DE19926027A1 - Membran-Elektroden-Einheit mit integriertem Dichtrand - Google Patents
Membran-Elektroden-Einheit mit integriertem DichtrandInfo
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Abstract
Bei einer für eine Brennstoffzelle oder dgl. vorgesehenen Membran-Elektroden-Einheit (1), die eine beidseitig mit Elektroden beschichtete Polymerelektroytmembran umfaßt, besteht der am Außenumfang ausgebildete Dichtrand (2) aus einem Schmelzkleber, dessen Kohlenwasserstoffgerüst in regelmäßigen Abständen ionische oder stark polare Gruppen trägt, die mit den ionischen Gruppen des Membranmaterials in eine Oberflächenwechselwirkung treten und somit für eine gute Haftwirkung des Schmelzklebers an der Polymerelektrolytmembran sorgen. Ein über den Außenrand der Membran-Elektroden-Einheit hinausragender Teil des Dichtrandes bildet einen einstückigen homogenen Randbereich (2a), der mit Durchbrüchen für die Montage und Medienführung versehen ist und die Dichtwirkung der Membran-Elektrodeneinheit weiter verbessert sowie zu deren Stabilität beiträgt.
Description
Die Erfindung betrifft eine Membran-Elektroden-Einheit
mit integriertem Dichtrand für elektrochemische Zellen,
die aus einer Polymerelektrolytmembran und diese beidsei
tig bedeckenden Elektroden sowie einem am Umfangsrand
aufgetragenen thermoplastischen Dichtungsmittel besteht.
Aus der DE 197 03 214 ist bereits eine Membran-
Elektroden-Einheit der eingangs erwähnten Art bekannt,
bei der der Dichtrand die Elektroden in dem betreffenden
Randbereich durchdringt und an der Polymerelektrolytmem
bran haftet. Als Dichtmittel wird ein thermoplastischer
oder aushärtbarer Kunststoff verwendet, der in der flüs
sigen Phase durch Kapillarwirkung über die Poren in den
Elektroden zur Polymerelektrolytmembran gelangen und an
dieser haften soll, um so eine sichere Abdichtung zu be
wirken. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die be
kannten ionenleitenden Polymerelektrolytmembranen, die an
das Polymergerüst angehängte ionische Gruppen aufweisen,
eine sehr geringe Oberflächenenergie haben. Sie lassen
sich daher nur schwer an andere Materialien binden, so
daß die Haft- und Dichtwirkung eingeschränkt ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den
Dichtrand für eine Membran-Elektroden-Einheit so auszu
bilden, daß eine hohe Dichtwirkung an der Polymerelektro
lytmembran und an den Durchbrüchen für die Medienführung
erreicht wird und gleichzeitig die Handhabung der Mem
bran-Elektroden-Einheit bei der Montage erleichtert wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Membran-
Elekroden-Einheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1
in der Weise gelöst, daß der Dichtrand aus einer beidsei
tig aufgetragenen Schmelzkleberschicht besteht, die sich
über die Außenkante der Membran-Elektroden-Einheit hinaus
erstreckt und dort einen einstückigen überstehenden Teil
bereich bildet, wobei der Schmelzkleber ionische oder
stark polare Gruppen zur Erzeugung einer Oberflächenwech
selwirkung mit den ionischen Gruppen der Polymerelektro
lytmembran und damit einer guten Haftwirkung enthält.
Es wird somit eine Membran-Elektroden-Einheit mit einem
verhältnismäßig stabilen, an dem Membranmaterial gut haf
tenden Dichtrand zur Verfügung gestellt, der aufgrund
seiner versteifenden Wirkung auch eine einfache Handha
bung bei der Montage gewährleistet und zudem eine einfa
che und gut abgedichtete Ausbildung der Durchbrüche für
die Montage und Medienführung bei einem Brennstoffzellen
stapel ermöglicht. Wegen des nur am äußeren Randbereich
der Membran-Elektroden-Einheit angebrachten Dichtrandes
ist der Bedarf an Membran- und Elektrodenmaterial relativ
gering. Die gute Haftung und Abdichtung wird zum einen
dadurch erreicht, daß der nach außen überstehenden Teil
bereich eine einstückige Einheit bildet und zum anderen
die an dem Kohlenwasserstoffgerüst des Schmelzklebers in
im wesentlichen regelmäßigen Abständen vorhandenen pola
ren Gruppen eine starke polare Wechselwirkung mit dem
Säuregruppen enthaltenden Membranmaterial und damit einen
starken Klebeeffekt erzeugen.
Weitere Merkmale und zweckmäßige Weiterbildungen bzw.
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprü
chen bzw. der nachfolgenden Beschreibung einer lediglich
beispielhaft wiedergegebenen Ausführungsform der Erfin
dung.
Das Ausführungsbeispiel wird anhand der Zeichnung näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht einer mit einem erfindungs
gemäß ausgebildeten Dichtrand versehenen Mem
bran-Elektroden-Einheit;
Fig. 2 eine Draufsicht der Membran-Elektroden-Einheit
nach Fig. 1; und
Fig. 3 eine Schnittansicht einer mit beidseitig ange
ordneten Gasverteilern und Stromableitern kom
plettierten Membran-Elektroden-Einheit in einer
Brennstoffzelle.
