DE102015010422A1 - Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle - Google Patents

Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle Download PDF

Info

Publication number
DE102015010422A1
DE102015010422A1 DE102015010422.5A DE102015010422A DE102015010422A1 DE 102015010422 A1 DE102015010422 A1 DE 102015010422A1 DE 102015010422 A DE102015010422 A DE 102015010422A DE 102015010422 A1 DE102015010422 A1 DE 102015010422A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
membrane
electrode assembly
catalyst
ccm
printing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102015010422.5A
Other languages
English (en)
Inventor
Leoni Pretzel
Christian Zöller
Johannes Deutsch
Volker Horinek
Nico Riede
Karl Zimmerer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Cellcentric GmbH and Co KG
Original Assignee
Daimler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Daimler AG filed Critical Daimler AG
Priority to DE102015010422.5A priority Critical patent/DE102015010422A1/de
Priority to PCT/EP2016/001272 priority patent/WO2017025170A1/de
Priority to US15/751,392 priority patent/US11387477B2/en
Priority to CN201680044953.5A priority patent/CN107851825A/zh
Publication of DE102015010422A1 publication Critical patent/DE102015010422A1/de
Priority to US17/835,168 priority patent/US20220302487A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0271Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0273Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes with sealing or supporting means in the form of a frame
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095Fuel cells with polymeric electrolytes
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Versehen einer katalysatorbeschichteten Polymerelektrolytmembran (10) für eine Membran-Elektroden-Anordnung einer Brennstoffzelle mit wenigstens einer Funktionsschicht aus einem Werkstoff (12), bei welchem der Werkstoff (12) mittels eines berührungslosen Druckverfahrens direkt auf die katalysatorbeschichtete Polymerelektrolytmembran (10) gedruckt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle.
  • Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind Brennstoffzellen von sogenannten Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen – kurz: PEMFC – bereits hinlänglich bekannt. Eine solche PEMFC umfasst wenigstens eine Membran-Elektroden-Anordnung – kurz: MEA –, die aus einer Anode, einer Kathode und einer dazwischen angeordneten Polymerelektrolytmembran (auch Ionomer-Membran) – kurz: PEM – aufgebaut ist. Die MEA ist ihrerseits wiederum zwischen zwei Separatorplatten angeordnet, wobei eine der Separatorplatten Kanäle für die Verteilung von Brennstoff und die andere Separatorplatte Kanäle für die Verteilung von Oxidationsmittel aufweist und wobei die Kanäle der MEA zugewandt sind. Die Anode und die Kathode sind Elektroden, welche üblicherweise als Gasdiffusionselektroden – kurz: GDE – ausgebildet sind. Diese haben die Funktion, den bei der elektrochemischen Reaktion (zum Beispiel 2H2 + O2 → 2H2O) erzeugten Strom abzuleiten und die Reaktionsstoffe, Edukte und Produkte, durchdiffundieren zu lassen. Eine GDE kann dabei wenigstens eine Gasdiffusionsschicht beziehungsweise Gasdiffusionslage – kurz: GDL – umfassen. Üblicherweise wird auf die GDL eine Katalysatorschicht aufgebracht, um dadurch die GDE herzustellen, wobei die Katalysatorschicht der PEM zugewandt ist. Die so hergestellte GDE kann nachfolgend mit einer zweiten GDE und, dazwischen angeordnet, einer PEM zum Beispiel durch Heißpressen zu einer MEA zusammengefügt werden.
  • Darüber hinaus offenbart die DE 11 2005 002 440 B4 ein Verfahren zum Herstellen einer modularen Elektrodenanordnung für eine Polyelektrolytmembran, wobei ein Gasdiffusionsmedium vorgesehen wird. Ferner wird eine Membran-Elektroden-Anordnung vorgesehen, die eine Ionomermembran umfasst, die auf entgegengesetzten Seiten mit Katalysatorschichten beschichtet ist. Auf das Gasdiffusionsmedium wird Klebstoff gedruckt. Das Gasdiffusionsmedium wird relativ zu der Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet, und das Gasdiffusionsmedium wird mit dem Klebstoff an eine der Katalysatorschichten der Membran-Elektroden-Anordnung gepresst.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, mittels welchem eine besonders vorteilhafte Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle realisiert werden kann.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
  • Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle, insbesondere einer Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle. Bei dem Verfahren wird eine katalysatorbeschichtete Polymerelektrolytmembran der Membran-Elektroden-Anordnung mit wenigstens einer Funktionsschicht aus einem Werkstoff versehen, indem der Werkstoff mittels eines berührungslosen Druckverfahrens direkt auf die katalysatorbeschichteten Polymerelektrolytmembran gedruckt wird. Unter dem berührungslosen Druckverfahren ist zu verstehen, dass ein Druckelement wie beispielsweise ein Druckkopf, mittels welchem der Werkstoff direkt auf die katalysatorbeschichtete Polymerelektrolytmembran gedruckt wird, die katalysatorbeschichtete Polymerelektrolytmembran nicht berührt, sondern beispielsweise in einem Abstand zur katalysatorbeschichteten Polymerelektrolytmembran angeordnet ist.
  • Mittels des Druckelements wird der Werkstoff, aus welchem die Funktionsschicht hergestellt wird, auf die katalysatorbeschichtete Polymerelektrolytmembran aufgebracht. Beispielsweise wird der Werkstoff auf die katalysatorbeschichtete Polymerelektrolytmembran aufgespritzt, ohne dass das Druckelement die katalysatorbeschichtete Polymerelektrolytmembran berührt. Durch den Einsatz eines berührungslosen Druckverfahrens können Beschädigungen der katalysatorbeschichteten Polymerelektrolytmembran vermieden werden. Ferner ist es möglich, die Polymerelektrolytmembran mit der wenigstens einen Funktionsschicht zu versehen, sodass sich eine besonders vorteilhafte Herstellung der Membran-Elektroden-Anordnung und somit der Brennstoffzelle insgesamt realisieren lässt.
  • Hierdurch ist es möglich, Freiheitsgrade in der Gestaltung der Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) zu schaffen. Insbesondere ist es möglich, eine kontinuierliche Herstellung der MEA zu realisieren, wobei die Funktionsschicht nicht auf eine Gasdiffusionslage (GDL) gedruckt werden muss, sondern die Funktionsschicht kann vorteilhafterweise auf die katalysatorbeschichtete Polymerelektrolytmembran gedruckt werden. Im Rahmen der Herstellung der MEA liegt die katalysatorbeschichtete Polymerelektrolytmembran (CCM) beispielsweise auf einer Grundbahn, wobei die Grundbahn und/oder die CCM beispielsweise als Endlosmaterial beziehungsweise Bahnmaterial bereitgestellt und im Rahmen der kontinuierlichen Herstellung der MEA in eine Förderrichtung zumindest im Wesentlichen kontinuierlich bewegt beziehungsweise gefördert wird. Während dieses Förderns kann die wenigstens eine Funktionsschicht auf die CCM aufgedruckt werden, sodass die Herstellung der MEA besonders zeit- und kostengünstig erfolgen kann.
  • Im Rahmen der kontinuierlichen Herstellung der MEA wird die GDL beispielsweise mittels eines Spendemoduls eingespendet. Da es erfindungsgemäß vorgesehen ist, die wenigstens eine Funktionsschicht direkt auf die CCM und nicht auf die GDL zu drucken, kann das Spendemodul enorm vereinfacht werden. Ferner ist es mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, Funktionsschichten auf die CCM aufzutragen, ohne diese, insbesondere ihre Katalysatorschicht, zu beschädigen. Durch das Aufdrucken der Funktionsschicht auf die CCM kann eine Sparfunktion des Spendemoduls realisiert werden, wobei eine solche Sparfunktion mit einem integrierten Siebdruckwerk nicht möglich ist.
  • Unter dem berührungslosen Druckverfahren ist beispielsweise ein sogenanntes Non-Impact-Printing (NIP) zu versehen. Hierbei handelt es sich um ein Druckverfahren, das ohne feste Druckform wie beispielsweise einen Druckzylinder oder einen Stempel auskommt. Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn das berührungslose Druckverfahren nach Art eines Tintenstrahldruckverfahrens durchgeführt wird. Ein solches Tintenstrahldruckverfahren wird auch als Inkjet bezeichnet, bei welchem der Werkstoff beispielsweise auf die CCM berührungslos aufgetragen, insbesondere aufgespritzt, wird. Hierbei wird der Werkstoff beispielsweise in Tröpfchenform auf die CCM aufgebracht. Mit anderen Worten werden von dem Druckelement beispielsweise Tröpfchen aus dem Werkstoff ausgestrahlt, wobei diese Tröpfchen auf die CCM gestreut beziehungsweise gebracht werden, um dadurch die CCM mit dem Werkstoff und somit mit der Funktionsschicht zu versehen.
  • Ferner hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn das berührungslose Druckverfahren als Digitaldruck durchgeführt wird. Hierunter ist ein Druckverfahren zu verstehen, bei dem ein Druckbild, gemäß welchem die Funktionsschicht auf die CCM gedruckt wird, direkt von einem Computer in eine Druckmaschine zum Drucken der Funktionsschicht auf die CCM übertragen wird, ohne dass hierbei eine statische Druckform benutzt wird.
