WO2012163383A1 - Elektrolytmembrananordung für eine brennstoffzelle und verfhahren zu deren herstellung - Google Patents

Elektrolytmembrananordung für eine brennstoffzelle und verfhahren zu deren herstellung Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a multilayer electrolyte membrane arrangement with an amplifier layer.
  • the invention further relates to a method for producing an electrolyte membrane arrangement for a fuel cell, in particular a
  • the polyelectrolyte membrane separates an anode side of the fuel cell from a cathode side.
  • hydrogen is catalytically oxidized to protons at the anode side by the emission of electrons.
  • the protons diffuse through the polymer electrolyte membrane to the cathode where they react with oxygen to form water.
  • chemical energy is converted into electrical energy which is used, one between anode and cathode
  • the prior art further includes fuel cells in which methanol, formic acid, methane, a coal gas, carbon or magnesium is used as fuel on the anode side.
  • methanol, formic acid, methane, a coal gas, carbon or magnesium is used as fuel on the anode side.
  • the polymer electrolyte membrane diffusing ion according to the type of fuel cell also hydroxide, oxonium, or radical dioxide ions can be used.
  • US 2005/0227132 A1 discloses a multilayer electrolyte membrane arrangement which has a porous amplifier layer with an aperture ratio between 50% and 90%.
  • the amplifier layer is completely in one
  • the polyelectrolyte membrane is coated on both sides with a catalyst layer, which is a Having carbon powder, which serves as a support material for a catalytic metal such as platinum.
  • the invention is based on the object, an improved over the prior art electrolyte membrane assembly and an improved method for
  • a multilayered electrolyte membrane assembly for a fuel cell has an amplifier layer with a perforated portion and a perforated portion
  • the perforated portion is coated with an ion-conductive material, so that a
  • the semipermeable membrane layer is formed.
  • the semipermeable membrane layer is particularly permeable only to molecules, ions or particles below a predeterminable size.
  • prior art polymer electrolyte membranes formed from the ion-conductive material are very thin (10-30 ⁇ ) and mechanically sensitive. Therefore, such polymer electrolyte membrane can be laboriously glued or welded, which also with the risk of damaging the
  • the amplifier layer is preferably formed from a mechanically, thermally and / or chemically resistant material.
  • the arrangement of the ionic conductive material on the support material of the amplifier layer increases the mechanical robustness and thus helps to avoid damage during production. In particular, so waste can be reduced during production.
  • the protruding edge region of the amplifier layer allows a simplified handling of the electrolyte membrane assembly during manufacture, whereby contact with the sensitive region of the semipermeable membrane layer is avoided.
  • the protruding edge region provides an enlarged joining surface, which in particular is quick and easy with other components the fuel cell can be glued and / or welded.
  • the amplifier layer is formed from a low cost material to reduce manufacturing costs.
  • the ionic conductive material is an ionomer, such as a sulfonated tetrafluoroethylene polymer, such that the semipermeable membrane layer of the electrolyte membrane assembly is permeable, at least for protons.
  • the ionically conductive material may have a permeability such that the semipermeable membrane layer formed by the ionically conductive material is permeable to at least one of a hydroxide ion, an oxonium ion, and a free radical dioxide ion.
  • the amplifier layer is of a low cost
  • Plastic material such as in particular a polymer formed, which has an increased mechanical, thermal and / or chemical robustness compared to the ion-conductive material. This advantageously reduces material costs and production costs.
  • At least one reinforcing frame element is materially connected to the edge region of the amplifier layer such that the frame element surrounds the edge of the semipermeable membrane layer.
  • the cohesive connection between the frame region and the edge region takes place in particular by means of a bond or a weld.
  • the edge region projecting beyond the semipermeable membrane layer ensures a flat connection surface, so that in particular the connection between frame element and edge region can be made fluid-tight.
  • the semipermeable membrane layer is coated with a catalyst layer.
  • the catalyst layer may for example consist of a carbon support and a catalytically active material such as platinum.
  • the catalyst layer serves at least as part of an electrode of the
  • the semipermeable membrane layer is in particular with a
  • Catalyst layer coated to form an anode or a cathode can be arranged on the catalyst layers, which are correspondingly permeable to gases such as hydrogen or oxygen.
  • a first method step at least one subregion of an amplifier layer is perforated in such a way that an imperforate edge region surrounding the subregion is formed on the edge.
