DE102011104948B4

DE102011104948B4 - Brennstoffzellenanordnung und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE102011104948B4
Application number: DE102011104948.0A
Authority: DE
Inventors: Daniel P. Miller; Matthew J. Beutel; Sumeet Bhargava; Courtney E. Reich
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-06-23
Filing date: 2011-06-20
Publication date: 2020-06-04
Anticipated expiration: 2031-06-21
Also published as: US8399150B2; CN102299342A; CN102299342B; US20110318667A1; DE102011104948A1

Abstract

Integrierte Brennstoffzellenanordnung (100), umfassend:eine Polymermembran (25);eine Anodenelektrode (32) und eine Kathodenelektrode (30) auf gegenüberliegenden Seiten der Polymermembran (25);ein Paar Gasdiffusionsmedien (35) auf gegenüberliegenden Seiten der Polymermembran (25), wobei die Gasdiffusionsmedien (35) eine mikroporöse Schicht (40) und eine Gasdiffusionsschicht (45) umfassen, wobei die Anodenelektrode (32) und die Kathodenelektrode (30) zwischen der Polymermembran (25) und dem Paar Gasdiffusionsmedien (35) positioniert sind;eine einzige Unterdichtung (55), die sich zwischen der Anodenelektrode (32) und der Kathodenelektrode (30) befindet und die um einen Umfang eines der Gasdiffusionsmedien (35) herum positioniert ist, wobei die Unterdichtung (55) einen aktiven Bereich der Anodenelektrode (32) und der Kathodenelektrode (30) innerhalb des Umfangs der Gasdiffusionsmedien (35) umgibt und die Unterdichtung eine Schicht aus einem thermisch aktivierten Kleber (60) darauf aufweist, der einen in dem aktiven Bereich an einer Kante der Unterdichtung (55) gebildeten Hohlraum (62) füllt;eine Bipolarplatte (65), die mit der Unterdichtung (55) durch die Schicht aus thermisch aktiviertem Kleber (60) abdichtend verklebt ist, um eine gasdichte Dichtung zu bilden, wobei die Bipolarplatte (65) eine Anodenseite und eine Kathodenseite aufweist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Brennstoffzellen und im Spezielleren Brennstoffzellenanordnungen und Verfahren zur Herstellung derselben.
Hintergrund der Erfindung
Elektrochemische Umwandlungszellen, die üblicherweise als Brennstoffzellen bezeichnet werden, erzeugen elektrische Energie durch Verarbeitung eines ersten und zweiten Reaktanden beispielsweise durch Oxidation und Reduktion von Wasserstoff und Sauerstoff. Veranschaulichend und nicht einschränkend umfasst eine typische Polymerelektrolytbrennstoffzelle eine Polymermembran (beispielsweise eine Protonenaustauschmembran (PEM)), die zwischen einem Paar Katalysatorschichten und einem Paar Gasdiffusionsmedien (GDM) positioniert ist. Die GDM umfassen typischerweise eine Gasdiffusionsschicht und eine mikroporöse Schicht (MPL). Die Kathodenelektrodenschichten können Teil der PEM (katalysatorbeschichtete Membran (CCM)) oder als eine Schicht auf den DM (katalysatorbeschichtete Diffusionsmedien (CCDM)) sein. Eine Kathodenplatte und eine Anodenplatte (oder Bipolarplatten BPP) sind an den äußersten Seiten benachbart zu den Gasdiffusionsmedienschichten positioniert und die vorhergehenden Komponenten werden fest zusammengepresst, um die Zelleneinheit zu bilden.
Die durch eine einzelne Zelleneinheit vorgesehene Spannung ist typischerweise zu klein für Nutzanwendungen. Demgemäß ist eine Vielzahl von Zellen, typischerweise etwa 200 bis zu etwa 300 oder mehr, in einem „Stapel“ angeordnet und aufeinanderfolgend elektrisch verschaltet, um die elektrische Spannungsabgabe der elektrochemischen Umwandlungsanordnung oder Brennstoffzelle zu erhöhen. Jede Zelle umfasst typischerweise eine Bipolarplattenanodrnung (BPP) und eine in Baueinheiten unterteilte Elektrodenanordnung (UEA) (GDM/Cat/PEM/Cat/GDM). Die Komponenten müssen zu dem Stapel zusammengebaut werden, was dazu führt, dass etwa 400 bis etwa 600 oder mehr einzelne Komponenten zusammengebaut werden müssen.
