DE102015200804B4

DE102015200804B4 - Membran-Elektroden-Einheit und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE102015200804B4
Application number: DE102015200804.5A
Authority: DE
Inventors: c/o Ballard Power Systems Bellerive Julie; c/o Ballard Power Systems Cheng Tommy
Original assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2015-01-20
Filing date: 2015-01-20
Publication date: 2025-12-18
Anticipated expiration: 2035-01-21
Also published as: DE102015200804A1

Abstract

Membran-Elektroden-Einheit (10) zur Anordnung in einer Brennstoffzelle, aufweisend einen Schichtstapel (19) mit einem Membran-Elektroden-Gefüge (13), das eine Membran (13a) und zwei die Membran (13a) kontaktierende Elektroden (13b) umfasst, und zumindest einer die Elektroden (13a) kontaktierende Gasdiffusionsschicht (15), wobei die Gasdiffusionsschicht (15) einen ersten Abschnitt (16) und einen angrenzenden zweiten Abschnitt (14) aufweist und die Gasdiffusionsschicht (15) in dem ersten Abschnitt (16) unelastisch komprimiert ist, sodass eine Kompressibilität der Gasdiffusionsschicht (15b) in dem ersten Abschnitt (16) kleiner ist als die Kompressibilität der Gasdiffusionsschicht (15a) in dem zweiten Abschnitt (14), dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (16) in einem Bereich angeordnet ist, in dem der Schichtstapel (19) in einem nicht komprimierten Zustand eine größere Dicke aufweist als in dem zweiten Abschnitt (14).

Description

Die Erfindung betrifft eine Membran-Elektroden-Einheit zur Anordnung in einer Brennstoffzelle, aufweisend einen Schichtstapel mit einem Membran-Elektroden-Gefüge, das eine Membran und zwei die Membran kontaktierende Elektroden umfasst, und zumindest einer die Elektroden kontaktierenden Gasdiffusionsschicht, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente Membran-Elektroden-Einheiten, die jeweils als ein Verbund aus einer Ionen leitenden, insbesondere Protonen leitenden Membran, und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ausgestaltet sein kann. Zudem können Gasdiffusionsschichten beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den von der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel weist die Brennstoffzelle eine Vielzahl im Stapel angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten auf, deren elektrische Leistungen sich addieren. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff (H₂) oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über einen Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein wassergebundener oder wasserfreier Transport der Protonen (H⁺) aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff (O₂) oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. Durch die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie erzielen Brennstoffzellen gegenüber anderen Elektrizitätsgeneratoren aufgrund der Umgehung des Carnot-Faktors einen verbesserten Wirkungsgrad.
Die DE 11 2005 002 013 T5 beschreibt eine Membran-Elektroden-Einheit zur Anordnung in einer Brennstoffzelle, aufweisend einen Schichtstapel mit einem Membran-Elektroden-Gefüge, das eine Membran und zwei die Membran kontaktierende Elektroden umfasst, und zumindest eine die Elektroden kontaktierende Gasdiffusionsschicht. Die Gasdiffusionsschicht weist einen ersten Abschnitt und einen angrenzenden zweiten Abschnitt auf. Dabei ist die Gasdiffusionsschicht in dem ersten Abschnitt unelastisch komprimiert, sodass eine Kompressibilität der Gasdiffusionsschicht in dem ersten Abschnitt kleiner ist als die Kompressibilität der Gasdiffusionsschicht in dem zweiten Abschnitt.
Eine Brennstoffzelle wird also durch eine Vielzahl im Stapel angeordneter Einzelzellen gebildet, sodass auch vom Brennstoffzellenstapel gesprochen wird. Zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten sind Bipolarplatten angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanden, und einem Temperiermedium, sicherstellen. Zudem können die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Einheiten sorgen.
Je dicker die Membran-Elektroden-Einheit ist, desto geringer ist die Leistungsdichte einer solchen Brennstoffzellenvorrichtung. Folglich wird angestrebt, die Membran-Elektroden-Einheit möglichst dünn auszugestalten, um eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einer hohen Energiedichte bereitstellen zu können.
Bei bekannten Brennstoffzellenvorrichtungen wird versucht, eine Erhöhung der Dicke der Membran-Elektroden-Einheit, die durch eine zusätzliche Schicht oder inhomogene Membran-Elektroden-Einheiten verursacht wird, dadurch zu verringern, dass diese in einer Mulde, die in einer an die Membran-Elektroden-Einheit anliegenden Bipolarplatte vorgesehen ist, angeordnet wird. Die Mulde resultiert jedoch wiederum in einer gewissen Mindestdicke der Bipolarplatte, die die Energiedichte begrenzt.
Darüber hinaus ergibt sich bei dem Verbauen bekannter Membran-Elektroden-Einheiten in einer Brennstoffzelle ein weiterer Nachteil. Beim Verbauen kommt es zwischen Bipolarplatten, und den Gasdiffusionsschichten der Membran-Elektroden-Einheit zu Kontakten. Diese bilden sich insbesondere im Bereich von Erhebungen einer Profilstruktur der Bipolarplatte aus. Diese Erhebungen verursachen eine punktuelle Kompression der Gasdiffusionsschicht, die zu Inhomogenitäten im Durchfluss der Betriebsmedien und somit zu einem inhomogenen Druckprofil der Gasdiffusionsschicht führen. Ferner wird die Gasdiffusionsschicht ausschließlich im Bereich der Erhebungen eingedrückt, in angrenzenden Bereichen wie Mulden oder Kanälen der Bipolarplatte kommt es daher zu Auswölbungen der Gasdiffusionsschicht in die Mulden und die Kanäle und somit zu einer Verkleinerung eines lichten Querschnitts der Kanäle. Handelt es sich bei den somit verkleinerten Kanälen um Betriebsmedien führende Kanäle, so führt diese Verkleinerung wiederum zu einem Druckanstieg, der sich nachteilig auf die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle auswirkt.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Membran-Elektroden-Einheit bereitzustellen, die die Probleme des Standes der Technik löst oder zumindest reduziert.
