DE112005002974T5

DE112005002974T5 - Konstruktion, Verfahren und Prozess für eine vereinheitlichte MEA

Info

Publication number: DE112005002974T5
Application number: DE112005002974T
Authority: DE
Inventors: Bhaskar Sompalli; Michael K. Budinski; Brian A. Litteer; Lindsey A. Karpovich
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2004-12-13
Filing date: 2005-10-31
Publication date: 2007-10-25
Anticipated expiration: 2025-11-01
Also published as: JP4871295B2; DE112005002974B4; US20060127738A1; US20070209758A1; WO2006065365A3; CN101116205A; WO2006065365A2; JP2008523574A

Abstract

Anordnung für eine Brennstoffzelle, mit:
einem ionenleitenden Element, das eine Hauptfläche aufweist;
einer Elektrode, die an der Hauptfläche angeordnet ist;
einem elektrisch leitenden Element, das an der Elektrode angeordnet ist; und
einem Klebstoff, der an einem Umfangsrand der Anordnung angeordnet ist, um das elektrisch leitende Element, die Elektrode und das ionenleitende Element zu verkleben.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Membranelektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle und ein Verfahren und einen Prozess zum Herstellen einer Membranelektrodenanordnung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Brennstoffzellen sind als eine Energiequelle für Elektrofahrzeuge und andere Anwendungen entwickelt worden. Eine derartige Brennstoffzelle ist die PEM-(d.h. Protonenaustauschmembran-)Brennstoffzelle, die eine so genannte "Membranelektrodenanordnung" (MEA) mit einem dünnen Festpolymermembranelektrolyt aufweist, der ein Paar Elektroden (d.h. eine Anode und eine Kathode) auf entgegengesetzten Seiten des Membranelektrolyten besitzt. Die MEA ist schichtartig zwischen planaren Gasverteilungselementen angeordnet.
In diesen PEM-Brennstoffzellen besitzen die Elektroden typischerweise eine kleinere Oberfläche im Vergleich zu dem Membranelektrolyt, so dass Ränder des Membranelektrolyten von den Elektroden nach außen vorstehen. An diesen Rändern des Membranelektrolyten sind Dichtungselemente oder Abdichtungen angeordnet, die die Elektroden um den Umfang herum einrahmen. Aufgrund der Beschränkungen bei Herstelltoleranzen sind die Dichtungen, die MEA und die Gasverteilungselemente jedoch nicht angemessen eng ausgerichtet. Aufgrund der Fehlausrichtung dieser Elemente können sich Schäden an den Rändern des Membranelektrolyten entwickeln und die Lebensdauer der Brennstoffzelle verkürzen und die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle verringern.
Überdies beeinträchtigen Zugspannungen auf den Membranelektrolyt, die durch Membranschrumpfung, wenn der Membranelektrolyt zwischen feuchten und trockenen Bedingungen wechselt, und durch eine chemische Zersetzung des Membranelektrolyten aufgrund eines chemischen Angriffs des Elektrolyten in der Membran und den Elektroden durch freie Radikale, die durch Reaktion von Übertrittsgasen (Wasserstoff von der Anode zu der Kathode und Sauerstoff von der Kathode zu der Anode) erzeugt werden, bewirkt werden, ebenfalls die Lebensdauer und die Leistungsfähigkeit einer Brennstoffzelle. Somit ist es erwünscht, eine PEM-Brennstoffzelle zu entwickeln, die die obigen Nachteile beseitigt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist angesichts des obigen Bedarfs entwickelt worden und sieht eine Brennstoffzelle vor, die eine Anordnung aufweist, die ein ionenleitendes Element, eine Elektrode und ein elektrisch leitendes Element besitzt. Die Anordnung weist auch einen Klebstoff auf, der an einem Umfangsrand der Anordnung angeordnet ist und das elektrisch leitende Element, die Elektrode und das ionenleitende Element verklebt wie auch eine mechanische Abstützung vorsieht und die Permeation von Reaktandengas durch das ionenleitende Element hemmt.
Um die obige Brennstoffzelle herzustellen, ist auch ein Verfahren entwickelt worden, das die Schritte umfasst, dass der Klebstoff über einem Rand der Elektrode und einer Umfangsfläche des ionenleitenden Elements aufgebracht wird, so dass ein elektrisch leitendes Element, das an der Elektrode angeordnet ist, mit der Elektrode und der Umfangsfläche des ionenleitenden Elements verbunden werden kann. Das Verfahren umfasst auch, dass vor einem Aufbringen des Klebstoffs Oberflächen der Elektrode, des ionenleitenden Elements und des elektrisch leitenden Elements vorbehandelt werden.
