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Die Erfindung betrifft eine Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle mit einer Gasdiffusionslage, welche eine Kohlefaserschicht und eine mikroporöse Schicht umfasst. Die mikroporöse Schicht ist einer weiteren Komponente der Membran-Elektroden-Anordnung zugewandt. Die Gasdiffusionslage ist mittels eines Klebstoffs mit der weiteren Komponente verbunden. Alternativ ist die mikroporöse Schicht einer Katalysatorschicht einer die Gasdiffusionslage umfassenden Gasdiffusionselektrode zugewandt, und die Gasdiffusionselektrode ist mit einer Membran der Membran-Elektroden-Anordnung verbunden. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle mit einer solchen Membran-Elektroden-Anordnung und ein Verfahren zum Fertigen einer Membran-Elektroden-Anordnung.
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Der prinzipielle Aufbau einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle – kurz PEMFC – ist wie folgt. Die PEMFC enthält eine Membran-Elektroden-Anordnung – kurz MEA, die aus einer Anode, einer Kathode und einer dazwischen angeordneten Polymer-Elektrolyt-Membran (auch Ionomer-Membran) – kurz PEM – aufgebaut ist. Die MEA ist ihrerseits wiederum zwischen zwei Separatorplatten angeordnet, wobei eine Separatorplatte Kanäle für die Verteilung von Brennstoff aufweist und die andere Separatorplatte Kanäle für die Verteilung von Oxidationsmittel, wobei die Kanäle der MEA zugewandt sind. Die Kanäle bilden eine Kanalstruktur, ein sogenanntes Flow Field oder Strömungsfeld. Die Elektroden, Anode und Kathode, sind im Allgemeinen als Gasdiffusionselektroden – kurz GDE – ausgebildet. 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 umfasst wenigstens eine Gasdiffusionsschicht beziehungsweise Gasdiffusionslage – kurz GDL – und eine Katalysatorschicht, die der PEM zugewandt ist und an der die elektrochemische Reaktion abläuft. Ist die Katalysatorschicht auf eine oder beide Hauptoberflächen der PEM aufgebracht, so wird im Allgemeinen von einer Catalyst Coated Membrane – kurz CCM – gesprochen.
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Die
DE 10 2007 012 718 B4 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen einer Gasdiffusionsschicht zur Verwendung in Brennstoffzellen, bei welchem aus Kohlefasern und aus Acrylpulpefasern eine Matte gebildet wird. Die Acrylfasern werden nach dem Bilden der Matte gehärtet und karbonisiert. In der
DE 10 2007 012 718 B4 ist ausgeführt, dass bei einer derartigen Gasdiffusionsschicht auf den Zusatz einer herkömmlichen mikroporösen Schicht auf dem Substrat verzichtet werden kann. Denn es wird davon ausgegangen, dass die karbonisierten Acrylpulpefasern die Porenstruktur des Kohlefaserpapiersubstrats beeinflussen und sich somit ähnlich einer mikroporösen Schicht verhalten.
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Ein weiterer aus dem Stand der Technik bekannter Aufbau einer Membran-Elektroden-Anordnung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Demgemäß umfasst die Membran-Elektroden-Anordnung 10 eine Gasdiffusionslage 12. Die Gasdiffusionslage 12 umfasst wiederum eine Kohlefaserschicht 14, welche auch als Kohlefaserpapier bezeichnet wird. Auf eine Seite der Kohlefaserschicht 14, welche einer weiteren Komponente 18 der Membran-Elektroden-Anordnung 10 zugewandt ist, ist vollflächig eine mikroporöse Schicht 16 aufgebracht. Die mikroporöse Schicht 16 sorgt für einen Übergang zwischen den größeren Poren in der Kohlefaserschicht 14 und den sehr kleinen Poren in der weiteren Komponente 18 der Membran-Elektroden-Anordnung 10. Für eine Haftung der Gasdiffusionslage 12 an der weiteren Komponente 18 sorgt bei der Membran-Elektroden-Anordnung 10 gemäß 1 ein Klebstoff 20, welcher zwischen der mikroporöse Schicht 16 und der weiteren Komponente 18 angeordnet ist.