Die UEA umfasst ein Unterdichtungsmaterial, das dazu dient, die Anoden- und Kathodenströmungsflüsse zu trennen, und stellt eine elektrische Trennung zwischen den Anoden- und Kathodenplatten der Brennstoffzelle bereit, wie dies aus der DE 10 2007 052 637 A1 bekannt ist, wobei dort die Unterdichtung mit der Membranelektrodenanordnung verklebt ist. Weitere Dichtungsanordnungen sind in den Schriften DE 10 2007 051 812 A1 , DE 10 2009 040 551 A1 , US 2009/0162734 A1 und US 2007/0148517 A1 beschrieben. Es besteht der Wunsch, die Dicke des Unterdichtungsmaterials zu reduzieren, um die Kosten zu verringern und die Membranbelastung an der Unterdichtungskante herabzusetzen, wo die Anoden- und Kathoden-GDMs die Unterdichtung überlappen. Einige derzeitige UEAs sind mit Dünnfilm-Unterdichtungen im Bereich einer Dicke von 0,0254 bis 0,0508 mm hergestellt, die mechanisch schwach sind und schwierig zu handhaben sein können. Wenn die UEA mit einer dünnen Unterdichtung zu einem Brennstoffzellenstapel als eine eigene Komponente zusammengebaut wird, kann es schwierig sein, eine gute positionelle Ausrichtung der zugeschnittenen UEA-Profilmerkmale mit den BPP-Merkmalen und der Brennstoffzellenstapelanordnung zu erreichen.
Es ist eine Dichtung um den Umfang der Zelle herum und auch zwischen den Reaktandenströmen angeordnet. Das Unterdichtungsmaterial der UEA muss zwischen benachbarten Plattenanordnungen der Brennstoffzelle abgedichtet sein, da die Unterdichtungsfilmmaterialien den Plattenmaterialien selbst keine entsprechende Dichtungsintegrität verleihen. Ein Elastomerdichtungsmaterial stellt diese Funktion typischerweise bereit. Das Dichtungsmaterial kann gleichermaßen auf jeder Seite des Unterdichtungsfilmes angeordnet sein oder der Großteil des Elastomers kann einer Seite sein, während die andere Seite nur eine dünne Schicht aus Dichtungsmaterial (Mikrodichtung) aufweist. In einigen Fällen wird die UEA zu der BPP mit Hilfe einer Mikrodichtung aus Haftklebern (PSAs) abgedichtet, die eine spezielle Trägerfolie erfordern, um eine unerwünschte oder vorzeitige Klebung zu verhindern. Es ist wünschenswert, dass sich das Unterdichtungsfilmmaterial bis zu den Plattenkanten oder geringfügig über die se hinaus erstreckt, um als ein elektrischer Isolator zwischen den Anoden- und Kathodenplatten einer Zelle zu wirken. PSAs, die auf diesen überhängenden Unterdichtungen vorhanden sind, können zusätzliche Stapelzusammenbauprobleme mit sich bringen, da die Kleber in diesen Bereichen, in denen die Klebefunktion nicht unbedingt erwünscht ist, frei liegend und aktiv sind.
