DE102022202113A1

DE102022202113A1 - Membrane electrode assembly, electrochemical cell and method of making membrane electrode assemblies

Info

Publication number: DE102022202113A1
Application number: DE102022202113.4A
Authority: DE
Inventors: Peter Stahl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-03-02
Filing date: 2022-03-02
Publication date: 2023-09-07

Abstract

Membranelektrodenanordnung (6) für eine Brennstoffzelle (2), wobei die Membranelektrodenanordnung (6) eine mit einer Anode (7) und einer Kathode (8) beschichtete Membran (5) umfasst. Die Membran (5), die Anode (7) und die Kathode (8) sind von einer Rahmenstruktur (70) eingefasst. Eine Gasdiffusionsschicht (9, 58, 59) ist mittels einer Klebeverbindung (60) mit der Rahmenstruktur (70) verbunden. Die Gasdiffusionsschicht (9, 58, 59) weist ein Substrat (91) und eine mikroporöse Schicht (MPL, 92) auf. Die mikroporöse Schicht (92) wirkt mit der Anode (7) oder der Kathode (8) zusammen. Die Gasdiffusionsschicht (9, 58, 59) weist an den Stellen der Klebeverbindung (60) MPL-freie Bereiche (93) auf.Membrane electrode arrangement (6) for a fuel cell (2), the membrane electrode arrangement (6) comprising a membrane (5) coated with an anode (7) and a cathode (8). The membrane (5), the anode (7) and the cathode (8) are surrounded by a frame structure (70). A gas diffusion layer (9, 58, 59) is connected to the frame structure (70) by means of an adhesive connection (60). The gas diffusion layer (9, 58, 59) has a substrate (91) and a microporous layer (MPL, 92). The microporous layer (92) interacts with the anode (7) or the cathode (8). The gas diffusion layer (9, 58, 59) has MPL-free areas (93) at the points of the adhesive connection (60).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Membranelektrodenanordnung, eine elektrochemische Zelle mit einer derartigen Membranelektrodenanordnung und ein Verfahren zur Herstellung von entsprechenden Membranelektrodenanordnungen. Die Membranelektrodenanordnung weist dabei eine Gasdiffusionsschicht auf.The present invention relates to a membrane electrode arrangement, an electrochemical cell with such a membrane electrode arrangement and a method for producing corresponding membrane electrode arrangements. The membrane electrode arrangement has a gas diffusion layer.

Stand der TechnikState of the art

Brennstoffzelleneinheiten als elektrochemische Zellen wandeln mittels Redoxreaktionen an einer Anode und Kathode kontinuierlich zugeführten Brennstoff und Oxidationsmittel 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.Fuel cell units as electrochemical cells convert continuously supplied fuel and oxidizing agent into electrical energy and water by means of redox reactions at an anode and cathode. Fuel cells are used in a wide variety of stationary and mobile applications, for example in houses without a connection to a power grid or in motor vehicles, in rail transport, in aviation, in space travel and in shipping. In fuel cell units, a large number of fuel cells are arranged one above the other in a stack as a stack.

Bei der Herstellung eines Zellenstapels von elektrochemischen Zelle aus schichtförmigen Komponenten, insbesondere Membranelektrodenanordnungen, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten, werden diese gestapelt zu elektrochemischen Zellen und diese wiederum werden zu dem Zellenstapel gestapelt. Die Membranelektrodenanordnungen umfassen schichtförmige lonenaustauschermembranen mit einer schichtförmigen Anode und einer schichtförmigen Kathode sowie vorzugsweise je einer schichtförmigen Katalysatorschicht auf der Anode und Kathode.When producing a cell stack of electrochemical cells from layered components, in particular membrane electrode arrangements, gas diffusion layers and bipolar plates, these are stacked to form electrochemical cells and these in turn are stacked to form the cell stack. The membrane electrode assemblies comprise layered ion exchange membranes with a layered anode and a layered cathode and preferably one layered catalyst layer each on the anode and cathode.

Die Membranelektrodenanordnungen können von einer Rahmenstruktur eingefasst sein. Aus der EP2517292 B1 ist eine Membranelektrodenanordnung bekannt, in welcher die Rahmenstruktur sowohl anodenseitig als auch kathodenseitig an einer Gasdiffusionsschicht anliegt.The membrane electrode assemblies can be enclosed by a frame structure. From the EP2517292 B1 a membrane electrode arrangement is known in which the frame structure bears against a gas diffusion layer both on the anode side and on the cathode side.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es die Verbindung der Gasdiffusionsschicht zu der Membranelektrodenanordnung bzw. zu der Rahmenstruktur, insbesondere für Handling-Prozesse, zu verbessern.The object of the present invention is to improve the connection of the gas diffusion layer to the membrane electrode arrangement or to the frame structure, in particular for handling processes.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Dazu umfasst die Membranelektrodenanordnung eine mit einer Anode und einer Kathode beschichtete Membran. Die Membran, die Anode und die Kathode sind von einer Rahmenstruktur eingefasst. Eine Gasdiffusionsschicht ist mittels einer Klebeverbindung mit der Rahmenstruktur verbunden. Die Gasdiffusionsschicht weist ein Substrat und eine mikroporöse Schicht auf. Die mikroporöse Schicht wirkt mit der Anode oder der Kathode zusammen. Die Gasdiffusionsschicht weist an der Stelle der Klebeverbindung MPL-freie Bereiche auf.For this purpose, the membrane electrode arrangement comprises a membrane coated with an anode and a cathode. The membrane, the anode and the cathode are surrounded by a frame structure. A gas diffusion layer is bonded to the frame structure by an adhesive bond. The gas diffusion layer has a substrate and a microporous layer. The microporous layer interacts with the anode or the cathode. The gas diffusion layer has MPL-free areas at the point of the adhesive bond.

Anode bezeichnet dabei die anodenseitige Katalysatorschicht einer elektrochemischen Zelle, und Kathode bezeichnet die kathodenseitige Katalysatorschicht. MPL-freie Bereiche bezeichnen Bereiche, in denen die Gasdiffusionsschicht keine mikroporöse Schicht (microporous layer, MPL) aufweist.Anode refers to the anode-side catalyst layer of an electrochemical cell, and cathode refers to the cathode-side catalyst layer. MPL-free areas refer to areas where the gas diffusion layer does not have a microporous layer (MPL).

