-
Die vorgestellte Erfindung betrifft eine Membran-Elektrodeneinheit, ein Herstellungsverfahren für eine Membran-Elektrodeneinheit, eine Brennstoffzelle und ein Brennstoffzellensystem gemäß den beigefügten Ansprüchen.
-
Stand der Technik
-
Brennstoffzellen sind nach dem Stand der Technik aufgebaut aus einer katalysatorbeschichteten Membran (catalyst coated membrane, CCM), wobei die Beschichtung vollflächig auf die Membran aufgetragen ist,
-
Im Randbereich der CCM wird ein Verstärkungsrahmen bzw. eine Randdichtung (subgasket) auf die CCM aufgebracht, wobei die Randdichtung aus einer oder zwei Einzellagen, jeweils in Form eines umlaufenden Rahmens, bestehen kann.
-
Bei einer zweiteiligen Randdichtung wird je eine Einzeldichtung auf eine Seite der CCM aufgebracht und mittels von auf die zueinander gerichteten Flächen der Einzellagen aufgebrachtem Klebstoff laminiert.
-
Zwischen einer jeweiligen Randdichtung und der CCM entsteht dabei ein Überlappungsbereich, der wenige 0,1 mm bis einige Millimeter breit sein kann.
-
Der innere Rand der rahmenförmigen Einzellagen der Randdichtung definiert dabei jeweils für Anoden- und Kathodenseite die Größe des aktiven Bereiches.
-
Die Größe des aktiven Bereiches kann nominell unterschiedlich zwischen Anoden- und Kathodenseite sein. Die aktiven Bereiche können auch nominell gleich groß sein, jedoch durch Fertigungs- und Montagetoleranzen unterschiedlich groß ausfallen.
-
Zu beiden Seiten eines Verbundes aus Randdichtung und CCM wird je eine Gasdiffusionslage (gas diffusion layer, GDL) aufgebracht, die den inneren Rand der Randdichtung bzw. der Einzellage überlappt.
-
Aufgrund der verschiedenen Dicken des Zusammenbaus aus CCM, Randdichtung und GDLs (membrane electrode assembly, MEA) können entsprechende Bipolarplatten (bipolar plate, BPP), zwischen denen je eine Membran-Elektrodeneinheit (MEA) eingebaut und verpresst wird, verschiedene Höhen aufweisen. Die Dicke der BPP im Überlappbereich von GDL, Randdichtung und CCM kann so eingestellt werden, dass der Verpressdruck in diesem Bereich etwas erhöht ist im Vergleich zum Verpressdruck im restlichen aktiven Bereich, sodass insbesondere eine Laminierung von CCM und Randdichtung zusätzlich gesichert und vor Ablösung geschützt ist.
-
Die GDL weist eine sehr gute, die Randdichtung hingegen sehr geringe elektrische und thermische Leitfähigkeit auf.
-
Im voranstehend beschriebenen Aufbau entsteht im Randbereich der aktiven Fläche eine Zone, in der der Anpressdruck zwischen GDL und CCM reduziert ist, da die BPP lokal weniger dick ausgeführt wird und die BPPs zu beiden Seiten einer Membran-Elektrodeneinheit (MEA) in lateraler Richtung durch Toleranzen im Fertigungs- und Montageprozess versetzt zueinander ausgerichtet vorliegen können, sodass die GDL einen Absatz zwischen CCM und Randdichtung überwinden muss, der der Dicke der Randdichtung entspricht. In diesem Bereich ist sowohl die elektrische als auch die thermische Anbindung der CCM deutlich schlechter als im restlichen aktiven Bereich. Außerdem ist in diesem Bereich die mechanische Verpressung der CCM reduziert, wodurch es insbesondere bei Temperatur- oder Feuchteänderungen und einem daraus resultierenden Schrumpfen und Schwellen der CCM, bedingt durch Wasseraufnahme des lonomers, zu hohen Zugbelastungen der CCM an den „Einspannstellen“ kommen kann.
-
Im Überlappbereich zwischen CCM und der Randdichtung werden die anoden- und kathodenseitige Katalysatorschicht jeweils von einer Einzellage der Randdichtung abgedeckt.
