WO2001093354A2 - Polymer-electrolyte membrane (pem) fuel cell system and method for the production thereof - Google Patents

Polymer-electrolyte membrane (pem) fuel cell system and method for the production thereof Download PDF

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WO2001093354A2
WO2001093354A2 PCT/EP2001/006175 EP0106175W WO0193354A2 WO 2001093354 A2 WO2001093354 A2 WO 2001093354A2 EP 0106175 W EP0106175 W EP 0106175W WO 0193354 A2 WO0193354 A2 WO 0193354A2
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Arthur Koschany
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Manhattan Scientifics, Inc.
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Definitions

  • the invention relates to a fuel cell arrangement comprising at least one polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell with a polymer electrolyte membrane arranged between a cathode and an anode catalyst layer, gas diffusion layers arranged on both sides thereof and at least one closing layer adjacent to at least one of the gas diffusion layers, and on one A process for their manufacture, and specifically relates to high power density PEM fuel cells that are functional without external mechanical compression devices and are manufactured by lamination processes.
  • PEM polymer electrolyte membrane
  • the central component of a PEM fuel cell is a polymer electrolyte membrane (PEM). It has the task that is typical of fuel cells
  • Reactants e.g. B. hydrogen or methanol as fuel and air or pure
  • Membrane (anode) free of electrons and H + ions.
  • the cathode the electrons passed through an external circuit are combined with the H + ions traveling through the membrane and the oxidizing agent (e.g. oxygen from the air) to form the reaction product (e.g. water).
  • the reaction product e.g. water
  • the area of the clamping plates here is similar in size to the total active area of the cell arrangement.
  • the invention is intended to create fuel power assemblies with a high power density without the use of mechanical compression devices, for which purpose simple and inexpensive lamination processes are preferably used to produce such fuel cell assemblies.
  • the membrane, the catalyst layers, the gas diffusion layers and the at least one end layer of the fuel cell are mechanically solid and electrically conductive or electrochemically active over the entire surface by ion-conducting chemical binders, in particular polymers and / or thermo - And / or thermosets, are connected to one another without the arrangement or the cell comprising a mechanical device compressing them, or in that during the manufacture of the cell the membrane, the catalyst layers, the gas diffusion layers and the end layer (s) of the Fuel cells are mechanically solid and electrically conductive or electrochemically active by means of ion-conducting polymers and / or thermoplastics and / or thermosets.
  • the greatest advantages of the invention arise in the application fertilizer on planar arrangements of single and double cells.
  • connection of layers namely a polymer electrolyte membrane with two gas diffusion electrodes, by applying heat and pressure is known per se, e.g. B. from EP 0 935 304 A.
  • FIG. 1 shows a cross section through a single fuel cell.
  • 2 shows a plan view of a planar arrangement of three fuel cells on a common substrate;
  • Fig. 3 shows a cross section through a double fuel cell.
  • a substrate 1 in a stack-like structure from bottom to top, consists of a substrate 1, an anode arranged on the substrate 1.
  • the current arrester 2 to which a carbon composite layer 3 is further connected and this in turn is connected to an anode gas diffusion layer 4.
  • This layer 4 carries on its upper side in the drawing a catalyst 5 which lies directly against a membrane 6, the opposite side of which is covered by a layer 7 of a catalyst 7 on the cathode side.
  • This layer is followed by a cathodic gas diffusion layer 8 on the side facing away from the membrane, on which narrow conductor tracks 9, possibly also only wires, are applied as current conductors.
  • the anode gas diffusion layer 4 forms a gas space, which is sealed with the aid of a seal 10 and is supplied with combustible gas via a hydrogen inlet 11 Reaction products are discharged again via an outlet 12.
  • the substrate 1, the anode current collector 2 and the carbon composite layer 3 together form a termination layer 13.
  • the termination layer may also consist only of the layers 2 and 3, or even only the current conductor 2.
  • Cells of the type shown in FIG. 1 can, for example, be arranged side by side in a planar manner on the substrate 1 on which the anode current conductors 2 are arranged with separating spaces 14.
  • the connections of the individual parts of the anode current collector 2 are shown at 15; they are each connected to a star point of the cathode current conductor 9 for the purpose of connecting the three cells in series.
  • the two current draw poles are marked with "+" and "-".
  • the individual cells have no through bolts or the like for pressing, but are glued together using suitable binders. By appropriately choosing these binders, the compressive strength of the arrangement is maintained despite a certain excess pressure in the anode gas diffusion layer 4.
  • the cells can also be assembled as a stack, for example as a double cell according to FIG. 3, which is mirrored on the substrate 1. Such cells are also constructed without mechanical pressing means.
  • the hydrogen pressures typically used are 10 4 to 2 • 10 5 Pa (0.1 - 2 bar).
  • the described sequence of mechanically connected (laminated) layers can be used analogously for all common cell arrangements such as bipolar stacks, monopolar stacks, single cells and quasi monopolar double cells. For a special arrangement useless layers such.
  • B. the substrate 1 for the inner cells of a bipolar stack can also be omitted.
  • the end layer has different functions in different cell arrangements.
  • the requirements for gas tightness and conductivity parallel to the layer level are different. All requirements can be met by the finishing layer according to the invention, in particular according to Example 1.
  • channel structures for gas routing in the gas diffusion and / or closing layer are not explicitly discussed with the exception of example 1.
  • the end layer 13 comprises a material with an electrical conductivity parallel and perpendicular to the cell plane, which is sufficient to transport the electrical current produced during operation to the contact point 15 without a substantial drop in voltage.
  • a continuous or slotted one is preferred
  • Non-precious metal foil e.g. copper
  • a conductive, dense protective layer e.g. copper
  • the lamination method described in Example 1 is preferably used, which is based on a conductive, preformed layer material, as is known from WO 00/10174.
  • a metal foil can be fixed on a substrate that is as rigid as possible and has a low density. Glass or carbon fiber reinforced epoxy resin plates have particularly good properties. The easiest way is to use a continuous or partially copper-coated electronic board, which is available at very low cost due to mass production.
  • the membrane 6, the catalyst layers 5, 7 and the gas diffusion layers 4, 8 can be connected by hot pressing using an auxiliary polymer, preferably in a single operation to form the so-called membrane electrode assembly (MEA).
  • MEA membrane electrode assembly
  • the temperatures of up to 180 ° C (preferably up to 140 ° C) and pressures up to 5 • 10 7 Pa (500 bar, preferably up to 250 bar) place high demands on the materials used.
  • unfilled commercially available carbon fiber papers from Toray, Japan
  • Suitable very pressure stable gas diffusion layers are known from US Pat. No. 5,998,057.
  • auxiliary polymers find Nafion TM (Dupont), PTFE, THV TM (Dyneon) and non-fluorinated thermoplastics such as. B. PE, PP and PS use.
  • a suitable application of several of these polymers increases the adhesive force compared to the prior art and makes a significant contribution to the present invention.
  • the polymers can be added in the form of powder, nonwovens, films, suspensions or solutions before the hot pressing of the gas diffusion and the catalyst layer. By applying the elevated temperature and pressure, these polymers melt or soften and combine
  • the conductive mechanical connection of the final layer and the MEA takes place, for. B. by applying a curable resin such as epoxy, furan or phenolic resin on the surface of the anode and / or on the surface of the final layer facing the anode. Curing is preferably carried out under pressure at elevated temperature.
  • a curable resin such as epoxy, furan or phenolic resin
  • a microporous, conductive layer e.g. B. be applied from carbon black, which absorbs the liquid resin during the curing process. Due to the larger capillary forces in the fine-pored layer, the resin penetrates the electrode only slightly.
  • the hot pressing of the final layer and the MEA with a thermoplastic material positioned in between in the form of a film or a nonwoven leads to a firm, conductive connection.
  • Membrane edge performed with the end plate.
