DE102021209580A1

DE102021209580A1 - Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung, Membran-Elektroden-Anordnung sowie Brennstoffzelle mit einer Membran-Elektroden-Anordnung

Info

Publication number: DE102021209580A1
Application number: DE102021209580.1A
Authority: DE
Inventors: Anton Ringel; Andreas Ringk
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-09-01
Filing date: 2021-09-01
Publication date: 2023-03-02
Also published as: CN117918043A; WO2023030812A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung (10) für eine Brennstoffzelle, bei dem eine Membran (1), vorzugsweise eine Polymermembran, zur Ausbildung einer ersten und einer zweiten Elektrode (2, 3) beidseits mit einem katalytisch aktiven Material beschichtet wird und bei dem auf mindestens eine Stirnfläche (8) der beschichteten Membran (1) ein Dicht- und/oder Klebstoff (7) aufgebracht wird, über den die beschichtete Membran (1) mit zwei übereinanderliegenden Kunststofffolien (5, 6) zur Ausbildung eines Gaskets (4) verbunden wird.Die Erfindung betrifft ferner eine Membran-Elektroden-Anordnung (10) sowie eine Brennstoffzelle mit einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Anordnung (10).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Membran-Elektroden-Anordnung sowie eine Brennstoffzelle mit einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Anordnung.
Stand der Technik
Mit Hilfe einer Brennstoffzelle kann unter Verwendung eines Brennstoffs, beispielsweise Wasserstoff, und eines Oxidationsmittels, beispielsweise Sauerstoff, chemische in elektrische Energie gewandelt werden. Die Brennstoffzelle weist hierzu eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) mit einer Membran auf, die zur Ausbildung von Elektroden beidseitig mit einem katalytisch aktiven Material beschichtet ist. Zur Randverstärkung wird die beidseits beschichtete Membran in der Regel zwischen zwei Kunststofffolien einlaminiert. Diese Art der Randverstärkung wird auch „Gasket“ genannt. Die beiden Kunststofffolien weisen dabei großflächige Fenster auf, damit bis auf einen schmalen umlaufenden Randbereich die beschichtete Membran frei bleiben. Die freien Flächen bilden aktive Flächen aus, über welche im Betrieb der Brennstoffzelle der für die elektrochemische Reaktion erforderliche Protonenaustausch erfolgt.
Bei der Ausbildung des Gaskets bzw. beim Einlaminieren der beschichteten Membran werden ca. 6% der aktiven Fläche durch Klebstoff abgedeckt und somit deaktiviert. Dies wirkt sich negativ auf die Performance der Brennstoffzelle aus.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Performance einer Brennstoffzelle mit einer einlaminierten Membran-Elektroden-Anordnung zu verbessern. Ferner soll die Membran-Elektroden-Anordnung möglichst einfach und kostengünstig herstellbar sein.
Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie die Membran-Elektroden-Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird eine Brennstoffzelle mit einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Anordnung angegeben.
Offenbarung der Erfindung
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle. Bei dem Verfahren wird eine Membran, vorzugsweise eine Polymermembran, zur Ausbildung einer ersten und einer zweiten Elektrode beidseits mit einem katalytisch aktiven Material beschichtet. Bei dem Verfahren wird ferner auf mindestens eine Stirnfläche der beschichteten Membran ein Dicht- und/oder Klebstoff aufgebracht, über den die beschichtete Membran mit zwei übereinanderliegenden Kunststofffolien zur Ausbildung eines Gaskets verbunden wird.
