DE102021214186A1 - Electrochemical cell, fuel cell stack and method for producing an electrochemical cell - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle (1), insbesondere Brennstoffzelle, umfassend eine Membran-Elektroden-Anordnung (2) mit einer Membran, die beidseits mit einem katalytischen Material beschichtet ist, wobei an die Membran-Elektroden-Anordnung (2) in zumindest einem Randbereich (3, 4) ein thermoplastisches Elastomermaterial (5) zur Randverstärkung und/oder zur Ausbildung einer Dichtungsgeometrie (6) angespritzt ist.Die Erfindung betrifft ferner einen Brennstoffzellenstapel mit mindestens einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle (1) in Form einer Brennstoffzelle sowie ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle (1), insbesondere einer Brennstoffzelle.The invention relates to an electrochemical cell (1), in particular a fuel cell, comprising a membrane-electrode assembly (2) with a membrane which is coated on both sides with a catalytic material, the membrane-electrode assembly (2) being bonded to at least one Edge area (3, 4) a thermoplastic elastomer material (5) for edge reinforcement and / or to form a sealing geometry (6) is injection molded. The invention also relates to a fuel cell stack with at least one electrochemical cell (1) according to the invention in the form of a fuel cell and a method for Production of an electrochemical cell (1), in particular a fuel cell.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle, umfassend eine Membran-Elektroden-Anordnung mit einer Membran, die beidseits mit einem katalytischen Material beschichtet ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Brennstoffzellenstapel mit mindestens einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle, insbesondere Brennstoffzelle sowie ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle, insbesondere Bren nstoffzel le.The invention relates to an electrochemical cell, in particular a fuel cell, comprising a membrane electrode assembly with a membrane that is coated on both sides with a catalytic material. In addition, the invention relates to a fuel cell stack with at least one electrochemical cell according to the invention, in particular a fuel cell, and a method for producing an electrochemical cell, in particular a fuel cell.

Stand der TechnikState of the art

Die aktuelle Tendenz in der Entwicklung zeigt einen zunehmenden Trend zu alternativen Antrieben für die Mobilität von Morgen. Hierbei spielen neben den batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen auch Brennstoffzellen-Fahrzeuge eine immer größer werdende Rolle.The current trend in development shows an increasing trend towards alternative drives for tomorrow's mobility. In addition to battery-powered electric vehicles, fuel cell vehicles are also playing an increasingly important role.

Mit Hilfe einer elektrochemischen Zelle in Form einer Brennstoffzelle kann unter Verwendung eines Brennstoffs, beispielsweise Wasserstoff, und eines Oxidationsmittels, beispielsweise Sauerstoff, chemische in elektrische Energie gewandelt werden. Die elektrochemische Zelle bzw. Brennstoffzelle weist hierzu eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) mit einer Membran auf, die zur Ausbildung von Elektroden beidseitig mit einem katalytischen Material beschichtet ist. In der Regel wird die beidseits beschichtete Membran zur Randverstärkung zwischen zwei Kunststofffolien einlaminiert. Diese Art der Randverstärkung wird auch „Gasket“ genannt. Großflächige Fenster in den Kunststofffolien stellen sicher, dass die beschichteten Oberflächen der Membran jeweils bis auf einen schmalen umlaufenden Randbereich frei bleiben. Denn über die freibleibenden „aktiven“ Flächen findet im Betrieb der elektrochemischen Zelle bzw. Brennstoffzelle der für die elektrochemische Reaktion erforderliche Protonenaustausch statt. An die derart einlaminierte Membran werden dann beidseits jeweils eine Gasdiffusionslage und ein Metallblech angelegt. Die Gasdiffusionslagen dienen der gleichmäßigen Verteilung der benötigten Reaktionsgase, welche der Brennstoffzelle über Versorgungskanäle zugeführt werden, die wiederum in den Metallblechen ausgebildet sind.With the aid of an electrochemical cell in the form of a fuel cell, chemical energy can be converted into electrical energy using a fuel, for example hydrogen, and an oxidizing agent, for example oxygen. For this purpose, the electrochemical cell or fuel cell has a membrane-electrode assembly (MEA) with a membrane that is coated on both sides with a catalytic material to form electrodes. As a rule, the membrane, which is coated on both sides, is laminated between two plastic films to reinforce the edges. This type of edge reinforcement is also called "gasket". Large windows in the plastic films ensure that the coated surfaces of the membrane remain free except for a narrow peripheral edge area. This is because the proton exchange required for the electrochemical reaction takes place via the “active” surfaces that remain free during operation of the electrochemical cell or fuel cell. A gas diffusion layer and a metal sheet are then placed on both sides of the membrane laminated in this way. The gas diffusion layers are used for the uniform distribution of the required reaction gases, which are supplied to the fuel cell via supply channels, which in turn are formed in the metal sheets.