  • An adhesive seal with cold- or hot-curing silicones according to WO 00/02279 is preferably applied.
  • an adhesive seal without a free membrane edge can also be used with particular preference.
  • Example 4 contains a detailed description of one of the methods.
  • the cathode current arrester shown in Fig.l only partially covers the cathode so that the oxygen in the air can diffuse to the catalyst. It preferably consists of a metal foil (for example copper) which is coated on one or both sides either with a noble metal or by the process in Example 1 (finishing layer).
  • the current conductor is laminated to the cathode or the MEA analogously to the method for connecting the anode to the end layer.
  • the cathode current arrester can also be in the form of a grid or slotted
  • Metal foil is inserted between two cathodic gas diffusion layers during the reinforcement process mentioned above and then laminated in by means of an increase in pressure and temperature.
  • a carbon fiber fleece (3 mg / cm 2 ) with a dispersion of expanded, ground graphite, conductive carbon black and PTFE is impregnated one or more times by rolling in and dried after each impregnation step.
  • the mass fraction of graphite based on the brought carbon materials is 10 to 100%, preferably 40 to 75%.
  • the proportion of PTFE in the total solids introduced is about 3 to 10%.
  • the total mass per unit area of the impregnated nonwoven is 6 to 25 mg / cm 2 , preferably 8 to 14 mg / cm 2 .
  • This still porous layer material is covered with a solution of synthetic resin, e.g. B.
  • Epoxy resin, soaked in acetone and the solvents are evaporated.
  • the proportion of synthetic resin in the solution is 10 to 90%, and preferably 40 to 60%.
  • One or more of these nonwovens containing synthetic resin are placed on a copper foil or an electronic circuit board with exposed conductor tracks or a free but closed copper surface and, if necessary, increased
  • the conductor tracks on the electronic board can be designed in such a way that channels for guiding the reaction gases, in particular hydrogen, are formed. After coating, this channel structure is essentially retained.
  • a mechanically firmly connected and electrochemically active MEA is created.
  • the above numerical data are only examples and can be subjected to large variations.
  • other thermoplastics such as polyethylene can be used instead of polypropylene. In this case, the processing temperature can be significantly reduced.
  • a firm connection is also created if the gas diffusion layer, an additional layer on this gas diffusion layer or the catalyst layer contain powdered thermoplastics.
  • the side of the end layer 13 facing the anode is covered with a sion of conductive carbon black, expanded graphite and PTFE in the 1: 1 mixed dispersion liquids isopropanol and water sprayed one or more times with intermediate drying.
  • the PTFE content is typically 3 to 10%.
  • the mass ratio of graphite and conductive carbon black can be varied within wide limits.
  • the dry mass of the spray layer is approximately 0.5 to 3 mg / cm 2 .
  • PTFE only serves as an auxiliary binder for the layer during processing.
  • a diluted synthetic resin e.g. epoxy resin
  • Example 1 A diluted synthetic resin (e.g. epoxy resin) as used in Example 1 is sprayed onto the previously described layer in a suitable amount. The solvents are then evaporated off. The sealing area of the later cell should be left out during both spraying processes.
  • an adhesive bead made of thermosetting silicone is applied to the end layer on the circumference of the anode.
  • the MEA is positioned exactly, placed on the final layer and hot pressed with it until the plastics have fully or partially cured.
  • Typical pressures are in the range of 10 6 to 3 • 10 7 Pa (10 to 300 bar), the temperature depends on the requirements for curing epoxy resin and silicone.
  • the end product of this process step is a gas-tight, mechanically firm composite of MEA and final layer on the anode side.
  • the cathode current arrester can be laminated afterwards.
  • FIG. 3 A planar double cell according to FIG. 3 of basically known per se
  • Type (eg WO 95/17772) with connected anode spaces and two opposite cathodes is preferred with the help of a double-sided with metal coated electronic board built.
  • the continuous or interrupted metal layers of the board are coated as described in Example 1 with a composite of polymers with different carbon materials. A double final layer is thus created.
  • Membrane-electrode units with current arresters are attached and sealed on both sides of this layer using one of the methods mentioned above.
  • a hydrogen inflow and outflow hole connects and supplies the two anode compartments.
  • the top and bottom of this planar arrangement consist of cathodes. Since the metal layers of the two anodes are electrically insulated, the two cells can be connected in series, providing one for many

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Abstract

The invention relates to a fuel cell system containing at least one polymer-electrolyte membrane (PEM) fuel cell with a polymer-electrolyte membrane (6) placed between a cathode catalyst layer (5) and an anode catalyst layer (7). The fuel cell also comprises gas diffusion layers (4, 8), which are located on both sides of the polymer-electrolyte membrane, and comprises at least one terminating layer (13), which rests against at least one of the gas diffusion layers. The fuel cell system is characterized in that the membrane (6), the catalyst layers (5, 7), the gas diffusion layers (4, 8) and the at least one terminating layer (13) of the fuel cell are, over their entire surfaces, joined to one another in a mechanically fixed, electrically conductive or electrochemically active manner by means of chemical bonding agents. The laminating processes are particularly suited for the use of PEM fuel cells in the mobile domain and for a planar configuration of the individual cells, in which a number of individual or double cells are adjacently located on a flat or curved surface.

Description

Brennstoffzellenanordnung und Verfahren zu ihrer Herstellung Fuel cell arrangement and method for its production
Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzellenanordnung, enthaltend mindestens eine Polymerelektrolyt-Membran-(PEM)-Brennstoffzelle mit einer zwischen einer Kathoden- und einer Anodenkatalysatorschicht angeordneten Polymerelektrolytmembran, beiderseits hiervon angeordneten Gasdiffusionsschichten und an wenigstens einer der Gasdiffusionsschichten anliegend wenigstens einer Abschlußschicht, und auf ein Verfahren zu ihrer Herstellung, und betrifft speziell PEM-Brennstoffzellen hoher Leistungsdichte, die ohne äußere, mechanische Kompressionsvorrichtungen funktionsfähig sind und durch Laminierungsprozesse hergestellt sind.The invention relates to a fuel cell arrangement comprising at least one polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell with a polymer electrolyte membrane arranged between a cathode and an anode catalyst layer, gas diffusion layers arranged on both sides thereof and at least one closing layer adjacent to at least one of the gas diffusion layers, and on one A process for their manufacture, and specifically relates to high power density PEM fuel cells that are functional without external mechanical compression devices and are manufactured by lamination processes.
Das zentrale Bauteil einer PEM-Brennstoffzelle ist eine Polymerelektrolyt- Membran (PEM). Sie hat die Aufgabe, die für Brennstoffzellen typischenThe central component of a PEM fuel cell is a polymer electrolyte membrane (PEM). It has the task that is typical of fuel cells
Reaktanden, z. B. Wasserstoff oder Methanol als Brennstoff und Luft bzw. reinenReactants, e.g. B. hydrogen or methanol as fuel and air or pure
Sauerstoff als Oxidationsmittel, zu trennen, H+ Ionen zu leiten und elektronisch zu isolieren. Auf beiden Seiten der Membran sind Katalysatorschichten aufgebracht. Zur Verteilung der meist gasförmigen Reaktanden und zur Ableitung des im Betrieb entstehenden Stroms werden gut leitfähige poröse Schichtmaterialien und evtl. zusätzlich Kanalstrukturen verwendet. Die Reaktanden werden in diesen Strukturen separat auf beiden Seiten der Membran geführt. Zumindest die Brennstoffseite muß zum umgebenden Luftraum mittels einer gasdichten Abschlußschicht oder -platte (z. B. einer sog. Bipolarplatte) und einer Dichtung abgeschlossen werden.Separate oxygen as an oxidant, conduct H + ions and electronically isolate. Catalyst layers are applied to both sides of the membrane. Highly conductive porous layer materials and possibly additional channel structures are used to distribute the mostly gaseous reactants and to divert the electricity generated during operation. In these structures, the reactants are carried separately on both sides of the membrane. At least the fuel side must be sealed off from the surrounding air space by means of a gas-tight sealing layer or plate (e.g. a so-called bipolar plate) and a seal.
