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.

Stand der Technik

Elektrochemische Zellen sind elektrochemische Energiewandler und in Form von Brennstoffzellen oder Elektrolyseuren bekannt.

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.

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.

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:

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.

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.

Die Elektroden, also die Anode und die Kathode, und die Membran können konstruktiv zusammengefasst sein.

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.

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.

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.

Die Membran kann eine dünne Katalysatorschicht aufweisen, so dass sie als katalysatorbeschichtete Membran oder als Catalyst Coated Membrane (CCM) bezeichnet wird.

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.

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 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.

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.

DD 106 052 betrifft ein Verfahren zur Herstellung von verstärkten Polymerformstoffen.

Offenbarung der Erfindung

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.

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.

Alternativ umfasst die Anordnung elektrochemischer Zellen mindestens einen Elektrolyseur.

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.

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.

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.

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.

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).

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 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.

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.

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.

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.

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.

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.

Bevorzugt folgt auf das Aufbringen des Klebers in Schritt c. ein Ausbilden von kovalenten Bindungen zwischen dem Kleber und der vorbehandelten Oberfläche.

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.

Vorteile der Erfindung

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.

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.

Darüber hinaus wird durch den Kleber ein Verrutschen der Gasdiffusionslage beziehungsweise der katalysatorbeschichteten Membran auf der Bipolarplatte beim Stapeln der Anordnung verhindert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

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

Figur 3 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Anordnung elektrochemischer Zellen.

Ausführungsformen der Erfindung

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.

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.

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.

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.

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.

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.