WO2025186363A1

WO2025186363A1 - Framed membrane electrode assembly for fuel cell

Info

Publication number: WO2025186363A1
Application number: PCT/EP2025/056085
Authority: WO
Inventors: Emanuel MATOS SANTANA; Stephen Wade
Original assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2024-03-07
Filing date: 2025-03-06
Publication date: 2025-09-12
Anticipated expiration: 2026-09-07
Also published as: WO2025186363A8; DE102024106652B3

Abstract

A framed membrane electrode assembly (1) for a fuel cell has a membrane electrode assembly (2), wherein the frame substrate (4) is arranged at least in an edge region of the membrane electrode assembly (2). The frame substrate (4) has at least one through-opening (6) which extends through the frame substrate (4) from an anode-side surface (4a) to a cathode-side surface (4b). A sealing assembly (3) made of a sealing material is arranged both on the anode-side and on the cathode-side surface of the frame substrate (4) and has in each case at least one sealing bead (30) which is connected both on the anode side and on the cathode side via at least one gate (7) to a cast-on part (5) made of the sealing material. The through-opening (6) is filled with the sealing material, and the cast-on part (5) overlaps with the through-opening (6), wherein the through-opening (6) has a greater extent than the cast-on part (5) at least in the direction of the at least one runner (7).

Description

GERAHMTE MEMBRANELEKTRODENANORDNUNG FÜR EINE BRENNSTOFFZELLE Framed membrane electrode assembly for a fuel cell

Die vorliegende Erfindung betrifft eine gerahmte Membranelektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Dichtungsanordnung für eine gerahmte Membranelektrodenanordnung. The present invention relates to a framed membrane electrode assembly for a fuel cell and a method for producing a sealing assembly for a framed membrane electrode assembly.

Es sind verschiedene Brennstoffzellensysteme bekannt, beispielsweise Polymer-Elektrolyt- Membran (PEM)-Brennstoffzellen, welchen Wasserstoff als Brennstoff zugeführt wird. Eine Brennstoffzelle besteht aus Elektroden, einer Anode und einer Kathode, zwischen denen sich ein Elektrolyt befindet (die Membranelektrodenanordnung (MEA) - membrane electrode assembly). Der Elektrolyt ist bei einer PEM-Brennstoffzelle in Form einer Membran aus einem ionenleitenden Polymer (sog. Ionomer) ausgebildet sein, der sog. Polymer-Elektrolyt- Membran (PEM). Auf beiden Seiten der PEM sind Katalysatorschichten aufgetragen, was eine CCM ergibt (catalyst coated membrane). Auf beiden Seiten der CCM ist je eine GDL (gas diffusion layer aufgebracht), was schließlich eine MEA ergibt. Ein Rahmen bzw. Rahmensubstrat verstärkt üblicherweise die dünne Membran (bzw. MEA) und verleiht der Anordnung strukturelle Unterstützung und Stabilität. Die MEA mit dem Rahmensubstrat, also die gerahmte MEA wird auch MEFA (membrane electrode frame assembly) genannt. Dieser Rahmen trägt dazu bei, dass die Komponenten der Brennstoffzelle sicher an ihrem Platz in einem Stack bleiben, was den effizienten Betrieb und die Leistung der Brennstoffzelle ermöglicht. Die PEM trennt die beiden Elektroden stofflich und elektrisch voneinander, lässt aber eine spezielle lonensorte, im vorliegenden Fall Protonen, durch. Die Protonen wandern durch die Membran zur Kathode, während die Elektronen einen externen Stromkreislauf durchlaufen, um elektrische Energie zu erzeugen. An der Kathode reagieren die Protonen, Elektronen und der Sauerstoff, um Wasser zu bilden. Various fuel cell systems are known, for example, polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells, which use hydrogen as fuel. A fuel cell consists of electrodes, an anode, and a cathode, between which an electrolyte is located (the membrane electrode assembly (MEA). In a PEM fuel cell, the electrolyte is in the form of a membrane made of an ion-conducting polymer (so-called ionomer), the so-called polymer electrolyte membrane (PEM). Catalyst layers are applied to both sides of the PEM, forming a CCM (catalyst coated membrane). A GDL (gas diffusion layer) is applied to each side of the CCM, ultimately forming an MEA. A frame or frame substrate typically reinforces the thin membrane (or MEA) and provides structural support and stability to the assembly. The MEA with the frame substrate, i.e., the framed MEA, is also called a MEFA (membrane electrode frame assembly). This framework helps keep the fuel cell components securely in place in a stack, enabling efficient operation and performance. The PEM separates the two electrodes physically and electrically, but allows a specific type of ion—in this case, protons—to pass through. The protons migrate through the membrane to the cathode, while the electrons pass through an external circuit to generate electrical energy. At the cathode, the protons, electrons, and oxygen react to form water.

Da die elektrische Spannung einer einzelnen Brennstoffzelle begrenzt ist, werden mehrere Zellen zu einem „Stack“ (engl. für Stapel) in Reihe geschaltet, um eine entsprechend höhere Spannung zu erhalten. Die einzelnen MEFA sind durch Bipolarplatten voneinander getrennt, wobei die Bipolarplatten dabei die Anoden und Kathoden aufeinanderfolgender MEFA verbinden, um die Reihenschaltung zu bilden. Eine Bipolarplatte übernimmt dabei die Aufgaben der Zufuhr von Wasserstoff und Sauerstoff, die Abfuhr von Wasser und die Kühlung des Brennstoffzellenstapels. Zudem nimmt die Bipolarplatte auf der Anodenseite (Wasserstoffseite) die aus dem Wasserstoff abgegebenen Elektroden auf und führt sie schließlich auf der Kathodenseite (Sauerstoffseite) wieder zu. Für einen einwandfreien Betrieb der Brennstoffzelle muss eine Dichtung zwischen der MEFA und den an die MEFA angrenzenden Bipolarplatten vorliegen, um eine Vermischung der Fluide innerhalb der Brennstoffzelle und auch ein Austreten von Fluid aus der Brennstoffzelle heraus in die Umgebung zu verhindern. Eine MEFA weist daher auf beiden Seiten, also der Anodenseite und der Kathodenseite eine entsprechende Dichtungsanordnung auf, insbesondere jeweils umlaufend um die Katalysatorbeschichtungen und die Anschlussöffnungen. Diese Dichtungen, welche insbesondere auf das Rahmensubstrat der MEA aufgebracht werden, werden in herkömmlichen Verfahren in zwei Schritten bzw. getrennt auf beiden Seiten aufgetragen. Dadurch verlängert sich jedoch die Taktzeit bei der Herstellung der Dichtung, so dass auch Verfahren bekannt sind, die Dichtungen auf beiden Seiten in einem Arbeitsschritt aufzutragen. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende Spritzgussform realisiert werden. Hierbei können jedoch Probleme auftreten, wie beispielsweise ein ungleichmäßiger Materialfluss während der Herstellung, was zu einer ungleichmäßigen Füllung der Kavitäten in der Spritzgussform und damit Defekten, wie Blasen, Fehlstellen und dergleichen in der Dichtungsanordnung führen kann. Since the electrical voltage of a single fuel cell is limited, several cells are connected in series to form a "stack" to achieve a correspondingly higher voltage. The individual MEFAs are separated from each other by bipolar plates, with the bipolar plates connecting the anodes and cathodes of consecutive MEFAs to form the series circuit. A bipolar plate is responsible for supplying hydrogen and oxygen, removing water, and cooling the fuel cell stack. Furthermore, the bipolar plate on the anode (hydrogen) side absorbs the hydrogen released from the hydrogen and then returns it to the cathode (oxygen) side. For proper operation of the fuel cell, a seal must be present between the MEFA and the bipolar plates adjacent to the MEFA to prevent mixing of the fluids within the fuel cell and also to prevent fluid from escaping from the fuel cell into the environment. A MEFA therefore has a corresponding sealing arrangement on both sides, i.e., the anode side and the cathode side, in particular surrounding the catalyst coatings and the connection openings. These seals, which are applied in particular to the frame substrate of the MEA, are applied in two steps or separately on both sides in conventional processes. However, this increases the cycle time for seal production, so that methods are also known for applying the seals on both sides in a single work step. This can be achieved, for example, using a suitable injection mold. However, problems can arise, such as uneven material flow during production, which can lead to uneven filling of the cavities in the injection mold and thus defects such as bubbles, defects, and the like in the sealing arrangement.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gerahmte Membranelektrodenanordnung (MEFA) mit einer Dichtungsanordnung anzugeben, die sich schnell und zuverlässig herstellen lässt. The present invention is based on the object of providing a framed membrane electrode assembly (MEFA) with a sealing arrangement that can be manufactured quickly and reliably.