Es besteht daher Bedarf an einer Zellenanordnung, die einfach zu handhaben und anschließend zu einem Stapel zusammenzubauen ist, während auch eine gute maßliche Ausrichtung zwischen allen von den Komponenten und Merkmalen aufrechterhalten wird, welche die Stapelanordnung ausmachen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wird diesem Bedarf gerecht. Ein Aspekt ist eine Brennstoffzellenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Brennstoffzellenanordnung umfasst eine Polymermembran; eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode auf gegenüberliegenden Seiten der Polymermembran; ein Paar Gasdiffusionsmedien auf gegenüberliegenden Seiten der Polymermembran, wobei die Gasdiffusionsmedien eine mikroporöse Schicht und eine Gasdiffusionsschicht umfassen, wobei die Anodenelektrode und die Kathodenelektrode zwischen der Polymermembran und dem Paar Gasdiffusionsmedien positioniert sind; eine Unterdichtung, die um einen Umfang eines der Gasdiffusionsmedien herum positioniert ist, wobei die Unterdichtung einen aktiven Bereich im Inneren des Umfanges definiert und die Unterdichtung eine Schicht aus einem thermisch aktivierten Kleber darauf aufweist; und eine Bipolarplatte, die zu der Unterdichtung durch die Schicht aus thermisch aktiviertem Kleber abgedichtet ist, um eine gasdichte Dichtung zu bilden, wobei die Bipolarplatte eine Anodenseite und eine Kathodenseite aufweist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 zur Herstellung einer Brennstoffzellenanordnung. Das Verfahren umfasst, dass eine in Baueinheiten unterteilte Elektrodenanordnung vorgesehen wird, welche umfasst: eine Polymermembran; eine Anodenelektrodenschicht und eine Kathodenelektrodenschicht auf gegenüberliegenden Seiten der Polymermembran; ein Paar Gasdiffusionsmedien auf gegenüberliegenden Seiten der Polymermembran, wobei die Gasdiffusionsmedien eine mikroporöse Schicht und eine Gasdiffusionsschicht umfassen, wobei die Anodenelektrode und die Kathodenelektrode zwischen der Polymermembran und dem Paar Gasdiffusionsmedien positioniert sind; und eine Unterdichtung, die um einen Umfang eines der Gasdiffusionsmedien herum positioniert ist, wobei die Unterdichtung einen aktiven Bereich im Inneren des Umfanges definiert und die Unterdichtung eine Schicht aus einem thermisch aktivierten Kleber zu der Unterdichtung aufweist; eine Bipolarplatte auf der Schicht aus thermisch aktiviertem Kleber angeordnet wird, wobei die Bipolarplatte eine Anodenseite und eine Kathodenseite aufweist; und der thermisch aktivierte Kleber erwärmt wird, um die Bipolarplatte zu der in Baueinheiten unterteilten Elektrodenanordnung abzudichten, und eine gasdichte Dichtung gebildet wird.
Ein Verfahren zum Zusammenbau eines Brennstoffzellenstapels kann umfassen, dass eine Vielzahl von Brennstoffzellenanordnungen vorgesehen wird, welche umfasst: eine Polymermembran; eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode auf gegenüberliegenden Seiten der Polymermembran; ein Paar Gasdiffusionsmedien auf gegenüberliegenden Seiten der Polymermembran, wobei die Gasdiffusionsmedien eine mikroporöse Schicht und eine Gasdiffusionsschicht umfassen, wobei die Anode und die Kathode zwischen der Polymermembran und dem Paar Gasdiffusionsmedien positioniert sind; eine Unterdichtung, die um einen Umfang eines der Gasdiffusionsmedien herum positioniert ist, wobei die Unterdichtung einen aktiven Bereich im Inneren des Umfanges definiert und die Unterdichtung eine Schicht aus einem thermisch aktivierten Kleber darauf aufweist; und eine Bipolarplatte, die zu der Unterdichtung durch die Schicht aus thermisch aktiviertem Kleber abgedichtet ist, um eine gasdichte Dichtung zu bilden, wobei die Bipolarplatte eine Anodenseite und eine Kathodenseite aufweist; die Vielzahl von Brennstoffzellenanordnungen [engl: fuel assembly] derart gestapelt wird, dass die Bipolarplatte in einer Brennstoffzellenanordnung benachbart zu einem der Gasdiffusionsmedien einer weiteren Brennstoffzellenanordnung ist; und die Vielzahl von Brennstoffzellenanordnungen zusammengepresst wird.
Figurenliste

1 ist eine Explosionsdarstellung einer in Baueinheiten unterteilten Elektrodenanordnung.
2A-B sind Querschnittsansichten einer in Baueinheiten unterteilten Elektrodenanordnung.
3 ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts einer Brennstoffzelle, die eine in Baueinheiten unterteilte Elektrodenanordnung enthält.
4 ist eine Querschnittsansicht eines weiteren Abschnitts der Brennstoffzelle von 3.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die 1 und 2 veranschaulichen eine UEA 10. Die UEA 10 umfasst eine Anode 15 und eine Kathode 20 auf gegenüberliegenden Seiten einer PEM 25. In dieser Ausführungsform sind die Anode 15 und die Kathode 20 CCDM mit einer Kathodenelektrodenschicht 30 und einer Anodenelektrodenschicht 32 auf den GDM 35, welche eine MPL 40 und eine Gasdiffusionsschicht 45 umfassen. Die Kathodenelektrodenschicht 30 und die Anodenelektrodenschicht 32 befinden sich auf der MPL 40. Es könnte jedoch auch eine CCM (in der sich die Elektrodenschicht auf der PEM befindet) verwendet werden, falls erwünscht.