Damit wirkt die Klebeverbindung direkt mit dem Substrat zusammen und bildet somit eine bessere Adhäsion aus als sie es tun würde, wenn sie mit der mikroporösen Schicht zusammenwirken würde. Insbesondere wird die Klebeverbindung dadurch stärker, wenn die mikroporöse Schicht eine geringere Porosität aufweist als das Substrat; der Klebstoff kann dann leichter in die Poren des Substrats als in die Poren der mikroporösen Schicht eindringen. Die Membranelektrodenanordnung, welche auch zwei Gasdiffusionsschichten umfasst, ist mit einer verbesserten Klebeverbindung besser für Handling-Prozesse, insbesondere zum Stapeln eines Zellenstapels, geeignet.Thus, the adhesive bond interacts directly with the substrate and thus forms better adhesion than it would if it interacted with the microporous layer. In particular, this makes the adhesive bond stronger if the microporous layer has a lower porosity than the substrate; the adhesive can then more easily penetrate into the pores of the substrate than into the pores of the microporous layer. The membrane electrode assembly, which also comprises two gas diffusion layers, is better suited for handling processes, in particular for stacking a cell stack, with an improved adhesive connection.

Die Erfindung umfasst auch eine elektrochemische Zelle mit einer entsprechenden Membranelektrodenanordnung. Die elektrochemische Zelle kann eine Brennstoffzelle, eine Elektrolysezelle oder eine Batteriezelle sein, ist bevorzugt jedoch eine Brennstoffzelle. Besonders bevorzugt ist die elektrochemische Zelle eine PEM-Brennstoffzelle.The invention also includes an electrochemical cell with a corresponding membrane electrode assembly. The electrochemical cell can be a fuel cell, an electrolytic cell or a battery cell, but is preferably a fuel cell. The electrochemical cell is particularly preferably a PEM fuel cell.

In vorteilhaften Ausführungen besteht die Klebeverbindung aus einem Schmelzklebstoff. Der Schmelzklebstoff ist besonders gut als Verbindung zwischen Gasdiffusionsschicht und Rahmenstruktur geeignet, da er gut in die porösen Bereiche der Gasdiffusionsschicht, insbesondere in die porösen Bereiche des Substrats eindringen kann.In advantageous embodiments, the adhesive connection consists of a hot-melt adhesive. The hot-melt adhesive is particularly well suited as a connection between the gas diffusion layer and the frame structure, since it can easily penetrate into the porous areas of the gas diffusion layer, in particular into the porous areas of the substrate.

In bevorzugten Weiterbildungen ist die Klebeverbindung an mehreren Stellen aufgebracht, wobei die Gasdiffusionsschicht an diesen Stellen MPL-freie Bereiche aufweist. Die Gasdiffusionsschicht ist somit an mehreren Bereichen an die Membranelektrodenanordnung geheftet, besonders bevorzugt an sechs, acht oder zehn Bereichen. Dadurch entsteht eine gute Verbindung zwischen Gasdiffusionsschicht und Membranelektrodenanordnung bei gleichzeitig nur geringem Einsatz an Klebstoff für die Klebeverbindung.In preferred developments, the adhesive bond is applied at a number of points, with the gas diffusion layer having MPL-free areas at these points. The gas diffusion layer is thus adhered to the membrane electrode assembly at a plurality of areas, particularly preferably at six, eight or ten areas. This results in a good connection between the gas diffusion layer and the membrane electrode arrangement, while at the same time only a small amount of adhesive is used for the adhesive connection.

Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Herstellen einer Membranelektrodenanordnung gemäß der obigen Ausführungen. Das Verfahren weist dabei folgende Verfahrensschritte auf:

- zur Verfügung stellen einer mit einer Anode und einer Kathode beschichteten Membran, wobei die Membran, die Anode und die Kathode von einer Rahmenstruktur eingefasst sind,
- zur Verfügung stellen einer Gasdiffusionsschicht umfassend ein Substrat und eine mikroporöse Schicht, wobei die Gasdiffusionsschicht zumindest einen MPL-freien Bereich aufweist,
- Verbinden der Gasdiffusionsschicht mit der Rahmenstruktur mittels einer Klebeverbindung an dem MPL-freien Bereich.

The invention also includes a method for producing a membrane electrode assembly according to the above statements. The process has the following process steps:

- providing a membrane coated with an anode and a cathode, the membrane, the anode and the cathode being surrounded by a frame structure,
- providing a gas diffusion layer comprising a substrate and a microporous layer, the gas diffusion layer having at least one MPL-free region,
- Connecting the gas diffusion layer to the frame structure by means of an adhesive connection at the MPL-free area.

Der zumindest eine MPL-freie Bereich kann nun entweder beim Herstellprozess der Gasdiffusionsschicht eingebracht werden, indem die MPL nicht vollflächig auf das Substrat aufgetragen wird, oder in einem nachfolgenden Prozessschritt, bei dem die vollflächig aufgetragene MPL wieder von dem Substrat entfernt wird:

In einer Ausführungsform ist das Verfahren also dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der Gasdiffusionsschicht das Substrat nicht vollflächig mit der mikroporösen Schicht beschichtet wird, so dass zumindest ein MPL-freier Bereich entsteht. Dies kann beispielsweise mit einer entsprechenden Schablonierung beim Aufbringen der MPL auf das Substrat erfolgen.

The at least one MPL-free area can now be introduced either during the production process of the gas diffusion layer by not applying the MPL to the entire surface of the substrate, or in a subsequent process step in which the MPL applied to the entire surface is removed from the substrate again:

In one embodiment, the method is thus characterized in that, in order to produce the gas diffusion layer, the substrate is not coated over the entire surface with the microporous layer, so that at least one MPL-free area is formed. This can be done, for example, with a corresponding stencil when applying the MPL to the substrate.

In einer alternativen Ausführungsform wird an der Gasdiffusionsschicht ein Teil der mikroporösen Schicht entfernt, so dass zumindest ein MPL-freier Bereich entsteht. Bevorzugt wird dabei die mikroporöse Schicht durch einen Laserprozess oder durch mechanische Bearbeitung entfernt. Mechanische Bearbeitungen können beispielsweise Schleifen, Kratzen, Fräsen, Schaben, Saugen, (Sand-)Strahlen oder Wasserstrahlbearbeitung sein.In an alternative embodiment, a part of the microporous layer is removed at the gas diffusion layer, resulting in at least one MPL-free area. The microporous layer is preferably removed by a laser process or by mechanical processing. Mechanical processing can be, for example, grinding, scratching, milling, scraping, vacuuming, (sand) blasting or water jet processing.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

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 einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Membranelektrodenanordnung, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind, sowie ein Herstellverfahren einer solchen Membranelektrodenanordnung,
10 einen Querschnitt einer weiteren erfindungsgemäßen Membranelektrodenanordnung, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,
11 eine Draufsicht auf eine Gasdiffusionsschicht für eine erfindungsgemäße Membranelektrodenanordnung, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.