Die Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht. Verschiedene Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. This object is achieved according to the teaching of the independent claims. Various embodiments and further developments of the invention are the subject of the dependent claims.

Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine gerahmte Membranelektrodenanordnung (MEFA) für eine Brennstoffzelle. Die MEFA weist eine Membranelektrodenanordnung (MEA) mit einem Rahmensubstrat auf, welches zumindest in einem Randbereich der MEA angeordnet ist. Das Rahmensubstrat weist zumindest eine Durchgangsöffnung auf, welche sich durch das Rahmensubstrat von einer anodenseitigen Oberfläche zu einer kathodenseitigen Oberfläche hindurch erstreckt. Die MEFA weist darüber hinaus eine Dichtungsanordnung aus einem Dichtungsmaterial auf, wobei die Dichtungsanordnung sowohl auf der anodenseitigen als auch auf der kathodenseitigen Oberfläche des Rahmensubstrats angeordnet ist und jeweils zumindest eine Dichtwulst aufweist, welche sowohl anodenseitig als auch kathodenseitig über zumindest einen Angusssteg mit einem Angussteil aus dem Dichtungsmaterial verbunden ist. Die Durchgangsöffnung ist mit dem Dichtungsmaterial gefüllt, und das Angussteil überlappt mit der Durchgangsöffnung, wobei die Durchgangsöffnung zumindest in Richtung des zumindest einen Angussstegs eine größere Erstreckung aufweist als das Angussteil. A first aspect of the invention relates to a framed membrane electrode assembly (MEFA) for a fuel cell. The MEFA comprises a membrane electrode assembly (MEA) with a frame substrate arranged at least in an edge region of the MEA. The frame substrate has at least one through-opening extending through the frame substrate from an anode-side surface to a cathode-side surface. The MEFA further comprises a sealing arrangement made of a sealing material, wherein the sealing arrangement is arranged on both the anode-side and the cathode-side surfaces of the frame substrate and has at least one sealing bead each, which is connected to a sprue made of the sealing material on both the anode and cathode sides via at least one sprue web. The through-opening is filled with the sealing material, and the sprue overlaps with the through-opening, wherein the through-opening has a greater extension than the sprue part, at least in the direction of the at least one sprue web.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Dichtungsanordnung einer gerahmten Membranelektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle, insbesondere einer gerahmten Membranelektrodenanordnung nach dem ersten Aspekt. Bei dem Verfahren wird eine Membranelektrodenanordnung (MEA) bereitgestellt, wobei ein Rahmensubstrat zumindest in einem Randbereich der MEA angeordnet ist. Das Rahmensubstrat weist zumindest eine Durchgangsöffnung auf, welche sich durch das Rahmensubstrat von einer anodenseitigen Oberfläche zu einer kathodenseitigen Oberfläche hindurch erstreckt. Die MEA mit dem Rahmensubstrat (d. h. die gerahmte Membranelektrodenanordnung; MEFA) wird zwischen zwei Halbschalen einer Spritzgussform mit zumindest einer Einspritzöffnung angeordnet, sodass die Einspritzöffnung im Bereich der Durchgangsöffnung angeordnet ist. Die Halbschalen der Spritzgussform weisen Kavitäten auf, welche eine Dichtungsanordnung sowohl auf der anodenseitigen als auch der kathodenseitigen Oberfläche des Rahmensubstrats mit jeweils zumindest einer Dichtwulst definieren und jeweils über zumindest einen Angusskanal sowohl anodenseitig als auch kathodenseitig mit einem Angussreservoir verbunden sind, wobei das Angussreservoir mit der Durchgangsöffnung überlappt. Es wird dann ein Dichtungsmaterial durch die Einspritzöffnung in die Spritzgussform eingebracht, sodass sich die Durchgangsöffnung und das Angussreservoir mit dem Dichtungsmaterial füllen und sich das Dichtungsmaterial über die Angusskanäle in den Kavitäten beider Halbschalen verteilt. Die Durchgangsöffnung weist zumindest in Richtung des zumindest einen Angusskanals eine größere Erstreckung auf als das Angussreservoir. A second aspect of the invention relates to a method for producing a sealing arrangement of a framed membrane electrode assembly for a fuel cell, in particular a framed membrane electrode assembly according to the first aspect. The method provides a membrane electrode assembly (MEA), wherein a frame substrate is arranged at least in an edge region of the MEA. The frame substrate has at least one through-opening extending through the frame substrate from an anode-side surface to a cathode-side surface. The MEA with the frame substrate (i.e., the framed membrane electrode assembly; MEFA) is arranged between two half-shells of an injection mold having at least one injection opening, such that the injection opening is arranged in the region of the through-opening. The half-shells of the injection mold have cavities that define a sealing arrangement on both the anode-side and the cathode-side surfaces of the frame substrate, each with at least one sealing bead. These cavities are each connected to a sprue reservoir via at least one runner on both the anode side and the cathode side, the sprue reservoir overlapping the through-opening. A sealing material is then introduced into the injection mold through the injection opening, so that the through-opening and the sprue reservoir fill with the sealing material, and the sealing material is distributed via the sprue channels into the cavities of both half-shells. The through-opening has a greater extension than the sprue reservoir, at least in the direction of the at least one runner.

Alternativ kann in dem Verfahren nach dem zweiten Aspekt zunächst ein entsprechendes Rahmensubstrat für eine MEA ohne die MEA bereitgestellt werden. Das Rahmensubstrat (ohne die MEA) wird dann entsprechend zwischen den Halbschalen der Spritzgussform angeordnet, um auf die gleiche Weise die Dichtungsanordnung herzustellen. Die MEA wird dann anschließend in das Rahmensubstrat mit der Dichtungsanordnung eingebracht, um die MEFA herzustellen. Alternatively, in the method according to the second aspect, a corresponding frame substrate for an MEA without the MEA can first be provided. The frame substrate (without the MEA) is then correspondingly arranged between the half-shells of the injection mold to produce the sealing arrangement in the same way. The MEA is then subsequently inserted into the frame substrate with the sealing arrangement to produce the MEA.

Die Dichtungsanordnung der MEFA nach dem ersten Aspekt kann in einem Verfahrensschritt hergestellt werden, insbesondere in einem Verfahren nach dem zweiten Aspekt. Das bedeutet insbesondere, dass die Dichtungsanordnung kathodenseitig und anodenseitig in einem Schritt hergestellt werden kann. Dies wird durch die Durchgangsöffnung erlaubt, welche sich durch das Rahmensubstrat hindurch erstreckt. Durch die Herstellung der Dichtungsanordnung entsteht auch ein Angussteil im Bereich der Durchgangsöffnung, wobei das Angussteil mit der eigentlichen Dichtungsanordnung, insbesondere einer Dichtwulst über zumindest einen Angusssteg verbunden ist. Es entsteht somit eine zusammenhängend Struktur aus dem Dichtungsmaterial, welches sich durch die Durchgangsöffnung hindurch erstreckt. Durch die Größe der Durchgangsöffnung kann sich das Dichtungsmaterial bei der Herstellung dort verteilen und kann gleichmäßig auf beide Seiten des Rahmensubstrats gelangen. The sealing arrangement of the MEFA according to the first aspect can be manufactured in one process step, in particular in a process according to the second aspect. This means in particular that the sealing arrangement on the cathode side and the anode side can be manufactured in one step. This is made possible by the through-opening, which extends through the frame substrate. The production of the sealing arrangement also creates a sprue in the region of the through-opening, wherein the sprue is connected to the actual sealing arrangement, in particular a sealing bead, via at least one sprue web. This creates a coherent structure made of the sealing material, which extends through the through-opening. Due to the size of the through-opening, the sealing material can be distributed there during production and can reach both sides of the frame substrate evenly.