Der mehrschichtige bzw. mehrlagige Aufbau einer elektrochemischen Zelle bzw. einer Brennstoffzelle macht zwischenliegende Dichtungen erforderlich. Diese können beispielsweise in einem Dispensprozess als Dichtraupe auf eine Schicht oder Lage aufgebracht werden. Die Aufbringung kann dabei im Bereich einer Nut und/oder Sicke erfolgen. Die Nut und/oder Sicke übernimmt dann beim anschließenden Fügen aufgrund einer anfänglichen plastischen Verformung die Elastizität der Dichtung und ermöglicht zugleich einen Toleranzausgleich. Anstelle einzelner Dichtraupen können auch dünne Dichtungsschichten aufgebracht werden. Ferner sind Dichtkonzepte bekannt, bei denen an das Metallblech oder direkt an die Randverstärkung der MEA eine Dichtung aus Flüssig-Silikon (LSR, „Liquid Silicone Rubber“) angespritzt wird.The multi-layer or multi-layer structure of an electrochemical cell or a fuel cell requires intermediate seals. These can be applied to a layer or layer as a sealing bead, for example, in a dispensing process. It can be applied in the area of a groove and/or bead. The groove and/or bead then takes over the elasticity of the seal during the subsequent joining due to an initial plastic deformation and at the same time enables tolerance compensation. Thin sealing layers can also be applied instead of individual sealing beads. Furthermore, sealing concepts are known in which a seal made of liquid silicone (LSR, “Liquid Silicone Rubber”) is injected onto the sheet metal or directly onto the edge reinforcement of the MEA.

Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Aufbau von elektrochemischen Zellen, insbesondere Brennstoffzellen, zu vereinfachen, so dass sie einfacher und kostengünstiger herstellbar sind.Proceeding from the prior art mentioned above, the object of the present invention is to simplify the structure of electrochemical cells, in particular fuel cells, so that they can be produced more easily and more cost-effectively.

Zur Lösung der Aufgabe wird die elektrochemische Zelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus werden ein Brennstoffzellenstapel sowie ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle angegeben.To solve the problem, the electrochemical cell with the features of claim 1 is proposed. Advantageous developments of the invention can be found in the dependent claims. In addition, a fuel cell stack and a method for producing an electrochemical cell are specified.

Die Erfindung bezieht sich auf elektrochemische Zellen im Allgemeinen, so dass sie nicht auf Brennstoffzellen begrenzt ist, sondern beispielsweise auch Elektrolysezellen und Batteriezellen miteinschließt.The invention relates to electrochemical cells in general, so it is not limited to fuel cells, but also includes, for example, electrolytic cells and battery cells.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Die vorgeschlagene elektrochemische Zelle, insbesondere Brennstoffzelle, umfasst eine Membran-Elektroden-Anordnung mit einer Membran, die beidseits mit einem katalytischen Material beschichtet ist. An die Membran-Elektroden-Anordnung ist dabei in zumindest einem Randbereich ein thermoplastisches Elastomermaterial zur Randverstärkung und/oder zur Ausbildung einer Dichtungsgeometrie angespritzt.The proposed electrochemical cell, in particular a fuel cell, includes a membrane-electrode assembly with a membrane that is coated on both sides with a catalytic material. In this case, a thermoplastic elastomer material for edge reinforcement and/or for forming a sealing geometry is injection-molded onto the membrane-electrode assembly in at least one edge region.