Exemplary embodiments of the invention are described in more detail below with reference to the attached drawings. It shows:

1 a greatly simplified exploded view of a fuel cell system with components of a fuel cell,
2 a perspective view of part of a fuel cell,
3 a longitudinal section through a fuel cell,
4 a perspective view of a fuel cell unit as a fuel cell stack, ie a fuel cell stack,
5 according to a section through the fuel cell unit 4 ,
6 a perspective view of a membrane electrode assembly without showing a gas diffusion layer of the fuel cell unit in a first embodiment,
7 a perspective view of the membrane electrode assembly without showing the gas diffusion layer of the fuel cell unit in a second embodiment,
8th according to a longitudinal section AA 6 the membrane electrode assembly showing the first and second gas diffusion layers,
9 a cross section of a membrane electrode assembly according to the invention, only the essential areas being shown, and a manufacturing method of such a membrane electrode assembly,
10 a cross section of another membrane electrode arrangement according to the invention, only the essential areas being shown,
11 a plan view of a gas diffusion layer for a membrane electrode assembly according to the invention, with only the essential areas being shown.

In den 1 bis 3 ist der grundlegende Aufbau einer Brennstoffzelle 2 - als Beispiel einer elektrochemischen Zelle - 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.In the 1 until 3 is the basic structure of a fuel cell 2 - shown as an example of an electrochemical cell - as a PEM fuel cell 3 (polymer electrolyte fuel cell 3). The principle of fuel cells 2 is that electrical energy or electrical current is generated by means of an electrochemical reaction. Hydrogen H ₂ is passed as a gaseous fuel to an anode 7 and the anode 7 forms the negative pole. A gaseous oxidizing agent, namely air with oxygen, is fed to a cathode 8, ie the oxygen in the air provides the necessary gaseous oxidizing agent. A reduction (acceptance of electrons) takes place at the cathode 8 . The oxidation as electron release is carried out at the anode 7 .

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

The redox equations of the electrochemical processes are:

Cathode: O ₂ + 4 H ⁺ + 4 e ^- --» 2 H ₂ O
Anode: 2 H ₂ --» 4 H ⁺ + 4 e ^-
Summation reaction equation of cathode and anode: _2H2 + _O2 --» _2H2O

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.The difference between the normal potentials of the pairs of electrodes under standard conditions as a reversible fuel cell voltage or no-load voltage of the unloaded fuel cell 2 is 1.23 V. This theoretical voltage of 1.23 V is not reached in practice. In the idle state and with small currents, voltages of over 1.0 V can be reached and when operating with larger currents, voltages between 0.5 V and 1.0 V are reached. The series connection of several fuel cells 2, in particular a fuel cell unit 1 as a fuel cell stack 1 of several fuel cells 2 arranged one above the other, has a higher voltage, which corresponds to the number of fuel cells 2 multiplied by the individual voltage of each fuel cell 2.

Die Brennstoffzelle 2 umfasst außerdem eine als Protonenaustauschermembran (Proton Exchange Membrane, PEM) ausgeführte lonenaustauschermembran 5, welche zwischen der Anode 7 und der Kathode 8 angeordnet ist. Die Anode 7 und Kathode 8 sind schichtförmig bzw. scheibenförmig ausgebildet. Die lonenaustauschermembran 5 fungiert als Elektrolyt, Katalysatorträger und Separator für die Reaktionsgase. Die lonenaustauschermembran 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, ionenleitende Folien aus perfluorierten und sulfonierten Polymeren eingesetzt. Die als PEM ausgeführte lonenaustauschermembran 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.The fuel cell 2 also includes an ion exchange membrane 5 designed as a proton exchange membrane (PEM), which is arranged between the anode 7 and the cathode 8 . The anode 7 and cathode 8 are in the form of layers or discs. The ion exchange membrane 5 functions as an electrolyte, catalyst support and separator for the reaction gases. The ion exchange membrane 5 also acts as an electrical insulator and prevents an electrical short circuit between the anode 7 and cathode 8. In general, 12 μm to 150 μm thick, ion-conducting films made from perfluorinated and sulfonated polymers are used. The ion exchange membrane 5 designed as a PEM conducts the protons H ⁺ and essentially blocks ions other than protons H ⁺ , so that the charge transport can take place due to the permeability of the PEM 5 for the protons H ⁺ . The PEM 5 is essentially impermeable to the reaction gases oxygen O ₂ and hydrogen H ₂ , ie blocks the flow of oxygen O ₂ and hydrogen H ₂ between a gas space 31 at the anode 7 with fuel hydrogen H ₂ and the gas space 32 at the cathode 8 with air or oxygen O ₂ as the oxidizing agent. The proton conductivity of the PEM 5 increases with increasing temperature and increasing water content.

Auf den beiden Seiten der lonenaustauschermembran 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 lonenaustauschermembran 5 und Anode 7 sowie Kathode 8 wird als Membranelektrodenanordnung 6 (Membran Electrode Assembly, MEA) bezeichnet. Die Elektroden 7, 8 sind mit der lonenaustauschermembran 5 verpresst. Die Elektroden 6, 7 sind bevorzugt 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 besonders bevorzugt 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 besonders bevorzugt analog nanodisperses Platin. Als Bindemittel werden beispielsweise Nation®, eine PTFE-Emulsion oder Polyvinylalkohol eingesetzt.The electrodes 7 , 8 as the anode 7 and cathode 8 lie on the two sides of the ion exchange membrane 5 , each facing towards the gas chambers 31 , 32 . A unit composed of the ion exchange membrane 5 and anode 7 and cathode 8 is referred to as a membrane electrode assembly 6 (membrane electrode assembly, MEA). The electrodes 7 , 8 are pressed with the ion exchange membrane 5 . The electrodes 6, 7 are preferably platinum-containing carbon particles bonded to PTFE (polytetrafluoroethylene), FEP (fluorinated ethylene-propylene copolymer), PFA (perfluoroalkoxy), PVDF (polyvinylidene fluoride) and/or PVA (polyvinyl alcohol) and embedded in microporous carbon fiber , fiberglass or plastic mats are hot-pressed. A catalyst layer 30 is normally applied to each of the electrodes 7, 8 on the side facing the gas chambers 31, 32. FIG. The catalyst layer 30 on the gas space 31 with fuel on the anode 7 particularly preferably comprises nanodisperse platinum-ruthenium on graphitized soot particles which are bonded to a binder. The catalyst layer 30 on the gas space 32 with oxidizing agent on the cathode 8 particularly preferably comprises analogous nanodisperse platinum. For example, Nation®, a PTFE emulsion or polyvinyl alcohol are used as binders.

