DE102020215359A1

DE102020215359A1 - Verfahren zur Herstellung von Membranelektrodenanordnungen mit Gasdiffusionsschichten

Info

Publication number: DE102020215359A1
Application number: DE102020215359.0A
Authority: DE
Inventors: Robert Landvogt; Andreas Ringk
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-12-04
Filing date: 2020-12-04
Publication date: 2022-06-09

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Membranelektrodenanordnungen (6) mit ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten (9, 58, 59) für eine Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel mit den Schritten: zur Verfügung stellen von Membranelektrodenanordnungen (6) mit je einer Protonenaustauschermembran (5), je einer Anode (7), je einer Kathode (8), je einem ersten Subgasket (53) als Abdichtschicht (41) und je einem zweiten Subgasket (54) als Abdichtschicht (41), zur Verfügung stellen von ersten Gasdiffusionsschichten (58) und zweiten Gasdiffusionsschichten (59), stoffschlüssiges Verbinden der Membranelektrodenanordnungen (6) mit den ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten (58, 59) indem je eine erste Gasdiffusionsschicht (9, 58) stoffschlüssig mit je einem ersten Subgasket (53) verbunden wird und je eine zweite Gasdiffusionsschicht (9, 59) stoffschlüssig mit je einem zweiten Subgasket (54) verbunden wird, wobei die je eine erste Gasdiffusionsschicht (9, 58) mit wenigstens einem doppelseitigen Klebeband (60) stoffschlüssig mit der je einem ersten Subgasket (53) verbunden wird und/oder die je eine zweite Gasdiffusionsschicht (9, 59) mit wenigstens einem doppelseitigen Klebeband (60) stoffschlüssig mit dem je einem zweiten Subgasket (54) verbunden wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Membranelektrodenanordnungen mit ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, eine Brennstoffzelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 14 und ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 15.
Stand der Technik
Brennstoffzelleneinheiten als galvanische Zellen wandeln mittels Redoxreaktionen an einer Anode und Kathode kontinuierlich zugeführten Brennstoff und Oxidationsmittels in elektrische Energie und Wasser um. Brennstoffzellen werden in den unterschiedlichsten stationären und mobilen Anwendungen eingesetzt, beispielweise in Häusern ohne Anschluss an ein Stromnetz oder in Kraftfahrzeugen, im Schienenverkehr, in der Luftfahrt, in der Raumfahrt und in der Schifffahrt. In Brennstoffzelleneinheiten sind eine Vielzahl von Brennstoffzellen übereinander in einem Stapel als Stack angeordnet.
Bei der Herstellung einer Brennstoffzelleneinheit aus schichtförmigen Komponenten, insbesondere Membranelektrodenanordnungen, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten, werden diese gestapelt zu Brennstoffzellen und die Brennstoffzellen werden zu der Brennstoffzelleneinheit gestapelt. Die Membranelektrodenanordnungen umfassen schichtförmige Protonenaustauschermembranen mit einer schichtförmigen Anode und einer schichtförmigen Kathode sowie vorzugsweise je einer schichtförmigen Katalysatorschicht auf der Anode und Kathode. Ein schichtförmiger Innenbereich der Membranelektrodenanordnung ist von der Protonenaustauschermembran mit Anode und Kathode und vorzugsweise Katalysatorschichten gebildet und diese sind von dem je einem ersten und zweiten Subgasket als Abdichtschicht umschlossen. In dem ersten und zweiten Subgasket ist eine Öffnung für die Protonenaustauschermembran mit Anode und Kathode ausgebildet und ferner Fluidöffnungen für die Prozessfluide Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel als Kühlfluid. Für die Herstellung einer Membranelektrodenanordnung wird eine erstes Subgasket von Rohware abgeschnitten, ein zweite Subgasket von Rohware abgeschnitten und ein CCM (coated catalyst membran) aus Protonenaustauschermembran, Anode und Kathode sowie optionalen Katalysatorschichten aus Rohware abgeschnitten. In den ersten und zweiten Subgaskets sind einzeln die Fluidöffnungen und die Öffnungen einzuarbeiten. Diese abgeschnitten Lagen werden übereinandergestapelt und anschließend erfolgt ein Kaschieren der drei Lagen bei Temperaturen zwischen 70°C und 150°C und zwischen Pressen. Anschließend werden an den Membranelektrodenanordnungen auf den ersten Subgaskets erste Gasdiffusionsschichten und auf den zweiten Subgaskets zweite Gasdiffusionsschichten stoffschlüssig befestigt mit flüssigem Klebstoff oder mit Schmelzklebstoff als stoffschlüssige Verbindung. Die Herstellung dieser stoffschlüssigen Verbindungen ist prozesstechnisch aufwendig und teuer und ferner fehleranfällig, so dass trotz des erheblichen Aufwandes, insbesondere Überwachungsaufwandes, nachteilig hohe Fehlerquoten auftreten.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung von Membranelektrodenanordnungen mit ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten für eine Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel mit den Schritten: zur Verfügung stellen von Membranelektrodenanordnungen mit je einer Protonenaustauschermembran, je einer Anode, je einer Kathode, je einem ersten Subgasket als Abdichtschicht und je einem zweiten Subgasket als Abdichtschicht, zur Verfügung stellen von ersten Gasdiffusionsschichten und zweiten Gasdiffusionsschichten, stoffschlüssiges Verbinden der Membranelektrodenanordnungen mit den ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten indem je eine erste Gasdiffusionsschicht stoffschlüssig mit je einem ersten Subgasket verbunden wird und je eine zweite Gasdiffusionsschicht stoffschlüssig mit je einem zweiten Subgasket verbunden wird, wobei die je eine erste Gasdiffusionsschicht mit wenigstens einem doppelseitigen Klebeband stoffschlüssig mit dem je einen ersten Subgasket verbunden wird und/oder die je eine zweite Gasdiffusionsschicht mit wenigstens einem doppelseitigen Klebeband stoffschlüssig mit dem je einen zweiten Subgasket verbunden wird. Die ersten und/oder zweiten Gasdiffusionsschichten können damit einfach, sicher, zuverlässig und kostengünstig stoffschlüssig an den ersten und/oder zweiten Subgaskets stoffschlüssig befestigt werden.
In einer ergänzenden Variante wird das wenigstens eine doppelseitige Klebeband zwischen der je ersten Gasdiffusionsschicht und dem je ersten Subgasket angeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform wird das wenigstens eine doppelseitige Klebeband zwischen der je zweiten Gasdiffusionsschicht und dem je zweiten Subgasket angeordnet.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung wird an je einer Membranelektrodenanordnung mit erster und zweiter Gasdiffusionsschicht das wenigstens eine doppelseitige Klebeband zwischen der ersten Gasdiffusionsschicht und dem ersten Subgasket bei einer Ausrichtung des wenigstens einen doppelseitigen Klebebandes in Längsrichtung durchgehend und/oder intermittierend angeordnet. Bei einer intermittierenden Ausbildung des Klebebandes ist das Klebeband mit Unterbrechungen ausgebildet, d. h. mehrere Klebebänder sind mit Abständen zwischen den einzelnen Klebebändern vorhanden. Das wenigstens eine Klebeband im Bereich eines Randes einer Längsseite der ersten und/oder Gasdiffusionsschicht ist in Längsrichtung ausgerichtet angeordnet, wobei das wenigstens eine Klebeband im Bereich eines Randes der Längsseite oder an zwei Rändern beider Längsseiten angeordnet ist und dies gilt anlog für die Breitseiten bei einer Ausrichtung des wenigstens einen Klebebandes in Querrichtung.
