DE102020216363A1

DE102020216363A1 - Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung, Membran-Elektroden-Anordnung sowie Brennstoffzelle mit einer Membran-Elektroden-Anordnung

Info

Publication number: DE102020216363A1
Application number: DE102020216363.4A
Authority: DE
Inventors: Andreas Ringk
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-12-21
Filing date: 2020-12-21
Publication date: 2022-06-23
Also published as: CN220526961U; WO2022135889A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung (10) für eine Brennstoffzelle, umfassend die Schritte- Bereitstellen einer Membran (1), vorzugsweise einer Polymermembran,- Ausbilden von Elektroden (2, 3) durch beidseitiges Beschichten der Membran (1) mit einem katalytisch aktiven Material,- Ausbilden eines die Membran (1) in zumindest einem Randbereich (A) einfassenden Gaskets (4) unter Verwendung von zwei Kunststofffolien (6, 7) und eines Klebstoffs (5).Erfindungsgemäß werden beim Ausbilden des Gaskets (4) die beiden Kunststofffolien (6, 7) im Randbereich (A) beidseits an die beschichtete Membran (1) angelegt und außerhalb des Randbereichs (A) miteinander verklebt.Die Erfindung betrifft ferner eine Membran-Elektroden-Anordnung (10) sowie eine Brennstoffzelle mit einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Anordnung (10).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Membran-Elektroden-Anordnung sowie eine Brennstoffzelle mit einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Anordnung.
Stand der Technik
Mit Hilfe einer Brennstoffzelle kann unter Verwendung eines Brennstoffs, beispielsweise Wasserstoff, und eines Oxidationsmittels, beispielsweise Sauerstoff, chemische in elektrische Energie gewandelt werden. Die Brennstoffzelle weist hierzu eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) mit einer Membran auf, die zur Ausbildung von Elektroden beidseitig mit einem katalytisch aktiven Material beschichtet ist. Zur Randverstärkung wird die beidseits beschichtete Membran in der Regel zwischen zwei Kunststofffolien einlaminiert. Diese Art der Randverstärkung wird auch „Gasket“ genannt. Die beiden Kunststofffolien weisen dabei großflächige Fenster auf, damit bis auf einen schmalen umlaufenden Randbereich die beschichtete Membran frei bleiben. Die freien Flächen bilden aktive Flächen aus, über welche im Betrieb der Brennstoffzelle der für die elektrochemische Reaktion erforderliche Protonenaustausch erfolgt.
Bei der Ausbildung des Gaskets bzw. beim Einlaminieren der beschichteten Membran werden ca. 6% der aktiven Fläche durch Klebstoff abgedeckt und somit deaktiviert. Dies wirkt sich negativ auf die Performance der Brennstoffzelle aus.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Performance einer Brennstoffzelle mit einer einlaminierten Membran-Elektroden-Anordnung zu verbessern. Ferner soll die Membran-Elektroden-Anordnung möglichst einfach und kostengünstig herstellbar sein.
Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie die Membran-Elektroden-Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird eine Brennstoffzelle mit einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Anordnung angegeben.
Offenbarung der Erfindung
Das vorgeschlagene Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle umfasst die Schritte

- Bereitstellen einer Membran, vorzugsweise einer Polymermembran,
- Ausbilden von Elektroden durch beidseitiges Beschichten der Membran mit einem katalytisch aktiven Material,
- Ausbilden eines die Membran in zumindest einem Randbereich einfassenden Gaskets unter Verwendung von zwei Kunststofffolien und eines Klebstoffs.

Erfindungsgemäß werden beim Ausbilden des Gaskets die beiden Kunststofffolien im Randbereich beidseits an die beschichtete Membran angelegt und außerhalb des Randbereichs miteinander verklebt werden.
Die aktiven Flächen im Randbereich der Membran bleiben somit frei von Klebstoff, und zwar beidseits, das heißt sowohl anodenseitig als auch kathodenseitig. Da die aktiven Flächen nicht durch den Klebstoff abgedeckt werden, werden sie auch nicht deaktiviert. Die im Randbereich beidseits an der Membran anliegenden Kunststofffolien allein führen nicht zu einer Deaktivierung der aktiven Flächen, da die Reaktionsgase auch unter die Kunststofffolien gelangen können. Die aktiven Flächen erstrecken sich somit bis unter die Kunststofffolien. Dies führt zu einer Vergrößerung der aktiven Flächen und damit zu einer Verbesserung der Performance der Membran-Elektroden-Anordnung bzw. der hieraus hergestellten Brennstoffzelle.
