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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Einheit sowie eine mit dem Verfahren hergestellte oder herstellbare Membran-Elektroden-Einheit.
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Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten katalytischen Elektrode (Anode und Kathode) ist. Letztere umfassen zumeist geträgerte Edelmetalle, insbesondere Platin. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeldplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Einheiten.
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Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird über ein kathodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) zugeführt, sodass eine Reduktion von O2 zu Wasser H2O stattfindet, wobei die Elektronen und die Protonen aufgenommen werden.
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In PEM-Brennstoffzellen ist eine protonenleitende, gasdichte und elektrisch nichtleichtende Schicht zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode erforderlich, um das Funktionsprinzip zu gewährleisten. Stand der Technik ist es, hierfür Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEM) zu benutzen. Dabei werden Membranen verwendet, die als separates Bauteil weiterverarbeitet werden können. Diese Membranen sind mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt. Dies hat zur Folge, dass die Membranen nicht beliebig dünn und beliebig hoch mit funktionalen Gruppen beladen werden können. Deshalb verursachen Membranen nach dem Stand der Technik innerhalb der Brennstoffzelle erhebliche Spannungsverluste infolge des ohmschen Widerstands der Protonenleitung.
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Um die Nachteile von Ionomerfolien zu umgehen, entwickelten Klingele et al. ein Konzept, bei dem eine lonomerschicht direkt auf eine Gasdiffusionselektrode aufgetragen wird. (Klingele et al. J. of Mat. Chem. A; 2015; DOI: 10.1039/c5ta01341k). Das Konzept der direkt aufgetragenen Ionomerschicht bringt eine kostengünstigere Fertigbarkeit, Vorteile beim Zusammenbau von Brennstoffzellenstapeln und geringere Spannungsverluste aufgrund des Protonenwiderstands, insbesondere im Betrieb mit geringen Gasfeuchten mit sich. Um ein Vermischen von Betriebsgasen zwischen den Gasdiffusionslagen zu vermeiden, ist bei dem beschriebenen Konzept jedoch ein Subgasket erforderlich, welches nachteiliger Weise einen Anteil der aktiven Fläche überdeckt und somit inaktiviert. Ferner erfordert das Subgasket, dass die lonomerschicht sowie die Elektroden im Überlappbereich sehr stark verpresst werden, was zu Beschädigungen führen kann.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Stands der Technik zu umgehen oder zumindest zu verringern. Insbesondere soll eine Membran-Elektroden-Einheit bereitgestellt werden, welche sowohl die Vorteile einer flüssig auftragbaren Ionomerschicht als auch diejenigen einer Ionomerfolie aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Einheit sowie durch eine Membran-Elektroden-Einheit mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Somit betrifft ein erster Aspekt der Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle umfassend die folgenden Schritte in der angegebenen Reihenfolge: Zunächst werden zwei Gasdiffusionslagen bereitgestellt, die jeweils eine katalytisch beschichtete Oberfläche aufweisen. Anschließend wird eine Ionomer-Dispersion auf die beschichtete Oberfläche zumindest einer der Gasdiffusionselektroden (katalytisch beschichtete Gasdiffusionslage) aufgetragen. Nach dem Auftragen der Ionomer-Dispersion werden die Gasdiffusionslagen derart aneinander angeordnet, dass die beschichteten Oberflächen einander zugewandt sind und sich ein Schichtstapel ergibt, der eine Gasdiffusionslage mit katalytischer Beschichtung eine daran angeordnete Ionomerbeschichtung, eine daran angeordnete katalytische Beschichtung auf einer Gasdiffusionslage umfasst. Nach dem Ausbilden des Schichtstapels wird erfindungsgemäß eine umlaufende Dichtung um den Schichtstapel angeordnet, wobei die Dichtung eine Höhe aufweist, die zumindest der Höhe des Schichtstapels