Der auf die mindestens eine Stirnfläche der beschichteten Membran aufgebrachte Dicht- und/oder Klebstoff bildet eine Gasbarriere aus, die im Betrieb der späteren Brennstoffzelle der Trennung der Reaktionsgase dient. Zugleich wird über den Dicht- und/oder Klebstoff eine Verbindung der beschichteten Membran mit den Kunststofffolien des Gaskets hergestellt, so dass eine weitere Klebeverbindung entbehrlich ist. Die Klebeverbindung der Membran mit den Kunststofffolien kann demnach hierauf beschränkt werden. Insbesondere können die aktiven Flächen der beschichteten Membran klebstofffrei bleiben, so dass diese nicht durch Klebstoff abgedeckt bzw. deaktiviert werden. Auf diese Weise kann die Performance der Membran-Elektroden-Anordnung und damit der Brennstoffzelle gesteigert werden. Zugleich wird der Klebstoffverbrauch gesenkt. In der Folge kann zudem das Gewicht der Brennstoffzelle reduziert werden.
Vorzugsweise ist der Dicht- und/oder Klebstoff auf allen Stirnflächen der beschichteten Membran aufgebracht, so dass die Membran umlaufend über den Dicht- und/oder Klebstoff mit den beiden Kunststofffolien des Gaskets verbunden ist. Zugleich wird auf diese Weise eine umlaufende Gasbarriere ausgebildet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Dicht- und/oder Klebstoff vollflächig auf die mindestens eine Stirnfläche der beschichteten Membran aufgebracht. Das heißt, dass sich der Dicht- und/oder Klebstoff über die gesamte Stirnfläche der beschichteten Membran erstreckt, so dass auch die Elektroden stirnseitig von dem Dicht- und/oder Klebstoff abgedeckt sind. Die durch den Dicht- und/oder Klebstoff ausgebildete Gasbarriere wird dadurch weiter optimiert.
Vorteilhafterweise wird zumindest eine mit katalytisch aktivem Material beschichtete Oberfläche der Membran frei von dem Dicht- und/oder Klebstoff gehalten, um die Performance der Membran-Elektroden-Anordnung bzw. der die Membran-Elektroden-Anordnung aufweisenden Brennstoffzelle zu steigern. Das schließt nicht aus, dass die Membran zumindest einseitig mit einer Kunststofffolie des Gaskets verklebt wird. Zum Verkleben wird in diesem Fall jedoch bevorzugt ein Klebstoff eingesetzt, der sich von dem auf der mindestens einen Stirnfläche der Membran aufgebrachten Dicht- und/oder Klebstoff unterscheidet. Denn der auf die Oberfläche der beschichteten Membran aufgetragene Klebstoff muss keine Gasbarriere ausbilden. Diese Funktion wird von dem stirnseitig aufgebrachten Dicht- und/oder Klebstoff übernommen. Durch Verwendung eines geeigneten Klebstoffs kann somit die Verbindung der Membran mit dem Gasket optimiert werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass zumindest eine mit katalytisch aktivem Material beschichtete Oberfläche der Membran vor dem Aufbringen des Dicht- und/oder Klebstoffs mit einer Maske, vorzugsweise einer Stempelmaske, abgedeckt wird. Die mindestens eine Maske stellt sicher, dass der Auftrag des Dicht- und/oder Klebstoffs allein auf die mindestens eine Stirnfläche der beschichteten Membran erfolgt. Vorzugsweise werden beide beschichteten Oberflächen der Membran jeweils mit Hilfe einer Maske abgedeckt, so dass lediglich die Stirnflächen der Membran frei liegen.
Die Verwendung mindestens einer Stempelmaske als Maske besitzt den Vorteil, dass die Maskierung zeitgleich mit der Herstellung der beschichteten Membran vorgenommen werden kann. Beispielsweise kann die Membran durch Stanzen aus einer beidseits mit einem katalytisch aktiven Material beschichteten Polymerbahn hergestellt werden. Die beim Stanzen eingesetzten Stempelmasken können dann beim anschließenden Aufbringen des Dicht- und/oder Klebstoffs als Masken auf der Membran verbleiben, da sie nur die Stirnflächen der beschichteten Membran freigeben. Die mit katalytisch aktivem Material beschichteten Oberflächen der Membran sind somit optimal geschützt.