In einer weiteren Variante wird an je einer Membranelektrodenanordnung mit erster und zweiter Gasdiffusionsschicht das wenigstens eine doppelseitige Klebeband zwischen der zweiten Gasdiffusionsschicht und dem zweiten Subgasket bei einer Ausrichtung des wenigstens einen Klebebandes in Längsrichtung durchgehend und/oder intermittierend angeordnet. Bei einer Ausrichtung des doppelseitigen Klebebandes in Längsrichtung ist das Klebeband im Wesentlichen parallel zu der Längsrichtung der Membranelektrodenanordnung ausgerichtet, d. h. mit einer Abweichung von weniger als 20°, 10°, 5° oder 3° und/oder im Wesentlichen parallel zu einem Rand einer Längsseite der ersten und/oder zweiten Gasdiffusionsschicht.
Zweckmäßig wird an je einer Membranelektrodenanordnung mit erster und zweiter Gasdiffusionsschicht das wenigstens eine doppelseitige Klebeband zwischen der ersten Gasdiffusionsschicht und dem ersten Subgasket bei einer Ausrichtung des wenigstens einen Klebebandes in Querrichtung durchgehend und/oder intermittierend angeordnet. Bei einer Ausrichtung des doppelseitigen Klebebandes in Querrichtung ist das Klebeband im Wesentlichen parallel zu der Querrichtung der Membranelektrodenanordnung ausgerichtet, d. h. mit einer Abweichung von weniger als 20°, 10°, 5° oder 3° und/oder im Wesentlichen parallel zu einem Rand einer Breitseite der ersten und/oder zweiten Gasdiffusionsschicht.
In einer weiteren Variante wird an je einer Membranelektrodenanordnung mit erster und zweiter Gasdiffusionsschicht das wenigstens eine doppelseitige Klebeband zwischen der zweiten Gasdiffusionsschicht und dem zweiten Subgasket bei einer Ausrichtung des wenigstens einen Klebebandes in Querrichtung durchgehend und/oder intermittierend angeordnet.
In einer zusätzlichen Ausführungsform werden die Membranelektrodenanordnungen zur Verfügung gestellt indem die nachfolgenden Schritte ausgeführt werden: zur Verfügung stellen je einer Protonenaustauschermembran, zur Verfügung stellen je eines ersten Subgaskets, zur Verfügung stellen je eines zweiten Subgaskets, Anordnen der je einen Protonenaustauschermembran zwischen dem je ersten und je zweiten Subgasket, stoffschlüssiges Verbinden der je einen Protonenaustauschermembran mit dem je ersten und je zweiten Subgasket, so dass je ein schichtförmiger Innenbereich der je einen Protonenaustauschermembran von dem je einen ersten und zweiten Subgasket umschlossen wird.
In einer weiteren Variante wird das doppelseitige Klebeband von einer Lagervorrichtung, insbesondere einer Rolle, entnommen, anschließend werden mit einer Trennvorrichtung einzelne Teilabschnitte als doppelseitige Klebebänder abgetrennt und anschließend werden die Teilabschnitte des doppelseitigen Klebebandes mit den ersten Gasdiffusionsschichten und ersten Subgaskets stoffschlüssig verbunden und/oder mit den zweiten Gasdiffusionsschichten und zweiten Subgaskets stoffschlüssig verbunden werden.
Vorzugsweise werden die doppelseitige Klebebänder zuerst mit den ersten und/oder zweiten Subgaskets stoffschlüssig verbunden und anschließend mit den ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten stoffschlüssig verbunden oder die doppelseitigen Klebebänder werden zuerst mit den ersten und/oder zweiten Gasdiffusionsschichten stoffschlüssig verbunden und anschließend mit den ersten und zweiten Subgaskets stoffschlüssig verbunden.
In einer ergänzenden Ausführungsform werden die ersten und/oder zweiten Gasdiffusionsschichten zur Verfügung gestellt indem diese als erstes und/oder zweites Gasdiffusionsschicht-Band mit doppelseitigen Klebeband von einer Lagervorrichtung, insbesondere einer Rolle, entnommen werden und anschließend wird mit einer Trennvorrichtung von dem ersten und/oder zweiten Gasdiffusionsschicht-Band die erste und/oder zweite Gasdiffusionsschicht mit doppelseitigen Klebeband abgetrennt. Das doppelseitige Klebeband ist somit bereits an dem ersten und/oder zweiten Gasdiffusionsschicht-Band in der Lagervorrichtung vorhanden und braucht nicht mehr gesondert von einer Lagervorrichtung nur für das Klebeband zur Verfügung gestellt werden.
Zweckmäßig werden die ersten und/oder zweiten Subgaskets zur Verfügung gestellt indem diese als erstes und/oder zweites Subgasket-Band mit doppelseitigen Klebeband von einer Lagervorrichtung, insbesondere einer Rolle, entnommen werden und anschließend wird von dem ersten und/oder zweiten Subgasket-Band mit einer Trennvorrichtung das erste und/oder zweite Subgasket-Band mit doppelseitigen Klebeband abgetrennt.
In einer weiteren Variante ist die Länge des wenigstens einen doppelseitigen Klebebandes in den Membranelektrodenanordnungen mit ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten wenigstens um das 2-, 3- oder 5-Fache größer ist als die Breite des doppelseitigen Klebebandes.
Erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend gestapelt angeordnete Brennstoffzellen, die Brennstoffzellen umfassend jeweils eine Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, eine Bipolarplatte und erste und zweite Gasdiffusionsschichten, wobei die Protonenaustauschermembran, die Anode und die Kathode mit einem ersten und zweiten Subgasket eine Membranelektrodenanordnung bilden und die ersten Gasdiffusionsschichten mit ersten stoffschlüssigen Verbindungen mit den ersten Subgaskets stoffschlüssig verbunden sind und die zweiten Gasdiffusionsschichten mit zweiten stoffschlüssigen Verbindungen mit den zweiten Subgaskets stoffschlüssig verbunden sind, so dass Membranelektrodenanordnungen mit ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten ausgebildet sind, wobei die ersten stoffschlüssigen Verbindungen, insbesondere ausschließlich, von doppelseitigen Klebebändern gebildet sind und/oder die zweiten stoffschlüssigen Verbindungen, insbesondere ausschließlich, von einem doppelseitigen Klebebändern gebildet sind und/oder die Membranelektrodenanordnungen mit ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten mit einem in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Verfahren hergestellt sind.
Erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie mit den Schritten: zur Verfügung stellen von Komponenten der Brennstoffzellen, nämlich Membranelektrodenanordnungen, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten, wobei die Membranelektrodenanordnungen je einen schichtförmigen Innenbereich mit einer Protonenaustauschermembran, einer Anode und einer Kathode und je zwei Abdichtschichten als erstes und zweites Subgasket umfassen und die Protonenaustauschermembran zwischen der Anode und Kathode angeordnet ist und die den Innenbereich umschließende schichtförmige Abdichtschichten als erste und zweite Subgaskets ausgebildet sind, stoffschlüssiges Verbinden der ersten Subgaskets mit ersten Gasdiffusionsschichten und der zweiten Subgasket mit zweiten Gasdiffusionsschichten, so dass Membranelektrodenanordnungen mit ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten zur Verfügung gestellt werden, Stapeln der Komponenten der Brennstoffzellen, so dass Brennstoffzellen und eine Brennstoffzelleneinheit ausgebildet werden, wobei die Membranelektrodenanordnungen mit ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten zur Verfügung gestellt werden indem ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren ausgeführt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das doppelseitige Klebeband ein Verbindungsband und an einer ersten Seite des Verbindungsbandes ist eine erste Klebstoffschicht ausgebildet und auf einer zweiten Seite des Verbindungsbandes ist eine zweite Klebstoffschicht aufgebracht, wobei die erste und zweite Seite zwei gegenüberliegenden Seiten des Verbindungsbandes sind.
Zweckmäßig ist das Verbindungsband des Klebebandes aus Kunststoff und/oder Metall, insbesondere eine Metallfolie, ausgebildet, insbesondere mit mehreren Schichten.
In einer weiteren Variante werden und/oder sind die ersten stoffschlüssigen Verbindungen zu wenigstens 50%, 70% oder 90% der Flächen der ersten stoffschlüssigen Verbindungen, insbesondere der gesamten Flächen der ersten stoffschlüssigen Verbindungen, von den Klebebändern ausgebildet. Die ersten stoffschlüssigen Verbindungen werden und/oder sind zwischen den ersten Gasdiffusionsschichten und den ersten Subgaskets ausgebildet.
In einer weiteren Variante werden und/oder sind die zweiten stoffschlüssigen Verbindungen zu wenigstens 50%, 70% oder 90% der Flächen der zweiten stoffschlüssigen Verbindungen, insbesondere der gesamten Flächen der zweiten stoffschlüssigen Verbindungen, von den Klebebändern ausgebildet. Die zweiten stoffschlüssigen Verbindungen werden und/oder sind zwischen den zweiten Gasdiffusionsschichten und den zweiten Subgaskets ausgebildet.
In einer ergänzenden Variante werden sämtliche erste Gasdiffusionsschichten mit den doppelseitigen Klebebändern stoffschlüssig mit den ersten Subgaskets verbunden und/oder sämtliche zweite Gasdiffusionsschichten werden mit den doppelseitigen Klebebändern stoffschlüssig mit den zweiten Subgaskets verbunden, insbesondere für die Herstellung einer Brennstoffzelleneinheit.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das Verbindungsband des Klebebandes biegbar und/oder verformbar und/oder elastisch.
In einer weiteren Ausgestaltung werden die ersten Subgaskets von einer Lagervorrichtung, insbesondere einer ersten Rolle, als erstes Subgasket-Band entnommen, insbesondere abgewickelt.
Vorzugsweise werden die zweiten Subgaskets von einer Lagervorrichtung, insbesondere einer Rolle, als zweites Subgasket-Band entnommen, insbesondere abgewickelt.
In einer ergänzenden Variante sind die ersten und zweiten Subgaskets an gegenüberliegenden Seiten der Protonenaustauschermembranen und/oder Membranelektrodenanordnungen ausgebildet.
In einer ergänzenden Ausführungsform sind die ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten an gegenüberliegenden Seiten der Membranelektrodenanordnungen ausgebildet.
In einer ergänzenden Variante werden die Protonenaustauschermembranen von einer Lagervorrichtung, insbesondere einer Rolle, als Protonenaustauschermembran-Band entnommen, insbesondere abgewickelt. In Lagervorrichtungen sind die Bänder beispielsweise aufgewickelt bei Rollen oder mäanderförmig aufeinander gestapelt bei Behältern als Lagervorrichtungen.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Katalysatorschichten zusätzliche Schichten auf den Anoden und/oder Kathoden.
Vorzugsweise bilden die Katalysatorschichten und die Anoden und/oder Kathoden eine gemeinsame Schicht. Die Katalysatorschichten sind somit in die Anoden und/oder Kathoden integriert Mischschichten, d. h. in den Anoden und/oder Kathoden ist zusätzlich ein Katalysatorstoff vorhanden.
In einer weiteren Ausgestaltung werden mit wenigstens einer Kamera und einer Steuerungs- und/oder Regeleinheit mit Bildverarbeitungssoftware die Positionen der Protonenaustauschermembranen und/oder der ersten und/oder zweiten Subgaskets und/oder den doppelseitigen Klebebändern und/oder der ersten und/oder zweiten Gasdiffusionsschichten erfasst und in Abhängigkeit hiervon das Verfahren gesteuert und/oder geregelt, insbesondere für die Positionierung des doppelseitigen Klebebandes.
Vorzugsweise werden die doppelseitigen Klebebänder mit einem Roboter auf die ersten und/oder zweiten Subgaskets und/oder die ersten und/oder zweiten Gasdiffusionsschichten aufgelegt.
In einer weiteren Variante umfasst die Abdichtschicht als Werkstoff thermoplastischen Kunststoff, insbesondere Polyethylennaphthalat.
In einer weiteren Variante umschließen die Abdichtschichten mit dem ersten und zweiten Subgasket die Protonenaustauschermembran als den Innenbereich vollständig umlaufend an einem äußeren Rand der Protonenaustauschermembran.
Erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel mit Brennstoffzellen, einen Druckgasspeicher zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff, eine Gasfördervorrichtung zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden der Brennstoffzellen, wobei die Brennstoffzelleneinheit als eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Brennstoffzelleneinheit ausgebildet ist.
In einer ergänzenden Variante sind die Komponenten der Brennstoffzellen und/oder die Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinheit fluchtend gestapelt, insbesondere übereinander, angeordnet.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Brennstoffzelleneinheit ein Gehäuse und vorzugsweis eine Lagerplatte. Vorzugsweise begrenzen das Gehäuse und vorzugsweise die Lagerplatte einen Innenraum. Insbesondere ist innerhalb des Innenraumes der Brennstoffzellenstapel angeordnet.
In einer weiteren Variante umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens eine Verbindungsvorrichtung, insbesondere mehrere Verbindungsvorrichtungen, und Spannelemente.
Zweckmäßig sind Komponenten für Brennstoffzellen
Membranelektrodenanordnungen, Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten, Klebebänder, Subgaskets und Bipolarplatten.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Verbindungsvorrichtung als ein Bolzen ausgebildet und/oder ist stabförmig und/oder ist als ein Spanngurt ausgebildet.
Zweckmäßig sind die Spannelemente als Spannplatten ausgebildet.
In einer weiteren Variante ist die Gasfördervorrichtung als ein Gebläse und/oder ein Kompressor und/oder eine Druckbehälter mit Oxidationsmittel ausgebildet.
Insbesondere umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens 3, 4, 5 oder 6 Verbindungsvorrichtungen.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Spannelemente plattenförmig und/oder scheibenförmig und/oder eben ausgebildet und/oder als ein Gitter ausgebildet.
Vorzugsweise ist der Brennstoff Wasserstoff, wasserstoffreiches Gas, Reformatgas oder Erdgas.
