface area or area detail. This is between the circumferential edge 90 the GDL and the window opening 30 respectively 32 a circumferential, small gap 92 available.

Die Darstellung der 7, 8 und 9 bezieht sich auf die innere Zelleneinheit 12.2 der 2. Die EME-Abschnitte 15.2 der Bahn 15a werden einzeln als größenmäßig der Zelleneinheit 12.2 angepasste Abschnitte zwischen den beiden Trägerbahnen 72, 74 positioniert und anschließend durch eine Ultraschallschweißverbindung mit den beiden Trägerbahnen verbunden, so wie es im Zusammenhang mit 2 bereits beschrieben ist. Die EME 15.2 sind daher in jeder Dimensionsrichtung kleiner als die entsprechenden Ausdehnungen der beiden Fensteröffnungen einer Zelleneinheit 12.2. Auch diese EME 15.2 kann als Bahnrolle zur Verfügung gestellt werden, nur sind vor dem Konfektionieren mit den beiden Trägerrahmen erst noch die einzelnen EME-Abschnitte durch Abschneiden der entsprechenden Bahn herzustellen.The presentation of the 7 . 8th and 9 refers to the inner cell unit 12.2 of the 2 , The EME sections 15.2 the train 15a are individually as the size of the cell unit 12.2 adapted sections between the two carrier webs 72 . 74 Positioned and then connected by an ultrasonic welding with the two carrier webs, as related to 2 already described. The EME 15.2 are therefore smaller in each dimension direction than the corresponding extensions of the two window openings of a cell unit 12.2 , Also this EME 15.2 can be made available as a web roll, only the individual EME sections are still to be made by cutting off the corresponding web before assembling with the two support frame.

10 zeigt eine Draufsicht auf eine Zelleneinheit 12 und 11 eine Draufsicht auf die Zelleneinheit 12.2. Der jeweilige Überdeckungsbereich 58 beziehungsweise 58.2 zeigt, dass bei der Zelleneinheit 12 unmittelbar die EME 15 in Form einer durchlaufenden Bahn 15a zwischen den beiden Trägerrahmen 14, 16 positioniert werden können. Bei der Zelleneinheit 12.2 sind erst Abschnitte aus der entsprechenden EME-Bahn 15a herzustellen, bevor diese Abschnitte dann als EME 15.2 zwischen die beiden Trägerrahmen 14, 16 positioniert werden können. 10 shows a plan view of a cell unit 12 and 11 a plan view of the cell unit 12.2 , The respective coverage area 58 respectively 58.2 shows that at the cell unit 12 immediately the EME 15 in the form of a continuous web 15a between the two support frames 14 . 16 can be positioned. At the cell unit 12.2 are only sections of the corresponding EME train 15a make before this Sections then as EME 15.2 between the two support frames 14 . 16 can be positioned.

Das abschnittsweise und gleichsam portionsweise Positionieren einzelner GDL 18 beziehungsweise 20 an den beiden Trägerrahmen 14, 16 kann mit an sich im Stand der Technik bekannte Technologien hergestellt werden. So kann eine GDL 18, 20 erst von einer Bahnrolle 100 beziehungsweise 102 als Bahn abgezogen werden. Anschließend wird die jeweilige Bahn in einer Schneid-Stanz-Vorrichtung 104, 105 in einzelne Abschnitte zertrennt. Diese einzelnen Abschnitte werden von einer Übergabevorrichtung 106, 107 einzeln angesaugt gehalten, durch Beschleunigung der als Walze ausgeführten Übergabevorrichtung 106, 107 dann lagegerecht auf die obere Trägerbahn 72 beziehungsweise untere Trägerbahn 74 angelegt, so wie dies in 7 beispielhaft dargestellt ist.The sectionwise and, as it were, portionwise positioning of individual GDLs 18 respectively 20 on the two support frames 14 . 16 can be made by technologies known per se in the art. So can a GDL 18 . 20 only from a web roll 100 respectively 102 be deducted as a train. Subsequently, the respective web is in a cutting-punching device 104 . 105 divided into sections. These individual sections are from a transfer device 106 . 107 individually sucked, by accelerating the executed as a roller transfer device 106 . 107 then correctly positioned on the upper carrier web 72 or lower carrier web 74 created, as in 7 is shown by way of example.