Der Dicht- und/oder Klebstoff kann auf die mindestens eine Stirnfläche der beschichteten Membran aufgespritzt, aufgesprüht, aufgepinselt, aufgerollt, aufgesputtert oder aufgedampft werden. Mit Hilfe dieser Auftragsverfahren kann der Auftrag des Dicht- und/oder Klebstoffs - mit oder ohne Maskierung - auf eine oder mehrere Stirnflächen der beschichteten Membran beschränkt werden, so dass die mit dem katalytisch aktiven Material beschichteten Oberflächen frei von dem Dicht- und/oder Klebstoff bleiben.
Der Dicht- und/oder Klebstoff kann auch mittels Plasmabehandlung, vorzugsweise in einer Plasmakammer, oder durch Eintauchen der beschichteten Membran in ein Tauchbad aufgebracht werden. In diesem Fall müssen die mit dem katalytisch aktiven Material beschichteten Oberflächen zuvor abgedeckt bzw. maskiert werden, um den Auftrag auf eine oder mehrere Stirnflächen der beschichteten Membran zu beschränken.
Die darüber hinaus vorgeschlagene Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle umfasst eine Membran, vorzugsweise eine Polymermembran, die zur Ausbildung einer ersten und einer zweiten Elektrode beidseits mit einem katalytisch aktiven Material beschichtet und zur Ausbildung eines Gaskets von zwei übereinanderliegenden Kunststofffolien eingefasst ist. Eine Verbindung der Membran mit den beiden Kunststofffolien ist dabei über einen Dicht- und/oder Klebstoff hergestellt, der ausschließlich auf einer oder mehreren Stirnflächen der beschichteten Membran angeordnet ist.
Durch die stirnseitige Anordnung des Dicht- und/oder Klebstoffs bildet dieser eine Gasbarriere aus. Mit Hilfe der Gasbarriere wird später im Betrieb einer die Membran-Elektroden-Anordnung aufweisenden Brennstoffzelle eine Trennung der Reaktionsgase bewirkt. Da der Dicht- und/oder Klebstoff lediglich stirnseitig angeordnet ist, bleiben die mit dem katalytisch aktiven Material beschichteten Oberflächen der Membran frei von dem Dicht- und/oder Klebstoff. Das heißt, dass die aktiven Flächen der beschichteten Membran nicht durch den Dicht- und/oder Klebstoff abgedeckt bzw. deaktiviert werden. Die Membran-Elektroden-Anordnung bzw. die die Membran-Elektroden-Anordnung aufweisende Brennstoffzelle weist somit eine gesteigerte Performance auf. Zugleich ist sie kostengünstiger herstellbar, da Dicht- und/oder Klebstoff eingespart wird. Zugleich weist die Membran-Elektroden-Anordnung ein geringeres Gewicht auf.
Die vorgeschlagene Membran-Elektroden-Anordnung kann insbesondere nach dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden.
Bevorzugt weisen die beiden Kunststofffolien des Gaskets einen gemeinsamen Überlappungsbereich mit der beschichteten Membran auf. Die überlappende Anordnung bewirkt eine verbesserte Aussteifung der Membran. Sofern im Überlappungsbereich auf die Anordnung eines Dicht- und/oder Klebstoffs verzichtet wird, kann die gesamte mit einem katalytisch aktiven Material beschichtete Oberfläche der Membran als aktive Fläche genutzt werden.
Die beiden Kunststofffolien des Gaskets können jedoch auch über einen Klebstoff, der sich von dem Dicht- und/oder Klebstoff unterscheidet, mit der Membran und/oder miteinander verklebt sein. Auf diese Weise kann die Verbindung der beiden Kunststofffolien miteinander und/oder mit der Membran verbessert werden. Der Klebstoff kann dabei lediglich bereichsweise, das heißt nicht umlaufend, aufgetragen sein, so dass an den Stellen, an denen kein Klebstoff zwischen den Kunststofffolien und der Membran angeordnet ist, die Reaktionsgase weiterhin zwischen die jeweilige Kunststofffolie und die Membran gelangen. Die aktive Fläche wird demnach nur dort deaktiviert wird, wo Klebstoff auf einer beschichteten Oberfläche der Membran aufgetragen ist. Sofern der Klebstoff lediglich zwischen den beiden Kunststofffolien angeordnet wird, um diese miteinander zu verkleben, bleiben die aktiven Flächen der Membran jeweils in Gänze nutzbar.
