WO2022129533A1 - Assembly of electrochemical cells, vehicle comprising said assembly, and process for manufacturing the assembly - Google Patents

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WO2022129533A1
WO2022129533A1 PCT/EP2021/086505 EP2021086505W WO2022129533A1 WO 2022129533 A1 WO2022129533 A1 WO 2022129533A1 EP 2021086505 W EP2021086505 W EP 2021086505W WO 2022129533 A1 WO2022129533 A1 WO 2022129533A1
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diffusion layer
catalyst
adhesive
bipolar plate
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Andreas RINGK
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • Electrochemical cell assembly vehicle comprising the assembly and method of making the assembly
  • the invention relates to an arrangement of electrochemical cells, comprising at least one gas diffusion layer, preferably with a microporous layer, a catalyst-coated membrane with a frame, and a bipolar plate. Furthermore, the invention relates to a vehicle comprising the arrangement and a method for producing the arrangement.
  • Electrochemical cells are electrochemical energy converters and are known in the form of fuel cells or electrolyzers.
  • a fuel cell converts chemical reaction energy into electrical energy.
  • known fuel cells in particular hydrogen (H2) and oxygen (O2) are converted into water (H2O), electrical energy and heat.
  • PEM proton exchange membranes
  • Fuel cells have an anode and a cathode.
  • the fuel is continuously fed to the anode of the fuel cell and is catalytically oxidized to protons with the release of electrons, which then reach the cathode.
  • the emitted electrons are drained from the fuel cell and flow via an external circuit to the cathode.
  • the oxidizing agent is supplied to the cathode of the fuel cell and reacts by absorbing the electrons from the external circuit and protons to form water. The resulting water is drained from the fuel cell.
  • the gross cathode reaction is:
  • a voltage between the anode and the cathode of the fuel cell There is a voltage between the anode and the cathode of the fuel cell.
  • several fuel cells can be arranged mechanically one behind the other to form a fuel cell stack, which is also referred to as a stack or fuel cell structure, and connected electrically in series.
  • a stack of electrochemical cells which may be referred to as an electrochemical cell array, typically has end plates that compress the individual cells together and provide stability to the stack.
  • the electrodes ie the anode and the cathode, and the membrane can be structurally combined.
  • Stacks of electrochemical cells also include bipolar plates, also referred to as gas distribution plates or distribution plates.
  • Bipolar plates are used to evenly distribute fuel to the anode and evenly distribute oxidant to the cathode.
  • the bipolar plates ensure a planar electrical contact with the membrane.
  • a fuel cell stack typically includes up to a few hundred individual fuel cells that are stacked on top of one another in layers.
  • the individual fuel cells have an MEA and a bipolar plate half on the anode side and on the cathode side.
  • a fuel cell includes in particular an anode monopolar plate and a cathode monopolar plate, usually each in the form of embossed metal sheets, which together form the bipolar plate and thus channels for conducting gas and liquids and between which the coolant can flow.
  • electrochemical cells typically include gas diffusion layers sandwiched between a bipolar plate and a membrane.
  • an electrolyser In contrast to a fuel cell, an electrolyser is an energy converter which splits water into hydrogen and oxygen when an electrical voltage is applied. Electrolyzers also have a membrane, bipolar plates and gas diffusion layers, among other things.
  • the membrane may have a thin layer of catalyst, so it is referred to as a catalyst coated membrane or Catalyst Coated Membrane (CCM).
  • CCM Catalyst Coated Membrane
  • the gas diffusion layers can each be bonded to a catalyst-coated membrane, forming a membrane-electrode assembly, which is also referred to as a membrane electrode assembly (MEA).
  • MEA membrane electrode assembly
  • the MEA is then typically placed on a bipolar plate to form the array of electrochemical cells, followed by stacking, also referred to as stacking.
  • DE 11 2005 002 974 B4 relates to a method for increasing the adhesive strength between elements of a fuel cell to be bonded, the elements to be bonded being subjected to a surface treatment.
  • DE 102 24452 CI is directed to a proton-conducting polymer membrane, with a catalyst layer being applied homogeneously to the polymer membrane.
  • the coated, proton-conducting polymer membrane is part of a membrane-electrode unit that has a gas distribution structure and a diffusion layer on the cathode and anode side.
  • a catalyst layer applied homogeneously to the polymer membrane is removed in regions in order to create catalyst segments which are separate from one another.
  • the gas diffusion layers often consist of carbon fiber materials which are bonded together using Teflon, with pure Teflon being very difficult to bond.
  • Carbon fibers, also known as carbon fibers, are also relatively difficult to bond, which is understood in particular that only a few adhesive forces can be formed.
  • DD 106 052 relates to a process for producing reinforced polymer moldings.
  • An arrangement of electrochemical cells comprising at least one gas diffusion layer, preferably with a microporous layer, a catalyst-coated membrane with a frame and a bipolar plate, the gas diffusion layer being connected to the catalyst-coated membrane and/or to the bipolar plate by means of an adhesive which Adhesive is arranged on a surface of the frame of the catalyst-coated membrane, the bipolar plate and/or optionally the microporous layer of the gas diffusion layer and the surface is plasma-functionalized.
  • a vehicle comprising the arrangement of electrochemical cells
  • a method for producing the arrangement of electrochemical cells comprising the following steps: a. providing at least one gas diffusion layer, preferably with a microporous layer, a catalyst-coated membrane with a frame and a bipolar plate, b. Pretreating a surface of the frame of the catalyst-coated membrane, the bipolar plate and/or optionally the microporous layer of the gas diffusion layer by means of plasma, in particular using shadow masks, so that a pretreated surface is produced, c. applying an adhesive to the pretreated surface of the frame of the catalyst-coated membrane, the bipolar plate and/or optionally the microporous layer of the gas diffusion layer, d. Stacking the gas diffusion layer, the catalyst coated membrane and the bipolar plate to form the electrochemical cell assembly.
  • the array of electrochemical cells is preferably a fuel cell stack.
  • the array of electrochemical cells includes at least one electrolyzer.
  • the arrangement of electrochemical cells preferably comprises at least two gas diffusion layers and at least two bipolar plates, with the catalyst-coated membrane preferably being arranged between the two bipolar plates and more preferably one gas diffusion layer being arranged between the catalyst-coated membrane and one of the bipolar plates.
  • the bipolar plate preferably comprises at least one port for the passage of at least one medium such as hydrogen, oxygen or a coolant and an active surface on which the electrochemical reaction takes place.
  • the arrangement of electrochemical cells can have at least one seal, with the bipolar plate preferably having the at least one seal. More preferably, the at least one seal surrounds the at least one port and the active area.
  • the port can be an inlet or an outlet for the at least one medium and the bipolar plate can comprise more than one port.
  • the bipolar plate preferably includes carbon such as graphite, a metal such as stainless steel or titanium and/or an alloy containing the metal. More preferably, the bipolar plate is made of carbon, the metal and/or the alloy.