Diese Aufgabe wird durch eine Membran-Elektroden-Einheit zur Anordnung in einer Brennstoffzelle mit den Merkmalen des ersten unabhängigen Anspruchs sowie einem Verfahren zu dessen Herstellung gelöst.
Somit betrifft ein erster Aspekt der Erfindung eine Membran-Elektroden-Einheit zur Anordnung in einer Brennstoffzelle, aufweisend einen Schichtstapel mit einem Membran-Elektroden-Gefüge, das eine Membran und zwei die Membran kontaktierende Elektroden umfasst, und zumindest einer die Elektroden kontaktierenden Gasdiffusionsschicht. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Gasdiffusionsschicht einen ersten Abschnitt und einen angrenzenden zweiten Abschnitt aufweist und die Gasdiffusionsschicht in dem ersten Abschnitt unelastisch komprimiert ist, sodass eine Kompressibilität der Gasdiffusionsschicht in dem ersten Abschnitt kleiner ist als die Kompressibilität der Gasdiffusionsschicht in dem zweiten Abschnitt. Dabei ist der erste Abschnitt zumindest in einem Bereich angeordnet, in dem der Schichtstapel in einem nicht komprimierten Zustand eine größere Dicke aufweist als in dem zweiten Abschnitt. Es versteht sich, dass mit dem Begriff „nicht komprimierter Zustand der Schichtstapels“ ein theoretischer Zustand gemeint ist, der ohne Komprimierung der Komponenten der Membran-Elektroden-Einheit, insbesondere der zumindest einen Gasdiffusionsschicht vorläge.
Die erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Einheit hat insbesondere den Vorteil, dass durch die Kompression erreicht wird, dass der Schichtstapel auf eine einheitliche Höhe gebracht wird. Das bedeutet, dass die Oberfläche des Schichtstapels, insbesondere die Oberfläche der Gasdiffusionsschicht, über die gesamte Fläche des Stapels eben (oder fluchtend) ist. Darüber hinaus führt das unelastische Komprimieren, also das Komprimieren bis zu einem Punkt, an dem die Kompressibilität reduziert wird, dazu, dass bei neuerlichem insbesondere punktuellem Pressen der Gasdiffusionsschicht nur eine sehr geringe oder sogar keine weitere Dickenreduktion der Gasdiffusionsschicht verursacht wird. Somit bleibt die einheitliche Höhe der Gasdiffusionsschicht auch bei einem Verbau der Membran-Elektroden-Einheit in einer Brennstoffzelle erhalten. Damit wird verhindert, dass der Querschnitt eventueller Mulden oder Kanäle der in einer Brennstoffzelle an die Gasdiffusionsschicht angrenzenden Bipolarplatte durch Auswölbungen der Gasdiffusionsschicht reduziert wird. Vorteilhafterweise bleibt das Volumen und somit die Durchflussrate und der Durchflussdruck von in den Mulden beziehungsweise Kanälen strömenden Betriebsmedien erhalten und wird nicht durch eine Einwölbung der Gasdiffusionsschicht reduziert beziehungsweise beeinflusst.
Die Kompression, Verdichtung oder auch Komprimierung ist ein Zusammendrücken eines Körpers, welches dessen Volumen verringert und seine Dichte erhöht. Ein Körper wird nur dann als komprimierbar betrachtet, wenn der einwirkende Kompressionsdruck ausreicht, um eine merkliche Dichteveränderungen zu verursachen. Nach dem Vorgang der Kompression ist der Körper verdichtet, also komprimiert. Im Fall einer elastischen Verformung kehrt sich die Verdichtung beim Nachlassen eines Drucks wieder um und der Körper dehnt sich wieder aus.
Bei Festkörpern, wie der Gasdiffusionsschicht, kann abhängig vom Material und von dem Druck teilweise eine bleibende Änderung der Struktur mit erhöhter Dichte eintreten. Hierbei handelt es sich um eine unelastische Kompression, die mit einer reduzierten Kompressibilität einhergeht. Das bedeutet, dass infolge einer unelastischen Komprimierung zur weiteren Kompression des Körpers ein höherer Druck auf den Körper aufgebracht werden muss, um eine Komprimierung, also eine Volumenreduktion zu bewirken, als nach einer elastischen Komprimierung.
Bei dem Abschnitt der erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit, in dem die Gasdiffusionsschicht unelastisch komprimiert ist, handelt es sich vorzugsweise um einen Bereich der Membran-Elektroden-Einheit, in welchem diese im nicht komprimierten Zustand infolge zusätzlicher Schichten oder dickerer Abschnitte der einzelnen Komponenten eine größere Schichtstapelhöhe aufweist als in dem angrenzenden Bereich. Diese Abschnitte finden sich bevorzugt in Bereichen der Membran-Elektroden-Einheit, welche sich im verbauten Zustand in einer Brennstoffzelle nicht im aktiven Bereich der Brennstoffzelle befinden.