Die Größe der Durchgangsöffnung ist zudem insbesondere vorteilhaft, da auf diese Weise Ungenauigkeiten (im Bereich von bestimmten Toleranzen) sowohl beim Schneiden oder Stanzen der Durchgangsöffnung als auch beim Positionieren der MEFA in der Spritzgussform ausgeglichen werden können. Insbesondere die größere Erstreckung der Durchgangsöffnung in Richtung des zumindest einen Angussstegs (bzw. Angusskanals in der Spritzgussform) gewährleistet, dass das Dichtungsmaterial über die Angusskanäle, welche sich dann als Angussstege in der fertigen MEFA zeigen, in entsprechende Kavitäten der Spritzgussform gelangen kann, welche die Dichtungsanordnung definieren. Das heißt, dass das Angussreservoir und die Angusskanäle zuverlässig im Bereich der Durchgangsöffnung platziert werden können, sodass ein gleichmäßiger Materialfluss beim Einbringen des Dichtungsmaterials gewährleistet werden kann. Da sich das Dichtungsmaterial in der großen Durchgangsöffnung verteilt, können Flussunterschiede zwischen den beiden Seiten minimiert werden. The size of the through-opening is also particularly advantageous because it allows for inaccuracies (within certain tolerances) to be compensated for both during cutting or punching of the through-opening and during positioning of the MEFA in the injection mold. In particular, the larger extension of the through-opening in the direction of at least one sprue land (or sprue channel in the injection mold) ensures that the sealing material can reach the corresponding cavities of the injection mold via the sprues, which then appear as sprue lands in the finished MEFA, and which define the sealing arrangement. This means that the sprue reservoir and the sprue channels can be reliably positioned in the area of the through-opening, ensuring a uniform material flow when introducing the sealing material. Because the sealing material is distributed in the large through-opening, flow differences between the two sides can be minimized.

Die Einspritzöffnung, welche in einer der Halbschalen im Bereich des Angussreservoirs liegt, liegt nach dem Anordnen der MEFA in der Spritzgussform im Bereich der Durchgangsöffnung. Die Einspritzöffnung kann insbesondere kleiner sein als die als Durchgangsöffnung. Das Dichtungsmaterial verteilt sich dann in dem Angussreservoir und der Durchgangsöffnung und dadurch dann über die Angusskanäle in den Kavitäten, welche die Dichtungsanordnung definieren. Die Durchgangsöffnung kann insbesondere umlaufend geschlossen sein, da das Einbringen des Dichtungsmaterial durch die Eingangsöffnung in einer der Halbschalen in einer Richtung quer zur Ebene der MEFA erfolgt. Prinzipiell wäre auch ein seitlichen Einspritzen mit einer entsprechend zur Seite hin offenen Durchgangsöffnung möglich. Dies hat jedoch komplexere Flussbedingungen zur Folge und die Materialverteilung kann unter Umständen nicht so gleichmäßig erfolgen. Bei einigen Ausführungsformen des Verfahrens verteilt sich das Dichtungsmaterial beim Einbringen in den Kavitäten der beiden Halbschalen der Spritzgussform anodenseitig und kathodenseitig gleichzeitig. Die Durchgangsöffnung erlaubt diese Herstellung der Dichtungsanordnung auf beiden Seiten einem Schritt. Das Einbringen oder Einspritzen des Dichtungsmaterials erfolgt dabei nur von einer Seite, wobei sich das Dichtungsmaterial durch die Durchgangsöffnung dann in beide Halbschalen der Spritzgussform verteilen kann. Durch die gleichzeitige Herstellung der Dichtungsanordnung auf beiden Seiten können die Taktzeiten reduziert werden. The injection opening, which is located in one of the half-shells in the area of the sprue reservoir, is located in the area of the through-opening after the MEFA has been arranged in the injection mold. The injection opening can, in particular, be smaller than the through-opening. The sealing material is then distributed in the sprue reservoir and the through-opening and thus via the sprue channels in the cavities that define the sealing arrangement. The through-opening can, in particular, be closed all the way around, since the sealing material is introduced through the inlet opening in one of the half-shells in a direction transverse to the plane of the MEFA. In principle, lateral injection with a through-opening that is correspondingly open to the side would also be possible. However, this results in more complex flow conditions and the material distribution may not be as even. In some embodiments of the process, the sealing material is distributed simultaneously during insertion into the cavities of the two half-shells of the injection mold, both on the anode and cathode sides. The through-opening allows this production of the sealing arrangement on both sides in a single step. The sealing material is introduced or injected from only one side, allowing the sealing material to be distributed through the through-opening into both half-shells of the injection mold. By producing the sealing arrangement on both sides simultaneously, cycle times can be reduced.

Die hier verwendeten Begriffe „Angussteil“ bzw. „Angussstege“ bezeichnen insbesondere Strukturen, die durch die Herstellung der Dichtungsanordnung im Spritzgussverfahren bedingt sind. Sie bestehen aus dem Dichtungsmaterial der Dichtungsanordnung und können in der fertigen MEFA bestehen bleiben. Sie haben jedoch nicht notwendigerweise eine Dichtungsfunktion und könnten sofern technisch möglich und sinnvoll auch entfernt werden. Das Angussteil kann gewissermaßen als Verteiler betrachtet werden, der über die Angussstege mit der Dichtungsanordnung verbunden ist. Angussteil und Angussstege entstehen entsprechend durch ein „Angussreservoir“ und „Angusskanäle“ in der Spritzgussform, welche vorteilhaft deckungsgleich in den Halbschalen der Spritzgussform vorliegen. Das Angussteil überlappt mit der Durchgangsöffnung, welche entsprechend ebenso mit dem Dichtungsmaterial gefüllt ist. Das Dichtungsmaterial kann insbesondere ein spritzgießbares Material sein, welches nach dem Spritzguss aushärten kann. Die hier beschriebenen Strukturen der MEFA sind insbesondere ein Ergebnis der Herstellung mit einer entsprechenden Spritzgussform. Daher werden hier (geometrische) Merkmale der Struktur auch hinsichtlich ihrer Vorteile beschrieben, welche das entsprechende Herstellungsverfahren mit sich bringt. The terms "sprue" and "sprue lands" used here refer in particular to structures that are caused by the production of the sealing arrangement using the injection molding process. They consist of the sealing material of the sealing arrangement and can remain in the finished MEFA. However, they do not necessarily have a sealing function and could also be removed if technically possible and sensible. The sprue can be viewed as a distributor, which is connected to the sealing arrangement via the sprue lands. The sprue and sprue lands are created by a "sprue reservoir" and "sprue channels" in the injection mold, which are advantageously located congruently in the half-shells of the injection mold. The sprue overlaps with the through-opening, which is also filled with the sealing material. The sealing material can in particular be an injection-moldable material that can harden after injection molding. The MEFA structures described here are in particular a result of production using a suitable injection mold. Therefore, (geometric) features of the structure are also described here with regard to the advantages that the corresponding manufacturing process brings.

Der hier verwendete Begriff „Rahmensubstrat“ bezeichnet insbesondere eine Stützstruktur für die MEA. Es ist daher insbesondere in den Randbereichen der MEA angeordnet. Es versteht sich, dass das Rahmensubstrat insbesondere eine jeweilige Katalysatorschicht umlaufend umgeben kann, welche auf der Anodenseite und der Kathodenseite jeweils auf der PEM aufgebracht ist. Außerdem kann das Rahmensubstrat entsprechende Anschlussöffnungen umgeben. Gleichermaßen kann die Dichtungsanordnung dann die Katalysatorschichten und Anschlüsse umlaufend umgeben. Das Rahmensubstrat kann ein folienartiges Material umfassen. Die hier gegebenenfalls verwendeten Begriffe „umfasst“, „beinhaltet“, „schließt ein“, „weist auf“, „hat“, „mit“, oder jede andere Variante davon sollen eine nicht ausschließliche Einbeziehung abdecken. So ist beispielsweise ein Verfahren oder eine Vorrichtung, die eine Liste von Elementen umfasst oder aufweist, nicht notwendigerweise auf diese Elemente beschränkt, sondern kann andere Elemente einschließen, die nicht ausdrücklich aufgeführt sind oder die einem solchen Verfahren oder einer solchen Vorrichtung inhärent sind. The term "frame substrate" used here refers in particular to a support structure for the MEA. It is therefore arranged in particular in the edge regions of the MEA. It is understood that the frame substrate can, in particular, circumferentially surround a respective catalyst layer, which is applied to the PEM on the anode side and the cathode side, respectively. Furthermore, the frame substrate can surround corresponding connection openings. Likewise, the sealing arrangement can then circumferentially surround the catalyst layers and connections. The frame substrate can comprise a foil-like material. As used herein, the terms "comprises,""includes,""includes,""has,""has,""with," or any other variation thereof are intended to cover non-exclusive inclusion. For example, a method or apparatus that includes or has a list of elements is not necessarily limited to those elements, but may include other elements not expressly listed or that are inherent in such a method or apparatus.