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Es hat sich gezeigt, dass es bei einem Versagen der Verbindung zwischen der weiteren Komponente 18 und der Gasdiffusionslage 12 in der Regel zu einem Ablösen der mikroporösen Schicht 16 von der Kohlefaserschicht 14 kommt. In einem solchen Fall versagt also die Verbindung zwischen der mikroporösen Schicht 16 und der Kohlefaserschicht 14 und nicht die Verbindung zwischen dem Klebstoff 20 und der mikroporösen Schicht 16.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Membran-Elektroden-Anordnung der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass eine verbesserte Haftung zwischen der Gasdiffusionslage und der weiteren Komponente beziehungsweise zwischen der Gasdiffusionselektrode und der Membran erreichbar ist, sowie eine Brennstoffzelle mit einer solchen Membran-Elektroden-Anordnung und ein verbessertes Verfahren zum Fertigen einer Membran-Elektroden-Anordnung zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Membran-Elektroden-Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Bei der erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Anordnung ist der Klebstoff in wenigstens einem Bereich mit der Kohlefaserschicht einerseits und mit der weiteren Komponente andererseits in Kontakt. Mit anderen Worten haftet die Kohlefaserschicht der Gasdiffusionslage direkt an der weiteren Komponente der Membran-Elektroden-Anordnung. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die durch den Klebstoff bewirkte Haftung deutlich stärker ist, als die Anhaftung der mikroporösen Schicht an der Kohlefaserschicht. Wird also wie vorliegend die Kohlefaserschicht direkt über den Klebstoff mit der weiteren Komponente der Membran-Elektroden-Anordnung verbunden, so entspricht die Haftung zwischen der weiteren Komponente und der Gasdiffusionslage der Haftung des Klebstoffs an der Kohlefaserschicht. Dadurch lässt sich eine erhebliche Verbesserung der Haftung zwischen der Gasdiffusionslage und weiteren Komponenten der Membran-Elektroden-Anordnung erzielen.
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Dasselbe gilt, wenn bei Vorsehen einer Membran-Elektroden-Anordnung mit einer Gasdiffusionselektrode der Klebstoff in wenigstens einem Bereich mit der Kohlefaserschicht einerseits und mit der Membran andererseits in Kontakt ist.
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Bevorzugt ist in dem wenigstens einen Bereich durch Entfernen der mikroporösen Schicht von der Kohlefaserschicht eine Zugänglichkeit des Klebstoffs zu der Kohlefaserschicht geschaffen. Es kann also die mikroporöse Schicht partiell von der Kohlefaserschicht oder dem Kohlefaserpapier abgezogen werden. An diesen Stellen wird dann der Klebstoff auf die Gasdiffusionslage aufgebracht, um die verbesserte Haftung der Gasdiffusionslage an der weiteren Komponente der Membran-Elektroden-Anordnung zu erreichen. So kann besonders gut sichergestellt werden, dass nicht die mikroporöse Schicht das Anhaften des Klebstoffs an der Kohlefaserschicht stört.
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Weist die Membran-Elektroden-Anordnung die Gasdiffusionselektrode auf, so kann in dem in wenigstens einen Bereich durch Entfernen der mikroporösen Schicht und der Katalysatorschicht von der Kohlefaserschicht eine Zugänglichkeit des Klebstoffs zu der Kohlefaserschicht geschaffen sein.
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Bevorzugt umfasst die mikroporöse Schicht, welche auch als Microporous Layer (MPL) bezeichnet wird, ein Kohlepulver, welches eine geringere Porosität aufweist als die Kohlefaserschicht. Denn so ist ein besonders guter Übergang der größeren Porosität der Kohlefaserschicht hin zu der geringeren Porosität der weiteren Komponente der Membran-Elektroden-Anordnung geschaffen.
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Die weitere Komponente der Membran-Elektroden-Anordnung kann als Katalysatorschicht oder als mit einem Katalysator beschichtete Polymer-Elektrolyt-Membran ausgebildet sein. Letztere wird auch als Catalyst Coated Membrane (CCM) bezeichnet. Des Weiteren kann die weitere Komponente als unbeschichtete Polymer-Elektrolyt-Membran ausgebildet sein.
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Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle umfasst eine erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Anordnung. Hierbei ist bevorzugt die auf jeweiligen Seiten der Polymer-Elektrolyt-Membran angeordnete Gasdiffusionslage derart mit der weiteren Komponente der Membran-Elektroden-Anordnung verbunden, dass der Klebstoff direkt die jeweilige Kohlefaserschicht mit der weiteren Komponente verbindet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Fertigen einer Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle umfasst die Schritte:
- – Bereitstellen einer Gasdiffusionslage, welche eine Kohlefaserschicht und eine mikroporöse Schicht umfasst;
- – Bereitstellen einer weiteren Komponente der Membran-Elektroden-Anordnung oder Anordnen einer Katalysatorschicht auf der Gasdiffusionslage zum Ausbilden einer Gasdiffusionselektrode;
- – Entfernen der mikroporösen Schicht oder der mikroporösen Schicht und der Katalysatorschicht von der Kohlefaserschicht in wenigstens einem Bereich; und
- – Verbinden der Gasdiffusionslage mit der weiteren Komponente mittels eines Klebstoffs derart, dass der Klebstoff in dem wenigstens einen Bereich mit der Kohlefaserschicht einerseits und mit der weiteren Komponente andererseits oder mit der Kohlefaserschicht einerseits und mit der Membran andererseits in Kontakt ist.