Bei der Membran handelt es sich vorzugsweise um eine mit einem Katalysator beschichtete Membran (ccm, catalyst coated membrane).
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Schichtstapel in dem ersten Abschnitt, in dem die Gasdiffusionsschicht unelastisch komprimiert ist, eine (dickenerhöhende) Diffusionsbarriereschicht aufweist. Bei der Diffusionsbarriereschicht handelt es sich um eine Schicht mit stark reduzierter Gasdurchlässigkeit gegenüber den Betriebsmedien, insbesondere gegenüber Wasserstoff, Luft oder Wasserdampf. Insbesondere ist die Diffusionsbarriereschicht in einem späteren Verteilerbereich der Membran-Elektroden-Einheit angeordnet, welcher Hauptmedienkanäle eines Brennstoffzellenstapels mit den Flussfeldern des aktiven Bereichs verbindet. Die Diffusionsbarriereschicht erstreckt sich vorzugsweise über den gesamten Verteilerbereich einer Membran-Elektroden-Einheit. Somit umfasst in dieser Ausgestaltung der Erfindung der unelastisch komprimierte erste Abschnitt den Bereich der Gasdiffusionsschicht, an dem eine Diffusionsbarriereschicht angrenzt. Die Diffusionsbarriereschicht kann an die Gasdiffusionsschicht an ihrer dem Membran-Elektroden-Gefüge zugewandten Seite oder ihrer hiervon abgewandten äußeren Seite anschließen.
Vorteilhafterweise ist die Oberfläche des Schichtstapels der erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit in der bevorzugten Ausgestaltung gefluchtet, das heißt, eine äußere Oberfläche der Diffusionsbarriereschicht befindet sich in Flucht mit der äußeren Oberfläche der Gasdiffusionsschicht in den zweiten Abschnitten, in denen keine Diffusionsbarriereschicht vorliegt. Somit ergibt sich über die gesamte Fläche des Schichtstapels der erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit eine einheitliche Höhe des Schichtstapels.
Ebenfalls bevorzugt ist, dass der Schichtstapel in dem ersten Abschnitt, in dem die Gasdiffusionsschicht unelastisch komprimiert ist, eine das Membran-Elektroden-Gefüge einfassende Stützschicht aufweist. Bei dieser Stützschicht handelt es sich üblicherweise um einen den aktiven Bereich der Membran-Elektroden-Einheit umlaufenden Bereich, welcher zumindest teilweise mit dem Membran-Elektroden-Gefüge überlappt. In einem den aktiven Bereich einrahmenden Abschnitt überlappt die Stützschicht nicht nur mit dem Membran-Elektroden-Gefüge, sondern ebenfalls mit der deutlich dickeren Gasdiffusionsschicht. Dies führt zu einem erhöhten Schichtaufbau in diesem Bereich und somit zu einer Erhöhung der Dicke des Schichtstapels. In der erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit wird ein derartig erhöhter Schichtaufbau durch die erfindungsgemäße Kompression reduziert, sodass die Höhe des Schichtstapels im gesamten Bereich der Höhe des Schichtstapels des aktiven Bereichs entspricht.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Schichtstapel im Einbauzustand in einer Brennstoffzelle an ein Flussfeld mit Kanälen unterschiedlicher Kanalbreiten angrenzt und der unelastisch komprimierte erste Abschnitt der Gasdiffusionsschicht zusätzlich in einem Bereich vorhanden ist, in dem das Flussfeld breitere Kanäle aufweist als in dem zweiten Abschnitt. Alternativ oder zusätzlich umfasst der erste Abschnitt der Gasdiffusionsschicht einen Bereich der Gasdiffusionsschicht, der an einen Bereich der Bipolarplatte eines Brennstoffzellenstapels angrenzt, der breitere Kanäle aufweist als der zweite Bereich der Bipolarplatte. Diese Ausgestaltungen bieten den Vorteil, dass auch in den breiten Kanälen eine Reduktion des Querschnitts der Kanäle infolge von Auswölbungen der Gasdiffusionsschicht in die Kanäle hinein verhindert oder zumindest reduziert ist. Derartige Auswölbungen treten ohne Gegenmaßnahmen naturgemäß stärker in breiteren Kanälen auf als in schmalen. Die Erfindung ermöglicht es somit, große Kanalbreiten vorzusehen und somit hohe Gasmassenströme zu ermöglichen, die andernfalls nur durch eine Reduzierung der Kanalbreite unter Erhöhung der Kanaltiefe darstellbar sind, das heißt mit einer unerwünschten Vergrößerung der Höhe des Brennstoffzellenstapels einhergehen.