Des Weiteren wird eine Brennstoffzelle für einen Brennstoffzellenstapel vorgeschlagen, die eine erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Anordnung umfasst.
Die Brennstoffzelle weist dank der erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Anordnung eine bessere Performance auf. Zudem ist sie kostengünstiger herstellbar, da Klebstoff und gegebenenfalls Folienmaterial eingespart werden. Durch die Materialeinsparungen verringert sich zudem das Gewicht der Brennstoffzelle.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

1 einen Querschnitt durch eine erste erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Anordnung,
2 einen Querschnitt durch eine zweite erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Anordnung,
3 einen Querschnitt durch eine dritte erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Anordnung,
4 eine perspektivische Darstellung einer Stanzvorrichtung zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung beim Maskieren der beidseits beschichteten Membran,
5 eine perspektivische Darstellung der Stanzvorrichtung der 4 beim Stanzen der Membran,
6 eine perspektivische Darstellung der gestanzten maskierten Membran und
7 eine perspektivische Darstellung der gestanzten maskierten Membran beim Besprühen einer Seitenfläche.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Die in der 1 dargestellte Membran-Elektroden-Anordnung 10 umfasst zur Ausbildung von Elektroden 2, 3 eine beidseits mit einem katalytisch aktiven Material beschichtete Membran 1. Die Elektrode 2 bildet eine Kathode und die Elektrode 3 eine Anode aus. Auf einer Stirnfläche 8 weist die Membran 1 einen Dicht- und/oder Klebstoff 7 auf, so dass eine Gasbarriere ausgebildet wird. Zugleich ist über den Dicht- und/oder Klebstoff 7 eine Verbindung der Membran 1 mit zwei Kunststofffolien 5, 6 eines die Membran 1 einfassenden Gaskets 4 hergestellt. Das Gasket 4 steift die Membran 1 aus. Die Kunststofffolien 5, 6 sind hierzu bis auf die Membran 1 geführt, so dass sie in einem gemeinsamen Überlappungsbereich a die Elektroden 2, 3 abdecken. Da jedoch zwischen den Kunststofffolien 5, 6 und den beschichteten Oberflächen der Membran 1 kein Dicht- und/oder Klebstoff angeordnet ist, können die Reaktionsgase unter die Kunststofffolien 5, 6 gelangen, so dass es nicht zu einer Deaktivierung der aktiven Flächen der Membran 1 kommt.
Der 2 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Anordnung 10 zu entnehmen. Diese unterscheidet sich von der der 1 dadurch, dass auf einen gemeinsamen Überlappungsbereich a verzichtet wurde. Die Kunststofffolien 5, 6 enden vor den Elektroden 2, 3, so dass die aktiven Flächen der Membran 1 vollständig frei liegen.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Anordnung 10 ist in der 3 dargestellt. Zusätzlich zum stirnseitig auf die Membran 1 aufgebrachten Dicht- und/oder Klebstoff 7 ist ein Klebstoff 9 vorgesehen, über den die Kunststofffolien 5, 6 miteinander sowie mit der Membran 1 verklebt sind. Die Verklebung erfolgt in einem gemeinsamen Überlappungsbereich a, wobei vorzugsweise der Klebstoff 9 lediglich bereichsweise, das heißt nicht umlaufend aufgetragen ist, so dass die Reaktionsgase in den klebstofffreien Bereichen zwischen die Kunststofffolien 5, 6 und die beschichtete Membran 1 gelangen können.
Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Anordnung 10 wird nachfolgend anhand der 4 bis 7 beschrieben.