Das in zumindest einem Randbereich angespritzte thermoplastische Elastomermaterial, nachfolgend als „TPE“ bezeichnet, kann zur Randverstärkung der MEA eingesetzt werden, so dass ein Gasket zur Randverstärkung entfallen kann. Damit entfällt auch der aufwändige Prozess des Einlaminierens der beschichteten Membran zwischen zwei Kunststofffolien.The thermoplastic elastomer material, referred to below as “TPE”, injected in at least one edge area, can be used for edge reinforcement of the MEA, so that a gasket for edge reinforcement can be omitted. This also eliminates the time-consuming process of laminating the coated membrane between two plastic films.

Alternativ oder ergänzend kann mit Hilfe des angespritzten thermoplastischen Elastomermaterials bzw. des TPEs eine Dichtungsgeometrie ausgebildet werden, die das nachträgliche Aufbringen einer Dichtraupe und/oder einer Dichtungsschicht entbehrlich macht. Die Nachgiebigkeit des TPEs erweist sich in diesem Fall als besonders vorteilhaft.Alternatively or in addition, a sealing geometry can be formed with the aid of the injected thermoplastic elastomer material or the TPE, which makes the subsequent application of a sealing bead and/or a sealing layer unnecessary. The flexibility of the TPE proves to be particularly advantageous in this case.

Darüber hinaus weist TPE Eigenschaften auf, die weitere Vorteile mit sich bringen. Beispielsweise ist der teilkristalline Werkstoff TPE besonders permeationsdicht, insbesondere im Vergleich zu LSR. Auch gegenüber anderen, herkömmlichen Dichtungswerkstoffen ist die Permeation durch den Werkstoff TPE deutlich reduziert. Mit Hilfe des angespritzten TPEs kann demnach eine effektive Medientrennung innerhalb der elektrochemischen Zelle bewirkt werden, so dass durch Permeation hervorgerufene Verluste gering sind.In addition, TPE has properties that bring further advantages. example The semi-crystalline material TPE is particularly impermeable, especially in comparison to LSR. Compared to other, conventional sealing materials, the permeation through the TPE material is also significantly reduced. Effective media separation within the electrochemical cell can therefore be effected with the aid of the injected TPE, so that losses caused by permeation are low.

Des Weiteren ermöglicht die Verwendung von TPE beim An- bzw. Umspritzen niedrige Werkzeugtemperaturen. TPE härtet zudem beim Erkalten in der Form aus, so dass die Prozesszeiten verringert werden können. Damit steigt die Effizienz des Herstellungsprozesses und die Herstellungskosten sinken.Furthermore, the use of TPE enables low mold temperatures during injection molding or overmoulding. TPE also hardens in the mold when it cools down, so that the process times can be reduced. This increases the efficiency of the manufacturing process and reduces manufacturing costs.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Membran-Elektroden-Anordnung umlaufend von dem angespritzten thermoplastischen Elastomermaterial eingefasst. Das Elastomermaterial bildet demnach auf zumindest einer Seite, vorzugsweise auf beiden Seiten, der MEA ein die aktive Fläche freilassendes Fenster aus. Auf diese Weise kann die durch das Elastomermaterial bewirkte Randverstärkung weiter verbessert werden.According to a preferred embodiment of the invention, the membrane-electrode assembly is bordered all around by the injection-molded thermoplastic elastomer material. The elastomeric material accordingly forms a window leaving the active surface free on at least one side, preferably on both sides, of the MEA. In this way, the edge reinforcement caused by the elastomeric material can be further improved.