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
1A und 1B Schnittansichten in Explosionsdarstellung einer Membranelektrodenanordnung (MEA) gemäß einem Grundsatz und einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind;
2 eine Schnittansicht einer Membranelektrodenanordnung nach dem Stand der Technik ist;
3 eine Schnittansicht der in den 1A und 1B gezeigten MEA in einer zusammengebauten Form ist;
4 eine Schnittansicht der in 3 gezeigten MEA ist, die zeigt, wie verhindert wird, dass ein Fluss aus kondensierten Gasen einen Membranelektrolyten überquert; und
5 eine Schnittansicht einer MEA gemäß einem Grundsatz und einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
Die 1A und 1B sind Schnittansichten in Explosionsdarstellung einer Membranelektrodenanordnung (MEA) gemäß einem Grundsatz der vorliegenden Erfindung. Wie in den 1A und 1B gezeigt ist, weist die MEA 2 ein ionenleitendes Element 4 auf, das zwischen einer Anodenelektrode 6 und einer Kathodenelektrode 8 angeordnet ist. Die MEA 2 ist ferner zwischen einem Paar elektrisch leitender Elemente 10 und 12 oder Gasdiffusionsmedien 10 und 12 angeordnet. Die Gasdiffusionsmedien 10 und 12 sind durch rahmenförmige Dichtungselemente 14 und 16 um den Umfang herum umgeben. Die Dichtungselemente 14 und 16 und die Diffusionsmedien 10 und 12 können an das ionenleitende Element 4 und/oder die Elektroden 6 und 8 laminiert sein, müssen dies jedoch nicht.
Das ionenleitende Element 4 ist bevorzugt ein Festpolymermembranelektrolyt und bevorzugt eine PEM. Das Element 4 wird hier auch als eine Membran 4 bezeichnet. Bevorzugt besitzt das ionenleitende Element 4 eine Dicke im Bereich von etwa 10 μm – 100 Mikrometer und am bevorzugtesten eine Dicke von etwa 25 Mikrometer. Polymere, die für derartige Membranelektrolyte geeignet sind, sind in der Technik gut bekannt und in den U.S. Patenten Nr. 5,272,017 und 3,134,697 und an anderen Stellen in der Patent- und Nicht-Patentliteratur beschrieben. Es sei jedoch angemerkt, dass die Zusammensetzung des ionenleitenden Elements 4 beliebige der protonenleitenden Polymere, die in der Technik herkömmlich verwendet werden, umfassen kann. Bevorzugt werden perfluorierte Sulfonsäurepolymere, wie NAFION^®, verwendet. Ferner kann das Polymer den ausschließlichen Bestandteil der Membran bilden, mechanisch stützende Fasern eines anderen Materials enthalten oder mit Partikeln durchsetzt sein (beispielsweise mit Silika, Zeolithen oder anderen ähnlichen Partikeln). Alternativ dazu kann das Polymer oder Ionomer in den Poren eines anderen Materials getragen sein.
In der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung ist das ionenleitende Element 4 eine kationenpermeable protonenleitende Membran mit H⁺-Ionen als dem mobilen Ion; das Brennstoffgas ist Wasserstoff (oder Reformat) und das Oxidationsmittel ist Sauerstoff oder Luft. Die Gesamtzellenreaktion ist die Oxidation von Wasserstoff zu Wasser, und die jeweiligen Reaktionen an der Anode und Kathode sind H₂ = 2H⁺ + 2e- (Anode) und 1/2 O₂ + 2H⁺ + 2e- = H₂O (Kathode).
Die Zusammensetzung der Anodenelektrode 6 und der Kathodenelektrode 8 umfasst bevorzugt elektrochemisch aktives Material, das in einem Polymerbinder dispergiert ist, der ähnlich dem ionenleitenden Element 4 ein protonenleitendes Material ist, wie NAFION^®. Das elektrochemisch aktive Material umfasst bevorzugt katalysatorbeschichtete Kohlenstoff- oder Graphitpartikel. Die Anodenelektrode 6 und die Kathodenelektrode 8 umfassen bevorzugt Platin-Ruthenium, Platin oder andere Pt/Übergangsmetalllegierungen als den Katalysator. Obwohl die Anode 6 und die Kathode 8 in den Figuren mit gleicher Größe gezeigt sind, sei angemerkt, dass es nicht außerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegt, dass die Anode 6 und die Kathode 8 verschiedene Größen besitzen (d.h. die Kathode größer als die Anode ist oder umgekehrt). Eine bevorzugte Dicke der Anode 6 und Kathode 8 liegt im Bereich von etwa 2 – 30 μm und am bevorzugtesten bei etwa 10 μm.
Die Gasdiffusionsmedien 10 und 12 und die Dichtungselemente 14 und 16 können beliebige in der Technik bekannte Gasdiffusionsmedien oder Dichtungselemente sein. Bevorzugt sind die Gasdiffusionsmedien 10 und 12 Kohlepapiere, Kohlegewebe oder Kohleschäume mit einer Dicke im Bereich von etwa 50 – 300 μm. Ferner können die Gasdiffusionsmedien 10 und 12 mit verschiedenen Niveaus an Teflon^® oder anderen Fluorkohlenwasserstoffen imprägniert sein, um mehr oder weniger Hydrophobie zu erreichen. Die Dichtungselemente 14 und 16 sind typischerweise elastomerer Natur, können jedoch auch Materialien umfassen, wie Polyester und PTFE. Jedoch können die Dichtungselemente 14 und 16 ein beliebiges Material sein, das zum Abdichten der Membranelektrodenanordnung 2 geeignet ist. Eine bevorzugte Dicke der Dichtungselemente 14 und 16 beträgt etwa 1/2 der Dicke der Gasdiffusionsmedien 10 und 12 bis etwa das 1 1/2-fache der Dicke der Gasdiffusionsmedien 10 und 12.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, die in den 1A und 1B gezeigt ist, ist ein Klebstoff 18, der dazu verwendet wird, die Diffusionsmedien 10 und 12 mit der MEA 2 zu verbinden, an einem Rand 20 oder einer Umfangsfläche 20 des Membranelektrolyten 4 angeordnet, um die Elektroden 6 und 8 und den Membranelektrolyt 4 zu überlappen. Bevorzugt ist der Klebstoff 18 ein Heißschmelzklebstoff, wie Ethylvinylace tat (EVA), Polyamid, Polyolefin oder Polyester. Durch Aufbringen eines Klebstoffs 18 zwischen die Diffusionsmedien 10 und 12 und die Membran 4 (1A) oder zwischen die Elektroden 6 und 8 und die Membran 4 (1B) wird die Haltbarkeit des Membranrandes 20 verbessert. Es sei zu verstehen, dass die Aufbringung eines Heißschmelzklebstoffs 18 lediglich bevorzugt ist, und die vorliegende Erfindung soll nicht darauf beschränkt sein. Insbesondere können andere Klebstoffe 18, wie Silikon, Polyurethan und Fluorelastomere als der Klebstoff 18 verwendet werden. Ferner können auch Elastomersysteme, wie thermoplastische Elastomere, Epoxide, Phenoxyharze, Acryle und drucksensitive Klebstoffsysteme als der Klebstoff 18 verwendet werden. Die Aufbringung des Klebstoffs 18 an der Umfangsfläche 20 des Membranelektrolyten 4 reduziert und homogenisiert die Zugspannungen, die an dem Rand 20 des Membranelektrolyten 4 auftreten, der nicht von den Elektroden 6 und 8 gestützt ist, und verhindert eine chemische Zersetzung des Membranelektrolyten 4.