Beim Betrieb der Zelle werden an der Katalysatorschicht der Brennstoffseite derDuring operation of the cell, the
Membran (Anode) Elektronen und H+ Ionen frei. Auf der gegenüberliegenden Katalysatorschicht, der Kathode, werden die über einen äußeren Stromkreis geführten Elektronen mit den durch die Membran wandernden H+ Ionen und dem Oxidationsmittel (z. B. Sauerstoff aus der Luft) zum Reaktionsprodukt (z. B. Wasser) vereinigt. Bei diesem Prozeß entsteht zwischen den beiden Katalysa- torschichten eine Potentialdifferenz, die im äußeren Stromkreis genutzt werden kann.Membrane (anode) free of electrons and H + ions. On the opposite catalyst layer, the cathode, the electrons passed through an external circuit are combined with the H + ions traveling through the membrane and the oxidizing agent (e.g. oxygen from the air) to form the reaction product (e.g. water). This process creates a potential difference between the two catalyst layers that can be used in the outer circuit.
Um geringe elektrische Übergangswiderstände zwischen den einzelnen Schicht- materialien zu erhalten, werden im Stand der Technik Vorrichtungen zur mechanischen Kompression senkrecht zur Membranfläche von einzelnen Zellen oder Stapeln von Zellen verwendet (vgl. PCT/EP 00/03542 oder US 5,484,666). Die mechanische Kompression dient weiterhin dazu, der Druckkraft der meist mit Überdruck zugeführten Reaktanden (z. B. Wasserstoff) entgegenzuwirken. Die Vorrichtung zur Kompression besteht häufig aus zwei miteinander verschraubten massiven Platten, zwischen denen sich die Brennstoffzelle oder der Brennstoffzellenstapel befindet. Der von diesen Vorrichtungen auf die Zellen aufgebrachte Druck liegt typischerweise zwischen 5 • 105 und 15 • 105 Pa (5 und 15 bar). Das hohe Gewicht und Volumen dieser Platten und die damit verbundenen Kosten sind für die praktische Anwendung von Brennstoffzellen insbesondere im mobilen Bereich von entscheidendem Nachteil. Am extremsten sind die Auswirkungen dieser Platten auf die Leistungsdichte der Brennstoffzellen bei planaren Anordnungen, bei denen sich eine Mehrzahl von Einzel- oder Doppelzellen nebeneinander auf einer ebenen oder gekrümmten Fläche befinden. Im Gegensatz zu Stapelanordnungen ist hier die Fläche der Spannplatten ähnlich groß wie die gesamte aktive Fläche der Zellenanordnung.In order to obtain low electrical contact resistances between the individual layer materials, devices for mechanical compression perpendicular to the membrane surface of individual cells or stacks of cells are used in the prior art (cf. PCT / EP 00/03542 or US Pat. No. 5,484,666). Mechanical compression also serves to counteract the pressure force of the reactants (e.g. hydrogen), which are usually supplied with excess pressure. The compression device often consists of two solid plates screwed together, between which the fuel cell or the fuel cell stack is located. The pressure applied to the cells by these devices is typically between 5 • 10 5 and 15 • 10 5 Pa (5 and 15 bar). The high weight and volume of these plates and the associated costs are a decisive disadvantage for the practical use of fuel cells, particularly in the mobile sector. The most extreme are the effects of these plates on the power density of the fuel cells in planar arrangements in which a plurality of single or double cells are located next to one another on a flat or curved surface. In contrast to stack arrangements, the area of the clamping plates here is similar in size to the total active area of the cell arrangement.
Mit der vorliegenden Erfindung können alle oben aufgeführten Nachteile durchWith the present invention all disadvantages listed above can be overcome
Eliminierung der Vorrichtungen zur mechanischen Kompression vermieden werden.Elimination of the mechanical compression devices can be avoided.
Durch die Erfindung sollen BrennstoffzeUenanordnungen hoher Leistungsdichte ohne Verwendung von Vorrichtungen zur mechanischen Kompression geschaffen werden, wozu vorzugsweise einfache und kostengünstige Laminierungsprozesse zur Herstellung derartiger Brennstoffzellenanordnungen angewandt werden.The invention is intended to create fuel power assemblies with a high power density without the use of mechanical compression devices, for which purpose simple and inexpensive lamination processes are preferably used to produce such fuel cell assemblies.
Dies wird, ausgehend von der eingangs genannten Brennstoffzellenanordnung, dadurch erreicht, daß die Membran, die Katalysatorschichten, die Gasdiffusionsschichten und die wenigstens eine Abschlußschicht der Brennstoffzelle mechanisch fest und elektrisch leitfähig bzw. elektrochemisch aktiv ganzflächig durch ionenleitende chemische Bindemittel, insbesondere Polymere und/oder Thermo- und/oder Duroplaste, miteinander verbunden sind, ohne daß die Anordnung bzw. die Zelle eine sie zusammenpressende mechanische Vorrichtung umfaßt, bzw. dadurch, daß bei der Herstellung der Zelle die Membran, die Katalysatorschichten, die Gasdiffusionsschichten und die Abschlußschicht(en) der Brennstoffzelle mechanisch fest und elektrisch leitfähig bzw. elektrochemisch aktiv durch ionenleitende Polymere und/oder Thermo- und/oder Duroplaste verbun- den werden. Die größten Vorteile der Erfindung ergeben sich bei der Anwen- düng auf planare Anordnungen von Einzel- und Doppelzellen.Starting from the fuel cell arrangement mentioned at the outset, this is achieved in that the membrane, the catalyst layers, the gas diffusion layers and the at least one end layer of the fuel cell are mechanically solid and electrically conductive or electrochemically active over the entire surface by ion-conducting chemical binders, in particular polymers and / or thermo - And / or thermosets, are connected to one another without the arrangement or the cell comprising a mechanical device compressing them, or in that during the manufacture of the cell the membrane, the catalyst layers, the gas diffusion layers and the end layer (s) of the Fuel cells are mechanically solid and electrically conductive or electrochemically active by means of ion-conducting polymers and / or thermoplastics and / or thermosets. The greatest advantages of the invention arise in the application fertilizer on planar arrangements of single and double cells.
Das Verbinden von Schichten, nämlich einer Polymerelektrolyt-Membran mit zwei Gasdiffusionselektroden, durch Aufwenden von Wärme und Druck ist an sich bekannt, z. B. aus der EP 0 935 304 A.The connection of layers, namely a polymer electrolyte membrane with two gas diffusion electrodes, by applying heat and pressure is known per se, e.g. B. from EP 0 935 304 A.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den jeweiligen Unteransprüchen.Preferred developments of the invention can be found in the respective subclaims.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:Further details, advantages and developments of the invention result from the following description of a preferred embodiment with reference to the drawing. Show it:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine einzelne Brennstoffzelle; Fig. 2 eine Draufsicht auf eine planare Anordnung von drei Brennstoffzellen auf einem gemeinsamen Substrat; Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Doppel-Brennstoffzelle.1 shows a cross section through a single fuel cell. 2 shows a plan view of a planar arrangement of three fuel cells on a common substrate; Fig. 3 shows a cross section through a double fuel cell.
Eine Brennstoffzelle gemäß Fig. 1 besteht, in stapeiförmigem Aufbau von unten nach oben, aus einem Substrat 1, einem auf diesem angeordneten Anoden-1, in a stack-like structure from bottom to top, consists of a substrate 1, an anode arranged on the substrate 1.
