WO2007110397A1 - Verfahren zur herstellung einer membran-elektroden-einheit für eine brennstoffzelle - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer membran-elektroden-einheit für eine brennstoffzelle Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a manufacturing method for membrane electrode assemblies (MEA's), are produced in the seals for reliable sealing of the membrane electrode assemblies.
  • Fuel cells are energy converters that convert chemical energy into electrical energy.
  • a fuel for example hydrogen
  • an oxidant for example oxygen
  • the structure of the cells is basically the same for all types. They generally consist of two electrodes, an anode and a cathode, where the reactions take place, and an electrolyte between the two electrodes.
  • the electrolyte used is a polymer membrane which conducts ions (in particular H + ions).
  • the electrolyte has three functions. It establishes the ionic contact, prevents electrical contact and also ensures the separation of the gases supplied to the electrodes.
  • the electrodes are usually supplied with gases, which are reacted in the context of a redox reaction.
  • the electrodes have the task of supplying the gases (for example hydrogen or methanol and oxygen or air), removing reaction products such as water or CO 2 , catalytically reacting the starting materials and removing or supplying electrons.
  • the conversion of chemical to electrical energy occurs at the three phase boundary of catalytically active sites (eg, platinum), ionic conductors (eg, ion exchange polymers), electron conductors (eg, graphite), and gases (eg, H 2 and O 2 ).
  • the largest possible active area is crucial.
  • the heart of a PEM fuel cell is the so-called membrane electrode assembly (MEA - Membrane Electrode Assambly), a composite of a centrally located membrane, which is covered on both sides by optionally containing catalysts, which in turn of gas diffusion layers (GDL - Gas Diffusion Layer ) are occupied - ie a 5-layer composite.
  • MEA membrane electrode assembly
  • GDL - Gas Diffusion Layer gas diffusion layers
  • WO 98/33225 A1 describes a method by which a sealing edge is formed around the circumference of the membrane-electrode assembly, which connects the membrane and the electrodes or the electrodes gas-tight with each other and which can also be connected in a gastight manner with a bipolar plate.
  • the sealing edge is produced by a sealing agent, for example a plastic or a mixture of plastics, penetrating into edge regions of the electrodes on the circumference of the membrane-electrode assembly, so that the pores of the electrodes are substantially filled and no gas is allowed to pass through.
  • the plastic preferably a thermoplastic or a thermosetting, low viscosity liquid plastic may penetrate the electrodes by capillary action and then be cured, or a plastic in liquid form, i. melted, uncured or dissolved in a solvent, are pressed with the electrodes, optionally by applying the required pressure (preferably up to about 200 bar) and / or elevated temperature in a suitable device, and the pores of the electrode are filled in this way.
  • EP 1 018 177 B1 relates to a method of manufacturing a membrane-electrode assembly (MEA) with elastic integral seals, in which the MEA is placed inside a mold, the mold having open channels. Then a fluently processable electrically insulating sealing material is introduced into the mold. The sealing material is passed through the channels to the desired sealing regions of the MEA.
  • the channels also serve as molding surfaces for forming one or more raised ridges or beads and for impregnating at least a portion of the electrode layers of the MEA with the sealing material in the sealing areas. Furthermore, the channels serve to guide the sealing material to extend laterally beyond the membrane-electrode assembly, thereby enclosing an edge region of the membrane-electrode assembly.
  • the sealant material is cured to form the resilient integral seal, wherein the resilient integral seal further includes the at least one or more raised ridges or beads.
  • the MEA can be removed from the mold.
  • Another method for producing a seal for an MEA is the subject of WO 2005/008818 A2.
  • the electrode surfaces are coated in a region of their concern on the circumference of the membrane with a surface surfactant penetrating them and the edge surfaces of the MEA circumferentially covered by a curable sealant. Starting from the edge surfaces, the sealant penetrates the areas of the electrodes coated with the surface surfactant.
  • the surface surfactant significantly increases the wettability for the areas treated with it and, as a result, facilitates the application of the sealant and improves its adhesion.
  • the object of the present invention is therefore to avoid the disadvantages of the prior art and, in particular in the production of a membrane-electrode unit, to ensure reliable sealing with simple and efficient production.
  • the continuity of the production of a plurality of membrane-electrode units is to be improved.
  • Layers particularly preferably consists of an electrode layer and a membrane layer.
  • the multilayer field can be used in the method according to the invention. but also comprise a majority of the layers or all layers of the membrane-electrode assembly to be sealed, for example an anode layer, a membrane layer and a cathode layer or a first gas diffusion layer, an anode layer, a membrane layer, a cathode layer and a second gas diffusion layer.
  • the electrode layer in the present invention contains at least one or more electrocatalysts. It preferably contains a carrier material such as carbon black or graphite and one or more electrocatalysts. It optionally contains other ingredients, for example an ionomer.
  • the menbran layer contains polymer electrolyte materials. Usually, a tetrafluoroethylene fluorovinyl ether copolymer having acid functions, especially sulfonic acid groups, is used. Such a material is, for example, you pont sold under the trade name Nafion ® from EI.
  • membrane materials that may be used in the present invention include the following polymeric materials and mixtures thereof:
  • Nafion ® (DuPont, USA) perfluorinated and / or partially fluorinated polymers such as "Dow Experimental Membrane” (Dow Chemicals, USA), - Aciplex-S ® (Asahi Chemicals, Japan),
  • substantially fluorine-free membrane materials for example sulfonated phenol-formaldehyde resins (linear or linked); sulfonated polystyrene (linear or linked); sulfonated poly-2,6-diphenyl-1,4-phenylene oxides, sulfonated polyaryl ether sulfones, sulfonated polyarylene ether sulfones, sulfonated polyaryl ether ketones, phosphonated poly-2,6-dimethyl-1,4-phenylene oxides, sulfonated polyether ketones, sulfonated polyether ether ketones, aryl ketones or polybenzimidazoles ,
  • sulfonated phenol-formaldehyde resins linear or linked
  • sulfonated polystyrene linear or linked
  • sulfonated poly-2,6-diphenyl-1,4-phenylene oxides sul
  • a multilayer field is preferably produced by applying a membrane layer field to a carrier layer and subsequently applying an electrode layer field to the membrane layer field produced.
  • the carrier layer used is preferably a carrier film, in particular a film of polyester, polyethylene, polyethylene terephthalate (PET), polytetrafluoroethylene (PTFE), polypropylene (PP), polyvinyl chloride (PVC), polycarbonate, polyamide, polyimide, polyurethane or comparable film materials.
  • the carrier layer preferably has a thickness between 10 and 250 ⁇ m, more preferably between 90 and 110 ⁇ m.
  • the application of the membrane layer field on the carrier is carried out by methods known in the art, for example by doctor blade, spray, casting, printing or Extrusi- onsvon. Subsequently, the membrane layer field is dried.
  • the application of the electrode layer field on the membrane layer field can also be carried out by methods known in the art.
  • the membrane layer field can be coated with a catalyst-containing ink.
  • the ink is a solution containing an electrocatalyst which is largely liquid or optionally paste-like. It is applied for example by printing, spraying, knife coating or rolling on the membrane layer field fully or partially. Subsequently, the electrode layer field is dried.
  • Suitable drying methods for the individual layers of the multilayered film are, for example, hot-air drying, infrared drying, microwave drying, plasma processes or combinations of these processes.
  • the multilayer field produced by the process according to the invention may also contain further layers, for example a gas diffusion layer.
  • the support is preferably planar in the present invention so that the multilayer field is applied to a flat surface.
  • the multilayer field is surrounded on the support along its circumference by channels which, at least on one side, pass through the edges of a multilayered surface
  • a channel is a given in this context
  • a channel may be on one side of the edge (s) of a first multilayered field and on the other side of it
  • Edge (the edge surfaces) of a second multi-layered field are limited, while its underside is formed by the carrier and it is open at the top.
  • a channel can also be bounded on one side only by a multilayer field and otherwise by at least one other limiting element on the carrier.
  • a flowable, hardenable sealing material is introduced into the channels.
  • the flowable sealing material is distributed in the channels (self-organization), wherein it preferably fills the channels evenly.
  • the sealing material preferably combines with the edges of the multi-layered fields adjacent to the channels, so that a seal surrounding the edges of the at least one multi-layered field is produced.
  • the sealing material may be poured into the channels or introduced into the channels by any other method known to those skilled in the art.
  • the elastic seal present at the end of the method according to the invention surrounds, in particular, the electrode layer and the membrane layer gap-free, without the need for precise and therefore expensive positioning of the sealing material, in that self-assembly is utilized.
  • the sealing material adheres to the membrane material.
  • sealing materials for the process according to the invention preferably polymer materials are used, in particular polyethylenes, polypropylenes, polyamides, epoxy resins, silicones, Teflon (dispersion), polyvinylidene difluoride (PVDF), polysulfones, polyetheretherketones (PEEK), UV and thermally curable acrylates or polyester resins.
  • the sealing material is a material which adheres well to the materials of the membrane-electrode assembly, in particular to the material of the membrane layer.
  • a hot melt adhesive can be used, as disclosed in DE 199 26 027 A1, which contains ionic or strongly polar groups for generating a surface interaction with the ionic groups of the polymer electrolyte membrane and thus a high adhesive effect.
  • sealing material After introducing the sealing material into the channels, it is solidified, for example, by drying, crosslinking (e.g., by UV radiation) or cooling.
  • the at least one multilayer field is produced such that the at least one electrode layer and the at least one membrane layer are flush with one another or that the membrane layer is larger than the electrode layer.
  • the membrane layer is larger than the electrode layer.
  • a wetting enhancer may be applied to effect wetting of the edges by the sealing material.
  • a wetting improver is, for example, a solvent for the sealing material used, with which the edge regions of the multi-layered field are wetted.
  • Another possible wetting improver is, for example, a surface surfactant, as described in WO 2005/008818 A2, in particular a fluorosurfactant. The areas treated by the surface surfactant have significantly increased wettability. This facilitates the application of the sealant and improves its adhesion.