Zwischen der Anode 15 und der Kathode 20 befindet sich eine Unterdichtung 55. Die Unterdichtung 55 umgibt den Umfang des aktiven Bereiches der Anode 15 und der Kathode 20 (ähnlich wie ein Bilderrahmen). Die Unterdichtung kann aus einem beliebigen Polymerfilm hergestellt sein, der die Zellenanforderungen erfüllt (beispielsweise geeignete mechanische Eigenschaften auf der Basis der Betriebstemperaturen, Drücke und Dicken aufweist, ein elektrischer Isolator ist oder Oberflächen aufweist, die elektrisch nicht leitend sind und wünschenswerterweise kostengünstig und einfach zu fertigen ist). Geeignete Materialien umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Polyethylen-Naphthalat (PEN), Polyimid (PI), Polyether-Etherketon (PEEK) etc.
Die Unterdichtung 55 kann optional eine oder mehrere Ausrichtungsöffnungen 57 umfassen, welche die UEA relativ zu Ausrichtungsmerkmalen der BPP positionieren werden. Auf dem technischen Gebiet sind weitere Arten von Ausrichtungsmerkmalen bekannt, die ebenfalls verwendet werden können. Falls gewünscht, können auch Durchgangslöcher 59 für verschiedene Plattenmerkmale vorhanden sein.
Die Unterdichtung 55 weist eine Schicht aus einem thermisch aktivierten Kleber 60 auf der der Kathode 20 zugewandten Seite auf. Thermisch aktivierte Kleber benötigen keine Trägerfolie, um eine vorzeitige Klebung bei Umgebungstemperatur zu verhindern. Der thermisch aktivierte Kleber kann ein beliebiger Kleber sein, der die Zellenanforderungen (z. B. Betriebstemperaturen zwischen -30 und 100 °C, Drücke bis zu 300 kPa, verträglich mit einer sauren Membran, Wasserstoff, Luft und Wasser, und der ein elektrischer Leiter ist) erfüllt. Geeignete thermisch aktivierte Kleber umfassen Ethylen-Vinylacetat (EVA), Ethylen-Acrylsäure (EAA), Polyamid, Polyester, Polyolefine, Polyurethane und Kombinationen davon, sind jedoch nicht beschränkt.
Der thermisch aktivierte Kleber 60 klebt auch die PEM an die Unterdichtung 55, um eine gasdichte Verbindung zu schaffen.
Es sind verstärkende Zufuhrzwischenlagen 50 gegenüberliegenden Enden der Kathode 20 positioniert. Die Zufuhrzwischenlagen werden verwendet, um strukturelle Unterstützung für die Unterdichtung über den Kanalmerkmalen im Zufuhrgebiet der Platte bereitzustellen. Es ist typischerweise eine Anode-zu-Kathode-Druckvorspannung vorhanden, welche wirksam ist, um die Unterdichtung in die Kanäle hinein zu treiben, und die Strömung und/oder den Druckabfall durch die Zelle hindurch drosselt bzw. erhöht. Es ist wünschenswert, die Unterdichtung in den Bereichen dünn zu halten, wo die GDM sie überlappen, während für das Zufuhrgebiet ein dickes, strukturell fehlerfreies Material erforderlich ist.
Der thermisch aktivierte Kleber 60 klebt die Zufuhrzwischenlagen 50 an die Unterdichtung 55. Die Zufuhrzwischenlagen 50 können in Abhängigkeit von der Ausgestaltung des Zufuhrgebietes die gleiche Größe aufweisen oder sie können verschieden sein. Die Zufuhrzwischenlagen weisen typischerweise etwa die gleiche Größe auf wie das Zufuhrgebiet, wobei beispielsweise Zufuhrzwischenlagen von etwa 50 bis etwa 80 cm² geeignet sind. Die Zufuhrzwischenlagen sind typischerweise aus PEN hergestellt, wenngleich auch andere geeignete Materialien verwendet werden könnten.