Da die Kunststofffolien bei dem vorgeschlagenen Verfahren nicht vollflächig verklebt werden, kann zudem Klebstoff eingespart werden. Dadurch sinken die Kosten bei der Herstellung der Membran-Elektroden-Anordnung. Ferner weisen nach dem vorgeschlagenen Verfahren hergestellte Membran-Elektroden-Anordnungen ein geringeres Gewicht auf. Die beschichtete Membran wird durch die Steifigkeit der Kunststofffolien im Gasket gehalten. Auf diese Weise wird eine Randverstärkung auch ohne direkte Verklebung der Kunststofffolien mit der Membran erreicht.
Bevorzugt wird der zur Verklebung der beiden Kunststofffolien verwendete Klebstoff lediglich bereichsweise auf eine oder beide Kunststofffolien aufgebracht. Das heißt, dass die mindestens eine Kunststofffolie bereichsweise frei von Klebstoff bleibt. Beim Aufbringen des Klebstoffs kann der Bereich, der frei von Klebstoff bleiben soll, mit einer Schattenmaske oder der gleichen abgedeckt werden.
Des Weiteren bevorzugt wird beim Aufbringen des Klebstoffs auf eine oder beide Kunststofffolien ein Bereich freigelassen, der gleich breit wie der eingefasste Randbereich der Membran ist. Darüber hinaus können weitere Bereiche freigelassen werden, sofern sichergestellt ist, dass die beiden Kunststofffolien gegen Verrutschen gesichert sind.
Sofern der Klebstoff zugleich als Dichtung bzw. Gasbarriere dient, ist dieser bevorzugt bis an den Randbereich der Membran herangeführt. Bevorzugt wird eine Stirnfläche der Membran mit den Kunststofffolien verklebt. Dadurch ist sichergestellt, dass die aktiven Flächen beidseits der Membran frei bleiben, die eingeklebte Stirnfläche jedoch keinen Gasaustausch zulässt. Unschädlich ist, wenn ein geringer Teil des Klebstoffs beim Anlegen der Kunststofffolien an die Membran und/oder bei einem anschließenden Laminiervorgang in den Randbereich hineingedrückt wird, so dass die aktiven Flächen im Randbereich nicht vollständig frei von Klebstoff sind. Dies liegt innerhalb eines zulässigen Toleranzbereiches und steht nicht im Widerspruch zu den Ansprüchen.
Ferner bevorzugt werden die Kunststofffolien vor und/oder nach dem Verkleben mit Aussparungen versehen. Erste Aussparungen können beispielsweise der Ausbildung von Medienkanälen dienen. Diese werden bevorzugt in Endabschnitten der Kunststofffolien angeordnet. Bei den Aussparungen kann es sich insbesondere um Ausstanzungen handeln. Diese können vor oder nach dem Verkleben der Kunststofffolien miteinander in diese eingebracht werden. Weitere Aussparungen bzw. Ausstanzungen dienen vorzugsweise der Ausbildung fensterartiger Öffnungen zur Freilassung der aktiven Flächen der beschichteten Membran. Diese Aussparungen bzw. Ausstanzungen können nur vor dem Verkleben der Kunststofffolien hergestellt werden.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird ferner eine Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle vorgeschlagen. Diese umfasst eine Membran, vorzugsweise eine Polymermembran, die zur Ausbildung einer ersten und einer zweiten Elektrode beidseits mit einem katalytisch aktiven Material beschichtet und in zumindest einem Randbereich von einem Gasket eingefasst ist. Das Gasket ist aus beidseitig an der Membran anliegenden Kunststofffolien ausgebildet, die mit Hilfe eines Klebstoffs mit einer verklebt sind. Erfindungsgemäß sind die Kunststofffolien zumindest in einem Überdeckungsbereich mit dem Randbereich der Membran Klebstoff frei. Die aktive Fläche im Randbereich der Membran wird somit nicht durch Klebstoff abgedeckt und demzufolge auch nicht deaktiviert. Denn die an der Membran anliegenden Kunststofffolien verhindern nicht, dass die Reaktionsgase zwischen die Kunststofffolien und die Membran gelangen. Dadurch vergrößert sich die aktive Fläche auf beiden Seiten der Membran. Die Membran-Elektroden-Anordnung bzw. die hieraus hergestellte Brennstoffzelle weist somit eine verbesserte Performance auf. Zugleich sinkt der Klebstoffverbrauch. Ferner reduziert sich das Gewicht der Membran-Elektroden-Anordnung sowie der hieraus hergestellten Brennstoffzelle.
