DE102020216093A1

DE102020216093A1 - Membran-Elektroden-Einheit für eine elektrochemische Zelle und Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Einheit

Info

Publication number: DE102020216093A1
Application number: DE102020216093.7A
Authority: DE
Inventors: Anton Ringel; Martin Gerlach; David Thomann; Andreas Ringk
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-12-17
Filing date: 2020-12-17
Publication date: 2022-06-23
Also published as: WO2022128479A1

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). Eine Gasdiffusionslage (5, 6) ist an der Rahmenstruktur (10) angeordnet. Zumindest in einer der beiden Folien (11, 12) ist zumindest eine Ausnehmung (15) ausgebildet, wobei das Klebemittel (13) durch die Ausnehmung (15) dringt und mit der Gasdiffusionslage (5, 6) adhäsiv zusammenwirkt.

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 die Gasdiffusionslagen für den Stapelprozess mit der Membran-Elektroden-Einheit zu vorteilhaft zu verbinden, bevorzugt derart, dass ein Verrutschen verhindert wird.
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. Eine Gasdiffusionslage ist an der Rahmenstruktur angeordnet. Zumindest in einer der beiden Folien ist zumindest eine Ausnehmung ausgebildet, wobei das Klebemittel durch die Ausnehmung dringt und mit der Gasdiffusionslage adhäsiv zusammenwirkt.
Dadurch ist die Gasdiffusionslage rutschfest an der Rahmenstruktur und somit an der Membran-Elektroden-Einheit angebunden. Dies ist insbesondere für den Stapelprozess der einzelnen elektrochemischen Zellen zu einem Zellenstapel sehr vorteilhaft. Weiterhin kann dadurch sogar ein weiteres Klebemittel, welches üblicherweise zwischen der Folie und der Gasdiffusionslage aufgetragen wird, eingespart 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. Bevorzugt umfasst die Membran-Elektroden-Einheit zwei Gasdiffusionslagen. 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.
Bevorzugt werden zwei Gasdiffusionslagen, also zu beiden Seiten der Membran-Elektroden-Einheit jeweils eine Gasdiffusionslage, derartig an die Rahmenstruktur angebunden, dass sie mit dem durch die Ausnehmung der jeweiligen Folien dringenden Klebemittel adhäsiv zusammenwirken. Dies kann selbstverständlich auch mit einer Mehrzahl von Ausnehmungen in den Folien erfolgen.
In vorteilhaften Weiterbildungen sind dann die eine oder mehrere Ausnehmungen in der ersten Folie - in einer Fläche senkrecht zu einer Stapelrichtung betrachtet - versetzt zu der einen oder mehreren Ausnehmungen der zweiten Folie angeordnet. Dadurch können die beiden Gasdiffusionslagen an den beiden Folien unabhängig voneinander verklebt werden bzw. das Klebemittel mittels Heißstempel unabhängig voneinander aktiviert werden.
In vorteilhaften Ausführungen ist das Klebemittel thermisch aktivierbar, insbesondere mittels Heißstempel.
Dementsprechend umfasst die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Einheit nach einer der obigen Ausführungen. Das Verfahren weist dabei folgende Verfahrensschritte auf:

• Anordnen einer Gasdiffusionslage an einer der Folien mit Ausnehmung.
• Aktivieren des Klebemittels im Bereich der Ausnehmung.

In vorteilhaften Weiterbildungen weist das Verfahren den folgenden weiteren Verfahrensschritt auf:

• Aushärten des Klebemittels in der Ausnehmung unter Zusammenpressen der Gasdiffusionslage mit der Rahmenstruktur.

Bevorzugt wird dabei das Klebemittel mittels Heißstempel aktiviert. Dies ist ein einfaches, kostengünstiges und zugleich aber auch geometrisch sehr variables Verfahren zur thermischen Aktivierung von Klebeeigenschaften.
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 den Schnitt A-A der 2 in einem weiteren Ausführungsbeispiel, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.

1 zeigt in einem Vertikalschnitt einen Ausschnitt einer 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, bevorzugt PEN.
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. Die Gasdiffusionslagen 5, 6 sind porös - beispielsweise als Vlies - ausgeführt, so dass durch sie Reaktionsmedien an die Elektroden 3, 4 zugeführt werden können.
Erfindungsgemäß werden nun die beiden Gasdiffusionslagen 5, 6 - oder zumindest eine der beiden Gasdiffusionslagen 5, 6 mittels des Klebemittels 13 an die Rahmenstruktur 10 geheftet bzw. geklebt.
Dazu zeigt 2 in einem Vertikalschnitt eine erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Einheit 1 einer elektrochemischen Zelle 100, insbesondere einer Brennstoffzelle, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. In den beiden Folien 11, 12 sind Ausnehmungen 15 in Form von Bohrungen ausgebildet, welche mit dem Klebemittel 13 gefüllt sind. Die Gasdiffusionslagen 5, 6 sind in der Stapelrichtung z jeweils in direktem Kontakt zu der ihnen benachbarten Folie 11, 12, so dass das durch die Ausnehmungen ragende Klebemittel 13 in diesem Bereich mit der jeweiligen Gasdiffusionslage 5, 6 verklebt ist. Das weitere Klebemittel 14 aus dem Stand der Technik in der Ausführung der 1 kann somit eingespart werden.
Dadurch werden Nachteile, welche durch den Einsatz des weiteren Klebemittels 14 aus dem Stand der Technik entstehen, behoben:

- Die Rahmenstruktur 10 verzieht sich nicht mehr.
- Die Fertigungszeiten für Aufbringen und Aushärten des weiteren Klebemittels 14 entfallen.
- Die Poren der Gasdiffusionslagen 5, 6 im Bereich der Rahmenstruktur 10 werden deutlich weniger verstopft.
- Die Dicke der Membran-Elektroden-Einheit 1 in Stapelrichtung z ist geringer und deutlich definierter; die Gesamthöhe des Zellenstapels in Stapelrichtung z kann somit enger toleriert werden.

Trotzdem wird ein Verrutschen der Gasdiffusionslagen 5, 6 gegenüber der Rahmenstruktur 10 bzw. gegenüber der mit den Elektroden 3, 4 beschichteten Membran 2 wirkungsvoll verhindert, so dass entsprechende Funktionsflächen optimal zueinander positioniert bleiben.
3 zeigt den Schnitt A-A der 2 in einem weiteren Ausführungsbeispiel in teilweise transparenter Ansicht. In einem aktiven Bereich 9 weist die Membran-Elektroden-Einheit 1 lediglich die mit den Elektroden 3, 4 beschichtete Membran 2 und die dahinterliegende Gasdiffusionslage 5 auf. Die Rahmenstruktur 10 kennzeichnet üblicherweise den nicht-aktiven Bereich der elektrochemischen Zelle 100. In dem Schnitt A-A ist dabei das Klebemittel 13 bzw. transparent dahinter die erste Folie 11 zu sehen. In der ersten Folie 11 sind eine Mehrzahl von Ausnehmungen 15a ausgebildet, durch die das Klebemittel 13 gedrückt wird, um mit der Gasdiffusionslage 5 zu verkleben.
Transparent - und genau genommen außerhalb der Ansicht des Schnitts A-A - sind strichiert auch mehrere Ausnehmungen 15b in der zweiten Folie 12 angedeutet, welche in dieser Ausführung versetzt zu den Ausnehmungen 15a angeordnet sind, so dass die entsprechenden Klebemittel 13 dort besser unabhängig voneinander aktiviert werden können. Perspektivisch skizziert sind weiterhin beispielhaft zwei Heißstempel 40, welche das Klebemittel 13 in den Ausnehmungen 15, 15a, 15b lokal aufschmelzen und dadurch thermisch aktivieren. Das Klebemittel 13 wird somit also mit der Gasdiffusionslage 5 verschmolzen, wobei sich bevorzugt die Polymerketten ineinander quasi verknoten.
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) unter Zwischenlage eines Klebemittels (13) umfasst, wobei eine Gasdiffusionslage (5, 6) an der Rahmenstruktur (10) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in einer der beiden Folien (11, 12) zumindest eine Ausnehmung (15) ausgebildet ist, wobei das Klebemittel (13) durch die Ausnehmung (15) dringt und mit der Gasdiffusionslage (5, 6) adhäsiv zusammenwirkt.
Membran-Elektroden-Einheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass je eine Gasdiffusionslage (5, 6) zu beiden Seiten der Rahmenstruktur (10) angeordnet ist, wobei in beiden Folien (11, 12) jeweils zumindest eine Ausnehmung (15, 15a, 15b) ausgebildet ist, wobei das Klebemittel (13) durch die Ausnehmungen (15, 15a, 15b) dringt und mit der jeweiligen Gasdiffusionslage (5, 6) adhäsiv zusammenwirkt.
Membran-Elektroden-Einheit (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (15a) in der ersten Folie (11) in einer Fläche senkrecht zu einer Stapelrichtung (z) versetzt zu der Ausnehmung (15b) der zweiten Folie (12) angeordnet ist.
Membran-Elektroden-Einheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Klebemittel (13) temperaturaktivierbar ist.
Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Einheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 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, wobei in einer der beiden Folien (11, 12) zumindest eine Ausnehmung (15) ausgebildet ist, durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet: • Anordnen einer Gasdiffusionslage (5, 6) an einer der Folien (11, 12) mit Ausnehmung (15). • Aktivieren des Klebemittels (13) im Bereich der Ausnehmung (15).
Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Einheit (1) nach Anspruch 5, durch folgenden weiteren Verfahrensschritt gekennzeichnet: • Aushärten des Klebemittels (13) in der Ausnehmung (15) unter Zusammenpressen der Gasdiffusionslage (5, 6) mit der Rahmenstruktur (10).
Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Einheit (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Klebemittel (13) mittels Heißstempel (40) aktiviert wird.