Ferner bezieht sich „oder“, sofern nicht ausdrücklich das Gegenteil angegeben ist, auf ein inklusives oder und nicht auf ein exklusives „oder“. Zum Beispiel wird eine Bedingung A oder B durch eine der folgenden Bedingungen erfüllt: A ist wahr (oder vorhanden) und B ist falsch (oder nicht vorhanden), A ist falsch (oder nicht vorhanden) und B ist wahr (oder vorhanden), und sowohl A als auch B sind wahr (oder vorhanden). Furthermore, unless explicitly stated to the contrary, "or" refers to an inclusive "or" and not an exclusive "or." For example, a condition A or B is satisfied by one of the following conditions: A is true (or present) and B is false (or absent), A is false (or absent) and B is true (or present), and both A and B are true (or present).

Die Begriffe „ein“ oder „eine“, wie sie hier verwendet werden, sind im Sinne von „ein/eine oder mehrere“ definiert. Die Begriffe „ein anderer“ und „ein weiterer“ sowie jede andere Variante davon sind im Sinne von „zumindest ein Weiterer“ zu verstehen. The terms "a" or "an" as used herein are defined as "one or more." The terms "another" and "another," and any other variations thereof, are defined as "at least one other."

Der Begriff „Mehrzahl“, wie er hier verwendet wird, ist im Sinne von „zwei oder mehr“ zu verstehen. The term “plurality” as used here shall mean “two or more”.

Unter dem Begriff „konfiguriert“ oder „eingerichtet“, eine bestimmte Funktion zu erfüllen, (und jeweiligen Abwandlungen davon) ist im Sinne der Erfindung zu verstehen, dass die entsprechende Vorrichtung bereits in einer Ausgestaltung oder Einstellung vorliegt, in der sie die Funktion ausführen kann oder sie zumindest so einstellbar - d.h. konfigurierbar - ist, dass sie nach entsprechender Einstellung die Funktion ausführen kann. Die Konfiguration kann dabei beispielsweise über eine entsprechende Einstellung von Parametern eines Prozessablaufs oder von Schaltern oder ähnlichem zur Aktivierung bzw. Deaktivierung von Funktionalitäten bzw. Einstellungen erfolgen. Insbesondere kann die Vorrichtung mehrere vorbestimmte Konfigurationen oder Betriebsmodi aufweisen, so dass das Konfigurieren mittels einer Auswahl einer dieser Konfigurationen bzw. Betriebsmodi erfolgen kann. The term "configured" or "set up" to perform a specific function (and respective modifications thereof) is to be understood within the meaning of the invention that the corresponding device is already in a configuration or setting in which it can perform the function or is at least adjustable - i.e., configurable - so that it can perform the function after appropriate setting. The configuration can be carried out, for example, by appropriately setting parameters of a process sequence or of switches or the like for activating or deactivating functionalities or settings. In particular, the device can have a plurality of predetermined configurations or operating modes, so that configuration can be carried out by selecting one of these configurations or operating modes.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen beschrieben, die jeweils, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird oder technisch unmöglich ist, beliebig miteinander sowie mit den weiteren beschriebenen anderen Aspekten der Erfindung kombiniert werden können. Bei einigen Ausführungsformen überlappt die Durchgangsöffnung mit dem zumindest einen Angusssteg. Der zumindest eine Angusssteg ist somit nicht nur mit dem Angussteil verbunden, sondern auch (direkt) mit der Durchgangsöffnung. Dies bedeutet, dass bei der Herstellung das Dichtungsmaterial nicht nur von dem das Angussteil bildenden Angussreservoir aus, sondern auch von der Durchgangsöffnung aus in die entsprechende Angusskanäle gelangt ist. Dadurch kann das Dichtungsmaterial über einen größeren Durchflussquerschnitt strömen, was das Einbringen des Dichtungsmaterial in die Kavitäten für die Dichtungsanordnung verbessert. Preferred embodiments are described below, which, unless expressly excluded or technically impossible, can be combined with one another as well as with the other aspects of the invention described. In some embodiments, the through-opening overlaps with the at least one sprue land. The at least one sprue land is thus connected not only to the sprue part, but also (directly) to the through-opening. This means that during production, the sealing material flows into the corresponding sprue channels not only from the sprue reservoir forming the sprue part, but also from the through-opening. This allows the sealing material to flow over a larger flow cross-section, which improves the introduction of the sealing material into the cavities for the sealing arrangement.

Entsprechend wird bei einigen Ausführungsformen des Verfahrens die Durchgangsöffnung beim Anordnen der MEFA (bzw. des Rahmensubstrats ohne die MEA) in der Spritzgussform mit dem zumindest einen Angusskanal in Verbindung gebracht, sodass sich das Dichtungsmaterial beim Einspritzen sowohl aus dem Angussreservoir als auch aus der Durchgangsöffnung über den zumindest einen Angusskanal in den Kavitäten verteilt. Durch den verbesserten Durchflussquerschnitt in die Angusskanäle hinein kann ein gleichmäßiger Materialfluss erfolgen, insbesondere auf beide Seiten gleichzeitig. Accordingly, in some embodiments of the method, the through-opening is connected to the at least one runner when arranging the MEFA (or the frame substrate without the MEA) in the injection mold, so that the sealing material is distributed during injection from both the sprue reservoir and the through-opening via the at least one runner into the cavities. The improved flow cross-section into the runners allows for a uniform material flow, particularly to both sides simultaneously.

Bei einigen Ausführungsformen ist ein Abstand zwischen der Dichtwulst und dem Angussteil größer als ein Abstand zwischen der Dichtwulst und der Durchgangsöffnung. Der Abstand zwischen der Dichtwulst und dem Angussteil entspricht dabei insbesondere der Länge des Angussstegs. Dadurch können wie eben beschrieben, die Angussstege mit der Durchgangsöffnung überlappen. Durch eine ausreichend große Länge der Angussstege (bzw. Angusskanäle) wird auch erreicht, dass Toleranzen hinsichtlich der Position der Durchgangsöffnung im Rahmensubstrat und der Positionierung der MEFA in der Spitzgussform besser ausgeglichen werden können und in jedem Falle ein gewünschter Fluss des Dichtungsmaterials beim Einspritzen durch die Angusskanäle sichergestellt ist. In some embodiments, the distance between the sealing bead and the sprue part is greater than the distance between the sealing bead and the through-opening. The distance between the sealing bead and the sprue part corresponds in particular to the length of the sprue land. This allows the sprue lands to overlap with the through-opening, as just described. A sufficiently long sprue lands (or sprue channels) also ensures that tolerances regarding the position of the through-opening in the frame substrate and the positioning of the MEFA in the injection mold can be better compensated, ensuring the desired flow of the sealing material during injection through the sprue channels.

Bei einigen Ausführungsformen erstreckt sich der zumindest eine Angusssteg zwischen dem Angussteil und der Dichtwulst über einen Rand der Durchgangsöffnung hinweg. Auch diese Gestaltung hat die eben beschriebenen Wirkungen. In some embodiments, the at least one sprue bar extends between the sprue part and the sealing bead beyond an edge of the through-opening. This design also has the effects just described.