Ferner bevorzugt bildet das angespritzte thermoplastische Elastomermaterial in zumindest einem Randbereich mindestens eine als Medieneinlass oder Medienauslass dienende Öffnung aus. Derartige Öffnungen werden auch „Ports“ genannt. Bei dem Medium kann es sich insbesondere um ein Reaktionsgas und/oder ein Kühlmedium handeln. Werden eine Vielzahl gleichartiger elektrochemischer Zellen, insbesondere Brennstoffzellen, übereinandergestapelt und zu einem Brennstoffzellenstapel verbunden, bilden die jeweils einander überdeckenden Öffnungen einen Versorgungs- oder Entsorgungskanal für das jeweilige Medium aus.Furthermore, the injection-molded thermoplastic elastomer material preferably forms at least one opening serving as media inlet or media outlet in at least one edge area. Such openings are also called "ports". The medium can in particular be a reaction gas and/or a cooling medium. If a large number of electrochemical cells of the same type, in particular fuel cells, are stacked one on top of the other and connected to form a fuel cell stack, the openings which overlap in each case form a supply or disposal channel for the respective medium.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die mindestens eine Öffnung umlaufend oder bereichsweise von einem Steg oder Wulst aus dem thermoplastischen Elastomermaterial eingefasst ist. Der Steg oder Wulst bildet eine Dichtungsgeometrie aus, über die eine Abdichtung nach außen als auch eine Medientrennung bewirkt werden kann. Zusätzliche Dichtungen können ggf. entfallen, so dass sich der Aufbau der elektrochemischen Zelle vereinfacht. Die aus TPE ausgebildete Dichtungsgeometrie kann aber auch mit einer zusätzlichen Dichtung zusammenwirken. Beispielsweise kann die aus TPE ausgebildete Dichtungsgeometrie zur Stützung einer Dichtung eingesetzt werden. In diesem Zusammenhang kann über die Dichtungsgeometrie ein zusätzlicher Toleranzausgleich geschaffen werden.In a development of the invention, it is proposed that the at least one opening be bordered circumferentially or in certain areas by a web or bead made of the thermoplastic elastomer material. The ridge or bead forms a sealing geometry that can be used to seal to the outside and separate the media. Additional seals can possibly be omitted, so that the structure of the electrochemical cell is simplified. However, the sealing geometry made of TPE can also interact with an additional seal. For example, the sealing geometry formed from TPE can be used to support a seal. In this context, an additional tolerance compensation can be created via the seal geometry.

Das angespritzte TPE bildet vorzugsweise mindestens eine weitere Dichtungsgeometrie in Form eines randseitig umlaufenden Stegs aus, um die elektrochemische Zelle nach außen abzudichten.The injection-molded TPE preferably forms at least one further sealing geometry in the form of a web running around the edge, in order to seal off the electrochemical cell from the outside.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das angespritzte thermoplastische Elastomermaterial eine Gasverteilerstruktur ausbildet. Über die Gasverteilerstruktur kann eine Verteilung des jeweiligen Reaktionsgases in der Fläche erzielt werden. Beispielsweise kann das angespritzte TPE eine Gasverteilerstruktur in Form von Stegen und/oder Noppen aufweisen. Die zwischen den Stegen und/oder Noppen verbleibenden Zwischenräume bilden dann Strömungspfade für das jeweilige Reaktionsgas aus. Über die Stege und/oder Noppen ist zugleich sichergestellt, dass die Strömungspfade nach Aufbringen des notwendigen Kontaktdrucks, das heißt unter Druckbelastung, erhalten bleiben. Denn sie stützen die anliegende nächste Schicht bzw. Lage.Furthermore, it is proposed that the injected thermoplastic elastomer material forms a gas distributor structure. A distribution of the respective reaction gas over the surface can be achieved via the gas distributor structure. For example, the molded TPE can have a gas distribution structure in the form of webs and/or knobs. The intermediate spaces remaining between the webs and/or knobs then form flow paths for the respective reaction gas. At the same time, the webs and/or knobs ensure that the flow paths are maintained after the necessary contact pressure has been applied, ie under pressure. Because they support the next layer or layer.