  • the sealing material is distributed in the channels and is additionally introduced in the region of the channels in pores of a gas diffusion layer.
  • the gas diffusion layer is gas-permeable and porous and, in a PEM fuel cell, serves to guide the reaction gases close to the polymer electrolyte membrane.
  • the gas diffusion layer together with a carrier film can form a carrier on which at least one multilayer field is arranged, for example a field with an electrode layer and a membrane layer. Channels that run along the gas diffusion layer along the field adjoin the field.
  • the gas diffusion layer may also be present as a gas diffusion layer field as part of the multilayer field, wherein the edges of the gas diffusion layer field (together with the edges of the other layers of the multilayer field) bound channels on one side, which are filled with sealing material according to the invention.
  • the method according to the invention comprises the steps:
  • half-MEAs half-membrane-electrode units
  • a membrane electrode assembly comprising at least the 5 layers of gas diffusion layer, electrode, membrane, electrode, gas diffusion layer of two half membrane electrode units (comprising at least the three layers gas diffusion layer, electrode,
  • the seals produced in each case on the half-MEAs by the method according to the invention together form a seal of the membrane-electrode unit.
  • the joining of the membrane layers of the two half-MEA's can be carried out by methods familiar to the person skilled in the art, for example by hot pressing, laminating, laminating with additional solvent application or ultrasonic welding. Bonding is preferably by compression using heat and / or pressure, for example using laminating rollers. The temperature is preferably between 60 ° C and 250 ° C and the pressure preferably between 0.1 and 100 bar.
  • the temperature is preferably between 60 ° C and 250 ° C and the pressure preferably between 0.1 and 100 bar.
  • a plurality of multi-layered fields separated from each other by channels is formed
  • the gas diffusion layer is part of the carrier, in case b) part of the multilayer field.
  • adjacent multi-layered fields bound the channels laterally and in case a) forms part of the gas diffusion layer and in case b) a part of the carrier layer forms the lower side of the channels.
  • At least one additional limiting element is applied to the carrier, which limits at least one of the channels on one side.
  • the boundary elements may be, for example, boundary strips that are parallel and spaced from the edges of the multilayered fields.
  • the delimiting elements can be produced, for example, from the same material and in the same working step as the membrane layer. Their thickness should be at least equal to the thickness of the multilayered field.
  • the multilayered fields in the present invention are preferably quadrangular, more preferably square or rectangular.
  • the method according to the invention for producing a membrane-electrode assembly has, inter alia, the advantage that it can be carried out as a low-cost, cost-effective, continuous roll-to-roll process.
  • the carrier layer and optionally the gas diffusion layer are present as bands on a respective roll.
  • the half-MEAs produced therewith can also be wound up on rolls. All steps of the process according to the invention are compatible with continuous roll-to-roll processes.
  • distributing the sealing material by self-assembly in the channels between the multi-layered fields eliminates the need for a timed method, as is often unavoidable in the art for attaching or applying seals or for inserting and removing from molds.
  • the sealing material is poured into the channels by means of casting devices, wherein the casting devices continuously deliver the sealing material or periodically release certain quantities of sealing material.
  • This embodiment also allows for a continuous roll-to-roll process in which, for example, a carrier tape having multi-layered panels and enclosing channels move uniformly beneath the pouring devices.
  • Channels in the longitudinal direction of the belt can be filled with the sealing material by a casting device that continuously delivers sealing material in a fixed direction.
  • Channels extending transversely to the transport direction of the belt may be filled with transversely pivoted narrow casting devices or with fixed, periodically sealing material dispensing wide casting devices with sealing material.
  • a multiplicity of membrane layer fields are applied in quadrangular form to a band-shaped first carrier layer, in each case one electrode layer field is applied to the membrane layer fields , a band-shaped gas diffusion layer is connected as a closed layer to the electrode layer fields, a band-shaped second carrier layer is applied to the gas diffusion layer and the band-shaped first carrier layer is removed from the multilayer fields.
  • a multiplicity of membrane electrode units which are connected to one another at least via the seal are produced, which can be separated by a cut through the seal.
  • the gasket is sandwiched between two membrane-electrode assemblies, it may be cut centrally so that each half of the gasket belongs to a membrane-electrode assembly.
  • FIG. 1A and 1B show a first carrier layer with a plurality of membrane layer fields and boundary strips in the production of a membrane electrode assembly according to the method of the invention
  • FIGS. 2A and 2B show a first carrier layer with a plurality of multilayer fields of membrane layer and electrode layer in the production of a membrane-electrode unit according to the method according to the invention
  • FIGS. 3A and 3B show a gas diffusion layer which is arranged as a layer on the multilayer fields in the production of a membrane-electrode unit according to the method according to the invention
  • FIGS. 4A and 4B show a second carrier layer on the gas diffusion layer in the production of a membrane-electrode assembly according to the method of the invention
  • FIGS. 5A and 5B multilayer fields of electrode layer and membrane layer on a support of gas diffusion layer and second support layer in the production of a membrane electrode assembly according to the method of the invention
  • FIGS. 6A and 6B show the sealing material distributed in the channels during the production of a membrane electrode assembly according to the method of the invention
  • FIGS. 7A and 7B show a third carrier layer on a multiplicity of interconnected half-MEAs in the production of a membrane-electrode unit according to the method according to the invention
  • FIGS. 9A and 9B show a multiplicity of interconnected membrane-electrode assemblies after bonding the membrane layers of the semiconductor membranes in the production according to the method of the invention
  • FIGS. 10A and 10B are the sectional lines for separating the membrane-electrode assemblies during production according to the method of the invention.
  • FIG. 11 schematically shows a roll-to-roll process by which the intermediates of the membrane electrode assemblies according to the invention are produced according to FIGS. 1A to 4B
  • FIG. 12 schematically shows a roll-to-roll process by which the half-MEAs according to FIGS. 5A to 7B are produced.
  • FIG. 13 schematically shows a roll-to-roll process by means of which the membrane-electrode assemblies according to FIGS. 8A to 9B are produced and
  • Figure 14 shows an embodiment of a fuel cell assembly with a membrane electrode assembly produced by the method according to the invention.
  • Figure 1A shows a first intermediate in the manufacture of membrane-electrode assemblies according to the present invention.
  • Membrane layer fields 1 and strip-shaped limiting elements 2 are applied to a first carrier layer 3 for the production of this intermediate product.
  • the membrane layer material for example a sPEEK casting solution - sulfonated polyether ether ketone
  • the carrier film for example made of PET.
  • the casting of the membrane layer fields 1 can be done by periodically casting and stopping three parallel and spaced apart, wide casting devices (not shown).
  • strip-shaped limiting elements (for example likewise made from sPEEK), which run in the longitudinal direction of the first carrier layer and are thicker than the membrane layer fields 1, are also applied to the first carrier layer 3.
  • the membrane layer fields 1 and the delimiting elements 2 must be dried after being applied to the first carrier layer 3.
  • Figure 1 B the intermediate product of Figure 1 A can be seen in section.
  • Figure 2A shows a second intermediate in the preparation of membrane-electrode assemblies according to the present invention.
  • electrode layer fields 4 are applied to the membrane layer fields 1, which are arranged on the first carrier layer 3, for example by batch doctoring or by screen printing.
  • the electrode layer fields 4 according to FIG. 2A are rectangular and smaller than the membrane layer fields 1, see FIG the membrane layer fields 1 project beyond the electrode layer fields 4.
  • the electrode layer fields 4 are dried after application to the membrane layer fields 1.
  • FIG. 2B shows the intermediate product from FIG. 2A in section.
  • Figure 3A shows a third intermediate in the manufacture of membrane-electrode assemblies according to the present invention.
  • a gas diffusion layer 5 is laminated onto the electrode layer fields 4 as a full layer.
  • the gas diffusion layer 5 covers all the electrode layer fields 4 and the strip-shaped limiting elements 2.
  • Figure 4A shows a fourth intermediate in the preparation of membrane-electrode assemblies according to the present invention.
  • a second carrier layer 6 (for example made of PET) is placed loosely on the gas diffusion layer 5.
  • the second carrier layer 6 covers the entire gas diffusion layer 5.
  • Figure 5A shows a fifth intermediate in the preparation of membrane-electrode assemblies according to the present invention.
  • the fourth intermediate product according to FIGS. 4A and 4B is turned over and the first carrier layer 3 is removed. There then remain a support 7 made of second carrier film 6 and gas diffusion layer 5, on which the delimiting elements 2 and the multi-layered fields 8 of electrode layer 4 and membrane layer 1 are arranged.
  • the inwardly facing edges of the delimiting elements 2 and the edges 9 of the multilayered fields define a plurality of longitudinally extending channels 10, 12 extending in the transverse direction 11 and extending on the gas diffusion layer 5.
  • the somewhat larger membrane layer fields 1 are now arranged over the slightly smaller electrode layer fields 4.
  • FIG. 5B shows the intermediate product from FIG. 5A in section.
  • Figure 6A shows a sixth intermediate (Hal-MEA) in the preparation of membrane-electrode assemblies according to the present invention.
  • a flowable, hardenable sealing material 13 is introduced into the channels 12, where it is evenly distributed.
  • the introduction of the low-viscosity sealing material 13 can be carried out in a longitudinal direction 10 moving carrier 7 in the channels 12 in the longitudinal direction 10 by individual pouring devices or other feeding techniques.
  • For the introduction of sealing material 13 in the running in the transverse direction 1 1 channels for example, intermittently (periodically) working casting devices or reciprocating feeds can be used. An exact alignment of the sealing material 13 is not necessary, since the self-organization is utilized.
  • the sealing material 13 flows into the channels and also wets the edge regions of the undersides of the membrane layer fields 1 projecting beyond the electrode layer fields 4. Furthermore, the sealing liquid 13 impregnates the gas diffusion layer 5 in the region of the channels 12 by being introduced into the pores of the gas diffusion layer 5. The impregnated region of the gas diffusion layer 5 is identified by reference numeral 14 in FIG. 6B. The sealing material 13 is then solidified (for example, by drying, crosslinking or cooling). Then there is an elastic seal that surrounds the electrode layer field 4 and the membrane layer field 1 of the respective HaIb MEA gap-free without an exact and thus laborious positioning.