  • the gas diffusion layer preferably includes the microporous layer, which is also referred to as the microporous layer (MPL). More preferably, the gas diffusion layer comprises a carbon fiber fleece, which is also referred to as "gas diffusion backing" (GDB), and in particular the gas diffusion layer consists of the carbon fiber fleece and the microporous layer.
  • GDB gas diffusion backing
  • the microporous layer is preferably located on a first side of the gas diffusion layer that faces the membrane.
  • the carbon fiber fleece is preferably arranged on a second side of the gas diffusion layer that faces the bipolar plate.
  • the microporous layer of the gas diffusion layer is preferably located adjacent to the catalyst coated membrane.
  • the microporous layer has a micropore structure, with the average pore size preferably being less than 1 ⁇ m. Further the microporous layer preferably has a layer thickness in a range from 1 ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • the frame of the catalyst-coated membrane can also be referred to as a stiffener or gasket and preferably comprises a plastic material, in particular polyethylene naphthalate (PEN), more preferably the frame of the catalyst-coated membrane consists of the plastic material, in particular polyethylene naphthalate (PEN).
  • PEN polyethylene naphthalate
  • the gas diffusion layer in particular the microporous layer, preferably contains carbon fibers and optionally polytetrafluoroethylene, which is also referred to as Teflon.
  • the adhesive which can also be referred to as an adhesive, is preferably present as a coating on the surface.
  • the surface is in particular a part of the frame of the catalyst-coated membrane, the bipolar plate and/or optionally the microporous layer of the gas diffusion layer.
  • the adhesive is electrically conductive.
  • the adhesive preferably has a low contact resistance between the bipolar plate and the gas diffusion layer. More preferably, the transition resistance is in the order of 50 mm Ohm ⁇ cm 2 .
  • the adhesive may include an electrically conductive filler.
  • the adhesive consists of an adhesive material containing the electrically conductive filler.
  • a filler content is preferably between 5% and 95%, more preferably between 50% and 95%.
  • the adhesive, in particular the adhesive material preferably contains epoxy resin, acrylate, polyurethane, silicone, polyester or mixtures thereof.
  • the electrically conductive filler preferably comprises graphite and/or a metal such as silver. More preferably, the electrically conductive filler consists of graphite and/or the metal such as silver, in particular silver.
  • the adhesive can be a one-component adhesive or a two-component adhesive, and the adhesive can preferably be cured.
  • the curing of the adhesive is preferably carried out at a temperature in a range from 10°C to 90°C, more preferably from 15°C to 80°C.
  • a covalent connection of carbon fibers can take place, for example, via amine groups with an epoxide.
  • the pretreatment by means of plasma is carried out in particular in an atmosphere containing air, in particular oxygen.
  • the atmosphere may contain H2, N2, SO2, H2O and/or air, among others.
  • the plasma is preferably an NH3 plasma, oxygen plasma, nitrogen plasma or sulfur dioxide plasma. Nozzles of various designs can be used for pretreatment with plasma.
  • the pretreatment by means of plasma is preferably carried out immediately before the adhesive is applied. Shadow masks can be used here, so that the pre-treatment by means of plasma is only carried out in selected areas of the surface.
  • the adhesive is preferably first applied to the gas diffusion layer and/or the bipolar plate, then the gas diffusion layer and the bipolar plate are stacked one on top of the other and then the catalyst-coated membrane is placed on the gas diffusion layer. More preferably, the adhesive is first applied to two gas diffusion layers and the bipolar plate is arranged between the two gas diffusion layers with the adhesive, so that a bipolar plate with two bonded gas diffusion layers is present, on which the catalyst-coated membrane with the frame is then preferably placed and optionally on a stack is added.
  • the adhesive can first be applied to the bipolar plate, on which two gas diffusion layers are then arranged, so that a bipolar plate with two gas diffusion layers glued on is formed.
  • step c This is preferably followed by the application of the adhesive in step c. forming covalent bonds between the adhesive and the pretreated surface.
  • O2, F2, N2, Ar can be used as the process gas for dismantling and etching the surface, which is in particular a polymeric surface, with the surface being cleaned.
  • NH3, N2, SO2, H2O and/or air can be used as the process gas for functionalizing the surface, in particular for breaking down and crosslinking.
  • the surface is activated for gluing, painting, printing and chemical reactions.
  • the plasma functionality of the surface or the pretreatment of the surface by means of plasma achieves a covalent fixation of the adhesive to the frame of the membrane, the bipolar plate or the microporous layer of the gas diffusion layer, which represents a stronger material connection and thus a stronger fixation of the gas diffusion layer on the Bipolar plate or the catalyst-coated membrane is used. Furthermore, better wetting of the surface with the adhesive is possible.
  • the adhesive By using the adhesive, a pressing force which is usually required in the arrangement of electrochemical cells and which can impair the gas diffusion layer in particular, can be significantly reduced and thus gas distribution in the electrochemical cell can be improved.
  • the electrical contact between the bipolar plate and the gas diffusion layer is further improved by the electrically conductive adhesive. A transition resistance is reduced.
  • the adhesive prevents the gas diffusion layer or the catalyst-coated membrane from slipping on the bipolar plate when the arrangement is stacked.
  • FIG. 1 shows a fuel cell stack according to the prior art
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a method for producing an arrangement of electrochemical cells according to the prior art
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the method according to the invention for producing an arrangement of electrochemical cells.
  • FIG. 1 shows an arrangement of electrochemical cells 1 according to the prior art.
  • the arrangement of electrochemical cells 1 comprises a layering of bipolar plates 3 and gas diffusion layers 5.
  • a membrane 7 is also shown.
  • An electrical contact 17 is produced between a gas diffusion layer 5 and a bipolar plate 3 in each case by means of a contact pressure 15 .
  • Hydrogen 19 flows through the bipolar plates 3 on the one hand and air 21 and water 23 on the other hand, which each reach the membrane 7 through a gas diffusion layer 5 and are removed from it.
  • electrodes 25 are routed through the bipolar plates 3 .
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a method for producing an arrangement of electrochemical cells 1 according to the prior art.
  • a catalyst-coated membrane 7 with a frame 43 is placed between two gas diffusion layers 5 so that a membrane-electrode assembly 2 is formed, which is placed on a bipolar plate 3 with a gasket 41 and ports 45 .
  • the bipolar plates 3 with membrane electrode assemblies 2 are then stacked to form an assembly of electrochemical cells 1 .
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a method according to the invention for producing an arrangement of electrochemical cells 1.
  • Two Gas diffusion layers 5 are partially provided with an adhesive 9 after a mesoporous layer of the gas diffusion layers 5 has been pretreated by means of plasma.
  • a bipolar plate 3 with a seal 41 is arranged between the gas diffusion layers 5, which have the adhesive 9, and is bonded to the gas diffusion layers 5 by the adhesive 9.
  • a bipolar plate 3 that already has a seal 41 can be partially provided with the adhesive 9 after a surface 8 of a microporous layer of the gas diffusion layers 5 has been pretreated with plasma. Then two gas diffusion layers 5 can be arranged on either side of the bipolar plate 3 .
  • a catalyst-coated membrane 7 with a frame 43 is placed on the gas diffusion layer 5 and a plurality of bipolar plates 3 with gas diffusion layers 5 and catalyst-coated membranes 7 are stacked to form the electrochemical cell arrangement 1 .