Zweckmäßig sind die Brennstoffzellen im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig ausgebildet.
In einer ergänzenden Variante ist das Oxidationsmittel Luft mit Sauerstoff oder reiner Sauerstoff.
Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit eine PEM-Brennstoffzelleneinheit mit PEM-Brennstoffzellen.
Figurenliste
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

1 eine stark vereinfachte Explosionsdarstellung eines Brennstoffzellensystems mit Komponenten einer Brennstoffzelle,
2 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Brennstoffzelle,
3 einen Längsschnitt durch eine Brennstoffzelle,
4 eine perspektivische Ansicht einer Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel, d. h. einen Brennstoffzellenstack,
5 einen Schnitt durch die Brennstoffzelleneinheit gemäß 4,
6 eine perspektivische Ansicht einer Membranelektrodenanordnung ohne Abbildung einer Gasdiffusionsschicht der Brennstoffzelleneinheit in einem ersten Ausführungsbeispiel,
7 eine perspektivische Ansicht der Membranelektrodenanordnung ohne Abbildung der Gasdiffusionsschicht der Brennstoffzelleneinheit in einem zweiten Ausführungsbeispiel,
8 einen Längsschnitt A-A gemäß 6 der Membranelektrodenanordnung mit Darstellung der ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten,
9 eine stark schematisierte Darstellung von Verfahrensschritten zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung der Membranelektrodenanordnung mit ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten in einem ersten Ausführungsbeispiel,
10 eine stark schematisierte Darstellung von Verfahrensschritten zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung der Membranelektrodenanordnung mit ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten in einem zweiten Ausführungsbeispiel,
11 eine Ansicht einer Lagervorrichtung für ein erstes oder zweites Subgasket-Band, einer Trennvorrichtung für das erstes oder zweite Subgasket-Band und eines Förderbandes,
12 eine Ansicht der Lagervorrichtung für das erste oder zweite Gasdiffusionssicht-Band und/oder ein doppelseitiges Klebeband, der Trennvorrichtung für das erstes oder zweite Gasdiffusionsschicht-Band und/oder das doppelseitige Klebeband und des Förderbandes.

In den 1 bis 3 ist der grundlegende Aufbau einer Brennstoffzelle 2 als einer PEM-Brennstoffzelle 3 (Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle 3) dargestellt. Das Prinzip von Brennstoffzellen 2 besteht darin, dass mittels einer elektrochemischen Reaktion elektrische Energie bzw. elektrischer Strom erzeugt wird. An eine Anode 7 wird Wasserstoff H₂ als gasförmiger Brennstoff geleitet und die Anode 7 bildet den Minuspol. An eine Kathode 8 wird ein gasförmiges Oxidationsmittel, nämlich Luft mit Sauerstoff, geleitet, d. h. der Sauerstoff in der Luft stellt das notwendige gasförmige Oxidationsmittel zur Verfügung. An der Kathode 8 findet eine Reduktion (Elektronenaufnahme) statt. Die Oxidation als Elektronenabgabe wird an der Anode 7 ausgeführt.
Die Redoxgleichungen der elektrochemischen Vorgänge lauten:

Kathode: O₂ + 4 H⁺ + 4 e^- --» 2 H₂O
Anode: 2 H₂ --» 4 H⁺ + 4 e^-
Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode: 2 H₂ + O₂ --» 2 H₂O

Die Differenz der Normalpotentiale der Elektrodenpaare unter Standardbedingungen als reversible Brennstoffzellenspannung oder Leerlaufspannung der unbelasteten Brennstoffzelle 2 beträgt 1,23 V. Diese theoretische Spannung von 1,23 V wird in der Praxis nicht erreicht. Im Ruhezustand und bei kleinen Strömen können Spannungen über 1,0 V erreicht werden und im Betrieb mit größeren Strömen werden Spannungen zwischen 0,5 V und 1,0 V erreicht. Die Reihenschaltung von mehreren Brennstoffzellen 2, insbesondere eine Brennstoffzelleneinheit 1 als Brennstoffzellenstapel 1 von mehreren übereinander angeordneten Brennstoffzellen 2, weist eine höhere Spannung auf, welche der Zahl der Brennstoffzellen 2 multipliziert mit der Einzelspannung je einer Brennstoffzelle 2 entspricht.
Die Brennstoffzelle 2 umfasst außerdem eine Protonenaustauschermembran 5 (Proton Exchange Membrane, PEM), welche zwischen der Anode 7 und der Kathode 8 angeordnet ist. Die Anode 7 und Kathode 8 sind schichtförmig bzw. scheibenförmig ausgebildet. Die PEM 5 fungiert als Elektrolyt, Katalysatorträger und Separator für die Reaktionsgase. Die PEM 5 fungiert außerdem als elektrischer Isolator und verhindert einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Anode 7 und Kathode 8. Im Allgemeinen werden 12 µm bis 150 µm dicke, protonenleitende Folien aus perfluorierten und sulfonierten Polymeren eingesetzt. Die PEM 5 leitet die Protonen H⁺ und sperrt andere Ionen als Protonen H⁺ im Wesentlichen, so dass aufgrund der Durchlässigkeit der PEM 5 für die Protonen H⁺ der Ladungstransport erfolgen kann. Die PEM 5 ist für die Reaktionsgase Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ im Wesentlichen undurchlässig, d. h. sperrt die Strömung von Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ zwischen einem Gasraum 31 an der Anode 7 mit Brennstoff Wasserstoff H₂ und dem Gasraum 32 an der Kathode 8 mit Luft bzw. Sauerstoff O₂ als Oxidationsmittel. Die Protonenleitfähigkeit der PEM 5 vergrößert sich mit steigender Temperatur und steigenden Wassergehalt.
Auf den beiden Seiten der PEM 5, jeweils zugewandt zu den Gasräumen 31, 32, liegen die Elektroden 7, 8 als die Anode 7 und Kathode 8 auf. Eine Einheit aus der PEM 5 und Anode 7 sowie Kathode 8 wird als Membranelektrodenanordnung 6 (Membran Electrode Assembly, MEA) bezeichnet. Die Elektroden 7, 8 sind mit der PEM 5 verpresst. Die Elektroden 6, 7 sind platinhaltige Kohlenstoffpartikel, die an PTFE (Polytetrafluorethylen), FEP (Fluoriertes Ethylen-Propylen-Copolymer), PFA (Perfluoralkoxy), PVDF (Polyvinylidenfluorid) und/oder PVA (Polyvinylalkohol) gebunden sind und in mikroporösen Kohlefaser-, Glasfaser- oder Kunststoffmatten heißverpresst sind. An den Elektroden 7, 8 sind auf der Seite zu den Gasräumen 31, 32 hin normalerweise jeweils eine Katalysatorschichten 30 aufgebracht. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 31 mit Brennstoff an der Anode 7 umfasst nanodisperses Platin-Ruthenium auf grafitierten Rußpartikeln, die an einem Bindemittel gebunden sind. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 32 mit Oxidationsmittel an der Kathode 8 umfasst analog nanodisperses Platin. Als Bindemittel werden beispielsweise Nafion®, eine PTFE-Emulsion oder Polyvinylalkohol eingesetzt.