In einer nachfolgenden zweiten Ultraschallschweißstation 110 werden die beiden GDL 18, 20 im Bereich der jeweiligen Fensteröffnung 30, 32 der beiden Trägerbahnen 72, 74 an die jeweilige EME 15 angeheftet.In a subsequent second ultrasonic welding station 110 become the two GDL 18 . 20 in the area of the respective window opening 30 . 32 the two carrier webs 72 . 74 to the respective EME 15 attached to.

In dieser zweiten Ultraschallschweißstation 110 liegt von oben und unten an den beiden Trägerbahnen 72 beziehungsweise 74 ein endlos umlaufendes oberes Transportband 112 beziehungsweise ein unteres Transportband 114 an. Durch diese beiden Bänder 112, 114 werden die einzelnen GDL an den Trägerbahnen 72, 74 gehalten. Diese beiden Transportbänder 112, 114 bedecken nicht vollflächig die GDL, im vorliegenden Beispielsfall sind – bezogen auf 12 – ein oberer Randbereich 116 und ein unterer Randbereich 118, jeweils beim unteren GDL 18 und oberen GDL 20, nicht von den beiden Transportbändern 112, 114 abgedeckt. In dem oberen Randbereich 116 ist in der linken Ecke eine Sonotrode 120 angeordnet. Genau darunter liegt an der unteren GDL 18 ein Amboss 122. In der oberen rechten Ecke sind eine Sonotrode 120 und ein Amboss 122 entgegengesetzt dazu angeordnet, wie 12 verdeutlicht.In this second ultrasonic welding station 110 lies from above and below at the two carrier webs 72 respectively 74 an endlessly circulating upper conveyor belt 112 or a lower conveyor belt 114 at. Through these two bands 112 . 114 become the individual GDL at the carrier webs 72 . 74 held. These two conveyor belts 112 . 114 do not completely cover the GDL, in the present case are - based on 12 - an upper edge area 116 and a lower edge area 118 , each at the lower GDL 18 and upper GDL 20 not from the two conveyor belts 112 . 114 covered. In the upper edge area 116 is a sonotrode in the left corner 120 arranged. Just below that is the lower GDL 18 an anvil 122 , In the upper right corner are a sonotrode 120 and an anvil 122 arranged opposite, like 12 clarified.

In dem unteren Randbereich 118 sind in der linken Ecke oben ein Amboss 122 und unten eine Sonotrode 120 angeordnet. In der unteren rechten Ecke sind oben eine Sonotrode 120 und unten ein Amboss 122 vorhanden. Zwei Sonotroden 120 wirken in zwei zueinander gegenüberliegenden Ecken der GDL 18, 20 auf das Lagenpaket in der zweiten Ultraschallschweißstation 110 ein. Entsprechende vier Ultraschallschweißverbindungen 126 sind dann durchgehend in den vier Ecken vorhanden.In the lower edge area 118 are an anvil in the upper left corner 122 and below a sonotrode 120 arranged. In the lower right corner there is a sonotrode on the top 120 and below an anvil 122 available. Two sonotrodes 120 act in two opposite corners of the GDL 18 . 20 on the layer package in the second ultrasonic welding station 110 one. Corresponding four ultrasonic welding joints 126 are then available throughout the four corners.

Die Sonotroden 120 und die mit ihnen zusammenwirkenden Ambosse 122 können in Produktionsrichtung 34 beim Herstellen der Ultraschallschweißverbindungen mitbewegt werden. Sofern die Bahnlagen zumindest im Bereich der zweiten Ultraschallschweißstation 110 getaktet weitertransportiert werden, könnten die Sonotroden 120 und Ambosse 122 stationär angeordnet werden.The sonotrodes 120 and the anvils interacting with them 122 can in production direction 34 be moved when making the ultrasonic welding connections. If the web layers at least in the region of the second ultrasonic welding station 110 clocked be transported, the sonotrodes 120 and anvils 122 be arranged stationary.