-
Da die Randdichtung üblicherweise aus einem isolierenden Material, wie bspw. PET oder PEN besteht, werden die Katalysatorschichten in diesem Bereich ebenfalls schlechter elektrisch und thermisch kontaktiert.
-
Insbesondere durch die schlechte thermische Anbindung der Katalysatorschichten in den beschriebenen Bereichen, kann dort im Betrieb der Brennstoffzelle eine erhöhte Temperatur auftreten, wodurch eine Schädigung oder beschleunigte Alterung einsetzen kann.
-
Wenn die inneren Ränder der jeweiligen Einzellagen der Randdichtung nominell oder durch Toleranzen versetzt zueinander angeordnet sind, können Bereiche in der CCM entstehen, in denen auf einer Seite eine Reaktion stattfindet und auf der Gegenseite die Katalysatorschicht durch eine Lage Randdichtung verdeckt ist. In diesen Bereichen können Stromdichten auftreten wie im aktiven Bereich einer Zelle. Es finden dadurch auch in der von einer Randdichtung verdeckten Katalysatorschicht Reaktionen statt, in denen Abwärme entsteht. Diese Wärme kann aufgrund der schlechten thermischen Anbindung des Bereichs schlecht abgeführt werden und es entsteht ein Bereich erhöhter Temperatur sowie erhöhte Degradation und thermische Schädigung.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden eine Membran-Elektrodeneinheit (MEA), ein Herstellungsverfahren für eine Membran-Elektrodeneinheit, eine Brennstoffzelle und ein Brennstoffzellensystem vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Membran-Elektrodeneinheit bzw. dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren oder der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
-
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorgestellten Erfindung, ein robustes Brennstoffzellensystem bereitzustellen und insbesondere ein Schädigungspotential durch thermische und mechanische Degradation zu minimieren.
-
Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung eine Membran-Elektrodeneinheit (MEA) für eine Brennstoffzelle vorgestellt.
-
Die Membran-Elektrodeneinheit umfasst eine Randdichtung, eine Membran und eine Gasdiffusionsschicht, wobei die Membran einen in Längsrichtung der Membran-Elektrodeneinheit über die Gasdiffusionsschicht überstehenden Überstand umfasst und wobei die Randdichtung sich zumindest bereichsweise entlang einer von der Membran abgewandten Seite der Gasdiffusionsschicht und entlang des Überstands der Membran in einen die Membran in ihrer Querrichtung überlagernden Endbereich erstreckt.
-
Unter einer Querrichtung ist im Kontext der vorgestellten Erfindung eine Richtung parallel zu einer kurzen Außenkante der Membran bzw. eine vertikale Richtung zu verstehen.
-
Unter einer Längsrichtung ist im Kontext der vorgestellten Erfindung eine Richtung längs bzw. parallel zu einer zu einer langen Außenkante der Membran bzw. eine horizontale Richtung zu verstehen.
-
Unter einer Randdichtung ist im Kontext der vorgestellten Erfindung eine Dichtung im Bereich eines Randes einer Membran-Elektrodeneinheit, insbesondere eine sogenannte „Subgasket“ zu verstehen. Die Randdichtung kann aus einzelnen Lagen oder aus Teillagen bzw. einer Vielzahl Einzellagen bzw. Teillagen bestehen.
-
Unter einer Membran ist im Kontext der vorgestellten Erfindung insbesondere eine Polymerelektrolytmembran (PEM) -Membran zu verstehen. Die Membran ist zumindest bereichsweise auf zwei gegenüberliegenden Seiten mit Katalysatormaterial beschichtet und bildet dadurch zumindest bereichsweise eine CCM.
-
Der erfindungsgemäße Aufbau der Membran-Elektrodeneinheit basiert auf einer außen um die Membran-Elektrodeneinheit verlaufenden Randdichtung. Insbesondere bildet die Randdichtung eine Kröpfung um einen Aufbau aus einer Anzahl Gasdiffusionsschichten und einer Membran bzw. einer CCM. Dabei kann die Randdichtung insbesondere aus zwei Einzellagen bestehen, die gemeinsam sowohl die Membran als auch die Gasdiffusionsschichten auf beiden Seiten der Membran umschließen.
