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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs Membran-Elektroden-Anordnung sowie eine Brennstoffzelle mit einer entsprechenden Membran-Elektroden-Anordnung.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellen werden in mobilen sowie in stationären Anwendungen genutzt. Mit ihrer Hilfe kann die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie gewandelt werden. Zur Leistungssteigerung können mehrere Brennstoffzellen übereinander zu einem Brennstoffzellenstapel, auch „Stack“ genannt, angeordnet werden.
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Das „Herzstück“ einer Brennstoffzelle ist die sogenannte Membran-Elektroden-Anordnung (MEA), die eine beidseits beschichtete Membran zur Ausbildung einer ersten und einer zweiten katalytisch aktiven Elektrode umfasst. Die erste Elektrode bildet die Anode und die zweite Elektrode die Kathode aus. Die Membran dazwischen dient als Elektrolyt. Der Anode wird im Betrieb der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels ein Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, zugeführt. Der Kathode wird als Oxidationsmittel Sauerstoff zugeführt, wobei in der Regel Luft als Sauerstofflieferant dient.
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Die MEA ist üblicherweise zwischen zwei dünne Kunststofffolien einlaminiert, die gemeinsam als „Subgasket“ bezeichnet werden. Beide Folien weisen großflächige Fenster auf, damit die aktiven Bereiche der MEA frei bleiben. Die MEA wird daher nur in einem umlaufenden Randbereich von den beidseits anliegenden Kunststofffolien eingefasst. Sowohl die großflächigen Fenster als auch weitere Öffnungen, insbesondere im Bereich von Medienkanälen, werden vorab, beispielsweise mittels Stanzen, in die Kunststofffolien eingebracht. Danach werden die filigranen Gebilde mit einem Kleber beschichtet, beidseits der MEA positioniert, so dass die Öffnungen der beiden Kunststofffolien exakt übereinander liegen, und vollflächig miteinander verklebt. Eine Vielzahl gleicher, in Subgaskets eingefasster MEAs werden dann gestapelt und unter Druckbelastung in den jeweiligen Dichtbereichen zu einem Brennstoffzellenstapel verbaut.
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Zum Verkleben der Kunststofffolien eines Subgaskets wird üblicherweise ein Thermoplastkleber eingesetzt. Dieser besitzt die Eigenschaft, im späteren Betrieb des Brennstoffzellenstapels durch Hitze, Druck und/oder Vibrationen zu Kriechen. Dieses Setzungsverhalten führt zu einer verringerten Druckbelastung in den Dichtbereichen, so dass es zu Undichtigkeiten kommen kann. Dies gilt es zu vermeiden.
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Mit dieser Aufgabe ist die vorliegende Erfindung befasst. Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen sowie die Membran-Elektroden-Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 5 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird eine Brennstoffzelle mit einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Anordnung angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung mit einer beidseits beschichteten Membran, die von einem Subgasket eingefasst ist. Zur Herstellung des Subgaskets werden dabei zwei Kunststofffolien miteinander verklebt. Erfindungsgemäß werden zum Verkleben auf die erste Kunststofffolie eine erste Komponente und auf die zweite Kunststofffolie eine zweite Komponente eines 2-Komponenten-Klebers aufgebracht. Die Aufbringung der Komponenten auf die Kunststofffolien erfolgt dabei jeweils nur bereichsweise und in gespiegelte Anordnung. Die beiden Komponenten werden erst beim Aufeinanderlegen der beiden Kunststofffolien in Kontakt miteinander gebracht.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren erfolgt die Aufbringung des Klebers zum Verkleben der beiden Kunststofffolien nicht vollflächig, sondern lediglich bereichsweise. Die aufgebrachte Klebermenge reduziert sich dadurch deutlich, was Kleber einspart. Handelt es sich bei dem Kleber um einen Kleber mit Setzungseigenschaften, beispielsweise um einen Thermoplast-Kleber, verringert sich mit der Klebermenge auch das Setz- bzw. Kriechverhalten. Die damit einhergehenden negativen Effekte werden somit minimiert. Insbesondere verringert sich die Gefahr, dass durch das Setzverhalten des Klebers Undichtigkeiten entstehen.
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Die Verwendung eines 2-Komponenten-Klebers zum Verkleben besitzt den Vorteil, dass die beiden Komponenten getrennt voneinander jeweils auf eine Kunststofffolie aufgebracht werden können, so dass die Klebewirkung erst mit der Verklebung der beiden Kunststofffolien eintritt. Dies wiederum ermöglicht den Einsatz neuer Auftragsverfahren. Beispielsweise können die beiden Komponenten des Klebers jeweils mittels Siebdruckes auf die Kunststofffolien aufgebracht werden. Dieses Verfahren ermöglicht eine exakte Anordnung bzw. Platzierung der Komponenten des 2-Komponenten-Klebers auf der jeweiligen Kunststofffolie, so dass diese beim Verkleben exakt in Überdeckung gebracht werden können.