  • FIG. 7A shows the intermediate product from FIG. 6A, covered with a third carrier layer.
  • Figure 9A shows a seventh intermediate in the manufacture of membrane-electrode assemblies according to the present invention.
  • two half-MEAs are connected to membrane-electrode units by connecting their membrane layer fields 16, 17 together.
  • the membrane layer fields 16, 17 combine to form an overall membrane 18.
  • the resulting intermediate product is a layer of, inter alia, 5-layer membrane electrode assemblies 25 (first gas diffusion layer 19, first electrode layer 20, membrane 18, second electrode layer 21 and second gas diffusion layer 22), which is arranged between two carrier layers 23, 24.
  • FIG. 11 schematically shows a continuous roll-to-roll process by means of which the intermediates according to FIGS. 1A to 4B can be prepared.
  • a first roll 27 delivers a first carrier layer 3 as a roll product.
  • a first pouring device 28 pours membrane layer fields of membrane material 29 (for example sPEEK) onto the first carrier layer 3 moved in the transporting direction 36 in order to obtain the intermediate product according to FIGS. 1A and 1B.
  • a second casting apparatus 30 pours electrode layer fields of electrode material 31 onto the membrane layer fields which are moved further in the transport direction 36 in order to obtain the intermediate product according to FIGS. 2A and 2B.
  • a gas diffusion layer 5 is unwound as a roll and laminated on the further moving in the transport direction 36 Elektroden caringfel- to obtain the intermediate product according to Figures 3A and 3B.
  • a second carrier layer 6 is unwound as a roll and placed on the further moving in the transport direction 36 gas diffusion layer 5 to obtain the intermediate product according to Figures 4A and 4B.
  • the band-shaped first MEA intermediate product 34 thus obtained can, as shown in FIG. 11, be wound onto a fourth roll 35 or processed further directly.
  • Figure 12 shows schematically a continuous roll-to-roll process with which the intermediates of Figures 5A-7B can be made.
  • the first MEA intermediate product 34 obtained in a process according to FIG. 11 is unwound in the transport direction 36 from the fourth roll 35, which was turned over, so that now the first carrier layer 3 on the Top is located.
  • the first carrier layer 3 is removed from the first MEA intermediate 34 by being wound onto a fifth roller 37 to obtain the intermediate product according to Figs. 5A and 5B.
  • sealing material 13 is introduced into the channels between the multi-layered fields of electrode material 31 and membrane material 29, which are arranged on the moving in the transport direction 36 band-shaped carrier 7 of second carrier layer 6 and gas diffusion layer 5.
  • a third carrier layer 15 is unwound as a roll and placed on the in the transport direction 36 further moving half-MEA's 40 to obtain the intermediate product according to Figures 7A and 7B.
  • the tape-like contiguous half-MEAs 40 thus obtained are wound onto a seventh roll 41 or further processed directly.
  • Figure 13 shows schematically a continuous roll-to-roll process by which the membrane-electrode assemblies of Figures 8A-9B are made.
  • the third support layer 15 is removed and wound on two other rollers 44, 45 respectively.
  • the remaining half-MEAs 40 according to FIGS. 8A and 8B are unwound in the transport direction 36 from the two opposing rollers 42, 43 in such a way that the membrane layer fields of membrane material 29 are opposite each other.
  • Each two half-MEAs 40 are then connected to one another in order to obtain band-shaped interconnected membrane-electrode units 46 according to FIGS. 9A and 9B.
  • the membrane-electrode units 46 have the layer sequence first gas diffusion layer 19, first electrode layer 20, overall membrane 18, second electrode layer 21 and second gas diffusion layer 22.
  • the band-shaped interconnected membrane-electrode units 46 can be wound with carrier layers 48, 49 on a bearing roller 47 or isolated by a (not shown) cutting device.
  • FIG. 14 shows a schematic sectional view of an embodiment of a fuel cell assembly with a membrane-electrode unit produced according to the method according to the invention.
  • the membrane-electrode assembly 50 comprises five layers, a first gas diffusion layer 19, a first electrode layer 20, a membrane 18, a second electrode layer 21 and a second gas diffusion layer 22.
  • the membrane 18 is larger than the electrode layers 20, 21 and protrudes thereover out.
  • the membrane-electrode assembly 50 further includes a seal 51 surrounding the periphery of the membrane-electrode assembly.
  • the gasket 51 was made by introducing flowable gasket material into channels wherein the channels were bounded on one side by the edges 52 of the electrode layers 20, 21 and the membrane layers contained in the membrane 18 and the gasket material distributed therein by self-assembly. Therefore, the seal lies gap-free at the edges 52. Furthermore, the sealing material was introduced into the pores of the gas diffusion layers 19, 22, so that the areas 53 impregnated with sealing material were formed. The gasket 51 thereby extends the full thickness of the membrane-electrode assembly 50. The membrane-electrode assembly 50 is disposed between two bipolar plates 54, 55 to complete the fuel cell assembly.
  • a plurality of cells are stacked in electrical order with each other separated by an impermeable, electrically-conductive, bipolar plate, referred to as a bipolar plate 54, 55.
  • the bipolar plate 54, 55 connects two cells mechanically and electrically. Since the voltage of a single cell is in the range of 1V, it is necessary for practical applications to switch numerous cells in series. Often, up to 400 cells are stacked separately by bipolar plates 54, 55. The cells are stacked on top of each other in such a way that the oxygen side of one cell is connected to the hydrogen side of the next cell via the bipolar plate 54, 55.
  • the bipolar plate 54, 55 fulfills several functions.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Membran- Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle mit den Verfahrensschritten: A) Das Herstellen mindestens eines mehrschichtigen Feldes auf einem Träger, wobei das mindestens eine mehrschichtige Feld mindestens eine Elektrodenschicht und mindestens eine Membranschicht umfasst, wobei das mindestens eine mehrschichtige Feld so auf den Träger aufgebracht wird, dass das mindestens eine mehrschichtige Feld durch Kanäle auf dem Träger umgeben ist, die zumindest einseitig durch Ränder des mindestens einen mehrschichtigen Feldes begrenzt werden und B) Einbringen eines fließfähigen, aushärtbaren Dichtungsmaterials in die Kanäle, das sich dort verteilt, zum Erzeugen einer die Ränder des mindestens einen mehrschichtigen Feldes umgebenen Dichtung.

Description

Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Herstellungsverfahren für Membran-Elektroden- Einheiten (MEA's), bei dem Dichtungen zur zuverlässigen Abdichtung der Membran- Elektroden-Einheiten erzeugt werden.
Brennstoffzellen sind Energiewandler, die chemische Energie in elektrische Energie umwandeln. In einer Brennstoffzelle wird das Prinzip der Elektrolyse umgekehrt. Dabei werden ein Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) und ein Oxidationsmittel (zum Bei- spiel Sauerstoff) örtlich voneinander getrennt an zwei Elektroden in elektrischen Strom, Wasser und Wärme umgewandelt. Man kennt heute verschiedene Arten von Brennstoffzellen, die sich im Allgemeinen in der Betriebstemperatur voneinander unterscheiden. Der Aufbau der Zellen ist aber prinzipiell bei allen Typen gleich. Sie bestehen im Allgemeinen aus zwei Elektroden, einer Anode und einer Kathode, an denen die Reak- tionen ablaufen, und einem Elektrolyten zwischen den beiden Elektroden. Bei einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) wird als Elektrolyt eine Polymermembran eingesetzt, die Ionen (insbesondere H+-Ionen) leitet. Der Elektrolyt hat drei Funktionen. Er stellt den ionischen Kontakt her, verhindert den elektrischen Kontakt und sorgt außerdem für das Getrennthalten der den Elektroden zuge- führten Gase. Die Elektroden werden in der Regel mit Gasen versorgt, die im Rahmen einer Redoxreaktion umgesetzt werden. Die Elektroden haben die Aufgabe, die Gase (zum Beispiel Wasserstoff oder Methanol und Sauerstoff oder Luft) zuzuführen, Reaktionsprodukte wie Wasser oder CO2 abzuführen, die Edukte katalytisch umzusetzen und Elektronen ab- beziehungsweise zuzuführen. Die Umwandlung von chemischer in elektrische Energie findet an der Dreiphasengrenze von katalytisch aktiven Zentren (zum Beispiel Platin), lonenleitern (zum Beispiel lonenaustauscherpolymeren), Elektronenleitern (zum Beispiel Graphit) und Gasen (zum Beispiel H2 und O2) statt. Für die Katalysatoren ist eine möglichst große aktive Fläche entscheidend.
Das Herz einer PEM-Brennstoffzelle ist die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA - Membrane Electrode Assambly), ein Verbund aus einer mittig angeordneten Membran, die beidseitig von gegebenenfalls Katalysatoren enthaltenden Elektroden bedeckt ist, die wiederum von Gasdiffusionsschichten (GDL - Gas Diffusion Layer) belegt sind - also ein 5-Lagenverbund. In der Brennstoffzelle wird die MEA zwischen zwei Bipolarplatten montiert. Nach dem Einbau in eine Brennstoffzelle steht die Membran- Elektroden-Einheit anodenseitig mit dem Brenngas und kathodenseitig mit dem Oxida- tionsmittel in Kontakt. Die Polymerelektrolytmembran trennt die Bereiche, in denen sich Brenngas bzw. Oxidationsmittel befinden, voneinander. Um zu verhindern, dass Brenngas und Oxidationsmittel direkt miteinander in Kontakt kommen können, was explosionsartige Reaktionen hervorrufen könnte, muss eine verlässliche Abdichtung der Gasräume voneinander gewährleistet sein. Daher ist ein Dichtungskonzept erforderlich, das einen Gasaustausch entlang der Ränder der Membran verhindert.