-
Insbesondere ermöglicht der erfindungsgemäße Aufbau der Membran-Elektrodeneinheit eine versetzt zueinander angeordnete Ausbildung jeweiliger Gasdiffusionsschichten. Dabei können die Katalysatorschichten optional nicht bis zur äußeren Kante der Membran bzw. CCM ausgeführt sein, sodass die Gasdiffusionsschicht auf Anoden- bzw. Kathodenseite über die jeweilige Katalysatorschicht auf dieser Seite hinausragt.
-
Durch den erfindungsgemäßen Aufbau der Membran-Elektrodeneinheit kann die Membran mechanisch vorteilhaft in eine Brennstoffzelle bzw. einen Brennstoffzellenstapel integriert werden, da ein Bereich bereitgestellt werden kann, in dem Abstützelemente einer Bipolarplatte eingreifen, sodass ein mechanischer Formschluss und eine entsprechend homogene Druckverteilung in der Membran-Elektrodeneinheit entstehen.
-
Ferner wird durch den erfindungsgemäßen Aufbau der Membran-Elektrodeneinheit die thermische Anbindung der Katalysatorschichten deutlich verbessert, insbesondere, wenn diese nicht bis zur Außenkante der Membran bzw. CCM ausgeführt werden und die Gasdiffusionsschichten jeweils über die jeweilige Katalysatorschicht hinausragen.
-
Ferner wird durch den erfindungsgemäßen Aufbau der Membran-Elektrodeneinheit ermöglicht, dass jeweils eine Gasdiffusionsschicht mit einer Einzellage der Randdichtung vorab Zusammengebaut bzw. vorassembliert werden kann, sodass die Membran bzw. CCM in einem Herstellungsprozess der Membran-Elektrodeneinheit auf einen relativ steifen Kontaktpartner aufgebracht wird.
-
Ferner wird durch den erfindungsgemäßen Aufbau der Membran-Elektrodeneinheit eine vereinfachte Form der Klebung einer jeweiligen Gasdiffusionsschicht an die Membran erreicht, da eine Klebestelle zwischen Randdichtung und Gasdiffusionsschicht auf der Substratseite der Gasdiffusionsschicht liegt.
-
Es kann vorgesehen sein, dass die Membran-Elektrodeneinheit eine anodenseitige Gasdiffusionsschicht und eine kathodenseitige Gasdiffusionsschicht umfasst, wobei die Membran zumindest bereichsweise anodenseitig mit einer Anodenkatalysatorschicht und zumindest bereichsweise kathodenseitig mit einer Kathodenkatalysatorschicht beschichtet ist, und wobei die Randdichtung eine anodenseitige Teillage und eine kathodenseitige Teillage umfasst, wobei die anodenseitige Teillage sich zumindest bereichsweise entlang einer von der Membran abgewandten Seite der anodenseitigen Gasdiffusionsschicht und entlang des Überstands der Membran in den die Membran in ihrer Querrichtung überlagernden Endbereich erstreckt, und wobei die kathodenseitige Teillage sich zumindest bereichsweise entlang einer von der Membran abgewandten Seite der kathodenseitigen Gasdiffusionsschicht und entlang des Überstands der Membran in den die Membran in ihrer Querrichtung überlagernden Endbereich erstreckt, sodass die anodenseitige Teillage und die kathodenseitige Teillage sich in dem Endbereich berühren.
-
Eine Membran-Elektrodeneinheit mit zwei Einzellagen bzw. Teillagen, die sich um die Membran und die Gasdiffusionsschichten herum erstrecken und sich in einem Kröpfungsbereich kontaktieren, verbessert die thermische Anbindung der jeweiligen Katalysatorschichten, insbesondere, wenn diese nicht bis zur Außenkante der Membran bzw. CCM ausgeführt werden, indem ein vollflächiger Kontakt zwischen jeweiliger Gasdiffusionsschicht und der Membran bzw. einer jeweiligen Katalysatorschicht ermöglicht wird.
-
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Kathodenkatalysatorschicht sich in ihrer Länge in Längsrichtung der Membran-Elektrodeneinheit von einer Länge der Anodenkatalysatorschicht unterscheidet, wobei insbesondere die Anodenkatalysatorschicht länger ist als die Kathodenkatalysatorschicht.