Vorteilhafterweise weist die Gasdiffusionsschicht im unelastisch komprimierten ersten Abschnitt eine Dicke d auf, die um 10 bis 30 % geringer ist als eine Dicke d der Gasdiffusionsschicht in dem zweiten Abschnitt. Eine Kompression, die zu einer Höhenreduktion der Gasdiffusionsschicht im Bereich von 10 bis 30 % führt, führt zu einer Gasdiffusionsschicht, die zumindest in dem unelastisch komprimierten ersten Abschnitt beim Verpressen in eine Brennstoffzelle nicht mehr oder nur marginal weiter komprimiert werden kann. Übliche Gasdiffusionsschichten weisen eine Dicke im Bereich von 10 bis 100 µm, insbesondere im Bereich von 40 bis 60 µm auf. Für diese Gasdiffusionsschichten bedeutet die bevorzugte Ausgestaltung eine Reduktion der Höhe der Gasdiffusionsschicht im unelastisch komprimierten ersten Abschnitt von 4 bis 20 µm, insbesondere von 8 bis 15 µm, also bevorzugt im Bereich von ungefähr 10 µm. Es wurde erkannt, dass dieser Bereich die Vorteile einer reduzierten Kompressibilität zeigt, eine durch die Kompression der Gasdiffusionsschicht herbeigeführte Erhöhung eines Strömungswiderstandes gegenüber den in der Gasdiffusionsschicht geführten Betriebsmedien jedoch gering und tolerierbar bleibt.
Ferner ist bevorzugt, dass die Gasdiffusionsschicht in dem zweiten Abschnitt, in welchem die Gasdiffusionsschicht nicht unelastisch komprimiert ist, zumindest teilweise komprimiert ist. Der Vorteil besteht darin, dass die Gasdiffusionsschicht über die gesamte Fläche des Schichtstapels in Bezug auf die Durchflussraten geführter Betriebsmedien homogenisiert ist. Darüber hinaus ist in dieser Ausgestaltung im gesamten Flussfeld, also auch im aktiven Bereich einer späteren Brennstoffzelle, eine Auswölbung der Gasdiffusionsschicht in die Kanäle des Flussfeldes reduziert.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit. Das erfindungsgemäße Verfahren weist die Schritte auf: Komprimieren einer Gasdiffusionsschicht derart, dass die Gasdiffusionsschicht in einem ersten Abschnitt, in dem die Membran-Elektroden-Einheit in einem nicht komprimierten Zustand, der eine größere Dicke aufweist als in einem angrenzenden zweiten Abschnitt, unelastisch komprimiert ist, sodass eine Kompressibilität der Gasdiffusionsschicht in dem ersten Abschnitt kleiner ist als die Kompressibilität der Gasdiffusionsschicht in dem angrenzenden zweiten Abschnitt. Zuvor oder anschließend wird die Gasdiffusionsschicht auf einem Membran-Elektroden-Gefüge, umfassend eine Membran und zwei die Membran kontaktierende Elektroden, angeordnet. Vorzugsweise werden die Komprimierung und das Anordnen der Membran in einem gemeinsamen Arbeitsschritt durchgeführt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Gasdiffusionsschicht in einem ersten Schritt in dem ersten Abschnitt und/oder in dem zweiten Abschnitt komprimiert wird und anschließend in einem zweiten Schritt selektiv in dem ersten Abschnitt komprimiert wird. Diese Entkopplung der Schritte führt zum einen zu einem besonders homogenen Ergebnis und zum anderen dazu, dass die ebene Gestalt der Oberfläche des Schichtstapels und das unelastische Komprimieren in unterschiedlichen Abschnitten, insbesondere unterschiedlich großen Abschnitten, der Gasdiffusionsschicht durchgeführt werden kann. Dabei ist bevorzugt, dass der im ersten Schritt komprimierte Abschnitt von dem im zweiten Schritt komprimierten Abschnitt umfasst ist.
Der erste Schritt umfasst vorzugsweise ein Vorkomprimieren und/oder ein Fluchten der Oberfläche des Schichtstapels, während im zweiten Schritt die Kompressibilität durch unelastische Komprimierung der Gasdiffusionsschicht selektiv in dem ersten Abschnitt erniedrigt wird. In bevorzugten Alternativen werden der erste Schritt und der zweite Schritt gemeinsam oder in umgekehrter Reihenfolge ausgeführt.
Weiterhin ist bevorzugt, dass die Gasdiffusionsschicht durch Pressen mit einem Werkzeug mit einem Druck im Bereich von 3 bis 10 MPa komprimiert wird und der Druck im ersten Schritt niedriger ist als im zweiten. Mit Vorteil weist das Presswerkzeug eine Matrix beziehungsweise eine Schablone mit der Form des jeweils zu komprimierenden Abschnitts auf, welche es ermöglicht, den Druck gezielt und ausschließlich auf den zu pressenden Abschnitt, insbesondere dem ersten Abschnitt, einwirken zu lassen. Ein Druck im Bereich von 2 bis 10 MPa ist besonders geeignet, um die Gasdiffusionsschicht derart zu komprimieren, dass sich eine Kompressibilität reduziert, die Dichte der Gasdiffusionsschicht jedoch nicht so weit erhöht wird, dass sich der Strömungswiderstand innerhalb der Gasdiffusionsschicht für Betriebsmedien merklich erhöht. Besonders bevorzugt wird zumindest im zweiten Schritt ein Druck aufgewendet, welcher oberhalb eines Druckes liegt, der zum Verpressen einer Brennstoffzelle aufgewendet wird, welcher die erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Einheit umfasst. Dies stellt sicher, dass der Druck beim Verpressen der Brennstoffzelle keine weitere Volumenreduktion der Gasdiffusionsschicht mit sich bringt.