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 lonenaustauschermembran 5 feucht und leitet den Strom. Die GDL 9 ist beispielsweise aus einem hydrophobierten Kohlepapier und einer gebundenen Kohlepulverschicht aufgebaut.On the anode 7 and the cathode 8 there is a gas diffusion layer 9 (gas diffusion layer, GDL). The gas diffusion layer 9 on the anode 7 distributes the fuel from fuel channels 12 evenly onto the catalyst layer 30 on the anode 7. The gas diffusion layer 9 on the cathode 8 distributes the oxidant from oxidant channels 13 evenly onto the catalyst layer 30 on the cathode 8. The GDL 9 also withdraws reaction water in the reverse direction to the direction of flow of the reaction gases, i. H. in one direction each from the catalyst layer 30 to the channels 12, 13. Furthermore, the GDL 9 keeps the ion exchange membrane 5 moist and conducts the current. The GDL 9, for example, is made up of hydrophobic carbon paper and a bonded layer of carbon powder.

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.A bipolar plate 10 rests on the GDL 9 . The electrically conductive bipolar plate 10 serves as a current collector, for water drainage and for conducting the reaction gases through a channel structure 29 and/or a flow field 29 and for dissipating the waste heat, which occurs in particular during the exothermic electrochemical reaction at the cathode 8 . Channels 14 for the passage of a liquid or gaseous coolant are incorporated into the bipolar plate 10 in order to dissipate the waste heat. The channel structure 29 in the gas space 31 for fuel is formed by channels 12 . The channel structure 29 in the gas space 32 for the oxidizing agent is formed by channels 13 . Metal, conductive plastics and composite materials or graphite, for example, are used as the material for the bipolar plates 10 . The bipolar plate 10 thus comprises the three channel structures 29 formed by the channels 12, 13 and 14 for the separate passage of fuel, oxidizing agent and coolant.

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.In a fuel cell unit 1 and/or a fuel cell stack 1 and/or a fuel cell stack 1, a plurality of fuel cells 2 are arranged stacked in alignment ( 4 and 5 ). In 1 an exploded view of two stacked fuel cells 2 is shown. A seal 11 seals the gas spaces 31, 32 in a fluid-tight manner. In a compressed gas storage 21 ( 1 ) hydrogen H ₂ is stored as a fuel at a pressure of, for example, 350 bar to 700 bar. From the compressed gas reservoir 21, the fuel is passed through a high-pressure line 18 to a pressure reducer 20 to reduce the pressure of the fuel in a medium-pressure line 17 from approximately 10 bar to 20 bar. The fuel is routed to an injector 19 from the medium-pressure line 17 . At the injector 19, the pressure of the fuel is reduced to an injection pressure of between 1 bar and 3 bar. From the injector 19, the fuel is supplied to a supply line 16 for fuel ( 1 ) and from the supply line 16 to the channels 12 for fuel, which form the channel structure 29 for fuel. As a result, the fuel flows through the gas space 31 for the fuel. The gas space 31 for the fuel is formed by the channels 12 and the GDL 9 on the anode 7 . After flowing through the channels 12 , the fuel not consumed in the redox reaction at the anode 7 and any water from controlled humidification of the anode 7 are discharged from the fuel cells 2 through a discharge line 15 .

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.A gas conveying device 22, embodied for example as a fan 23 or a compressor 24, conveys air from the environment as oxidizing agent into a supply line 25 for oxidizing agent. The air is supplied from the supply line 25 to the channels 13 for oxidizing agent, which form a channel structure 29 on the bipolar plates 10 for oxidizing agent, so that the oxidizing agent flows through the gas space 32 for the oxidizing agent. The gas space 32 for the oxidizing agent is formed by the channels 13 and the GDL 9 on the cathode 8 . After the oxidizing agent 32 has flowed through the channels 13 or the gas space 32, the oxidizing agent not consumed at the cathode 8 and the water of reaction formed at the cathode 8 due to the electrochemical redox reaction are discharged from the fuel cells 2 through a discharge line 26. A supply line 27 is used to supply coolant into the channels 14 for coolant and a discharge line 28 is used to discharge the coolant conducted through the channels 14 . The supply and discharge lines 15, 16, 25, 26, 27, 28 are in 1 shown as separate lines for reasons of simplification and are structurally actually at the end area in the vicinity of the channels 12, 13, 14 as aligned fluid openings 42 on sealing layers 41 at the end area of the membrane electrode arrangements 6 ( 6 , 7 and 8th ) educated. Similarly, fluid openings (not shown) are also formed on plate-shaped extensions (not shown) of the bipolar plates 10 and the fluid openings in the plate-shaped extensions of the bipolar plates 10 are aligned with the fluid openings 42 on the sealing layers 41 of the membrane electrode arrangements 6 for the partial formation of the supply and discharge lines 15 , 16, 25, 26, 27, 28. The fuel cell stack 1 together with the compressed gas reservoir 21 and the gas delivery device 22 forms a fuel cell system 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 the fuel cell unit 1 the fuel cells 2 are arranged between two clamping elements 33 as clamping plates 34 . An upper clamping plate 35 lies on top fuel cell 2 and a lower clamping plate 36 lies on bottom fuel cell 2 . The fuel cell unit 1 comprises approximately 200 to 400 fuel cells 2, not all of which are shown in 4 are shown. The clamping elements 33 apply a compressive force to the fuel cells 2, ie the upper clamping plate 35 rests on the uppermost fuel cell 2 with a compressive force and the lower clamping plate 36 rests on the lowermost fuel cell 2 with a compressive force. The fuel cell stack 2 is thus braced in order to ensure tightness for the fuel, the oxidizing agent and the coolant, in particular due to the elastic seal 11, and also to keep the electrical contact resistance within the fuel cell stack 1 as small as possible. To brace the fuel cells 2 with the tensioning elements 33, four connecting devices 39 are designed as bolts 40 on the fuel cell unit 1, which are subjected to tensile stress. The four bolts 40 are firmly connected to the chipboards 34 .