Anschließend werden in einer Vereinzelungs-Station 130 (3) die einzelnen Zelleneinheiten 12 beziehungsweise 12.2 hergestellt durch Anbringen der in 4 angedeuteten Trennschnitte 88.Subsequently, in a singling station 130 ( 3 ) the individual cell units 12 respectively 12.2 made by attaching the in 4 indicated separating cuts 88 ,

Anschließend können dann die Zelleneinheiten 12, 12.2 in einer weiteren Station 132 mit beispielsweise einer Bipolarplatte 22 oder 24 lagemäßig ausreichend fest aneinandergefügt werden und dann so beispielsweise übereinandergestapelt vorrätig gehalten werden, um dann in entsprechend große, beliebig viele Zelleneinheiten enthaltende Brennstoffzellen eingebaut zu werden.Subsequently, then the cell units 12 . 12.2 in another station 132 with, for example, a bipolar plate 22 or 24 positionally sufficiently tightly joined together and then be kept in stock, for example, stacked, to then be installed in correspondingly large, any number of unit cells containing fuel cells.

Die Dicke einer GDL 18, 20 ist etwa glich dick oder geringfügig dünner als ein Trägerrahmen 14 beziehungsweise 16.The thickness of a GDL 18 . 20 is about the same thickness or slightly thinner than a support frame 14 respectively 16 ,

Claims (20)