-
Bei unterschiedlich langen Katalysatorschichten bedingt der erfindungsgemäße Aufbau der Membran-Elektrodeneinheit eine besonders vorteilhafte thermische Anbindung der Katalysatorschichten, sodass eine thermische Degradation der Membran-Elektrodeneinheit minimiert wird.
-
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die anodenseitige Gasdiffusionsschicht sich in ihrer Länge in Längsrichtung der Membran-Elektrodeneinheit von einer Länge der kathodenseitigen Gasdiffusionsschicht in Längsrichtung der Membran-Elektrodeneinheit unterscheidet.
-
Bei unterschiedlich langen Gasdiffusionsschichten bedingt der erfindungsgemäße Aufbau der Membran-Elektrodeneinheit eine besonders vorteilhafte mechanische Anbindung der Gasdiffusionsschichten an eine jeweilige Bipolarplatte, indem ein Bereich bereitgestellt wird, in den Abstützelemente der Bipolarplatte eingreifen können, sodass ein auf die Membran-Elektrodeneinheit wirkender Druck in der Membran-Elektrodeneinheit vergleichmäßigt bzw. verteilt und eine mechanische Degradation der Membran-Elektrodeneinheit minimiert wird. Entsprechend entsteht durch die Abstützelemente ein mechanischer Formschluss zwischen der Bipolarplatte und der Membran-Elektrodeneinheit.
-
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass ein Abstand zwischen einer, insbesondere einer Außenkante der Gasdiffusionsschicht zugewandten Seite der Randdichtung und der Gasdiffusionsschicht zumindest bereichsweise in seinem Verlauf variiert.
-
Durch Bereiche, in denen ein Abstand zwischen einer der Gasdiffusionsschicht zugewandten Seite der Randdichtung und der Gasdiffusionsschicht zumindest bereichsweise in seinem Verlauf variiert, bilden sich Bereiche zwischen der Gasdiffusionsschicht und der Randdichtung aus, in denen keine Randdichtung bzw. eine schmale Randdichtung liegt, sodass in den Bereichen Platz für andere Elemente, wie bspw. auf einer BPP ausgebildete Abstützungen ist. Entsprechend kann die BPP sich auf der Membran-Elektrodeneinheit abstützen und einen auf die Membran-Elektrodeneinheit wirkenden Druck gleichmäßig auf die Membran-Elektrodeneinheit verteilen, sodass eine mechanische Degradation der Membran-Elektrodeneinheit minimiert wird.
-
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Randdichtung die Gasdiffusionsschicht zumindest an einer Endseite der Gasdiffusionsschicht direkt berührt oder von der Endseite beabstandet ist.
-
Eine Berührung bzw. ein Formschluss von Randdichtung und Gasdiffusionsschicht im Bereich der Endseite der Gasdiffusionsschicht kann erreicht werden, indem die Randdichtung im Bereich ihrer Kröpfung und die Gasdiffusionsschicht so aufeinander abgestimmt werden, dass eine „Presspassung“ entsteht, also der Randbereich beim Einfügen der Gasdiffusionsschicht in eine Einzellage der Randdichtung elastisch oder plastisch verformt wird.
-
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Herstellungsverfahren zum Herstellen einer möglichen Ausgestaltung der vorgestellten Membran-Elektrodeneinheit.
-
Das vorgestellte Herstellungsverfahren umfasst das Anordnen einer Gasdiffusionsschicht auf einer Membran derart, dass die Membran einen in Längsrichtung der Membran-Elektrodeneinheit über die Gasdiffusionsschicht überstehenden Überstand umfasst.
-
Ferner umfasst das vorgestellte Herstellungsverfahren das Anordnen einer Randdichtung an der Gasdiffusionsschicht derart, dass die Randdichtung sich zumindest bereichsweise entlang einer von der Membran abgewandten Seite der Gasdiffusionsschicht und entlang des Überstands der Membran in einen die Membran in ihrer Querrichtung überlagernden Endbereich erstreckt.