Auf der Anode 7 und der Kathode 8 liegt eine Gasdiffusionsschicht 9 (Gas Diffusion Layer, GDL) auf. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Anode 7 verteilt den Brennstoff aus Kanälen 12 für Brennstoff gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Anode 7. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Kathode 8 verteilt das Oxidationsmittel aus Kanälen 13 für Oxidationsmittel gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Kathode 8. Die GDL 9 zieht außerdem Reaktionswasser in umgekehrter Richtung zur Strömungsrichtung der Reaktionsgase ab, d. h. in einer Richtung je von der Katalysatorschicht 30 zu den Kanälen 12, 13. Ferner hält die GDL 9 die PEM 5 feucht und leitet den Strom. Die GDL 9 ist beispielsweise aus einem hydrophobierten Kohlepapier und einer gebundenen Kohlepulverschicht aufgebaut.
Auf der GDL 9 liegt eine Bipolarplatte 10 auf. Die elektrisch leitfähige Bipolarplatte 10 dient als Stromkollektor, zur Wasserableitung und zur Leitung der Reaktionsgase durch eine Kanalstruktur 29 und/oder ein Flussfeld 29 und zur Ableitung der Abwärme, welche insbesondere bei der exothermischen elektrochemischen Reaktion an der Kathode 8 auftritt. Zum Ableiten der Abwärme sind in die Bipolarplatte 10 Kanäle 14 zur Durchleitung eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels eingearbeitet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 31 für Brennstoff ist von Kanälen 12 gebildet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel ist von Kanälen 13 gebildet. Als Material für die Bipolarplatten 10 werden beispielsweise Metall, leitfähige Kunststoffe und Kompositwerkstoffe oder Grafit eingesetzt. Die Bipolarplatte 10 umfasst somit die drei Kanalstrukturen 29, gebildet von den Kanälen 12, 13 und 14, zur getrennten Durchleitung von Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel.
In einer Brennstoffzelleneinheit 1 und/oder einem Brennstoffzellenstapel 1 und/oder einem Brennstoffzellenstack 1 sind mehrere Brennstoffzellen 2 fluchtend gestapelt angeordnet (4 und 5). In 1 ist eine Explosionsdarstellung von zwei gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2 abgebildet. Eine Dichtung 11 dichtet die Gasräume 31, 32 fluiddicht ab. In einem Druckgasspeicher 21 (1) ist Wasserstoff H₂ als Brennstoff mit einem Druck von beispielsweise 350 bar bis 700 bar gespeichert. Aus dem Druckgasspeicher 21 wird der Brennstoff durch eine Hochdruckleitung 18 zu einem Druckminderer 20 geleitet zur Reduzierung des Druckes des Brennstoffes in einer Mitteldruckleitung 17 von ungefähr 10 bar bis 20 bar. Aus der Mitteldruckleitung 17 wird der Brennstoff zu einem Injektor 19 geleitet. An dem Injektor 19 wird der Druck des Brennstoffes auf einen Einblasdruck zwischen 1 bar und 3 bar reduziert. Von dem Injektor 19 wird der Brennstoff einer Zufuhrleitung 16 für Brennstoff (1) zugeführt und von der Zufuhrleitung 16 den Kanälen 12 für Brennstoff, welche die Kanalstruktur 29 für Brennstoff bilden. Der Brennstoff durchströmt dadurch den Gasraum 31 für den Brennstoff. Der Gasraum 31 für den Brennstoff ist von den Kanälen 12 und der GDL 9 an der Anode 7 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 12 wird der nicht in der Redoxreaktion an der Anode 7 verbrauchte Brennstoff und gegebenenfalls Wasser aus einer kontrollieren Befeuchtung der Anode 7 durch eine Abfuhrleitung 15 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet.
Eine Gasfördereinrichtung 22, beispielsweise als ein Gebläse 23 oder ein Kompressor 24 ausgebildet, fördert Luft aus der Umgebung als Oxidationsmittel in eine Zufuhrleitung 25 für Oxidationsmittel. Aus der Zufuhrleitung 25 wird die Luft den Kanälen 13 für Oxidationsmittel, welche eine Kanalstruktur 29 an den Bipolarplatten 10 für Oxidationsmittel bilden, zugeführt, so dass das Oxidationsmittel den Gasraum 32 für das Oxidationsmittel durchströmt. Der Gasraum 32 für das Oxidationsmittel ist von den Kanälen 13 und der GDL 9 an der Kathode 8 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 13 bzw. des Gasraumes 32 für das Oxidationsmittel 32 wird das nicht an der Kathode 8 verbrauchte Oxidationsmittel und das an der Kathode 8 aufgrund der elektrochemischen Redoxreaktion entstehenden Reaktionswasser durch eine Abfuhrleitung 26 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet. Eine Zufuhrleitung 27 dient zur Zuführung von Kühlmittel in die Kanäle 14 für Kühlmittel und eine Abfuhrleitung 28 dient zur Ableitung des durch die Kanäle 14 geleiteten Kühlmittels. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 sind in 1 aus Vereinfachungsgründen als gesonderte Leitungen dargestellt und sind konstruktiv tatsächlich am Endbereich in der Nähe der Kanäle 12, 13, 14 als fluchtende Fluidöffnungen 42 an Abdichtschichten 41 am Endbereich der aufeinander liegender Membranelektrodenanordnungen 6 (6, 7 und 8) ausgebildet. Analog sind auch an plattenförmigen Verlängerungen (nicht dargestellt) der Bipolarplatten 10 Fluidöffnungen (nicht dargestellt) ausgebildet und die Fluidöffnungen in den plattenförmigen Verlängerungen der Bipolarplatten 10 fluchten mit den Fluidöffnungen 42 and den Abdichtschichten 41 der Membranelektrodenanordnungen 6 zur teilweisen Ausbildung der Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28. Der Brennstoffzellenstack 1 zusammen mit dem Druckgasspeicher 21 und der Gasfördereinrichtung 22 bildet ein Brennstoffzellensystem 4.
In der Brennstoffzelleneinheit 1 sind die Brennstoffzellen 2 zwischen zwei Spannelementen 33 als Spannplatten 34 angeordnet. Eine obere Spannplatte 35 liegt auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und eine untere Spannplatte 36 liegt auf der untersten Brennstoffzelle 2 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst ungefähr 200 bis 400 Brennstoffzellen 2, die aus zeichnerischen Gründen nicht alle in 4 dargestellt sind. Die Spannelemente 33 bringen auf die Brennstoffzellen 2 eine Druckkraft auf, d. h. die obere Spannplatte 35 liegt mit einer Druckkraft auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und die untere Spannplatte 36 liegt mit einer Druckkraft auf der untersten Brennstoffzelle 2 auf. Damit ist der Brennstoffzellenstapel 2 verspannt, um die Dichtheit für den Brennstoff, das Oxidationsmittel und das Kühlmittel, insbesondere aufgrund der elastischen Dichtung 11, zu gewährleisten und außerdem den elektrischen Kontaktwiderstand innerhalb des Brennstoffzellenstapels 1 möglichst klein zu halten. Zur Verspannung der Brennstoffzellen 2 mit den Spannelementen 33 sind an der Brennstoffzelleneinheit 1 vier Verbindungsvorrichtungen 39 als Bolzen 40 ausgebildet, welche auf Zug beansprucht sind. Die vier Bolzen 40 sind mit den Spanplatten 34 fest verbunden.
