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DE102017010160A1 - Method for producing a framed membrane electrode assembly for a fuel cell - Google Patents

Method for producing a framed membrane electrode assembly for a fuel cell Download PDF

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DE102017010160A1
DE102017010160A1 DE102017010160.4A DE102017010160A DE102017010160A1 DE 102017010160 A1 DE102017010160 A1 DE 102017010160A1 DE 102017010160 A DE102017010160 A DE 102017010160A DE 102017010160 A1 DE102017010160 A1 DE 102017010160A1
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DE
Germany
Prior art keywords
membrane
catalyst
frame
catalyst layer
layer material
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102017010160.4A
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German (de)
Inventor
Christian Elsner
Swen Schuller
Tobias Sänger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Daimler AG filed Critical Daimler AG
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer gerahmten Membranelektrodenanordnung (1) für eine Brennstoffzelle.Erfindungsgemäß wird von zumindest einer Beschichtungsseite (B) einer vollflächig oder zumindest im Wesentlichen vollflächig mit Katalysatorschichten (5) beschichteten Membran (4) ein Katalysatorschichtmaterial (M) in einem vorgesehenen Rahmenverbindungsbereich (V) von der Membran (4) entfernt und die katalysatorbeschichtete Membran (3) in diesem Rahmenverbindungsbereich (V) mit einem Rahmen (2) verbunden.The invention relates to a method for producing a framed membrane electrode assembly (1) for a fuel cell. According to the invention, at least one coating side (B) of a membrane (4) coated over its entire surface or at least substantially over its entire area with catalyst layers (5) is a catalyst layer material (M) provided frame connection region (V) of the membrane (4) and the catalyst-coated membrane (3) in this frame connection region (V) connected to a frame (2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer gerahmten Membranelektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The invention relates to a method for producing a framed membrane electrode assembly for a fuel cell according to the features of the preamble of claim 1.

Aus dem Stand der Technik ist, wie in der EP 1 037 295 B2 beschrieben, ein Verfahren zum Aufbringen von Elektrodenschichten auf eine bandförmige Polymerelektrolytmembran für Brennstoffzellen bekannt. In dem Verfahren erfolgt ein kontinuierliches, gleichzeitiges oder aufeinanderfolgendes Bedrucken von Vorder- und Rückseite einer bandförmigen Polymerelektrolyt-Membran mit Elektrodenschichten in einem gewünschten Muster unter Verwendung einer einen Elektrokatalysator enthaltenden Tinte und Trocknen der Elektrodenschichten bei erhöhter Temperatur unmittelbar nach jedem Druckvorgang. Das Bedrucken erfolgt unter Einhaltung einer positionsgenauen Anordnung der Muster der Elektrodenschichten von Vorder- und Rückseite zueinander.From the prior art, as in the EP 1 037 295 B2 described a method for applying electrode layers on a band-shaped polymer electrolyte membrane for fuel cells. In the process, continuous, simultaneous or sequential printing of front and back surfaces of a belt-shaped polymer electrolyte membrane is performed with electrode layers in a desired pattern using an electrocatalyst-containing ink and drying the electrode layers at elevated temperature immediately after each printing operation. The printing takes place in compliance with a positionally accurate arrangement of the patterns of the electrode layers of front and back to each other.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Herstellung einer gerahmten Membranelektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle anzugeben.The invention is based on the object to provide a comparison with the prior art improved method for producing a framed membrane electrode assembly for a fuel cell.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer gerahmten Membranelektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1.The object is achieved by a method for producing a framed membrane electrode assembly for a fuel cell having the features of claim 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer gerahmten Membranelektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle, insbesondere für eine PEM-Brennstoffzelle (auch als Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle oder Protonen-Austausch-Membran-Brennstoffzelle bezeichnet), insbesondere für eine Brennstoffzelle eines Fahrzeugs, wird von zumindest einer Beschichtungsseite einer vollflächig oder zumindest im Wesentlichen vollflächig mit Katalysatorschichten beschichteten Membran, auch als Membran-Katalysator-Folie bezeichnet, ein Katalysatorschichtmaterial in einem vorgesehenen Rahmenverbindungsbereich von der Membran entfernt, insbesondere abgetragen, und die katalysatorbeschichtete Membran wird in diesem Rahmenverbindungsbereich mit einem beispielsweise aus Kunststoff ausgebildeten Rahmen verbunden, indem der Rahmen mit der in diesem Rahmenverbindungsbereich nun unbeschichteten Membran verbunden wird, wodurch vorteilhafterweise die gerahmte Membranelektrodenanordnung ausgebildet ist oder zumindest ein Vorprodukt zur Weiterverarbeitung zur gerahmten Membranelektrodenanordnung. Im letztgenannten Fall wird durch das erfindungsgemäße Verfahren zumindest das Vorprodukt für die gerahmte Membranelektrodenanordnung hergestellt.In a method according to the invention for producing a framed membrane electrode arrangement for a fuel cell, in particular for a PEM fuel cell (also referred to as polymer electrolyte membrane fuel cell or proton exchange membrane fuel cell), in particular for a fuel cell of a vehicle, from at least one coating side of a full surface or at least substantially membrane over the entire surface coated with catalyst layers, also referred to as membrane-catalyst film, a catalyst layer material in a designated frame connection area of the membrane removed, in particular removed, and the catalyst-coated membrane is connected in this frame connection area with a formed example of plastic frame by the Frame is connected to the now uncoated in this frame connecting region membrane, thereby advantageously formed the framed membrane electrode assembly is or at least a precursor for further processing to the framed membrane electrode assembly. In the latter case, at least the intermediate product for the framed membrane electrode assembly is produced by the method according to the invention.