Üblicherweise bilden die außenliegenden Metallbleche einer elektrochemischen Zelle, insbesondere einer Brennstoffzelle, jeweils eine Gasverteilerstruktur für ein Reaktionsgas aus. Diese wird durch Prägen der Bleche hergestellt. Wird die Funktion der Gasverteilung von dem angespritzten TPE übernommen, kann auf eine entsprechende Prägung der Metallbleche verzichtet werden. Der Herstellungsprozess wird dadurch weiter vereinfacht.Usually, the metal sheets lying on the outside of an electrochemical cell, in particular a fuel cell, each form a gas distributor structure for a reaction gas. This is produced by embossing the metal sheets. If the function of gas distribution is taken over by the molded TPE, there is no need for a corresponding embossing of the metal sheets. This further simplifies the manufacturing process.

Ferner bevorzugt bildet das angespritzte thermoplastische Elastomermaterial eine Kanalstruktur zur Verbindung einer als Einlass oder Auslass für ein Reaktionsgas dienenden Öffnung mit der Gasverteilerstruktur aus. Über die Kanalstruktur kann dann das jeweils benötigte Reaktionsgas aus der Öffnung in die Gasverteilerstruktur eingeleitet werden bzw. umgekehrt, sofern es sich bei der Öffnung um einen Auslass handelt. Öffnungen für andere Medien sind vorzugsweise umlaufend von einem Steg oder Wulst eingefasst, so dass keine Verbindung zur Gasverteilerstruktur besteht und die Medien sicher voneinander getrennt werden.Furthermore, the injection-molded thermoplastic elastomer material preferably forms a channel structure for connecting an opening serving as an inlet or outlet for a reaction gas to the gas distributor structure. The reaction gas required in each case can then be introduced from the opening into the gas distributor structure via the channel structure, or vice versa, provided the opening is an outlet. Openings for other media are preferably surrounded by a web or bead so that there is no connection to the gas distributor structure and the media are safely separated from one another.

Die Kanalstruktur kann mehrere parallel verlaufende Stege aufweisen, die zueinander jeweils beabstandet angeordnet sind, so dass zwischen ihnen die Kanäle ausgebildet werden. Die Stege verlaufen dabei parallel zur Strömungsrichtung des jeweiligen Reaktionsgases. Im Bereich der Kanalstruktur ist ein die Öffnung einfassender Steg oder Wulst unterbrochen, so dass das jeweilige Reaktionsgas aus der Öffnung über die Kanalstruktur in die Gasverteilerstruktur gelangen kann oder umgekehrt, sofern es sich bei der Öffnung nicht um einen Einlass, sondern einen Auslass handelt. Zugleich stellen die Stege sicher, dass nach Aufbringen des notwendigen Kontaktdrucks, das heißt unter Druckbelastung, die Kanäle offenbleiben, da die Stege zugleich eine Stützstruktur ausbilden.The channel structure can have a plurality of webs running parallel, which are each arranged at a distance from one another, so that the channels are formed between them. The webs run parallel to the direction of flow of the respective reaction gas. In the area of the channel structure, a web or bead enclosing the opening is interrupted, so that the respective reaction gas can get from the opening via the channel structure into the gas distributor structure or vice versa, provided the opening is not an inlet but an outlet. At the same time, the webs ensure that after the necessary contact pressure has been applied, i.e. under pressure load, the channels remain open because the webs also form a support structure.

Das angespritzte TPE kann demnach viele verschiedene Funktionen erfüllen, so dass durch Funktionsintegration der Aufbau der elektrochemischen Zelle vereinfacht wird. In der Folge vereinfacht sich auch die Herstellung der elektrochemischen Zelle und die Kosten sinken. Dies wirkt sich bei der Herstellung einer einzelnen elektrochemischen Zelle, aber insbesondere bei der Herstellung in großen Stückzahlen als Vorteil aus.The molded TPE can therefore fulfill many different functions, so that the structure of the electrochemical cell is simplified by functional integration. As a result, the production of the electrochemical cell is also simplified and the costs are reduced. This is an advantage in the manufacture of a single electrochemical cell, but particularly in the case of manufacture in large numbers.