-
Es kann vorgesehen sein, dass die Gasdiffusionsschicht in einem vorgelagerten Gasdiffusionsschichtenherstellungsprozess hergestellt wird, und anschließend an der Membran angeordnet wird, und die Randdichtung in einem vorgelagerten Randdichtungsherstellungsprozess hergestellt wird und anschließend an der Gasdiffusionsschicht und der Membran angeordnet wird.
-
Ein vorgelagerter Randdichtungsherstellungsprozess, bei dem eine Randdichtung auf einer vorgefertigten Gasdiffusionsschicht auf einer Membran aufgebracht wird, ermöglicht eine Ausgestaltung einer besonders steifen Randdichtung, da diese nicht eingepresst werden muss.
-
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Randdichtung in einem vorgelagerten Verbindungsschritt an der Gasdiffusionsschicht angeordnet und anschließend ein Element aus Randdichtung und Gasdiffusionsschicht an der Membran angeordnet wird.
-
Durch eine Anordnung der Randdichtung auf einer vorgefertigten Gasdiffusionsschicht und einer Membran wird die Randdichtung auf einen steifen Fügepartner aufgebracht und, dadurch bedingt, vor einer Verformung im weiteren Herstellungsprozess geschützt.
-
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Randdichtung auf einer der Membran abgewandten Seite mit der Gasdiffusionsschicht verklebt wird.
-
Ein Verkleben der Randdichtung mit einer Gasdiffusionsschicht ermöglicht ein Fixieren der Randdichtung, bis eine jeweilige Katalysatorschicht auf der Membran aufgebracht ist und die Randdichtung, die Gasdiffusionsschicht und die Membran verpresst bzw. laminiert werden können.
-
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der die Membran in ihrer Querrichtung überlagernde Endbereich der Randdichtung durch plastisches Umformen hergestellt wird, wobei eine Stelle einer höchsten Materialdehnung beim Umformen der Randdichtung dicker ausgeführt ist als im Rest der Randdichtung.
-
Durch eine Ausgestaltung der Randdichtung, die an einer Stelle einer höchsten Materialdehnung beim Umformen der Randdichtung dicker ausgeführt ist als im Rest der Randdichtung, kann eine nach dem Umformen gleichmäßige Materialstärke bzw. Dicke der Randdichtung erreicht werden.
-
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Randdichtung im Bereich einer aktiven Fläche einer entsprechenden Brennstoffzelle ausgeschnitten wird.
-
Ein Ausschneiden der Randdichtung um den Bereich der aktiven Fläche, ermöglicht einen Austausch von Betriebsmedien durch die Membran-Elektrodeneinheit im Betrieb eines entsprechenden Brennstoffzellensystems. Durch einen Schneidvorgang kann die Randdichtung exakt auf eine vorgegebene Größe gekürzt werden.
-
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Membran-Elektrodeneinheit in einem Laminierungsprozess hergestellt wird, wobei folgende Komponenten in der folgenden Reihenfolge in ein Laminierungswerkzeug eingelegt werden:
- a) erste Randdichtungseinzellage,
- b) erste Gasdiffusionsschicht,
- c) katalysatorbeschichtete Membran,
- d) zweite Gasdiffusionsschicht,
- e) zweite Randdichtungseinzellage, und
wobei die Komponenten in einem Schritt durch Laminieren verbunden werden.
-
Ein Laminierungsvorgang hat sich als kosteneffizienter Vorgang zum Herstellen der vorgestellten Membran-Elektrodeneinheit erwiesen.
-
Beim Prozess des Laminierens könnte gleichzeitig eine bzw. beide Randdichtungseinzellage bzw. Randdichtungseinzellagen an die Form der entsprechenden Gasdiffusionsschicht angepasst bzw. umgeformt werden.
-
Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung eine Brennstoffzelle für ein Brennstoffzellensystem.
-
Die vorgestellte Brennstoffzelle umfasst eine mögliche Ausgestaltung der vorgestellten Membran-Elektrodeneinheit und mindestens eine Bipolarplatte, wobei die mindestens eine Bipolarplatte Abstützelemente umfasst, die die mindestens eine Bipolarplatte an der Membran-Elektrodeneinheit in Bereichen abstützen, in denen keine Gasdiffusionsschicht zwischen der Membran und der mindestens einen Bipolarplatte vorliegt.