  • Bei dem Werkstoff handelt es sich beispielsweise um einen Klebstoff, welcher im Rahmen des Verfahrens direkt auf die CCM gedruckt wird. In der Folge ist es beispielsweise möglich, die CCM mittels der aus dem Klebstoff hergestellten Funktionsschichten mit wenigstens einer weiteren Komponente, insbesondere einer Gasdiffusionslage (GDL), der Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) zu verbinden.
  • Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass als der Werkstoff ein Katalysatormaterial verwendet wird, aus welchem die Katalysatorschicht der CCM hergestellt ist. Mit anderen Worten ist die CCM eine mit einem Katalysator beziehungsweise einem Katalysatormaterial beschichtete Membran. Werden beispielsweise Fehlstellen des Katalysators der CCM erkannt, so kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens Katalysator beziehungsweise Katalysatormaterial nachgedruckt werden, indem an den Fehlstellen Katalysatormaterial direkt auf die CCM gedruckt wird. Dadurch werden die Fehlstellen mit dem aufgedruckten Katalysatormaterial versehen, wodurch die Fehlstellen behoben werden. Dadurch kann eine zumindest im Wesentlichen durchgehende Katalysatorschicht der CCM realisiert werden, sodass diese eine besonders vorteilhafte Funktion in der fertig hergestellten MEA aufweist.
  • Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle, bei welchem ein Rahmenmaterial bereitgestellt wird, welches einen Rahmen der in der Brennstoffzelle einsetzbaren Membran-Elektroden-Anordnung bildet. Dabei fasst der Rahmen einen aktiven Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung ein. Ferner wird zumindest ein Teilbereich des Rahmenmaterials mit einer Funktionsschicht aus einem Werkstoff versehen wird, indem der Werkstoff direkt auf das Rahmenmaterial gedruckt wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
  • Insbesondere lässt sich durch das Drucken eine kontinuierliche und somit zeit- und kostengünstige Herstellung der Membran-Elektroden-Anordnung realisieren, da die Funktionsschicht direkt auf das Rahmenmaterial gedruckt werden kann. Das Rahmenmaterial bildet beispielsweise die zuvor genannte Grundbahn, wobei der Werkstoff nicht auf eine GDL oder die CCM gedruckt werden muss, sondern der Werkstoff kann direkt auf das Rahmenmaterial gedruckt werden. Dadurch kann das jeweilige Spendemodul der CCM beziehungsweise der GDL besonders einfach gehalten werden. Ferner können Funktionsschichten auf das Rahmenmaterial aufgetragen werden, ohne dieses zu beschädigen. Außerdem können Freiheitsgrade in der Gestaltung der Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) geschaffen werden.
  • Der aktive Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung ist derjenige, in welchem die Reaktionen des Oxidationsmittels und des Brennstoffs stattfinden. Durch den Rahmen lässt sich eine Halterung für eine Membran, insbesondere die CCM, der Membran-Elektroden-Anordnung bereitstellen. Zudem ermöglicht der Rahmen insbesondere das Anbringen von Dichtelementen für eine Abdichtung der Membran-Elektroden-Anordnung gegenüber Separatorplatten oder Bipolarplatten. Des Weiteren lässt sich das Rahmenmaterial in einer Beschaffenheit bereitstellen, welche besonders gut das Durchlaufen der verschiedenen Bearbeitungsstationen ermöglicht.
  • Vorzugsweise wird das Rahmenmaterial als durchgängige Materialbahn bereitgestellt, welche eine Mehrzahl von Bearbeitungsstationen durchläuft. Hierdurch kann eine zumindest im Wesentlichen kontinuierliche und somit kostengünstige Herstellung der MEA realisiert werden.
  • Schließlich hat es sich bei dem zweiten Aspekt der Erfindung als vorteilhaft gezeigt, wenn der Werkstoff ein Klebstoff ist, mittels welchem das Rahmenmaterial mit zumindest einer zweiten Komponente, insbesondere der CCM und/oder der GDL, der Membran-Elektroden-Anordnung verbunden wird.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Versehen einer katalysatorbeschichteten Polymerelektrolytmembran für eine Membran-Elektroden-Anordnung einer Brennstoffzelle mit wenigstens einer Funktionsschicht; und
  • 2a–c jeweils eine schematische Draufsicht auf eine Komponente der Membran-Elektroden-Anordnung im Rahmen der Herstellung der Membran-Elektroden-Anordnung.