Die vorgeschlagene Membran-Elektroden-Anordnung kann insbesondere nach dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der klebstofffreie Bereich der Kunststofffolien gleich breit wie der eingefasste Randbereich der Membran. Auf diese Weise soll vermieden werden, dass Klebstoff zwischen die Kunststofffolien und die Membran gelangt. Ganz ausgeschlossen kann dies jedoch nicht werden und liegt innerhalb eines Toleranzbereiches, der nicht im Widerspruch zu Erfindung steht.
Bevorzugt reicht der Klebstoff bis an eine Stirnfläche der Membran heran, so dass die Membran stirnseitig mit den Kunststofffolien verklebt ist. Die stirnseitige Verklebung schränkt die aktiven Flächen der beschichteten Membran nicht ein, so dass dies keinen Nachteil in Bezug auf die Performance der Membran-Elektroden-Anordnung bzw. der Brennstoffzelle hat. Bei einer stirnseitigen Verklebung der Membran kann der Klebstoff zugleich als Dichtung bzw. Gasbarriere genutzt werden, die einen Gasübertritt von der einen Elektrodenseite auf die andere Elektrodenseite verhindert.
Ferner bevorzugt weisen die Kunststofffolien Aussparungen, vorzugsweise Ausstanzungen, zur Ausbildung von Medienkanälen auf. Die Aussparungen bzw. Ausstanzungen überdecken einander, so dass in gestapelter Anordnung gleichartiger Brennstoffzellen Medienkanäle ausgebildet werden. Die Medienkanäle dienen der Versorgung der Brennstoffzelle mit dem jeweiligen Reaktionsgas.
Bevorzugt weisen die Kunststofffolien weitere Aussparungen bzw. Ausstanzungen auf, die jedoch vor der Ausbildung des Gaskets in diese eingebracht worden sind. Bei diesen Aussparungen bzw. Ausstanzungen handelt es sich um großflächige fensterartige Öffnungen zur Freilegung der aktiven Flächen der beschichteten Membran. Mit Hilfe dieser Kunststofffolien kann eine umlaufende Randverstärkung bzw. ein umlaufendes Gasket ausgebildet werden, das eine ausreichend hohe Steifigkeit besitzt, um die Membran zu halten. Einer direkten Verklebung des Randbereichs der Membran mit dem Gasket bedarf es daher nicht.
Darüber hinaus wird eine Brennstoffzelle für einen Brennstoffzellenstapel vorgeschlagen, die eine erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Anordnung umfasst. Die Brennstoffzelle weist dank der erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Anordnung eine bessere Performance auf. Zudem ist sie kostengünstiger herstellbar, da Klebstoff eingespart werden. Durch die Materialeinsparungen verringert sich zudem das Gewicht der Brennstoffzelle.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

1 eine perspektivische Darstellung der einzelnen Elemente einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Anordnung vor dem Verkleben,
2 eine perspektivische Darstellung der Elemente der 1 nach dem Verkleben und
3 einen schematischen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Anordnung der 1 und 2.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine beidseitig mit einem katalytisch aktiven Material beschichtete Membran 1 sowie zwei Kunststofffolien 6, 7, die der Ausbildung eines Gaskets 4 dienen. Hierzu werden die beiden Kunststofffolien 6, 7 in einem Randbereich A beidseits an die beschichtete Membran 1 angelegt und außerhalb des Randbereichs A miteinander verklebt.
Die beiden Kunststofffolien 6, 7 sind gleich ausgeführt, so dass sie nach dem Verkleben einander überdecken. Dies gilt auch für in den Kunststofffolien 6, 7 vorgesehene Aussparungen 8, 9. Die Aussparungen 8 sind jeweils in Endabschnitten 11, 12 der Kunststofffolien 6, 7 ausgebildet, so dass beidseits der Membran 1 Medienkanäle ausgebildet werden. Die Aussparungen 9 dienen jeweils der Ausbildung eines großen Fensters, das einen großen Bereich der beschichteten Membran 1 freilässt. Hierbei handelt es sich um die aktive Fläche der beschichteten Membran 1.