Die 3 und 4 veranschaulichen die Brennstoffzellenanordnung 100, welche die UEA 10 und die BPP 65 umfasst. Die BPP 65 weist eine Kathodenplatte 70 und eine Anodenplatte 75 auf. Die UEA 10 ist mithilfe des thermisch aktivierten Klebers 60 an die Kathodenplatte 70 der BPP 65 geklebt. Der thermisch aktivierte Kleber 60 bildet eine gasdichte Dichtung zwischen der UEA 10 (Unterdichtung 55) und der BPP 65. Der thermisch aktivierte Kleber 60 hält die UEA 10 und die BPP 65 während der weiteren Verarbeitung wie z. B. dem Hinzufügen von Sammlerausschnitten durch die Unterdichtung hindurch und Zuschneiden der Unterdichtung auf die Endgröße und dem Brennstoffzellenstapel-Zusammenbau in korrekter Ausrichtung.
Die Brennstoffzellenanordnung 100 weist vier Abschnitte auf: den Zufuhrabschnitt 105, den Aktivbereich-Kantenabschnitt 110, den Aktivbereichabschnitt 115 und den Dichtungsbereichabschnitt 120.
Der Zufuhrabschnitt 105 umfasst die BPP 65 mit der Kathodenplatte 70 und der Anodenplatte 75. Der thermisch aktivierte Kleber 60 auf der Kathodenseite der Unterdichtung 55 positioniert die Zufuhrzwischenlage 50 zu der Kathodenplatte 70 der BPP 65.
Der Aktivbereich-Kantenabschnitt 110 umfasst die Anodenplatte 75 und die Kathodenplatte 70 der BPP 65. Die UEA 10 in diesem Abschnitt umfasst eine Gasdiffusionsschicht 45, eine MPL 40, eine Kathodenelektrode 30, eine PEM 25, den thermisch aktivierten Kleber 60, die Unterdichtung 55, eine Anodenelektrode 32, eine MPL 40 und eine Gasdiffusionsschicht 45. Darauf können zusätzliche Brennstoffzellenanordnungen folgen.
Der Aktivbereichabschnitt 115 enthält dieselben Komponenten wie der Aktivbereich-Kantenabschnitt 110, außer dass kein/e Unterdichtung 55 oder thermisch aktivierter Kleber 60 vorhanden ist. In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, dass der thermische Kleber unter Temperatur und Druck hinter der Kante des Unterdichtungsfensters und etwas in den aktiven Bereich hinein (~ 100-500 µm) vorbeiwandert und einen sanften Übergang zwischen der Kante der Unterdichtung und dem Punkt bereitstellt, wo die Anodenkatalysatorschicht 32 mit der PEM 25 in Kontakt steht. Dieser Bereich würde ohne den vorhandenen thermischen Kleber einen Zeltbereich zur Folge haben, der durch die Unterdichtungsdicke gebildet ist, wo kein Kontakt zwischen der Elektrode und der PEM für ein CCDM und zwischen der MPL und der Elektrode für eine CCM vorhanden ist. Der Zeltbereich wird gebildet, wenn die Anoden- und die Kathoden-GDM/Elektrode/Membran von der äußeren Fläche der Gasdiffusionsschicht (jene in Kontakt mit den Anoden- und Kathodenplatten) zusammengepresst werden. Die Schichten der UEA sind steif genug, um eine Spanne über der Dicke der Unterdichtung zu schaffen, die verhindert, dass die benachbarten Schichten miteinander in Kontakt gelangen. Dieser Bereich 62 kann gefüllt werden, wenn der thermische Kleber mit angewendetem Druck wandert, wenn die Gasdiffusionsschicht der UEA einer Temperatur und einem Druck unterworfen ist, wie in 2B gezeigt. Solch eine Anordnung ist in der US-Veröffentlichung US 2010/006 232 0 A1 beschrieben.
Der Dichtungsbereichabschnitt 120 enthält die Anodenplatte 70, die Kathodenplatte 75, den thermisch aktivierten Kleber 60, die Unterdichtung 55; die Dichtungen 80 und 85, gefolgt von einer weiteren BPP 65 etc. Die Dichtungen 80 und 85 sind zwei Arten von elastomeren Dichtungen, die verwendet werden könnten. Die Dichtung 80 ist ein Beispiel für eine vorgeformte Dichtung. Die Dichtung 85 wird durch Verteilen eines Dichtungsmaterials auf der BPP und Aushärten desselben gebildet. Falls erwünscht, könnten andere Arten von Dichtungen verwendet werden, die Fachleiten bekannt sind.