Darüber hinaus wird daher ein Brennstoffzellenstapel vorgeschlagen, der mindestens eine erfindungsgemäße elektrochemische Zelle in Form einer Brennstoffzelle umfasst. Da ein Brennstoffzellenstapel mehrere Hundert Brennstoffzellen umfassen kann, kann bei Verwendung erfindungsgemäßer Brennstoffzellen eine deutliche Kostensenkung erreicht werden.Furthermore, a fuel cell stack is therefore proposed which comprises at least one electrochemical cell according to the invention in the form of a fuel cell. Since a fuel cell stack can include several hundred fuel cells, a significant cost reduction can be achieved when using fuel cells according to the invention.

Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird ferner ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle, insbesondere einer Brennstoffzelle, vorgeschlagen. Bei dem Verfahren wird zur Ausbildung einer Membran-Elektroden-Anordnung eine Membran beidseits mit einem katalytischen Material beschichtet. Zur Randverstärkung und/oder zur Ausbildung einer Dichtungsgeometrie wird an die Membran-Elektroden-Anordnung in zumindest einem Randbereich ein thermoplastisches Elastomermaterial angespritzt.In order to achieve the object mentioned at the outset, a method for producing an electrochemical cell, in particular a fuel cell, is also proposed. In the method, a membrane is coated on both sides with a catalytic material to form a membrane-electrode assembly. A thermoplastic elastomer material is injection molded onto the membrane-electrode assembly in at least one edge area to reinforce the edges and/or to form a sealing geometry.

Mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens kann insbesondere eine erfindungsgemäße elektrochemische Zelle bzw. Brennstoffzelle hergestellt werden, so dass mit dem Verfahren die gleichen zuvor beschriebenen Vorteile erzielbar sind. Insbesondere kann auf das Einlaminieren der beidseits beschichteten Membran zwischen zwei Kunststofffolien zur Ausbildung eines Gaskets verzichtet werden, so dass die nach dem Verfahren hergestellte elektrochemische Zelle einen vereinfachten Aufbau aufweist. Entsprechend sinken die Herstellungskosten. Kostensenkend wirken sich zudem geringe Prozesszeiten beim An- bzw. Umspritzen der MEA mit TPE aus. Darüber hinaus ist eine sichere Medientrennung gewährleistet, da TPE, insbesondere gegenüber LSR, besonders permeationsdicht ist.In particular, an electrochemical cell or fuel cell according to the invention can be produced with the aid of the proposed method, so that the same advantages described above can be achieved with the method. In particular, there is no need to laminate the membrane, which is coated on both sides, between two plastic films to form a gasket, so that the electrochemical cell produced according to the method has a simplified structure. The manufacturing costs decrease accordingly. The short process times when injecting or encapsulating the MEA with TPE also reduce costs. In addition, reliable media separation is guaranteed, since TPE is particularly impermeable, especially compared to LSR.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

  • 1 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle in Form einer Brennstoffzelle (ohne außenliegende Metallbleche) und
  • 2 einen vergrößerten Ausschnitt der 1.
A preferred embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. These show:
  • 1 a perspective view of an electrochemical cell according to the invention in the form of a fuel cell (without external metal sheets) and
  • 2 an enlarged section of the 1 .

Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings

Bei der in der 1 dargestellten elektrochemischen Zelle 1 handelt es sich um eine Brennstoffzelle. Diese weist eine Membran-Elektroden-Anordnung 2 auf, an die ein thermoplastisches Elastomermaterial 5 zur Randverstärkung und zur Ausbildung einer Dichtungsgeometrie 6 angespritzt ist. Die MEA 2 ist dabei umlaufend von dem TPE 5 eingefasst. In Randbereichen 3, 4 bildet das TPE 5 Öffnungen 7 aus, wobei es sich um Medieneinlässe und Medienauslässe handelt, den sogenannten „Ports“. Da zumindest zwei Reaktionsgase und ein Kühlmedium durch die Brennstoffzelle 1 hindurch geleitet werden müssen, um die Versorgung weiterer Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels mit den benötigten Reaktionsgasen und dem Kühlmedium sicherzustellen, sind vorliegend sechs Öffnungen 7 vorgesehen, und zwar in jedem Randbereich 3, 4 drei. Jedoch nur eine Öffnung 7 je Randbereich 3, 4 ist über eine Kanalstruktur 11 mit einer Gasverteilerstruktur 9 verbunden, die ebenfalls aus dem TPE 5 ausgebildet werden.At the in the 1 The electrochemical cell 1 shown is a fuel cell. This has a membrane-electrode assembly 2 onto which a thermoplastic elastomer material 5 is injection molded for edge reinforcement and for forming a sealing geometry 6 . The MEA 2 is surrounded by the TPE 5 all around. In edge areas 3, 4, the TPE forms 5 openings 7, which are media inlets and media outlets, the so-called "ports". Since at least two reaction gases and a cooling medium must be passed through the fuel cell 1 in order to ensure the supply of further fuel cells of a fuel cell stack with the required reaction gases and the cooling medium, six openings 7 are provided here, namely three in each edge area 3, 4. However, only one opening 7 per edge region 3, 4 is connected via a channel structure 11 to a gas distributor structure 9, which is also formed from the TPE 5.

Wie insbesondere der 2 zu entnehmen ist, wird die Kanalstruktur 11 aus mehreren parallel verlaufenden und zueinander beabstandet angeordneten Stegen gebildet, so dass zwischen den Stegen kanalbildende Zwischenräume verbleiben. Die Kanalstruktur 11 unterbricht einen die Öffnung 7 einfassenden Steg 8. Die übrigen im Randbereich 4 angeordneten Öffnungen 7 sind jeweils umlaufend von einem Steg 8 eingefasst, so dass diese keine Verbindung mit der Gasverteilerstruktur 9 aufweisen. Über die Stege 8 wird demnach die notwendige Medientrennung erreicht. Über die Kanalstruktur 11 kann somit lediglich ein Medium, insbesondere ein Reaktionsgas, in die Gasverteilerstruktur 9 gelangen oder umgekehrt aus der Gasverteilerstruktur 9 ausgeleitet werden. Die Gasverteilerstruktur 9 wird vorliegend durch eine Vielzahl von Noppen 10 ausgebildet, die in einem regelmäßigen Raster über die Fläche verteilt angeordnet sind. Die zwischen den Noppen 10 verbleibenden Zwischenräume bilden Strömungskanäle für das jeweilige Reaktionsgas aus.Like that one in particular 2 As can be seen, the channel structure 11 is formed from a plurality of webs which run parallel and are arranged at a distance from one another, so that channel-forming spaces remain between the webs. The channel structure 11 interrupts a ridge 8 enclosing the opening 7 . The other openings 7 arranged in the edge region 4 are each encircled by a ridge 8 so that they are not connected to the gas distributor structure 9 . The necessary media separation is accordingly achieved via the webs 8 . Only one medium, in particular a reaction gas, can thus reach the gas distributor structure 9 via the channel structure 11 or, conversely, be discharged from the gas distributor structure 9 . In the present case, the gas distributor structure 9 is formed by a multiplicity of knobs 10 which are distributed over the surface in a regular grid. The intermediate spaces remaining between the knobs 10 form flow channels for the respective reaction gas.

Die Stege der Kanalstruktur 11, die Stege 8 sowie die Noppen 10 haben ferner jeweils eine Stütz- bzw. Abstandhalterfunktion. Denn sie gewährleisten einen für die Gasverteilung notwendigen Abstand zwischen der MEA und einer hieran anliegenden weiteren Schicht oder Lage, beispielsweise einem außenliegenden Metallblech (nicht dargestellt). Wird der notwendige Kontaktdruck aufgebracht stützt sich das Metallblech über die Kanalstrukturen 11, Stege 8 und Noppen 10 des angespritzten TPE 5 an der MEA 2 ab.The webs of the channel structure 11, the webs 8 and the nubs 10 also each have a support or spacer function. This is because they ensure a distance that is necessary for gas distribution between the MEA and a further layer or layer lying thereon, for example an external sheet metal (not shown). If the necessary contact pressure is applied, the sheet metal is supported on the MEA 2 via the channel structures 11, webs 8 and nubs 10 of the molded TPE 5.