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 lonenaustauschermembran 5 sowie der Anode 7 und der Kathode 8; der Innenbereich 38 entspricht dabei der aktiven Fläche der elektrochemischen Zelle bzw. Brennstoffzelle 2. Die im Wesentlichen rechteckförmige lonenaustauschermembran 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 lonenaustauschermembran 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.In 6 and 7 A perspective view of the membrane electrode assembly 6 of the fuel cell unit 1 is shown. The layered membrane electrode assembly 6 comprises a layered inner region 38 made up of the ion exchange membrane 5 and the anode 7 and the cathode 8; the inner area 38 corresponds to the active surface of the electrochemical cell or fuel cell 2. The essentially rectangular ion exchange membrane 5 is completely enclosed and framed by two layered sealing layers 41 as a first subgasket 53 and a second subgasket 54. The layered ion exchange membrane 5 is arranged in the inner region 38 between the layered anode 7 and layered cathode 8 . The sealing layers 41 and thus the first and second subgasket 53, 54 comprises the materials polyethylene naphthalate (PEN) as a thermoplastic. The layered membrane electrode arrangement 6 spans an imaginary plane 37 ( 3 ) on. In addition, the bipolar plates 10 and gas diffusion layers 9 span fictitious planes 37 which are aligned parallel to one another.

Die lonenaustauschermembran 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 lonenaustauschermembran 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. Das erste Subgasket 53, das zweite Subgasket 54 und die Klebstoffschicht 77 bilden dabei die Rahmenstruktur 70 der Membranelektrodenanordnung 6. Die lonenaustauschermembran 5, die Anode 7 und die Kathode 8 sind also in der Rahmenstruktur 70 eingefasst. Abweichend hiervon kann die lonenaustauschermembran 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 lonenaustauschermembran 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 lonenaustauschermembran 5 einschließlich Anode 7 und Kathode 8 ausgebildet.The ion exchange membrane 5 with anode 7 and cathode 8 is arranged in an edge area between the first and second subgasket 53, 54 as an overlapping area 56. At this overlapping area 56, the edge area of the ion exchange membrane 5 is indirectly connected to the inner sides of the first and second subgaskets 53, 54 by means of an adhesive layer 77 due to the anode 7 and cathode 8. The first subgasket 53, the second subgasket 54 and the adhesive layer 77 form the frame structure 70 of the membrane electrode arrangement 6. The ion exchange membrane 5, the anode 7 and the cathode 8 are therefore enclosed in the frame structure 70. Deviating from this, the ion exchange membrane 5 can also be materially bonded indirectly only to the first subgasket 53 or only to the second subgasket 54 . No ion exchange membrane 5, no anode 7 and no cathode 8 is arranged on a circumferential portion 57 between the first and second subgasket 53, 54, ie the first and second subgasket 53, 54 are directly connected to each other on the portion 57 and are connected to the Adhesive layer 77 cohesively connected to each other. The first and second subgasket 53, 54 each end at an opening 55 on a peripheral edge 43. The edge 43 comprises two longitudinal sides 44 parallel to a longitudinal direction 49 and two broad sides 45 parallel to a transverse direction 50. The first and second subgasket 53, 54 has a peripheral outer edge 46 with two long sides 47 and two broad sides 48. On a fluid opening area 52 of the first and second subgaskets 53, 54 as the partial area 57, there are six fluid openings 42 as supply and discharge lines 15, 16, 25, 26, 27 , 28 for introducing and discharging fuel, oxidizing agent and coolant or cooling fluid into the channels 12, 13, 14. A strip region 51 of the membrane electrode assembly 6 with two strip-shaped, stacked regions of the first and two subgaskets 53, 54 and with the ion exchange membrane 5 including anode 7 and cathode 8 is formed between the two fluid opening regions 52.

Klebeverbindungen 60 dienen zur stoffschlüssigen Verbindung einer ersten Gasdiffusionsschicht 58 mit dem ersten Subgasket 53 und einer zweiten Gasdiffusionsschicht 59 mit dem zweiten Subgasket 54. Die Klebeverbindungen 60 in den 8 bis 10 sind dabei als doppelseitige Klebebänder ausgeführt. Die doppelseitigen Klebebänder sind 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. In vorliegender Erfindung ist die Klebeverbindung 60 jedoch bevorzugt kein doppelseitiges Klebeband, sondern ein Schmelzklebstoff.Adhesive connections 60 are used for the material connection of a first gas diffusion layer 58 with the first subgasket 53 and a second gas diffusion layer 59 with the second subgasket 54. The adhesive connections 60 in the 8th until 10 are designed as double-sided adhesive tapes. The double-sided adhesive tapes are constructed from a flexible connecting tape 61 made of plastic and a first adhesive layer 62 is applied to a first side of the connecting tape 61 and a second adhesive layer 63 is applied to a second side of the connecting tape 61 . The double-sided adhesive tape 60 thus comprises the connecting tape 61 and the two adhesive layers 62, 63. In the present invention, however, the adhesive connection 60 is preferably not a double-sided adhesive tape but a hot-melt adhesive.

Die erste Gasdiffusionsschicht 58 ist mit dem ersten Subgasket 53 durch die Klebeverbindung 60 stoffschlüssig verbunden und die zweiten Gasdiffusionsschicht 59 ist mit dem zweiten Subgasket 54 durch eine bevorzugt analoge Klebeverbindung 60 stoffschlüssig verbunden (8). Die Klebeverbindung 60 zwischen der ersten Gasdiffusionsschicht 58 und dem ersten Subgasket 53 bildet damit eine erste stoffschlüssige Verbindung 64 aus. Und die Klebeverbindung 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 der Klebeverbindung 60 dargestellt. In 6 ist in einem ersten Ausführungsbeispiel die Klebeverbindung 60 vollständig umlaufend und durchgehend im Bereich des Randes der Längsseiten (Klebeverbindung 60 in Längsrichtung 49 ausgerichtet) der ersten Gasdiffusionsschicht 58 und Breiteseiten 78 (Klebeverbindung 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 Klebeverbindungen 60 überlappen oder ohne Überlappung, beispielsweise mit Enden in Gehrung, ausgebildet sein (nicht dargestellt).The first gas diffusion layer 58 is cohesively connected to the first subgasket 53 by the adhesive connection 60 and the second gas diffusion layer 59 is cohesively connected to the second subgasket 54 by a preferably analogous adhesive connection 60 ( 8th ). The adhesive connection 60 between the first gas diffusion layer 58 and the first subgasket 53 thus forms a first material connection 64 . And the adhesive connection 60 between the second gas diffusion layer 59 and the second subgasket 54 thus forms a second material connection 65 . In 6 and 7 Various exemplary embodiments of the formation of the adhesive connection 60 are shown. In 6 In a first exemplary embodiment, the adhesive connection 60 is completely circumferential and continuous in the region of the edge of the long sides (adhesive connection 60 aligned in the longitudinal direction 49) of the first gas diffusion layer 58 and wide sides 78 (adhesive connection 60 aligned in the transverse direction 50) of the first gas diffusion layer 58. At the corner regions between the edges on the longitudinal sides and broad sides 78 of the first gas diffusion layer 58, the adhesive connections 60 can overlap or be formed without overlapping, for example with mitered ends (not shown).