Abstract

The invention relates to an assembly of electrochemical cells (1), comprising at least one gas diffusion layer (5), preferably with a microporous ply, a catalyst-coated membrane (7) with a frame (43), and a flow field plate (3), the gas diffusion layer (5) being joined to the catalyst-coated membrane (8) and/or to the flow field plate (3) by means of an adhesive (9) which is disposed on a surface (8) of the frame (43) of the catalyst-coated membrane (7), the flow field plate (3) and/or, if applicable, the microporous ply of the gas diffusion layer (5), the surface (8) being plasma-functionalized. The invention further relates to vehicle comprising said assembly of electrochemical cells (1) and to a process for manufacturing an assembly of electrochemical cells (1).

Description

Anordnung elektrochemischer Zellen, Fahrzeug umfassend die Anordnung und Verfahren zur Herstellung der Anordnung Electrochemical cell assembly, vehicle comprising the assembly and method of making the assembly
Die Erfindung betrifft eine Anordnung elektrochemischer Zellen, umfassend mindestens eine Gasdiffusionslage, bevorzugt mit einer mikroporösen Schicht, eine katalysatorbeschichtete Membran mit einem Rahmen und eine Bipolarplatte. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug umfassend die Anordnung und ein Verfahren zur Herstellung der Anordnung. The invention relates to an arrangement of electrochemical cells, comprising at least one gas diffusion layer, preferably with a microporous layer, a catalyst-coated membrane with a frame, and a bipolar plate. Furthermore, the invention relates to a vehicle comprising the arrangement and a method for producing the arrangement.
Stand der Technik State of the art
Elektrochemische Zellen sind elektrochemische Energiewandler und in Form von Brennstoffzellen oder Elektrolyseuren bekannt. Electrochemical cells are electrochemical energy converters and are known in the form of fuel cells or electrolyzers.
Eine Brennstoffzelle wandelt chemische Reaktionsenergie in elektrische Energie. Bei bekannten Brennstoffzellen werden insbesondere Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) in Wasser (H2O), elektrische Energie und Wärme gewandelt. A fuel cell converts chemical reaction energy into electrical energy. In known fuel cells, in particular hydrogen (H2) and oxygen (O2) are converted into water (H2O), electrical energy and heat.
Unter anderem sind Protonenaustauschmembran (Proton Exchange Membrane = PEM)-Brennstoffzellen bekannt. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen weisen eine zentral angeordnete Membran auf, die für Protonen, also Wasserstoffionen, durchlässig ist. Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, ist dadurch räumlich von dem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, getrennt. Among others, proton exchange membranes (PEM) fuel cells are known. Proton exchange membrane fuel cells have a centrally located membrane that is permeable to protons, i.e. hydrogen ions. The oxidizing agent, in particular atmospheric oxygen, is thus spatially separated from the fuel, in particular hydrogen.
Brennstoffzellen weisen eine Anode und eine Kathode auf. Der Brennstoff wird an der Anode der Brennstoffzelle kontinuierlich zugeführt und katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert, die zur Kathode gelangen. Die abgegebenen Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen externen Stromkreis zur Kathode. Das Oxidationsmittel wird an der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt und reagiert durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis und Protonen zu Wasser. Das so entstandene Wasser wird aus der Brennstoffzelle abgeleitet. Die Bruttokathodenreaktion lautet: Fuel cells have an anode and a cathode. The fuel is continuously fed to the anode of the fuel cell and is catalytically oxidized to protons with the release of electrons, which then reach the cathode. The emitted electrons are drained from the fuel cell and flow via an external circuit to the cathode. The oxidizing agent is supplied to the cathode of the fuel cell and reacts by absorbing the electrons from the external circuit and protons to form water. The resulting water is drained from the fuel cell. The gross cathode reaction is:
O2 + 4H+ + 4e 2H2O O 2 + 4H + + 4e 2H 2 O
Zwischen der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle liegt dabei eine Spannung an. Zur Erhöhung der Spannung können mehrere Brennstoffzellen mechanisch hintereinander zu einem Brennstoffzellenstapel, der auch als Stack oder Brennstoffzellenaufbau bezeichnet wird, angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet werden. There is a voltage between the anode and the cathode of the fuel cell. To increase the voltage, several fuel cells can be arranged mechanically one behind the other to form a fuel cell stack, which is also referred to as a stack or fuel cell structure, and connected electrically in series.
Ein Stapel von elektrochemischen Zellen, der als Anordnung elektrochemischer Zellen bezeichnet werden kann, weist üblicherweise Endplatten auf, die die einzelnen Zellen miteinander verpressen und dem Stapel Stabilität verleihen. A stack of electrochemical cells, which may be referred to as an electrochemical cell array, typically has end plates that compress the individual cells together and provide stability to the stack.
Die Elektroden, also die Anode und die Kathode, und die Membran können konstruktiv zusammengefasst sein. The electrodes, ie the anode and the cathode, and the membrane can be structurally combined.
Stapel von elektrochemischen Zellen weisen ferner Bipolarplatten auf, die auch als Gasverteilerplatten oder Verteilerplatten bezeichnet werden. Bipolarplatten dienen zur gleichmäßigen Verteilung des Brennstoffs an die Anode sowie zur gleichmäßigen Verteilung des Oxidationsmittels an die Kathode. Neben der Medienführung bezüglich Sauerstoff, Wasserstoff, Wasser und gegebenenfalls eines Kühlmittels gewährleisten die Bipolarplatten einen flächigen elektrischen Kontakt zur Membran. Stacks of electrochemical cells also include bipolar plates, also referred to as gas distribution plates or distribution plates. Bipolar plates are used to evenly distribute fuel to the anode and evenly distribute oxidant to the cathode. In addition to guiding the media in terms of oxygen, hydrogen, water and, if necessary, a coolant, the bipolar plates ensure a planar electrical contact with the membrane.
Beispielsweise umfasst ein Brennstoffzellenstapel typischerweise bis zu einige Hundert einzelne Brennstoffzellen, die lagenweise aufeinandergestapelt werden. Die einzelnen Brennstoffzellen weisen eine MEA sowie jeweils eine Bipolarplattenhälfte auf der Anodenseite und auf der Kathodenseite auf. Eine Brennstoffzelle umfasst insbesondere eine Anoden-Monopolar-Platte und eine Kathoden- Monopolar- Platte, üblicherweise jeweils in Form von geprägten Blechen, die zusammen die Bipolarplatte und damit Kanäle zur Führung von Gas und Flüssigkeiten bilden und zwischen denen das Kühlmittel fließen kann. Weiterhin umfassen elektrochemische Zellen in der Regel Gasdiffusionslagen, die zwischen einer Bipolarplatte und einer Membran angeordnet sind. For example, a fuel cell stack typically includes up to a few hundred individual fuel cells that are stacked on top of one another in layers. The individual fuel cells have an MEA and a bipolar plate half on the anode side and on the cathode side. A fuel cell includes in particular an anode monopolar plate and a cathode monopolar plate, usually each in the form of embossed metal sheets, which together form the bipolar plate and thus channels for conducting gas and liquids and between which the coolant can flow. Furthermore, electrochemical cells typically include gas diffusion layers sandwiched between a bipolar plate and a membrane.