entspricht. Im Vergleich zur Verwendung von herkömmlichen Membranfolien weist die erfindungsgemäß hergestellte Membran-Elektroden-Einheit den Vorteil auf, dass die Membran sich nicht selbst stützen muss, sondern durch die Gasdiffusionslage gestützt wird, auf der sie abgeschieden ist. Damit kann die Dicke und somit der Verbrauch an Membranmaterial deutlich reduziert werden. Ferner ist durch die direkte Auftragung des Membranmaterials im flüssigen Zustand auf die katalytische Oberfläche der Kontakt mit der Gasdiffusionslage optimiert, sodass ein Wasserstoff- und Stromübergang zwischen Gasdiffusionslage und Membran erhöht ist. Dies geht wiederum mit einem höheren Protonenleitwert der Membran-Elektroden-Einheit einher. Im Gegensatz zu dem bekannten Direktauftragungsverfahren von Klingele et al. wird im erfindungsgemäßen Verfahren durch die umlaufende Dichtung nahezu die gesamte beschichtete Oberfläche der Brennstoffzellenreaktion zugänglich, da auf ein sogenanntes Subgasket verzichtet werden kann, welches funktionsbedingt einen Teil der Ionomerschicht abdecken würde und somit die aktive Fläche reduzieren würde. Somit weist eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Membran-Elektroden-Einheit einen höheren Wirkungsgrad auf. Zudem zeigt es sich, dass eine umlaufende Dichtung, wie sie erfindungsgemäß vorgesehen ist, bessere Dichtergebnisse erzielt, als eine Membran-Elektroden-Einheit mit Subgasket. Zudem erfordert die erfindungsgemäße Dichtung keine zusätzliche Verpressung der Membran-Elektroden-Einheit. Eine erfindungsgemäß hergestellte Membran-Elektroden-Einheit zeichnet sich somit gegenüber dem Stand der Technik durch eine längere Lebensdauer und höhere Wirkungsgrade aus.
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Vorliegend umfasst eine Membran-Elektroden-Einheit zwei Gasdiffusionslagen sowie zwei Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode, wobei je eine Elektrode an einer Gasdiffusionslage angeordnet ist. Die beiden Gasdiffusionslagen sind innerhalb der Membran-Elektroden-Einheit durch eine protonenleitfähige Membran separiert, welche erfindungsgemäß in flüssiger Form auf die katalytische Beschichtung zumindest einer der Gasdiffusionselektrode appliziert wird. Die Membran-Elektroden-Einheit umfasst somit einen Schichtstapel aus einer ersten Gasdiffusionslage, einer daran angeordneten katalytischen Beschichtung, einer daran angeordneten Membran in Form einer Ionomerbeschichtung, einer daran angeordneten katalytischen Beschichtung, an die wiederum eine zweite Gasdiffusionslage angrenzt.
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Unter umlaufender Dichtung wird vorliegend ein Material verstanden, welches um den Schichtstapel der Membran-Elektroden-Einheit herum angeordnet ist. Dabei handelt es sich vorzugsweise um ein elastisches Material, wie beispielsweise ein Elastomer oder ein thermoplastisches Elastomer. Die umlaufende Dichtung ist, zumindest bezogen auf die Höhe des Schichtstapels, einstückig ausgebildet, das heißt, sie erstreckt sich in der Höhe über die gesamte Höhe des Schichtstapels. Bezogen auf eine herkömmliche Membran-Elektroden-Einheit vereint die erfindungsgemäße umlaufende Dichtung somit zwei Dichtungen (vergleiche 1), nämlich eine Anodenraumdichtung und eine Kathodenraumdichtung, sowie ein Separierelement, welches in herkömmlichen Membran-Elektroden-Einheiten den Anodenraum vom Kathodenraum trennt. Dieses Separierelement ist je nach Ausgestaltung der herkömmlichen Membran-Elektroden-Einheit entweder das Subgasket oder aber eine Membranfolie beziehungsweise der Stützrahmen einer Membranfolie, welche jeweils über die Fläche der Gasdiffusionslage hinausragen.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die umlaufende Dichtung eine Spritzgussdichtung ist. Dabei handelt es sich um ein besonders einfaches Verfahren, welches insbesondere nachträglich, also nach Aufbau des Schichtstapels, angewendet werden kann. Besonders vorteilhaft ist beim Spritzgussverfahren, dass Fehlertoleranzen im Aufbau der Membran-Elektroden-Einheit durch die umlaufende Dichtung ausgeglichen werden können und somit ein besonders gutes Dichtergebnis erzielt wird.