In 7 ist in einem zweiten Ausführungsbeispiel die Klebeverbindung 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 keine Klebeverbindung 60 aufgebracht. In 6 und 7 sind die Ränder der Klebeverbindung 60 strichliert, und die Klebeverbindung 60 zwischen den Rändern ist punktiert dargestellt. Die erste Gasdiffusionsschicht 58 ist in 6 und 7 nicht dargestellt, sondern in 8.In 7 In a second exemplary embodiment, the adhesive connection 60 is continuous in the area of a first longitudinal side and intermittent, ie with interruptions, in the area of a second longitudinal side of the first gas diffusion layer 58 . No adhesive bond 60 is applied in the area of the two broad sides 78 of the first gas diffusion layer 58 . In 6 and 7 the edges of the glue joint 60 are shown in phantom, and the glue joint 60 between the edges is shown in stippled lines. The first gas diffusion layer 58 is in 6 and 7 not shown, but in 8th .

9 zeigt eine erfindungsgemäße Membranelektrodenanordnung 6 in einem Querschnitt, wobei nur die wesentlichen Bereiche zu sehen sind, sowie ein Herstellverfahren einer solchen Membranelektrodenanordnung 6. Die Membranelektrodenanordnung 6 umfasst die lonenaustauschermembran bzw. Membran 5 sowie die Anode 7 und die Kathode 8. Die Membran 5, die Anode 7 und die Kathode 8 sind von der Rahmenstruktur 70 durch die beiden Subgaskets 53, 54 eingefasst. Die lonenaustauschermembran 5 mit Anode 7 und Kathode 8 einerseits und die Rahmenstruktur 70 andererseits überlappen sich in dem Überlappungsbereich 56. 9 shows a membrane electrode assembly 6 according to the invention in a cross section, with only the essential areas being visible, as well as a manufacturing process of such a membrane electrode assembly 6. The membrane electrode assembly 6 comprises the ion exchange membrane or membrane 5 and the anode 7 and the cathode 8. The membrane 5, the The anode 7 and the cathode 8 are surrounded by the frame structure 70 by the two subgaskets 53 , 54 . The ion exchange membrane 5 with anode 7 and cathode 8 on the one hand and the frame structure 70 on the other hand overlap in the overlapping area 56.

In 9 sind auch die Verfahrensschritte zur Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung der Membranelektrodenanordnung 6 mit ersten und zweiten Gasdiffusionsschichten 58, 59 in einem ersten Ausführungsbeispiel dargestellt. Nach dem zur Verfügung stellen der beschichteten lonenaustauschermembran 5 - also der lonenaustauschermembran 5 mit Anode 7 und Kathode 8 - wird diese von der Rahmenstruktur 70 eingefasst, üblicherweise indem die beiden Subgaskets 53, 54 mittels der Klebstoffschicht 77 aufgebracht werden.In 9 the method steps for carrying out a method for producing the membrane electrode arrangement 6 with first and second gas diffusion layers 58, 59 are also shown in a first exemplary embodiment. After providing the coated ion exchange membrane 5 - that is the ion exchange membrane 5 with anode 7 and cathode 8 - this is surrounded by the frame structure 70, usually by the two subgaskets 53, 54 being applied by means of the adhesive layer 77.

Anschließend werden zu beiden Seiten - also anoden- und kathodenseitig - die beiden Klebeverbindungen 60 auf die Rahmenstruktur 70 aufgebracht, bevorzugt auf je ein Subgasket 53, 54 der Rahmenstruktur 70. Diese beiden Klebeverbindungen 60 bestehen bevorzugt aus einem Schmelzklebstoff. Die Klebeverbindungen 60 haben die Aufgabe die Gasdiffusionsschichten 9, 58, 59 mit der Rahmenstruktur 70 bzw. mit der Membranelektrodenanordnung 6 zu verbinden.The two adhesive connections 60 are then applied to the frame structure 70 on both sides, ie the anode and cathode sides, preferably on a respective subgasket 53, 54 of the frame structure 70. These two adhesive connections 60 preferably consist of a hot-melt adhesive. The adhesive connections 60 have the task of connecting the gas diffusion layers 9, 58, 59 to the frame structure 70 or to the membrane electrode arrangement 6.

Vorliegende Erfindung verbessert nun die Wirksamkeit der Klebeverbindung 60. Die Gasdiffusionsschicht 9, 58, 59 besteht aus zwei unterschiedlichen Lagen, einem Substrat 91, üblicherweise ein Vlies oder ein Papier aus Kohlefasern, und einer mikroporösen Schicht 92, bestehend z.B. aus einem Ruß (microporous layer, MPL), die auf das Substrat 91 aufgetragen wird, siehe auch 10. Beide Lagen können mit einem Stoff beschichtet sein, der die Hydrophobizität erhöht, beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE). Der PTFE-Gehalt der beiden Lagen 91, 92 kann sich voneinander unterscheiden. Beispielsweise kann die MPL 92 einen deutlich höheren PTFE-Gehalt als das Substrat 91 aufweisen. Beide Lagen 91, 92 weisen eine hohe Porosität auf. Üblicherweise weist die MPL 92 eine geringere Porosität als das Substrat 91 auf.The present invention now improves the effectiveness of the adhesive connection 60. The gas diffusion layer 9, 58, 59 consists of two different layers, a substrate 91, usually a fleece or paper made of carbon fibers, and a microporous layer 92, consisting, for example, of a carbon black (microporous layer , MPL) applied to the substrate 91, see also 10 . Both layers may be coated with a substance that increases hydrophobicity, such as polytetrafluoroethylene (PTFE). The PTFE content of the two layers 91, 92 can differ from one another. For example, the MPL 92 may have a significantly higher PTFE content than the substrate 91. Both layers 91, 92 have a high porosity. Typically, the MPL 92 has a lower porosity than the substrate 91.