Insbesondere Bezug nehmend auf 2 ist eine MEA 22 nach dem Stand der Technik gezeigt. Die MEA 22 nach dem Stand der Technik weist Elektroden 24 und 26 mit einer wesentlich kleineren Oberfläche im Vergleich zu dem Membranelektrolyt 28 auf, so dass Ränder 30 des Membranelektrolyten 28 von den Elektroden 24 und 26 nach außen vorragen. An diesen Rändern 30 des Membranelektrolyten 28 liegen Unterdichtungselemente 32 und 34 auf, die angeordnet sind, um die Elektroden 24 und 26 zu umgeben. Die Gasdiffusionsmedien 36 und 38 sitzen auf den Unterdichtungselementen 32 und 34. Dichtungselemente 40 und 42 umgeben die Gasdiffusionsmedien 36 und 38.
Aufgrund der Schwierigkeit bei der Herstellung enger Toleranzen ist ein Spalt 44 zwischen der Elektrode 24 und 26 und den Unterdichtungselementen 32 und 34 vorhanden. Ein derartiger Spalt 44 wirkt als ein Film gelenk, das zulässt, dass sich die Membran 28 biegen kann. Eine derartige Gelenkwirkung führt zu Spannung und Rissen, Schlitzen oder Löchern in den Rändern 30 des Membranelektrolyten 28. Dies führt auch zu Spannung, wenn sich die Kompressionskraft, die auf den Membranelektrolyt 28 wirkt, aufgrund einer solchen Differenz in der Höhe unterscheidet. Wenn beispielsweise die Unterdichtungselemente 32 oder 34 höher als die Elektrode 24 oder 26 sind, werden die Kompressionskräfte auf die Unterdichtungselemente 32 und 34 zu hoch, und wenn das Unterdichtungselement 32 oder 34 kürzer als die Elektrode 24 oder 26 ist, werden die Kompressionskräfte auf die Elektrode 24 oder 26 zu hoch. Somit bewirkt die Anordnung, die im Stand der Technik typisch ist, den kleinen Spalt 44, der zwischen den Unterdichtungselementen 32 und 34 und den Elektroden 24 und 26 ausgebildet ist. Dieser kleine Spalt 44 lässt einen kleinen nicht gestützten Abschnitt des Membranelektrolyten 28 zurück.
Da die Unterdichtungselemente 32 und 34 ferner dicker als die Elektroden 24 und 26 sind, bilden sie eine "Stufe", auf der die Gasdiffusionsmedien 36 und 38 aufliegen. Die Gasdiffusionsmedien 36 und 38 unterstützen eine Verteilung von Reaktandengasen H₂ und O₂ über die Elektroden 24 und 26 und leiten Strom von den Elektroden 24 und 26 an Stege der elektrisch leitenden Bipolarplatten (nicht gezeigt). Somit muss, um eine elektrische Leitfähigkeit zwischen den Gasdiffusionsmedien 36 und 38 und den Elektroden 24 und 26 zu erleichtern, die Membranelektrodenanordnung 22 mit einem hohen Druck komprimiert werden. Dies übt eine große Spannung auf den nicht gestützten Abschnitt des Membranelektrolyten 28 aus, die zur Folge haben kann, dass sich kleine Stiftlöcher oder Risse entwickeln. Die Stiftlöcher werden auch durch die Kohlenstoff- oder Graphitfasern der Diffusionsmedien 36 und 38 bewirkt, die den Membranelektrolyt 28 durchstechen. Dieses Durchstechen der Fasern bewirkt einen Kurzschluss der Brennstoffzelle und erzeugt ein geringeres Zellenpotential.
