DE102020213132A1 - Membran-Elektroden-Einheit für eine elektrochemische Zelle und Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Einheit - Google Patents
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Abstract
Membran-Elektroden-Einheit (1) für eine elektrochemische Zelle (100), wobei die Membran-Elektroden-Einheit (1) eine Rahmenstruktur (10) zur Aufnahme einer mit Elektroden (3, 4) beschichteten Membran (2) aufweist. Die Rahmenstruktur (10) umfasst eine erste Folie (11) und eine zweite Folie (12) unter Zwischenlage eines Klebemittels (13). An einem Verbindungsbereich (15) ist die erste Folie (11) mit der zweiten Folie (12) verschmolzen.
Description
- Stand der Technik
- Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Zelle, wobei diese zwei Elektroden, welche mittels eines ionenleitenden Elektrolyten voneinander separiert sind, aufweist. Die Brennstoffzelle wandelt die Energie einer chemischen Reaktion eines Brennstoffes mit einem Oxidationsmittel direkt in Elektrizität um. Es existieren verschiedene Typen von Brennstoffzellen.
- Ein spezieller Brennstoffzellentyp ist die Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEM-FC). In einem aktiven Bereich einer PEM-FC grenzen an eine Polymerelektrolytmembran (PEM) zwei poröse Elektroden mit einer Katalysatorschicht an. Weiter umfasst die PEM-FC im aktiven Bereich Gasdiffusionslagen (GDL), welche die Polymerelektrolytmembran (PEM) und die zwei porösen Elektroden mit einer Katalysatorschicht beidseitig begrenzen. Die PEM, die beiden Elektroden mit der Katalysatorschicht und optional auch die beiden GDL können eine sog. Membran-Elektroden-Einheit (MEA) in dem aktiven Bereich der PEM-FC bilden. Zwei sich gegenüberliegende Bipolarplatten(-hälften) wiederum begrenzen beidseitig die MEA. Ein Brennstoffzellenstapel ist aus abwechselnd übereinander angeordneten MEA und Bipolarplatten aufgebaut. Mit einer Anodenplatte einer Bipolarplatte findet eine Verteilung des Brennstoffes, insbesondere Wasserstoff, und mit einer Kathodenplatte der Bipolarplatte eine Verteilung des Oxidationsmittels, insbesondere Luft/Sauerstoff, statt. Zur elektrischen Isolierung benachbarter Bipolarplatten, zur Formstabilisierung der MEA und zum Verhindern von einem ungewollten Entweichen des Brennstoffes bzw. des Oxidationsmittels kann die MEA in einer rahmenartigen Öffnung zweier aneinander angeordneten Folien eingefasst werden. Üblicherweise sind die beiden Folien dieser Rahmenstruktur aus dem gleichen Werkstoff, bspw. Polyethylennaphthalat (PEN), gebildet. Die aus dem gleichen Werkstoff gebildeten, beiden Folien können verzichtbar redundante Eigenschaften, bspw. wie eine elektrische Isolierfähigkeit (elektrisch isolierend) und/oder eine Sauerstoffdichtigkeit jeder der beiden Folien, aufweisen.
- In der
DE 101 40 684 A1 ist eine Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle, enthaltend eine Schichtanordnung aus einer Anoden-Elektrode, einer Kathoden-Elektrode und einer dazwischen angeordneten Membran, offenbart, wobei auf eine Ober- und Unterseite der Schichtanordnung ein Polymermaterial aufgebracht wird. - Die
DE 10 2018 131 092 A1 weist eine Membran-Elektroden-Einheit mit einer Rahmenstruktur auf. - Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es das Auspressen eines Klebemittels aus der Rahmenstruktur zu verhindern und bevorzugt eine definierte Höhe der Rahmenstruktur zu gewährleisten.
- Offenbarung der Erfindung
- Dazu umfasst die Membran-Elektroden-Einheit eine Rahmenstruktur zur Aufnahme einer mit Elektroden beschichteten Membran. Die Rahmenstruktur weist eine erste Folie und eine zweite Folie unter Zwischenlage eines Klebemittels auf. An einem Verbindungsbereich ist die erste Folie mit der zweiten Folie verschmolzen. An dem Verbindungsbereich sind also die beiden Folien stoffschlüssig miteinander verbunden.
- Bevorzugt bestehen die beiden Folien dazu aus dem gleichen Werkstoff, besonders bevorzugt aus einem thermoplastischen Polymer wie PEN. Dadurch können die beiden Folien auf sehr einfache Weise, beispielsweise mittels eines Heißstempels, verschmolzen werden.