  • 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Vorrichtung zum Versehen einer katalysatorbeschichteten Polymerelektrolytmembran 10 (CCM) für eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) einer Brennstoffzelle mit wenigstens einer Funktionsschicht aus einem Werkstoff 12. Die Brennstoffzelle ist dabei als Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) ausgebildet und wird beispielsweise in einem Brennstoffzellensystem eines Kraftwagens, insbesondere Personenkraftwagens, verwendet, wobei der Kraftwagen mittels des Brennstoffzellensystems antreibbar ist. Die PEMFC umfasst die zuvor genannte MEA, die aus einer Anode, einer Kathode und einer dazwischen angeordneten Polymerelektrolytmembran (PEM) aufgebaut ist. Die MEA ist ihrerseits wiederum zwischen zwei Separatorplatten angeordnet, wobei eine der Separatorplatten Kanäle für die Verteilung von Brennstoff und die andere Separatorplatte Kanäle für die Verteilung von Oxidationsmittel aufweist, und wobei die Kanäle der MEA zugewandt sind. Die Kanäle bilden eine Kanalstruktur, ein sogenanntes Flowfield oder Strömungsfeld.
  • Die Anode und die Kathode sind Elektroden, welche im Allgemeinen als Gasdiffusionselektroden (GDE) ausgebildet sind. Diese haben die Funktion, den bei der elektrochemischen Reaktion (zum Beispiel 2H2 + O2 → 2H2O) erzeugten Strom abzuleiten und die Reduktionsstoffe, Edukte und Produkte, durchdiffundieren zu lassen. Eine ODE kann wenigstens eine Gasdiffusionsschicht beziehungsweise Gasdiffusionslage (GDL) umfassen. Auf eine jeweilige Hauptoberfläche der PEM ist eine Katalysatorschicht aufgebracht, sodass auf einer ersten der Hauptoberflächen beispielsweise eine anodische Katalysatorschicht und auf einer zweiten der Hauptoberflächen eine kathodische Katalysatorschicht aufgebracht ist. Die jeweilige Katalysatorschicht ist aus einem Katalysatormaterial gebildet und wird auch als Katalysator bezeichnet beziehungsweise wirkt als Katalysator. In diesem Fall ist die PEM zur katalysatorbeschichteten Polymerelektrolytmembran 10 ergänzt, da in diesem Fall im Allgemeinen von einer catalyst coated membrane – kurz: CCM – gesprochen wird. Mit anderen Worten ist die katalysatorbeschichteten Polymerelektrolytmembran 10 eine mit zumindest einem Katalysator beziehungsweise einer Katalysatorschicht beschichtete Membran.
  • Die GDE kann ferner noch eine Gasverteilungslage aufweisen, die sich an die Gasdiffusionslage anschließt und die in der PEMFC einer Separatorplatte zugewandt ist. Die Gasdiffusionslage und die Gasverteilungslage unterscheiden sich vor allem in ihren Porengrößen und damit in der Art des Transportmechanismus für einen Reaktionsstoff (Diffusion beziehungsweise Verteilung).
  • Eine derartige Brennstoffzelle kann bei relativ geringen Betriebstemperaturen elektrischen Strom mit hoher Leistung erzeugen. Reale Brennstoffzellen sind meist zu sogenannten Brennstoffstapeln – kurz: Stacks – gestapelt, um eine hohe Leistungsabgabe zu erzielen, wobei anstelle der monopolaren Separatorplatten bipolare Separatorplatten, sogenannte Bipolarplatten, eingesetzt werden und monopolare Separatorplatten nur die beiden endständigen Abschlüsse des Stacks bilden. Sie werden zum Teil Endplatten genannt und können sich baulich erheblich von den Bipolarplatten unterscheiden.
  • Um nun eine besonders vorteilhafte Herstellung der MEA und somit der Brennstoffzelle insgesamt zu realisieren, wird der Werkstoff 12 mittels eines berührungslosen Druckverfahrens direkt auf die katalysatorbeschichtete Polymerelektrolytmembran 10 gedruckt. Hierzu ist die Vorrichtung als Druckanlage oder Druckmaschine ausgebildet und umfasst wenigstens einen Druckkopf 14 mit einem Aufnahmeraum 16 für den Werkstoff 12. Ferner weist der Druckkopf 14 eine Zuführleitung 18 auf, über welche dem Aufnahmeraum 16 der Werkstoff 12, insbesondere in dessen flüssigen Zustand, zuführbar ist. Auf einer beim Drucken der katalysatorbeschichteten Polymerelektrolytmembran 10 zugewandten Unterseite 20 weist der Druckkopf 14 eine Mehrzahl von Auslassöffnungen 22 auf, welche als Düsen oder Einzeldüsen fungieren. Über diese Einzeldüsen kann der Werkstoff 12 aus dem Aufnahmeraum 16 beziehungsweise aus dem Druckkopf 14 ausgestrahlt und somit beispielsweise auf eine beim Drucken der Unterseite 20 zugewandte Oberfläche 24 der CCM (katalysatorbeschichtete Polymerelektrolytmembran 10) aufgebracht werden. Beispielsweise wird der Werkstoff 12, insbesondere in flüssigem Zustand, mit einem vorgebbaren Druck über die Einzeldüsen aus dem Druckkopf 14 ausgestrahlt, sodass vorliegend Einzeltropfen 26 von dem Druckkopf 14 abgestrahlt und auf die Oberfläche 24 beziehungsweise gegen die Oberfläche 24 gestrahlt werden. Die Einzeltropfen 26 aus dem Werkstoff 12 treffen auf die Oberfläche 24 und somit auf die CCM auf und bilden die wenigstens eine Funktionsschicht auf der Oberfläche 24.