Zunächst wird die Membran 1 mittels Stanzen aus einer beidseits mit einem katalytisch aktiven Material beschichteten Polymerbahn hergestellt. Hierzu werden beidseits an die Polymerbahn als Stempelmasken dienende Masken 11, 12 angelegt (siehe 4), deren Abmessungen den Abmessungen der Membran 1 entsprechen. Mit Hilfe eines Stanzwerkzeugs 13 wird dann die Membran 1 aus der Polymerbahn ausgestanzt (siehe 5). In der Polymerbahn verbleibt dann ein entsprechend großes Stanzloch 14.
Die Masken 11, 12 verbleiben nach dem Stanzen auf der Membran 1, so dass die mit dem katalytisch aktiven Material beschichteten Oberflächen der Membran 1 vollflächig abgedeckt sind (siehe 6). Bei entsprechender Maskierung kann dann auf die mindestens eine Stirnfläche 8 der Membran 1 der Dicht- und/oder Klebstoff 7 aufgebracht, beispielsweise aufgesprüht, werden. Hierzu kann eine Sprühvorrichtung 15 eingesetzt werden (siehe 7).

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung (10) für eine Brennstoffzelle, bei dem eine Membran (1), vorzugsweise eine Polymermembran, zur Ausbildung einer ersten und einer zweiten Elektrode (2, 3) beidseits mit einem katalytisch aktiven Material beschichtet wird und bei dem auf mindestens eine Stirnfläche (8) der beschichteten Membran (1) ein Dicht- und/oder Klebstoff (7) aufgebracht wird, über den die beschichtete Membran (1) mit zwei übereinanderliegenden Kunststofffolien (5, 6) zur Ausbildung eines Gaskets (4) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dicht- und/oder Klebstoff (7) vollflächig auf die mindestens eine Stirnfläche (8) der beschichteten Membran (1) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine mit katalytisch aktivem Material beschichtete Oberfläche der Membran (1) frei von dem Dicht- und/oder Klebstoff (7) gehalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine mit katalytisch aktivem Material beschichtete Oberfläche der Membran (1) vor dem Aufbringen des Dicht- und/oder Klebstoffs (7) mit einer Maske (11, 12), vorzugsweise einer Stempelmaske, abgedeckt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dicht- und/oder Klebstoff (7) auf die mindestens eine Stirnfläche (8) der beschichteten Membran (1) aufgespritzt, aufgesprüht, aufgepinselt, aufgerollt, aufgesputtert oder aufgedampft wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dicht- und/oder Klebstoff (7) mittels Plasmabehandlung, vorzugsweise in einer Plasmakammer, oder durch Eintauchen der beschichteten Membran (1) in ein Tauchbad aufgebracht wird.
Membran-Elektroden-Anordnung (10) für eine Brennstoffzelle, umfassend eine Membran (1), vorzugsweise eine Polymermembran, die zur Ausbildung einer ersten und einer zweiten Elektrode (2, 3) beidseits mit einem katalytisch aktiven Material beschichtet und zur Ausbildung eines Gaskets (4) von zwei übereinanderliegenden Kunststofffolien (5, 6) eingefasst ist, wobei eine Verbindung der Membran (1) mit den beiden Kunststofffolien (5, 6) über einen Dicht- und/oder Klebstoff (7) hergestellt ist, der ausschließlich auf einer oder mehreren Stirnflächen (8) der beschichteten Membran (1) angeordnet ist.
Membran-Elektroden-Anordnung (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kunststofffolien (5, 6) des Gaskets (4) einen gemeinsamen Überlappungsbereich (a) mit der beschichteten Membran (1) aufweisen.
Membran-Elektroden-Anordnung (10) nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kunststofffolien (5, 6) des Gaskets (4) über einen Klebstoff (9), der sich von dem Dicht- und/oder Klebstoff (7) unterscheidet, mit der Membran (1) und/oder miteinander verklebt sind.
Brennstoffzelle für einen Brennstoffzellenstapel, umfassend eine Membran-Elektroden-Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 9.