Bei einigen Ausführungsformen ist das Angussteil sowohl anodenseitig als auch kathodenseitig mit der jeweiligen Dichtwulst über mehr als einen Angusssteg verbunden. Beispielsweise können jeweils zwei, drei oder vier, vorzugsweise drei Angussstege vorhanden sein. Folglich sind auch in einer Spritzgussform Angusskanäle in einer entsprechenden Anzahl vorhanden. Durch die Aufteilung des Flusses des Dichtungsmaterials beim Einspritzen auf mehrere Kanäle kann gewährleistet werden, dass im Falle der Blockierung eines Kanals das Dichtungsmaterial über den zumindest einen weiteren Kanal weiterhin fließen kann. Im Falle von drei Angussstegen bzw. Angusskanälen pro Seite (also anodenseitig und kathodenseitig) wird dies noch verbessert. Denkbar wären auch vier oder mehr Kanäle pro Seite. Dies würde jedoch mehr Platz erfordern oder bei gleichem Platzbedarf relativ kleine Kanalquerschnitte zur Folge haben. In some embodiments, the sprue part is connected to the respective sealing bead on both the anode and cathode sides via more than one sprue bar. For example, two, three, or four, preferably three, sprue bars may be present. Consequently, a corresponding number of sprue channels are also provided in an injection mold. By dividing the flow of sealing material during injection across multiple channels, it can be ensured that if one channel becomes blocked, the sealing material can continue to flow through at least one other channel. This is further improved with three sprue bars or sprue channels per side (i.e., on the anode and cathode sides). Four or more channels per side would also be conceivable. However, this would require more space or result in relatively small channel cross-sections for the same space requirement.

Entsprechend ist bei einigen Ausführungsformen des Verfahrens das Angussreservoir sowohl anodenseitig als auch kathodenseitig in den beiden Halbschalen mit der jeweiligen Kavität über jeweils mehr als einen Angusskanal verbunden, sodass das Rahmensubstrat zwischen den Angusskanälen sowohl anodenseitig als auch kathodenseitig von der Spritzgussform gehalten wird. Die Angusskanäle sind dabei vorzugsweise in den beiden Halbschalen deckungsgleich. Durch die Aufteilung des Materialflusses auf mehrere Kanäle kann das Verfahren auch fortgesetzt werden, falls ein Kanal blockiert sein sollte. Außerdem kann in den Bereichen zwischen den Kanälen eine Abstützung des Rahmensubstrats durch die Spritzgussform erfolgen, sodass ein Verbiegen während des Einspritzens des Dichtungsmaterials vermieden oder zumindest reduziert werden kann. Accordingly, in some embodiments of the method, the sprue reservoir is connected to the respective cavity on both the anode and cathode sides of the two half-shells via more than one sprue channel each, so that the frame substrate is held by the injection mold between the sprues on both the anode and cathode sides. The sprues are preferably congruent in the two half-shells. By dividing the material flow across multiple channels, the process can be continued even if one channel becomes blocked. Furthermore, the frame substrate can be supported by the injection mold in the areas between the channels, so that bending during injection of the sealing material can be avoided or at least reduced.

Bei einigen entsprechenden Ausführungsformen ist ein Bereich jeweils zwischen den Angussstegen, der Dichtwulst und der Durchgangsöffnung frei von dem Dichtungsmaterial. Dieser Freiraum zwischen den Angussstegen bedeutet, dass hier die Spritzgussform das Rahmensubstrat kontaktiert. Bei deckungsgleichen Strukturen auf beiden Seiten kann somit erreicht werden, dass das Rahmensubstrat von der Spritzgussform eingeklemmt und damit gestützt wird. Insbesondere bei dünnen und entsprechend flexiblen Substraten kann so ein Durchbiegen des Substrats im Bereich der Angusskanäle vermieden oder reduziert werden. Dadurch kann der Materialfluss gleichmäßig auf beide Seiten aufgeteilt werden. In some corresponding embodiments, an area between the sprue lands, the sealing bead, and the through-hole is free of sealing material. This free space between the sprue lands means that this is where the injection mold contacts the frame substrate. With congruent structures on both sides, this can ensure that the frame substrate is clamped and thus supported by the injection mold. Especially with thin and correspondingly flexible substrates, this can prevent or reduce substrate deflection in the area of the sprue channels. This allows the material flow to be distributed evenly between both sides.

Bei einigen entsprechenden Ausführungsformen mit mehreren Angussstegen erstrecken sich diese parallel nebeneinander von dem Angussteil. Eine parallele Anordnung kann dazu beitragen, dass der Materialfluss gleichmäßig vom Angussreservoir durch die Angusskanäle fließt. Insbesondere können die Kanäle dadurch auch die gleiche Länge aufweisen. In some corresponding embodiments with multiple sprue bars, these extend parallel to one another from the sprue part. A parallel arrangement can help ensure that the material flows evenly from the sprue reservoir through the sprue channels. In particular, the channels can also be of equal length.

Bei einigen Ausführungsformen weist ein der Dichtwulst zugewandter Rand der Durchgangsöffnung einen geradlinigen Abschnitt auf, dessen Länge größer ist als die Summe der Breiten aller Angussstege und deren dazwischenliegender Freiräume. Dieser geradlinige Abschnitt kann insbesondere der Bereich sein, über den sich die Angussstege hinweg erstrecken. Aufgrund der Länge des geradlinigen Abschnitts können etwaige Ungenauigkeiten hinsichtlich der Position der Durchgangsöffnung im Rahmensubstrat und der Positionierung der MEFA in der Spitzgussform, insbesondere in einer Richtung quer zu den Angusskanälen (also entlang des geradlinigen Abschnitts) ausgeglichen werden. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass kein Angusskanal im Extremfall versetzt zur Durchgangsöffnung liegt, was den Materialfluss beim Einspritzen während der Herstellung der Dichtungsanordnung beeinträchtigen würde. In some embodiments, an edge of the through-opening facing the sealing bead has a straight section whose length is greater than the sum the widths of all sprue lands and the spaces between them. This straight section can, in particular, be the area over which the sprue lands extend. Due to the length of the straight section, any inaccuracies regarding the position of the through-opening in the frame substrate and the positioning of the MEFA in the injection mold, particularly in a direction transverse to the sprue channels (i.e., along the straight section), can be compensated for. This ensures that no sprue channel is offset from the through-opening in extreme cases, which would impair the material flow during injection during the manufacture of the sealing arrangement.

Bei einigen Ausführungsformen erstreckt sich das Angussteil in zumindest einer Erstreckungsrichtung, vorzugsweise quer zu den Angussstegen bzw. parallel zur Dichtungsanordnung, über die Durchgangsöffnung hinaus jeweils über die anodenseitigen und kathodenseitigen Oberflächen des Rahmensubstrats. Da das Angussteil mit der Durchgangsöffnung überlappt und darüberhinausgehend das Rahmensubstrat beidseitig umgreift, kann das Dichtungsmaterial in der Durchgangsöffnung gehalten werden. Wenn das Angussteil kleiner wäre als die Durchgangsöffnung, könnte das Dichtungsmaterial aus der Durchgangsöffnung (zusammen mit dem Angussteil) aus dem Rahmensubstrat heraushängen. Dadurch wäre eine anschließende Montage einer Brennstoffzelle beeinträchtigt. In some embodiments, the sprue extends in at least one direction of extension, preferably transverse to the sprue webs or parallel to the sealing arrangement, beyond the through-opening, respectively, over the anode-side and cathode-side surfaces of the frame substrate. Since the sprue overlaps the through-opening and, moreover, encompasses the frame substrate on both sides, the sealing material can be held in the through-opening. If the sprue were smaller than the through-opening, the sealing material could protrude from the through-opening (together with the sprue) of the frame substrate. This would impair subsequent assembly of a fuel cell.

Bei einigen Ausführungsformen ist der zumindest eine Angusssteg flacher als die Dichtwulst. Der Angusssteg bzw. Angussstege sind wie oben bereits erwähnt nicht dazu gestaltet, eine Dichtungsfunktion zu erfüllen, sondern sind lediglich dem Herstellungsverfahren geschuldet. Daher ist es vorteilhaft, die Angussstege flacher als die eigentliche Dichtungsanordnung zu gestalten, damit bei der Montage tatsächlich nur die Dichtungsanordnung zur Anlage kommt und die Dichtfunktion nicht durch die Angussstege beeinträchtigt wird. Außerdem kann so das Risiko reduziert werden, dass sie bei der Montage stören. Es versteht sich, dass sie jedoch nicht zu flach gestaltet sind (bzw. die Angusskanäle in der Spritzgussform), damit der Materialfluss bei der Herstellung nicht beeinträchtigt wird. In some embodiments, the at least one sprue land is flatter than the sealing bead. As already mentioned above, the sprue land(s) are not designed to fulfill a sealing function, but are merely due to the manufacturing process. It is therefore advantageous to design the sprue lands flatter than the actual sealing arrangement so that during assembly only the sealing arrangement actually comes into contact and the sealing function is not impaired by the sprue lands. This can also reduce the risk of them causing interference during assembly. It goes without saying, however, that they are not designed to be too flat (or the sprue channels in the injection mold) so that the material flow is not impaired during production.