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Mittels eines solchen Verfahrens lässt sich eine Membran-Elektroden-Anordnung bereitstellen, bei welcher eine besonders gute Haftung der Gasdiffusionslage an der weiteren Komponente der Membran-Elektroden-Anordnung beziehungsweise an der Membran erreicht ist.
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Die für die erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Anordnung beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für die erfindungsgemäße Brennstoffzelle und für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
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1 schematisch eine Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle gemäß dem Stand der Technik; und
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2 schematisch eine Membran-Elektroden-Anordnung, bei welcher eine Kohlefaserschicht einer Gasdiffusionslage direkt mittels eines Klebstoffs mit einer weiteren Komponente der Membran-Elektroden-Anordnung verbunden ist.
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Zur Beschreibung von 1 wird auf die Erläuterungen zum Stand der Technik im einleitenden Teil der vorliegenden Beschreibung verwiesen.
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Eine in 2 gezeigte Membran-Elektroden-Anordnung 22 umfasst ebenfalls die Gasdiffusionslage 12, welche die Kohlefaserschicht 14 und die mikroporöse Schicht 16 umfasst. Auf die Kohlefaserschicht 14, welche auch als Kohlefaserpapier bezeichnet wird, ist die mikroporöse Schicht 16 in Form einer Kohlepulverbeschichtung aufgebracht. Die Haftung der mikroporösen Schicht 16 an der Kohlefaserschicht 14 ist jedoch geringer als die durch den Klebstoff 20 vermittelte Haftung zwischen den Komponenten der Membran-Elektroden-Anordnung 22.
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Diese Erkenntnis macht man sich bei der in 2 gezeigten Membran-Elektroden-Anordnung 22 zunutze. Bei dieser Membran-Elektroden-Anordnung 22 ist nämlich die mikroporöse Schicht 16 partiell von der Kohlefaserschicht 14 entfernt. In den Bereichen, in welchen die mikroporöse Schicht 16 von der Kohlefaserschicht 14 entfernt oder abgezogen wurde, ist auf die Kohlefaserschicht 14 der Klebstoff 20 aufgebracht. Der Klebstoff 20 sorgt also dafür, dass die weitere Komponente 18 der Membran-Elektroden-Anordnung 22 direkt an der Kohlefaserschicht 14 haftet und nicht an der mikroporösen Schicht 16.
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Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei der in 1 gezeigten Membran-Elektroden-Anordnung 10 die Haftung zwischen der mikroporösen Schicht 16 und der Kohlefaserschicht 14 oder dem Kohlefaserpapier der limitierende Wert für die Haftung der Gasdiffusionslage 12 an der weiteren Komponente 18 der Membran-Elektroden-Anordnung 10 ist. Mit anderen Worten ist für die Haftung zwischen der weiteren Komponente 18 und der Gasdiffusionslage 12 das Minimum der Haftung zwischen dem Klebstoff 20 und der mikroporösen Schicht 16 sowie zwischen der mikroporösen Schicht 16 und der Kohlefaserschicht 14 ausschlaggebend. Entsprechend wird bei der Membran-Elektroden-Anordnung 10 gemäß 1 die Anhaftung der Gasdiffusionslage 12 an der weiteren Komponente 18 durch die Haftung der mikroporösen Schicht 16 an der Kohlefaserschicht 14 bestimmt.
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Demgegenüber sorgt bei der Membran-Elektroden-Anordnung 22 gemäß 2 der Klebstoff 20 für die verbesserte Anhaftung der Gasdiffusionslage 12 an der weiteren Komponente 18, da die Kohlefaserschicht 14 der Gasdiffusionslage 12 direkt mit der weiteren Komponente 18 über den Klebstoff 20 verbunden ist.
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Bei der Membran-Elektroden-Anordnung 22 gemäß 2 bedeckt also die mikroporöse Schicht 16 die Kohlefaserschicht 14 nicht mehr vollflächig, sondern lediglich in den Bereichen, welche von dem Klebstoff 20 frei sind, der für die Anhaftung der Gasdiffusionslage 12 an der weiteren Komponente 18 sorgt.
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Bei der weiteren Komponente 18 kann es sich um eine Kontaktfolie handeln. Beispielsweise kann die weitere Komponente 18 als Katalysatorschicht ausgebildet sein. Alternativ kann die weitere Komponente 18 als mit einem Katalysator beschichtete Polymer-Elektrolyt-Membran ausgebildet sein, bei welcher der Katalysator der Gasdiffusionslage 12 zugewandt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007012718 B4 [0003, 0003]