Im Stand der Technik sind diverse Dichtungskonzepte bekannt, zum Beispiel aus WO 02/093669 A2 oder US 5,523,175 A. In WO 98/33225 A1 wird beispielsweise ein Verfahren beschrieben, durch das um den Umfang der Membran-Elektroden-Einheit ein Dichtrand ausgebildet wird, der die Membran und die Elektroden bzw. die Elektroden gasdicht miteinander verbindet und der außerdem gasdicht mit einer Bipolarplatte verbunden werden kann. Der Dichtrand wird hergestellt, indem ein Dichtmittel, beispiels- weise ein Kunststoff oder ein Gemisch von Kunststoffen, in Randbereiche der Elektroden am Umfang der Membran-Elektroden-Einheit eindringt, so dass die Poren der Elektroden im Wesentlichen gefüllt werden und kein Gas mehr durchlassen. Der Kunststoff, bevorzugt ein Thermoplast oder ein aushärtbarer, flüssiger Kunststoff von niedriger Viskosität kann durch Kapillarwirkung in die Elektroden eindringen und anschlie- ßend ausgehärtet werden, oder es kann ein Kunststoff in flüssiger Form, d.h. geschmolzen, unausgehärtet oder in einem Lösungsmittel gelöst, mit der Elektroden, gegebenenfalls durch Anwendung des erforderlichen Drucks (bevorzugt bis etwa 200 bar) und/oder erhöhter Temperatur in einer geeigneten Vorrichtung verpresst werden, und die Poren der Elektrode auf diese Weise gefüllt werden.
EP 1 018 177 B1 bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Membran- Elektroden-Einheit (MEA) mit elastischen integralen Dichtungen, bei dem die MEA im Inneren einer Form platziert wird, wobei die Form offene Kanäle aufweist. Dann wird ein fließend verarbeitbares elektrisch isolierendes Dichtungsmaterial in die Form ein- gebracht. Das Dichtungsmaterial wird durch die Kanäle zu den gewünschten Dichtungsbereichen der MEA geführt. Dabei dienen die Kanäle außerdem als Formoberflächen zum Bilden von einer oder mehreren erhabenen Rippen oder Wülsten und zum Imprägnieren von wenigstens einem Teil der Elektrodenschichten der MEA mit dem Dichtungsmaterial in den Dichtungsbereichen. Des Weiteren dienen die Kanäle zum Führen des Dichtungsmaterials derart, dass es sich lateral über den Membran- Elektroden-Aufbau hinaus erstreckt, wodurch ein Randbereich des Membran- Elektroden-Aufbaus umschlossen wird. Das Dichtungsmaterial wird gehärtet, um die elastische integrale Dichtung zu bilden, wobei die elastische integrale Dichtung des Weiteren die wenigstens eine oder die mehreren erhabenen Rippen oder Wülste bein- haltet. Anschließend kann die MEA aus der Form entnommen werden. Ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer Dichtung für eine MEA ist Gegenstand der WO 2005/008818 A2. Dabei werden die Elektrodenflächen in einem Bereich ihres Anliegens am Umfang der Membran mit einem sie durchdringenden Oberflächentensid beschichtet und die Kantenflächen der MEA umlaufend von einem aushärtbaren Dichtmittel bedeckt. Das Dichtmittel penetriert ausgehend von den Kantenflächen die mit dem Oberflächentensid beschichteten Bereiche der Elektroden. Durch das Oberflächentensid wird für die damit behandelten Bereiche die Benetzbarkeit deutlich erhöht und infolge dessen das Aufbringen des Dichtmittels erleichtert und sein Anhaften ver- bessert.
Die im Stand der Technik bekannten Verfahren haben jedoch häufig den Nachteil, dass sie nicht für eine einfache und effiziente Massenproduktion geeignet sind. Die vorgeschlagenen Prozesse sind meist getaktet mit langen Wartezeiten und/oder es handelt sich um sehr komplizierte und vielstufige Prozesse.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und insbesondere bei der Herstellung einer Membran-Elektroden- Einheit eine zuverlässige Abdichtung bei einfacher und effizienter Fertigung zu gewähr- leisten. Die Kontinuität der Produktion einer Vielzahl von Membran-Elektroden- Einheiten soll verbessert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle mit den Verfahrensschritten
A) Herstellen mindestens eines mehrschichtigen Feldes auf einem Träger, wobei das mindestens eine mehrschichtige Feld mindestens eine Elektrodenschicht und mindestens eine Membranschicht umfasst, wobei das mindestens eine mehrschichtige Feld so auf den Träger aufgebracht wird, dass das mindestens eine mehrschichtige Feld durch Kanäle auf dem Träger umgeben ist, die zumindest einseitig durch Ränder des mindestens einen mehrschichtigen Feldes begrenzt werden und
B) Einbringen eines fließfähigen, aushärtbaren Dichtungsmaterials in die Kanäle, das sich dort verteilt, zum Erzeugen einer die Ränder des mindestens einen mehrschichtigen Feldes umgebenen Dichtung.
Das mehrschichtige Feld umfasst dabei mindestens zwei übereinander liegende
Schichten, besonders bevorzugt besteht es aus einer Elektrodenschicht und einer Membranschicht. Das mehrschichtige Feld kann bei dem erfindungsgemäßen Verfah- ren aber auch einen Großteil der Schichten oder alle Schichten der abzudichtenden Membran-Elektroden-Einheit umfassen, zum Beispiel eine Anodenschicht, eine Membranschicht und eine Kathodenschicht oder eine erste Gasdiffusionsschicht, eine Anodenschicht, eine Membranschicht, eine Kathodenschicht und eine zweite Gasdiffusi- onsschicht.
Die Elektrodenschicht enthält bei der vorliegenden Erfindung zumindest einen oder mehrere Elektrokatalysatoren. Sie enthält vorzugsweise ein Trägermaterial wie Ruß oder Graphit und einen oder mehrere Elektrokatalysatoren. Sie enthält gegebenenfalls weitere Bestandteile, zum Beispiel ein lonomer. Die Menbranschicht enthält Polymerelektrolytmaterialien. Üblicherweise wird ein Tetrafluorethylenfluorvinylether-copolymer mit Säurefunktionen, insbesondere Sulfonsäuregruppen, verwendet. Ein solches Material wird beispielsweise unter dem Handelsnamen Nafion® von E. I. Du pont vertrieben. Beispiele für Membranmaterialien, die für die vorliegende Erfindung zur Verwendung kommen können, sind folgende Polymermaterialien und Mischungen daraus:
Nafion® (DuPont; USA) per- und/oder teilfluorierte Polymere wie "Dow Experimental Membrane" (Dow Chemicals, USA), - Aciplex-S® (Asahi Chemicals, Japan),
Raipore R-1010 (PaII Rai Manufacturing Co., USA),
Flemion (Asahi Glas, Japan),
Raymion® (Chlorine Engineering Corp., Japan).
Es sind jedoch auch andere, insbesondere im Wesentlichen fluorfreie Membranmaterialien einsetzbar, zum Beispiel sulfonierte Phenol-Formaldehydharze (linear oder verknüpft); sulfoniertes Polystyrol (linear oder verknüpft); sulfonierte Poly-2,6-diphenyl-1 ,4- phenylenoxide, sulfonierte Polyarylethersulfone, sulfonierte Polyarylenethersulfone, sulfonierte Polyaryletherketone, phosphonierte Poly-2,6-dimethyl-1 ,4-phenylenoxide, sulfonierte Polyetherketone, sulfonierte Polyetheretherketone, Arylketone oder PoIy- benzimidazole.
Außerdem finden solche Polymermaterialien Anwendung, die folgende Bestandteile (oder Mischungen daraus) enthalten: Polybenzimidazol-Phosphorsäure, sulfonierte Polyphenylene, sulfoniertes Polyphenylensulfid und polymere Sulfonsäuren des Typs Polymer-SO3X (X = NH4 +, NH3R+, NH2R2 +, NHR3 +, NR4 +).
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein mehrschichtiges Feld vorzugsweise durch das Aufbringen eines Membranschichtfeldes auf eine Trägerschicht und ein an- schließendes Aufbringen eines Elektrodenschichtfeldes auf das Membranschichtfeld hergestellt. Als Trägerschicht wird vorzugsweise eine Trägerfolie verwendet, insbesondere eine Folie aus Polyester, Polyethylen, Polyethylenterephthalat (PET), Polytetra- fluorethylen (PTFE), Polypropylen (PP), Polyvinylchlorid (PVC), Polycarbonat, Polyamid, Polyimid, Polyurethan oder aus vergleichbaren Folienmaterialien. Die Träger- schicht hat vorzugsweise eine Dicke zwischen 10 und 250 μm, besonders bevorzugt zwischen 90 und 110 μm.
Das Aufbringen des Membranschichtfeldes auf den Träger erfolgt nach dem Fachmann bekannten Verfahren, zum Beispiel durch Rakel-, Sprüh-, Gieß-, Druck- oder Extrusi- onsverfahren. Anschließend wird das Membranschichtfeld getrocknet. Das Aufbringen des Elektrodenschichtfeldes auf das Membranschichtfeld kann ebenfalls nach dem Fachmann bekannten Verfahren erfolgen. Beispielsweise kann das Membranschichtfeld mit einer katalysatorhaltigen Tinte beschichtet werden. Die Tinte ist dabei eine einen Elektrokatalysator enthaltende Lösung, die weitgehend flüssig oder gegebenen- falls pastenförmig ist. Sie wird beispielsweise durch Drucken, Sprühen, Rakeln oder Walzen auf das Membranschichtfeld voll- oder teilflächig aufgebracht. Anschließend wird das Elektrodenschichtfeld getrocknet.
Geeignete Trocknungsverfahren für die einzelnen Schichten des mehrschichtigen FeI- des sind zum Beispiel Heißlufttrocknung, Infrarottrocknung, Mikrowellentrocknung, Plasmaverfahren oder Kombinationen aus diesen Verfahren.
Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte mehrschichtige Feld kann noch weitere Schichten enthalten, beispielsweise eine Gasdiffusionsschicht.
Der Träger ist bei der vorliegenden Erfindung vorzugsweise eben ausgebildet, so dass das mehrschichtige Feld auf einer ebenen Oberfläche aufgebracht wird.