Nun Bezug nehmend auf 3 ist eine Schnittansicht der Membranelektrodenanordnung 2 gemäß einem Grundsatz der vorliegenden Erfindung in ihrer zusammengebauten Form gezeigt. In 3 kann gesehen werden, dass jedes der Elemente der Membranelektrodenanordnung 2 durch den Klebstoff 18 miteinander verbunden worden ist. Da die Gasdiffusionsmedien 10 und 12 ein poröses Material sind, tritt der Klebstoff 18 in die Poren der Gasdiffusionsmedien 10 und 12 ein, wenn die Elemente der Brennstoffzelle zusammengepresst werden. Bei Verfestigung des Klebstoffs 18 wirkt der Klebstoff 18 als eine Dichtung um die Umfangsfläche 20 des Membranelektrolyten 4, die die Umfangsfläche 20 des Membranelektrolyten 4, die Elektroden 6 und 8 und die Gasdiffusionsmedien 10 und 12 miteinander verbindet. Da der Membranelektrolyt 4, die Elektroden 6 und 8 und die Gasdiffusionsmedien 10 und 12 miteinander verbunden sind, wird ein einheitlicher Aufbau gebildet. Somit sind keine Spalte zwischen jedem der Elemente der Brennstoffzelle vorhanden, und der Membranelektrolyt 4 kann über seine Fläche hinweg gleichförmigen Drücken ausgesetzt werden. Die gleichförmigen Drücke verhindern die Ausübung jeglicher Zugspannungen auf den Membranelektrolyt 4, was das Auftreten von Stiftlöchern und eine Zersetzung des Membranelektrolyten 4 verhindert. Somit wird eine langlebige und robuste Brennstoffzelle mit hoher Leistungsfähigkeit erreicht.
Überdies verhindert der Klebstoff 18 die Diffusion von Wasserstoff und Sauerstoff über den Membranelektrolyt 4 an dem Membranelektrolytrand 20, da der Klebstoff 18 eine Dichtungseigenschaft besitzt. Da der Klebstoff 18 eine Dichtungseigenschaft besitzt, die verhindert, dass die einzelnen Reaktanden (d.h. H₂ und O₂) über die Membran 4 an ihrem Rand 20 diffundieren, wird die chemische Zersetzung des Membranelektrolyten 4 verhindert.
Dies bedeutet, im Normalbetrieb einer Brennstoffzelle kann Wasserstoff- und Sauerstoffgas über den Membranelektrolyt 4 an die Kathode 8 bzw. die Anode 6 hindurchdringen, so dass sich Sauerstoff in der Anwesenheit des Wasserstoffs befindet. Wenn diese Reaktandengase in Kontakt mit dem elektrochemisch aktiven Material der Elektroden 6 und 8 kommen, wird der Sauerstoff reduziert und reagiert mit H⁺-Ionen, die aus der Oxidation des Wasserstoff-Brennstoffgases erzeugt werden. Diese beginnende Nebenreaktion zwischen dem reduzierten Sauerstoff und den H⁺-Ionen erzeugt H₂O₂ wie folgt: O₂ + 2H⁺ + 2e- = H₂O₂ Von dieser Erzeugung von H₂O₂ ist es bekannt, dass sie eine Zersetzung des Membranelektrolyten 4 und somit eine verringerte Brennstoffzellenlebensdauer und -leistungsfähigkeit bewirkt. Ferner ist es allgemein verständlich, dass andere mögliche Mechanismen einer chemischen Zersetzung des Elektrolyten in der Membran und den Elektroden in Abwesenheit eines Gasübertritts durch die Membran 4 gemindert werden können. Wiederum Bezug nehmend auf die in 2 gezeigte Membranelektrodenanordnung nach dem Stand der Technik sind diese Gase anfälliger für ein Durchdringen der Membran 28 an den Rändern der Membran 28 an den so genannten Spalten 44 zwischen den Elementen der Brennstoffzelle, die durch Herstelltoleranzen der Elemente bewirkt werden. Somit kann sich ein kondensierter Fluss 46 der Reaktandengase an einem Gebiet sammeln, das dort positioniert ist, wo die Ränder der Elektroden 24 und 26 auf den nicht gestützten und nicht abgedichteten Membranelektrolyt 28 treffen, der H₂O₂ bilden und den Membranelektrolyt 28 chemisch zerset zen kann. Dies bedeutet, wenn der kondensierte Fluss 46, der sich in diesem Spalt 44 sammelt, mit dem elektrochemisch aktiven Material der Elektroden 24 und 26 in Kontakt tritt, eine Erzeugung von H₂O₂ stattfindet.
Genauer kann, wenn Schmutzstoffe oder Unreinheiten in der Brennstoffzellenumgebung vorhanden sind, wie Metallkationen, die mehrere Oxidationszustände besitzen, das H₂O₂ in der Anwesenheit dieser Metallkationen in ein Peroxidradikal abgebaut werden kann, das das Ionomer der Membran 28 und der Elektroden 24 und 26 angreifen kann. Da eine Neigung besteht, dass sich ein kondensierter Fluss 46 an den Rändern der Membran 28 bildet, sind die Ränder der Membran 28 besonders anfällig für eine Zersetzung.
Nun Bezug nehmend auf 4, in der die Umfangsfläche des Membranelektrolyten 20 durch den Klebstoff 18 gestützt und abgedichtet ist, wird der kondensierte Fluss aus Gasen 46, der sich an der Umfangsfläche 20 der Membran bilden kann, an einer Diffusion über den Membranelektrolyt 4 durch den Klebstoff 18 gehindert. Somit wird der kondensierte Fluss von Gasen 46 an einem Kontakt mit dem elektrochemisch aktiven Bereich der Elektroden 6 und 8 gehindert, was die Erzeugung von H₂O₂ verhindert. Die Zersetzung des Membranelektrolyten 4 an dem Rand 20 des Membranelektrolyten 4 wird daher verhindert.