- Durch das Verschmelzen der beiden Folien entsteht eine Barriere gegenüber dem Klebemittel, welches dadurch nicht mehr aus der Rahmenstruktur ausgepresst werden kann, insbesondere beim Stapeln und Verpressen der elektrochemischen Zellen. Das Klebemittel ist quasi in der Rahmenstruktur gefangen. Durch das so definierte Volumen des vergleichsweise inkompressiblen Klebemittels wird eine definierte homogene Höhe der Membran-Elektroden-Einheit eingestellt. Entsprechend kann ein Zellenstapel mit homogeneren Kontaktdruckverteilungen verspannt werden und dabei die Stapelhöhe in engeren Grenzen toleriert werden.
- Die Membran-Elektroden-Einheit kann eine Membran, insbesondere eine Polymerelektrolytmembran (PEM) umfassen. Die Membran-Elektroden-Einheit kann weiter zwei poröse Elektroden mit jeweils einer Katalysatorschicht umfassen, wobei diese insbesondere an die PEM angeordnet sind und beidseitig begrenzen. Man kann hier insbesondere von einer MEA-3 sprechen. Zusätzlich kann die Membran-Elektroden-Einheit zwei Gasdiffusionslagen umfassen. Diese können insbesondere die MEA-3 beidseitig begrenzen. Man kann hier insbesondere von einer MEA-5 sprechen.
- Die elektrochemische Zelle kann beispielsweise eine Brennstoffzelle, eine Elektrolysezelle oder eine Batteriezelle sein. Die Brennstoffzelle ist insbesondere eine PEM-FC (Polymer-Elektrolyt-Membran Brennstoffzelle). Ein Zellenstapel umfasst insbesondere eine Vielzahl an übereinander angeordneten elektrochemischen Zellen.
- Die Rahmenstruktur weist insbesondere eine Rahmenform auf. Die Rahmenstruktur ist vorzugsweise umlaufend ausgeführt. Somit können eine Membran und die beiden Elektroden besonders vorteilhaft in der Rahmenstruktur eingefasst sein. Des Weiteren ist die Rahmenstruktur im Querschnitt insbesondere U-förmig oder Y-förmig zur Aufnahme der Membran und der beiden Elektroden zwischen den Schenkeln der U-Form bzw. Y-Form ausgebildet.
- Beim Verkleben der beiden Folien werden diese bevorzugt nur am Mittelschenkel der Y-Form verklebt, zwischen den beiden anderen Schenkeln ist die Membran zwischen den Folien angeordnet. Die Membran kann dabei auch mit beiden Folien verklebt sein.
- Das Klebemittel dichtet bevorzugt die Membran-Elektroden-Einheit nach außen ab, verklebt die beiden Folien zueinander und fixiert die Membran mit den beiden Elektroden in der Rahmenstruktur.
- Das Klebemittel kann ferner vorzugsweise elektrisch isolierend sein. Somit kann die Rahmenstruktur besonders vorteilhaft elektrisch isolierend sein und ein ungewollter Stromfluss in einem inaktiven Bereich der elektrochemischen Zelle besonders vorteilhaft geringgehalten, insbesondere verhindert, werden.
- In bevorzugten Weiterbildungen sind die beiden Folien über einen Umfang des aktiven Bereichs miteinander verschmolzen. Somit dichtet das Klebemittel den Rand des aktiven Bereichs ab. Diese Dichtfunktion kann deutlich besser gewährleistet werden, wenn ein Auspressen des Klebemittels verhindert wird.
- In vorteilhaften Ausführungen sind die beiden Folien über einen Umfang eines Verteilerbereichs miteinander verschmolzen. Somit dichtet das Klebemittel den Rand des Verteilerbereichs ab. Auch diese Dichtfunktion kann deutlich besser gewährleistet werden, wenn ein Auspressen des Klebemittels verhindert wird.
- Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Einheit nach einer der obigen Ausführungen. Das Verfahren weist dabei folgenden Verfahrensschritt auf:
- • Verschmelzen der ersten Folie mit der zweiten Folie in einem Verbindungsbereich mittels eines Heißstempels.
- Bevorzugt ist der Heißstempel dabei zweiteilig ausgeführt, so dass jede Folie in direktem Kontakt mit einem erhitzten Stempel gebracht werden kann. Besonders bevorzugt erfolgt dieser Prozess unter Aufbringung eines Haltedrucks während des Aufschmelzvorgangs und vor allem während des Abkühlvorgangs, so dass sich beide Folien gut stoffschlüssig miteinander verbinden können.
- Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
- Es zeigen schematisch:
-
1 eine Membran-Elektroden-Einheit aus dem Stand der Technik, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. -
2 eine erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Einheit, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. -
3 eine schematische Membran-Elektroden-Einheit in perspektivischer Ansicht, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. -
1 zeigt in einem Vertikalschnitt eine Membran-Elektroden-Einheit 1 einer elektrochemischen Zelle 100, insbesondere einer Brennstoffzelle, aus dem Stand der Technik, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. - Die Membran-Elektroden-Einheit 1 weist eine Membran 2, beispielhaft eine Polymerelektrolytmembran (PEM), und zwei poröse Elektroden 3 bzw. 4 mit jeweils einer Katalysatorschicht auf, wobei die Elektroden 3 bzw. 4 jeweils an eine Seite der Membran 2 angeordnet sind. Weiter weist die elektrochemische Zelle 100 insbesondere zwei Gasdiffusionslagen 5 bzw. 6 auf, welche je nach Ausführung auch zur Membran-Elektroden-Einheit 1 gehören können.
- Die Membran-Elektroden-Einheit 1 ist an ihrem Umfang von einer Rahmenstruktur 10 umgeben, hier spricht man auch von einem Subgasket. Die Rahmenstruktur 10 dient der Steifigkeit und der Dichtheit der Membran-Elektroden-Einheit 1 und ist ein nicht-aktiver Bereich der elektrochemischen Zelle 100.
- Die Rahmenstruktur 10 ist im Schnitt insbesondere U-förmig bzw. Y-förmig ausgebildet, wobei ein erster Schenkel des U-förmigen Rahmenabschnitts durch eine erste Folie 11 aus einem ersten Werkstoff W1 gebildet ist und ein zweiter Schenkel des U-förmigen Rahmenabschnitts durch eine zweite Folie 12 aus einem zweiten Werkstoff W2 gebildet ist. Zusätzlich sind die erste Folie 11 und die zweite Folie 12 mittels eines Klebemittels 13 aus einem dritten Werkstoff W3 zusammengeklebt. Häufig sind der erste Werkstoff W1 und der zweite Werkstoff W2 identisch.
- Die beiden Gasdiffusionslagen 5 bzw. 6 sind mittels eines weiteren Klebemittels 14 wiederum jeweils an einer Seite der Rahmenstruktur 10 angeordnet, üblicherweise so, dass sie in dem aktiven Bereich der elektrochemischen Zelle 100 mit je einer Elektrode 3, 4 in Kontakt sind.
- Beim Verspannen mehrerer elektrochemischer Zellen 100 zu einem Zellenstapel besteht die Gefahr, dass das Klebemittel 13 aus der Rahmenstruktur 10 gepresst wird. Dies kann zur Undichtheit der Membran-Elektroden-Einheit 1 und in der Folge sogar zum Totalausfall des gesamten Zellenstapels führen.
- Erfindungsgemäß werden nun die beiden Folien 11, 12 an einem Verbindungsbereich 15 miteinander verschmolzen bzw. so versiegelt, dass ein Austreten des Klebemittels 13 nach außen verhindert wird.
- Dazu zeigt
2 eine Membran-Elektroden-Einheit 1 im Querschnitt, bei welcher die erste Folie 11 und die zweite Folie 12 an dem Verbindungsbereich 15 verschmolzen sind, so dass das Klebemittel 13 versiegelt ist. Ein Austreten des Klebemittels 13 in der Darstellung der2 nach links ist auch beim Zusammenpressen der beiden Folien 11, 12 gegeneinander dann nicht mehr möglich. - Durch das so eingesperrte Volumen des Klebemittels 13 ist weiterhin eine definierte Höhe der Lage des Klebemittels 13 und somit der gesamten Membran-Elektroden-Einheit 1 in Stapelrichtung der elektrochemischen Zellen 100 gewährleistet, da ein definierter Abstand der beiden Folien 11, 12 zueinander gewahrt wird.