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Mit besonderem Vorteil wird die Ionomerdispersion mittels Tintenstrahlverfahrens auf die Gasdiffusionselektrode aufgebracht, da hiermit bislang die besten Ergebnisse insbesondere in Bezug auf Homogenität und Schichtdicke erzielt werden konnten. Alternativ dazu wird die Ionomerdispersion mittels Sprühens, Druckens, Walzens, Streichens oder Rakelns aufgebracht.
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Besonders bevorzugt ist, dass auf die katalytisch beschichtete Oberfläche beider Gasdiffusionslagen je eine Ionomerbeschichtung aufgetragen wird. Dies hat den Vorteil, dass an beiden Elektroden eine höhere Kontaktfläche und somit niedrigere Kontaktwiderstände erzielt werden. In dieser Ausgestaltung wird daher die Protonenleitfähigkeit und Ausbeute innerhalb der Membran-Elektroden-Einheit weiter verbessert. Alternativ hierzu wird die katalytisch beschichtete Oberfläche nur einer der beiden Gasdiffusionselektroden mit einer Ionomerbeschichtung versehen und an die katalytisch beschichtete Oberfläche der zweiten Gasdiffusionslage angeordnet. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht insbesondere in einer Materialeinsparung.
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Vorteilhafterweise bildet sich zwischen den katalytischen Beschichtungen der beiden Gasdiffusionselektroden eine Ionomerschicht aus, welche je nach Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Ionomerbeschichtung einer der Gasdiffusionslagen oder die Ionomerbeschichtungen beider Gasdiffusionselektroden umfasst. Mit besonderem Vorteil steht diese Ionomerschicht mit der katalytischen Beschichtung beider Gasdiffusionslagen in Kontakt. Mit anderen Worten bildet sich ein Schichtstapel aus erster Gasdiffusionslage / erste katalytische Beschichtung / Ionomerschicht / zweite katalytische Beschichtung / zweite Gasdiffusionslage aus, wobei alle Schichten reibschlüssig aneinander angeordnet sind. Insbesondere entstehen zwischen den Schichten keine makroskopischen Hohlräume, die die Protonen- beziehungsweise elektrische Leitfähigkeit innerhalb der Membran-Elektroden-Einheit herabsetzen würden. Somit ist in dieser Ausgestaltungsform die Lebensdauer und der Wirkungsgrad der Membran-Elektroden-Einheit optimiert.
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Insbesondere ist bevorzugt, dass die Ionomerschicht vollflächig mit der katalytischen Beschichtung beider Gasdiffusionselektroden in Kontakt steht und insbesondere nicht durch Dichtmaterial, wie beispielsweise ein Subgasket, unterbrochen ist.
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Mit Vorteil umfasst die Ionomerdispersion einen Polymerelektrolyten, insbesondere Nafion. Bei dem Dispersionsmedium handelt es sich vorzugsweise um ein Gemisch aus Wasser, Alkohol und Ether, insbesondere um ein Gemisch aus Wasser, Propanol, Ethanol und mindestens einem Ether. Die Dispersion umfasst vorzugsweise 5 bis 45 Gew.% des Polymerelektrolyten, insbesondere 10 bis 35 Gew.% des Polymerelektrolyten, bevorzugt 15 bis 30 Gew.% des Polymerelektrolyten. Es zeigte sich, dass derartige Dispersionen mit den genannten Verfahren, insbesondere mit dem Tintenstrahlverfahren, gut und gleichmäßig auf die Gasdiffusionselektroden applizierbar sind und dabei eine durchgängige und hochqualitative Ionomerschicht auf der entsprechenden Gasdiffusionslage erzeugt werden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Membran-Elektroden-Einheit, hergestellt oder herstellbar nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
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Somit betrifft die Erfindung insbesondere eine Membran-Elektroden-Einheit, welche zwei Gasdiffusionslagen umfasst, wobei jede der Gasdiffusionslagen eine mit einem katalytischen Material beschichtete Oberfläche aufweist und zumindest eine der Gasdiffusionslagen auf der katalytisch beschichteten Oberfläche eine Ionomerbeschichtung zum Ausbilden einer Ionomerschicht aufweist. Die beiden Gasdiffusionslagen sind derart aneinander angeordnet, dass die katalytisch beschichteten Oberflächen einander zugewandt und durch die Ionomerschicht voneinander getrennt sind. Erfindungsgemäß steht die Ionomerschicht mit der katalytischen Beschichtung beider Gasdiffusionslagen in Kontakt.