Die UEA 10 kann mithilfe von Passstiften oder ähnlichen Passmechanismen (nicht gezeigt) genau mit der BPP 65 ausgerichtet werden. Eine erwärmte Heizplatte wird gegen die UEA 10 über den gesamten Dichtungsstopfbuchsenbereich komprimiert. Die Wärme aktiviert den thermisch aktivierten Kleber, der die UEA 10 an die BPP 65 klebt. Er bildet eine gasdichte Dichtung zwischen der Geometrie der Kathodenplattenfläche und wirkt als eine Kathodendichtung. Er kann auch als ein Kühlmittel und als eine Anodendichtung an den Sammlern auf der Kathodenplatte wirken. Dies gestattet es, anstelle einer Teilflächenbeschichtung oder einer gedruckten Mikrodichtung auf der Kathodenplatte oder auf der Kathodenseite der UEA 10 die Dichtung kontinuierlich auf die Unterdichtung zu beschichten. Da die UEA 10 an der BPP 65 angebracht ist, kann die Unterdichtung 55 in Bezug auf die Plattenmerkmale für einwandfreie Überhänge, die als elektrischer Isolator zwischen den Platten wirken, unabhängig davon zugeschnitten werden, wo die UEA in Bezug auf die BPP-Merkmale positioniert ist. Alternativ könnte die gasdichte Dichtung auf der Anodenseite der Platte gebildet sein, falls erwünscht.
Durch Vormontage der Zellenkomponenten vor dem Zusammenbau des Zellenstapels ist die Anzahl der Komponenten, die während des Stapelzusammenbaus zusammengebaut werden müssen, um die Hälfte reduziert. Dies reduziert die Anzahl der Komponenten die während des Stapelzusammenbauprozesses gehandhabt und verfolgt werden müssen, und demnach die Stapelzusammenbaudauer. Die vormontierte Zelle lässt auch alternative Zellenstapelungsverfahren zu, die nicht verwendet werden können, wenn die UEA und die BPP als separate Komponenten behandelt werden.
Darüber hinaus ist es einfacher, die Ausrichtung der UEA und der BPP zu steuern, während sie zusammengeklebt werden, um die Brennstoffzellenanordnung zu bilden, anstatt die Ausrichtung einer jeden separaten UEA und BPP in einem Stapel von 200-300 Zellen zu steuern. Das Kleben verhindert auch jegliche Verschiebung der Zellenkomponenten in Bezug aufeinander bevor die Drucklast aufgebracht wird, die verwendet wird, um den Stapel zusammenzuhalten. Die Zellenunteranordnung gestattet es auch, nach dem Positionieren und Verbinden mit der BPP die Sammlermerkmale durch das Unterdichtungsmaterial hindurch zu schneiden. Dies reduziert die Menge des über die Plattenkante hängen-den Unterdichtungsmaterials, das erforderlich ist, um einen Kurzschluss zwischen Platten zu isolieren und zu verhindern. Es vergrößert auch die Querschnittsfläche, die für Reaktanden- und Kühlmittelströmungen durch die Unterdichtungssammleröffnungen hindurch zur Verfügung steht.
Das Anbringen des dünnen, schwachen Unterdichtungsmaterials der UEA an der steifen BPP schafft eine Unteranordnung, die einfach gehandhabt und ausgerichtet werden kann, wenn der Stapel zusammengebaut wird, ohne zu befürchten, dass das Unterdichtungsmaterial beschädigt wird.
Der thermisch aktivierte Kleber dient als ein kostengünstiges und robustes Dichtungsmaterial für die Unterdichtung/BPP-Grenzfläche. Der Kleber ist nicht vollständig auf die Druck (elastomeren) -eigenschaften des Materials angewiesen, das im Verlauf der Lebensdauer des Stapels einem Kriechen wie auch extremen Bedingungen wie z. B. einem Stapelfrieren, bei dem einige Elastomere viel von ihrer Elastizität verlieren können, unterworfen ist.