Wesentlich für die genannten Konzepte ist, dass der gewählte Klebstoff der Klebeverbindung 60 die Porosität der Gasdiffusionsschicht 9, 58, 59 ausreichend durchdringt, so dass zwischen Klebstoff und Gasdiffusionsschicht 9, 58, 59 eine formschlüssige Verbindung entsteht. Die Seite der Gasdiffusionsschicht 9, 58, 59, auf der sich die MPL 92 befindet kann sich in Bezug auf die Eigenschaften, die zur Durchdringung mit Klebstoff führen, wesentlich von der Seite auf der sich keine MPL 92 befindet (Substratseite) unterscheiden. Üblicherweise kann auf der Seite der Gasdiffusionsschicht 9, 58, 59, auf der sich keine MPL 92 befindet, deutlich leichter Klebstoff eingebracht werden. Auf der Seite, auf der sich die MPL 92 befindet, kann Klebstoff meist schwerer eingebracht werden. Sofern hier eine Verbindung hauptsächlich zwischen Klebstoff und MPL 92 hergestellt wird, besteht zudem die Gefahr, dass sich Teile der MPL 92 von der Gasdiffusionsschicht 9, 58, 59 lösen, und somit die Positionierung der Gasdiffusionsschicht 9, 58, 59 für den Montageprozess nicht mehr gewährleistet ist.It is essential for the concepts mentioned that the selected adhesive of the adhesive connection 60 penetrates the porosity of the gas diffusion layer 9, 58, 59 sufficiently so that a form-fitting connection is created between the adhesive and the gas diffusion layer 9, 58, 59. The side of the gas diffusion layer 9, 58, 59 on which the MPL 92 is located can differ significantly from the side on which there is no MPL 92 (substrate side) with regard to the properties that lead to penetration with adhesive. Significantly lighter adhesive can usually be applied to the side of the gas diffusion layer 9, 58, 59 on which there is no MPL 92. On the side where the MPL 92 is located, it is usually more difficult to apply adhesive. If a connection is made here mainly between the adhesive and the MPL 92, there is also the risk that parts of the MPL 92 will detach from the gas diffusion layer 9, 58, 59, and thus the positioning of the gas diffusion layer 9, 58, 59 for the assembly process is no longer possible is guaranteed.

Gemäß der Erfindung wird die MPL 92 der Gasdiffusionsschicht 9, 58, 59 bereichsweise entfernt, bevor sie in einem nachfolgenden Prozessschritt (vergleiche 9) mit Hilfe eines Klebstoffes auf die Membranelektrodenanordnung 6 bzw. die Rahmenstruktur 70 aufgebracht wird. Diese MPL-freien Bereiche 93 befinden sich im Wesentlichen dort, wo später der Klebstoff bzw. die Klebeverbindung 60 die Gasdiffusionsschicht 9, 58, 59 durchdringt, also vor allem am äußeren Umfang der Gasdiffusionsschicht 9, 58, 59. Die MPL-freien Bereiche 93 können sich bis an die Außenkante der Gasdiffusionsschicht 9, 58, 59 erstrecken, können sich jedoch auch auf den inneren Bereich begrenzen, so dass sich am äußeren Umfang der Gasdiffusionsschicht 9, 58, 59 noch MPL 92 auf dem Substrat 91 befindet.According to the invention, the MPL 92 of the gas diffusion layer 9, 58, 59 is removed in regions before it is removed in a subsequent process step (cf 9 ) is applied to the membrane electrode assembly 6 or the frame structure 70 with the aid of an adhesive. These MPL-free areas 93 are essentially located where the adhesive or the adhesive bond 60 later penetrates the gas diffusion layer 9, 58, 59, i.e. above all on the outer circumference of the gas diffusion layer 9, 58, 59. The MPL-free areas 93 can extend to the outer edge of the gas diffusion layer 9, 58, 59, but can also be limited to the inner area, so that there is still MPL 92 on the substrate 91 at the outer circumference of the gas diffusion layer 9, 58, 59.

Die MPL-freien Bereiche 93 der Gasdiffusionsschicht 9, 58, 59 liegen bevorzugt in Bereichen, in denen die Gasdiffusionsschicht 9, 58, keinen direkten Kontakt mit der Anode 7 bzw. Kathode 8 aufweist, sondern in Bereichen in denen die Gasdiffusionsschicht 9, 58, 59 Kontakt mit der Rahmenstruktur 70 hat. Im nachfolgenden Klebeprozess wird dann Klebstoff in den Bereichen auf das die Rahmenstruktur 70 aufgebracht, in denen später die MPL-freien Bereiche 93 der Gasdiffusionsschicht 9, 58, 59 liegt. Die MPL 92 kann dazu im Herstellungsprozess der Gasdiffusionsschicht 9, 58, 59 über eine Schablonierung im MPL-Beschichtungsprozess in definierten Bereichen ausgespart werden. Die MPL 92 kann jedoch auch durch einen der GDL-Herstellung nachgelagerten Prozess bereichsweise entfernt werden, beispielsweis durch einen Laserprozess, durch mechanische Bearbeitung (Schleifen, Kratzen, Fräsen, Schaben, Saugen, (Sand-)Strahlen, Wasserstrahlbearbeitung, ...), etc.The MPL-free areas 93 of the gas diffusion layer 9, 58, 59 are preferably in areas in which the gas diffusion layer 9, 58 has no direct contact with the anode 7 or cathode 8, but in areas in which the gas diffusion layer 9, 58, 59 contact with the frame structure 70 has. In the subsequent gluing process, adhesive is then applied to the frame structure 70 in the areas in which the MPL-free areas 93 of the gas diffusion layer 9, 58, 59 will later be located. For this purpose, the MPL 92 can be cut out in defined areas in the production process of the gas diffusion layer 9, 58, 59 by means of a stencil in the MPL coating process. However, the MPL 92 can also be removed in some areas by a process downstream of the GDL production, for example by a laser process, by mechanical processing (grinding, scratching, milling, scraping, suction, (sand) blasting, water jet processing, ...), Etc.