Claims (7)

Elektrochemische Zelle (1), insbesondere Brennstoffzelle, umfassend eine Membran-Elektroden-Anordnung (2) mit einer Membran, die beidseits mit einem katalytischen Material beschichtet ist, wobei an die Membran-Elektroden-Anordnung (2) in zumindest einem Randbereich (3, 4) ein thermoplastisches Elastomermaterial (5) zur Randverstärkung und/oder zur Ausbildung einer Dichtungsgeometrie (6) angespritzt ist.Electrochemical cell (1), in particular a fuel cell, comprising a membrane-electrode assembly (2) with a membrane which is coated on both sides with a catalytic material, the membrane-electrode assembly (2) being attached in at least one edge area (3, 4) a thermoplastic elastomer material (5) for edge reinforcement and/or for forming a sealing geometry (6) is injected. Elektrochemische Zelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran-Elektroden-Anordnung (2) umlaufend von dem angespritzten thermoplastischen Elastomermaterial (5) eingefasst ist.Electrochemical cell (1) after claim 1 , characterized in that the membrane-electrode assembly (2) is surrounded all around by the injection-molded thermoplastic elastomer material (5). Elektrochemische Zelle (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das angespritzte thermoplastische Elastomermaterial (5) in zumindest einem Randbereich mindestens eine als Medieneinlass oder Medienauslass dienende Öffnung (7) ausbildet, die vorzugsweise umlaufend oder bereichsweise von einem Steg (8) oder Wulst aus dem thermoplastischen Elastomermaterial (5) eingefasst ist.Electrochemical cell (1) after claim 1 or 2 , characterized in that the injection-molded thermoplastic elastomer material (5) forms at least one opening (7) serving as media inlet or media outlet in at least one edge region, which is preferably bordered circumferentially or in certain areas by a web (8) or bead made of the thermoplastic elastomer material (5). is. Elektrochemische Zelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das angespritzte thermoplastische Elastomermaterial (5) eine Gasverteilerstruktur (9) ausbildet, beispielsweise in Form von Stegen und/oder Noppen (10).Electrochemical cell (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the injected thermoplastic elastomer material (5) forms a gas distributor structure (9), for example in the form of webs and/or knobs (10). Elektrochemische Zelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das angespritzte thermoplastische Elastomermaterial (5) eine Kanalstruktur (11) zur Verbindung einer Öffnung (7) mit der Gasverteilerstruktur (9) ausbildet.Electrochemical cell (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the injected thermoplastic elastomer material (5) forms a channel structure (11) for connecting an opening (7) to the gas distributor structure (9). Brennstoffzellenstapel, umfassend mindestens eine elektrochemische Zelle (1) in Form einer Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Fuel cell stack comprising at least one electrochemical cell (1) in the form of a fuel cell according to any one of the preceding claims. Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle (1), insbesondere einer Brennstoffzelle, bei dem zur Ausbildung einer Membran-Elektroden-Anordnung (2) eine Membran beidseits mit einem katalytischen Material beschichtet wird und an die Membran-Elektroden-Anordnung (2) in zumindest einem Randbereich (3, 4) ein thermoplastisches Elastomermaterial (5) zur Randverstärkung und/oder zur Ausbildung einer Dichtungsgeometrie (6) angespritzt wird.Method for producing an electrochemical cell (1), in particular a fuel cell, in which a membrane is coated on both sides with a catalytic material to form a membrane-electrode assembly (2) and is attached to the membrane-electrode assembly (2) in at least one A thermoplastic elastomer material (5) is injected onto the edge area (3, 4) to reinforce the edge and/or to form a sealing geometry (6).
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