Bei einigen Ausführungsformen ist das Angussteil flacher als der zumindest eine Angusssteg. Das Angussteil nimmt (überlappend mit der Durchgangsöffnung) eine gewisse Fläche auf der MEFA ein. Daher ist es vorteilhaft, das Angussteil möglichst flach zu gestalten, auch um zu verhindern, dass es bei der Montage einer Brennstoffzelle den Kontakt der Dichtungsanordnung beeinträchtigt. In some embodiments, the sprue part is flatter than at least one sprue land. The sprue part takes up a certain area on the MEFA (overlapping with the through opening). Therefore, it is advantageous to make the sprue part as flat as possible, also to prevent it from impairing the contact of the sealing assembly during assembly of a fuel cell.

Die in Bezug auf den ersten Aspekt der Erfindung erläuterten Merkmale und Vorteile gelten entsprechend auch für die weiteren Aspekte der Erfindung. Insbesondere gelten die Merkmale und Vorteile, welche im Zusammenhang mit der MEFA nach dem ersten Aspekt beschrieben werden, auch für das Verfahren nach dem zweiten Aspekt. Die MEFA nach dem ersten Aspekt bzw. eine MEFA mit einer Dichtungsanordnung, welche gemäß einem Verfahren nach dem zweiten Aspekt hergestellt ist, kann in einer Brennstoffzelle zum Einsatz kommen und insbesondere auch in einem Brennstoffzellenstapel, der zumindest eine Brennstoffzelle mit zumindest einer solchen MEFA aufweist. The features and advantages explained with reference to the first aspect of the invention also apply accordingly to the further aspects of the invention. In particular, the features and advantages described in connection with the MEFA according to the first aspect also apply to the method according to the second aspect. The MEFA according to the first aspect or a MEFA with a sealing arrangement produced according to a method according to the second aspect can be used in a fuel cell and in particular also in a fuel cell stack having at least one fuel cell with at least one such MEFA.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Further advantages, features and possible applications of the present invention will become apparent from the following detailed description in conjunction with the drawings.

Dabei zeigt: It shows:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Teilbereichs einer gerahmten Membranelektrodenanordnung (MEFA); Fig. 1 is a perspective view of a portion of a framed membrane electrode assembly (MEFA);

Fig. 2 einen Schnitt durch die Dichtungsanordnung der MEFA aus Fig. 1 ; Fig. 2 shows a section through the sealing arrangement of the MEFA from Fig. 1;

Fig. 3 eine Detailansicht der MEFA aus Fig. 1 ; Fig. 3 a detailed view of the MEFA from Fig. 1 ;

Fig. 4 schematisch einen Schnitt durch eine Spritzgussform zur Herstellung der Dichtungsanordnung für die MEFA aus Fig. 1 ; Fig. 4 shows schematically a section through an injection mold for producing the sealing arrangement for the MEFA from Fig. 1;

Fig. 5 einen Schnitt durch eine Anordnung der MEFA aus Fig. 1 zwischen zwei Bipolarplatten; Fig. 5 shows a section through an arrangement of the MEFA from Fig. 1 between two bipolar plates;

Fig. 6 eine vergrößerte Ansicht von Fig. 3 mit verschiedenen Schnittlinien; Fig. 6 is an enlarged view of Fig. 3 with different section lines;

Fig. 7 einen Schnitt durch die MEFA aus Fig. 6; Fig. 7 shows a section through the MEFA from Fig. 6;

Fig. 8 einen Schnitt durch die MEFA aus Fig. 6; Fig. 9 einen Schnitt durch die MEFA aus Fig. 6; und Fig. 8 shows a section through the MEFA from Fig. 6; Fig. 9 shows a section through the MEFA from Fig. 6; and

Fig. Kleinen Schnitt durch die MEFA aus Fig. 6. Fig. Small section through the MEFA from Fig. 6.

In den Figuren werden durchgängig dieselben Bezugszeichen für dieselben oder einander entsprechende Elemente der Erfindung verwendet. Die Figuren sind schematisch und stellen daher die Realität nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dar. Throughout the figures, the same reference numerals are used for the same or corresponding elements of the invention. The figures are schematic and therefore do not necessarily represent the actual objects to scale.

Fig. 1 zeigt in Draufsicht einen Teil einer gerahmten Membranelektrodenanordnung (Membrane Electrode Framed Assembly - MEFA) 1 für eine Brennstoffzelle. Die MEFA 1 weist eine Membranelektrodenanordnung (MEA) 2 auf, welche durch ein Rahmensubstrat 4 gehalten wird und eine Membran, insbesondere eine Polymerelektrolytmembran (PEM) aufweist, die mit Elektroden auf beiden Seiten beschichtet ist. Dieser Aufbau ermöglicht die chemischen Reaktionen und Elektronenübertragung, die zur Umwandlung von Brennstoff in Elektrizität in einer Brennstoffzelle notwendig sind. Fig. 1 shows a plan view of part of a framed membrane electrode assembly (MEFA) 1 for a fuel cell. The MEFA 1 comprises a membrane electrode assembly (MEA) 2, which is held by a frame substrate 4 and has a membrane, in particular a polymer electrolyte membrane (PEM), coated with electrodes on both sides. This structure enables the chemical reactions and electron transfer necessary for converting fuel into electricity in a fuel cell.

Die MEFA 1 wird zwischen zwei Bipolarplatten 20 angeordnet (vgl. Fig. 5), wodurch eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenstapels gebildet wird. Eine Dichtungsanordnung 3 ist auf beiden Seiten der MEFA 1 vorgesehen (also anodenseitig und kathodenseitig), um eine Abdichtung gegenüber den Bipolarplatten 20 zu erhalten. Die Dichtungsanordnung 3 wird in der Regel um den Umfang der MEFA 1 auf dem Rahmensubstrat 4 angebracht, d. h. in einem Randbereich der MEFA 1 , um die Abdichtung zwischen den einzelnen Komponenten des Brennstoffzellenstapels sicherzustellen und das Eindringen von Gasen oder Flüssigkeiten zu verhindern. Dadurch wird eine zuverlässige Funktion der Brennstoffzelle gewährleistet. The MEFA 1 is arranged between two bipolar plates 20 (see Fig. 5), forming a fuel cell of a fuel cell stack. A sealing arrangement 3 is provided on both sides of the MEFA 1 (i.e., the anode side and the cathode side) to seal off the bipolar plates 20. The sealing arrangement 3 is typically applied around the periphery of the MEFA 1 on the frame substrate 4, i.e., in an edge region of the MEFA 1, to ensure sealing between the individual components of the fuel cell stack and prevent the penetration of gases or liquids. This ensures reliable operation of the fuel cell.

Fig. 2 zeigt die Dichtungsanordnung 3 im Schnitt entlang der Linie II. Die Dichtungsanordnung 3 weist zumindest eine Dichtwulst 30 auf, wie in Fig. 2 beispielhaft dargestellt. Alternative Gestaltungen der Dichtungsanordnung, beispielsweise mit zwei parallel verlaufenden Dichtwülsten sind ebenso denkbar. Die Dichtungsanordnung 3 wird im Spritzgussverfahren hergestellt. Dadurch bedingt sind Angussteile 5 vorhanden, von denen einer in Fig. 3 vergrößert dargestellt ist (Ausschnitt III). Fig. 2 shows the sealing arrangement 3 in section along line II. The sealing arrangement 3 has at least one sealing bead 30, as shown by way of example in Fig. 2. Alternative designs of the sealing arrangement, for example, with two parallel sealing beads, are also conceivable. The sealing arrangement 3 is manufactured using an injection molding process. As a result, sprue parts 5 are present, one of which is shown enlarged in Fig. 3 (section III).