Gegenüber einer Brennstoffzelle ist ein Elektrolyseur ein Energiewandler, welcher unter Anlegen von elektrischer Spannung bevorzugt Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff spaltet. Auch Elektrolyseure weisen unter anderem eine Membran, Bipolarplatten und Gasdiffusionslagen auf. In contrast to a fuel cell, an electrolyser is an energy converter which splits water into hydrogen and oxygen when an electrical voltage is applied. Electrolyzers also have a membrane, bipolar plates and gas diffusion layers, among other things.
Die Membran kann eine dünne Katalysatorschicht aufweisen, so dass sie als katalysatorbeschichtete Membran oder als Catalyst Coated Membrane (CCM) bezeichnet wird. The membrane may have a thin layer of catalyst, so it is referred to as a catalyst coated membrane or Catalyst Coated Membrane (CCM).
Die Gasdiffusionslagen können jeweils mit einer katalysatorbeschichteten Membran verklebt werden, wobei eine Membran-Elektroden-Anordnung, die auch als Membrane Electrode Assembly (MEA) bezeichnet wird, gebildet wird. Die MEA wird zur Bildung der Anordnung elektrochemischer Zellen anschließend üblicherweise auf eine Bipolarplatte gelegt, worauf das Stapeln, das auch als Stacking bezeichnet wird, erfolgt. The gas diffusion layers can each be bonded to a catalyst-coated membrane, forming a membrane-electrode assembly, which is also referred to as a membrane electrode assembly (MEA). The MEA is then typically placed on a bipolar plate to form the array of electrochemical cells, followed by stacking, also referred to as stacking.
DE 11 2005 002 974 B4 hat ein Verfahren zum Erhöhen der Klebkraft zwischen zu verklebenden Elementen einer Brennstoffzelle zum Gegenstand, wobei die zu verklebenden Elemente einer Oberflächenbehandlung unterzogen werden. DE 11 2005 002 974 B4 relates to a method for increasing the adhesive strength between elements of a fuel cell to be bonded, the elements to be bonded being subjected to a surface treatment.
DE 102 24452 CI ist auf eine protonenleitende Polymermembran gerichtet, wobei eine Katalysatorschicht homogen auf der Polymermembran aufgebracht ist. Die beschichtete, protonenleitende Polymermembran ist Teil einer Membran- Elektroden- Einheit, die kathoden- und anodenseitig jeweils über eine Gasverteilerstruktur und eine Diffusionsschicht verfügt. Bei der Herstellung einer zumindest teilweise mit einer Katalysatorschicht versehenen Polymermembran wird eine homogen auf der Polymermembran aufgetragene Katalysatorschicht zur Schaffung von voneinander getrennten Katalysatorsegmenten bereichsweise entfernt. DE 102 24452 CI is directed to a proton-conducting polymer membrane, with a catalyst layer being applied homogeneously to the polymer membrane. The coated, proton-conducting polymer membrane is part of a membrane-electrode unit that has a gas distribution structure and a diffusion layer on the cathode and anode side. In the production of a polymer membrane which is at least partially provided with a catalyst layer, a catalyst layer applied homogeneously to the polymer membrane is removed in regions in order to create catalyst segments which are separate from one another.
Die Gasdiffusionslagen bestehen häufig aus Kohlefaserstoffen, welche mittels Teflon miteinander verklebt sind, wobei reines Teflon sehr schlecht zu verkleben ist. Kohlefasern, die auch als Carbonfasern bezeichnet werden, sind ebenfalls relativ schlecht zu verkleben, worunter insbesondere verstanden wird, dass nur wenig adhäsive Kräfte ausgebildet werden können. The gas diffusion layers often consist of carbon fiber materials which are bonded together using Teflon, with pure Teflon being very difficult to bond. Carbon fibers, also known as carbon fibers, are also relatively difficult to bond, which is understood in particular that only a few adhesive forces can be formed.
DD 106 052 betrifft ein Verfahren zur Herstellung von verstärkten Polymerformstoffen. DD 106 052 relates to a process for producing reinforced polymer moldings.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of Invention
Es wird eine Anordnung elektrochemischer Zellen vorgeschlagen, umfassend mindestens eine Gasdiffusionslage, bevorzugt mit einer mikroporösen Schicht, eine katalysatorbeschichtete Membran mit einem Rahmen und eine Bipolarplatte, wobei die Gasdiffusionslage mit der katalysatorbeschichteten Membran und/oder mit der Bipolarplatte jeweils mittels eines Klebers verbunden ist, der Kleber an einer Oberfläche des Rahmens der katalysatorbeschichteten Membran, der Bipolarplatte und/oder gegebenenfalls der mikroporösen Schicht der Gasdiffusionslage angeordnet ist und die Oberfläche plasmafunktionalisiert ist. An arrangement of electrochemical cells is proposed, comprising at least one gas diffusion layer, preferably with a microporous layer, a catalyst-coated membrane with a frame and a bipolar plate, the gas diffusion layer being connected to the catalyst-coated membrane and/or to the bipolar plate by means of an adhesive which Adhesive is arranged on a surface of the frame of the catalyst-coated membrane, the bipolar plate and/or optionally the microporous layer of the gas diffusion layer and the surface is plasma-functionalized.
Weiterhin wird ein Fahrzeug umfassend die Anordnung elektrochemischer Zellen vorgeschlagen sowie ein Verfahren zur Herstellung der Anordnung elektrochemischer Zellen, umfassend folgende Schritte: a. Bereitstellen mindestens einer Gasdiffusionslage, bevorzugt mit einer mikroporösen Schicht, einer katalysatorbeschichteten Membran mit einem Rahmen und einer Bipolarplatte, b. Vorbehandeln einer Oberfläche des Rahmens der katalysatorbeschichteten Membran, der Bipolarplatte und/oder gegebenenfalls der mikroporösen Schicht der Gasdiffusionslage mittels Plasma, insbesondere unter Verwendung von Schattenmasken, so dass eine vorbehandelte Oberfläche entsteht, c. Aufbringen eines Klebers auf die vorbehandelte Oberfläche des Rahmens der katalysatorbeschichteten Membran, der Bipolarplatte und/oder gegebenenfalls der mikroporösen Schicht der Gasdiffusionslage, d. Stapeln der Gasdiffusionslage, der katalysatorbeschichteten Membran und der Bipolarplatte, so dass die Anordnung elektrochemischer Zellen gebildet wird. Die Anordnung elektrochemischer Zellen ist bevorzugt ein Brennstoffzellenstapel.Furthermore, a vehicle comprising the arrangement of electrochemical cells is proposed, as well as a method for producing the arrangement of electrochemical cells, comprising the following steps: a. providing at least one gas diffusion layer, preferably with a microporous layer, a catalyst-coated membrane with a frame and a bipolar plate, b. Pretreating a surface of the frame of the catalyst-coated membrane, the bipolar plate and/or optionally the microporous layer of the gas diffusion layer by means of plasma, in particular using shadow masks, so that a pretreated surface is produced, c. applying an adhesive to the pretreated surface of the frame of the catalyst-coated membrane, the bipolar plate and/or optionally the microporous layer of the gas diffusion layer, d. Stacking the gas diffusion layer, the catalyst coated membrane and the bipolar plate to form the electrochemical cell assembly. The array of electrochemical cells is preferably a fuel cell stack.
