DE102022118477B3 - Method for producing a membrane electrode assembly provided with a seal - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer mit einer Dichtung versehenen Membran-Elektrodenanordnung (2), umfassend die Schritte:a) Bereitstellen einer Rolle mit einem Rahmenmaterial,b) Bereitstellen einer Rolle mit einem Dichtungsmaterial,c) Aufbringen und Verbinden des Dichtungsmaterials auf das Rahmenmaterial in einem Rolle-Rolle-Prozess,d) Bereitstellen einer Rolle mit einer Catalyst Coated Membrane CCM und Auftragen der CCM auf das mit dem Dichtungsmaterial versehene Rahmenmaterial in einem Rolle-Rolle-Prozess-, wobei nach dem Schritt d) in einem Schritt e) eine Gasdiffussionslage GDL aufgebracht wird.The invention relates to a method for producing a membrane electrode arrangement (2) provided with a seal, comprising the steps: a) providing a roll with a frame material, b) providing a roll with a sealing material, c) applying and connecting the sealing material to the frame material in a roll-roll process, d) providing a roll with a Catalyst Coated Membrane CCM and applying the CCM to the frame material provided with the sealing material in a roll-roll process, wherein after step d) in a step e ) a gas diffusion layer GDL is applied.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer mit einer Dichtung versehenen Membran-Elektrodenanordnung, umfassend die Schritte:
- a) Bereitstellen einer Rolle mit einem Rahmenmaterial,
- b) Bereitstellen einer Rolle mit einem Dichtungsmaterial,
- c) Aufbringen und Verbinden des Dichtungsmaterials auf das Rahmenmaterial in einem Rolle-Rolle-Prozess,
- d) Bereitstellen einer Rolle mit einer katalysatorbeschichteten Membran (Catalyst Coated Membrane (CCM)) und Auftragen der CCM auf das mit dem Dichtungsmaterial versehene Rahmenmaterial in einem Rolle-Rolle-Prozess, wobei nach dem Schritt d) in einem Schritt e) eine Gasdiffussionslage GDL aufgebracht wird.
- a) providing a roll with a frame material,
- b) providing a roll with a sealing material,
- c) applying and bonding the sealing material to the frame material in a roll-roll process,
- d) Providing a roll with a catalyst-coated membrane (Catalyst Coated Membrane (CCM)) and applying the CCM to the frame material provided with the sealing material in a roll-roll process, wherein after step d) in a step e) a gas diffusion layer GDL is applied.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzelle.The invention further relates to a fuel cell.
Brennstoffzellen dienen zur Bereitstellung elektrischer Energie durch eine elektrochemische Reaktion, wobei zur Erhöhung der nutzbaren Leistung mehrere Brennstoffzellen in Reihe geschaltet zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst werden können. Brennstoffzellen besitzen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektrodenanordnung (MEA), die ein Verbund ist aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer, beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode in der Ausführung als Anode und Kathode. Die Anode und die Kathode sind mit einer auf einem Kohlenstoffträger angeordneten Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder einem Gemisch umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen. Zusammen werden diese auch als katalysatorbeschichtete Membran (CCM (Catalyst Coated Membrane)) bezeichnet.Fuel cells are used to provide electrical energy through an electrochemical reaction, whereby several fuel cells can be connected in series to form a fuel cell stack to increase the usable power. Fuel cells have the so-called membrane electrode arrangement (MEA) as their core component, which is a composite of a proton-conducting membrane and an electrode arranged on both sides of the membrane in the form of anode and cathode. The anode and the cathode are coated with a catalyst layer made of a noble metal or a mixture comprising noble metals such as platinum, palladium, ruthenium or the like, which is arranged on a carbon support and serves as a reaction accelerator in the reaction of the respective fuel cell. Together these are also referred to as a catalyst coated membrane (CCM (Catalyst Coated Membrane)).