-
Aufgrund der erfindungsgemäßen Abstützelemente an der Bipolarplatte der vorgestellten Brennstoffzelle verteilt sich ein auf die Brennstoffzelle ausgeübter Druck besonders gleichmäßig in der Membran-Elektrodeneinheit der Brennstoffzelle, sodass mechanische Degradation in der Membran-Elektrodeneinheit bzw. der Brennstoffzelle minimiert wird.
-
Gemäß einem vierten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Brennstoffzellensystem, das eine Anzahl von möglichen Ausgestaltungen der vorgestellten Brennstoffzelle umfasst.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
-
Es zeigen:
- 1 eine erste Ausgestaltung der vorgestellten Membran-Elektrodeneinheit (M EA),
- 2 eine zweite Ausgestaltung der vorgestellten Membran-Elektrodeneinheit,
- 3 eine Detaildarstellung einer möglichen Ausgestaltung der vorgestellten Membran-Elektrodeneinheit,
- 4 eine mögliche Ausgestaltung der vorgestellten Brennstoffzelle,
- 5 eine dritte Ausgestaltung der vorgestellten Membran-Elektrodeneinheit,
- 6 eine weitere mögliche Ausgestaltung der vorgestellten Brennstoffzelle,
- 7 eine Vielzahl möglicher Ausgestaltungen der erfindungsgemäß vorgesehenen Randdichtung,
- 8 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Herstellungsverfahrens,
- 9 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems.
-
In 1 ist eine Membran-Elektrodeneinheit 100 dargestellt. Die Membran-Elektrodeneinheit 100 umfasst eine Membran 101, die vorliegend mit einer anodenseitigen Katalysatorschicht 103 und einer kathodenseitigen Katalysatorschicht 105 beschichtet ist und entsprechend eine sogenannte „catalyst coated membrane (CCM)“ bildet.
-
Die Membran bzw. die CCM 101 ist anodenseitig von einer Anodengasdiffusionsschicht 107 und kathodenseitig von einer Kathodengasdiffusionsschicht 109 umgeben. Dabei steht die Membran 101 längsseitig gegenüber der Anodengasdiffusionsschicht 107 und der Kathodengasdiffusionsschicht 109 über und bildet entsprechend einen Überstand 111 aus.
-
Um die Anodengasdiffusionsschicht 107, die Kathodengasdiffusionsschicht 109 und den Überstand 111 erstreckt sich eine Randdichtung 113, die eine anodenseitige erste Teillage 115 und eine kathodenseitige zweite Teillage 117 umfasst.
-
Die Randdichtung 113 hat lediglich im Bereich des Überstands 111 direkten Kontakt mit der Membran bzw. der CCM 101.
-
Durch den Aufbau der Membran-Elektrodeneinheit 100 wird die Membran 101 mechanisch vorteilhaft integriert, da ein Bereich, in dem die CCM nicht oder mit reduziertem Druck verpresst wird auf ein Minimum reduziert wird. Ferner wird die thermische Anbindung der Katalysatorschichten gegenüber bekannten Membran-Elektrodeneinheiten insbesondere durch den direkten Kontakt zwischen Randdichtung 113 und Membran bzw. CCM 101 deutlich verbessert.
-
Ferner sind in 1 die Anodengasdiffusionsschicht 107 und die Kathodengasdiffusionsschicht 109 an ihren Rändern 119, 121 räumlich beabstandet von der ersten Teillage 115 bzw. der zweiten Teillage 117.
-
In 2 ist die Anodengasdiffusionsschicht 107 gegenüber der Kathodengasdiffusionsschicht 109 in Längsrichtung kürzer ausgeprägt, sodass ein besonders langer Bereich 201 entsteht, in dem die anodenseitige Katalysatorschicht 103 mit der Randdichtung 113 in direktem Kontakt steht.
-
Der Bereich 201 kann für eine Anordnung von Abstützelementen einer Bipolarplatte verwendet werden, um in einem Brennstoffzellenstapel bereitgestellte mechanische Drücke gleichmäßig in der Membran-Elektrodeneinheit 100 und dem Brennstoffzellenstapel zu verteilen.
