DE102020213140A1

DE102020213140A1 - Membran-Elektroden-Einheit für eine elektrochemische Zelle und Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Einheit

Info

Publication number: DE102020213140A1
Application number: DE102020213140.6A
Authority: DE
Inventors: Andreas Ringk
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-10-19
Filing date: 2020-10-19
Publication date: 2022-04-21
Also published as: CN116368649A; US20230387440A1; WO2022084121A1

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), wobei die erste Folie (11) mit der zweiten Folie (12) in einem Verbindungsbereich (15) mittels eines Klebemittels (13) verbunden ist. Zumindest an einer der beiden Folien (11, 12) ist in dem Verbindungsbereich (15) eine Abstandsstruktur (20) ausgebildet.

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 einer Membran-Elektroden-Einheit 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 umfasst eine erste Folie und eine zweite Folie, wobei die erste Folie mit der zweiten Folie in einem Verbindungsbereich mittels eines Klebemittels verbunden ist. Zumindest an einer der beiden Folien ist in dem Verbindungsbereich eine Abstandsstruktur ausgebildet.
Die Abstandsstruktur steht in direktem Kontakt mit dem Klebemittel, dient also der Adhäsion, ist aber so steif, dass ein Auspressen des Klebemittels aus der Rahmenstruktur wirkungsvoll verhindert wird. Die Abstandsstruktur ist somit auch eine mechanische Versteifung der Folie. Bevorzugt ist dazu der Elastizitätsmodul des Materials der Abstandsstruktur mindestens 10-mal so groß ist wie der Elastizitätsmodul des Klebemittels. Weiterhin bevorzugt weist die Abstandsstruktur eine steife Geometrie auf, sie ist insbesondere wabenförmig ausgeführt. Dadurch können die Verspannkräfte des Zellenstapels über die vergleichsweise steife Abstandsstruktur übertragen werden, eine übermäßige Verformung des Klebemittels - und in der Folge ein Auspressen - werden verhindert. Durch die Abstandsstruktur kann so auch eine eng tolerierbare Höhe der Rahmenstruktur eingestellt werden. Die Abstandsstruktur stellt also einen definierten Abstand zwischen den beiden Folien ein und verhindert beim Stapelprozess ein weiteres Zusammendrücken der Rahmenstruktur und damit ein Auspressen des Klebemittels. Eine definierte Höhe der elektrochemischen Zelle wird damit robust eingehalten.
In bevorzugten Ausführungen bildet die Abstandsstruktur Klebetaschen aus, in welchen das Klebemittel quasi volumetrisch gefangen ist. Dadurch ist das Volumen an Klebemittel pro Fläche definiert, so dass die Höhe besonders robust eingestellt werden kann.
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.
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.
Weiter bevorzugt können auch der/die Abstandsstrukturen isolierend, insbesondere elektrisch isolierend ausgeführt sein, so dass ein ungewollter Stromfluss verhindert wird.
In vorteilhaften Weiterbildungen ist eine Gasdiffusionslage mittels eines weiteren Klebemittels an der Rahmenstruktur befestigt. Die Folien weisen in Richtung des weiteren Klebemittels vorteilhafterweise ebenfalls je zumindest eine Abstandsstruktur auf. Auch hier sind die Abstandsstrukturen bevorzugt nach einer der oben beschriebenen Ausführungen gestaltet.
Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Einheit nach einer der obigen Ausführungen. Das Verfahren weist dabei folgende Verfahrensschritte auf:

• Aufbringen der Abstandstruktur auf die erste Folie.
• Applizieren des Klebemittels auf die Abstandsstruktur, gegebenenfalls in die Klebetaschen.
• Verkleben der ersten Folie mit der zweiten Folie in dem Verbindungsbereich unter abschnittsweiser Zwischenlage der Membran außerhalb des Verbindungsbereichs.