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass der Druck im ersten Schritt im Bereich von 3 bis 3,5 MPa, insbesondere im Bereich von 3,2 bis 3,4 MPa und im zweiten Schritt im Bereich von 3,5 bis 4 MPa, insbesondere von 3,7 bis 3,9 MPa beträgt. Dabei wird im ersten Schritt bevorzugt ein Fluchten der Oberfläche des Schichtstapels und somit eine Reduktion der Gasdiffusionsschicht um ungefähr 1 µm erreicht, während im zweiten Schritt eine weitere Komprimierung der Höhe der Gasdiffusionsschicht von 10 bis 30 % und somit eine Reduktion der Kompressibilität der Gasdiffusionsschicht in diesem Abschnitt erfolgt.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung des Querschnitts eines Schichtstapels einer Membran-Elektroden-Einheit,
2 eine schematische Darstellung des Querschnitts eines Kontaktbereichs zwischen einer Bipolarplatte und einer Membran-Elektroden-Einheit gemäß Stand der Technik (a) sowie gemäß der Erfindung in einem Bereich geringer Kanalbreiten (b) und großer Kanalbreiten (c),
3 eine schematische Darstellung der Aufsicht auf eine Membran-Elektroden-Einheit in einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
4 eine schematische Darstellung der Aufsicht auf eine Membran-Elektroden-Einheit in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, und
5 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit 10. Die Membran-Elektroden-Einheit 10 umfasst einen Schichtstapel 19 mit einem Membran-Elektroden-Gefüge 13, an dem beidseitig eine Gasdiffusionsschicht 15 angeordnet ist. Das Membran-Elektroden-Gefüge 13 umfasst eine Membran 13a sowie zwei an die Membran 13a anschließende Schichten katalytischer Elektroden 13b. Bei der Membran handelt es sich vorzugsweise um eine Polymerelektrolytmembran, welche zumindest in einem Bereich, nämlich dem aktiven Bereich des Membran-Elektroden-Gefüges 13, mit den katalytischen Elektroden 13b funktionalisiert ist. Die katalytischen Elektrodenschichten 13b umfassen einen Katalysator, vorzugsweise ein katalytisches Metall wie beispielsweise Platin, das befähigt ist, die Brennstoffzellenreaktion zu katalysieren. Durch diese Funktionalisierung, welche beidseitig der Membran 13a erfolgt, bildet sich im aktiven Bereich des Membran-Elektroden-Gefüges 13 ein Elektrodenpaar 13b aus, wobei die beiden Elektroden 13b durch die Membran 13a elektrisch voneinander isoliert sind.
Die Gasdiffusionsschichten 15 umfassen ein stark poröses Material, wie beispielsweise Graphit, welches elektrisch leitfähig ist und befähigt ist, aufgrund der großen Porosität beziehungsweise der großen inneren Oberfläche von Betriebsmedien, insbesondere im gasförmigen Zustand, durchströmt zu werden.
Der Schichtstapel 19 der Membran-Elektroden-Einheit 10 kann optional weitere Schichten (hier nicht gezeigt) umfassen. Als weitere Schichten kommen beispielsweise eine Diffusionsbarriereschicht, eine stützende Laminatschicht oder andere poröse Schichten in Betracht.
Die Membran-Elektroden-Einheit 10 ist ausgebildet, um zwischen zwei Bipolarplatten 17 verbaut zu werden und somit eine Brennstoffzelle zu bilden (siehe 2). Die Bipolarplatten 17 sind aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt und weisen auf der der Membran-Elektroden-Einheit 10 zugewandten Seite eine Profilstruktur auf. Diese Profilstruktur aus Vertiefungen und Erhebungen ergibt zumindest bereichsweise ein Flussfeld mit Kanälen 18. Die Kanäle 18 dienen der Zuführung von Betriebsmedien zur Membran-Elektroden-Einheit 10 insbesondere den Elektroden 13b der Membran-Elektroden-Einheit 10 im aktiven Bereich. Zudem dienen die Kanäle 18 einer gleichmäßigen Betriebsmittelverteilung sowohl im aktiven als auch in einem Verteilerbereich. Um einen uneingeschränkten Durchfluss der Betriebsmedien durch die Kanäle 18 zu gewährleisten, ist ein bestimmter und homogener Durchmesser der Kanäle 18 erforderlich. Bei der Ausbildung schmalerer Kanäle 18 ist es daher erforderlich, entweder die Tiefe der Kanäle 18 zu erhöhen oder aber die Breite oder Anzahl der Kanäle 18 zu erhöhen. Beides geht mit einer Erhöhung der Dicke der Bipolarplatte 17 und somit des Brennstoffzellenstapels einher.
2 zeigt in den Teildarstellungen a bis c jeweils einen Querschnitt durch einen Abschnitt einer Bipolarplatte 17 mit einer angrenzenden Gasdiffusionsschicht im Bereich eines Flussfeldes. Der gezeigte Abschnitt der 2a und 2c weist jeweils breite Kanäle 18 auf, während der in 2b gezeigte Abschnitt schmale Kanäle 18 aufweist. An die Bipolarplatte 17 ist jeweils eine Membran-Elektroden-Einheit 10 derart angeordnet, dass sie die offenen Kanäle 18 der Bipolarplatte 17 verschließt. Gezeigt ist dabei jeweils die an die Bipolarplatte 17 angrenzende Gasdiffusionsschicht 15 der Membran-Elektroden-Einheit 10.