Alternativ umfasst die Anordnung elektrochemischer Zellen mindestens einen Elektrolyseur. Alternatively, the array of electrochemical cells includes at least one electrolyzer.
Bevorzugt umfasst die Anordnung elektrochemischer Zellen mindestens zwei Gasdiffusionslagen und mindestens zwei Bipolarplatten, wobei bevorzugt die katalysatorbeschichtete Membran zwischen den zwei Bipolarplatten angeordnet ist und weiter bevorzugt jeweils eine Gasdiffusionslage zwischen der katalysatorbeschichteten Membran und einer der Bipolarplatten angeordnet ist. The arrangement of electrochemical cells preferably comprises at least two gas diffusion layers and at least two bipolar plates, with the catalyst-coated membrane preferably being arranged between the two bipolar plates and more preferably one gas diffusion layer being arranged between the catalyst-coated membrane and one of the bipolar plates.
Die Bipolarplatte umfasst bevorzugt mindestens einen Port zur Durchführung mindestens eines Mediums wie Wasserstoff, Sauerstoff oder ein Kühlmittel und eine aktive Fläche, an der die elektrochemische Reaktion stattfindet. Weiterhin kann die Anordnung elektrochemischer Zellen mindestens eine Dichtung aufweisen, wobei bevorzugt die Bipolarplatte die mindestens eine Dichtung aufweist. Weiter bevorzugt umgibt die mindestens eine Dichtung den mindestens einen Port und die aktive Fläche. The bipolar plate preferably comprises at least one port for the passage of at least one medium such as hydrogen, oxygen or a coolant and an active surface on which the electrochemical reaction takes place. Furthermore, the arrangement of electrochemical cells can have at least one seal, with the bipolar plate preferably having the at least one seal. More preferably, the at least one seal surrounds the at least one port and the active area.
Der Port kann ein Einlass oder ein Auslass sein für das mindestens eine Medium und die Bipolarplatte kann mehr als einen Port umfassen. Ferner umfasst die Bipolarplatte bevorzugt Kohlenstoff wie Graphit, ein Metall wie Edelstahl oder Titan und/oder eine Legierung enthaltend das Metall. Weiter bevorzugt ist die Bipolarplatte aus Kohlenstoff, dem Metall und/oder der Legierung aufgebaut. The port can be an inlet or an outlet for the at least one medium and the bipolar plate can comprise more than one port. Furthermore, the bipolar plate preferably includes carbon such as graphite, a metal such as stainless steel or titanium and/or an alloy containing the metal. More preferably, the bipolar plate is made of carbon, the metal and/or the alloy.
Die Gasdiffusionslage umfasst bevorzugt die mikroporöse Schicht, die auch als Microporous Layer (MPL) bezeichnet wird. Weiter bevorzugt umfasst die Gasdiffusionslage ein Kohlefaservlies, das auch als „Gas Diffusion Backing“ (GDB) bezeichnet wird, und insbesondere besteht die Gasdiffusionslage aus dem Kohlefaservlies und der mikroporösen Schicht. In der Anordnung elektrochemischer Zellen ist die mikroporöse Schicht bevorzugt auf einer ersten Seite der Gasdiffusionslage angeordnet, die zur Membran zeigt. Das Kohlefaservlies ist bevorzugt auf einer zweiten Seite der Gasdiffusionslage angeordnet, die zu der Bipolarplatte zeigt. Die mikroporöse Schicht der Gasdiffusionslage ist bevorzugt benachbart zu der katalysatorbeschichteten Membran angeordnet. Die mikroporöse Schicht weist eine Mikroporenstruktur auf, wobei die mittlere Porengröße bevorzugt weniger als 1 pm beträgt. Ferner weist die mikroporöse Schicht bevorzugt eine Schichtdicke in einem Bereich von 1 pm bis 100 pm auf. The gas diffusion layer preferably includes the microporous layer, which is also referred to as the microporous layer (MPL). More preferably, the gas diffusion layer comprises a carbon fiber fleece, which is also referred to as "gas diffusion backing" (GDB), and in particular the gas diffusion layer consists of the carbon fiber fleece and the microporous layer. In the assembly of electrochemical cells, the microporous layer is preferably located on a first side of the gas diffusion layer that faces the membrane. The carbon fiber fleece is preferably arranged on a second side of the gas diffusion layer that faces the bipolar plate. The microporous layer of the gas diffusion layer is preferably located adjacent to the catalyst coated membrane. The microporous layer has a micropore structure, with the average pore size preferably being less than 1 μm. Further the microporous layer preferably has a layer thickness in a range from 1 μm to 100 μm.
Der Rahmen der katalysatorbeschichteten Membran kann auch als Versteifung oder Gasket bezeichnet werden und umfasstbevorzugt ein Kunststoffmaterial, insbesondere Polyethylennaphthalat (PEN), weiter bevorzugt besteht der Rahmen der katalysatorbeschichteten Membran aus dem Kunststoffmaterial, insbesondere Polyethylennaphthalat (PEN). The frame of the catalyst-coated membrane can also be referred to as a stiffener or gasket and preferably comprises a plastic material, in particular polyethylene naphthalate (PEN), more preferably the frame of the catalyst-coated membrane consists of the plastic material, in particular polyethylene naphthalate (PEN).
Bevorzugt enthält die Gasdiffusionslage, insbesondere die mikroporöse Schicht, Kohlenstofffasern und gegebenenfalls Polytetrafluorethylen, das auch als Teflon bezeichnet wird. Der Kleber, der auch als Klebstoff bezeichnet werden kann, liegt bevorzugt als Beschichtung auf der Oberfläche vor. Die Oberfläche ist insbesondere ein Teil des Rahmens der katalysatorbeschichteten Membran, der Bipolarplatte und/oder gegebenenfalls der mikroporösen Schicht der Gasdiffusionslage. Insbesondere ist der Kleber elektrisch leitfähig. Bevorzugt weist der Kleber einen geringen Übergangswiderstand zwischen der Bipolarplatte und der Gasdiffusionslage auf. Weiter bevorzugt liegt der Übergangswiderstand in der Größenordnung von 50 mm Ohm x cm2. The gas diffusion layer, in particular the microporous layer, preferably contains carbon fibers and optionally polytetrafluoroethylene, which is also referred to as Teflon. The adhesive, which can also be referred to as an adhesive, is preferably present as a coating on the surface. The surface is in particular a part of the frame of the catalyst-coated membrane, the bipolar plate and/or optionally the microporous layer of the gas diffusion layer. In particular, the adhesive is electrically conductive. The adhesive preferably has a low contact resistance between the bipolar plate and the gas diffusion layer. More preferably, the transition resistance is in the order of 50 mm Ohm×cm 2 .