Des Weiteren sind in einem Brennstoffzellenstapel für jede Brennstoffzelle beidseits der Membran Bipolarplatten bereitgestellt zur Zuleitung der Reaktanten und gegebenenfalls eines Kühlmittels. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-anordnungen. Auch können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektrodenanordnung an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein, um die in den Bipolarplatten herangeführten Reaktanten möglichst gleichmäßig über die gesamte Fläche der mit dem Katalysator beschichteten Membran zu verteilen.Furthermore, in a fuel cell stack, bipolar plates are provided for each fuel cell on both sides of the membrane for supplying the reactants and, if necessary, a coolant. In addition, the bipolar plates ensure electrically conductive contact with the membrane electrode arrangements. Gas diffusion layers (GDL) can also be arranged on both sides of the membrane electrode arrangement on the sides of the electrodes facing away from the membrane in order to distribute the reactants introduced into the bipolar plates as evenly as possible over the entire surface of the membrane coated with the catalyst.
Zwischen den Membran-Elektrodenanordnungen und den Bipolarplatten sind Dichtungen angeordnet, welche die Anoden- und Kathodenräume nach außen abdichten und ein Austreten der Betriebsmedien aus der Brennstoffzelle verhindern. Die Dichtungen können seitens der Membran-Elektrodenanordnungen oder der Bipolarplatten vorgesehen und insbesondere mit diesen Komponenten verbunden sein. Dabei ist zu beachten, dass das Anbringen der Dichtung unmittelbar auf der Membran-Elektroden-anordnung, wie in der
Das in der
Aus der US 2008 / 0 142 152 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Brennstoffzellenuntereinheiten als Rollenware bekannt. Kern der Offenbarung ist in einem Rolle-Rolle-Prozess die Verbindung von einer Gasdiffusionslage mit einem Dichtungsmaterial, das Öffnungen bereitstellt, in die die Gasdiffusionslage platziert wird. In einem weiteren Schritt kann diese Untereinheit mit einer Membran-Elektrodenanordnung als weitere Untereinheit in einem Rolle-Rolle-Prozess verbunden werden.From US 2008/0 142 152 A1 a process for producing fuel cell subunits as roll goods is known. The core of the disclosure is, in a roll-roll process, the connection of a gas diffusion layer with a sealing material that provides openings into which the gas diffusion layer is placed. In a further step, this subunit can be connected to a membrane electrode arrangement as a further subunit in a roll-roll process.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereit zu stellen, durch das eine kostengünstige und prozesssichere Fertigung von mit Dichtungen versehenen Membran-Elektrodenanordnungen möglich ist.The object of the present invention is to provide a method through which a cost-effective and process-reliable production of membrane electrode arrangements provided with seals is possible.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This task is solved by a method with the features of
Das eingangs genannte Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass automatisiert die Dichtung für die Membran-Elektrodenanordnung appliziert werden kann, ohne die Integrität der Membran-Elektrodenanordnung zu gefährden, da das Rahmenmaterial für einen Zwischenschritt bereit gestellt ist. Die Fertigung selber erfolgt in einem beziehungsweise mehreren Rolle-Rolle-Prozessen, was kostengünstig ist und Fertigungszeit einspart. Die weitere Verarbeitung und Nutzung der bereit gestellten Membran-Elektrodenanordnung ist vollautomatisiert möglich, was wiederum Kosten einspart und die Eignung zu einer Massenfertigung bietet.The method mentioned at the beginning is characterized by the fact that the seal for the membrane electrode arrangement can be applied automatically without endangering the integrity of the membrane electrode arrangement, since the frame material is provided for an intermediate step. The production itself takes place in one or more roll-to-roll processes, which is cost-effective and saves production time. Further processing and use of the membrane electrode arrangement provided is possible fully automated, which in turn saves costs and makes it suitable for mass production.