Auf dem Träger ist das mehrschichtige Feld erfindungsgemäß entlang seines Umfangs mit Kanälen umgeben, die zumindest einseitig durch die Ränder eines mehrschichtigen
Feldes begrenzt werden. Ein Kanal ist in diesem Zusammenhang ein vorgegebener
Fließweg für das einzubringende Dichtungsmaterial, der entlang des mehrschichtigen
Feldes verläuft und dessen Tiefe mindestens der Dicke des mehrschichtigen Feldes entspricht. Ein Kanal kann zum Beispiel auf der einen Seite von dem Rand (den Kan- tenflächen) eines ersten mehrschichtigen Feldes und auf der anderen Seite von dem
Rand (den Kantenflächen) eines zweiten mehrschichtigen Feldes begrenzt werden, während seine Unterseite durch den Träger gebildet wird und er nach oben offen ist.
Ein Kanal kann aber auch nur einseitig von einem mehrschichtigen Feld und ansonsten durch mindestens ein anderes Begrenzungselement auf dem Träger begrenzt werden. Erfindungsgemäß wird in die Kanäle ein fließfähiges, aushärtbares Dichtungsmaterial eingebracht. Das fließfähige Dichtungsmaterial verteilt sich in den Kanälen (Selbstorganisation), wobei es die Kanäle vorzugsweise gleichmäßig ausfüllt. Das Dichtungsmaterial verbindet sich dabei vorzugsweise mit den Rändern der an die Kanäle grenzen- den mehrschichtigen Felder, so dass eine die Ränder des mindestens einen mehrschichtigen Feldes umgebende Dichtung erzeugt wird. Das Dichtungsmaterial kann zum Beispiel in die Kanäle gegossen oder nach einem beliebigen anderen, dem Fachmann bekannten Verfahren in die Kanäle eingebracht werden. Die am Ende des erfindungsgemäßen Verfahrens vorliegende elastische Dichtung umgibt insbesondere die Elektrodenschicht und die Membranschicht spaltfrei, ohne dass ein exaktes und daher aufwendiges Positionieren des Dichtungsmaterials erforderlich ist, dadurch dass die Selbstorganisation ausgenutzt wird. Vorzugsweise haftet das Dichtungsmaterial an dem Membranmaterial.
Als Dichtungsmaterialien werden für das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise Polymermaterialien verwendet, insbesondere Polyethylene, Polypropylene, Polyamide, Epoxidharze, Silikone, Teflon (Dispersion), Polyvinylidendifluorid (PVDF), Polysulfone, Polyetheretherketone (PEEK), UV- und thermisch aushärtbare Acrylate oder Polyesterharze.
Vorzugsweise ist das Dichtungsmaterial ein Material, das gut an den Materialien der Membran-Elektroden-Einheit, insbesondere an dem Material der Membranschicht haftet. Beispielsweise kann als Dichtungsmaterial ein Schmelzkleber verwendet werden, wie er in DE 199 26 027 A1 offenbart ist, der ionische oder stark polare Gruppen zur Erzeugung einer Oberflächenwechselwirkung mit den ionischen Gruppen der Polymerelektrolytmembran und damit einer hohen Haftwirkung enthält.
Nach dem Einbringen des Dichtungsmaterials in die Kanäle wird es verfestigt, zum Beispiel durch Trocknen, Vernetzen (z.B. durch UV-Strahlung) oder Abkühlen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das mindestens eine mehrschichtige Feld so hergestellt, dass die mindestens eine Elektrodenschicht und die mindestens eine Membranschicht bündig miteinander abschließen oder dass die Membranschicht größer als die Elektrodenschicht ist. Besonders bevorzugt ist die Membranschicht größer als die Elektrodenschicht. Dies hat den Vorteil, dass beim Aufbringen des Elektrodenschichtfelds auf das Membranschichtfeld kein sehr exaktes Positionieren des Elektrodenschichtfelds erforderlich ist. Das Membranschichtfeld sollte jedoch über das damit verbundene Elektrodenschichtfeld überstehen. Daraus ergibt sich unter anderem der Vorteil einer sichergestellten elektrischen Isolation der Elektro- denschicht durch die Membranschicht gegenüber einer weiteren, auf der anderen Seite der Membranschicht anzuordnenden Elektrodenschicht. Ferner kann sich das Dichtungsmaterial mit dem überstehenden Bereich am Rand der Membranschicht verbinden.
Im Bereich der Ränder des mehrschichtigen Feldes kann bei der vorliegenden Erfindung vor dem Einbringen des Dichtungsmaterials ein Benetzungsverbesserer aufgetragen werden, der eine Verbesserung der Benetzung der Ränder durch das Dichtungsmaterial bewirkt. Ein solcher Benetzungsverbesserer ist beispielsweise ein Lösungsmittel für das verwendete Dichtungsmaterial, mit dem die Randbereiche des mehrschichtigen Feldes benetzt werden. Ein weiterer möglicher Benetzungsverbesserer ist beispielsweise ein Oberflächentensid, wie es in WO 2005/008818 A2 beschrieben wird, insbesondere ein Fluortensid. Die durch das Oberflächentensid behandelten Bereiche weisen eine deutlich erhöhte Benetzbarkeit auf. Dadurch wird das Aufbringen des Dichtungsmittels erleichtert und sein Anhaften verbessert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens verteilt sich das Dichtungsmaterial in den Kanälen und wird dabei zusätzlich im Bereich der Kanäle in Poren einer Gasdiffusionsschicht eingebracht. Die Gasdiffusionsschicht ist gasdurchlässig und porös und dient in einer PEM-Brennstoffzelle dazu, die Reakti- onsgase nahe an die Polymerelektrolytmembran zu führen.
Die Gasdiffusionsschicht kann bei der vorliegenden Erfindung beispielsweise gemeinsam mit einer Trägerfolie einen Träger bilden, auf dem mindestens ein mehrschichtiges Feld angeordnet wird, beispielsweise ein Feld mit einer Elektrodenschicht und einer Membranschicht. An das Feld grenzen Kanäle, die auf der Gasdiffusionsschicht entlang des Feldes verlaufen. Die Gasdiffusionsschicht kann jedoch auch als Gasdiffusi- onsschichtfeld als Teil des mehrschichtigen Feldes vorliegen, wobei die Ränder des Gasdiffusionsschichtfeldes (gemeinsam mit den Rändern der anderen Schichten des mehrschichtigen Feldes) Kanäle einseitig begrenzen, die erfindungsgemäß mit Dich- tungsmaterial gefüllt werden. Indem man das Dichtungsmaterial in die Poren der Gasdiffusionsschicht (aufgrund der Kapillarwirkung) eindringen lässt und sie daher mit Dichtungsmaterial in diesem Bereich imprägniert, erzeugt man eine über den Rand des mehrschichtigen Feldes hinausragende Dichtung, die auch die Gasdiffusionsschicht einschließt und diese in einem Teilbereich zumindest weitgehend durchdringt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die Schritte:
i) Herstellen mindestens zweier Halb-Membran-Elektroden-Einheiten (Halb-MEA's) jeweils durch Herstellen eines mehrschichtigen Feldes mit einer Membranschicht und einer Elektrodenschicht auf einem Träger aus einer Gasdiffusionsschicht und einer Trägerschicht und Einbringen des Dichtungsmaterials in die das mehrschichtige Feld umgebenen Kanäle und
ii) Verbinden zweier Halb-Membran-Elektroden-Einheiten (Halb-MEA's) durch das Verbinden der Membranschichten der zwei Halb-Membran-Elektroden-Einheiten (Halb-MEA's) zum Erhalten einer Membran-Elektroden-Einheit.
Gemäß diesem Verfahren wird eine Membran-Elektroden-Einheit (umfassend zumin- dest die 5 Schichten Gasdiffusionsschicht, Elektrode, Membran, Elektrode, Gasdiffusionsschicht aus zwei halben Membran-Elektroden-Einheiten (Halb-MEA's) (umfassend zumindest die drei Schichten Gasdiffusionsschicht, Elektrode, Membran) hergestellt. Dabei bilden die jeweils an den Halb-MEA's nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Dichtungen gemeinsam eine Dichtung der Membran-Elektroden-Einheit.
Das Verbinden der Membranschichten der zwei Halb-MEA's kann durch dem Fachmann geläufige Verfahren erfolgen, zum Beispiel durch Heißpressen, Laminieren, La- minieren mit zusätzlicher Lösungsmittelapplikation oder Ultraschallschweißen. Das Verbinden erfolgt vorzugsweise durch Verpressen unter Anwendung von Hitze und/oder Druck, zum Beispiel unter Verwendung von Laminierwalzen. Die Temperatur beträgt dabei vorzugsweise zwischen 60 °C und 250 °C und der Druck vorzugsweise zwischen 0,1 und 100 bar. Beim Verbinden der beiden Halb-MEA's wird aus den beiden Membranschichten eine Gesamt-Membranschicht, die auf der einen Seite die A- nodenschicht und eine Gasdiffusionsschicht und auf der anderen Seite die Kathoden- schicht und eine Gasdiffusionsschicht aufweist. Bei dem Verbinden der Halb-MEA's können sich auch die Dichtungen der beiden Halb-MEA's zu einer Gesamtdichtung verbinden oder sie liegen in der resultierenden Membran-Elektroden-Einheit zumindest gasdicht aneinander an.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Vielzahl voneinander durch Kanäle getrennter mehrschichtiger Felder
a) mit jeweils einer Membranschicht und einer Elektrodenschicht auf einem gemeinsamen Träger aus einer Trägerschicht und einer Gasdiffusionsschicht oder
b) mit jeweils einer Membranschicht, einer Elektrodenschicht und einer Gasdiffusionsschicht auf einem gemeinsamen Träger aus einer Trägerschicht
hergestellt. Im Falle a) ist die Gasdiffusionsschicht Teil des Trägers, im Fall b) Teil des mehrschichtigen Feldes. Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfah- rens begrenzen benachbarte mehrschichtige Felder die Kanäle seitlich und im Fall a) bildet ein Teil der Gasdiffusionsschicht und im Fall b) ein Teil der Trägerschicht die untere Seite der Kanäle.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird auf dem Träger mindestens ein zusätzliches Begrenzungselement aufgebracht, das mindestens einen der Kanäle einseitig begrenzt. Die Begrenzungselemente können zum Beispiel Begrenzungsstreifen sein, die parallel und beabstandet zu den Rändern der mehrschichtigen Felder verlaufen. Die Begrenzungselemente können zum Beispiel aus demselben Ma- terial und in demselben Arbeitsschritt wie die Membranschicht hergestellt werden. Ihre Dicke sollte mindestens der Dicke des mehrschichtigen Feldes entsprechen.