In der Teildarstellung a der 2 ist angrenzend an die Bipolarplatte 17 eine herkömmliche Membran-Elektroden-Einheit angeordnet, bei der die Gasdiffusionsschicht 15a in nicht- oder nur elastisch komprimiertem Zustand vorliegt. 2a zeigt, dass es beim Verpressen der Bipolarplatte mit der Membran-Elektroden-Einheit für die Herstellung einer Brennstoffzelle zu einer punktuellen Kompression der Gasdiffusionsschicht 15a im Bereich der Stege zwischen den Kanälen 18 kommt. Diese Kompression wird dadurch sichtbar, dass es zu einer Auswölbung 15c der Gasdiffusionsschicht 15a in den lichten Querschnitt der Kanäle 18 kommt. Diese Auswölbungen 15c reduzieren den Querschnitt und damit auch das Volumen der Kanäle 18.
In 2b ist ein Querschnitt einer Bipolarplatte 17 im Bereich eines Flussfeldes gezeigt, welches über schmale Kanäle 18 verfügt. An die Bipolarplatte 17 der 2b ist eine Membran-Elektroden-Einheit mit einer nicht oder elastisch komprimierten Gasdiffusionsschicht 15a angeordnet. Die Kanäle 18 weisen in dieser Darstellung eine Breite auf, die verhindert, dass es zu nennenswerten Auswölbungen 15c der Gasdiffusionsschicht 15a in dem lichten Querschnitt der Kanäle 18 kommt.
2c zeigt eine Bipolarplatte 17 mit Kanälen 18, die die gleiche Breite aufweisen wie die Kanäle 18 der in 2a dargestellten Kanäle 18. An die Bipolarplatte 17 der 2c grenzt eine erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Einheit mit unelastisch komprimierter Gasdiffusionsschicht 15b an. Diese Gasdiffusionsschicht 15b weist aufgrund der erfindungsgemäßen unelastischen Kompression eine geringere Dicke auf als die elastisch oder nicht komprimierten Gasdiffusionsschichten 15a der 2a und 2b. 2c zeigt, dass diese Kompression zu einer Reduzierung der Kompressibilität der Gasdiffusionsschicht 15b führt, sodass die punktuelle Druckeinwirkung der Bipolarplatte auf die Gasdiffusionsschicht 15b im Bereich zwischen den Kanälen 18 nicht zu einer weiteren Kompression der Gasdiffusionsschicht 15b führt und es somit nicht zu Auswölbungen 15c der Gasdiffusionsschicht 15b in die Kanäle 18 kommt.
In 3 ist eine Membran-Elektroden-Einheit 10 in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung in Aufsicht gezeigt. Die Membran-Elektroden-Einheit 10 umfasst zwei Verteilerbereiche 11 und einen aktiven Bereich 12. In den Verteilerbereichen 11 der Membran 13 befinden sich Durchgangsöffnungen, die im verbauten Zustand zu einer Brennstoffzelle zusammen mit gleichartig gestalteten Durchgangsöffnungen der Bipolarplatten Hauptgaskanäle bilden, die den Brennstoffzellenstapel in Stapelrichtung durchsetzen. Ferner grenzen die Verteilerbereiche 11 im verbauten Zustand an ein Flussfeld einer Bipolarplatte an. In den Verteilerbereichen 11 der gezeigten Bipolarplatte weist der Schichtstapel der Membran-Elektroden-Einheit 10 eine weitere Schicht 22 auf, nämlich eine Diffusionsbarriereschicht 23. An den Verteilerbereichen 11 grenzt ein aktiver Bereich 12 an. Im aktiven Bereich 12 umfasst die Membran-Elektroden-Einheit 10 lediglich die in 1 gezeigte Schichtstruktur 19 aus Membran-Elektroden-Gefüge 13 und Gasdiffusionsschichten 15. In der gezeigten Form ist im aktiven Bereich 12 keine zusätzliche Schicht angeordnet.
Der Bereich der Verteilerbereiche 11, in dem der Schichtstapel 19 eine zusätzliche Schicht 22 aufweist, entspricht dem erfindungsgemäßen unelastisch komprimierten ersten Abschnitt 16 der Gasdiffusionsschichten 15. Der angrenzende zweite Abschnitt 14 setzt sich aus dem aktiven Bereich 12 und dem Bereich der Verteilerbereiche 11 zusammen, in denen keine zusätzliche Schicht 22 angeordnet ist. Der Schichtstapel weist eine Oberfläche auf, die sowohl im unelastisch komprimierten ersten Abschnitt 16 als auch im angrenzenden zweiten Abschnitt 14 die gleiche Höhe aufweist, das heißt, der Schichtstapel weist über den gesamten Bereich eine einheitliche Dicke auf.