Brennstoffzelle – mit zumindest zwei Bipolarplatten (22, 24), – mit einer Elektroden-Membran-Einheit (EME) (15, 15.2) zwischen den Bipolarplatten, – mit jeweils einer Gas-Diffusions-Lage (GDL) (18, 20) zwischen einer Bipolarplatte (22, 24) und der EME (15, 15.2), – dadurch gekennzeichnet, dass – die EME (15, 15.2) an einem Trägerrahmen (14, 16) befestigbar ist, – zwischen der EME (15, 15.2) und dem Trägerrahmen eine Ultraschallschweißverbindung vorhanden ist, – diese Ultraschallschweißverbindung eine auf der EME (15, 15.2) als umlaufender Rahmen ausgebildete Schweißnaht ist.Fuel cell - with at least two bipolar plates ( 22 . 24 ), - with an electrode membrane unit (EME) ( 15 . 15.2 ) between the bipolar plates, - each with a gas diffusion layer (GDL) ( 18 . 20 ) between a bipolar plate ( 22 . 24 ) and the EME ( 15 . 15.2 ), - characterized in that - the EME ( 15 . 15.2 ) on a support frame ( 14 . 16 ), - between the EME ( 15 . 15.2 ) and the support frame an ultrasonic welding connection is present, - this ultrasonic welding connection one on the EME ( 15 . 15.2 ) is formed as a circumferential frame weld. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, – dadurch gekennzeichnet, dass – der Trägerrahmen (14, 16) aus zwei flach aufeinander liegenden, jeweils zumindest eine Fensteröffnung (30, 32) aufweisenden Rahmenteilen besteht, – die Schweißnaht als Rahmen in dem die Fensteröffnung (30, 32) jeweils umgebenden Überdeckungsbereich (58, 58.2) ausgebildet ist.Fuel cell according to claim 1, - characterized in that - the support frame ( 14 . 16 ) of two flat superimposed, in each case at least one window opening ( 30 . 32 ) comprises the frame parts, - the weld seam as a frame in which the window opening ( 30 . 32 ) each surrounding coverage area ( 58 . 58.2 ) is trained. Brennstoffzelle nach Anspruch 2, – dadurch gekennzeichnet, dass – die EME (15) in zumindest einer Dimensionsrichtung eine Länge (36) hat, die genauso groß ist wie die Länge (38) eines Trägerrahmens (14, 16) in dieser Richtung (34).Fuel cell according to claim 2, characterized in that - the EME ( 15 ) in at least one dimension direction a length ( 36 ), which is the same size as the length (38) of a support frame ( 14 . 16 ) in this direction ( 34 ). Brennstoffzelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, – dadurch gekennzeichnet, dass – die Dicke einer GDL (18, 20) in etwa gleich dick ist wie ein Rahmenteil (14, 16) oder geringfügig dünner als ein Rahmenteil (14, 16) ist.Fuel cell according to one of the preceding Claims, - characterized in that - the thickness of a GDL ( 18 . 20 ) is approximately the same thickness as a frame part ( 14 . 16 ) or slightly thinner than a frame part ( 14 . 16 ). Brennstoffzelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, – dadurch gekennzeichnet, dass – zwischen der Fensterlaibung einer Fensteröffnung (30, 32) und dem Rand (90) eines GDL (18, 20) ein umlaufender Spalt (92) vorhanden ist.Fuel cell according to one of the preceding claims, - characterized in that - between the window reveal of a window opening ( 30 . 32 ) and the edge ( 90 ) of a GDL ( 18 . 20 ) a circumferential gap ( 92 ) is available. Brennstoffzelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, – dadurch gekennzeichnet, dass – eine Ultraschallschweißverbindung oder eine Klebeverbindung zwischen zumindest einer Bipolarplatte (22, 24) und einem Rahmenteil (14, 16) vorhanden ist.Fuel cell according to one of the preceding claims, characterized in that - an ultrasonic welding connection or an adhesive connection between at least one bipolar plate ( 22 . 24 ) and a frame part ( 14 . 16 ) is available. Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zwischen zumindest zwei Bipolarplatten eine EME und zwischen dieser EME und jeder Bipolarplatte eine GDL vorhanden ist, – dadurch gekennzeichnet, dass – die EME und der Trägerrahmen jeweils als einzelne Rollenbahnen kontinuierlich oder getaktet zusammengeführt und durch eine Ultraschallverschweißung aneinander befestigt werden, wobei – die durch Ultraschall erzeugte Schweißverbindung in einem um eine Fensteröffnung in dem Trägerrahmen herumlaufenden Teilbereich des Trägerrahmens vorhanden ist.Method for producing a fuel cell after one of the preceding claims, wherein between at least two bipolar plates an EME and between this EME and every bipolar plate a GDL is present - thereby marked that - the EME and the carrier frame each merged as individual roller conveyors continuously or clocked and by ultrasonic welding be attached to each other, wherein - the ultrasound generated Welded joint in one around a window opening in the carrier frame running around portion of the support frame is present. Verfahren nach Anspruch 7, – dadurch gekennzeichnet, dass – die aus einer EME-Bahn und der Trägerbahn bestehenden und aneinander zu befestigenden Bahnlagen sowie die beiden GDL-Bahnen kontinuierlich oder getaktet zusammengeführt und aneinander befestigt werden.Method according to claim 7, - characterized in that - from an EME railway and the carrier railway existing and to be fastened to each other railway layers as well the two GDL orbits merged continuously or clocked and be attached to each other. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, – dadurch gekennzeichnet, dass – der Trägerrahmen aus zwei Rahmenteilen zusammengesetzt wird, – jedes Rahmenteil als einzelne Rollenbahn vorhanden ist, – die EME zwischen beiden Rahmenteilen angeordnet und an denselben befestigt wird.Method according to claim 7 or 8, - thereby marked that - of the support frame is composed of two frame parts, - each Frame part is present as a single roller conveyor, - the EME arranged between the two frame parts and attached to the same becomes. Verfahren nach Anspruch 9, – dadurch gekennzeichnet, dass – jede der beiden GDL in einem Ultraschallschweißverfahren an jeweils eine Seite der EME lagefixiert angeheftet wird.Method according to claim 9, - characterized in that - each of the both GDL in an ultrasonic welding process to each one Side of the EME fixed in position. Verfahren nach Anspruch 10, – dadurch gekennzeichnet, dass – durch beide GDL hindurch nacheinander zuerst die eine GDL an die EME und anschließend die andere GDL an die EME angeschweißt wird.Method according to claim 10, - thereby marked that - by Both GDLs pass through one GDL to EME one after the other subsequently the other GDL is welded to the EME. Verfahren nach Anspruch 10, – dadurch gekennzeichnet, dass – durch beide GDL hindurch beide GDL gleichzeitig an die EME angeschweißt werden.Method according to claim 10, - thereby marked that - by both GDLs are welded to both GDLs simultaneously to the EME. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, – dadurch gekennzeichnet, dass – in einem ersten Bereich der EME die eine GDL und in einem zweiten Bereich der EME die andere GDL jeweils an die EME angeschweißt wird.Method according to claim 11 or 12, - thereby marked that - in a first area of the EME the one GDL and in a second area EME the other GDL is welded to the EME. Verfahren nach Anspruch 7, – dadurch gekennzeichnet, dass – an zumindest eine Bipolarplatte eine GDL lagefixiert befestigt wird.Method according to claim 7, - characterized in that - at least a bipolar plate is attached to a GDL fixed in position. Verfahren nach Anspruch 14, – dadurch gekennzeichnet, dass – eine GDL an eine Bipolarplatte in einem Ultraschallschweißverfahren lagefixiert angeheftet wird.Method according to claim 14, - thereby marked that - one GDL to a bipolar plate in an ultrasonic welding process fixed in position. Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens zum Herstellen einer Brennstoffzelle, nach einem der Ansprüche 7 bis 15, – gekennzeichnet durch – eine erste Ultraschallschweißstation (86), – eine erste Zuführeinheit zum Zuführen einer ersten und einer zweiten Trägerbahn (72, 74) und eine EME-Bahn (15a) in die erste Ultraschall schweißstation (86), wobei in der ersten Ultraschallschweißstation (86) die EME -Bahn (15a) zwischen den beiden Trägerbahnen (72, 74) vorhanden ist, – eine anschließende zweite Zuführeinheit zum Zuführen jeweils einzelner GDL (18, 20) auf die eine und auf die andere Flachseite der ausgangsseitig der ersten Ultraschallschweißstation (86) vorhandenen, durch GDL (18, 20) aufgedoppelten Bahnlagen, – eine anschließende zweite Ultraschallschweißstation (110) zum lagefixierten Anheften der beiden GDL (18, 20) an den jeweils freiliegenden Bereich der EME.Device for carrying out the method for producing a fuel cell, according to one of Claims 7 to 15, characterized by a first ultrasonic welding station ( 86 ), - a first feed unit for feeding a first and a second carrier web ( 72 . 74 ) and an EME train ( 15a ) in the first ultrasonic welding station ( 86 ), wherein in the first ultrasonic welding station ( 86 ) the EME train ( 15a ) between the two carrier webs ( 72 . 74 ), - a subsequent second feed unit for feeding in each case individual GDL ( 18 . 20 ) on the one and on the other flat side of the output side of the first ultrasonic welding station ( 86 ), by GDL ( 18 . 20 ) doubled web layers, - a subsequent second ultrasonic welding station ( 110 ) for the positionally fixed attachment of the two GDLs ( 18 . 20 ) to the exposed area of the EME. Vorrichtung nach Anspruch 16, – dadurch gekennzeichnet, dass – eine Schneid-Stanz-Vorrichtung (80, 82) zum Herstellen von Fensteröffnungen (30, 32) in den Trägerbahnen (72, 74) vorhanden ist.Apparatus according to claim 16, characterized in that - a cutting-punching device ( 80 . 82 ) for producing window openings ( 30 . 32 ) in the carrier webs ( 72 . 74 ) is available. Vorrichtung nach Anspruch 16, – dadurch gekennzeichnet, dass – zumindest die Schweißelektroden (120, 122) der ersten und/oder der zweiten Ultraschallschweißstation (86, 110) in Förderrichtung (34) der Bahn mit derselben bewegbar sind.Device according to claim 16, - characterized in that - at least the welding electrodes ( 120 . 122 ) of the first and / or the second ultrasonic welding station ( 86 . 110 ) in the conveying direction ( 34 ) of the web are movable with the same. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, – dadurch gekennzeichnet, dass – in der ersten und zweiten Ultraschallschweißstation (86, 110) zumindest eine Sonotrode (120) auf einer Seite der Bahn und zumindest ein Amboss (122) auf der anderen Seite der Bahn vorhanden ist.Device according to one of claims 16 to 18, - characterized in that - in the first and second ultrasonic welding stations ( 86 . 110 ) at least one sonotrode ( 120 ) on one side of the web and at least one anvil ( 122 ) is present on the other side of the track. Vorrichtung nach Anspruch 19, – dadurch gekennzeichnet, dass – in der ersten und/oder zweiten Ultraschallschweißstation (86, 110) jeweils zumindest eine Sonotrode (120) auf beiden Seiten der Bahn vorhanden ist, – jede auf einer Seite der Bahn vorhandene Sonotrode (120) mit einem auf der dazu anderen Seite der Bahn vorhandenen Amboss (122) zusammen wirksam angeordnet ist.Device according to claim 19, - characterized in that - in the first and / or second ultrasonic welding station ( 86 . 110 ) in each case at least one sonotrode ( 120 ) is present on both sides of the track, - each on one side of the track existing sonotrode ( 120 ) with an anvil on the other side of the track ( 122 ) is effectively arranged together.
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