  • the perforated portion is coated with an ion-conductive material to form a semipermeable membrane layer of the electrolyte membrane assembly.
  • the electrolyte membrane arrangement thus formed has an increased mechanical, thermal and / or chemical robustness.
  • the manufacturing method allows an economical production of the electrolyte membrane arrangement, as a direct bonding or welding of the mechanically sensitive ion-conductive material of the semipermeable membrane layer is avoided. This reduces the risk of
  • a low-cost plastic material can be used for the amplifier layer, so that material costs are saved.
  • an ionomer can be used as the ion-conductive material.
  • the semipermeable membrane layer is printed or coated with a catalyst layer.
  • the catalyst layer comprises at least one catalytically active material such as platinum or a platinum alloy and forms an electrode of the fuel cell.
  • the semipermeable membrane layer is coated on both opposite sides to form the anode and the cathode of the fuel cell with the catalyst layer.
  • the catalytically active platinum alloy for example, platinum-ruthenium, platinum-nickel or platinum-cobalt alloys are suitable.
  • the frame element completely surrounds the semipermeable region of the amplifier layer at the edge, so that the semipermeable membrane layer and / or the catalyst layer arranged thereon are completely covered by an inner cutout surface of the frame element.
  • the amplifier layer is made
  • Electrolyte membrane assembly takes place either before the first process step or after the third process step, a separating step in which the roll goods are cut.
  • Process technology is particularly advantageous if the
  • Rolled goods enable a continuous production process, which can be integrated particularly advantageously into a correspondingly automated production line.
  • FIGS. 1A to 1 D schematically illustrate method steps for producing a
  • Fig. 2 shows a roll of a plastic film having portions which are perforated to produce the electrolyte membrane assembly and then coated with a catalyst layer.
  • Fig. 3 shows the electrolyte membrane assembly in a sectional view.
  • FIG. 4 shows a sectional view of the electrolyte membrane arrangement with enclosing frame elements.
  • FIGS. 1A to 1 D schematically illustrate individual method steps for producing an electrolyte membrane arrangement 1.
  • FIG. 1A shows an amplifier layer 2 for a multilayer
  • Electrolytic Membrane Arrangement 1 An inner portion 2.1 of the amplifier layer 2 is perforated in a first method step by means of suitable punching or perforating tools.
  • the amplifier layer 2 has a circumferential edge region 2.2, which is imperforate and the peripheral portion of the perforated portion 2.1 rotates.
  • the amplifier layer 2 is produced, for example, from individual sheets of a plastic film K or from rolls of the plastic film K, as shown in FIG.
  • individual sections A1 to An of the plastic film K are preferably first perforated in such a way that each inner partial area 2.1 of the section A1 to An is surrounded correspondingly by the imperforate edge area 2.2.
  • the plastic film K consists of a cost-effective material which has sufficient mechanical, thermal and chemical robustness.
  • Suitable plastic films may for example consist of a polymer, polyethylene or a polypropylene.
  • the subregion 2.1 is coated with an ion-conductive material, such as, for example, a sulfonated tetrafluoroethylene polymer.
  • an ion-conductive material such as, for example, a sulfonated tetrafluoroethylene polymer.
  • a semipermeable membrane layer 3 which is permeable to particles or ions below a predeterminable size, is formed.
  • the semipermeable membrane layer 3 is coated or printed with a catalyst layer 4.
  • a catalyst layer 4 For example, precious metal-containing inks are used.
  • the membrane layers 3 thus formed are provided with the catalyst layer 4.
  • the roll of plastic film K is cut and fed to the further manufacturing process.
  • the protruding edge region 2.2 of the amplifier layer 2 is arranged opposite one another
  • the frame element 5 materially connected.
  • the frame element 5 has an inner cutout surface 5.1, which overlaps with the catalyst layer 4.
  • the amplifier layer 2 is glued or welded to the frame element 5.
  • the edge region 2.2 ensures surface contact with the respective frame element 5.
  • FIG. 3 shows the electrolyte membrane arrangement 1 in a sectional view.
  • Amplifier layer 2 has an inner perforated portion 2.1.