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Bevorzugt erfolgt die Aufbringung der beiden Komponenten des 2-Komponenten-Klebers auf die Kunststofffolien jeweils in Dichtbereichen, vorzugsweise in einem randseitigen umlaufenden ersten Dichtbereich sowie in weiteren Dichtbereichen, die der Abdichtung von Medienkanälen dienen. Die Aufbringung des Klebers in Dichtbereichen besitzt den Vorteil, dass die Dichtbereiche druckbelastet werden, wenn mehrere Membran-Elektroden-Anordnungen bzw. hieraus hergestellte Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel verbaut werden. Die Druckbelastung im Dicht- und damit Verklebungsbereich bewirkt eine Kraft, die geringfügige Setzungs- und/oder Kriecherscheinungen des Klebers zu kompensieren vermag.
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Bei einer nach dem vorgeschlagenen Verfahren hergestellten Membran-Elektroden-Anordnung befindet sich daher der Kleber zum Verkleben der beiden Kunststofffolien innenseitig an den Stellen, wo außenseitig Dichtungen auf dem Subgasket ausgebildet sind. Das heißt, dass die Dichtstellen und die Klebestellen einander überdecken. Der Auftrag der beiden Komponenten des 2-Komponenten-Klebers kann hierauf beschränkt werden, so dass im Übrigen die beiden Kunststofffolien kleberfrei oder zumindest frei von dem 2-Komponenten-Kleber sind.
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Denn in Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass auf die beiden Kunststofffolien zur Verklebung mit der Membran ein weiterer Kleber, vorzugsweise ein Hotmelt-Kleber, aufgebracht wird. Die Verklebung der beiden Kunststofffolien mit der Membran fixiert diese, so dass diese keine Relativbewegung gegenüber dem Subgasket ausführen kann. Die Verwendung eines weiteren Klebers ist erforderlich, da dieser nur in Kontakt mit der Membran gelangt. Mit Hilfe der zuvor beschriebenen Aufbringung der beiden Komponenten eines 2-Komponenten-Klebers auf jeweils eine Kunststofffolie könnte keine Verklebung mit der Membran erzielt werden, da nur jeweils eine Komponente in Kontakt mit der Membran gelangte.
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Ferner bevorzugt wird der weitere Kleber zur Verklebung der beiden Kunststofffolien mit der Membran jeweils in einem Überlappungsbereich der beiden Kunststofffolien mit der Membran aufgebracht. Entsprechend kann der Verbrauch des weiteren Klebers reduziert werden, was zu einer weiteren Kosteneinsparung führt. Zugleich treten aufgrund der geringen Klebermenge auch nur geringe Setzungserscheinungen auf.
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Darüber hinaus wird eine Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle vorgeschlagen, die eine beidseits beschichtete Membran umfasst, die von einem Subgasket eingefasst ist. Das Subgasket ist dabei aus zwei miteinander verklebten Kunststofffolien hergestellt. Erfindungsgemäß ist die Verklebung mit einem 2-Komponenten-Kleber hergestellt, der lediglich bereichsweise auf die Kunststofffolien aufgebracht ist. Das heißt, dass die beiden Kunststofffolien nicht vollflächig miteinander verklebt sind. Die Verklebung kann dabei insbesondere nach dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt werden.
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Die reduzierte Klebermenge verringert die Herstellungskosten. Zugleich bleiben große Flächen der Kunststofffolien kleberfrei, so dass diese recycelt werden können. Ferner zeigt eine erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Anordnung ein geringeres Setzverhalten, so dass sich die Lebensdauer der Membran-Elektroden-Anordnung erhöht.
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Bevorzugt ist der 2-Komponenten-Kleber in Dichtbereichen aufgebracht, in denen außenseitig auf dem Subgasket Dichtungen angeordnet sind. Bei der Herstellung eines Brennstoffzellenstapels werden die Dichtbereiche üblicherweise unter Druckbelastung verbaut, so dass in den Dichtbereichen eine Dichtkraft wirkt, die eine Kompensation des geringen Setzverhaltens des 2-Komponenten-Klebers ermöglicht. Idealerweise überdecken die Dichtungen und der Kleber ein anderer.