Die mehrschichtigen Felder sind bei der vorliegenden Erfindung vorzugsweise viereckig, besonders bevorzugt quadratisch oder rechteckig.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Einheit hat unter anderem den Vorteil, dass es als wenig aufwendiges, kostengünstiges, kontinuierliches Rolle-zu-Rolle-Verfahren durchgeführt werden kann. Dazu liegen zum Beispiel die Trägerschicht und gegebenenfalls die Gasdiffusionsschicht als Bänder auf jeweils einer Rolle vor. Die damit hergestellten Halb-MEA's können ebenfalls auf Rollen aufgewickelt werden. Alle Arbeitsschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens sind mit kontinuierlichen Rolle-zu-Rolle-Verfahren vereinbar. Insbesondere das Verteilen des Dichtungsmaterials durch Selbstorganisation in den Kanälen zwischen den mehrschichtigen Feldern macht ein getaktetes Verfahren überflüssig, wie dies im Stand der Technik häufig zum Aufstecken oder Auflegen von Dichtungen oder zum Einfügen und Herausnehmen aus Formen unvermeidbar ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Dichtungsmaterial mittels Gießvorrichtungen in die Kanäle gegossen, wobei die Gießvorrichtungen das Dichtungsma- terial kontinuierlich abgeben oder periodisch bestimmte Mengen an Dichtungsmaterial abgeben. Diese Ausführungsform ermöglicht ebenfalls ein kontinuierliches Rolle-zu- Rolle-Verfahren, bei dem sich zum Beispiel ein Trägerband mit mehrschichtigen Feldern und diese umschließenden Kanäle gleichförmig unter den Gießvorrichtungen hindurchbewegen. Kanäle in Längsrichtung des Bandes (Transportrichtung) können dabei durch eine in einer festen Richtung kontinuierlich Dichtungsmaterial abgebende Gießvorrichtung mit dem Dichtungsmaterial gefüllt werden. In Querrichtung zu der Transportrichtung des Bandes verlaufende Kanäle können durch in Querrichtung verschwenkte schmale Gießvorrichtungen oder durch feststehende, periodisch Dichtungsmaterial abgebende breite Gießvorrichtungen mit Dichtungsmaterial gefüllt wer- den. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in einem kontinuierlichen Verfahren zum Herstellen einer Vielzahl von voneinander beabstande- ten mehrschichtigen Feldern auf einem Träger eine Vielzahl von Membranschichtfel- dem in Viereckform auf eine bandförmige erste Trägerschicht aufgebracht, je ein Elekt- rodenschichtfeld auf die Membranschichtfelder aufgebracht, eine bandförmige Gasdiffusionsschicht als geschlossene Lage mit den Elektrodenschichtfeldern verbunden, eine bandförmige zweite Trägerschicht auf die Gasdiffusionsschicht aufgebracht und die bandförmige erste Trägerschicht von den mehrschichtigen Feldern entfernt. Nach dem Wenden der so hergestellten Schichtanordnung, so dass sich die bandförmige zweite Trägerschicht auf der Unterseite und die Membranschichtfelder auf der Oberseite befinden, wird das Dichtungsmaterial von oben erfindungsgemäß in die Kanäle eingebracht, in denen es sich dann (vorzugsweise gleichmäßig) verteilt.
Vorzugsweise wird also eine Vielzahl von zumindest über die Dichtung miteinander verbundenen Membran-Elektroden-Einheiten hergestellt, die durch einen Schnitt durch die Dichtung vereinzelt werden können. Falls die Dichtung zwischen zwei Membran- Elektroden-Einheiten verläuft, kann sie zum Beispiel mittig durchgeschnitten werden, so dass jeweils eine Dichtungshälfte zu einer Membran-Elektroden-Einheit gehört.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung nachstehend näher erläutert.
Es zeigen:
Figuren 1A und 1 B eine erste Trägerschicht mit einer Vielzahl von Membranschichtfeldern und Begrenzungsstreifen bei der Herstellung einer Membran- Elektroden-Einheit nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,
Figuren 2A und 2B eine erste Trägerschicht mit einer Vielzahl von mehrschichtigen Feldern aus Membranschicht und Elektrodenschicht bei der Herstellung einer Membran-Elektroden-Einheit nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,
Figuren 3A und 3B eine Gasdiffusionsschicht, die als Lage auf den mehrschichtigen Feldern angeordnet ist bei der Herstellung einer Membran-Elektroden- Einheit nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, Figuren 4A und 4B eine zweite Trägerschicht auf der Gasdiffusionsschicht bei der Herstellung einer Membran-Elektroden-Einheit nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,
Figuren 5A und 5B mehrschichtige Felder aus Elektrodenschicht und Membranschicht auf einem Träger aus Gasdiffusionsschicht und zweiter Trägerschicht bei der Herstellung einer Membran-Elektroden-Einheit nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,
Figuren 6A und 6B das in den Kanälen verteilte Dichtungsmaterial bei der Herstellung einer Membran-Elektroden-Einheit nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,
Figuren 7A und 7B eine dritte Trägerschicht auf einer Vielzahl von miteinander verbundenen Halb-MEA's bei der Herstellung einer Membran-Elektroden- Einheit nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,
Figuren 8A und 8B die Vielzahl von miteinander verbundenen Halb-MEA's ohne die dritte Trägerschicht bei der Herstellung einer Membran-Elektroden-Einheit nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,
Figuren 9A und 9B eine Vielzahl von miteinander verbundenen Membran-Elektroden- Einheiten nach dem Verbinden der Membranschichten der HaIb- MEAS's bei der Herstellung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,
Figuren 10A und 10B die Schnittlinien zum Vereinzeln der Membran-Elektroden-Einheiten bei der Herstellung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,
Figur 1 1 schematisch ein Rolle-zu-Rolle-Verfahren, durch das die Zwischenprodukte der erfindungsgemäß hergestellten Membran-Elektroden- Einheiten gemäß Figuren 1A bis 4B hergestellt werden, Figur 12 schematisch ein Rolle-zu-Rolle-Verfahren, durch das die Halb-MEA's gemäß Figuren 5A bis 7B hergestellt werden,
Figur 13 schematisch ein Rolle-zu-Rolle-Verfahren, durch das die Membran- Elektroden-Einheiten gemäß Figuren 8A bis 9B hergestellt werden und
Figur 14 eine Ausführungsform eines Brennstoffzellenaufbaus mit einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Membran- Elektroden-Einheit.
Figur 1A zeigt ein erstes Zwischenprodukt bei der Herstellung von Membran- Elektroden-Einheiten gemäß der vorliegenden Erfindung.
Es werden zur Herstellung dieses Zwischenprodukts Membranschichtfelder 1 und streifenförmige Begrenzungselemente 2 auf eine erste Trägerschicht 3 aufgebracht. Das Membranschichtmaterial (zum Beispiel eine sPEEK-Gießlösung - sulfoniertes PoIy- etheretherketon) wird dazu zum Beispiel jeweils in Rechteckform als Membranschicht- feld 1 auf die Trägerfolie (zum Beispiel aus PET) gegossen.
Das Gießen der Membranschichtfelder 1 kann durch periodisches Gießen und Stoppen dreier parallel und beabstandet zueinander angeordneter, breiter Gießvorrichtungen erfolgen (nicht dargestellt).
Auf die erste Trägerschicht 3 werden ferner streifenförmige Begrenzungselemente (zum Beispiel ebenfalls aus sPEEK) aufgetragen, die in Längsrichtung der ersten Trägerschicht verlaufen und dicker als die Membranschichtfelder 1 sind. Die Membranschichtfelder 1 und die Begrenzungselemente 2 müssen nach dem Auftragen auf die erste Trägerschicht 3 getrocknet werden.
In Figur 1 B ist das Zwischenprodukt aus Figur 1 A im Schnitt zu sehen.
Figur 2A zeigt ein zweites Zwischenprodukt bei der Herstellung von Membran- Elektroden-Einheiten gemäß der vorliegenden Erfindung.
Zur Herstellung dieses Zwischenprodukts werden auf die Membranschichtfelder 1 , die auf der ersten Trägerschicht 3 angeordnet sind, Elektrodenschichtfelder 4 aufgebracht, zum Beispiel per absatzweisem Rakeln oder per Siebdruck. Die Elektrodenschichtfel- der 4 gemäß Figur 2A sind rechteckig und kleiner als die Membranschichtfelder 1 , so dass die Membranschichtfelder 1 über die Elektrodenschichtfelder 4 hinausragen. Die Elektrodenschichtfelder 4 werden nach dem Auftragen auf die Membranschichtfelder 1 getrocknet.
In Figur 2B ist das Zwischenprodukt aus Figur 2A im Schnitt zu sehen.
Figur 3A zeigt ein drittes Zwischenprodukt bei der Herstellung von Membran- Elektroden-Einheiten gemäß der vorliegenden Erfindung.
Zur Herstellung dieses Zwischenprodukts wird auf die Elektrodenschichtfelder 4 eine Gasdiffusionsschicht 5 als volle Lage auflaminiert. Die Gasdiffusionsschicht 5 bedeckt alle Elektrodenschichtfelder 4 und die streifenförmigen Begrenzungselemente 2.
In Figur 3B ist das Zwischenprodukt aus Figur 3A im Schnitt zu sehen.