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Die Ionomerschicht umfasst zumindest eine Ionomerbeschichtung auf einer der Gasdiffusionselektroden. Optional umfasst die Ionomerschicht zudem eine weitere Ionomerbeschichtung, welche auf der zweiten Gasdiffusionselektrode angeordnet ist. Die Ionomerbeschichtung wird vorzugsweise wie im erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben mittels einer Ionomerdispersion in flüssiger Form auf die Gasdiffusionselektrode aufgebracht.
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Zudem betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle, welche eine erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Einheit aufweist.
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Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
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Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer Brennstoffzelle nach dem Stand der Technik,
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2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer Brennstoffzelle nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, und
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3 eine schematische Ablaufskizze eines Verfahrens zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Einheit nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer Brennstoffzelle 1‘ nach dem Stand der Technik. Die Brennstoffzelle 1‘ nach dem Stand der Technik umfasst zwei Bipolarplatten 11, welche Reaktantenströmungskanäle 12 zur Führung von Oxidationsmittel beziehungsweise Brennstoff aufweisen. Zwischen den beiden Bipolarplatten ist eine Membran-Elektroden-Einheit 10‘ nach dem Stand der Technik angeordnet. Die Membran-Elektroden-Einheit 10‘ umfasst je zwei Gasdiffusionslagen 13, welche eine katalytische Beschichtung 14 auf einer ihrer Oberflächen aufweisen. In der Membran-Elektroden-Einheit 10‘ nach dem Stand der Technik sind die beiden katalytisch beschichteten Gasdiffusionslagen 13 derart angeordnet, dass die beschichteten Oberflächen einander zugewandt sind. Zwischen den beschichteten Oberflächen ist ein Ionomer angeordnet, das die beiden Gasdiffusionselektroden gasdicht voneinander trennt. Das Ionomer ist entweder wie in 1 gezeigt als Ionomerbeschichtung 14 ausgebildet, welche jeweils auf einer katalytischen Beschichtung der beiden Gasdiffusionslagen 13 aufgebracht ist. Zur Trennung der Gasräume ist dann ein Subgasket 16 vorgesehen, welches die beiden Gasräume voneinander trennt. Alternativ und hier nicht gezeigt ist das Ionomer als Ionomerfolie ausgebildet, welche zwischen den Gasdiffusionselektroden 19 angeordnet ist. In dieser Variante ist die Ionomerfolie entweder deutlich größer ausgebildet als die Oberfläche der Gasdiffusionselektrode 19, sodass sie in einem Schichtstapel aus Gasdiffusionselektrode 19 -Ionomer und Gasdiffusionselektrode 19 aus den beiden Gasdiffusionselektroden 19 herausragt, oder aber die Ionomerfolie ist in einen Stützrahmen eingefasst, welcher dann seinerseits aus den Gasdiffusionselektroden 19 herausragt. Je nach Ausgestaltung dient der Überstand als Trennung der Gasräume der beiden Gasdiffusionselektroden 19.
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Die Ionomerbeschichtung 14 der beiden Gasdiffusionselektroden 19 der in 1 gezeigten Brennstoffzelle 1‘ steht in der Membran-Elektroden-Einheit 10‘ nach dem Stand der Technik nicht miteinander in Kontakt, sondern ist vielmehr durch das Subgasket 16 separiert. Es entsteht ein Spalt.