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Bevorzugt ist ein erster Dichtbereichen randseitig umlaufend ausgebildet. Die hier angeordnete Dichtung dichtet die Membran-Elektroden-Anordnung nach außen ab. In weiteren Dichtbereichen können Dichtungen angeordnet sein, die der Abdichtung von Medienkanälen, den sogenannten „Ports“, dienen. Hierbei handelt es sich um das Subgasket durchsetzende Öffnungen, die der Gasversorgung mit den jeweiligen Reaktionsgasen sowie der Gasentsorgung dienen. Über weitere Medienkanäle kann ein Kühlmedium zirkuliert werden. Die Anordnung des 2-Komponenten-Klebers in diesen Dichtbereichen stellt sicher, dass kein Reaktionsgas oder Kühlmedium zwischen die beiden Kunststofffolien des Subgaskets gelangt.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die beiden Kunststofffolien, vorzugsweise unter Verwendung eines weiteren Klebers, mit der Membran verklebt sind. Die Membran ist somit in Bezug auf die beiden Kunststofffolien fixiert, so dass sie sich nicht relativ zu den beiden Kunststofffolien bewegen kann. Der weitere Kleber kann insbesondere ein Hotmelt-Kleber sein, der nur einseitig aufgebracht werden muss und auf diese Weise die Verklebung der jeweiligen Kunststofffolie mit der Membran ermöglicht.
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Bevorzugt ist der weitere Kleber umlaufend um eine aktive Fläche der Membran angeordnet. Da die Membran beidseits jeweils eine aktive Fläche aufweist, sind vorzugsweise beide aktiven Flächen umlaufend von dem weiteren Kleber umgeben. Dadurch ist sichergestellt, dass später im Betrieb der die Membran-Elektroden-Anordnung aufweisenden Brennstoffzelle kein Reaktionsgas zwischen die beiden Kunststofffolien des Subgaskets gelangt.
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Ferner wird eine Brennstoffzelle mit einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Anordnung vorgeschlagen. Die erhöhte Lebensdauer der Membran-Elektroden-Anordnung, die auf das geringe Setzverhalten des Klebers des Subgaskets zurückzuführen ist, führt zu einer ebenfalls erhöhten Lebensdauer der Brennstoffzelle. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Anordnung wirken sich demnach in gleicher Weise auf die Brennstoffzelle aus.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Anordnung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Anordnung mit Subgasket und
- 2 eine Draufsicht auf eine Kunststofffolie des Subgaskets der 1.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die in der 1 dargestellte Membran-Elektroden-Anordnung 1 umfasst eine beidseits beschichtete Membran 2, die von einem Subgasket 3 eingefasst ist. Das Subgasket 3 ist aus 2 Kunststofffolien 3.1, 3.2 hergestellt, die miteinander verklebt sind. Zum Verkleben wurde ein 2-Komponenten-Kleber 4 eingesetzt. Eine erste Komponente 4.1 wurde auf die erste Kunststofffolie 3.1 und eine zweite Komponente 4.2 wurde auf die zweite Kunststofffolie 3.2 aufgebracht, und zwar nicht vollflächig, sondern lediglich bereichsweise. Durch Aufeinanderlegen der beiden Kunststofffolien 3.1, 3.2 und Inkontaktbringen der beiden Komponenten 4.1 und 4.2 wurden schließlich die beiden Kunststofffolien 3.1, 3.2 miteinander verklebt. Im Bereich des Kleberauftrags sind außenliegend auf dem Subgasket 3 Dichtungen 11 angeordnet, die einen Dichtbereich 5 definieren. Da zur Erhöhung der Dichtwirkung der Dichtungen 11 die Membran-Elektroden-Anordnung 1 in der Regel in der Weise verbaut wird, dass die Dichtungen 11 unter einer Druckbelastung stehen, kann mit Hilfe dieser Druckkraft ein Setzverhalten des Klebers 4 kompensiert werden. Da der Kleber 4 jedoch nicht vollflächig, sondern nur bereichsweise auf sehr kleiner Fläche aufgebracht ist, ist auch sein Setzverhalten entsprechend gering. Dieses kann somit ohne Verlust der Dichtkraft bzw. Dichtwirkung ausgeglichen werden.
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Ein weiterer Kleber 8 ist in einem Überlappungsbereich 9 der Kunststofffolien 3.1, 3.2 mit der Membran 2 angeordnet, so dass über den Kleber 8 die Kunststofffolien 3.1, 3.2 mit der Membran 2 verklebt sind. Wie insbesondere der 2 zu entnehmen ist, ist der Kleber 8 umlaufend um eine aktive Fläche 10 der Membran 2 angeordnet, so dass mittels des Klebers 8 der Zwischenraum zwischen den beiden Kunststofffolien 3.1, 3.2 abgedichtet wird.
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Wie ferner der 2 zu entnehmen ist, können im Subgasket 3 Medienkanäle 7 ausgebildet sein. Um diese abzudichten, sind die beiden Kunststofffolien 3.1, 3.2 auch in diesem Bereich mit denen der verklebt. Der Bereich der Medienkanäle 7 bildet einen weiteren Dichtbereich 6 aus.