Der Kleber kann einen elektrisch leitfähigen Füllstoff umfassen. Insbesondere besteht der Kleber aus einem Klebermaterial enthaltend den elektrisch leitfähigen Füllstoff. Ein Füllstoffgehalt liegt bevorzugt zwischen 5 % und 95 %, weiter bevorzugt zwischen 50 % und 95 %. Der Kleber, insbesondere das Klebermaterial, enthält bevorzugt Epoxidharz, Acrylat, Polyurethan, Silikon, Polyester oder Mischungen davon. Bevorzugt umfasst der elektrisch leitfähige Füllstoff Graphit und/oder ein Metall wie Silber. Weiter bevorzugt besteht der elektrisch leitfähige Füllstoff aus Graphit und/oder dem Metall wie Silber, insbesondere aus Silber. The adhesive may include an electrically conductive filler. In particular, the adhesive consists of an adhesive material containing the electrically conductive filler. A filler content is preferably between 5% and 95%, more preferably between 50% and 95%. The adhesive, in particular the adhesive material, preferably contains epoxy resin, acrylate, polyurethane, silicone, polyester or mixtures thereof. The electrically conductive filler preferably comprises graphite and/or a metal such as silver. More preferably, the electrically conductive filler consists of graphite and/or the metal such as silver, in particular silver.
Der Kleber kann ein Ein- Komponenten- Klebstoff oder ein Zwei-Komponenten- Klebstoff sein, wobei der Kleber bevorzugt gehärtet werden kann. Das Härten des Klebers wird bevorzugt bei einer Temperatur in einem Bereich von 10°C bis 90°C, weiter bevorzugt von 15°C bis 80°C, ausgeführt. The adhesive can be a one-component adhesive or a two-component adhesive, and the adhesive can preferably be cured. The curing of the adhesive is preferably carried out at a temperature in a range from 10°C to 90°C, more preferably from 15°C to 80°C.
Durch das Vorbehandeln der Oberfläche mittels Plasma werden adhäsive Kräfte verstärkt, wobei das Plasma reaktive Gruppen auf der Oberfläche erzeugt, so dass der Kleber kovalent an diese binden kann. Eine kovalente Verbindung von Kohlenstofffasern kann zum Beispiel über Amingruppen mit einem Epoxid erfolgen. Die Vorbehandlung mittels Plasma wird insbesondere in einer Atmosphäre enthaltend Luft, insbesondere Sauerstoff, durchgeführt. Die Atmosphäre kann unter anderem H2, N2, SO2, H2O und/oder Luft enthalten. Das Plasma ist bevorzugt ein NH3- Plasma, Sauerstoff- Plasma, Stickstoff- Plasma oder Schwefeldioxid-Plasma. Zur Vorbehandlung mit Plasma können Düsen verschiedener Ausführungsformen eingesetzt werden. By pre-treating the surface with plasma, adhesive forces are increased, with the plasma generating reactive groups on the surface, see above that the adhesive can bind covalently to them. A covalent connection of carbon fibers can take place, for example, via amine groups with an epoxide. The pretreatment by means of plasma is carried out in particular in an atmosphere containing air, in particular oxygen. The atmosphere may contain H2, N2, SO2, H2O and/or air, among others. The plasma is preferably an NH3 plasma, oxygen plasma, nitrogen plasma or sulfur dioxide plasma. Nozzles of various designs can be used for pretreatment with plasma.
Die Vorbehandlung mittels Plasma erfolgt bevorzugt unmittelbar vor dem Aufbringen des Klebers. Hierbei können Schattenmasken eingesetzt werden, so dass das Vorbehandeln mittels Plasma lediglich in ausgewählten Bereichen der Oberfläche durchgeführt wird. The pretreatment by means of plasma is preferably carried out immediately before the adhesive is applied. Shadow masks can be used here, so that the pre-treatment by means of plasma is only carried out in selected areas of the surface.
Bevorzugt werden die Schritte des Verfahrens in angegebener Reihenfolge durchgeführt. Weiterhin wird bevorzugt zunächst der Kleber auf die Gasdiffusionslage und/oder die Bipolarplatte aufgebracht, dann werden die Gasdiffusionslage und die Bipolarplatte übereinandergestapelt und dann wird die katalysatorbeschichtete Membran auf die Gasdiffusionslage aufgelegt. Weiter bevorzugt wird der Kleber zunächst auf zwei Gasdiffusionslagen aufgebracht und die Bipolarplatte wird zwischen den zwei Gasdiffusionslagen mit dem Kleber angeordnet, so dass eine Bipolarplatte mit zwei aufgeklebten Gasdiffusionslagen vorliegt, auf die dann bevorzugt die katalysatorbeschichtete Membran mit dem Rahmen aufgelegt wird und gegebenenfalls auf einem Stapel ergänzt wird. The steps of the method are preferably carried out in the order given. Furthermore, the adhesive is preferably first applied to the gas diffusion layer and/or the bipolar plate, then the gas diffusion layer and the bipolar plate are stacked one on top of the other and then the catalyst-coated membrane is placed on the gas diffusion layer. More preferably, the adhesive is first applied to two gas diffusion layers and the bipolar plate is arranged between the two gas diffusion layers with the adhesive, so that a bipolar plate with two bonded gas diffusion layers is present, on which the catalyst-coated membrane with the frame is then preferably placed and optionally on a stack is added.
Alternativ kann zunächst der Kleber auf die Bipolarplatte aufgebracht werden, auf der dann zwei Gasdiffusionslagen angeordnet werden, so dass eine Bipolarplatte mit zwei aufgeklebten Gasdiffusionslagen gebildet wird. Alternatively, the adhesive can first be applied to the bipolar plate, on which two gas diffusion layers are then arranged, so that a bipolar plate with two gas diffusion layers glued on is formed.
Bevorzugt folgt auf das Aufbringen des Klebers in Schritt c. ein Ausbilden von kovalenten Bindungen zwischen dem Kleber und der vorbehandelten Oberfläche. This is preferably followed by the application of the adhesive in step c. forming covalent bonds between the adhesive and the pretreated surface.
Beim Vorbehandeln mittels Plasma können als Prozessgas O2, F2, N2, Ar zum Abbauen und Ätzen der Oberfläche, die insbesondere eine polymere Oberfläche ist, eingesetzt werden, wobei die Oberfläche gereinigt wird. Insbesondere kann als Prozessgas NH3, N2, SO2, H2O und/oder Luft zum Funktionalisieren der Oberfläche, insbesondere zum Abbauen und Vernetzen eingesetzt werden. Hierbei wird die Oberfläche zum Kleben, Lackieren, Bedrucken und für chemische Umsetzungen aktiviert. In the case of pretreatment by means of plasma, O2, F2, N2, Ar can be used as the process gas for dismantling and etching the surface, which is in particular a polymeric surface, with the surface being cleaned. In particular, NH3, N2, SO2, H2O and/or air can be used as the process gas for functionalizing the surface, in particular for breaking down and crosslinking. Here, the surface is activated for gluing, painting, printing and chemical reactions.