  • Die CCM wird beispielsweise als Endlosmaterial beziehungsweise Bahnmaterial bereitgestellt und in eine Förderrichtung gefördert, während der Werkstoff 12 beziehungsweise die Funktionsschicht auf die CCM gedruckt wird. Hierdurch ist eine zumindest im Wesentlichen kontinuierliche Herstellung der Funktionsschicht realisierbar, sodass insgesamt eine besonders zeit- und kostengünstig durchführbare, zumindest im Wesentlichen kontinuierliche Herstellung der MEA durchgeführt werden kann.
  • Unter dem berührungslosen Druckverfahren ist zu verstehen, dass die Druckanlage, insbesondere der Druckkopf 14, die CCM während des Druckens nicht berührt. Aus 1 ist erkennbar, dass der Druckkopf 14 während des Druckens in einem Abstand A zur Oberfläche 24 beziehungsweise zur CCM angeordnet ist. Um die Funktionsschicht besonders präzise herzustellen, liegt der Abstand vorzugsweise in einem Bereich von einschließlich 0,5 bis einschließlich 2 Millimeter. Mit anderen Worten ist es vorzugsweise vorgesehen, dass der Druckkopf 14, insbesondere dessen Unterseite 20, während des Druckens in einem Abstand A zur CCM, insbesondere zur Oberfläche 24, gehalten wird, wobei dieser Abstand in einem Bereich von einschließlich 0,5 bis einschließlich 2 Millimeter liegt.
  • Bei dem Werkstoff 12 handelt es sich beispielsweise um das zuvor genannte Katalysatormaterial, aus welchem die Katalysatorschicht der CCM gebildet ist. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, im Vorfeld erkannte Fehlstellen durch gezieltes Nachdrucken von Katalysatormaterial zu verbessern beziehungsweise auszubessern. Mit anderen Worten kann an den Fehlstellen Katalysatormaterial auf die CCM direkt aufgedruckt werden, um dadurch die Fehlstellen auszubessern. Ferner ist es denkbar, dass der Werkstoff 12 ein Klebstoff ist, sodass die Funktionsschicht als Klebstoffschicht ausgebildet ist. Mittels der als Klebstoffschicht ausgebildeten Funktionsschicht kann dann die CCM mit wenigstens einer weiteren Komponente der MEA, beispielsweise mit der GDL, verbunden, das heißt verklebt werden.
  • Vorzugsweise wird das berührungslose Druckverfahren nach Art eines Tintenstrahldruckverfahrens und besonders vorzugsweise als Digitaldruck durchgeführt. Durch den Einsatz des berührungslosen Druckverfahrens können Beschädigungen der CCM, insbesondere Beschädigungen der Katalysatorschicht, vermieden werden, da der Druckkopf 14 die CCM nicht berührt.
  • Anhand von 2a–c wird im Folgenden ein Verfahren zum Herstellen der Membran-Elektroden-Anordnung veranschaulicht. Bei dem Verfahren wird ein zunächst vollflächiges und in 2a gezeigtes ein Rahmenmaterial 28 bereitgestellt. Insbesondere wird das Rahmenmaterial 28 als Endlosmaterial, das heißt als durchgängige Materialbahn bereitgestellt wird, das beispielsweise in eine Förderrichtung gefördert wird und eine Mehrzahl von Bearbeitungsstationen durchläuft. Das Rahmenmaterial 28 ist dabei eine von der CCM und der GDL unterschiedliche, weitere Komponente der MEA. Im fertig hergestellten Zustand bildet das Rahmenmaterial 28 einen aus 2b und c erkennbaren Rahmen 30, der einen aktiven Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung einfasst. Dieser aktive Bereich wird beispielsweise durch die CCM, insbesondere deren Katalysatorschicht gebildet.
  • Zum Herstellen des Rahmens 30 wird, wie aus 2b und c erkennbar ist, in einer der Arbeitsstationen aus dem vollflächigen Rahmenmaterial 28 ein Bereich 32 ausgestanzt. Dieser Bereich 32 wird in der fertigen Membran-Elektroden-Anordnung von dem aktiven Bereich, insbesondere der CCM, eingenommen. Aus 2c ist erkennbar, dass zumindest ein Teilbereich des Rahmenmaterials 18 mit einer Funktionsschicht 34 aus einem Werkstoff versehen wird, indem der Werkstoff direkt auf das Rahmenmaterial 28 gedruckt wird. Dieser Teilbereich ist vorliegend ein des ausgestanzten Bereich 32 begrenzender Randbereich des Rahmens 30. Bei dem Werkstoff handelt es sich vorliegend um einen Klebstoff, sodass die Funktionsschicht 34 als Klebstoffschicht ausgebildet ist. Mittels des Klebstoffes beziehungsweise der Klebstoffschicht wird der Rahmen 30 mit einer weiteren Komponente der MEA, beispielsweise mit der CCM und/oder der GDL, verbunden, das heißt verklebt.