  • Part 2.1 of the amplifier layer 2 is on both sides with the semipermeable
  • Membrane layer 3 coated so that an ion exchange between the
  • the semipermeable membrane layer 3 is permeable only to ions of a predeterminable size. According to various embodiments of the invention, the semipermeable membrane layer 3 according to the cell chemistry of
  • the edge region 2.2 of the amplifier layer 2 is uncoated and protrudes beyond the edge of the coated region of the membrane layer 3 and the catalyst layer 4. This allows a simplified handling and processing of
  • Electrolyte membrane assembly 1 during manufacture, so that damage to the sensitive membrane layer 3 can be avoided.
  • FIG. 4 shows the electrolyte membrane arrangement 1 with the frame elements 5, which are materially connected to the protruding edge regions 2.2 of the amplifier layer 2.
  • the two oppositely arranged frame elements 5 ensure the mechanical stability of the electrolyte membrane assembly 1.
  • Cut-out surface 5.1 of the frame member 5 overlaps with the region of the membrane layer 3 and the catalyst layer 4, so that this of the
  • a catalyst layer 4 is arranged on opposite sides of the amplifier layer 2.
  • the two opposing catalyst layers 4 serve as electrodes of the fuel cell.
  • gas diffusion layers may be arranged in a manner not shown, so that the cell chemistry of the fuel cell corresponding gases of the anode and the cathode can be fed.

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Abstract

Eine mehrschichtige Elektrolytmembrananordnung (1) für eine Brennstoffzelle weist eine Verstärkerschicht (2) mit einem perforierten Teilbereich (2.1) und einen den perforierten Teilbereich (2.1) randseitig umgebenden, unperforierten Randbereich (2.2) auf. Der perforierte Teilbereich (2.1) ist mit einem ionenleitfähigen Material beschichtet, so dass eine semipermeable Membranschicht (3) gebildet ist.

Description

Elektrolytmembrananordnung für eine Brennstoffzelle und Verfahren zu deren Herstellung
Die Erfindung betrifft eine mehrschichtige Elektrolytmembrananordnung mit einer Verstärkerschicht. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrolytmembrananordnung für eine Brennstoffzelle, insbesondere eine
Polymerelektrolytbrennstoffzelle.
Aus dem Stand der Technik sind Brennstoffzellen bekannt, welche eine feste
Polyelektrolytmembran aus beispielsweise einem sulfoniertem Tetrafluorethylen-Polymer aufweisen. Die Polyelektrolytmembran trennt eine Anodenseite der Brennstoffzelle von einer Kathodenseite. Typischer Weise wird an der Anodenseite Wasserstoff unter Abgabe von Elektronen zu Protonen katalytisch oxidiert. Die Protonen diffundieren durch die Polymerelektrolytmembran zur Kathode, um dort mit Sauerstoff zu Wasser zu reagieren. Somit wird bei der Reaktion chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt, welche dazu genutzt wird, einen zwischen Anode und Kathode
geschalteten elektrischen Verbraucher zu betreiben.
Im Stand der Technik sind weiterhin Brennstoffzellen enthalten, bei denen an der Anodenseite als Brennstoff Methanol, Ameisensäure, Methan, ein Kohlegas, Kohlenstoff oder Magnesium verwendet wird. Als die Polymerelektrolytmembran diffundierendes Ion können entsprechend der Bauart der Brennstoffzelle auch Hydroxid-, Oxonium-, oder radikalische Dioxid-Ionen Verwendung finden.
Aus der US 2005/0227132 A1 ist eine mehrschichtige Elektrolytmembrananordnung bekannt, welche eine poröse Verstärkerschicht mit einem Öffnungsverhältnis zwischen 50% und 90% aufweist. Die Verstärkerschicht ist vollständig in eine
Polymerelektrolytmembran eingebracht. Insbesondere überlappen sich die
Verstärkerschicht und die daran angeordnete Polymerelektrolytmembran vollständig. Die Polyelektrolytmembran ist beidseitig mit einer Katalysatorschicht beschichtet, welche ein Kohlenstoffpulver aufweist, das als Trägermaterial für ein katalytisches Metall wie beispielsweise Platin dient.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Elektrolytmembrananordnung und ein verbessertes Verfahren zur
Herstellung der Elektrolytmembrananordnung anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Elektrolytmembrananordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zur Herstellung der Elektrolytmembrananordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des
Patentanspruchs 6.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine mehrschichtige Elektrolytmembrananordnung für eine Brennstoffzelle weist eine Verstärkerschicht mit einem perforierten Teilbereich und einen den perforierten
Teilbereich randseitig umgebenden, unperforierten Randbereich auf. Der perforierte Teilbereich ist mit einem ionenleitfähigen Material beschichtet, so dass eine
semipermeable Membranschicht gebildet ist. Die semipermeable Membranschicht ist insbesondere nur für Moleküle, Ionen oder Partikel unterhalb einer vorgebbaren Größe durchlässig.