Nun Bezug nehmend auf 5 wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Wie in 5 gezeigt ist, wird der Klebstoff 18 auf den Rand der MEA 2 aufgebracht, so dass keine Dichtungselemente erforderlich sind. Dies bedeutet, der Klebstoff 18 kann über Spritzguss aufgebracht werden oder als ein Pfropfen oder Einsatz aufgebracht werden, der erhitzt und formgepresst wird, um den gesamten Außenabschnitt der MEA 2 abzudichten. Wenn der Klebstoff 18 als ein Pfropfen aufgebracht wird, der formgepresst wird, nimmt der Klebstoff 18 die Form an, die durch die gestrichelten Linien gezeigt ist. Auf diese Weise werden die Elemente der MEA 2 miteinander verbunden, um einen einheitlichen Aufbau zu bilden, der eine gleichförmige mechanische Abstützung über den gesamten Aufbau der MEA 2 vorsieht, wenn die MEA 2 in der Brennstoffzelle komprimiert wird.
Ein einzigartiger Aspekt der in 5 gezeigten zweiten Ausführungsform sind die vorstehenden Abschnitte 19, die an den Rändern des Klebstoffs 18 ausgebildet sind. Diese knollenförmigen Abschnitte 19 können als Dichtungselemente für die MEA 2 dienen, so dass, wenn die MEA 2 zusammen mit einer Vielzahl der MEA's 2 in einem Brennstoffzellenstapel komprimiert wird, eine weitere mechanische Abstützung an den Rändern der MEA 2 in dem Stapel vorgesehen wird. Dies ist darauf zurückzuführen, da der Klebstoff 18, sogar nachdem er nach dem Formen auf die MEA 2 verfestigt ist, ein biegsames und nachgiebiges Material bleibt.
Es sei zu verstehen, dass die MEA 2 gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zusätzlich zu den oben beschriebenen mechanischen Stützcharakteristiken auch dieselben Dichtungseigenschaften vorsieht, die einen Übertritt der Reaktandengase über die Membran verhindern, wie unter Bezugnahme auf die erste Ausführungsform beschrieben wurde. Dies bedeutet, der Klebstoff 18 reduziert oder verhindert den Übertritt von Wasserstoff und Sauerstoff über die Membran 4, so dass die Erzeugung von H₂O₂ verhindert werden kann. Überdies kann der Klebstoff 18, der durch Spritzgießen oder als ein Pfropfen, der formgepresst wird, aufgebracht wird, auch in die Gasdiffusionsmedien 10 und 12 aufgenommen werden.
Nun wird ein Verfahren zum Herstellen der in den 1A und 1B gezeigten MEA 2 gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Um die Anode 6 und die Kathode 8 der MEA 2 herzustellen, werden mit Katalysator versehene Kohlenstoffpartikel hergestellt und dann mit dem Ionomerbin- der in Lösung mit einem Gusslösemittel kombiniert. Bevorzugt umfassen die Anode 6 und die Kathode 8 1/3 Kohlenstoff oder Graphit, 1/3 Ionomer und 1/3 Katalysator. Bevorzugte Gusslösemittel sind wässriger oder alkoholischer Natur, wobei jedoch auch Lösemittel, wie Dimethylessigsäure (DMAc) oder Trifluoressigsäure (TFA) verwendet werden können.
Die Gusslösung wird auf eine Lage aufgebracht, die zur Verwendung in einem Abziehlagenverfahren geeignet ist, wobei die Lage bevorzugt eine teflonierte Lage ist. Die Lage wird anschließend an das ionenleitende Element 4 (den Membranelektrolyt), wie eine PEM, heißgepresst, um eine katalysatorbeschichtete Membran (CCM) zu bilden. Die Lage wird dann von dem ionenleitenden Element 4 abgezogen, und der katalysatorbeschichtete Kohlenstoff oder Graphit bleibt als eine kontinuierliche Elektrode 6 oder 8 eingebettet, um die MEA 2 zu bilden. Alternativ dazu kann das Gusslösemittel direkt auf das Gasdiffusionsmedium 10 oder 12 aufgebracht werden, um ein katalysatorbeschichtetes Diffusionsmedium (CCDM) zu bilden.
Es sei auch zu verstehen, dass es erwünscht sein kann, eine mikroporöse Schicht 11 und 13 zu haben, die auf den Gasdiffusionsmedien 10 oder 12 ausgebildet ist. Die mikroporöse Schicht 11 und 13, die eine Wassermanagementschicht darstellt, die Wasser weg von der Membran 4 saugt, kann auf dieselbe Weise wie die Elektroden 6 und 8, wie oben beschrieben ist, ausgebildet werden, wobei jedoch die Gusslösung aus Kohlenstoffpartikeln und einer Teflon^®-Lösung besteht.