- In
2 ist weiterhin ein zugehöriges Fertigungsverfahren für die Membran-Elektroden-Einheit 1 skizziert. Die Verschmelzung bzw. stoffschlüssige Verbindung der beiden Folien 11, 12 miteinander wird bevorzugt mittels eines Heißstempels 40 erzeugt. In der skizzierten Ausführung umfasst der Heißstempel 40 dazu einen ersten Stempel 41 und einen zweiten Stempel 42. Die beiden Stempel 41, 42 werden während des Fertigungsschritts erhitzt und am Verbindungsbereich 15 aufeinander zugeführt, so dass der erste Stempel 41 auf die erste Folie 11 wirkt, und der zweite Stempel 42 auf die zweite Folie 12. Die beiden Stempel 41, 42 werden soweit aufeinander zu bewegt, dass die erste Folie 11 in dem Verbindungsbereich 15 mit der zweiten Folie 12 in Kontakt kommt. Die hohen Temperaturen der beiden Stempel 41, 42 schmelzen zumindest am Verbindungsbereich 15 die beiden Folien 11, 12 auf, so dass sich die zugehörigen Polymerketten miteinander verbinden können; nach dem Abkühlen der beiden Folien 11, 12 ist in dem Verbindungsbereich 15 also eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den beiden Folien 11, 12 ausgebildet. - Dieser Fertigungsschritt zur Verschmelzung der beiden Folien 11, 12 kann bevorzugt mit weiteren Fertigungsschritten kombiniert werden, beispielsweise mit Stanzprozessen an der Membran-Elektroden-Einheit 1 oder einem Zuschneiden der Rahmenstruktur 10.
-
3 zeigt eine perspektivische Ansicht der Membran-Elektroden-Einheit 1 in einer schematischen Darstellung. In der Mitte der Membran-Elektroden-Einheit 1 befindet sich der bevorzugt rechteckige aktive Bereich 35 mit der beschichteten Membran. Die beschichtete Membran ist an ihrem Umfang von der Rahmenstruktur 10 eingefasst. In der Ausführung der3 weist die Rahmenstruktur 10 an ihren schmalen Stirnseiten jeweils drei Verteileröffnungen 30 auf für die Zu- und Abfuhr der Medien Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel. Zwischen den Verteileröffnungen 30 und dem aktiven Bereich 35 ist der sogenannte Verteilerbereich 31 ausgebildet, welcher der Verteilung (zufuhrseitig) bzw. dem Sammeln (abfuhrseitig) der Medien von den vergleichsweise schmalen Verteileröffnungen 30 zu dem vergleichsweise breiten aktiven Bereich 35 dient. - In bevorzugten Ausführungen der Erfindung sind nun die beiden Folien 11, 12 der Rahmenstruktur 10 an einem Umfang 36 des aktiven Bereichs 35 und/oder an einem Umfang 32 des Verteilerbereichs 31 miteinander verschmolzen; dadurch sind in den entsprechenden Bereichen 31, 35 die Volumenmengen an Klebemittel 13 definiert, das Klebemittel 13 kann nicht mehr ausdringen. Eine homogene Dicke der Membran-Elektroden-Einheit 1 ist damit robust eingestellt und die jeweiligen Bereiche 31, 35 sind sehr gut abgedichtet.
- 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 10140684 A1 [0003]
- DE 102018131092 A1 [0004]
Claims (6)
- Membran-Elektroden-Einheit (1) für eine elektrochemische Zelle (100), wobei die Membran-Elektroden-Einheit (1) eine Rahmenstruktur (10) zur Aufnahme einer mit Elektroden (3, 4) beschichteten Membran (2) aufweist, wobei die Rahmenstruktur (10) eine erste Folie (11) und eine zweite Folie (12) unter Zwischenlage eines Klebemittels (13) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Verbindungsbereich (15) die erste Folie (11) mit der zweiten Folie (12) verschmolzen ist.
- Membran-Elektroden-Einheit (1) nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Folien (11, 12) aus dem gleichen Werkstoff bestehen. - Membran-Elektroden-Einheit (1) nach
Anspruch 1 oder2 , dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Folien (11, 12) aus einem thermoplastischen Polymer, bevorzugt PEN, bestehen. - Membran-Elektroden-Einheit (1) nach einem der
Ansprüche 1 bis3 , dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Folien (11, 12) über einen Umfang (36) eines aktiven Bereichs (35) miteinander verschmolzen sind. - Membran-Elektroden-Einheit (1) nach einem der
Ansprüche 1 bis4 , dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Folien (11, 12) über einen Umfang (32) eines Verteilerbereichs (32) miteinander verschmolzen sind. - Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Einheit (1) nach einem der
Ansprüche 1 bis5 , wobei die Membran-Elektroden-Einheit (1) eine Rahmenstruktur (10) zur Aufnahme einer mit Elektroden (3, 4) beschichteten Membran (2) aufweist, wobei die Rahmenstruktur (10) eine erste Folie (11) und eine zweite Folie (12) unter Zwischenlage eines Klebemittels (13) umfasst, durch folgenden Verfahrensschritt gekennzeichnet: • Verschmelzen der ersten Folie (11) mit der zweiten Folie (12) in einem Verbindungsbereich (15) mittels eines Heißstempels (40).
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