11 zeigt eine Draufsicht auf eine Gasdiffusionsschicht 9, 58, 59, welche ein Substrat 91 und eine darauf aufgebrachte MPL 92 umfasst, auf die Seite der MPL 92. Die Gasdiffusionsschicht 9, 58, 59 ist an ihrem äußeren Umfang an mehreren Stellen, z.B. 6, 8 oder 10 Stellen, von MPL-Material ausgespart, weist also entsprechend MPL-freie Bereiche 93 auf. 11 shows a top view of a gas diffusion layer 9, 58, 59, which comprises a substrate 91 and an MPL 92 applied thereto, on the MPL 92 side. 8 or 10 places left out by MPL material, that is to say has corresponding MPL-free areas 93 .

Im nachfolgenden Prozessschritt zur Herstellung der Membranelektrodenanordnung 6 wird auf die Einheit aus beschichteter Membran 5 und Rahmenstruktur 70 der Klebstoff bzw. die Klebeverbindung 60, bevorzugt als Schmelzklebstoff, aufgebracht, und zwar in den Bereichen in denen später die MPL-freien Bereiche 93 der Gasdiffusionsschicht 9, 58, 59 liegen. Die Gasdiffusionsschicht 9, 58, 59 wird dann auf die Einheit aus beschichteter Membran 5 und Rahmenstruktur 70 aufgelegt und mit Hilfe eines mechanischen Stempels bzw. auch mehrerer Stempel auf die Rahmenstruktur 70 gepresst. Der Klebstoff kann die Bereiche der Gasdiffusionsschicht 9, 58, 59, auf denen sich keine MPL 92 befindet, leicht durchdringen, eine stoff- und materialschlüssige Klebeverbindung 60 zwischen Gasdiffusionsschicht 9, 58, 59 und Rahmenstruktur 70 zur Herstellung der sogenannten 7-Lagen-Membranelektrodenanordnung 6 wird hergestellt. Die MPL-freien Bereiche 93 auf dem Substrat 91 können sich auch, anders als in 11 gezeigt, nicht bis zu den Außenkanten der Gasdiffusionsschicht 9, 58, 59 erstrecken.In the subsequent process step for producing the membrane electrode arrangement 6, the adhesive or the adhesive connection 60, preferably as a hot-melt adhesive, is applied to the unit consisting of the coated membrane 5 and the frame structure 70, specifically in the areas in which the MPL-free areas 93 of the gas diffusion layer 9 will later be applied , 58, 59 lie. The gas diffusion layer 9, 58, 59 is then placed on the unit of coated membrane 5 and frame structure 70 and pressed onto the frame structure 70 with the aid of a mechanical stamp or also a plurality of stamps. The adhesive can easily penetrate the areas of the gas diffusion layer 9, 58, 59 on which there is no MPL 92, a materially and materially bonded adhesive connection 60 between the gas diffusion layer 9, 58, 59 and the frame structure 70 to produce the so-called 7-layer membrane electrode arrangement 6 is made. The MPL-free areas 93 on the substrate 91 can also, unlike in 11 shown, do not extend to the outer edges of the gas diffusion layer 9, 58, 59.

In vorteilhaften Ausführungen erstrecken sich die MPL-freien Bereiche 93 bis zum Außenrand der Gasdiffusionsschicht 9, 58, 59. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn die Klebeverbindung 60 ebenfalls so angeordnet ist, dass sie den Außenrand der Gasdiffusionsschicht 9, 58, 59 berührt. In alternativen Ausführungen können die MPL-freien Bereiche 93 jedoch auch nur innerhalb der Gasdiffusionsschicht 9, 58, 59 liegen.In advantageous embodiments, the MPL-free areas 93 extend to the outer edge of the gas diffusion layer 9, 58, 59. This can be particularly advantageous if the adhesive connection 60 is also arranged in such a way that it touches the outer edge of the gas diffusion layer 9, 58, 59 . In alternative embodiments, however, the MPL-free areas 93 can also only lie within the gas diffusion layer 9, 58, 59.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

EP 2517292 B1 [0004]

Claims

Membrane electrode assembly (6) for a fuel cell (2), the membrane electrode assembly (6) having an anode (7) and a cathode (8) coated membrane (5), wherein the membrane (5), the anode (7) and the cathode (8) are enclosed by a frame structure (70), a gas diffusion layer (9, 58, 59) being connected to the frame structure (70) by means of an adhesive bond (60), the gas diffusion layer (9, 58, 59) being Substrate (91) and a microporous layer (MPL, 92), the microporous layer (92) interacting with the anode (7) or the cathode (8), characterized in that the gas diffusion layer (9, 58, 59) on the location of the adhesive connection (60) has at least one MPL-free area (93).

Membrane electrode assembly (6) after claim 1 characterized in that the adhesive connection (60) consists of a hot-melt adhesive.

Membrane electrode assembly (6) after claim 1 or 2 characterized in that the adhesive bond (60) is applied at several points and in that the gas diffusion layer (9, 58, 59) has MPL-free areas (93) at these points.

Membrane electrode assembly (6) according to one of Claims 1 until 3 characterized in that the microporous layer (92) has a lower porosity than the substrate (91).

Membrane electrode assembly (6) according to one of Claims 1 until 4 characterized in that the at least one MPL-free region (93) extends to the outer edge of the gas diffusion layer (9, 58, 59).

Electrochemical cell, in particular fuel cell (2), with a membrane electrode arrangement (6) according to one of Claims 1 until 5 .

Method for producing a membrane electrode assembly (6) according to one of Claims 1 until 5 characterized by the following process steps: - providing a membrane (5) coated with an anode (7) and a cathode (8), the membrane (5), the anode (7) and the cathode (8) being supported by a frame structure ( 70) are enclosed, - providing a gas diffusion layer (9, 58, 59) comprising a substrate (91) and a microporous layer (MPL, 92), the gas diffusion layer (9, 58, 59) having at least one MPL-free region (93), - connecting the gas diffusion layer (9, 58, 59) to the frame structure (70) by means of an adhesive connection (60) at the MPL-free area (93).

procedure after claim 7 characterized in that to produce the gas diffusion layer (9, 58, 59), the substrate (91) is not coated over the entire surface with the microporous layer (92), so that at least one MPL-free area (93) is created.

procedure after claim 7 characterized in that part of the microporous layer (92) is removed on the gas diffusion layer (9, 58, 59), so that at least one MPL-free area (93) is produced.

procedure after claim 9 characterized in that the microporous layer (92) is removed by a laser process or by mechanical processing.