Um den Klebstoff 18 aufzubringen, kann eine Vielzahl von Verfahren verwendet werden. Dies bedeutet, der Klebstoff 18 kann als ein Film oder als ein Pfropfen aufgebracht werden oder kann auf den Rand 20 des Membranelektrolyten 4, der Elektroden 6 und 8 und der Gasdiffusionsmedien 10 und 12 aufgesprüht werden. Ferner kann, wie oben unter Bezugnahme auf die zweite Ausführungsform beschrieben ist, der Klebstoff auf den Rand der MEA 2 spritzgegossen werden. Nachdem der Klebstoff 18 aufgebracht worden ist, werden die Elemente der MEA 2 verbunden, um einen einheitlichen Aufbau zu bilden, indem der Klebstoff auf einen Schmelzpunkt erhitzt wird, der von dem Materialtyp abhängig ist, das als der Klebstoff verwendet wird, und ein Druck in dem Bereich von etwa 68,9 kN/m² – 137,9 kN/m² (10 – 20 psi) ausgeübt wird. Bevorzugt liegt die Bindetemperatur des Klebstoffs im Bereich von etwa 132°C – 193°C (270 F – 380 F). Eine Verwendung von Temperaturen in diesem Bereich verhindert, dass die empfindlichen Materialien der MEA 2, wie der Membranelektrolyt 4 und die Elektroden 6 und 8, Temperaturen ausgesetzt werden, die eine Zersetzung dieser Materialien bewirken können.
Bei einem einzigartigen Aspekt der Erfindung werden vor einer Aufbringung des Klebstoffs 18 der Membranelektrolyt 4, die Elektroden 6 und 8 und die Gasdiffusionsmedien 10 und 12 einer Vorbehandlung unterzogen. Dies bedeutet, der Membranelektrolyt 4, die Elektroden 6 und 8 und die Gasdiffusionsmedien 10 und 12 werden mit einer Oberflächenbehandlung vorbehandelt, die die Oberflächen dieser Materialien aktiviert. Bevorzugt wird eine Hochfrequenz-Glühentladungsbehandlung verwendet. Zusätzliche Vorbehandlungen, die die Oberflächen dieser Materialien ebenfalls aktivieren können, sind eine Natriumnaphthalat-Ätzbehandlung, eine Lichtbogenentladungsbehandlung, eine Flammenbehandlung, eine Plasmabehandlung, eine UV-Behandlung, eine nasschemische Behandlung, eine Oberflächendiffusionsbehandlung, eine Sputterätzbehandlung, eine Ionenstrahlätzbehandlung, eine HF-Sputterätzbehandlung und die Verwendung einer Grundierung.
In Bezug auf Plasmabehandlungen kann eine Vielzahl von plasmabasierten Techniken verwendet werden, wie plasmabasierte Flammenbehandlung, eine plasmabasierte UV- oder UV/Ozon-Behandlung, eine Entladungsplasmabehandlung bei atmosphärischem Druck und eine Niederdruckplasmabehandlung. Diese Plasmabehandlungen reinigen die Elemente der MEA 2, aktivieren diese chemisch und beschichten sie. Andere Plasmabehandlungen, die verwendet werden können, sind eine Entladungsplasmabehandlung mit dielektrischer Barriere, eine Sputterabscheidungsplasmabehandlung (magnetisch unterstütztes DC- und HF-Plasma), eine Ätzplasmabehandlung (HF- und Mikrowellenplasmas und magnetisch unterstützte HF- und Mikrowellenplasmas), eine Sputterätzplasmabehandlung, eine HF-Sputterätzplasmabehandlung, eine Ionenstrahlätzplasmabehandlung, eine Glühentladungsplasmabehandlung und eine Behandlung mit kapazitiv gekoppeltem Plasma.
Die Verwendung einer Vorbehandlung erhöht die Klebekraft zwischen den Elementen der MEA 2 durch Anregen oder Aktivieren der polymeren Gruppen des Membranelektrolyten 4, der Elektroden 6 und 8 und der Gasdiffusionsmedien 10 und 12. Dies ist vorteilhaft, da Polymere und Kunststoffe Materialien mit niedriger Oberflächenenergie sind und die meisten hochfesten Klebstoffe ihre Oberflächen nicht spontan benetzen. Dies ist auch vorteilhaft, da eine Oberflächenvorbehandlung eine reproduzierbare Oberfläche vorsieht, so dass die Klebstoffwirkungen des Klebstoffs 18 von Produkt zu Produkt konsistent sein können. Somit wird durch Aktivierung der Oberflächen des Membranelektrolyten 4, der Elektroden 6 und 8 und der Gasdiffusionsmedien 10 und 12 die Klebstoffkraft des Klebstoffs 18 erhöht, was in einer erhöhten Dichtungswirkung der MEA 2 resultiert. Ferner sieht die erhöhte Klebstoffkraft zwischen den Elementen der MEA 2 eine robustere MEA 2 vor, was die Beständigkeit gegenüber mechanischen und chemischen Beanspruchungen erhöht.
Dies bedeutet, dass durch Verwendung einer Vorbehandlung die Oberflächenenergie der Elemente so ansteigt, dass sich Radikale an den Enden der Polymergruppen bilden, die den Membranelektrolyt 4, die Elektroden 6 und 8 und die Diffusionsmedien 10 und 12 bilden. Diese Radikale ziehen die Moleküle des Klebstoffs 18 an, wenn der Klebstoff 18 aufgebracht wird, wodurch die Elemente der MEA 2 mit dem Klebstoff 18"verbunden" werden. Ferner sei zu verstehen, dass die obigen Oberflächenbehandlungen die Oberflächenenergie der Elemente der MEA 2 erhöhen, indem chemische Änderungen und physikalische Änderungen in den Polymerelementen der MEA 2 bewirkt werden.