Das Verbinden des Dichtungsmaterials mit dem Rahmenmaterial in Schritt c) kann durch einen Klebstoff und alternativ oder ergänzend durch Hitzeeinwirkung erfolgen.The connection of the sealing material to the frame material in step c) can be done using an adhesive and alternatively or additionally by applying heat.
Vorzugsweise ist das Rahmenmaterial durch einen stabilen Kunststoff gebildet, also einem Kunststoff der formstabil ist und sich bei Auftragen der Dichtung nicht verformt, und geeignet ist, einen Rahmen für eine vereinzelte Membran-Elektrodenanordnung zu bilden.The frame material is preferably formed by a stable plastic, i.e. a plastic that is dimensionally stable and does not deform when the seal is applied, and is suitable for forming a frame for an isolated membrane electrode arrangement.
Für den Rolle-Rolle-Prozess ist es günstig, wenn das Rahmenmaterial und/oder das Dichtungsmaterial als Folie gebildet ist, also mit hinreichend dünner Materialstärke wickelfähig auf einer Rolle angeordnet ist.For the roll-roll process, it is favorable if the frame material and/or the sealing material is formed as a film, i.e. is arranged on a roll with a sufficiently thin material thickness so that it can be wound.
Für die weitere Fertigung besteht die Möglichkeit, dass zum Abschluss des Rolle-Rolle-Prozesses die mit der Dichtung versehene Membran-Elektrodenanordnung vereinzelt wird. Diese kann dann zur Bildung einer Brennstoffzelle mit den Bipolarplatten verbunden werden, wobei die Dichtwirkung durch die der Membrana-Elektrodenanordnung zugeordnete Dichtung gewährleistet ist.For further production, it is possible that the membrane electrode arrangement provided with the seal is separated at the end of the roll-roll process. This can then be connected to the bipolar plates to form a fuel cell, with the sealing effect being ensured by the seal assigned to the membrane electrode arrangement.
Die vorstehend genannten Vorteile und Wirkungen gelten auch für eine Brennstoffzelle mit einer derartigen Membran-Elektrodenanordnung, insbesondere kann diese Brennstoffzelle prozesssicherer, mit weniger Ausschuss und damit kostengünstiger hergestellt werden.The advantages and effects mentioned above also apply to a fuel cell with such a membrane electrode arrangement; in particular, this fuel cell can be produced more reliably, with less waste and therefore more cost-effectively.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar. Es sind somit auch Ausführungen als offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.The features and combinations of features mentioned above in the description as well as the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and/or shown in the figures alone can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own. Embodiments which are not explicitly shown or explained in the figures, but which emerge from the explained embodiments through separate combinations of features and can be generated are therefore also to be regarded as disclosed.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt:
-
1 eine Draufsicht auf eine Brennstoffzelle mit der Bipolarplatte und der Membran-Elektrodenanordnung.
-
1 a top view of a fuel cell with the bipolar plate and the membrane electrode arrangement.
In der
Über Anodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels wird den Anoden Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) zugeführt. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die Membran lässt die Protonen (zum Beispiel H+) hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen (e-). An der Anode erfolgt dabei die folgende Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die Membran zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet. Über Kathodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels kann den Kathoden Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).Fuel (for example hydrogen) is supplied to the anodes via anode spaces within the fuel cell stack. In a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEM fuel cell), fuel or fuel molecules are split into protons and electrons at the anode. The membrane allows protons (for example H + ) to pass through, but is impermeable to electrons (e-). The following reaction occurs at the anode: 2H 2 → 4H + + 4e - (oxidation/electron release). While the protons pass through the membrane to the cathode, the electrons are conducted via an external circuit to the cathode or to an energy storage device. Cathode gas (for example oxygen or oxygen-containing air) can be supplied to the cathodes via cathode spaces within the fuel cell stack, so that the following reaction takes place on the cathode side: O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O (reduction/electron absorption).