Stromableiter 2, an den sich weiterhin eine Kohlenstoff-Komposit-Schicht 3 und an diese wiederum eine Anoden-Gasdiffusionsschicht 4 anschließt. Diese Schicht 4 trägt an ihrer in der Zeichnung oberen Seite einen Katalysator 5, der unmittelbar an einer Membran 6 anliegt, deren gegenüberliegende Seite durch eine kathodenseitige Schicht eines Katalysators 7 bedeckt ist. An diese Schicht schließt sich auf der membranabgewandten Seite eine kathodische Gasdiffu- sionsschicht 8 an, auf welcher schmale Leiterbahnen 9, gegebenenfalls auch nur Drähte, als Stromableiter aufgebracht sind. Die Anoden-Gasdiffusionsschicht 4 bildet einen Gasraum, der mit Hilfe einer Dichtung 10 abgedichtet ist und über einen Wasserstoffeinlaß 11 mit brennbarem Gas versorgt wird, das bzw. dessen Reaktionsprodukte über einen Auslaß 12 wieder abgeleitet werden. Das Substrat 1, der Anoden-Stromableiter 2 und die Kohlenstoff-Komposit-Schicht 3 bilden zusammen eine Abschlußschicht 13. Bei anderen Ausführungen besteht die Abschlußschicht auch eventuell nur aus den Schichten 2 und 3, oder auch überhaupt nur aus dem Stromableiter 2.Current arrester 2, to which a carbon composite layer 3 is further connected and this in turn is connected to an anode gas diffusion layer 4. This layer 4 carries on its upper side in the drawing a catalyst 5 which lies directly against a membrane 6, the opposite side of which is covered by a layer 7 of a catalyst 7 on the cathode side. This layer is followed by a cathodic gas diffusion layer 8 on the side facing away from the membrane, on which narrow conductor tracks 9, possibly also only wires, are applied as current conductors. The anode gas diffusion layer 4 forms a gas space, which is sealed with the aid of a seal 10 and is supplied with combustible gas via a hydrogen inlet 11 Reaction products are discharged again via an outlet 12. The substrate 1, the anode current collector 2 and the carbon composite layer 3 together form a termination layer 13. In other embodiments, the termination layer may also consist only of the layers 2 and 3, or even only the current conductor 2.
Zellen der in Fig. 1 gezeigten Art können beispielsweise planar nebeneinander gemeinsam auf dem Substrat 1 angeordnet sein, auf dem die Anoden-Stromableiter 2 mit trennenden Zwischenräumen 14 angeordnet sind. Die Anschlüsse der einzelnen Teile der Anoden-Stromableiter 2 sind bei 15 dargestellt; sie sind zwecks Serienschaltung der drei Zellen jeweils mit einem Sternpunkt der Kathoden-Stromableiter 9 verbunden. Die beiden Stromabnahme-Pole sind mit "+" und "-" gekennzeichnet.Cells of the type shown in FIG. 1 can, for example, be arranged side by side in a planar manner on the substrate 1 on which the anode current conductors 2 are arranged with separating spaces 14. The connections of the individual parts of the anode current collector 2 are shown at 15; they are each connected to a star point of the cathode current conductor 9 for the purpose of connecting the three cells in series. The two current draw poles are marked with "+" and "-".
Die einzelnen Zellen weisen keine durchgehenden Schraubbolzen oder dergleichen zum Verpressen auf, sondern sind durch passende Bindemittel miteinander verklebt. Durch zweckmäßige Wahl dieser Bindemittel ist die Druckfestigkeit der Anordnung trotz eines gewissen Überdrucks in der Anoden-Gasdiffusionsschicht 4 gewahrt.The individual cells have no through bolts or the like for pressing, but are glued together using suitable binders. By appropriately choosing these binders, the compressive strength of the arrangement is maintained despite a certain excess pressure in the anode gas diffusion layer 4.
Die Zellen können auch als Stapel zusammengestellt sein, beispielsweise als Doppelzelle gemäß Fig. 3, die am Substrat 1 gespiegelt ist. Auch solche Zellen sind ohne mechanische Verpreßmittel aufgebaut.The cells can also be assembled as a stack, for example as a double cell according to FIG. 3, which is mirrored on the substrate 1. Such cells are also constructed without mechanical pressing means.
Um Brennstoffzellen hoher Leistungsdichte ohne Vorrichtungen zur mechanischen Kompression zu realisieren, müssen alle verwendeten Schichtmaterialien mechanisch stabil und mit geringem elektrischem Übergangswiderstand verbunden sein. Die Druckkräfte des anodenseitigen Brennstoffes (beispielhaft wird im folgenden von Wasserstoff ausgegangen) müssen mindestens von den folgenden Grenzflächen (Fig. 1) aufgenommen werden: Membran 6/Katalysatorschicht 5 Katalysatorschicht 5/Gasdiffusionsschicht 4 Gasdiffusionsschicht 4/Abschlußschicht 13In order to realize fuel cells of high power density without devices for mechanical compression, all the layer materials used must be mechanically stable and connected with a low electrical contact resistance. The compressive forces of the anode-side fuel (for example, hydrogen is assumed below) must be absorbed at least by the following interfaces (Fig. 1): Membrane 6 / catalyst layer 5 catalyst layer 5 / gas diffusion layer 4 gas diffusion layer 4 / closing layer 13
Wird mittels einer weiteren Abschlußschicht die Oxidationsmittelseite geschlossen (beispielhaft wird im Folgenden von Luft ausgegangen) und die Zelle evtl. mit Überdruck betrieben, so ist die analoge Schichtfolge mechanisch zu verbinden. Bei offener Kathode wie in Fig. 1 dargestellt handelt es sich um die ÜbergängeIf the oxidant side is closed by means of a further sealing layer (air is assumed in the following as an example) and the cell is possibly operated with excess pressure, the analogous layer sequence must be mechanically connected. When the cathode is open, as shown in FIG. 1, these are the transitions
Membran 6/Katalysatorschicht 7 Katalysatorschicht 7/Gasdiffusionsschicht 8 Gasdiffusionsschicht 8/Stromableiter 9Membrane 6 / catalyst layer 7 catalyst layer 7 / gas diffusion layer 8 gas diffusion layer 8 / current conductor 9
Selbst unter delaminierender Druckbelastung durch den Wasserstoff muß ein geringer Übergangs- und Durchgangswiderstand durch die Schichtmaterialien gewährleistet sein. Die typischerweise verwendeten Wasserstoffüberdrücke liegen bei 104 bis 2 • 105 Pa (0,1 - 2 bar). Die beschriebene Folge von mechanisch verbundenen (laminierten) Schichten kann sinngemäß für alle üblichen Zellanordnungen wie bipolarer Stapel, monopolarer Stapel, Einzelzellen und quasi monopolare Doppelzellen verwendet werden. Für eine spezielle Anordnung nutzlose Schichten wie z. B. das Substrat 1 für die inneren Zellen eines bipolare Stapels können auch weggelassen werden.Even under delaminating pressure loading by the hydrogen, a low contact and volume resistance must be guaranteed by the layer materials. The hydrogen pressures typically used are 10 4 to 2 • 10 5 Pa (0.1 - 2 bar). The described sequence of mechanically connected (laminated) layers can be used analogously for all common cell arrangements such as bipolar stacks, monopolar stacks, single cells and quasi monopolar double cells. For a special arrangement useless layers such. B. the substrate 1 for the inner cells of a bipolar stack can also be omitted.
Die Abschlußschicht hat bei verschiedenen Zellanordnungen teilweise verschiedene Funktionen. Die Anforderungen an Gasdichtigkeit und Leitfähigkeit parallel zur Schichtebene sind unterschiedlich. Alle Anforderungen können von der erfindungsgemäßen Abschlußschicht insbesondere nach Beispiel 1 erfüllt werden. In den Abbildungen und der folgenden Beschreibung wird auf Kanalstrukturen zur Gasführung in der Gasdiffusions- und/oder Abschlußschicht mit Ausnahme von Beispiel 1 nicht explizit eingegangen.The end layer has different functions in different cell arrangements. The requirements for gas tightness and conductivity parallel to the layer level are different. All requirements can be met by the finishing layer according to the invention, in particular according to Example 1. In the figures and the following description, channel structures for gas routing in the gas diffusion and / or closing layer are not explicitly discussed with the exception of example 1.