Fig. 4 veranschaulicht schematisch die Herstellung der Dichtungsanordnung 3 im Spritzgussverfahren. Die MEA 2 mit dem Rahmensubstrat 4 wird dazu zwischen zwei Halbschalen 11 , 12 einer Spritzgussform 10 angeordnet. Die Dichtungsanordnung 3 wird durch Kavitäten 15 in den beiden Halbschalen 11 , 12 definiert, d. h. die Dichtwülste 30 der Dichtungsanordnung 3 werden auf beiden Seiten des Rahmensubstrats 4 gebildet. Dichtungsmaterial wird durch eine Einspritzöffnung 9 in die Spritzgussform 10 eingebracht und verteilt sich zunächst in einem Angussreservoir 13 und einer Durchgangsöffnung 6 in dem Rahmensubstrat 4. Durch die Durchgangsöffnung 6 gelangt das Dichtungsmaterial auf beide Seiten des Rahmensubstrats 4, wobei es dann durch Angusskanäle 14 in die Kavitäten 15 fließt, um die Dichtungsanordnung 3 zu bilden. Es können somit die Dichtungsanordnungen 3 auf beiden Seiten in einem Schritt gebildet werden. Nach dem Spritzguss, insbesondere nach einem Aushärten des Dichtungsmaterials verbleibt auch Dichtungsmaterial in der Durchgansöffnung 6 sowie in dem Angussreservoir 13 und den Angusskanälen 14. Dadurch entstehen ein Angussteil 5 sowie Angussstege 7. Alternativ kann das (vorgeschnittene) Rahmensubstrat 4 zunächst ohne die MEA 2 zwischen den Halbschalen 11 , 12 der Spritzgussform 10 angeordnet werden, wobei die Dichtungsanordnung 3 auf dem Rahmensubstrat 4 dann auf die gleiche Weise gebildet wird. Die MEA 2 wird dann nach dem Bilden der Dichtungsanordnung 3 in das Rahmensubstrat 4 eingebracht. Fig. 4 schematically illustrates the production of the sealing arrangement 3 by injection molding. The MEA 2 with the frame substrate 4 is arranged between two half-shells 11, 12 of an injection mold 10. The sealing arrangement 3 is defined by cavities 15 in the two half-shells 11, 12, ie the sealing beads 30 of the Sealing assemblies 3 are formed on both sides of the frame substrate 4. Sealing material is introduced into the injection mold 10 through an injection opening 9 and is initially distributed into a sprue reservoir 13 and a through-opening 6 in the frame substrate 4. The sealing material passes through the through-opening 6 onto both sides of the frame substrate 4, where it then flows through sprue channels 14 into the cavities 15 to form the sealing assembly 3. Thus, the sealing assemblies 3 can be formed on both sides in a single step. After injection molding, in particular after the sealing material has cured, sealing material also remains in the through-opening 6 as well as in the sprue reservoir 13 and the sprue channels 14. This creates a sprue part 5 and sprue webs 7. Alternatively, the (pre-cut) frame substrate 4 can initially be arranged without the MEA 2 between the half-shells 11, 12 of the injection mold 10, wherein the sealing arrangement 3 is then formed on the frame substrate 4 in the same way. The MEA 2 is then introduced into the frame substrate 4 after the sealing arrangement 3 has been formed.

Insbesondere mit Bezug auf Fig. 6 wird nun die Geometrie eines Angussteils 5 und angrenzender Strukturen weiter im Detail beschrieben. Fig. 7, Fig. 8, Fig. 9 und Fig. 10 sind entsprechende Schnittansichten entlang der Linien VII, VIII, IX bzw. X. With particular reference to Fig. 6, the geometry of a sprue 5 and adjacent structures will now be described in further detail. Fig. 7, Fig. 8, Fig. 9, and Fig. 10 are corresponding sectional views along lines VII, VIII, IX, and X, respectively.

Die Durchgangsöffnung 6 ist größer als das Angussteil 5, insbesondere weist die Durchgangsöffnung 6 in Richtung der Angussstege 7 eine größere Erstreckung auf als das Angussteil 5. Dadurch überlappen die Angussstege 7 (bzw. die Angusskanäle 14) mit der Durchgangsöffnung 6. Auch weisen die die Angussstege 7 (bzw. die Angusskanäle 14) eine ausreichende Länge auf (z. B. etwa 1 mm), so dass sich diese über den Rand 6a der Durchgangsöffnung 6 hinweg erstrecken. Auf diese Weise können Toleranzen hinsichtlich der Position der Durchgangsöffnung 6 im Rahmensubstrat 4 und auch Toleranzen hinsichtlich der Positionierung der MEA 2 mit dem Rahmensubstrat 4 in der Spritzgussform 10 ausgeglichen werden, so dass ein gleichmäßiger Materialfluss (vgl. Pfeile in Fig. 4 und Fig. 7) auf beide Seiten erreicht werden kann. Die großen Abmessungen der Durchgangsöffnung 6 sorgen außerdem für eine verbesserte Verteilung des Materialflusses auf beide Seiten und damit minimale Flussunterschiede zwischen beiden Seiten. The through-opening 6 is larger than the sprue part 5, in particular the through-opening 6 has a greater extension in the direction of the sprue webs 7 than the sprue part 5. As a result, the sprue webs 7 (or the sprue channels 14) overlap with the through-opening 6. The sprue webs 7 (or the sprue channels 14) also have a sufficient length (e.g., approximately 1 mm) so that they extend beyond the edge 6a of the through-opening 6. In this way, tolerances with regard to the position of the through-opening 6 in the frame substrate 4 and also tolerances with regard to the positioning of the MEA 2 with the frame substrate 4 in the injection mold 10 can be compensated, so that a uniform material flow (cf. arrows in Fig. 4 and Fig. 7) on both sides can be achieved. The large dimensions of the through opening 6 also ensure an improved distribution of the material flow to both sides and thus minimal flow differences between the two sides.

In diesem Ausführungsbeispiel sind außerdem auf jeder Seite drei Angussstege 7 (bzw. die Angusskanäle 14) vorgesehen, sodass sich der Materialfluss von der Durchgangsöffnung 6 und dem Angussreservoir 13 auf diese mehreren Angusskanäle 14 verteilt. Dadurch kann eine Redundanz geschaffen werden, sodass die Dichtungsanordnung 3 auch erfolgreich gebildet werden kann, falls einer der Kanäle 14 blockiert sein sollte. Außerdem stützt die Spritzgussform 10 in den Freiräumen 8 zwischen den Angussstegen 7 (bzw. den Angusskanälen 14) das Rahmensubstrat 4 beim Einspritzen des Dichtungsmaterials und verhindert so ein Verbiegen des Rahmensubstrats 4, was zu einer ungleichmäßigen Verteilung des Dichtungsmaterials zwischen den beiden Seiten oder sogar zu einer Blockierung einer der Seiten führen könnte. Mehr als ein Kanal 14 mit ausreichender Kanaltiefe auf jeder Seite des Rahmensubstrats 14 verringert die Wahrscheinlichkeit kleiner Abweichungen, die bei nicht abgestützten Substraten, bei der Bearbeitung von Werkzeugkanälen, bei Graten/Biegungen an den Rahmenkanten usw. auftreten können. Die Freiräume 8 können beispielsweise eine Breite von mindestens etwa 0,25 mm aufweisen, um eine ausreichende Abstützfläche zu bieten. Die Angussstege 7 sind flacher als die Dichtwülste 30 der Dichtungsanordnung 3, um Kontakt zu den angrenzenden Bipolarplatten 20 zu vermeiden (vgl. Fig. 5). Das Angussteil 5 ist aus dem gleichen Grund nochmals flacher. In this embodiment, three sprue bars 7 (or sprue channels 14) are also provided on each side, so that the material flow from the through-opening 6 and the sprue reservoir 13 is distributed over these several sprue channels 14. This allows Redundancy can be created so that the sealing arrangement 3 can be successfully formed even if one of the channels 14 is blocked. In addition, the injection mold 10 supports the frame substrate 4 in the clearances 8 between the sprue lands 7 (or the sprue channels 14) during injection of the sealing material and thus prevents bending of the frame substrate 4, which could lead to uneven distribution of the sealing material between the two sides or even to blockage of one of the sides. More than one channel 14 with sufficient channel depth on each side of the frame substrate 14 reduces the likelihood of small deviations that can occur with unsupported substrates, during machining of tool channels, burrs/bends on the frame edges, etc. The clearances 8 can, for example, have a width of at least about 0.25 mm in order to provide a sufficient support surface. The sprue lands 7 are flatter than the sealing beads 30 of the sealing arrangement 3 to avoid contact with the adjacent bipolar plates 20 (see Fig. 5). The sprue part 5 is even flatter for the same reason.