Genauer können die Elemente der MEA 2 durch die obigen Vorbehandlungen durch den Einschluss einer neuen chemischen Art, den Verlust einer chemischen Art, durch Radikalbildung und Wechselwirkung der behandelten Oberflächen der Elemente der MEA 2 mit der Atmosphäre, in der die Vorbehandlung durchgeführt wird, geändert werden. Physikalische Änderungen, die in den Elementen der MEA 2 auftreten können, umfassen Kettenspaltung, die Erzeugung von Bruchstücken mit niedrigem Molekulargewicht, Oberflächenvernetzung, die Umorientierung von Oberflächengruppen und das Ätzen und Entfernen von Oberflächenarten. Es sei jedoch angemerkt, dass die physikalischen Änderungen gewöhnlich die Oberflächenchemie der Elemente der MEA 2 zusätzlich dazu ändern, dass die physikalischen Änderungen vorgesehen werden.
Wenn überdies die Vorbehandlung der Elemente der MEA 2 in einer Atmosphäre ausgeführt wird, die aus Luft mit einem reaktiven Gas besteht, das eine geeignete chemische Art enthält, wie Argon, Stickstoff, Silan oder ein anderes Gas, das Radikale erzeugen kann, und das eingeführt wird, können die Anhaftungseigenschaften zwischen den Elementen weiter erhöht werden. Dies bedeutet, wenn sich die Radikale an den Enden der Polymergruppen bilden, die die Membran 4, die Elektroden 6 und 8 und die Diffusionsmedien 10 und 12 bilden, bilden die chemischen Arten, die in die Atmosphäre eingeführt werden, auch Radikale, die an die Radikale, die an den Enden der Polymergruppen ausgebildet sind, anbinden können. Wenn die Elemente der MEA 2 dann zusammengepresst werden, um einen Kontakt zwischen den Elementen der MEA 2 zu erleichtern, können die chemischen Arten dann miteinander verbunden werden, um die Elemente der MEA 2 eng zu verbinden. Wenn beispielsweise ein stickstoffhaltiges reaktives Gas in die Atmosphäre während der Vorbehandlung eingeführt wird, bilden sich Stickstoffradikale an den Enden der Polymergruppen der Elemente der MEA 2. Wenn die Elemente aneinander gepresst werden, binden die Stickstoffradikale eines Elements an die Stickstoffradikale eines anderen Elements, um Stickstoffbindungen zu bilden, die sehr stark sind.
In dem Fall einer Lichtbogenbehandlung ist es erwünscht, dass die Behandlung in einer Atmosphäre ausgeführt wird, die Luft mit einem eingeführten Stickstoff- oder Argongas enthält. Bezüglich einer Hochfrequenzglühentladungsbehandlung ist es erwünscht, dass die Behandlung in einem Vakuum mit einem reaktiven Gas ausgeführt wird, wie eingeführtem Argon oder Stickstoff. Alternativ dazu kann ein kohlenstoffhaltiges oder anziehendes Gas eingeführt werden, oder es können andere Gase, wie Sauerstoff oder He-O-Mischungen verwendet werden.
Es sei auch so zu verstehen, dass nach einer Ausführung einer Vorbehandlung und vor einem Aneinanderpressen der Elemente der MEA 2 eine Grundierung oder ein Kopplungsmittel auf die Elemente der MEA 2 aufgebracht werden kann. Diesbezüglich kann die Grundierung oder das Kopplungsmittel eine beliebige Grundierung oder ein beliebiges Kopplungsmittel, die/das in der Technik bekannt ist, verwendet werden, sollte jedoch spezifisch für die als die Vorbehandlung verwendete Anwendung gewählt sein.
Die Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur und somit sind Abwandlungen, die nicht von der Grundidee der Erfindung abweichen, als innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung befindlich anzusehen. Derartige Abwandlungen werden nicht als Abweichung von dem Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung betrachtet.
Zusammenfassung
Eine Anordnung für eine Brennstoffzelle umfasst ein ionenleitendes Element, eine Elektrode und ein elektrisch leitendes Element. Die Anordnung umfasst auch einen Klebstoff, der an einem Umfangsrand der Anordnung angeordnet ist und das elektrisch leitende Element, die Elektrode und das ionenleitende Element verklebt wie auch eine mechanische Abstützung vorsieht und die Permeation von Reaktandengas durch das ionenleitende Element hemmt.

Claims

Anordnung für eine Brennstoffzelle, mit: einem ionenleitenden Element, das eine Hauptfläche aufweist; einer Elektrode, die an der Hauptfläche angeordnet ist; einem elektrisch leitenden Element, das an der Elektrode angeordnet ist; und einem Klebstoff, der an einem Umfangsrand der Anordnung angeordnet ist, um das elektrisch leitende Element, die Elektrode und das ionenleitende Element zu verkleben.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei der Klebstoff zumindest einen Heißschmelzklebstoff umfasst, der aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Ethylenvinylacetat (EVA), Polyamid, Polyolefin, Polyester und Mischungen daraus.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei der Klebstoff zumindest einen Klebstoff umfasst, der aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Silikon, Polyurethan, Fluorelastomere, thermoplastische Elastomere, Epoxide, Phenoxyharze, Acryle, drucksensitive Klebstoffe und Mischungen daraus.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei der Klebstoff eine mechanische Abstützung für eine Umfangsfläche des ionenleitenden Elements vorsieht.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei das elektrisch leitende Element ein Gasdiffusionsmedium ist.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei das elektrisch leitende Element eine Vielzahl von Poren umfasst; und der Klebstoff in die Vielzahl von Poren des elektrisch leitenden Elements aufgenommen ist.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei der Klebstoff eine Diffusion von Reaktandengas durch das ionenleitende Element an einer Umfangsfläche des ionenleitenden Elements zumindest hemmt.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei der Klebstoff eine Dichtung zwischen dem elektrisch leitenden Element und dem ionenleitenden Element vorsieht.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Elektrode auf dem ionenleitenden Element ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Elektrode an dem elektrisch leitenden Element ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, ferner mit einer mikroporösen Schicht, die auf dem elektrisch leitenden Element ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 11, wobei die mikroporöse Schicht eine Wassermanagementschicht ist.
Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle, umfassend, dass: ein ionenleitendes Element vorgesehen wird; eine Elektrode an dem ionenleitenden Element vorgesehen wird; ein Klebstoff über einen Rand der Elektrode und einer Umfangsfläche des ionenleitenden Elements aufgebracht wird; ein elektrisch leitendes Element an der Elektrode vorgesehen wird; und das elektrisch leitende Element mit der Elektrode und der Umfangsfläche des ionenleitenden Elements mit dem Klebstoff verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 13, ferner umfassend, dass vor dem Aufbringen des Klebstoffs die Oberflächen der Elektrode, des ionenleitenden Elements und des elektrisch leitenden Elements vorbehandelt werden.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Vorbehandeln der Flächen der Elektrode, des ionenleitenden Elements und des elektrisch leitenden Elements durch zumindest eine Behandlung ausgeführt wird, die aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: eine Hochfrequenzglühentladungsbehandlung, eine Natriumnaphthalatätzbehandlung, eine Lichtbogenentladungsbehandlung und eine Flammenbehandlung.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Vorbehandeln die Oberflächen der Elektrode, des ionenleitenden Elements und des elektrisch leitenden Elements aktiviert.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Klebstoff aus zumindest einem Heißschmelzklebstoff besteht, der aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Ethylenvinylacetat (EVA), Polyamid, Polyolefin, Polyester und Mischungen daraus.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Klebstoff zumindest einen Klebstoff umfasst, der aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Silikon, Polyurethan, Fluorelastomere, thermoplastische Elastomere, Epoxide, Phenoxyharze, Acryle, durcksensitive Klebstoffe und Mischungen daraus.
Verfahren nach Anspruch 14, ferner umfassend, dass nach der Vorbehandlung eine Grundierung oder ein Kopplungsmittel auf die Oberflächen der Elektrode, des ionenleitenden Elements und des elektrisch leitenden Elements aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Klebstoff durch Spritzgießen aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Klebstoff als ein Pfropfen aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Klebstoff durch Sprühen aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Klebstoff als ein Film aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Vorbehandeln der Oberflächen der Elektrode, des ionenleitenden Elements und des elektrisch leitenden Elements durch eine Plasmabehandlung erfolgt, wobei die Plasmabehandlung zumindest eine Behandlung ist, die aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: eine plasmabasierte Flammenbehandlung, eine plasmabasierte UV-Behandlung, eine plasmabasierte UV/Ozon-Behandlung, eine Entladungsplasmabehandlung bei atmosphärischem Druck und eine Niederdruckplasmabehandlung.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Vorbehandeln der Oberflächen der Elektrode, des ionenleitenden Elements und des elektrisch leitenden Elements durch eine Plasmabehandlung erfolgt, wobei die Plasmabehandlung zumindest eine Behandlung ist, die aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: eine Entladungsplasmabehandlung mit dielektrischer Barriere, eine DC-Sputterabscheidungsplasmabehandlung, eine magnetisch unterstützte HF-Sputterabscheidungsplasmabehandlung, eine HF- und Mikrowellenätzplasmabehandlung, eine magnetisch unterstützte HF- und Mikrowellenätzplasmabehandlung, eine Sputterätzplasmabehandlung, eine HF-Sputterätzplasmabehandlung, eine Ionenstrahlätzplasmabehandlung, eine Glühentladungsplasmabehandlung und eine Behandlung mit kapazitiv gekoppeltem Plasma.
Brennstoffzelle, mit: einer ionenleitenden Membran, die eine Hauptfläche aufweist; einer Elektrode, die an der Hauptfläche angeordnet ist; einem elektrisch leitenden Element, das an der Elektrode angeordnet ist; und einem Klebstoff, der an einem Umfangsrand der Brennstoffzelle angeordnet ist, um das elektrisch leitende Element, die Elektrode und das ionenleitende Element zu verkleben; wobei der Klebstoff zumindest einen vorstehenden Abschnitt aufweist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 26, wobei der Klebstoff, der den vorstehenden Abschnitt aufweist, an dem Umfangrand der Brennstoffzelle spritzgegossen ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 26, wobei der vorstehende Abschnitt eine mechanische Abstützung an dem Umfangsrand der Brennstoffzelle vorsieht.
Brennstoffzelle nach Anspruch 26, ferner mit einer mikroporösen Schicht, die an dem elektrisch leitenden Element ausgebildet ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 29, wobei die mikroporöse Schicht eine Wassermanagementschicht ist.
Anordnung nach Anspruch 26, wobei die Elektrode an dem ionenleitenden Element ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 26, wobei die Elektrode an dem elektrisch leitenden Element ausgebildet ist.