Bevorzugt wird die Abstandsstruktur dabei mittels erwärmter Prägerollen auf die erste Folie aufgebracht. Das Aushärten des Klebemittels erfolgt vorteilhafterweise unter Aufbringung einer Druckbelastung.
Beim Verkleben der beiden Folien werden diese bevorzugt nur am Mittelschenkel der Y-Form verklebt, also in dem Verbindungsbereich, zwischen den beiden anderen Schenkeln ist die Membran angeordnet. Die Membran kann dabei auch mit beiden Folien verklebt sein.
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 schematisch die Herstellung einer Abstandsstruktur in einer Folie für eine Membran-Elektroden-Einheit, 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 in einem Verbindungsbereich 15 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 über der aktiven Fläche 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 eine oder beide Folien 11, 12 zumindest in dem Verbindungsbereich 15 mit einer Abstandsstruktur 20 versehen, so dass ein definierter Abstand zwischen diesen beiden Folien 11, 12 erhalten bleibt und ein Auspressen des Klebemittels 13 verhindert wird. Bevorzugt sind die Folien 11, 12 bzw. die Abstandsstruktur 20 deutlich steifer, bevorzugt 10-mal so steif wie das ausgehärtete Klebemittel 13, damit die Abstandsstruktur 20 entsprechende Vorspannkräfte des Zellenstapels übertragen kann ohne dass sie dabei zu stark deformiert wird.
Dazu zeigt 2 Abstandsstrukturen 20, die an den beiden Folien 11, 12 in Richtung des Klebemittels 13 ausgebildet sind. Im Querschnitt der 2 haben die Abstandsstrukturen 20 die Form von Stegen 21, welche so zueinander angeordnet sind, dass sie Klebetaschen 13a ausbilden, in welchen das Klebemittel 13 eingeschlossen ist.
Bevorzugt entspricht dabei die Höhe der Stege 21 der Abstandsstruktur 20 der Höhe, auf die das Klebemittel 13 während des Verspannens des Zellenstapels komprimiert werden soll. Ein weiteres Zusammenpressen wird aufgrund der vergleichsweise hohen Steifigkeit der Abstandsstruktur 20 bzw. ihrer Stege 21 vermieden.
Die Abstandsstrukturen 20 übertragen die Verspannkraft des Zellenstapels im verpressten Zustand von der ersten Folie 11 zu der zweiten Folie 12 und wahren einen definierten Abstand der beiden Folien 11, 12 zueinander; ein Herausdrücken des Klebemittels 13 aus der Rahmenstruktur 10 wird somit vermieden. Die Formen der Abstandsstrukturen 20 können dabei beispielsweise rillenförmig oder wabenförmig sein. Die Abstandsstruktur 20 kann auf den Verbindungsbereich 15 begrenzt sein, oder - wie in 2 - über die gesamte Fläche der Folien 11, 12 ausgebildet sein.
3 zeigt schematisch die Herstellung einer Folie 11, 12 mit Abstandsstruktur 20 in perspektivischer Ansicht. Die Abstandsstruktur 20 wird mittels eines Werkzeugs 40 in die Folie 11, 12 eingeformt bzw. eingeprägt, in der Ausführung der 3 als rechteckige Struktur, so dass eine Vielzahl von rechteckigen Klebetaschen 13a gebildet wird. In der Ausführung der 3 ist das Werkzeug 40 zweiteilig und besteht aus zwei Prägerollen 41, 42, durch welche die Folie 11, 12 läuft und welche die Negativform der Abstandsstruktur 20 aufweisen. Optional sind die beiden Prägerollen 41, 42 heizbar; dadurch wird die Umformbarkeit der Folien 11, 12 verbessert, weil sie erhitzt werden können.
Die Abstandsstrukturen 20 können einseitig oder beidseitig auf die Folien 11, 12 aufgebracht werden, je nachdem ob sie nur mit dem Klebemittel 13 zwischen den beiden Folien 11, 12 oder auch mit dem weiteren Klebemittel 14 zu den Gasdiffusionslagen 5, 6 hin zusammenwirken sollen.
Vorteilhafterweise ist das Material der Abstandsstrukturen 20 identisch zu dem der zugehörigen Folie 11, 12, bevorzugt ein thermoplastisches Polymer wie PEN. Weiterhin bevorzugt weist das Material der Abstandsstrukturen 20 einen Elastizitätsmodul auf, der mindestens 10-mal so steif ist wie der des Klebemittels 13, so dass die Abstandsstrukturen 20 auch wirksam die Verspannkräfte übertragen und ein Auspressen des Klebemittels 13 verhindern können.
Auch zu dem weiteren Klebemittel 14 hin - also zwischen der Rahmenstruktur 10 und den beiden Gasdiffusionslagen 5, 6 - können eine oder beide Folien 11, 12 analog mit Abstandsstrukturen 20 versehen werden.
Die Erfindung umfasst auch das Herstellen einer Membran-Elektroden-Einheit nach einer der beschriebenen Ausführungen. Dabei werden folgende Fertigungsschritte durchgeführt:

• Aufbringen der Abstandstruktur 20 auf die erste Folie 11.
• Applizieren des Klebemittels 13 auf die Abstandsstruktur 20, gegebenenfalls in die Klebetaschen 13a.
• Verkleben der ersten Folie 11 mit der zweiten Folie 12 in dem Verbindungsbereich 15 unter abschnittsweiser Zwischenlage der Membran 2 außerhalb des Verbindungsbereichs 15.

Bevorzugt wird die Abstandsstruktur 20 dabei mittels erwärmter Prägerollen 41, 42 auf die erste Folie 11 aufgebracht, wobei auch auf die zweite Folie 12 eine analoge Abstandsstruktur 20 aufgebracht werden kann. Das Aushärten des Klebemittels 13 erfolgt vorteilhafterweise unter Aufbringung einer Druckbelastung und/oder einer Erwärmung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10140684 A1 [0003]
DE 102018131092 A1 [0004]

Claims

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) umfasst, wobei die erste Folie (11) mit der zweiten Folie (12) in einem Verbindungsbereich (15) mittels eines Klebemittels (13) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass an zumindest einer der beiden Folien (11, 12) in dem Verbindungsbereich (15) eine Abstandsstruktur (20) ausgebildet ist.
Membran-Elektroden-Einheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandsstruktur (20) wabenförmig ausgeführt ist.
Membran-Elektroden-Einheit (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elastizitätsmodul des Materials der Abstandsstruktur (20) mindestens 10-mal so groß ist wie der Elastizitätsmodul des Klebemittels (13).
Membran-Elektroden-Einheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandsstruktur (20) Klebetaschen (13a) ausbildet.
Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Einheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet: • Aufbringen einer Abstandstruktur (20) auf eine erste Folie (11). • Applizieren des Klebemittels (13) auf die Abstandsstruktur (20). • Verkleben der ersten Folie (11) mit der zweiten Folie (12) in einem Verbindungsbereich (15) unter abschnittsweiser Zwischenlage der Membran (2) außerhalb des Verbindungsbereichs (15).
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Abstandsstruktur (20) mittels zweier bevorzugt erwärmter Prägerollen (41, 42) auf die erste Folie (11) aufgebracht wird.