Figur 4A zeigt ein viertes Zwischenprodukt bei der Herstellung von Membran- Elektroden-Einheiten gemäß der vorliegenden Erfindung.
Zur Herstellung dieses Zwischenprodukts wird auf die Gasdiffusionsschicht 5 eine zweite Trägerschicht 6 (zum Beispiel aus PET) lose aufgelegt. Die zweite Trägerschicht 6 bedeckt die gesamte Gasdiffusionsschicht 5.
In Figur 4B ist das Zwischenprodukt aus Figur 4A im Schnitt zu sehen.
Figur 5A zeigt ein fünftes Zwischenprodukt bei der Herstellung von Membran- Elektroden-Einheiten gemäß der vorliegenden Erfindung.
Zur Herstellung dieses Zwischenprodukts wird das vierte Zwischenprodukt gemäß Figuren 4A und 4B umgedreht und die erste Trägerschicht 3 entfernt. Es bleiben dann ein Träger 7 aus zweiter Trägerfolie 6 und Gasdiffusionsschicht 5 übrig, auf dem die Begrenzungselemente 2 und die mehrschichtigen Felder 8 aus Elektrodenschicht 4 und Membranschicht 1 angeordnet sind. Die nach innen weisenden Ränder der Begrenzungselemente 2 und die Ränder 9 der mehrschichtigen Felder begrenzen eine Vielzahl von sich in Längsrichtung 10 und in Querrichtung 11 erstreckenden Kanälen 12, die auf der Gasdiffusionsschicht 5 verlaufen. Die etwas größeren Membranschichtfelder 1 sind nun über den etwas kleineren Elektrodenschichtfeldern 4 angeordnet.
In Figur 5B ist das Zwischenprodukt aus Figur 5A im Schnitt zu sehen. Figur 6A zeigt ein sechstes Zwischenprodukt (HaIb-MEA) bei der Herstellung von Membran-Elektroden-Einheiten gemäß der vorliegenden Erfindung.
Zur Herstellung dieses Zwischenprodukts wird erfindungsgemäß ein fließfähiges, aus- härtbares Dichtungsmaterial 13 in die Kanäle 12 eingebracht, wo es sich gleichmäßig verteilt. Das Einbringen des dünnflüssigen Dichtungsmaterials 13 kann bei einem in Längsrichtung 10 bewegten Träger 7 in die Kanäle 12 in Längsrichtung 10 durch einzelne Gießvorrichtungen oder andere Zulauftechniken erfolgen. Für das Einbringen von Dichtungsmaterial 13 in die in Querrichtung 1 1 verlaufenden Kanäle können zum Beispiel absatzweise (periodisch) arbeitende Gießvorrichtungen oder hin- und herschwenkende Zuläufe verwendet werden. Ein exaktes Ausrichten des Dichtungsmaterials 13 ist nicht notwendig, da die Selbstorganisation ausgenutzt wird.
Das Dichtungsmaterial 13 fließt in die Kanäle und benetzt auch die über die Elektro- denschichtfelder 4 überstehenden Randbereiche der Unterseiten der Membranschichtfelder 1. Ferner imprägniert die Dichtungsflüssigkeit 13 im Bereich der Kanäle 12 die Gasdiffusionsschicht 5, indem sie in die Poren der Gasdiffusionsschicht 5 eingebracht wird. Der imprägnierte Bereich der Gasdiffusionsschicht 5 ist in Figur 6B mit Bezugszeichen 14 gekennzeichnet. Das Dichtungsmaterial 13 wird anschließend verfestigt (zum Beispiel durch Trocknen, Vernetzen oder Abkühlen). Dann liegt eine elastische Dichtung vor, die ohne ein exaktes und damit mühsames Positionieren spaltfrei das Elektrodenschichtfeld 4 und das Membranschichtfeld 1 der jeweiligen HaIb-MEA umgibt.
In Figur 6B ist das Zwischenprodukt aus Figur 6A im Schnitt dargestellt.
Figur 7A zeigt das Zwischenprodukt aus Figur 6A, abgedeckt mit einer dritten Trägerschicht.
Falls das Zwischenprodukt aus Figur 6A aufgerollt oder gestapelt werden soll (zum Beispiel zur Zwischenlagerung), wird es zum Schutz mit einer dritten Trägerschicht 15 abgedeckt, die zur Weiterverarbeitung wieder entfernt wird (siehe Figuren 8A und 8B - entspricht dem Zwischenprodukt aus Figuren 6A und 6B).
In Figur 7B ist das Zwischenprodukt aus Figur 7A im Schnitt dargestellt.
Figur 9A zeigt ein siebtes Zwischenprodukt bei der Herstellung von Membran- Elektroden-Einheiten gemäß der vorliegenden Erfindung. Zur Herstellung dieses Zwischenprodukts werden je zwei Halb-MEA's durch das Verbinden ihrer Membranschichtfelder 16, 17 miteinander zu Membran-Elektroden- Einheiten verbunden. Die Membranschichtfelder 16, 17 verbinden sich dabei zu einer Gesamt-Membran 18. Das erhaltene Zwischenprodukt ist eine Lage aus unter ande- rem über das Dichtungsmaterial 13 zusammenhängenden 5-schichtigen Membran- Elektroden-Einheiten 25 (erste Gasdiffusionsschicht 19, erste Elektrodenschicht 20, Membran 18, zweite Elektrodenschicht 21 und zweite Gasdiffusionsschicht 22), die zwischen zwei Trägerschichten 23, 24 angeordnet ist.
In Figur 9B ist das Zwischenprodukt aus Figur 9A im Schnitt dargestellt.
Zum Vereinzeln der Membran-Elektroden-Einheiten 25 können Schnitte entlang der in Figuren 10A und 10B eingezeichneten Schnittlinien 26 dienen, die (vorzugsweise mittig) durch das Dichtungsmaterial 13 verlaufen. Dadurch wird eine Vielzahl von einzel- nen Membran-Elektroden-Einheiten erhalten, bei denen die Membran und die Elektroden nach außen zum Rand hin vollständig von dem Dichtungsmaterial 13 umgeben sind. Wenn zusätzlich noch die Gasdiffusionsschichten von dem Dichtungsmaterial 13 penetriert wurden, sind alle 5 Lagen der Membran-Elektroden-Einheit zum Rand hin abgedichtet. Beim Einbau zwischen zwei Bipolarplatten sind beide Gasräume der Brennstoffzelle folglich gasdicht voneinander getrennt.
Figur 1 1 zeigt schematisch ein kontinuierliches Rolle-zu-Rolle-Verfahren, mit dem die Zwischenprodukte gemäß Figuren 1A bis 4B hergestellt werden können.
Bei diesem Rolle-zu-Rolle-Verfahren, das in Transportrichtung 36 abläuft, liefert eine erste Rolle 27 eine erste Trägerschicht 3 als Rollenware. Eine erste Gießvorrichtung 28 gießt Membranschichtfelder aus Membranmaterial 29 (zum Beispiel sPEEK) auf die in Transportrichtung 36 bewegte erste Trägerschicht 3, um das Zwischenprodukt gemäß Figuren 1A und 1 B zu erhalten. Eine zweite Gießvorrichtung 30 gießt Elektroden- schichtfelder aus Elektrodenmaterial 31 auf die in Transportrichtung 36 weiter bewegten Membranschichtfelder, um das Zwischenprodukt gemäß Figuren 2A und 2B zu erhalten. Von einer zweiten Rolle 32 wird eine Gasdiffusionsschicht 5 als Rollenware abgewickelt und auf die in Transportrichtung 36 weiter bewegten Elektrodenschichtfel- der laminiert, um das Zwischenprodukt gemäß Figuren 3A und 3B zu erhalten. Von einer dritten Rolle 33 wird eine zweite Trägerschicht 6 als Rollenware abgewickelt und auf die in Transportrichtung 36 weiter bewegte Gasdiffusionsschicht 5 aufgelegt, um das Zwischenprodukt gemäß Figuren 4A und 4B zu erhalten. Das so erhaltene bandförmige erste MEA- Zwischenprodukt 34 kann, wie in Figur 1 1 dargestellt, auf eine vierte Rolle 35 aufgewickelt oder direkt weiterverarbeitet werden. Figur 12 zeigt schematisch ein kontinuierliches Rolle-zu-Rolle-Verfahren, mit dem die Zwischenprodukte gemäß Figuren 5A bis 7B hergestellt werden können.
Bei diesem Rolle-zu-Rolle-Verfahren wird das in einem Verfahren gemäß Figur 11 er- haltene erste MEA-Zwischenprodukt 34 von der vierten Rolle 35, die umgedreht wurde, in Transportrichtung 36 abgewickelt, so dass sich nun die erste Trägerschicht 3 auf der Oberseite befindet. Die erste Trägerschicht 3 wird von dem ersten MEA- Zwischenprodukt 34 entfernt, indem sie auf eine fünfte Rolle 37 aufgewickelt wird, um das Zwischenprodukt gemäß Figuren 5A und 5B zu erhalten. Mittels einer dritten Gieß- Vorrichtung 38 wird Dichtungsmaterial 13 in die Kanäle zwischen den mehrschichtigen Feldern aus Elektrodenmaterial 31 und Membranmaterial 29 eingebracht, die sich auf dem in Transportrichtung 36 bewegten bandförmigen Träger 7 aus zweiter Trägerschicht 6 und Gasdiffusionsschicht 5 angeordnet sind. Dadurch wird das Zwischenprodukt (bandförmig zusammenhängender Halb-MEA's 40) gemäß Figuren 6A und 6B erhalten. Von einer sechsten Rolle 39 wird eine dritte Trägerschicht 15 als Rollenware abgewickelt und auf die in Transportrichtung 36 weiter bewegten Halb-MEA's 40 aufgelegt, um das Zwischenprodukt gemäß Figuren 7A und 7B zu erhalten. Die so erhaltenen bandförmig zusammenhängenden Halb-MEA's 40 werden, wie in Figur 12 gezeigt, auf eine siebte Rolle 41 aufgewickelt oder direkt weiterverarbeitet.