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Im Gegensatz dazu zeigt 2 einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 1. Die Brennstoffzelle 1 umfasst zwei Bipolarplatten 11, welche wiederum Strömungskanäle 12 zur Versorgung einer Membran-Elektroden-Einheit 10 mit Betriebsgasen aufweisen. Die Membran-Elektroden-Einheit 10 ist zwischen den beiden Bipolarplatten 11 angeordnet und umfasst zwei Gasdiffusionselektroden 19, zwischen denen eine Ionomerschicht 20 angeordnet ist. Die Gasdiffusionselektroden 19 umfassen jeweils eine Gasdiffusionslage 13 sowie eine auf deren Oberfläche abgeschiedene katalytische Beschichtung 14. Die Ionomerschicht 20 umfasst zumindest eine Ionomerbeschichtung 15, die auf einer katalytischen Beschichtung 14 einer der Gasdiffusionselektroden 19 abgeschieden ist. In der gezeigten Ausführungsform umfasst die Ionomerschicht 20 zwei Ionomerbeschichtungen 15, wobei jeweils eine auf einer der Gasdiffusionselektroden 19 abgeschieden ist. Die Abscheidung kann beispielsweise mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgen, welches anhand der 3 näher beschrieben wird.
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2 ist zu entnehmen, dass eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle keinen Spalt zwischen den Gasdiffusionselektroden 19 aufweist. Insbesondere entstehen zwischen den Schichten des Schichtstapels 18, der sich aus einer ersten Gasdiffusionselektrode 13 mit katalytischer Beschichtung 14, einer Ionomerschicht 20 und einer zweiten katalytischen Beschichtung 14, die wiederum auf einer zweiten Gasdiffusionselektrode 13 angeordnet ist, keine makroskopischen Hohlräume oder Spalten. Es entsteht eine stoffschlüssigen Verbindung anstatt einer Reibschlüssigen. Dies wird insbesondere dadurch realisiert, dass die erfindungsgemäße Brennstoffzelle 1 keine Separierschicht zwischen den Gasdiffusionselektroden in Form eines Subgaskets, einer Membranfolie oder einen Membranrahmen aufweist. Vielmehr ist zwischen den Bipolarplatten 11, umlaufend um den Schichtstapel 18, ein Dichtmaterial 17, beispielsweise in Form einer Spritzgussdichtung, angeordnet. Dieses Dichtmaterial erstreckt sich über die gesamte Höhe des Schichtstapels 18. Das Dichtmaterial ist dabei derart stoffschlüssig an den Seitenkanten des Schichtstapels 18 angeordnet, dass keine Betriebsgase aus den Gasdiffusionslagen entweichen und sich insbesondere nicht vermischen können. Das heißt die umlaufende Dichtung 17 verhindert einen Stoffaustausch zwischen den Gasdiffusionslagen, in denen es im weitesten keine fluidführenden Verbindungen zwischen den Gasdiffusionslagen ermöglicht. Bei dem Dichtmaterial 17 handelt es sich beispielsweise um eine Polymerdichtung, insbesondere um ein Elastomer oder ein thermoplastisches Elastomer. Wie 2 weiter zeigt, vereint die erfindungsgemäße umlaufende Dichtung 17 im Vergleich zum Stand der Technik zwei Dichtungen, welche jeweils zwischen einer Bipolarplatte und der Separierschicht 16 angeordnet sind sowie die Separierschicht 16 in einer einzigen Dichtung 17.
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Die erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Einheit 10 ist, wie sie beispielhaft in 2 gezeigt ist, derart aufgebaut, dass der Schichtstapel 18 in der Membran-Elektroden-Einheit 10 keine oder möglichst wenig makroskopische Hohlräume, aber jedenfalls keine Spalten aufweist, welche die Protonleitfähigkeit oder die Stromleitfähigkeit quer durch die Membran-Elektroden-Einheit reduzieren würden. Zudem ist die Vereinigung dreier Dichtelemente, wie sie im Stand der Technik verwendet wird, zu einer einzigen umlaufenden Dichtung 17, wie sie erfindungsgemäß vorgesehen ist, mit weniger Grenzflächen verbunden und ist somit nicht nur einfacher herstellbar, sondern zeigt darüber hinaus auch bessere Dichtergebnisse.
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3 zeigt eine schematische Ablaufskizze eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Einheit 10 in einer bevorzugten Ausgestaltung. Hierin wird in einem ersten Schritt I eine Gasdiffusionselektrode 19 umfassend eine Gasdiffusionslage 13, welche eine katalytische Beschichtung 14 auf einer ihrer Oberflächen aufweist, bereitgestellt. Auf diese wird eine flüssige Ionomerdispersion 15a appliziert. Dies kann beispielsweise mittels Tintenstrahldruckverfahrens, Sprühens, Pinselns, Walzens, Rakelns oder ähnlichem erfolgen.