Typischer Weise sind Polymerelektrolytmembrane des Standes der Technik, welche aus dem ionenleitfähigen Material gebildet sind, sehr dünn (10-30 μιη) und mechanisch empfindlich. Daher lassen sich solche Polymerelektrolytmembrane nur aufwändig kleben oder schweißen, was zudem mit der Gefahr der Beschädigung der
Polymerelektrolytmembran einher geht. Die Verstärkerschicht ist vorzugsweise aus einem mechanisch, thermisch und/oder chemisch widerstandsfähigen Material gebildet. Die Anordnung des ionenleitfähigen Materials auf dem Trägermaterial der Verstärkerschicht erhöht die mechanische Robustheit und trägt somit dazu bei, Beschädigungen bei der Fertigung zu vermeiden. Insbesondere kann so Ausschuss während der Produktion reduziert werden. Der überstehende Randbereich der Verstärkerschicht ermöglicht eine vereinfachte Handhabung der Elektrolytmembrananordnung während der Fertigung, wobei Kontakt mit dem empfindlichen Bereich der semipermeablen Membranschicht vermieden wird. Des Weitern stellt der überstehende Randbereich eine vergrößerte Fügefläche bereit, welche insbesondere schnell und einfach mit anderen Komponenten der Brennstoffzelle verklebt und/oder verschweißt werden kann. Vorzugsweise ist die Verstärkerschicht zur Reduktion von Herstellungskosten aus einem kostengünstigen Material gebildet.
Vorzugsweise ist das ionenleitfähige Material ein lonomer, wie beispielsweise ein sulfoniertes Tetrafluorethylen-Polymer, so dass die semipermeable Membranschicht der Elektrolytmembrananordnung zumindest für Protonen durchlässig ist. Alternativ dazu kann das ionenleitfähige Material eine Permeabilität aufweisen, so dass die von dem ionenleitfähigen Material gebildete semipermeable Membranschicht zumindest für ein Hydroxid-, ein Oxonium-, oder ein radikalisches Dioxid-Ion durchlässig ist.
Bevorzugter Weise ist die Verstärkerschicht aus einem kostengünstigen
Kunststoffmaterial, wie insbesondere einem Polymer gebildet, welches im Vergleich zu dem ionenleitfähigen Material eine erhöhte mechanische, thermische und/oder chemische Robustheit aufweist. Dadurch werden Materialkosten und Produktionskosten vorteilhaft reduziert.
Einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung zufolge ist zumindest ein verstärkendes Rahmenelement mit dem Randbereich der Verstärkerschicht derart stoffschlüssig verbunden, dass das Rahmenelement die semipermeable Membranschicht randseitig umläuft. Die stoffschlüssige Verbindung zwischen Rahmenbereich und dem Randbereich erfolgt insbesondere mittels einer Verklebung oder einer Verschweißung. Dabei stellt der die semipermeable Membranschicht überstehende Randbereich eine flächige Verbindungsfläche sicher, so dass insbesondere die Verbindung zwischen Rahmenelement und Randbereich fluiddicht ausgebildet werden kann.
Vorzugsweise ist die semipermeable Membranschicht mit einer Katalysatorschicht beschichtet. Insbesondere kann die semipermeable Membranschicht mit der
Katalysatorschicht bedruckt werden. Die Katalysatorschicht kann beispielsweise aus einem Kohlenstoffträger und einem katalytisch aktiven Material wie beispielsweise Platin bestehen. Die Katalysatorschicht dient zumindest als Teil einer Elektrode der
Brennstofffzelle. Die semipermeable Membranschicht ist insbesondere mit einer
Katalysatorschicht zur Ausbildung einer Anode oder einer Kathode beschichtet. Ferner können auf den Katalysatorschichten eine oder mehrere Gasdiffusionslagen angeordnet sein, welche entsprechend für Gase wie Wasserstoff oder Sauerstoff durchlässig sind. Bei einem Verfahren zur Herstellung der Elektrolytmembrananordnung wird
erfindungsgemäß in einem ersten Verfahrensschritt zumindest ein Teilbereich einer Verstärkerschicht derart perforiert, dass ein den Teilbereich randseitig umgebender, unperforierter Randbereich gebildet ist. In einem zweiten Verfahrensschritt wird der perforierte Teilbereich mit einem ionenleitfähigen Material zur Ausbildung einer semipermeablen Membranschicht der Elektrolytmembrananordnung beschichtet. Die so gebildete Elektrolytmembrananordnung weist eine erhöhte mechanische, thermische und/oder chemische Robustheit auf. Das Herstellungsverfahren ermöglicht eine wirtschaftliche Produktion der Elektrolytmembrananordnung, da eine direkte Verklebung oder Verschweißung des mechanisch empfindlichen ionenleitfähigen Materials der semipermeablen Membranschicht vermieden ist. Dies reduziert die Gefahr von
Beschädigungen und somit Ausschuss während der Herstellung. Ferner kann ein kostengünstiges Kunststoffmaterial für die Verstärkerschicht verwendet werden, so dass Materialkosten eingespart werden. Als ionenleitfähiges Material kann insbesondere ein lonomer verwendet werden.