Figur 13 zeigt schematisch ein kontinuierliches Rolle-zu-Rolle-Verfahren, durch das die Membran-Elektroden-Einheiten gemäß Figuren 8A bis 9B hergestellt werden.
Von zwei sich gegenüberliegenden Rollen 42, 43, die Halb-MEA's 40 wie die siebte Rolle 41 in Figur 12 enthalten, wird jeweils die dritte Trägerschicht 15 abgenommen und auf zwei weitere Rollen 44, 45 aufgewickelt. Die verbleibenden Halb-MEA's 40 gemäß Figuren 8A und 8B werden so von den zwei sich gegenüberliegenden Rollen 42, 43 in Transportrichtung 36 abgewickelt, dass sich jeweils die Membranschichtfeld aus Membranmaterial 29 gegenüberliegen. Je zwei Halb-MEA's 40 werden dann mit- einander verbunden, um bandförmig miteinander verbundene Membran-Elektroden- Einheiten 46 gemäß Figuren 9A und 9B zu erhalten. Die Membran-Elektroden- Einheiten 46 weisen die Schichtfolge erste Gasdiffusionsschicht 19, erste Elektrodenschicht 20, Gesamt-Membran 18, zweite Elektrodenschicht 21 und zweite Gasdiffusionsschicht 22 auf. Die bandförmig miteinander verbundenen Membran-Elektroden- Einheiten 46 können mit Trägerschichten 48, 49 auf eine Lagerrolle 47 aufgewickelt oder durch eine (nicht dargestellte) Schneidevorrichtung vereinzelt werden.
Figur 14 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines Brennstoffzellenaufbaus mit einer gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren herge- stellten Membran-Elektroden-Einheit. Die Membran-Elektroden-Einheit 50 umfasst fünft Schichten, eine erste Gasdiffusionsschicht 19, eine erste Elektrodenschicht 20, eine Membran 18, eine zweite Elektrodenschicht 21 und eine zweite Gasdiffusionsschicht 22. Die Membran 18 ist größer als die Elektrodenschichten 20, 21 und ragt über diese hinaus. Die Membran-Elektroden- Einheit 50 enthält ferner eine Dichtung 51 , die den Umfang der Membran-Elektroden- Einheit umgibt. Die Dichtung 51 wurde durch Einbringen von fließfähigem Dichtungsmaterial in Kanäle hergestellt, wobei die Kanäle einseitig von den Rändern 52 der E- lektrodenschichten 20, 21 und der in der Membran 18 enthaltenen Membranschichten begrenzt wurden und sich das Dichtungsmaterial darin durch Selbstorganisation verteilte. Daher liegt die Dichtung spaltfrei an den Rändern 52 an. Ferner wurde das Dichtungsmaterial dabei in die Poren der Gasdiffusionsschichten 19, 22 eingebracht, so dass die mit Dichtungsmaterial imprägnierten Bereiche 53 entstanden. Die Dichtung 51 erstreckt sich dadurch über die gesamte Dicke der Membran-Elektroden-Einheit 50. Die Membran-Elektroden-Einheit 50 ist zwischen zwei Bipolarplatten 54, 55 angeordnet, um den Brennstoffzellenaufbau zu vervollständigen. In einem (nicht dargestellten) Brennstoffzellen-Stack ist eine Vielzahl von Zellen in elektrischer Reihenfolge zueinander gestapelt, wobei sie voneinander durch eine impermeable, elektrisch-leitfähige, bipolare Platte getrennt sind, die als Bipolarplatte 54, 55 bezeichnet wird. Die Bipo- larplatte 54, 55 verbindet dabei zwei Zellen mechanisch und elektrisch. Da die Spannung einer einzelnen Zelle im Bereich von 1V liegt, ist es für praktische Anwendungen notwendig, zahlreiche Zellen hintereinander zu schalten. Häufig werden bis zu 400 Zellen durch Bipolarplatten 54, 55 getrennt aufeinander gestapelt. Die Zellen werden dabei so aufeinander gestapelt, dass die Sauerstoffseite der einen Zelle mit der Was- serstoffseite der nächsten Zelle über die Bipolarplatte 54, 55 verbunden ist. Die Bipolarplatte 54, 55 erfüllt dabei mehrere Funktionen. Sie dient zur elektrischen Verschal- tung der Zellen, zur Zuführung und Verteilung von Reaktanden (Reaktionsgasen) und Kühlmittel und zur Trennung der Gasräume. Durch die Dichtung 51 der zwischen den beiden Bipolarplatten 54, 55 eingebauten Membran-Elektroden-Einheit 50 werden die beiden Gasräume einer Brennstoffzelle gasdicht voneinander getrennt.
Bezuqszeichenliste
1 Membranschichtfelder 38 dritte Gießvorrichtung
2 Begrenzungselemente 39 sechste Rolle
3 erste Trägerschicht 40 Halb-MEA's
4 Elektrodenschichtfelder 41 siebte Rolle
5 Gasdiffusionsschicht 42 achte Rolle
6 zweite Trägerschicht 43 neunte Rolle
7 Träger 44 zehnte Rolle
8 mehrschichtige Felder 45 elfte Rolle
9 Ränder 46 Membran-Elektroden-Einheiten
10 Längsrichtung 47 Lagerrolle
1 1 Querrichtung 48 Trägerschicht
12 Kanäle 49 Trägerschicht
13 Dichtungsmaterial 50 Membran-Elektroden-Einheit
14 imprägnierter Bereich 51 Dichtung
15 dritte Trägerschicht 52 Ränder
16 erstes Membranschichtfeld 53 imprägnierte Bereiche
17 zweites Membranschichtfeld 54 erste Bipolarplatte
18 Gesamt-Membran 55 zweite Bipolarplatte
19 erste Gasdiffusionsschicht
20 erste Elektrodenschicht
21 zweite Elektrodenschicht
22 zweite Gasdiffusionsschicht
23 obere Trägerschicht
24 untere Trägerschicht
25 Membran-Elektroden-Einheiten
26 Schnittlinien
27 erste Rolle
28 erste Gießvorrichtung
29 Membranmaterial
30 zweite Gießvorrichtung
31 Elektrodenmaterial
32 zweite Rolle
33 dritte Rolle
34 erstes MEA-Zwischenprodukt
35 vierte Rolle
36 Transportrichtung
37 fünfte Rolle

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte
A) Das Herstellen mindestens eines mehrschichtigen Feldes auf einem Träger, wobei das mindestens eine mehrschichtige Feld mindestens eine E- lektrodenschicht und mindestens eine Membranschicht umfasst, wobei das mindestens eine mehrschichtige Feld so auf den Träger aufgebracht wird, dass das mindestens eine mehrschichtige Feld durch Kanäle auf dem Träger umgeben ist, die zumindest einseitig durch Ränder des mindestens einen mehrschichtigen Feldes begrenzt werden und
B) Einbringen eines fließfähigen, aushärtbaren Dichtungsmaterials in die Ka- näle, das sich dort verteilt, zum Erzeugen einer die Ränder des mindestens einen mehrschichtigen Feldes umgebenen Dichtung.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine mehrschichtige Feld so hergestellt wird, dass die mindestens eine Elektro- denschicht und die mindestens eine Membranschicht bündig miteinander abschließen oder dass die Membranschicht größer als die Elektrodenschicht ist.
3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Ränder des mehrschichtigen Feldes vor dem Einbringen des Dichtungsmaterials ein Benetzungsverbesserer aufgetragen wird, der eine Verbesserung der Benetzung der Ränder durch das Dichtungsmaterial bewirkt.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungsmaterial, das sich in den Kanälen verteilt, zusätzlich im Bereich der Kanäle in Poren einer Gasdiffusionsschicht eingebracht wird.
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch
i) Das Herstellen mindestens zweier Halb-Membran-Elektroden-Einheiten je- weils durch das Herstellen eines mehrschichtigen Feldes mit einer Membranschicht und einer Elektrodenschicht auf einem Träger aus einer Gasdiffusionsschicht und einer Trägerschicht und Einbringen des Dichtungsmaterials in die das mehrschichtige Feld umgebenen Kanäle und ii) Das Verbinden zweier Halb-Membran-Elektroden-Einheiten durch das Verbinden der Membranschichten der zwei Halb-Membran-Elektroden- Einheiten zum Erhalten einer Membran-Elektroden-Einheit.
6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl voneinander durch Kanäle getrennter mehrschichtiger Felder
a) mit jeweils einer Membranschicht und einer Elektrodenschicht auf einem gemeinsamen Träger aus einer Trägerschicht und einer Gasdiffusions- schicht oder
b) mit jeweils einer Membranschicht, einer Elektrodenschicht und einer Gasdiffusionsschicht auf einem gemeinsamen Träger aus einer Trägerschicht
hergestellt wird.
7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Träger mindestens ein zusätzliches Begrenzungselement aufgebracht wird, das mindestens einen der Kanäle einseitig begrenzt.
8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungsmaterial mittels Gießvorrichtungen in die Kanäle gegossen wird, wobei die Gießvorrichtungen das Dichtungsmaterial kontinuierlich abgeben oder periodisch bestimmte Mengen an Dichtungsmaterial abgeben.
9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem kontinuierlichen Verfahren zum Herstellen einer Vielzahl von voneinander beabstandeten mehrschichtigen Feldern auf einem Träger eine Vielzahl von Membranschichtfeldern in Viereckform auf eine bandförmige erste Trägerschicht aufgebracht wird, je ein Elektrodenschichtfeld auf die Membranschichtfelder aufgebracht wird, eine bandförmige Gasdiffusionsschicht als geschlossene Lage mit den Elektrodenschichtfeldern verbunden wird, eine bandförmige zweite Trägerschicht auf die Gasdiffusionsschicht aufgebracht wird und die bandförmige erste Trägerschicht von den mehrschichtigen Feldern entfernt wird.
10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von zumindest über die Dichtung bandförmig miteinander verbundenen Membran-Elektroden-Einheiten hergestellt werden, die durch einen Schnitt durch die Dichtung vereinzelt werden.
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