Vorteile der Erfindung Advantages of the Invention
Durch die Plasmafunktionalität der Oberfläche beziehungsweise durch das Vorbehandeln der Oberfläche mittels Plasma wird eine kovalente Fixierung des Klebers an dem Rahmen der Membran, der Bipolarplatte beziehungsweise der mikroporösen Schicht der Gasdiffusionslage erzielt, die eine stärkere stoffschlüssige Verbindung darstellt und somit einer stärkeren Fixierung der Gasdiffusionslage auf der Bipolarplatte oder der katalysatorbeschichten Membran dient. Ferner ist eine bessere Benetzung der Oberfläche mit dem Kleber möglich. The plasma functionality of the surface or the pretreatment of the surface by means of plasma achieves a covalent fixation of the adhesive to the frame of the membrane, the bipolar plate or the microporous layer of the gas diffusion layer, which represents a stronger material connection and thus a stronger fixation of the gas diffusion layer on the Bipolar plate or the catalyst-coated membrane is used. Furthermore, better wetting of the surface with the adhesive is possible.
Durch Einsatz des Klebers kann eine in der Anordnung elektrochemischer Zellen üblicherweise erforderliche Presskraft, die insbesondere die Gasdiffusionslage beeinträchtigen kann, signifikant gesenkt werden und somit eine Gasverteilung in der elektrochemischen Zelle verbessert werden. Durch den elektrisch leitfähigen Kleber wird weiterhin der elektrische Kontakt zwischen der Bipolarplatte und der Gasdiffusionslage verbessert. Ein Übergangswiderstand wird reduziert. By using the adhesive, a pressing force which is usually required in the arrangement of electrochemical cells and which can impair the gas diffusion layer in particular, can be significantly reduced and thus gas distribution in the electrochemical cell can be improved. The electrical contact between the bipolar plate and the gas diffusion layer is further improved by the electrically conductive adhesive. A transition resistance is reduced.
Darüber hinaus wird durch den Kleber ein Verrutschen der Gasdiffusionslage beziehungsweise der katalysatorbeschichteten Membran auf der Bipolarplatte beim Stapeln der Anordnung verhindert. In addition, the adhesive prevents the gas diffusion layer or the catalyst-coated membrane from slipping on the bipolar plate when the arrangement is stacked.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings and the following description.
Es zeigen: Show it:
Figur 1 einen Brennstoffzellenstapel gemäß dem Stand der Technik, Figur 2 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer Anordnung elektrochemischer Zellen gemäß dem Stand der Technik und FIG. 1 shows a fuel cell stack according to the prior art, FIG. 2 shows a schematic representation of a method for producing an arrangement of electrochemical cells according to the prior art and
Figur 3 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Anordnung elektrochemischer Zellen. FIG. 3 shows a schematic representation of the method according to the invention for producing an arrangement of electrochemical cells.
Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar. In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar elements are denoted by the same reference symbols, with a repeated description of these elements being dispensed with in individual cases. The figures represent the subject matter of the invention only schematically.
Figur 1 zeigt eine Anordnung elektrochemischer Zellen 1 gemäß dem Stand der Technik. Die Anordnung elektrochemischer Zellen 1 umfasst eine Schichtung von Bipolarplatten 3 und Gasdiffusionslagen 5. Ferner ist eine Membran 7 dargestellt. Durch eine Anpresskraft 15 wird ein elektrischer Kontakt 17 zwischen jeweils einer Gasdiffusionslage 5 und einer Bipolarplatte 3 hergestellt. Durch die Bipolarplatten 3 strömen einerseits Wasserstoff 19 und andererseits Luft 21 und Wasser 23, die jeweils durch eine Gasdiffusionslage 5 zur Membran 7 gelangen beziehungsweise von dieser entfernt werden. Ferner werden Elektroden 25 durch die Bipolarplatten 3 geleitet. FIG. 1 shows an arrangement of electrochemical cells 1 according to the prior art. The arrangement of electrochemical cells 1 comprises a layering of bipolar plates 3 and gas diffusion layers 5. A membrane 7 is also shown. An electrical contact 17 is produced between a gas diffusion layer 5 and a bipolar plate 3 in each case by means of a contact pressure 15 . Hydrogen 19 flows through the bipolar plates 3 on the one hand and air 21 and water 23 on the other hand, which each reach the membrane 7 through a gas diffusion layer 5 and are removed from it. Furthermore, electrodes 25 are routed through the bipolar plates 3 .
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer Anordnung elektrochemischer Zellen 1 gemäß dem Stand der Technik. Eine katalysatorbeschichtete Membran 7 mit einem Rahmen 43 wird zwischen zwei Gasdiffusionslagen 5 angeordnet, so dass eine Membran- Elektroden- Anordnung 2 gebildet wird, die auf eine Bipolarplatte 3 mit einer Dichtung 41 und Ports 45 gelegt wird. Die Bipolarplatten 3 mit Membran-Elektroden-Anordnungen 2 werden dann zu einer Anordnung elektrochemischer Zellen 1 gestapelt. FIG. 2 shows a schematic representation of a method for producing an arrangement of electrochemical cells 1 according to the prior art. A catalyst-coated membrane 7 with a frame 43 is placed between two gas diffusion layers 5 so that a membrane-electrode assembly 2 is formed, which is placed on a bipolar plate 3 with a gasket 41 and ports 45 . The bipolar plates 3 with membrane electrode assemblies 2 are then stacked to form an assembly of electrochemical cells 1 .
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Anordnung elektrochemischer Zellen 1. Zwei Gasdiffusionslagen 5 werden partiell mit einem Kleber 9 versehen, nachdem eine mesoporöse Schicht der Gasdiffusionslagen 5 mittels Plasma vorbehandelt wurden. Zwischen den Gasdiffusionslagen 5, die den Kleber 9 aufweisen, wird eine Bipolarplatte 3 mit einer Dichtung 41 angeordnet und stoffschlüssig durch den Kleber 9 mit den Gasdiffusionslagen 5 verbunden. FIG. 3 shows a schematic representation of a method according to the invention for producing an arrangement of electrochemical cells 1. Two Gas diffusion layers 5 are partially provided with an adhesive 9 after a mesoporous layer of the gas diffusion layers 5 has been pretreated by means of plasma. A bipolar plate 3 with a seal 41 is arranged between the gas diffusion layers 5, which have the adhesive 9, and is bonded to the gas diffusion layers 5 by the adhesive 9.