Wie in Fig. 10 zu erkennen ist erstreckt sich das Angussteil 5 in einer Richtung quer zu den Angussstegen 7 über die Durchgangsöffnung 6 hinaus auf die Oberflächen 4a, 4b und umgreift damit das Rahmensubstrat 4. So wird das Angussteil 5 und das Dichtungsmaterial in der Durchgangsöffnung an Ort und Stelle gehalten. As can be seen in Fig. 10, the sprue part 5 extends in a direction transverse to the sprue webs 7 beyond the through-opening 6 onto the surfaces 4a, 4b and thus encompasses the frame substrate 4. In this way, the sprue part 5 and the sealing material are held in place in the through-opening.

Während vorhergehend wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben wurde, ist zu bemerken, dass eine große Anzahl von Variationen dazu existiert. Es ist dabei auch zu beachten, dass die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen nur nichtlimitierende Beispiele darstellen, und es nicht beabsichtigt ist, dadurch den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der hier beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren zu beschränken. Vielmehr wird die vorhergehende Beschreibung dem Fachmann eine Anleitung zur Implementierung mindestens einer beispielhaften Ausführungsform liefern, wobei es sich versteht, dass verschiedene Änderungen in der Funktionsweise und der Anordnung der in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elemente vorgenommen werden können, ohne dass dabei von dem in den angehängten Ansprüchen jeweils festgelegten Gegenstand sowie seinen rechtlichen Äquivalenten abgewichen wird. BEZUGSZEICHENLISTE While at least one exemplary embodiment has been described above, it should be appreciated that a wide variety of variations exist. It should also be understood that the described exemplary embodiments are merely non-limiting examples and are not intended to limit the scope, applicability, or configuration of the devices and methods described herein. Rather, the foregoing description will provide a guide to implementing at least one exemplary embodiment; it being understood that various changes in the operation and arrangement of the elements described in an exemplary embodiment may be made without departing from the subject matter as defined in the appended claims, as well as their legal equivalents. LIST OF REFERENCE SYMBOLS

1 gerahmte Membranelektrodenanordnung (MEFA)1 framed membrane electrode assembly (MEFA)

2 Membranelektrodenanordnung (MEA) 2 membrane electrode assembly (MEA)

3 Dichtungsanordnung 4 Rahmensubstrat 3 Sealing arrangement 4 Frame substrate

5 Angussteil 5 sprue part

6 Durchgangsöffnung 6 passage opening

6a Rand der Durchgangsöffnung 6a Edge of the passage opening

7 Angusssteg 8 Freiraum 7 Gate 8 Clearance

9 Einspritzöffnung 9 Injection opening

10 Spritzgussform 10 Injection mold

11 , 12 Halbschalen der Spritzgussform 11 , 12 Half shells of the injection mold

13 Angussreservoir 14 Angusskanal 13 sprue reservoir 14 sprue channel

15 Kavität 15 Cavity

20 Bipolarplatte 20 bipolar plate

30 Dichtwulst 30 Sealing bead

Claims

1 . Framed membrane electrode assembly (1) for a fuel cell, comprising: a membrane electrode assembly (2) with a frame substrate (4) which is arranged at least in an edge region of the membrane electrode assembly (2), wherein the frame substrate (4) has at least one through-opening

(6) which extends through the frame substrate (4) from an anode-side surface (4a) to a cathode-side surface (4b); and a sealing arrangement (3) made of a sealing material, wherein the sealing arrangement (3) is arranged on both the anode-side and the cathode-side surface of the frame substrate (4) and has at least one sealing bead (30) which is connected to a sprue part (5) made of the sealing material on both the anode side and the cathode side via at least one sprue web (7), wherein the through-opening (6) is filled with the sealing material and the sprue part (5) overlaps with the through-opening (6), wherein the through-opening (6) is open at least in the direction of the at least one sprue web

(7) has a greater extension than the sprue part (5).

2. Framed membrane electrode assembly according to claim 1, wherein the through opening (6) overlaps with the at least one sprue web (7).

3. Framed membrane electrode assembly according to claim 1 or 2, wherein a distance between the sealing bead (30) and the sprue part (5) is greater than a distance between the sealing bead (30) and the through opening (6).

4. Framed membrane electrode assembly according to one of the preceding claims, wherein the at least one sprue web (7) extends between the sprue part (5) and the sealing bead (30) over an edge of the through-opening (6).

5. Framed membrane electrode assembly according to one of the preceding claims, wherein the sprue part (5) is connected to the respective sealing bead (30) on both the anode side and the cathode side via more than one sprue web (7).

6. Framed membrane electrode assembly according to claim 5, wherein a free space (8) between the sprue webs (7), the sealing bead (30) and the through opening (6) is free of the sealing material.

7. Framed membrane electrode assembly according to 5 or 6, wherein the gate webs (7) extend parallel to one another from the gate part (5).

8. Framed membrane electrode assembly according to one of claims 5 to 7, wherein an edge of the through-opening (6) facing the sealing bead (30) has a straight section (6a) whose length is greater than the sum of the widths of all the sprue webs (7) and their intermediate spaces (8).

9. Framed membrane electrode assembly according to one of the preceding claims, wherein the sprue part (5) extends in at least one direction of extension beyond the through opening (6) in each case over the anode-side and cathode-side surfaces (4a, 4b) of the frame substrate (4).

10. Framed membrane electrode assembly according to one of the preceding

Claims, wherein the at least one sprue web (7) is flatter than the sealing bead (30).

11. Framed membrane electrode assembly according to one of the preceding

Claims, wherein the sprue part (5) is flatter than the at least one sprue web (7).

12. Method for producing a sealing arrangement (3) of a framed

Membrane electrode assembly (1) for a fuel cell, in particular a framed membrane electrode assembly (1) according to one of the preceding claims, wherein the method comprises:

Providing a frame substrate (4) for a membrane electrode assembly (2) or a membrane electrode assembly (2) with a frame substrate (4) which is arranged at least in an edge region of the membrane electrode assembly (2), wherein the frame substrate (4) has at least one through-opening (6) which extends through the frame substrate (4) from an anode-side surface (4a) to a cathode-side surface (4b);

Arranging the frame substrate (4) or the membrane electrode arrangement (2) with the frame substrate (4) between two half-shells (11, 12) of an injection mold (10) with at least one injection opening (9), so that the Injection opening (9) is arranged in the region of the through-opening (6), wherein the half-shells (11, 12) of the injection mold (10) have cavities (15) which define a sealing arrangement (3) on both the anode-side and the cathode-side surface (4a, 4b) of the frame substrate (4), each with at least one sealing bead (30) and are each connected to a sprue reservoir (13) via at least one sprue channel (14) on both the anode side and the cathode side, wherein the sprue reservoir (13) overlaps with the through-opening (6);

Introducing a sealing material through the injection opening (9) into the injection mold (10) so that the through-opening (6) and the sprue reservoir (13) are filled with the sealing material and the sealing material is distributed via the sprue channels (14) in the cavities (15) of both half-shells (11, 12), wherein the through-opening (6) has a greater extent than the sprue reservoir (13), at least in the direction of the at least one sprue channel (14).

13. The method according to claim 12, wherein the sealing material is distributed simultaneously on the anode side and the cathode side during introduction into the cavities (15) of the two half-shells (11, 12) of the injection mold (10).

14. The method according to claim 12 or 13, wherein the through-opening (6) is brought into contact with the at least one sprue channel (14) when the frame substrate (4) or the membrane electrode assembly (2) is arranged with the frame substrate (4) in the injection mold (10), so that the sealing material is distributed during injection both from the sprue reservoir (13) and from the through-opening (6) via the at least one sprue channel (14) in the cavities (15).

15. The method according to one of claims 12 to 14, wherein the sprue reservoir (13) is connected to the respective cavity (15) via more than one sprue channel (14) in each of the two half-shells (11, 12) on both the anode side and the cathode side, wherein the sprue channels (4) in the two half-shells are congruent, so that the frame substrate (4) is held by the injection mold (10) between the sprue channels (14) on both the anode side and the cathode side.