In 6 und 7 ist eine perspektivische Ansicht der Membranelektrodenanordnung 6 der Brennstoffzelleneinheit 1 dargestellt. Die schichtförmige Membranelektrodenanordnung 6 umfasst einen schichtförmigen Innenbereich 38 aus der Protonenaustauschermembran 5. Die im Wesentlichen rechteckförmige Protonenaustauschermembran 5 ist von zwei schichtförmigen Abdichtschichten 41 als einem ersten Subgasket 53 und einem zweiten Subgasket 54 vollständig umschlossen und umrahmt. In dem Innenbereich 38 ist zwischen der schichtförmigen Anode 7 und schichtförmigen Kathode 8 die schichtförmige Protonenaustauschermembran 5 angeordnet. Die Abdichtschichten 41 und damit der erste und zweite Subgasket 53, 54 umfasst die Materialien bzw. Werkstoffe Polyethylennaphthalat (PEN) als einem thermoplastischen Kunststoff. Die schichtförmige Membranelektrodenanordnung 6 spannt eine fiktive Ebene 37 (3) auf. Darüber hinaus spannen auch die Bipolarplatten 10 und Gasdiffusionsschichten 9 fiktive Ebenen 37 auf, die zueinander parallel ausgerichtet sind.
Die Protonenaustauschermembran 5 mit Anode 7 und Kathode 8 ist an einem Randbereich zwischen dem ersten und zweiten Subgasket 53, 54 als einem Überlappungsbereich 56 angeordnet. An diesem Überlappungsbereich 56 ist der Randbereich der Protonenaustauschermembran 5 mittelbar aufgrund der Anode 7 und Kathode 8 stoffschlüssig mit einer Klebstoffschicht 77 mit den Innenseiten des ersten und zweiten Subgaskets 53, 54 verbunden. Abweichend hiervon kann die Protonenaustauschermembran 5 mittelbar auch nur mit dem ersten Subgasket 53 oder nur mit dem zweiten Subgasket 54 stoffschlüssig verbunden sein. An einem umlaufenden Teilbereich 57 ist zwischen dem ersten und zweiten Subgasket 53, 54 keine Protonenaustauschermembran 5, keine Anode 7 und keine Kathode 8 angeordnet, d. h. der erste und zweite Subgasket 53, 54 liegen unmittelbar an dem Teilbereich 57 miteinander verbunden aufeinander und sind mit der Klebstoffschicht 77 stoffschlüssig miteinander verbunden. Das erste und zweite Subgasket 53, 54 endet an je einer Öffnung 55 an einem umlaufenden Rand 43. Der Rand 43 umfasst zwei Längsseiten 44 parallel zu einer Längsrichtung 49 und zwei Breitseiten 45 parallel zu einer Querrichtung 50. Das erste und zweite Subgasket 53, 54 weist einen umlaufenden äußeren Rand 46 auf mit zwei Längsseiten 47 und zwei Breitseiten 48. An einem Fluidöffnungsbereich 52 des ersten und zweiten Subgaskets 53, 54 als dem Teilbereich 57 sind sechs Fluidöffnungen 42 als Zufuhr- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 zur Einleitung und Ausleitung von Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel bzw. Kühlfluid in die Kanäle 12, 13, 14 ausgebildet. Zwischen den zwei Fluidöffnungsbereichen 52 ist ein Streifenbereich 51 der Membranelektrodenanordnung 6 mit zwei streifenförmigen, gestapelten Bereichen des ersten und zweien Subgaskets 53, 54 und mit der Protonenaustauschermembran 5 einschließlich Anode 7 und Kathode 8 ausgebildet.
Ein doppelseitiges Klebeband 60 dient zur stoffschlüssigen Verbindung einer ersten Gasdiffusionsschicht 58 mit dem ersten Subgasket 53 und einer zweiten Gasdiffusionsschicht 59 mit dem zweiten Subgasket 54. Das Klebeband 60 ist aus einem biegbaren Verbindungsband 61 aus Kunststoff aufgebaut und an einer ersten Seite des Verbindungsbandes 61 ist eine erste Klebstoffschicht 62 aufgebracht und auf eine zweite Seite des Verbindungsbandes 61 ist ein zweite Klebstoffschicht 63 aufgebracht. Das doppelseitige Klebeband 60 umfasst somit das Verbindungsband 61 und die zwei Klebstoffschichten 62, 63. Die erste Gasdiffusionsschicht 58 ist mit dem ersten Subgasket 53 mit den doppelseitigen Klebeband 60 stoffschlüssig verbunden und die zweiten Gasdiffusionsschicht 59 ist mit dem zweiten Subgasket 54 mit den doppelseitigen Klebeband 60 stoffschlüssig verbunden (8). Das doppelseitige Klebeband 60 zwischen der ersten Gasdiffusionsschicht 58 und dem ersten Subgasket 53 bildet damit eine erste stoffschlüssige Verbindung 64 aus. Das doppelseitige Klebeband 60 zwischen der zweiten Gasdiffusionsschicht 59 und dem zweiten Subgasket 54 bildet damit eine zweite stoffschlüssige Verbindung 65 aus. In 6 und 7 sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Ausbildung des Klebebandes 60 dargestellt. In 6 ist in einem ersten Ausführungsbeispiel das Klebeband 60 vollständig umlaufend und durchgehend im Bereich des Randes der Längsseiten (Klebeband 60 in Längsrichtung 49 ausgerichtet) der ersten Gasdiffusionsschicht 58 und Breiteseiten 78 (Klebeband 60 in Querrichtung 50 ausgerichtet) der ersten Gasdiffusionsschicht 58 ausgebildet. An den Eckbereichen zwischen den Rändern an den Längsseiten und Breitseiten 78 der ersten Gasdiffusionsschicht 58 können die Klebebänder 60 überlappen oder ohne Überlappung, beispielsweise mit Enden in Gehrung, ausgebildet sein (nicht dargestellt).
In 7 ist in einem zweiten Ausführungsbeispiel das Klebeband 60 durchgehend im Bereich einer ersten Längsseite und intermittierend, d. h. mit Unterbrechungen, im Bereich einer zweiten Längsseite der ersten Gasdiffusionsschicht 58 ausgebildet. Im Bereich der zwei Breitseiten 78 der ersten Gasdiffusionsschicht 58 ist kein Klebeband 60 aufgebracht. In 6 und 7 sind die Ränder des Klebebandes 60 strichliert und das Klebeband 60 zwischen den Rändern ist punktiert dargestellt. Die erste Gasdiffusionsschicht 58 ist in 6 und 7 nicht dargestellt, sondern in 8.
Für die Herstellung der Membranelektrodenanordnung 6 mit erster und zweiter Gasdiffusionsschicht 58, 59 erfolgt zunächst ein zur Verfügung stellen der ersten und zweiten Subgaskets 53, 54 (11). Auf einer ersten Rolle 66 als erste Lagervorrichtung 66 ist ein erstes Subgasket-Band 70 aufgerollt und auf einer zweiten Rolle 67 als zweite Lagervorrichtung 67 ist ein zweites Subgasket-Band 71 aufgerollt. Die erste und zweite Lagervorrichtung 66, 67 können getrennte Bauteile sein oder nur von einem Bauteil gebildet sein. Das erste und zweite Subgasket-Band 70, 71 wird von den Lagervorrichtungen 66, 67 entnommen und an einer Trennvorrichtung 74 als einer Schneidwalze 75 oder einem Schneidmesser in Teilabschnitt abgeschnitten zu den ersten und zweiten Subgaskets 53, 54 und von einem Förderband 76 abtransportiert.