Gemäß den Fig. 1 bis 3 ist die Membran-Elektroden-
Einheit 1 am Umfang mit einem speziellen Schmelzkleber
zur Ausbildung eines Montagerandes oder Dichtrandes 2 mit
abdichtender Wirkung in einer Brennstoffzelle oder einem
Brennstoffzellenstapel versehen. Der Dichtrand deckt den
Randbereich der Membran-Elektroden-Einheit 1 beidseitig
ab und ist über deren umlaufende Kante hinaus zu einem
einstückigen Randbereich 2a verlängert, in dem sich
Durchbrüche 3 zur Medienführung und/oder für die Montage
bei einem Brennstoffzellenstapel befinden. Die Ausbildung
des Dichtrandes erfolgt unter Wärme- und Druckeinwirkung
auf das auf den Rand der Membran-Elektroden-Einheit 1
aufgelegte Schmelzklebermaterial, das sich während der
schmelzflüssigen Phase in dem überstehenden Bereich mit
einander und ansonsten mit der Membran-Elektroden-Einheit
1 fest verbindet.
Damit steht eine Membran-Elektroden-Einheit zur Verfü
gung, die einen verhältnismäßig steifen Rand mit abdich
tender Wirkung aufweist. Die Membran-Elektroden-Einheit 1
kann dadurch einfach gehandhabt und montiert werden. Der
Verbrauch an Membran- und Elektrodenmaterial ist gering,
da der Schmelzkleber nur den äußersten Rand der Membran-
Elektroden-Einheit abdeckt und die erforderlich Handha
bungs- und Montagebreite dadurch erreicht wird, daß sich
der Schmelzkleber über die Außenkante des Membran- und
Elektrodenmaterials hinaus erstreckt.
Eine wichtige Voraussetzung für die Verbindung des
Dichtrandes 2 mit der Membran-Elektroden-Einheit 1 ist
die Bereitstellung eines geeigneten Schmelzklebers, da
dieser normalerweise aufgrund der geringen Oberfläche
nenergie der Polymerelektrolytmembran schlecht haftet. Es
wird daher ein Schmelzkleber mit ionischen oder stark po
laren Gruppen eingesetzt, die in Wechselwirkung mit den
ionischen Gruppen des Membranmaterials eine gute Haftung
gewährleisten. In der vorliegenden Ausführungsform wird
als Schmelzklebstoff ein Copolymer aus Ethylen und
Methacrylsäure verwendet, das sich aufgrund der Carbon
säuregruppen hervorragend mit der Polymerelektrolytmem
bran verbindet.
In Fig. 3 ist eine komplette Brennstoffzelleneinheit un
ter Verwendung einer mit dem Dichtrand 2 versehenen Mem
bran-Elektroden-Einheit 1 dargestellt. Auf beiden Seiten
der Membran-Elektroden-Einheit 1 sind Gasverteiler 4 aus
porösem Kohlenstoff sowie Stromableiter 5 (oder bipolare
Platten) angeordnet. In dem verbleibenden Zwischenraum
zwischen den Stromableiter 5 und dem Dichtrand 2 befindet
sich hier jeweils eine zusätzliche Dichtung 6.
1
Membran-Elektroden-Einheit
2
Dichtrand
2
a überstehender Randbereich von
2
3
Durchbruch z. Montage und/oder Medienführung
4
Gasverteiler
5
Stromableiter
6
zusätzliche Dichtung
Claims (9)
1. Membran-Elektroden-Einheit mit integriertem Dichtrand
für elektrochemische Zellen, die aus einer Polymer
elektrolytmembran und diese beidseitig bedeckenden
Elektroden sowie einem am Umfangsrand aufgetragenen
thermoplastischen Dichtrand besteht, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Dichtrand (2) aus einer beidseitig
aufgebrachten Schmelzkleberschicht besteht, die sich
über die Außenkante der Membran-Elektroden-Einheit
(1) hinaus erstreckt und dort einen einstückigen
überstehenden Teilbereich (2a) bildet, wobei der
Schmelzkleber ionische oder stark polare Gruppen zur
Erzeugung einer Oberflächenwechselwirkung mit den io
nischen Gruppen der Polymerelektrolytmembran und da
mit einer hohen Haftwirkung enthält.
2. Membran-Elektroden-Einheit nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß in dem überstehenden Teilbereich
(2a) des Dichtrandes (2) Durchbrüche (3) zur Montage
und/oder zur Medienführung in einem Brennstoffzellen
stapel vorgesehen sind.
3. Membran-Elektroden-Einheit nach Anspruch 1 und 2, da
durch gekennzeichnet, daß zur Bildung einer komplet
ten Zelle der aktive Bereich der Membran-Elektroden-
Einheit (1) beidseitig mit einem Gasverteiler (4) ab
gedeckt ist und über die gesamte Einheit beidseitig
jeweils eine bipolare Platte oder ein Stromableiter
(5) gelegt ist, wobei die bipolare Platte bzw. der
Stromableiter mindestens auf einer Seite unmittelbar
mit dem Dichtrand (2) verklebt ist.
4. Membran-Elektroden-Einheit nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß zwischen dem Dichtrand (2) und
dem Stromableiter (5) eine zusätzliche Dichtung (6)
vorgesehen ist.
5. Membran-Elektroden-Einheit nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Schmelzkleber ein aus einem
Monomer und Carbonsäure oder deren Salzen oder deren
polaren Derivaten gebildetes Copolymer ist.
6. Membran-Elektroden-Einheit nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß der Schmelzkleber für den
Dichtrand (2) ein Copolymer aus Ethylen und
Methacrylsäure ist.
7. Membran-Elektroden-Einheit nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß der Schmelzkleber für den
Dichtrand (2) ein Copolymer aus Ethylen und Vinylace
tat ist.
8. Membran-Elektroden-Einheit nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Schmelzkleber in im wesentli
chen regelmäßigen Abständen in einem Polymergerüst
Carbonsäureesterbindungen enthält.
9. Membran-Elektroden-Einheit nach Anspruch 6 bis 8, da
durch gekennzeichnet, daß der Schmelzkleber mit wei
teren Komponenten wie organischen Säuren oder anderen
polaren Säurederivaten, zum Beispiel Säureanhydride
oder Ester, copolymerisiert ist.
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