Bevorzugter Weise wird in einem anschließenden dritten Verfahrensschritt zumindest die semipermeable Membranschicht mit einer Katalysatorschicht bedruckt oder beschichtet. Die Katalysatorschicht umfasst zumindest ein katalytisch aktives Material wie Platin oder eine Platinlegierung und bildet eine Elektrode der Brennstoffzelle. Vorzugsweise wird die semipermeable Membranschicht auf beiden gegenüberliegenden Seiten zur Bildung der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle mit der Katalysatorschicht beschichtet. Als katalytisch aktive Platinlegierung sind beispielsweise Platin-Ruthenium-, Platin-Nickeloder Platin-Cobaltlegierungen geeignet.
In einem bevorzugten Ausbildungsbeispiel wird in einem vierten Verfahrensschritt zumindest ein verstärkendes Rahmenelement mit dem Randbereich der
Verstärkerschicht stoffschlüssig verbunden. Das Rahmenelement umläuft den semipermeablen Bereich der Verstärkerschicht randseitig vollständig, so dass sich die semipermeable Membranschicht und/oder die darauf angeordnete Katalysatorschicht mit einer inneren Ausschnittsfläche des Rahmenelements vollständig überdeckt.
Vorzugsweise wird der Randbereich der Verstärkerschicht beidseitig mit zwei
gegenüberliegenden Rahmenelementen verklebt oder verschweißt, um die mechanische Robustheit der Elektrolytmembrananordnung vorteilhaft zu erhöhen.
Einem bevorzugten Ausführungsbeispiel zufolge wird die Verstärkerschicht aus
Rollenmaterial einer Kunststofffolie gefertigt. Zur Herstellung der
Elektrolytmembrananordnung erfolgt entweder vor dem ersten Verfahrensschritt oder nach dem dritten Verfahrensschritt ein Vereinzelungsschritt, in welchem die Rollenware zugeschnitten wird. Verfahrenstechnisch besonders vorteilhaft ist es, wenn die
Perforation des Teilbereichs, die Applikation des ionenleitfähigen Materials und die anschließende Beschichtung mit der Katalysatorschicht bereits auf der Rollenware der Kunststofffolie erfolgen. Die perforierte und beschichtete Kunststofffolie wird
anschließend zugeschnitten und insbesondere mit dem Rahmenelement zur Bildung der Elektrolytmembrananordnung verschweißt oder verklebt. Die Verarbeitung von
Rollenware ermöglicht einen kontinuierlichen Herstellungsprozess, welcher besonders vorteilhaft in eine entsprechend automatisierte Fertigungsstraße integriert werden kann.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1A bis 1 D illustrieren schematisch Verfahrensschritte zur Herstellung einer
Elektrolytmembrananordnung.
Fig. 2 zeigt Rollenware einer Kunststofffolie, welche Teilbereiche aufweist, die zur Herstellung der Elektrolytmembrananordnung perforiert und anschließend mit einer Katalysatorschicht beschichtet werden.
Fig. 3 zeigt die Elektrolytmembrananordnung in einer Schnittdarstellung.