Für die Herstellung der Membranelektrodenanordnung 6 mit erster und zweiter Gasdiffusionsschicht 58, 59 erfolgt zunächst ein zur Verfügung stellen der ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten 58, 59 (12). Auf einer dritten Rolle 68 als dritte Lagervorrichtung 68 ist ein erstes Gasdiffusions-Band 72 aufgerollt und auf einer vierten Rolle 69 als vierte Lagervorrichtung 69 ist ein zweites Gasdiffusionsschicht-Band 73 aufgerollt. Die dritte und vierte Lagervorrichtung 68, 69 können getrennte Bauteile sein oder nur von einem Bauteil gebildet sein. Das erste und zweite Gasdiffusionsschicht-Band 72, 73 wird von den Lagervorrichtungen 68, 69 entnommen und an einer Trennvorrichtung 74 als einer Schneidwalze 75 oder einem Schneidmesser in Teilabschnitt abgeschnitten zu den ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten 58, 59 und von einem Förderband 76 abtransportiert.
Die in 12 dargestellte Lagervorrichtung 68 als Rolle 68 und die Trennvorrichtung 74 kann analog auch für das doppelseitige Klebeband 60 genutzt werden. Das doppelseitige Klebeband 60 wird analog zur Verfügung gestellt indem von der Rolle 68 als der Lagervorrichtung 68 das Klebeband 60 entnommen wird und anschließend mit der Trennvorrichtung 74 in kürzere Teilabschnitte als mehrere Klebebänder 60 abgetrennt wird (nicht dargestellt).
In 9 sind die Verfahrensschritten zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung der Membranelektrodenanordnung 6 mit ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten 58, 59 in einem ersten Ausführungsbeispiel dargestellt. Nach dem zur Verfügung stellen der Membranelektrodenanordnung 6, der ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten 58, 59 und der Klebebänder 60 werden zunächst die Klebebänder 60 auf das erste und zweite Subgasket 53, 54 aufgebracht, d. h. die zweiten Klebstoffschichten 63 der Klebebänder 60 mit den ersten und zweiten Subgaskets 53, 54 stoffschlüssig verbunden. Darauffolgend werden die ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten 58, 59 mit den ersten Klebstoffschichten 62 stoffschlüssig verbunden, d. h. die erste Gasdiffusionsschicht 58 wird stoffschlüssig mit dem ersten Subgasket 53 und die zweite Gasdiffusionsschicht 59 wird stoffschlüssig mit dem zweiten Subgasket 54 verbunden.
In 10 sind die Verfahrensschritten zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung der Membranelektrodenanordnung 6 mit ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten 58, 59 in einem zweiten Ausführungsbeispiel dargestellt. Nach dem zur Verfügung stellen der Membranelektrodenanordnung 6, der ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten 58, 59 und der Klebebänder 60 werden zunächst die Klebebänder 60 auf die erste und zweite Gasdiffusionsschicht 58, 59 aufgebracht, d. h. die ersten Klebstoffschichten 62 der Klebebänder 60 mit den ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten 58, 59 stoffschlüssig verbunden. Darauffolgend werden die ersten und zweiten Subgaskets 53, 54 der Membranelektrodenanordnung 6 mit den zweiten Klebstoffschichten 63 stoffschlüssig verbunden, d. h. die erste Gasdiffusionsschicht 58 wird stoffschlüssig mit dem ersten Subgasket 53 und die zweite Gasdiffusionsschicht 59 wird stoffschlüssig mit dem zweiten Subgasket 54 verbunden.
Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der Membranelektrodenanordnung 6 mit ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten 58, 59, der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit 1 und dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der Brennstoffzelleneinheit 1 wesentliche Vorteile verbunden. Das doppelseitige Klebeband 60 ist in der Herstellung und dem zur Verfügung stellen einfach und preiswert bei konstanter Qualität. Dieses Klebeband 60 kann für die Herstellung der ersten und zweiten stoffschlüssigen Verbindungen 64, 65 genutzt werden, so dass für die Herstellung der ersten und zweiten stoffschlüssigen Verbindungen 64, 65 in vorteilhafter Weise geringe Kosten anfallen und diese besonders zuverlässig sind mit einer sehr geringen Fehlerquote in der Herstellung.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Membranelektrodenanordnungen (6) mit ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten (9, 58, 59) für eine Brennstoffzelleneinheit (1) als Brennstoffzellenstapel mit den Schritten: - zur Verfügung stellen von Membranelektrodenanordnungen (6) mit je einer Protonenaustauschermembran (5), je einer Anode (7), je einer Kathode (8), je einem ersten Subgasket (53) als Abdichtschicht (41) und je einem zweiten Subgasket (54) als Abdichtschicht (41), - zur Verfügung stellen von ersten Gasdiffusionsschichten (9, 58) und zweiten Gasdiffusionsschichten (9, 59), - stoffschlüssiges Verbinden der Membranelektrodenanordnungen (6) mit den ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten (9, 58, 59) indem je eine erste Gasdiffusionsschicht (9, 58) stoffschlüssig mit je einem ersten Subgasket (53) verbunden wird und je eine zweite Gasdiffusionsschicht (9, 59) stoffschlüssig mit je einem zweiten Subgasket (54) verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass die je eine erste Gasdiffusionsschicht (9, 58) mit wenigstens einem doppelseitigen Klebeband (60) stoffschlüssig mit dem je einen ersten Subgasket (53) verbunden wird und/oder die je eine zweite Gasdiffusionsschicht (9, 59) mit wenigstens einem doppelseitigen Klebeband (60) stoffschlüssig mit dem je einen zweiten Subgasket (54) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine doppelseitige Klebeband (60) zwischen der je ersten Gasdiffusionsschicht (9, 58) und dem je ersten Subgasket (53) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine doppelseitige Klebeband (60) zwischen der je zweiten Gasdiffusionsschicht (9, 59) und dem je zweiten Subgasket (54) angeordnet wird.