Alternativ kann eine Bipolarplatte 3, die bereits eine Dichtung 41 aufweist, partiell mit dem Kleber 9 versehen werden, nachdem eine Oberfläche 8 einer mikroporösen Schicht der Gasdiffusionslagen 5 mit Plasma vorbehandelt wurde. Dann können zwei Gasdiffusionslagen 5 auf jeweils einer Seite der Bipolarplatte 3 angeordnet werden. Auf die Gasdiffusionslage 5 wird eine katalysatorbeschichtete Membran 7 mit einem Rahmen 43 gelegt und mehrere Bipolarplatten 3 mit Gasdiffusionslagen 5 und katalysatorbeschichteten Membranen 7 werden zu der Anordnung elektrochemischer Zellen 1 gestapelt. Alternatively, a bipolar plate 3 that already has a seal 41 can be partially provided with the adhesive 9 after a surface 8 of a microporous layer of the gas diffusion layers 5 has been pretreated with plasma. Then two gas diffusion layers 5 can be arranged on either side of the bipolar plate 3 . A catalyst-coated membrane 7 with a frame 43 is placed on the gas diffusion layer 5 and a plurality of bipolar plates 3 with gas diffusion layers 5 and catalyst-coated membranes 7 are stacked to form the electrochemical cell arrangement 1 .
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen. The invention is not limited to the exemplary embodiments described here and the aspects highlighted therein. Rather, within the range specified by the claims, a large number of modifications are possible, which are within the scope of expert action.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Anordnung elektrochemischer Zellen (1), umfassend mindestens eine Gasdiffusionslage (5), bevorzugt mit einer mikroporösen Schicht, eine katalysatorbeschichtete Membran (7) mit einem Rahmen (43) und eine Bipolarplatte (3), wobei die Gasdiffusionslage (5) mit der katalysatorbeschichteten Membran (7) und/oder mit der Bipolarplatte (3) jeweils mittels eines Klebers (9) verbunden ist, der Kleber (9) an einer Oberfläche (8) des Rahmens (43) der katalysatorbeschichteten Membran (7), der Bipolarplatte (3) und/oder gegebenenfalls der mikroporösen Schicht der Gasdiffusionslage (5) angeordnet ist und die Oberfläche (8) plasmafunktionalisiert ist. 1. Arrangement of electrochemical cells (1), comprising at least one gas diffusion layer (5), preferably with a microporous layer, a catalyst-coated membrane (7) with a frame (43) and a bipolar plate (3), wherein the gas diffusion layer (5) with the catalyst-coated membrane (7) and/or to the bipolar plate (3) by means of an adhesive (9), the adhesive (9) on a surface (8) of the frame (43) of the catalyst-coated membrane (7), the bipolar plate ( 3) and/or optionally the microporous layer of the gas diffusion layer (5) and the surface (8) is plasma-functionalized.
2. Anordnung elektrochemischer Zellen (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionslage (5), insbesondere die mikroporöse Schicht, Kohlenstofffasern und gegebenenfalls Polytetrafluorethylen enthält. 2. Arrangement of electrochemical cells (1) according to claim 1, characterized in that the gas diffusion layer (5), in particular the microporous layer, contains carbon fibers and optionally polytetrafluoroethylene.
3. Anordnung elektrochemischer Zellen (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kleber (9) Epoxidharz, Acrylat, Polyurethan, Silikon, Polyester oder Mischungen davon enthält. 3. Arrangement of electrochemical cells (1) according to claim 1 or 2, characterized in that the adhesive (9) contains epoxy resin, acrylate, polyurethane, silicone, polyester or mixtures thereof.
4. Anordnung elektrochemischer Zellen (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kleber (9) elektrisch leitfähig ist. 4. Arrangement of electrochemical cells (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the adhesive (9) is electrically conductive.
5. Anordnung elektrochemischer Zellen (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mikroporöse Schicht der Gasdiffusionslage (5) benachbart zu der katalysatorbeschichteten Membran (7) angeordnet ist. 5. Arrangement of electrochemical cells (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the microporous layer of the gas diffusion layer (5) is arranged adjacent to the catalyst-coated membrane (7).
6. Fahrzeug umfassend eine Anordnung elektrochemischer Zellen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5. Verfahren zur Herstellung einer Anordnung elektrochemischer Zellen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend folgende Schritte: a. Bereitstellen mindestens einer Gasdiffusionslage (5), bevorzugt mit einer mikroporösen Schicht, einer katalysatorbeschichteten Membran (7) mit einem Rahmen (43) und einer Bipolarplatte (3), b. Vorbehandeln einer Oberfläche (8) des Rahmens (43) der katalysatorbeschichteten Membran (7), der Bipolarplatte (3) und/oder gegebenenfalls der mikroporösen Schicht der Gasdiffusionslage (5) mittels Plasma, insbesondere unter Verwendung von Schattenmasken, so dass eine vorbehandelte Oberfläche (8) entsteht, c. Aufbringen eines Klebers (9) auf die vorbehandelte Oberfläche (8) des Rahmens (43) der katalysatorbeschichteten Membran (7), der Bipolarplatte (3) und/oder gegebenenfalls der mikroporösen Schicht der Gasdiffusionslage (5), d. Stapeln der Gasdiffusionslage (5), der katalysatorbeschichteten Membran (7) und der Bipolarplatte (3), so dass die Anordnung elektrochemischer Zellen (1) gebildet wird. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst der Kleber (9) auf die Gasdiffusionslage (5) und/oder die Bipolarplatte (3) aufgebracht wird, dann die Gasdiffusionslage (5) und die Bipolarplatte (3) übereinandergestapelt werden und dann die katalysatorbeschichtete Membran (7) auf die Gasdiffusionslage (5) aufgelegt wird. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma ein NH3- Plasma, Sauerstoff- Plasma, Stickstoff- Plasma oder Schwefeldioxid-Plasma ist. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf das Aufbringen des Klebers (9) in Schritt c. ein Ausbilden von kovalenten Bindungen zwischen dem Kleber (9) und der vorbehandelten Oberfläche (8) folgt. 6. Vehicle comprising an arrangement of electrochemical cells (1) according to any one of claims 1 to 5. A method for producing an arrangement of electrochemical cells (1) according to any one of claims 1 to 5, comprising the following steps: a. Providing at least one gas diffusion layer (5), preferably with a microporous layer, a catalyst-coated membrane (7) with a frame (43) and a bipolar plate (3), b. Pretreating a surface (8) of the frame (43) of the catalyst-coated membrane (7), the bipolar plate (3) and/or optionally the microporous layer of the gas diffusion layer (5) by means of plasma, in particular using shadow masks, so that a pretreated surface ( 8) arises, c. Applying an adhesive (9) to the pretreated surface (8) of the frame (43) of the catalyst-coated membrane (7), the bipolar plate (3) and/or optionally the microporous layer of the gas diffusion layer (5), d. Stacking the gas diffusion layer (5), the catalyst coated membrane (7) and the bipolar plate (3) to form the electrochemical cell assembly (1). Method according to Claim 7, characterized in that the adhesive (9) is first applied to the gas diffusion layer (5) and/or the bipolar plate (3), then the gas diffusion layer (5) and the bipolar plate (3) are stacked one on top of the other and then the catalyst-coated Membrane (7) is placed on the gas diffusion layer (5). Method according to Claim 7 or 8, characterized in that the plasma is an NH3 plasma, oxygen plasma, nitrogen plasma or sulfur dioxide plasma. Method according to one of Claims 7 to 9, characterized in that the application of the adhesive (9) in step c. a formation of covalent bonds between the adhesive (9) and the pretreated surface (8) follows.
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