Die Abschlußschicht 13 umfaßt ein Material mit einer elektrischen Leitfähigkeit parallel und senkrecht zur Zellebene, die ausreichend ist, den im Betrieb produzierten elektrischen Strom ohne wesentlichen Spannungsabfall zum Kontaktpunkt 15 zu transportieren. Um die Verwendung teuerer Edelmetalle, die als einzige Metalle auf der leicht sauren Anodenseite chemisch stabil sind, zu vermeiden, wird bevorzugt eine durchgehende oder geschlitzteThe end layer 13 comprises a material with an electrical conductivity parallel and perpendicular to the cell plane, which is sufficient to transport the electrical current produced during operation to the contact point 15 without a substantial drop in voltage. In order to avoid the use of expensive precious metals, which are the only metals that are chemically stable on the slightly acidic anode side, a continuous or slotted one is preferred
Nichtedelmetall-Folie (z. B. Kupfer) verwendet, die mit einer leitfähigen dichten Schutzschicht versehen ist. Bevorzugt wird dabei das in Beispiel 1 beschriebene Laminierverfahren angewendet, das auf einem leitfähigen vorgeformten Schichtmaterial, wie es aus der WO 00/10174 bekannt ist, beruht. Für Anwendungen, bei denen eine hohe mechanische Stabilität gegen Knicken der Zellfläche gefordert ist, kann eine Metallfolie auf einem möglichst steifen Substrat mit geringer Dichte fixiert werden. Besonders gute Eigenschaften weisen glas- oder kohlefaserverstärkte Epoxidharzplatten auf. Am einfachsten ist die Verwendung einer durchgehend oder teüweise mit Kupfer beschichteten Elektronikplatine, die aufgrund von Massenproduktion sehr kostengünstig verfügbar ist.Non-precious metal foil (e.g. copper) is used, which is provided with a conductive, dense protective layer. The lamination method described in Example 1 is preferably used, which is based on a conductive, preformed layer material, as is known from WO 00/10174. For applications in which high mechanical stability against kinking of the cell surface is required, a metal foil can be fixed on a substrate that is as rigid as possible and has a low density. Glass or carbon fiber reinforced epoxy resin plates have particularly good properties. The easiest way is to use a continuous or partially copper-coated electronic board, which is available at very low cost due to mass production.
Die Membran 6, die Katalysatorschichten 5, 7 und die Gasdiffusionsschichten 4, 8 können durch Heißpressen unter Verwendung eines Hilfspolymers bevorzugt in einem einzigen Arbeitsgang zur sogenannten Membran-Elektroden- Einheit (membrane-electrode-assembly: MEA) verbunden werden. Die dabei auftretenden Temperaturen von bis zu 180° C (bevorzugt bis zu 140° C) und Drücke bis zu 5 • 107 Pa (500 bar, bevorzugt bis zu 250 bar) stellen hohe Anforderungen an die verwendeten Materialien. Bezüglich der Druckstabilität sind ungefüllte handelsübliche Kohlefaserpapiere (Fa. Toray, Japan) als Gasdif- fusionsschicht meist nicht geeignet. Geeignete sehr druckstabile Gasdiffusions- schichten sind aus dem US-Patent US 5,998,057 bekannt. Verbesserungen dieses Materials bezüglich Zugbeanspruchungen senkrecht zur Schichtebene mittels Einbringen von Kunstharzen sind in Beispiel 3 und 4 der WO 00/10174 dargelegt. Diese verbesserten Materialien lassen sich nicht nur als Verstärkung von Gasdiffusionsschichten, wie in dieser Druckschrift offenbart, sondern auch als vollständige Gasdiffusionsschichten einsetzen.The membrane 6, the catalyst layers 5, 7 and the gas diffusion layers 4, 8 can be connected by hot pressing using an auxiliary polymer, preferably in a single operation to form the so-called membrane electrode assembly (MEA). The temperatures of up to 180 ° C (preferably up to 140 ° C) and pressures up to 5 • 10 7 Pa (500 bar, preferably up to 250 bar) place high demands on the materials used. With regard to the pressure stability, unfilled commercially available carbon fiber papers (from Toray, Japan) are usually not suitable as a gas diffusion layer. Suitable very pressure stable gas diffusion layers are known from US Pat. No. 5,998,057. Improvements in this material with regard to tensile stresses perpendicular to the layer plane by introducing synthetic resins are set out in Examples 3 and 4 of WO 00/10174. These improved materials can be used not only as reinforcements for gas diffusion layers, as disclosed in this document, but also as complete gas diffusion layers.
Als Hilfspolymere finden Nafion™ (Dupont), PTFE, THV™ (Dyneon) und nicht fluorierte Thermoplaste wie z. B. PE, PP und PS Verwendung. Eine geeignete Anwendung mehrerer dieser Polymere vergrößert die Haftkraft im Vergleich zum Stand der Technik und liefert einen nennenswerten Beitrag zur vorliegenden Erfindung. Die Polymere können vor dem Heißpressen der Gasdiffusionsund der Katalysatorschicht in Form von Pulver, Vliesen, Folien, Suspensionen oder Lösungen beigegeben sein. Durch die Anwendung der erhöhten Temperatur und des Drucks schmelzen oder erweichen diese Polymere und verbinden dieAs auxiliary polymers find Nafion ™ (Dupont), PTFE, THV ™ (Dyneon) and non-fluorinated thermoplastics such as. B. PE, PP and PS use. A suitable application of several of these polymers increases the adhesive force compared to the prior art and makes a significant contribution to the present invention. The polymers can be added in the form of powder, nonwovens, films, suspensions or solutions before the hot pressing of the gas diffusion and the catalyst layer. By applying the elevated temperature and pressure, these polymers melt or soften and combine
Schichtmaterialien innig. Detaillierte Verfahren sind in den nachfolgenden Beispielen 2 und 3 beschrieben.Layer materials intimately. Detailed procedures are described in Examples 2 and 3 below.
Die leitfällige mechanische Verbindung der Abschlußschicht und der MEA erfolgt z. B. durch Auftrag eines aushärtbaren Harzes wie Epoxid-, Furan- oder Phenolharz auf die Oberfläche der Anode und/oder auf die der Anode zugewandte Oberfläche der Abschlußschicht. Das Aushärten erfolgt bevorzugt unter Druck bei erhöhter Temperatur.The conductive mechanical connection of the final layer and the MEA takes place, for. B. by applying a curable resin such as epoxy, furan or phenolic resin on the surface of the anode and / or on the surface of the final layer facing the anode. Curing is preferably carried out under pressure at elevated temperature.
Um zu vermeiden, daß das Harz einen zu großen Anteil der Poren der Elektrode blockiert, kann auf die Elektrode oder die entsprechende Oberfläche der Abschlußschicht zuvor eine mikroporöse, leitfähige Schicht z. B. aus Ruß aufgebracht werden, die das während des Aushärtevorgangs flüssige Harz aufnimmt. Aufgrund der größeren Kapillarkräfte in der feinporigen Schicht dringt das Harz nur wenig in die Elektrode ein. Alternativ führt auch das Heißverpressen der Abschlußschicht und der MEA mit einem dazwischen positionierten thermoplastischen Material in Form einer Folie oder eines Vlieses zu einer festen, leitfähigen Verbindung.To prevent the resin from blocking too much of the pores of the electrode, a microporous, conductive layer, e.g. B. be applied from carbon black, which absorbs the liquid resin during the curing process. Due to the larger capillary forces in the fine-pored layer, the resin penetrates the electrode only slightly. Alternatively, the hot pressing of the final layer and the MEA with a thermoplastic material positioned in between in the form of a film or a nonwoven leads to a firm, conductive connection.