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Die Dispersion umfasst einen Polymerelektrolyt, insbesondere Nafion, beispielsweise Nafion D2020. Als Dispergens kann eine Mischung aus Wasser, Alkohol und Ether verwendet werden. Als vorteilhaft erwies sich beispielsweise eine Mischung aus Wasser, Propanol, Ethanol und einer Ethermischung. Gute Ergebnisse konnten erzeugt werden mit einer Dispersion, die in etwa zu einem Teil aus Polymerelektrolyt und zwei Teilen Dispergens besteht. Eine derartige Mischung ist beispielsweise als DuPont’s Nafion® D2020-Dispersion von Ion Power zugänglich, welche zu 21 Gew.% aus Nafion, 34 Gew.% aus Wasser, 44 Gew.% aus 1-Propanol, 1 Gew.% Ethanol sowie einer Ethermischung besteht.
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Das Applizieren einer Ionomermischung 15a auf eine Gasdiffusionselektrode 19 ist aus einem Übersichtsartikel des Journal of Material Chemistry A von Klingele et al. bekannt, auf den hiermit Bezug genommen beziehungsweise verwiesen wird.
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Auf die Ionomerbeschichtung der Gasdiffusionselektrode 19 wird in einem zweiten Schritt II eine zweite Gasdiffusionselektrode 19, ebenfalls umfassend eine Gasdiffusionslage 13 und eine katalytische Beschichtung 14, angeordnet. Dabei sind die Gasdiffusionselektroden 19 so zueinander ausgerichtet, dass die katalytischen Oberflächen einander zugewandt sind. Es entsteht der im dritten Schritt III gezeigte Schichtstapel 18 aus Gasdiffusionslage 13, katalytischer Beschichtung 14, Ionomerbeschichtung 15, beziehungsweise Ionomerschicht 20, darin angeordnet eine weitere katalytische Beschichtung 14, die an einer weiteren Gasdiffusionslage 13 angeordnet ist. Optional kann zusätzlich auf der zweiten Gasdiffusionselektrode 19 eine Ionomerbeschichtung 15 aufgetragen werden, welche bei Ausbildung des Schichtstapels 18 mit der Ionomerbeschichtung 15 der ersten Gasdiffusionselektrode 19, vorzugsweise vollflächig, verbunden ist.
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Erfindungsgemäß wird entlang einer Seitenkante des Schichtstapels 18 umlaufend über die gesamte Höhe der Seitenkante ein Dichtmaterial 17a angeordnet. Beispielsweise handelt es sich bei dem Dichtmaterial 17a um ein Polymer, insbesondere um ein Elastomer oder ein thermoplastisches Elastomer. Das Dichtmaterial 17a wird beispielsweise mittels Spritzguss an dem Schichtstapel angebracht. Nach einem Aushärten des Dichtmaterials 17a entsteht die in Schritt IV gezeigte erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Einheit mit umlaufender Dichtung 17. Dabei weist die Dichtung 17 eine Höhe auf, die zumindest der Höhe des Schichtstapels 18 entspricht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzelle
- 1‘
- Brennstoffzelle nach dem Stand der Technik
- 10
- Membran-Elektroden-Einheit
- 10‘
- Membran-Elektroden-Einheit nach dem Stand der Technik
- 11
- Bipolarplatte
- 12
- Reaktandenströmungskanal
- 13
- Gasdiffusionslage
- 14
- katalytische Beschichtung
- 15
- Ionomerbeschichtung
- 16
- Subgasket
- 17
- Dichtung
- 17a
- Dichtmaterial
- 18
- Schichtstapel
- 19
- Gasdiffusionselektrode (GDE)
- 20
- Ionomerschicht
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Klingele et al. J. of Mat. Chem. A; 2015; DOI: 10.1039/c5ta01341k [0005]
- Klingele et al [0007]
- Übersichtsartikel des Journal of Material Chemistry A von Klingele et al. [0033]