Eine ebenfalls bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit 10 ist in 4 gezeigt. Die Membran-Elektroden-Einheit 10 der 4 umfasst ebenfalls einen Schichtstapel mit einem mittig angeordneten Membran-Elektroden-Gefüge 13. In den Verteilerbereichen 11 ist beidseits an die Membran eine Stützschicht 24 angeordnet. Im aktiven Bereich 12 ist beidseits an das Membran-Elektroden-Gefüge 13 eine Gasdiffusionsschicht 15 angeordnet. Im unelastisch komprimierten ersten Abschnitt 16 kommt es zu einer Überlappung von Stützschicht 24 und Gasdiffusionsschicht 15. Die Teildarstellungen 4a und 4b zeigen diesen ersten Abschnitt 16 im Querschnitt. Dabei zeigt 4a den Querschnitt des Überlappungsbereiches mit einer herkömmlichen Membran-Elektroden-Einheit 10, und die Teildarstellung 4b zeigt den Querschnitt des Überlappungsbereiches, wobei der Überlappungsbereich den unelastisch komprimierten ersten Abschnitt 16 bildet, das heißt, der Abschnitt umfasst ein mittig angeordnetes Membran-Elektroden-Gefüge 13, an dem beidseits eine Gasdiffusionsschicht 15 angeordnet ist. Ferner umfasst dieser Schichtstapel im Randbereich beidseitig eine Stützschicht 24, welche das Membran-Elektroden-Gefüge 13 und die Gasdiffusionsschichten 15 rahmenartig einfassen. Die Gasdiffusionsschichten umfassen im Randbereich jeweils einen ersten Abschnitt 16, an dem sie als unelastisch komprimierte Gasdiffusionsschicht 15b ausgebildet ist sowie den daran angrenzenden zweiten Abschnitt, in dem sie als nicht- oder elastisch komprimierte Gasdiffusionsschicht 15a ausgebildet ist. Der auf der der Membran abgewandten Seite ferner die Stützschicht 24 anschließt. Der unelastisch komprimierte erste Abschnitt 16 entspricht dabei dem Bereich, an dem die Stützschicht 24 vorhanden ist. Es ist erkennbar, dass die Oberfläche der nicht komprimierten Gasdiffusionsschicht 15a mit der Oberfläche der Stützschicht 24 fluchtend abschließt, also auf einer einheitlichen Höhe endet. Der Vergleich der 4a mit der 4b zeigt, dass der Schichtaufbau durch die Komprimierung der Gasdiffusionsschicht 15b im überlappenden Bereich deutlich reduziert wird.
Die erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Einheit 10 kann mit einem Verfahren hergestellt werden, dessen Abfolge gemäß einer bevorzugten Ausführung in 5 schematisch in drei Schritten l bis III dargestellt ist. Zunächst wird in Schritt l ein Schichtstapel bereitgestellt, der zumindest eine Gasdiffusionsschicht 15 umfasst. An diese Gasdiffusionsschicht 15 ist bereichsweise eine zusätzliche Schicht 22 angeordnet, beispielsweise eine Diffusionsbarriereschicht oder einer Stützschicht. In diesem ersten Schritt l ist die Gasdiffusionsschicht 15 nicht komprimiert, so dass die Höhe h des Schichtstapels 19 größer ist als die Dicke d der Gasdiffusionsschicht 15. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird an diesem Schichtstapel ein Presswerkzeug 20 angeordnet (II). Dieses Presswerkzeug 20 ist derart ausgestaltet, dass es eine Pressfläche 21 aufweist, die nur mit dem Bereich der Oberfläche des Schichtstapels 19 in Kontakt steht, die dem unelastisch zu komprimierenden ersten Abschnitt 16 entsprechen soll. In der gezeigten Ausführungsform der 5 entspricht dieser Abschnitt 16 dem Bereich der zusätzlichen Schicht 22. Anschließend wird über das Presswerkzeug 20 an der Pressfläche 21 Druck auf den Schichtstapel 19, insbesondere die zusätzliche Schicht 22 ausgeübt, der an die Gasdiffusionsschicht 15 weitergegeben wird. Je nach Ausgestaltung der zusätzlichen Schicht kommt es zu einer Komprimierung der zusätzlichen Schicht 22 und zu einer Komprimierung der Gasdiffusionsschicht 15. Nach dem Pressvorgang (III) entspricht die Höhe h des Schichtstapels 19 im gesamten Bereich des Schichtstapels 19 der Dicke d der nicht komprimierten Gasdiffusionsschicht 15a im angrenzenden zweiten Abschnitt 14. Die Höhe der unelastisch komprimierten Gasdiffusionsschicht 15b im ersten Abschnitt 16 plus der Dicke der zusätzlichen Schicht 22 entspricht also der Höhe der nicht komprimierten Gasdiffusionsschicht 15a im zweiten Abschnitt 14 des Schichtstapels 19.
Um eine unelastische Komprimierung der Gasdiffusionsschicht 15 zu erzielen, ist es von Vorteil, den Pressvorgang (II) zweistufig durchzuführen. Dabei wird in einem ersten, in 5 nicht gezeigten, Schritt weniger Druck auf den Schichtstapel ausgeübt als im zweiten Schritt. Besonders vorteilhaft sind Drücke im Bereich von 3 bis 4 MPa, insbesondere im ersten Schritt Drücke von 3 bis 3,5 MPa und im zweiten Schritt Drücke von 3,5 bis 4 MPa. Dabei kann im zweiten Schritt das Presswerkzeug 2 ausgetauscht werden, wobei das im zweiten Schritt benutzte Presswerkzeug eine andere, insbesondere geringere Pressfläche aufweist. Um eine unelastische Komprimierung insbesondere im ersten Abschnitt 16 zu erzielen, umfasst die Pressfläche 21 des im zweiten Kompressionsschritt verwendeten Presswerkzeugs 2 zumindest die Pressfläche 21 des im ersten Kompressionsschritt verwendeten Werkzeugs 2.
Die Pressfläche 21 kann als Schablone vorgesehen sein, deren Form der Form des ersten Abschnitts 16 entspricht und die zwischen einem Pressstempel des Presswerkzeugs 2 und dem Abschnitt 16 gelegt wird, um zu gewährleisten, dass die durch den Pressstempel bereitgestellte Presskraft nur im Abschnitt 16 und nicht im angrenzenden zweiten Abschnitt 14 auf die Gasdiffusionsschicht 15 anliegt.
Zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Einheit 10 ist erforderlich, dass an die Gasdiffusionsschicht 15 ein Membran-Elektroden-Gefüge 13 angeordnet wird. Das Zusammenführen von Membran-Elektroden-Gefüge 13 und beidseits an das Membran-Elektroden-Gefüge 13 anliegender Gasdiffusionsschichten 15 kann entweder vor oder nach dem Komprimieren der Gasdiffusionsschicht 15 mittels des Presswerkzeugs 20 erfolgen. Bevorzugt ist jedoch das Komprimieren der Gasdiffusionsschichten 15 in einem gesonderten Schritt vor dem Zusammenführen mit der Membran 13.
Bezugszeichenliste

10: Membran-Elektroden-Einheit
11: Verteilerbereich
12: aktiver Bereich
13: Membran-Elektroden-Gefüge
13a: Membran
13b: Elektrode
14: zweiter Abschnitt
15: Gasdiffusionsschicht
15a: unkomprimierte Gasdiffusionsschicht
15b: komprimierte Gasdiffusionsschicht
15c: Auswölbung der Gasdiffusionsschicht
16: erster Abschnitt
17: Bipolarplatte
18: Kanal
19: Schichtstapel
20: Presswerkzeug
21: Pressfläche
22: zusätzliche Schicht
23: Diffusionsbarriereschicht
24: Stützschicht
d: Dicke der unkomprimierten Gasdiffusionsschicht
h: Höhe des Schichtstapels

Claims

Membran-Elektroden-Einheit (10) zur Anordnung in einer Brennstoffzelle, aufweisend einen Schichtstapel (19) mit einem Membran-Elektroden-Gefüge (13), das eine Membran (13a) und zwei die Membran (13a) kontaktierende Elektroden (13b) umfasst, und zumindest einer die Elektroden (13a) kontaktierende Gasdiffusionsschicht (15), wobei die Gasdiffusionsschicht (15) einen ersten Abschnitt (16) und einen angrenzenden zweiten Abschnitt (14) aufweist und die Gasdiffusionsschicht (15) in dem ersten Abschnitt (16) unelastisch komprimiert ist, sodass eine Kompressibilität der Gasdiffusionsschicht (15b) in dem ersten Abschnitt (16) kleiner ist als die Kompressibilität der Gasdiffusionsschicht (15a) in dem zweiten Abschnitt (14), dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (16) in einem Bereich angeordnet ist, in dem der Schichtstapel (19) in einem nicht komprimierten Zustand eine größere Dicke aufweist als in dem zweiten Abschnitt (14).
Membran-Elektroden-Einheit (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtstapel (19) in dem ersten Abschnitt (16) eine Diffusionsbarriereschicht (23) aufweist.
Membran-Elektroden-Einheit (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtstapel (19) in dem ersten Abschnitt (16) eine das Membran-Elektroden-Gefüge (13) einfassende Stützschicht (24) aufweist.
Membran-Elektroden-Einheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtstapel (19) im Einbauzustand in einer Brennstoffzelle an ein Flussfeld mit Kanälen (18) unterschiedlicher Kanalbreiten angrenzt und der unelastisch komprimierte erste Abschnitt (16) der Gasdiffusionsschicht (15) zusätzlich in einem Bereich vorhanden ist, in dem das Flussfeld breitere Kanäle (18) aufweist als in einem benachbarten Bereich.
Membran-Elektroden-Einheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionsschicht (15b) in dem ersten Abschnitt (16) eine Dicke (d) aufweist, die um 10 bis 30% geringer ist als eine Dicke (d) der Gasdiffusionsschicht (15a) in dem zweiten Abschnitt (14).
Membran-Elektroden-Einheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionsschicht (15a) in dem zweiten Abschnitt (14) zumindest teilweise komprimiert ist.
Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Einheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: - Komprimieren einer Gasdiffusionsschicht (15) derart, dass die Gasdiffusionsschicht (15) in einem ersten Abschnitt (16) unelastisch komprimiert ist, sodass eine Kompressibilität der Gasdiffusionsschicht (15b) in dem ersten Abschnitt (16) kleiner ist als die Kompressibilität der Gasdiffusionsschicht (15a) in einem angrenzenden zweiten Abschnitt (14), wobei der erste Abschnitt (16) in einem Bereich angeordnet ist, in dem der herzustellende Schichtstapel (19) in einem nicht komprimierten Zustand eine größere Dicke (d) aufweist als in dem zweiten Abschnitt (14), und - Anordnen der Gasdiffusionsschicht (15) auf einem Membran-Elektroden-Gefüge (13), umfassend eine Membran (13a) und zwei die Membran (13a) kontaktierende Elektroden (13b).
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionsschicht (15) in einem ersten Schritt in dem ersten Abschnitt (16) und/oder in dem zweiten Abschnitt (14) komprimiert wird und anschließend in einem zweiten Schritt selektiv in dem ersten Abschnitt (16) komprimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das die Gasdiffusionsschicht (15) durch Pressen mit einem Werkzeug mit einem Druck im Bereich von 3 bis 4 MPa komprimiert wird und der Druck im ersten Schritt niedriger ist als im zweiten Schritt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im ersten Schritt im Bereich von 3 bis 3,5 MPa, insbesondere im Bereich von 3,2 bis 3,4 MPa, und im zweiten Schritt im Bereich von 3,5 bis 4 MPa, insbesondere im Bereich von 3,7 bis 3,9 MPa, beträgt.