Fig. 4 zeigt eine Schnittdarstellung der Elektrolytmembrananordnung mit einfassenden Rahmenelementen.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Figuren 1A bis 1 D illustrieren schematisch einzelne Verfahrensschritte zur Herstellung einer Elektrolytmembrananordnung 1. Figur 1A zeigt eine Verstärkerschicht 2 für eine mehrschichtige
Elektrolytmembrananordnung 1. Ein innerer Teilbereich 2.1 der Verstärkerschicht 2 wird in einem ersten Verfahrensschritt mittels geeigneter Stanz- oder Perforationswerkzeuge perforiert. Die Verstärkerschicht 2 weist einen umlaufenden Randbereich 2.2 auf, der unperforiert ist und den perforierten Teilbereich 2.1 randseitig umläuft.
Die Verstärkerschicht 2 wird beispielsweise aus Einzelbögen einer Kunststofffolie K oder aus Rollenware der Kunststofffolie K, wie in Figur 2 dargestellt, hergestellt. Bei der Herstellung aus Rollenware werden vorzugsweise zunächst einzelne Abschnitte A1 bis An der Kunststofffolie K derart perforiert, dass jeder innere Teilbereich 2.1 des Abschnitts A1 bis An entsprechend vom unperforierten Randbereich 2.2 umgeben ist.
Die Kunststofffolie K besteht aus einem kostengünstigen Material, welches eine ausreichende mechanische, thermische und chemische Robustheit aufweist. Geeignete Kunststofffolien können beispielsweise aus einem Polymer, Polyethylen oder einem Polypropylen bestehen.
In einem zweiten Verfahrensschritt wird, wie in Figur 1 B gezeigt, der Teilbereich 2.1 mit einem ionenleitfähigen Material, wie beispielsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen- Polymer, beschichtet. Dabei wird eine semipermeable Membranschicht 3, welche für Partikel oder Ionen unterhalb einer vorgebbaren Größe durchlässig ist, gebildet.
Anschließend wird, wie in Figur 1 C dargestellt, die semipermeable Membranschicht 3 mit einer Katalysatorschicht 4 beschichtet oder bedruckt. Dazu kommen beispielsweise edelmetallhaltige Tinten zum Einsatz.
Bei der Herstellung aus Rollenware werden entsprechend die Teilbereiche 2.1 der einzelnen Abschnitte A1 bis An zunächst im zweiten Verfahrensschritt mit dem
ionenleitfähigen Material beschichtet. Anschließend werden im dritten Verfahrensschritt die so gebildeten Membranschichten 3 mit der Katalysatorschicht 4 versehen. In einem darauf folgenden Vereinzelungsschritt wird die Rollenware der Kunststofffolie K zugeschnitten und dem weiteren Herstellungsverfahren zugeführt.
In einem in Figur 1 D dargestellten vierten Verfahrensschritt wird der überstehende Randbereich 2.2 der Verstärkerschicht 2 mit gegenüberliegend angeordneten
Rahmenelementen 5 stoffschlüssig verbunden. Das Rahmenelement 5 weist eine innere Ausschnittsfläche 5.1 , welche sich mit der Katalysatorschicht 4 überdeckt auf. Beispielsweise wird die Verstärkerschicht 2 mit dem Rahmenelement 5 verklebt oder verschweißt. Dabei stellt der Randbereich 2.2 den flächigen Kontakt mit dem jeweiligen Rahmenelement 5 sicher.
Figur 3 zeigt die Elektrolytmembrananordnung 1 in einer Schnittdarstellung. Die
Verstärkerschicht 2 weist einen inneren perforierten Teilbereich 2.1 auf. Der
Teilbereich 2.1 der Verstärkerschicht 2 ist beidseitig mit der semipermeablen
Membranschicht 3 beschichtet, so dass ein lonenaustausch zwischen den
gegenüberliegend angordneten Katalysatorschichten 4 ermöglicht ist. Je nach Wahl des ionenleitfähigen Materials ist die semipermeable Membranschicht 3 nur für Ionen vorgebbarer Größe durchlässig. Gemäß verschiedener Ausführungsformen der Erfindung ist die semipermeable Membranschicht 3 entsprechend der Zellchemie der
Brennstoffzelle für Protonen, Hydroxid-, Oxonium-, oder radikalische Dioxid-Ionen durchlässig.
Der Randbereich 2.2 der Verstärkerschicht 2 ist unbeschichtet und ragt randseitig über den beschichteten Bereich der Membranschicht 3 und der Katalysatorschicht 4 hinaus. Dies ermöglicht eine vereinfachte Handhabung und Verarbeitung der
Elektrolytmembrananordnung 1 während der Herstellung, so dass Beschädigungen der empfindlichen Membranschicht 3 vermieden werden können.