Zwischen den Membran-Elektrodenanordnungen 2 und den Bipolarplatten 3 sind Dichtungen angeordnet, welche die Anoden- und Kathodenräume nach außen abdichten und ein Austreten der Betriebsmedien aus der Brennstoffzelle 1 verhindern.Seals are arranged between the
Den Dichtungen kommt daher eine wichtige Funktion für den sicheren und effizienten Betrieb zu. Die Dichtungen können prinzipiell auf den Bipolarplatten 3 angeordnet sein, was aber eine kostengünstige Fertigung in großen Stückzahlen erschwert. Die Anbringung einer Dichtung auf der Membran-Elektrodenanordnung 2 ist mit der Gefahr einer Beschädigung dieses teuren Bauteils verbunden und auch hinsichtlich einer Massenfertigung problematisch.The seals therefore have an important function for safe and efficient operation. The seals can in principle be arranged on the
Zur Vermeidung dieser Nachteile wird ein Verfahren zur Herstellung einer mit einer Dichtung versehenen Membran-Elektrodenanordnung 2 genutzt, das die nachfolgenden Schritte umfasst:
- a) Bereitstellen einer Rolle mit einem Rahmenmaterial,
- b) Bereitstellen einer Rolle mit einem Dichtungsmaterial,
- c) Aufbringen und Verbinden des Dichtungsmaterials auf das Rahmenmaterial in einem Rolle-Rolle-Prozess,
- d) Bereitstellen einer Rolle mit einer katalysatorbeschichteten Membran (Catalyst Coated Membrane (CCM)) und Auftragen der CCM auf das mit dem Dichtungsmaterial versehene Rahmenmaterial in einem Rolle-Rolle-Prozess.
- a) providing a roll with a frame material,
- b) providing a roll with a sealing material,
- c) applying and bonding the sealing material to the frame material in a roll-roll process,
- d) Providing a roll with a catalyst coated membrane (CCM) and applying the CCM to the frame material provided with the sealing material in a roll-roll process.
Dabei sind das Rahmenmaterial und/oder das Dichtungsmaterial als Folie bereit gestellt. Das Rahmenmaterial ist durch einen stabilen Kunststoff gebildet, der die Eignung besitzt, als Rahmen für die Membran-Elektroden-anordnung 2 zu fungieren.The frame material and/or the sealing material are provided as a film. The frame material is formed by a stable plastic, which is suitable for functioning as a frame for the membrane-
Die Dichtung kann daher unter Vermeidung von Ausschusskosten in einem Rolle-Rolle-Prozess der Membran-Elektrodenanordnung zugeordnet werden, was zudem Fertigungszeit einspart, da auch die weitere Fertigung vollautomatisiert ermöglicht wird, beispielsweise indem nach dem Schritt d) in einem Schritt e) eine Gasdiffussionslage GDL aufgebracht wird und nachfolgend die mit der Dichtung versehene Membran-Elektrodenanordnung 2 vereinzelt wird, um die Verbindung mit dem Bipolarplatten 3 zur Bildung einer Brennstoffzelle 1 zu ermöglichen.The seal can therefore be assigned to the membrane electrode arrangement in a roll-roll process while avoiding scrap costs, which also saves production time since further production is also made fully automated, for example by creating a gas diffusion layer in step e) after step d). GDL is applied and subsequently the
Das Verbinden des Dichtungsmaterials mit dem Rahmenmaterial kann in Schritt c) durch einen Klebstoff und/oder durch Hitzeeinwirkung erfolgen.The sealing material can be connected to the frame material in step c) using an adhesive and/or by applying heat.
BEZUGSZEICHENLISTEREFERENCE SYMBOL LIST
- 11
- BrennstoffzelleFuel cell
- 22
- Membran-ElektrodenanordnungMembrane electrode assembly
- 33
- BipolarplatteBipolar plate
- 44
- Zuleitungsupply line
- 55
- AbleitungDerivation
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US20130004882A1 (en) | 2006-12-15 | 2013-01-03 | 3M Innovative Properties Company | Processing methods and systems for assembling fuel cell perimeter gaskets |
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