Bevorzugt wird mit diesem Verfahrensschritt auch die Abdichtung des freienThe sealing of the free is also preferred with this method step
Membranrandes mit der Abschlußplatte durchgeführt. Bevorzugt wird eine Klebedichtung mit kalt- oder heißhärtenden Silikonen nach der WO 00/02279 angebracht. Besonders bevorzugt kann eine Klebedichtung ohne freien Membranrand auch nach DE 19703214 C verwendet werden. Beispiel 4 enthält eine detaillierte Beschreibung eines der Verfahren.Membrane edge performed with the end plate. An adhesive seal with cold- or hot-curing silicones according to WO 00/02279 is preferably applied. According to DE 19703214 C, an adhesive seal without a free membrane edge can also be used with particular preference. Example 4 contains a detailed description of one of the methods.
Der in Fig.l dargestellte Kathodenstromableiter bedeckt die Kathode nur teilweise, damit der Sauerstoff der Luft bis zum Katalysator diffundieren kann. Er besteht bevorzugt aus einer Metallfolie (z. B. Kupfer), die entweder mit einem Edelmetall oder nach dem Verfahren in Beispiel 1 (Abschlußschicht) ein- oder beidseitig beschichtet ist. Die Laminierung des Stromableiters auf die Kathode bzw. die MEA erfolgt analog dem Verfahren zur Verbindung der Anode mit der Abschlußschicht.The cathode current arrester shown in Fig.l only partially covers the cathode so that the oxygen in the air can diffuse to the catalyst. It preferably consists of a metal foil (for example copper) which is coated on one or both sides either with a noble metal or by the process in Example 1 (finishing layer). The current conductor is laminated to the cathode or the MEA analogously to the method for connecting the anode to the end layer.
Alternativ kann der Kathodenstromableiter auch als Gitter oder geschlitzteAlternatively, the cathode current arrester can also be in the form of a grid or slotted
Metallfolie zwischen zwei kathodischen Gasdiffusionslagen während des oben erwähnten Verstärkungsverfahrens eingelegt und dann mittels Druck- und Temperaturerhöhung einlaminiert werden.Metal foil is inserted between two cathodic gas diffusion layers during the reinforcement process mentioned above and then laminated in by means of an increase in pressure and temperature.
Beispiel 1:Example 1:
Im Sinne von Beispiel 1 aus WO 00/10174 wird ein Kohlefaservlies (3 mg/cm2) mit einer Dispersion aus expandierten, gemahlenem Graphit, Leitruß und PTFE ein- oder mehrmals durch Einwalzen imprägniert und nach jedem Imprägnie- rungsschritt getrocknet. Der Massenanteil an Graphit bezogen auf die einge- brachten Kohlenstoffmateriälien beträgt 10 bis 100 %, bevorzugt 40 bis 75 %. Der Anteil von PTFE and den gesamten eingebrachten Feststoffen beträgt etwa 3 bis 10 %. Nach Trocknen und Sintern beträgt die flächenbezogene Gesamtmasse des imprägnierten Vlieses 6 bis 25 mg/cm2, bevorzugt 8 bis 14 mg/cm2. Dieses noch poröse Schichtmaterial wird mit einer Lösung aus Kunstharz, z. B.In the sense of Example 1 from WO 00/10174, a carbon fiber fleece (3 mg / cm 2 ) with a dispersion of expanded, ground graphite, conductive carbon black and PTFE is impregnated one or more times by rolling in and dried after each impregnation step. The mass fraction of graphite based on the brought carbon materials is 10 to 100%, preferably 40 to 75%. The proportion of PTFE in the total solids introduced is about 3 to 10%. After drying and sintering, the total mass per unit area of the impregnated nonwoven is 6 to 25 mg / cm 2 , preferably 8 to 14 mg / cm 2 . This still porous layer material is covered with a solution of synthetic resin, e.g. B.
Epoxidharz, in Aceton getränkt und die Lösungsmittel werden abgedampft. Der Kunstharzanteil in der Lösung liegt bei 10 bis 90 %, und bevorzugt bei 40 bis 60 %. Ein oder mehrere dieser Kunstharz enthaltenden Vliese werden auf eine Kupferfolie oder eine Elektronikplatine mit frei liegenden Leiterbahnen oder einer freien aber geschlossenen Kupferfläche gelegt und bei evtl. erhöhterEpoxy resin, soaked in acetone and the solvents are evaporated. The proportion of synthetic resin in the solution is 10 to 90%, and preferably 40 to 60%. One or more of these nonwovens containing synthetic resin are placed on a copper foil or an electronic circuit board with exposed conductor tracks or a free but closed copper surface and, if necessary, increased
Temperatur verpreßt, bis das Kunstharz vollständig oder teilweise ausgehärtet ist. Die entstehende Schicht haftet gut auf der MetaUschicht, ist dicht und weist einen geringen Durchgangswiderstand und einen geringen Übergangswiderstand zu anderen Kohlenstoffmateriälien auf. Beide Widerstände zusammen betragen typischerweise weniger als 40 mOhm • cm2.Temperature pressed until the resin is fully or partially cured. The resulting layer adheres well to the metal layer, is dense and has a low volume resistance and a low volume resistance to other carbon materials. Both resistors together are typically less than 40 mOhm • cm 2 .
Die Leiterbahnen auf der Elektronikplatine können bezüglich Dicke und geometrischer Struktur so gestaltet werden, daß sich Kanäle zur Führung der Reaktionsgase, nämlich insbesondere Wasserstoff, ausbilden. Nach Beschichtung bleibt diese Kanalstruktur im wesentlichen erhalten.With regard to thickness and geometric structure, the conductor tracks on the electronic board can be designed in such a way that channels for guiding the reaction gases, in particular hydrogen, are formed. After coating, this channel structure is essentially retained.
Beispiel 2:Example 2:
Die nachstehende Schichtfolge wird bei 190° C für 15 Sekunden mit einem Druck von 107 Pa (100 bar) verpreßt:The following layer sequence is pressed at 190 ° C for 15 seconds with a pressure of 10 7 Pa (100 bar):
Gasdiffusionsschicht Polypropylenfolie 3,5 μm dickGas diffusion layer polypropylene film 3.5 μm thick
Membran beidseitig beschichtet mit Katalysator enthaltend Nafion™ oder ein verwandtes Ionomer Polypropylenfolie 3,5 μm dick GasdiffusionsschichtMembrane coated on both sides with catalyst containing Nafion ™ or a related ionomer Polypropylene film 3.5 μm thick gas diffusion layer
Es entsteht eine mechanisch fest verbundene und elektrochemisch aktive MEA. Die obigen numerischen Daten sind nur Beispiele und können großen Variationen unterworfen werden. Weiterhin können statt Polypropylen auch andere Thermoplaste wie etwa Polyethylen eingesetzt werden. Die Verarbeitungstemperatur kann in diesem Fall deutlich gesenkt werden.A mechanically firmly connected and electrochemically active MEA is created. The above numerical data are only examples and can be subjected to large variations. Furthermore, other thermoplastics such as polyethylene can be used instead of polypropylene. In this case, the processing temperature can be significantly reduced.
Eine feste Verbindung entsteht auch, wenn die Gasdiffusionsschicht, eine zusätzliche Lage auf dieser Gasdiffusionsschicht oder die Katalysatorschicht pulverförmige Thermoplasten enthalten.A firm connection is also created if the gas diffusion layer, an additional layer on this gas diffusion layer or the catalyst layer contain powdered thermoplastics.