Figur 4 zeigt die Elektrolytmembrananordnung 1 mit den Rahmenelementen 5, welche mit den überstehenden Randbereichen 2.2 der Verstärkerschicht 2 stoffschlüssig verbunden sind. Die beiden gegenüberliegend angeordneten Rahmenelemente 5 stellen die mechanische Stabilität der Elektrolytmembrananordnung 1 sicher. Die innere
Ausschnittsfläche 5.1 des Rahmenselements 5 überdeckt sich mit dem Bereich der Membranschicht 3 und der Katalysatorschicht 4, so dass dieser von der
Verstärkerschicht 2 erhabene Bereich der Membran- und Katalysatorschicht 3, 4 formschlüssig an dem Rahmenelement 5 anliegt.
In Figur 3 und 4 ist jeweils eine Katalysatorschicht 4 an gegenüberliegende Seiten der Verstärkerschicht 2 angeordnet. Die beiden gegenüberliegenden Katalysatorschichten 4 dienen als Elektroden der Brennstoffzelle. An den Katalysatorschichten 4 können in nicht dargestellter Weise Gasdiffusionslagen angeordnet sein, so dass die der Zellchemie der Brennstoffzelle entsprechenden Gase der Anode bzw. der Kathode zuführbar sind. Bezugszeichenliste
1 Elektrolytmembrananordnung
2 Verstärkerschicht
2.1 Teilbereich
2.2 Randbereich
3 Membranschicht
4 Katalysatorschicht
5 Rahmenelement
5.1 innere Ausschnittsfläche
A1 bis An Abschnitt
K Kunststofffolie

Claims

Patentansprüche
1. Mehrschichtige Elektrolytmembrananordnung (1 ) für eine Brennstoffzelle, welche eine Verstärkerschicht (2) mit einem perforierten Teilbereich (2.1 ) und einen den perforierten Teilbereich (2.1) randseitig umgebenden Randbereich (2.2) aufweist, wobei der perforierte Teilbereich (2.1 ) mit einem ionenleitfähigen Material beschichtet ist, so dass eine semipermeable Membranschicht (3) gebildet ist.
2. Mehrschichtige Elektrolytmembrananordnung (1) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass das ionenleitfähige Material ein lonomer ist.
3. Mehrschichtige Elektrolytmembrananordnung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkerschicht (2) aus einem
Kunststoffmaterial gebildet ist.
4. Mehrschichtige Elektrolytmembrananordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein verstärkendes Rahmenelement (5) mit dem Randbereich (2.2) der Verstärkerschicht (2) derart stoffschlüssig verbunden ist, dass das Rahmenelement (5) die semipermeable
Membranschicht (3) umläuft.
5. Mehrschichtige Elektrolytmembrananordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die semipermeable Membranschicht (3) mit einer Katalysatorschicht (4) beschichtet ist.
6. Verfahren zur Herstellung einer Elektrolytmembrananordnung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Verfahrensschritt zumindest ein Teilbereich (2.1) einer Verstärkerschicht (2) derart perforiert wird, dass ein den Teilbereich (2.1) randseitig umgebender, unperforierter Randbereich (2.2) gebildet ist und in einem zweiten Verfahrensschritt der perforierte Teilbereich (2.1) mit einem ionenleitfähigen Material zur Ausbildung einer semipermeablen Membranschicht (3) beschichtet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass in einem dritten Verfahrensschritt die
semipermeable Membranschicht (3) mit einer Katalysatorschicht (4) bedruckt oder beschichtet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass in einem vierten Verfahrensschritt zumindest ein verstärkendes Rahmenelement (5) mit dem Randbereich (2.2) der
Verstärkerschicht (2) stoffschlüssig verbunden wird, so dass das
Rahmenelement (5) die semipermeable Membranschicht (3) randseitig umläuft.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass der Randbereich (2.2) der Verstärkerschicht (2) beidseitig mit zwei gegenüberliegenden Rahmenelementen (5) verklebt oder verschweißt wird. 0. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkerschicht (2) aus Rollenmaterial einer Kunststofffolie (K) gefertigt wird, wobei vor dem ersten Verfahrensschritt oder nach dem dritten Verfahrensschritt ein Vereinzelungsschritt erfolgt, in welchem die Rollenware zugeschnitten wird.
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