  • Das Drucken des Klebstoffes auf das Rahmenmaterial 28 erfolgt beispielsweise an einer zweiten Bearbeitungsstation. An einer dritten Bearbeitungsstation erfolgt beispielsweise ein Einspenden der CCM in das noch feuchte Kleberbett. Es kann vorgesehen sein, dass der Werkstoff zum Herstellen der Funktionsschicht 34 mittels eines Druckverfahrens, insbesondere eines berührungslosen Druckverfahrens, direkt auf das Rahmenmaterial 28 gedruckt wird. Das Druckverfahren ist beispielsweise ein Siebdruckverfahren oder ein Chargendruckverfahren. Beispielsweise wird das Druckverfahren als kontinuierliches Drucken und/oder rotatives Drucken durchgeführt. Das Druckverfahren umfasst beispielsweise ein Abziehlagenübertragungsverfahren und/oder ein InkJet-Verfahren und/oder ein Flexodruck-Verfahren und/oder ein Spraycoating-Verfahren.
  • Durch das Ausstanzen wird beispielsweise eine Aussparung, insbesondere eine Durchgangsöffnung, des Rahmenmaterials 28 gebildet, wobei die Aussparung beziehungsweise die Durchgangsöffnung von dem zuvor genannten Randbereich begrenzt wird. Der Werkstoff beziehungsweise Klebstoff wird beispielsweise entlang des Randbereichs auf das Rahmenmaterial 28 gedruckt. Vorzugsweise wird der Werkstoff, insbesondere der Klebstoff, mit einer Dicke von weniger als 100 μm (Mikrometer) auf das Rahmenmaterial 28 gedruckt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 112005002440 B4 [0003]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle, bei welcher eine katalysatorbeschichtete Polymerelektrolytmembran (10) der Membran-Elektroden-Anordnung mit wenigstens einer Funktionsschicht aus einem Werkstoff (12) versehen wird, indem der Werkstoff (12) mittels eines berührungslosen Druckverfahrens direkt auf die katalysatorbeschichtete Polymerelektrolytmembran (10) gedruckt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als der Werkstoff (12) ein Klebstoff oder ein Katalysatormaterial verwendet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das berührungslose Druckverfahren nach Art eines Tintenstrahldruckverfahrens durchgeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das berührungslose Druckverfahren als Digitaldruck durchgeführt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die katalysatorbeschichteten Polymerelektrolytmembran (10) mittels der Funktionsschicht mit wenigstens einer weiteren Komponente, insbesondere einer Gasdiffusionslage, der Membran-Elektroden-Anordnung verbunden wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff (12) entlang von Randabschnitten der Membran (10) gedruckt wird.
  7. Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle, bei welchem ein Rahmenmaterial bereitgestellt wird, welches einen Rahmen der in der Brennstoffzelle einsetzbaren Membran-Elektroden-Anordnung bildet, wobei der Rahmen einen aktiven Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung einfasst, und wobei zumindest ein Teilbereich des Rahmenmaterials mit einer Funktionsschicht aus einem Werkstoff versehen wird, indem der Werkstoff direkt auf das Rahmenmaterial gedruckt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Rahmenmaterial als durchgängige Materialbahn bereitgestellt wird, welche eine Mehrzahl von Bearbeitungsstationen durchläuft.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff ein Klebstoff ist, mittels welchem das Rahmenmaterial mit zumindest einer zweiten Komponente der Membran-Elektroden-Anordnung verbunden wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff mit einer Dicke von weniger als 100 μm auf die Membran und/oder das Rahmenmaterial gedruckt wird.
DE102015010422.5A 2015-08-11 2015-08-11 Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle Pending DE102015010422A1 (de)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102015010422.5A DE102015010422A1 (de) 2015-08-11 2015-08-11 Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle
PCT/EP2016/001272 WO2017025170A1 (de) 2015-08-11 2016-07-21 Verfahren zum herstellen einer membran-elektroden-anordnung für eine brennstoffzelle
US15/751,392 US11387477B2 (en) 2015-08-11 2016-07-21 Method for the production of a membrane electrode assembly for a fuel cell
CN201680044953.5A CN107851825A (zh) 2015-08-11 2016-07-21 制造用于燃料电池的膜电极组的方法
US17/835,168 US20220302487A1 (en) 2015-08-11 2022-06-08 Method for the production of a membrane electrode assembly for a fuel cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102015010422.5A DE102015010422A1 (de) 2015-08-11 2015-08-11 Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102015010422A1 true DE102015010422A1 (de) 2017-02-16