-
Ferner stehen in 2 die Anodengasdiffusionsschicht 107 und die Kathodengasdiffusionsschicht 109 an ihren Rändern 119, 121 in direktem Kontakt zu der ersten Teillage 115 bzw. der zweiten Teillage 117. Dies wird bspw. durch eine elastische oder plastische Verformung der Randdichtung 113 beim Anordnen an der Anodengasdiffusionsschicht 107 bzw. der Kathodengasdiffusionsschicht 109 erreicht.
-
In 3 ist ein Randbereich zwischen der Membran bzw. CCM 101 und der Anodengasdiffusionsschicht 107 dargestellt. Hier ist erkennbar, dass der Abstand zwischen Außenkante der Anodengasdiffusionsschicht 107 und einer Innenkante der Randdichtung 113 in seinem Verlauf variiert, sodass Bereiche 301 entstehen. Zwischen den Bereichen 301 ist die Randdichtung kürzer ausgeführt und somit Platz für bspw. Abstützelemente auf der Bipolarplatte. In 4 ist eine Brennstoffzelle 400 dargestellt. Die Brennstoffzelle 400 umfasst eine Membran-Elektrodeneinheit 100 und eine Bipolarplatte 401 bzw. jeweilige Hälften einer Bipolarplatte 401.
-
Die Bipolarplatte 401 umfasst Abstützungen 403, die sich auf der Randdichtung 113 abstützen, sodass ein auf die Brennstoffzelle 400 wirkender Druck gleichmäßig auf die Membran-Elektrodeneinheit 100 verteilt und mechanische Degradation minimiert wird.
-
Ferner sind die anodenseitige Katalysatorschicht 103 und die kathodenseitige Katalysatorschicht 105 in Längsrichtung der Membran-Elektrodeneinheit 100 unterschiedlich lang ausgeprägt, wodurch zum einen der Bereich zur Aufnahme des Abstützelements 403 bereitgestellt und zum anderen eine elektrochemische Schädigung der Membran-Elektrodeneinheit 100 minimiert wird.
-
In 5 ist ein Adhäsiv bzw. Klebstoff 501 in einen Bereich zwischen der Anodengasdiffusionsschicht 107 bzw. der Kathodengasdiffusionsschicht 109 und einer Innenkante der Randdichtung 113 eingebracht.
-
In 6 ist die Randdichtung 113 als Einzellage ausgestaltet. Dabei kann ein Kontaktbereich zwischen der Membran 101 und der Randdichtung 113 mit einer Abstützung 403 einer Bipolarplatte 401 verpresst werden, sodass eine Dichtheit zwischen Randdichtung 113 und Membran bzw. CCM 101 gewährleistet ist.
-
In 7 ist ein Umformungsprozess der Randdichtung 113 dargestellt. Eine Verdickung 701 in einem Zustand a) ermöglicht ein Umformen in einen Zustand b) und schließlich in einen Zustand c), bei dem in Zustand c) die Randdichtung im Wesentlichen in ihrem Verlauf gleich dick ist bzw. minimal variiert.
-
In 8 ist ein Brennstoffzellensystem 800 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 800 umfasst eine Vielzahl Brennstoffzellen 400.
-
In 9 ist ein Herstellungsverfahren 900 zum Herstellen einer Membran-Elektrodeneinheit 100 gemäß 1 dargestellt.
-
Das Herstellungsverfahren 900 umfasst einen ersten Anordnungsschritt 901, bei dem eine Gasdiffusionsschicht auf einer Membran derart angeordnet wird, dass die Membran einen in Längsrichtung der Membran-Elektrodeneinheit über die Gasdiffusionsschicht überstehenden Überstand umfasst.
-
Ferner umfasst das Herstellungsverfahren 900 einen zweiten Anordnungsschritt 903, bei dem eine Randdichtung an der Gasdiffusionsschicht derart angeordnet wird, dass die Randdichtung sich zumindest bereichsweise entlang einer von der Membran abgewandten Seite der Gasdiffusionsschicht und entlang des Überstands der Membran in einen die Membran in ihrer Querrichtung überlagernden Endbereich erstreckt.