Beispiel 3:Example 3:
Verwendet werden zwei einseitig nach der US 5,998,057 mit Katalysator beschichtete Gasdiffusionsschichten und eine beidseitig mit Katalysator beschichtete Polymerelektrolytmembran, z. B. PRIMEA™ MEA von Gore. Alle Katalysatorschichten werden ein oder mehrmals mit einer 0,5 - 5%igen Nafion™ Lösung besprüht und anschließend getrocknet. Um durch die Lösungsmittel verursachte Wellungen der Membran zu vermeiden, wird sie während des Besprühens und Trocknens auf einen feinporigen, nichtmetallischen Vakuumtisch gespannt. Die beiden Gasdiffusionsschichten werden mit den katalysierten Seiten der Membran zugewandt, beiderseits der Membran positioniert und bei ca. 140° C mit bis zu 3 • 107 Pa (300 bar) Druck für etwa 2 Minuten verpreßt.Two gas diffusion layers coated with catalyst on one side according to US Pat. No. 5,998,057 and a polymer electrolyte membrane coated on both sides with catalyst, e.g. B. Gore's PRIMEA ™ MEA. All catalyst layers are sprayed one or more times with a 0.5-5% Nafion ™ solution and then dried. In order to avoid corrugation of the membrane caused by the solvent, it is stretched on a fine-pored, non-metallic vacuum table during spraying and drying. The two gas diffusion layers face the catalyzed sides of the membrane, are positioned on both sides of the membrane and are pressed at about 140 ° C. with up to 3 · 10 7 Pa (300 bar) pressure for about 2 minutes.
Es entsteht ein mechanisch fester Verbund.A mechanically strong bond is created.
Beispiel 4:Example 4:
Die der Anode zugewandte Seite der Abschlußschicht 13 wird mit einer Disper- sion aus Leitruß, expandiertem Graphit und PTFE in den bezüglich der Massen 1 : 1 gemischten Dispersionsflüssigkeiten Isopropanol und Wasser ein- oder mehrmals mit Zwischentrocknen besprüht. Bezüglich der gesamten Feststoffe beträgt der Anteü an PTFE typischerweise 3 bis 10 %. Das Massenverhältnis von Graphit und Leitruß kann in weiten Grenzen variiert werden. Die Trockenmasse der Sprühschicht beträgt etwa 0,5 bis 3 mg/cm2. PTFE dient hier nur als Hilfsbinder für die Schicht während der Verarbeitung.The side of the end layer 13 facing the anode is covered with a sion of conductive carbon black, expanded graphite and PTFE in the 1: 1 mixed dispersion liquids isopropanol and water sprayed one or more times with intermediate drying. With regard to the total solids, the PTFE content is typically 3 to 10%. The mass ratio of graphite and conductive carbon black can be varied within wide limits. The dry mass of the spray layer is approximately 0.5 to 3 mg / cm 2 . PTFE only serves as an auxiliary binder for the layer during processing.
Ein wie in Beispiel 1 verwendetes verdünntes Kunstharz (z. B. Epoxidharz) wird in geeigneter Menge auf die zuvor beschriebene Schicht aufgesprüht. Anschließend werden die Lösungsmittel abgedampft. Während beider Sprühvorgänge sollte der Dichtungsbereich der späteren Zelle ausgespart bleiben.A diluted synthetic resin (e.g. epoxy resin) as used in Example 1 is sprayed onto the previously described layer in a suitable amount. The solvents are then evaporated off. The sealing area of the later cell should be left out during both spraying processes.
Als Randabdichtung für die Zelle wird eine Kleberaupe aus heißhärtendem Silikon am Umfang der Anode auf die Abschlußschicht aufgetragen. Die MEA wird genau positioniert, auf die Abschlußschicht aufgesetzt und mit dieser heiß verpreßt, bis die Kunststoffe ganz oder teilweise ausgehärtet sind. Typische Drücke liegen im Bereich von 106 bis 3 • 107 Pa (10 bis 300 bar), die Temperatur richtet sich nach den Erfordernissen zur Aushärtung von Epoxidharz und Silikon.As an edge seal for the cell, an adhesive bead made of thermosetting silicone is applied to the end layer on the circumference of the anode. The MEA is positioned exactly, placed on the final layer and hot pressed with it until the plastics have fully or partially cured. Typical pressures are in the range of 10 6 to 3 • 10 7 Pa (10 to 300 bar), the temperature depends on the requirements for curing epoxy resin and silicone.
Als Endprodukt dieses Verfahrensschrittes liegt ein anodenseitig gasdichter mechanisch fester Verbund aus MEA und Abschlußschicht vor. Der Kathodenstromableiter kann nachträglich laminiert werden.The end product of this process step is a gas-tight, mechanically firm composite of MEA and final layer on the anode side. The cathode current arrester can be laminated afterwards.
Beispiel 5:Example 5:
Eine planare Doppelzelle gemäß Fig. 3 von grundsätzlich an sich bekannterA planar double cell according to FIG. 3 of basically known per se
Bauart (z. B. WO 95/17772) mit verbundenen Anodenräumen und zwei gegen- überliegenden Kathoden wird bevorzugt mit Hilfe einer doppelseitig mit Metall beschichteten Elektronikplatine aufgebaut. Die durchgehenden oder unterbrochenen Metallschichten der Platine werden wie in Beispiel 1 beschrieben mit einem Komposit aus Polymeren mit verschiedenen Kohlenstoffmaterialien beschichtet. Es entsteht somit eine doppelte Abschlußschicht. Auf beiden Seiten dieser Schicht werden Membran-Elektroden-Einheiten mit Stromableitern nach einem der oben genannten Verfahren angebracht und abgedichtet. Eine Wasserstoffzu- und eventuell -abflußbohrung verbindet und versorgt die beiden Anodenräume. Ober- und Unterseite dieser planaren Anordnung bestehen aus Kathoden. Da die Metallschichten der beiden Anoden elektrisch isoliert sind, können die beiden Zellen in Reihe geschaltet werden und liefern so eine für vieleType (eg WO 95/17772) with connected anode spaces and two opposite cathodes is preferred with the help of a double-sided with metal coated electronic board built. The continuous or interrupted metal layers of the board are coated as described in Example 1 with a composite of polymers with different carbon materials. A double final layer is thus created. Membrane-electrode units with current arresters are attached and sealed on both sides of this layer using one of the methods mentioned above. A hydrogen inflow and outflow hole connects and supplies the two anode compartments. The top and bottom of this planar arrangement consist of cathodes. Since the metal layers of the two anodes are electrically insulated, the two cells can be connected in series, providing one for many
Anwendungen erforderliche höhere Spannung. Applications require higher voltage.

Claims

Patentansprüche : Claims:
1. Brennstoffzellenanordnung, enthaltend mindestens eine Polymerelelctrolyt- Membran-(PEM)-Brennstoffzelle mit einer zwischen einer Kathoden- und einer Anodenkatalysatorschicht (5, 7) angeordneten Polymerelelctrolytmem- bran (6), beiderseits hiervon angeordneten Gasdiffusionsschichten (4, 8) und an wenigstens einer der Gasdiffusionsschichten anliegend wenigstens einer Abschlußschicht (13), dadurch gelcennzeichnet, daß die Membran (6), die Katalysatorschichten (5, 7), die Gasdiffusionsschichten (4, 8) und die wenigstens eine Abschlußschicht (13) der Brennstoffzelle mechanisch fest und elektrisch leitfähig bzw. elektrochemisch aktiv ganzflächig durch chemische Bindemittel miteinander verbunden sind.1. Fuel cell arrangement, comprising at least one polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell with a polymer electrolyte membrane (6) arranged between a cathode and an anode catalyst layer (5, 7), gas diffusion layers (4, 8) arranged on both sides thereof and at least one of the gas diffusion layers adjacent to at least one end layer (13), characterized in that the membrane (6), the catalyst layers (5, 7), the gas diffusion layers (4, 8) and the at least one end layer (13) of the fuel cell are mechanically strong and electrical conductive or electrochemically actively connected to one another over the entire area by chemical binders.
2. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bindemittel Polymere und/oder Thermo- und/oder Duroplaste sind.2. Fuel cell arrangement according to claim 1, characterized in that the binders are polymers and / or thermoplastics and / or thermosets.
3. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, mit einer Mehrzahl von als Stapel angeordneten Brennstoffzellen, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen des Stapels durch ionenleitende Polymere und/oder Thermo- und/oder Duroplaste miteinander verbunden sind.3. Fuel cell arrangement according to claim 1 or 2, with a plurality of fuel cells arranged as a stack, characterized in that the cells of the stack are connected to one another by ion-conducting polymers and / or thermoplastics and / or thermosets.
4. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzelle eine Abschlußschicht (13) auf- weist, die eine durchgehende oder unterbrochene Metallschicht (2) enthält, die zumindest anodenseitig mit einer Schicht (3) aus Kohlenstoffmateria- lien und Thermo- und/oder Duroplasten versehen ist.4. Fuel cell arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the fuel cell has an end layer (13), which contains a continuous or interrupted metal layer (2), at least on the anode side with a layer (3) of carbon materials and thermoplastic and / or thermosetting plastic is provided.
5. Brennstoffzellenanordnung nach dem auf Anspruch 1 oder 2 rückbezogenen Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Zellen planar auf einer gemeinsamen Abschlußschicht (13) angeordnet sind.5. A fuel cell arrangement according to claim 4 or claim 4, characterized in that several cells planar on one common final layer (13) are arranged.
6. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschlußschicht (13) ein gegen mechanische Verwindung stabiles Substrat (1) besitzt.6. Fuel cell arrangement according to one of claims 4 or 5, characterized in that the closing layer (13) has a substrate (1) which is stable against mechanical torsion.
7. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) der Brennstoffzelle aus einer Elektronikplatine mit aufgedruckten Leiterbahnen oder mit einer durchgehenden Metallschicht (2) besteht.7. Fuel cell arrangement according to claim 6, characterized in that the substrate (1) of the fuel cell consists of an electronic board with printed conductor tracks or with a continuous metal layer (2).
8. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschlußschicht (13) einerseits und die Baueinheit aus der Membran (6), den Katalysatorschichten (5, 7) und den Gasdiffusionsschichten (4, 8) andererseits mit Thermo- und/oder Duroplasten leitfähig und mechanisch fest miteinander verbunden sind.8. Fuel cell arrangement according to one of claims 3 to 7, characterized in that the end layer (13) on the one hand and the structural unit from the membrane (6), the catalyst layers (5, 7) and the gas diffusion layers (4, 8) on the other hand with thermal and / or thermosets are conductive and mechanically firmly connected.
9. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzelle einen kathodischen Stromableiter (9) aufweist, der mit der Baueinheit aus der Membran (6), den Katalysatorschichten (5,9. Fuel cell arrangement according to claim 1 to 8, characterized in that the fuel cell has a cathodic current conductor (9) which with the structural unit from the membrane (6), the catalyst layers (5,
7) und den Gasdiffusionsschichten (4, 8) mit Thermo- und/oder Duroplasten leitfähig und mechanisch fest verbunden ist.7) and the gas diffusion layers (4, 8) with thermoplastic and / or thermosetting plastic and mechanically firmly connected.
10. Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, die mindestens eine Polymerelektrolyt-Membran- Brennstoffzelle mit einer zwischen einer Kathoden- und einer Anodenkata- lysatorschicht (5, 7) eingeschlossenen Polymerelektrolytmembran (6) und beiderseits hiervon angeordneten Gasdiffusionsschichten (4, 8) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (6), die Katalysatorschichten (5, 7), die Gasdiffusionsschichten (4, 8) und die Abschlußschicht(en) (13) der Brennstoffzelle mechanisch fest und elektrisch leitfähig bzw. elektrochemisch aktiv durch ionenleitende Polymere und/oder Thermo- und/oder Duroplaste verbunden werden.10. A method for producing a fuel cell arrangement according to one of claims 1 to 9, which has at least one polymer electrolyte membrane fuel cell with a polymer electrolyte membrane (6) enclosed between a cathode and an anode catalyst layer (5, 7) and gas diffusion layers arranged on both sides thereof ( 4, 8), characterized in that the membrane (6), the catalyst layers (5, 7), the gas diffusion layers (4, 8) and the end layer (s) (13) the fuel cell is mechanically fixed and electrically conductive or electrochemically active by ion-conducting polymers and / or thermoplastics and / or thermosets.
11. Verfahren zur Herstellung einer BrerinstoffzeUenanordnung nach Anspruch11. A method for producing a BrerinstoffzeUenanordnung according to claim
10, dadurch gekennzeichnet, daß man die Brennstoffzelle mit einer Abschlußschicht (13) versieht, die eine durchgehende oder unterbrochene Metallschicht (2) enthält, die man zumindest anodenseitig mit einer Schicht (3) aus Kohlenstoffmaterialien und Thermo- und/oder Duroplasten ver- sieht.10, characterized in that the fuel cell is provided with an end layer (13) which contains a continuous or interrupted metal layer (2) which is provided at least on the anode side with a layer (3) made of carbon materials and thermoplastics and / or thermosets ,
12. Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß man die Brennstoffzelle mit einer Abschlußschicht (13) versieht, die ein gegen mechanische Verwindung stabiles Substrat besitzt.12. A method for producing a fuel cell arrangement according to claim 10 or 11, characterized in that the fuel cell is provided with an end layer (13) which has a substrate which is stable against mechanical torsion.
13. Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß man als Substrat (1) eine Elektronikplatine mit aufgedruckten Leiterbahnen oder mit einer durchgehenden Metallschicht (2) verwendet.13. A method for producing a fuel cell arrangement according to claim 12, characterized in that an electronic circuit board with printed conductor tracks or with a continuous metal layer (2) is used as the substrate (1).
14. Verfahren zur Herstellung einer BrennstoffzeUenanordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß man die Membran (6), die Katalysatorschichten (5, 7) und die Gasdiffusionsschichten (4, 8) der Zelle mit den ionenleitenden Polymeren und/oder den Thermo- und/oder14. A method for producing a fuel cell assembly according to one of claims 10 to 13, characterized in that the membrane (6), the catalyst layers (5, 7) and the gas diffusion layers (4, 8) of the cell with the ion-conducting polymers and / or the thermal and / or
Duroplasten durch Heißpressen verbindet.Thermosetting bonds by hot pressing.
15. Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß man die Brennstoffeelle mit einer Abschlußschicht (13) versieht, die man mit der Baueinheit aus der Membran (6), den Katalysatorschichten (5, 7) und den Gasdiffusionsschichten (4, 8) durch Thermo- und/oder Duroplaste bevorzugt durch Heißpressen leitfähig und mechanisch fest verbindet.15. A method for producing a fuel cell arrangement according to one of claims 10 to 14, characterized in that the fuel cell is provided with an end layer (13) which is made with the structural unit the membrane (6), the catalyst layers (5, 7) and the gas diffusion layers (4, 8) by thermoplastic and / or thermosets preferably by hot pressing conductive and mechanically firmly connects.
16. Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenanordnung nach einem der16. A method for producing a fuel cell arrangement according to one of the
Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß man die Baueinheit aus der Membran (6), den Katalysatorschichten (5, 7) und den Gasdiffusionsschichten (4, 8) mit einem kathodischen Stromableiter (9) durch Thermo- und/oder Duroplaste bevorzugt durch Heißpressen leitfähig und mecha- nisch fest verbindet. Claims 10 to 15, characterized in that the assembly of the membrane (6), the catalyst layers (5, 7) and the gas diffusion layers (4, 8) with a cathodic current conductor (9) is preferably carried out by thermoplastics and / or thermosets Hot presses are conductive and mechanically firmly connected.
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