Verfahren nach einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an je einer Membranelektrodenanordnung (6) mit erster und zweiter Gasdiffusionsschicht (9, 58, 59) das wenigstens eine doppelseitige Klebeband (60) zwischen der ersten Gasdiffusionsschicht (9, 58) und dem ersten Subgasket (53)) bei einer Ausrichtung des wenigstens einen doppelseitigen Klebebandes (60) in Längsrichtung (49) durchgehend und/oder intermittierend angeordnet wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an je einer Membranelektrodenanordnung (6) mit erster und zweiter Gasdiffusionsschicht (9, 58, 59) das wenigstens eine doppelseitige Klebeband (60) zwischen der zweiten Gasdiffusionsschicht (9, 59) und dem zweiten Subgasket (54)) bei einer Ausrichtung des wenigstens einen Klebebandes (60) in Längsrichtung (49) durchgehend und/oder intermittierend angeordnet wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an je einer Membranelektrodenanordnung (6) mit erster und zweiter Gasdiffusionsschicht (9, 58, 59) das wenigstens eine doppelseitige Klebeband (60) zwischen der ersten Gasdiffusionsschicht (9, 58) und dem ersten Subgasket (53)) bei einer Ausrichtung des wenigstens einen Klebebandes (60) in Querrichtung (50) durchgehend und/oder intermittierend angeordnet wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an je einer Membranelektrodenanordnung (6) mit erster und zweiter Gasdiffusionsschicht (9, 58, 59) das wenigstens eine doppelseitige Klebeband (60) zwischen der zweiten Gasdiffusionsschicht (9, 59) und dem zweiten Subgasket (54) bei einer Ausrichtung des wenigstens einen Klebebandes (60) in Querrichtung (50) durchgehend und/oder intermittierend angeordnet wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranelektrodenanordnungen (6) zur Verfügung gestellt werden indem die nachfolgenden Schritte ausgeführt werden: - zur Verfügung stellen je einer Protonenaustauschermembran (5), - zur Verfügung stellen je eines ersten Subgaskets (53), - zur Verfügung stellen je eines zweiten Subgaskets (54), - Anordnen der je einen Protonenaustauschermembran (5) zwischen dem je ersten und je zweiten Subgasket (53, 54), - stoffschlüssiges Verbinden der je einen Protonenaustauschermembran (5) mit dem je ersten und je zweiten Subgasket (53, 54), so dass je ein schichtförmiger Innenbereich (38) der je einen Protonenaustauschermembran (5) von dem je einen ersten und zweiten Subgasket (53, 54) umschlossen wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das doppelseitige Klebeband (60) von einer Lagervorrichtung (66), insbesondere einer Rolle (6), entnommen wird, anschließend mit einer Trennvorrichtung (74) einzelne Teilabschnitte als doppelseitige Klebebänder (60) abgetrennt werden und anschließend die Teilabschnitte des doppelseitigen Klebebandes (60) mit den ersten Gasdiffusionsschichten (9, 58) und ersten Subgaskets (53) stoffschlüssig verbunden werden und/oder mit den zweiten Gasdiffusionsschichten (9, 59) und zweiten Subgaskets (54) stoffschlüssig verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die doppelseitigen Klebebänder (60) zuerst mit den ersten und/oder zweiten Subgaskets (53, 54) stoffschlüssig verbunden werden und anschließend mit den ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten (9, 58, 59) stoffschlüssig verbunden werden oder die doppelseitigen Klebebänder (60) zuerst mit den ersten und/oder zweiten Gasdiffusionsschichten (9 ,58, 59) stoffschlüssig verbunden werden und anschließend mit den ersten und zweiten Subgaskets (53, 54) stoffschlüssig verbunden werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und/oder zweiten Gasdiffusionsschichten (9, 58, 59) zur Verfügung gestellt werden indem diese als erstes und/oder zweites Gasdiffusionsschicht-Band (72, 73) mit doppelseitigen Klebeband (60) von einer Lagervorrichtung (68, 69), insbesondere einer Rolle, entnommen werden und anschließend mit einer Trennvorrichtung (74, 75) von dem ersten und/oder zweiten Gasdiffusionsschicht-Band (72, 73) die erste und/oder zweite Gasdiffusionsschicht (9, 58, 59) mit doppelseitigen Klebeband (60) abgetrennt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und/oder zweiten Subgaskets (53, 54) zur Verfügung gestellt werden indem diese als erstes und/oder zweites Subgasket-Band (70, 71) mit doppelseitigen Klebeband (60) von einer Lagervorrichtung (66, 67), insbesondere einer Rolle (66, 67), entnommen werden und anschließend von dem ersten und/oder zweiten Subgasket-Band (70, 71) mit einer Trennvorrichtung (74, 75) das erste und/oder zweite Subgasket-Band (70, 71) mit doppelseitigen Klebeband (60) abgetrennt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des wenigstens einen doppelseitigen Klebebandes (60) in den Membranelektrodenanordnungen (6) mit ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten (9, 58, 59) wenigstens um das 2-, 3- oder 5-Fache größer ist als die Breite des doppelseitigen Klebebandes (60).
Brennstoffzelleneinheit (1) als Brennstoffzellenstapel zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend gestapelt angeordnete Brennstoffzellen (2), die Brennstoffzellen (2) umfassend jeweils eine Protonenaustauschermembran (5), eine Anode (7), eine Kathode (8), eine Bipolarplatte (10) und erste und zweite Gasdiffusionsschichten (9, 58, 59), wobei die Protonenaustauschermembran (5), die Anode (7) und die Kathode (8) mit einem ersten und zweiten Subgasket (53, 54) eine Membranelektrodenanordnung (6) bilden und die ersten Gasdiffusionsschichten (9, 58) mit ersten stoffschlüssigen Verbindungen (64) mit den ersten Subgaskets (53) stoffschlüssig verbunden sind und die zweiten Gasdiffusionsschichten (9, 59) mit zweiten stoffschlüssigen Verbindungen (65) mit den zweiten Subgaskets (54) stoffschlüssig verbunden sind, so dass Membranelektrodenanordnungen (6) mit ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten (9, 58, 59) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten stoffschlüssigen Verbindungen (64), insbesondere ausschließlich, von doppelseitigen Klebebändern (60) gebildet sind und/oder die zweiten stoffschlüssigen Verbindungen (65), insbesondere ausschließlich, von doppelseitigen Klebebändern (60) gebildet sind und/oder die Membranelektrodenanordnungen (6) mit ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten (9, 58, 59) mit einem Verfahren gemäß einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche hergestellt sind.
Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelleneinheit (1) als Brennstoffzellenstapel zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie mit den Schritten: - zur Verfügung stellen von Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10) der Brennstoffzellen (2), nämlich Membranelektrodenanordnungen (6), Gasdiffusionsschichten (9, 58, 59) und Bipolarplatten (10), - wobei die Membranelektrodenanordnungen (6) je einen schichtförmigen Innenbereich (38) mit einer Protonenaustauschermembran (5), einer Anode (7) und einer Kathode (8) und je zwei Abdichtschichten (41) als erstes und zweites Subgasket (53, 54) umfassen und die Protonenaustauschermembran (5) zwischen der Anode (7) und Kathode (8) angeordnet ist und die den Innenbereich (38) umschließende schichtförmige Abdichtschichten (41) als erste und zweite Subgaskets (53, 54) ausgebildet sind, - stoffschlüssiges Verbinden der ersten Subgaskets (53) mit ersten Gasdiffusionsschichten (9, 58) und der zweiten Subgasket (54) mit zweiten Gasdiffusionsschichten (9, 59), so dass Membranelektrodenanordnungen (6) mit ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten (9, 58, 59) zur Verfügung gestellt werden, - Stapeln der Komponenten (5, 6, 7, 8,9, 10) der Brennstoffzellen (2), so dass Brennstoffzellen (2) und eine Brennstoffzelleneinheit (1) ausgebildet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranelektrodenanordnungen (6) mit ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten (9, 58, 59) zur Verfügung gestellt werden indem ein Verfahren gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 13 ausgeführt wird.