Wie der 1 zu entnehmen ist, werden die Aussparungen 9 jeweils durch ein Bereich B eingefasst, der frei von Klebstoff 5 bleibt. Das heißt, dass der Klebstoff 5 zum Verkleben der Kunststofffolien 6, 7 lediglich außerhalb des Bereichs B auf die Kunststofffolien 6, 7 oder zumindest eine Kunststofffolie aufgetragen wird. Der Bereich B weist dabei eine Breite auf, die der Breite des Randbereichs A entspricht (siehe 3). Die Kunststofffolien 6, 7 werden daher im Wesentlichen lediglich miteinander, nicht aber mit dem Randbereich A der Membran 1 verklebt.
Die beidseits beschichtete Membran 1 und die zu einem Gasket 4 verklebten Kunststofffolien 6, 7 bilden gemeinsam eine Membran-Elektroden-Anordnung 10 aus (siehe 2), wobei die beidseitigen Beschichtungen der Membran 1 mit einem katalytisch aktiven Material Elektroden 2, 3 ausbilden.
Der Aufbau der Membran-Elektroden-Anordnung 10 ist in der 3 dargestellt. Dieser ist zu entnehmen, dass über die Verklebung der Kunststofffolien 6, 7 miteinander auch zu einer Verklebung der Kunststofffolien 6, 7 mit der Membran 1 führt. Die Verklebung beschränkt sich jedoch auf den Bereich einer Stirnfläche 13 der Membran, so dass die aktiven Flächen der Membran 1 nicht einschränkt werden. Denn der Randbereich A bleibt frei von Klebstoff 5. Das Gasket 4 ist somit lediglich stirnseitig mit der Membran 1 verklebt. Die stirnseitige Verklebung bildet eine Gasbarriere aus, die verhindert, dass Gas von einen Elektrode Seite auf die andere Elektrodenseite der Membran-Elektroden-Anordnung 10 gelangt.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung (10) für eine Brennstoffzelle, umfassend die Schritte - Bereitstellen einer Membran (1), vorzugsweise einer Polymermembran, - Ausbilden von Elektroden (2, 3) durch beidseitiges Beschichten der Membran (1) mit einem katalytisch aktiven Material, - Ausbilden eines die Membran (1) in zumindest einem Randbereich (A) einfassenden Gaskets (4) unter Verwendung von zwei Kunststofffolien (6, 7) und eines Klebstoffs (5), dadurch gekennzeichnet, dass beim Ausbilden des Gaskets (4) die beiden Kunststofffolien (6, 7) im Randbereich (A) beidseits an die beschichtete Membran (1) angelegt und außerhalb des Randbereichs (A) miteinander verklebt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zur Verklebung der beiden Kunststofffolien (6, 7) verwendete Klebstoff (5) lediglich bereichsweise auf eine oder beide Kunststofffolien (6, 7) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Aufbringen des Klebstoffs (5) auf eine oder beide Kunststofffolien (6, 7) ein Bereich (B) freigelassen wird, der gleich breit wie der eingefasste Randbereich (A) der Membran (1) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stirnfläche (13) der Membran (1) mit den Kunststofffolien (6, 7) verklebt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor und/oder nach dem Verkleben die Kunststofffolien (6, 7) mit Aussparungen (8, 9), vorzugsweise Ausstanzungen, versehen werden.
Membran-Elektroden-Anordnung (10) für eine Brennstoffzelle, umfassend eine Membran (1), vorzugsweise eine Polymermembran, die zur Ausbildung einer ersten und einer zweiten Elektrode (2, 3) beidseits mit einem katalytisch aktiven Material beschichtet und in zumindest einem Randbereich (A) von einem Gasket (4) eingefasst ist, das aus beidseitig an der Membran anliegende Kunststofffolien (6, 7) ausgebildet ist, die mit Hilfe eines Klebstoffs (5) miteinander verklebt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststofffolien (6, 7) zumindest in einem Überdeckungsbereich mit dem Randbereich (A) der Membran (1) klebstofffrei sind.
Membran-Elektroden-Anordnung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der klebstofffreie Bereich der Kunststofffolien (6, 7) gleich breit wie der eingefasste Randbereich (A) der Membran (1) ist.
Membran-Elektroden-Anordnung (10) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff (5) bis an eine Stirnfläche (13) der Membran (1) heranreicht, so dass die Membran (1) stirnseitig mit den Kunststofffolien (6, 7) verklebt ist.
Membran-Elektroden-Anordnung (10) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststofffolien (6, 7) Aussparungen (8, 9), vorzugsweise Ausstanzungen, zur Ausbildung von Medienkanälen aufweisen.
Brennstoffzelle für einen Brennstoffzellenstapel, umfassend eine Membran-Elektroden-Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 9.