Family

ID=56507564

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102015010422.5A Pending DE102015010422A1 (de) 2015-08-11 2015-08-11 Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle

Country Status (4)

Country Link
US (2) US11387477B2 (de)
CN (1) CN107851825A (de)
DE (1) DE102015010422A1 (de)
WO (1) WO2017025170A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020203675A1 (de) 2020-03-23 2021-09-23 Daimler Ag Produktionsanlage und Verfahren zur Herstellung einer Membranelektrodenanordnung

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE112005002440B4 (de) 2004-10-07 2010-03-18 General Motors Corp. (N.D.Ges.D. Staates Delaware), Detroit Verfahren zur Herstellung einer modularen Elektrodenanordnung für PEM-Brennstoffzellen

Family Cites Families (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19910773A1 (de) * 1999-03-11 2000-09-28 Degussa Verfahren zum Aufbringen von Elektrodenschichten auf eine bandförmige Polymerelektrolytmembran für Brennstoffzellen
CA2419384A1 (en) * 2000-10-27 2002-05-30 E.I. Du Pont De Nemours And Company Production of catalyst coated membranes
US7147959B2 (en) * 2002-05-31 2006-12-12 Umicore Ag & Co. Kg Process for the manufacture of membrane-electrode-assemblies using catalyst-coated membranes
GB2391871A (en) 2002-08-16 2004-02-18 Qinetiq Ltd Depositing conductive solid materials using reservoirs in a printhead
US20050014056A1 (en) 2003-07-14 2005-01-20 Umicore Ag & Co. Kg Membrane electrode unit for electrochemical equipment
DE102004034139A1 (de) * 2004-07-15 2006-02-02 Pemeas Gmbh Verfahren zur Herstellung von Membran-Elektroden-Einheiten
US20060078781A1 (en) 2004-10-08 2006-04-13 3M Innovative Properties Company Curable subgasket for a membrane electrode assembly
CN100352091C (zh) * 2004-11-03 2007-11-28 比亚迪股份有限公司 具有一体化结构的燃料电池膜电极的制备方法
DE102006004748A1 (de) 2006-02-02 2007-08-16 Umicore Ag & Co. Kg Membran-Elektroden-Einheit mit mehrkomponentigem Dichtungsrand
WO2007106699A1 (en) * 2006-03-14 2007-09-20 Cabot Corporation Roll-to-roll manufacturing of electronic and optical materials
US20080057380A1 (en) * 2006-09-06 2008-03-06 Dabel Jeremy W Membrane electrode assembly fabrication
US8012284B2 (en) * 2006-12-15 2011-09-06 3M Innovative Properties Company Method and apparatus for fabricating roll good fuel cell subassemblies
US8288059B2 (en) * 2006-12-15 2012-10-16 3M Innovative Properties Company Processing methods and systems for assembling fuel cell perimeter gaskets
JP4998748B2 (ja) 2008-09-19 2012-08-15 トヨタ自動車株式会社 固体高分子型燃料電池の製造方法、及び該方法によって製造される固体高分子型燃料電池
DE102009014872A1 (de) 2009-03-30 2010-10-07 Lohmann Gmbh & Co. Kg Selbstklebendes Dichtungsmaterial für Brennstoffzellen
US20130175168A1 (en) * 2009-08-04 2013-07-11 Gentex Corporation Microelectrode Assemblies and Associated Electrochemical Sensors for Use in Gas and or Fire Detection Devices
GB0921996D0 (en) * 2009-12-17 2010-02-03 Johnson Matthey Plc Catayst layer assembley
US20110281195A1 (en) * 2010-05-12 2011-11-17 Gm Global Technology Operations, Inc Fuel cell adhesive and process of making the same
KR101334805B1 (ko) 2011-06-09 2013-11-29 한국생산기술연구원 층 구조물 및 그 제조방법
US20120321995A1 (en) 2011-06-20 2012-12-20 Xerox Corporation System and Method for Selective Deposition of A Catalyst Layer for PEM Fuel Cells Utilizing Inkjet Printing
JP2013020753A (ja) 2011-07-08 2013-01-31 Toppan Printing Co Ltd 触媒層シートの修正方法
CN103858263A (zh) 2011-11-04 2014-06-11 索尔维克雷有限责任两合公司 制备催化剂涂覆的膜的方法
WO2014111745A2 (en) * 2013-01-18 2014-07-24 Daimler Ag Fuel cell assemblies and preparation methods therefor
JP6037905B2 (ja) 2013-03-21 2016-12-07 本田技研工業株式会社 燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体
EP3255713B1 (de) * 2015-02-02 2019-10-30 Nissan Motor Co., Ltd. Verfahren und vorrichtung zur modifizierung einer katalysatorschicht