Claims

Integrierte Brennstoffzellenanordnung (100), umfassend: eine Polymermembran (25); eine Anodenelektrode (32) und eine Kathodenelektrode (30) auf gegenüberliegenden Seiten der Polymermembran (25); ein Paar Gasdiffusionsmedien (35) auf gegenüberliegenden Seiten der Polymermembran (25), wobei die Gasdiffusionsmedien (35) eine mikroporöse Schicht (40) und eine Gasdiffusionsschicht (45) umfassen, wobei die Anodenelektrode (32) und die Kathodenelektrode (30) zwischen der Polymermembran (25) und dem Paar Gasdiffusionsmedien (35) positioniert sind; eine einzige Unterdichtung (55), die sich zwischen der Anodenelektrode (32) und der Kathodenelektrode (30) befindet und die um einen Umfang eines der Gasdiffusionsmedien (35) herum positioniert ist, wobei die Unterdichtung (55) einen aktiven Bereich der Anodenelektrode (32) und der Kathodenelektrode (30) innerhalb des Umfangs der Gasdiffusionsmedien (35) umgibt und die Unterdichtung eine Schicht aus einem thermisch aktivierten Kleber (60) darauf aufweist, der einen in dem aktiven Bereich an einer Kante der Unterdichtung (55) gebildeten Hohlraum (62) füllt; eine Bipolarplatte (65), die mit der Unterdichtung (55) durch die Schicht aus thermisch aktiviertem Kleber (60) abdichtend verklebt ist, um eine gasdichte Dichtung zu bilden, wobei die Bipolarplatte (65) eine Anodenseite und eine Kathodenseite aufweist.
Integrierte Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, wobei der thermisch aktivierte Kleber (60) Ethylen-Vinylacetat, Ethylen-Acrylsäure, Polyamid, Polyester, Polyolefine, Polyurethane oder Kombinationen davon umfasst.
Integrierte Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, wobei sich die Anodenelektrode (32) und die Kathodenelektrode (30) auf der Polymermembran (25) befinden.
Integrierte Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, wobei sich die Anodenelektrode (32) und die Kathodenelektrode (30) auf der mikroporösen Schicht (40) des Paares von Gasdiffusionsmedien (35) befinden.
Integrierte Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Zufuhrzwischenlage (50), die mithilfe der Schicht aus thermisch aktiviertem Kleber (60) an der Unterdichtung (55) angebracht ist.
Integrierte Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Unterdichtung (55) eine Ausrichtungsöffnung (57) aufweist.
Integrierte Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, wobei sich die Anodenelektrode (32) und die Kathodenelektrode (30) auf der mikroporösen Schicht (40) des Paares von Gasdiffusionsmedien (35) befinden und wobei die Bipolarplatte (65) zu der Unterdichtung (55) auf der Kathodenseite abgedichtet ist.
Verfahren zur Herstellung einer integrierten Brennstoffzellenanordnung (100), umfassend, dass: eine in Baueinheiten unterteilte Elektrodenanordnung (10) vorgesehen wird, welche umfasst: eine Polymermembran (25); eine Anodenelektrodenschicht (32) und eine Kathodenelektrodenschicht (30) auf gegenüberliegenden Seiten der Polymermembran (25); ein Paar Gasdiffusionsmedien (35) auf gegenüberliegenden Seiten der Polymermembran, wobei die Gasdiffusionsmedien (35) eine mikroporöse Schicht (40) und eine Gasdiffusionsschicht (45) umfassen, wobei die Anodenelektrode (32) und die Kathodenelektrode (30) zwischen der Polymermembran (25) und dem Paar Gasdiffusionsmedien (35) positioniert sind; und eine einzige Unterdichtung (55), sich zwischen der Anodenelektrodenschicht (32) und der Kathodenelektrodenschicht (30) befindet und die um einen Umfang eines der Gasdiffusionsmedien (35) herum positioniert ist, wobei die Unterdichtung (55) einen aktiven Bereich der Anodenelektrodenschicht (32) und der Kathodenelektrodenschicht (30) innerhalb des Umfangs der Gasdiffusionsmedien (35) umgibt und die Unterdichtung (55) eine Schicht aus einem thermisch aktivierten Kleber (60) zu der Unterdichtung (55) aufweist, der einen in dem aktiven Bereich an einer Kante der Unterdichtung (55) gebildeten Hohlraum (62) füllt; eine Bipolarplatte (65) auf der Schicht aus thermisch aktiviertem Kleber (60) angeordnet wird, wobei die Bipolarplatte (65) eine Anodenseite und eine Kathodenseite aufweist; und der thermisch aktivierte Kleber (60) erwärmt wird, um die Bipolarplatte (65) mit der in Baueinheiten unterteilten Elektrodenanordnung (10) abdichtend zu verkleben, und eine gasdichte Dichtung gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die in Baueinheiten unterteilte Elektrodenanordnung (10) ferner eine Zufuhrzwischenlage (50) umfasst, und ferner umfassend, dass die Zufuhrzwischenlage (50) mit dem thermisch aktivierten Kleber (60) zu der Unterdichtung (55) abgedichtet wird.