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE112005002440B4 (de) 2004-10-07 2010-03-18 General Motors Corp. (N.D.Ges.D. Staates Delaware), Detroit Verfahren zur Herstellung einer modularen Elektrodenanordnung für PEM-Brennstoffzellen

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020203675A1 (de) 2020-03-23 2021-09-23 Daimler Ag Produktionsanlage und Verfahren zur Herstellung einer Membranelektrodenanordnung
WO2021190838A1 (de) 2020-03-23 2021-09-30 Cellcentric Gmbh & Co. Kg Produktionsanlage und verfahren zur herstellung einer membranelektrodenanordnung

Also Published As

Publication number Publication date
US20220302487A1 (en) 2022-09-22
US11387477B2 (en) 2022-07-12
US20180233759A1 (en) 2018-08-16
WO2017025170A1 (de) 2017-02-16
CN107851825A (zh) 2018-03-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE19542475C2 (de) Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle sowie Verfahren zur Herstellung einer Verteilerplatte für eine solche Zelle
DE102015010440B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle
DE102011117095B4 (de) Bipolarplatte für eine brennstoffzelle
DE102017101377A1 (de) Robuste brennstoffzellenstapel-abdichtungskonstruktionen mit dünnen elastomerischen dichtungen
DE10340215A1 (de) Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle und bipolare Platte
DE102010024316A1 (de) Dichtung für eine Bipolarplatte einer Brennstoffzelle
DE102018110438A1 (de) Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellen-Separators
DE102019131088A1 (de) Kernmatrize für Presse zum Formen eines Metallseparators für eine Brennstoffzelle für Brennstoffzellenfahrzeug
DE102007039467B4 (de) Brennstoffzelle mit an ein Gasdiffusionsmedium angehafteten, elektrisch leitenden Stegen und Verfahren zu deren Herstellung
WO2020007677A1 (de) Verfahren und vorrichtung zum herstellen einer bipolarplattenhälfte für eine brennstoffzelle
DE102017220353B4 (de) Brennstoffzellenanordnung und Einheitszelle für einen Brennstoffzellenstapel
DE102019103200A1 (de) Verfahren zur herstellung einer brennstoffzelle
DE102016006225A1 (de) Produkt aus mindestens zwei mittels eines Klebstoffs miteinander verbundenen Komponenten und Verfahren zu dessen Herstellung
DE102015010422A1 (de) Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle
DE102020207919A1 (de) Brennstoffzellenanordnung und Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenanordnung
DE102010014080B4 (de) System zur elektrischen signalverarbeitung für einen brennstoffzellenstapel
DE102012205692A1 (de) Brennstoffzellen-Metallseparator und Edelmetallbeschichtungsverfahren
DE102016000937A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle
WO2021198137A1 (de) Verfahren zur herstellung einer gas- und/oder elektronenleitungsstruktur und brennstoff-/elektrolysezelle
DE102017000960A1 (de) Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle
DE102010054305A1 (de) Brennstoffzellenstapel mit mehreren Brennstoffzellen
DE102015013304A1 (de) Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle
DE102019218870A1 (de) Brennstoffzelle, Brennstoffzellenstapel sowie Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenstapels
DE102015201548A1 (de) Verfahren zur Herstellung einer katalytisch beschichteten Membran sowie Membran-Elektroden-Einheit und Brennstoffzellenstapel mit einer solchen
EP4165705B1 (de) Bipolarplatte und brennstoffzellenstapel

Legal Events

Date Code Title Description
R079 Amendment of ipc main class

Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: H01M0008020000

Ipc: H01M0008027300

R081 Change of applicant/patentee

Owner name: CELLCENTRIC GMBH & CO. KG, DE

Free format text: FORMER OWNER: DAIMLER AG, 70327 STUTTGART, DE

Owner name: DAIMLER AG, DE

Free format text: FORMER OWNER: DAIMLER AG, 70327 STUTTGART, DE

R081 Change of applicant/patentee

Owner name: CELLCENTRIC GMBH & CO. KG, DE

Free format text: FORMER OWNER: DAIMLER AG, STUTTGART, DE

R082 Change of representative

Representative=s name: WALLINGER RICKER SCHLOTTER TOSTMANN PATENT- UN, DE

R012 Request for examination validly filed