Es kann auch vorgesehen sein, dass die Verbindung mit einem teilabgetragenen Bereich (Reste Katalysatormaterial auf der Oberfläche) hergestellt wird.It may also be provided that the compound is produced with a partially removed region (residues of catalyst material on the surface).

Bei der katalysatorbeschichteten Membran handelt es sich beispielsweise um eine Polymer- und/oder Kunststofffolie, welche mindestens einseitig, vorteilhafterweise beidseitig mit Katalysatorschichtmaterial beschichtet ist.The catalyst-coated membrane is, for example, a polymer and / or plastic film which is coated on at least one side, advantageously on both sides, with catalyst layer material.

Es kann auch vorgesehen sein, dass das Katalysatorschichtmaterial in einem vorgesehenen Rahmenverbindungsbereich von beiden Beschichtungsseiten der Membran entfernt wird, insbesondere wenn vorgesehen ist, den Rahmen mit beiden Beschichtungsseiten der Membran zu verbinden, beispielsweise jeweils ein Rahmenelement mit jeweils einer Beschichtungsseite, wobei diese Rahmenelemente beispielsweise zum Rahmen zusammengefügt werden.It can also be provided that the catalyst layer material is removed in an intended frame connection region from both sides of the membrane, in particular if it is intended to connect the frame with both sides of the membrane, for example, in each case a frame member each having a coating side, said frame elements for example Frame are joined together.

Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht eine Verwendung einer katalysatorbeschichteten Membran, bei welcher die Katalysatorschichten großflächig, insbesondere vollflächig oder zumindest im Wesentlichen vollflächig, und beispielsweise kontinuierlich aufgebracht wurden. Eine Vereinzelung in einzelne katalysatorbeschichtete Membranen kann dabei vor oder nach dem Verbinden mit dem jeweiligen Rahmen erfolgen.The solution according to the invention makes it possible to use a catalyst-coated membrane in which the catalyst layers have been applied over a large area, in particular over the entire area or at least substantially over the entire area, and for example continuously. Separation into individual catalyst-coated membranes can take place before or after connection to the respective frame.

Durch das erfindungsgemäße lokale oder großflächige Entfernen, insbesondere Abtragen, des Katalysatorschichtmaterials im vorgesehenen Rahmenverbindungsbereich wird eine Oberfläche erreicht, die für einen dauerhaften Verbund zwischen Membran und Rahmen geeignet ist. Insbesondere können dafür verschiedene Fügemöglichkeiten zur Herstellung dieses Verbundes verwendet werden.By means of the local or large-area removal according to the invention, in particular removal, of the catalyst layer material in the intended frame connection region, a surface is achieved which is suitable for a permanent bond between membrane and frame. In particular, different joining possibilities can be used for the production of this composite.

Es kann auch ein Aufbau mit einer direkten Verbindung zur Oberfläche der Bipolarplatte vorgesehen sein.It may also be provided a structure with a direct connection to the surface of the bipolar plate.

Dies ist das Problem bei einer anderen, gegenüber der erfindungsgemäßen Lösung nachteiligen, Herstellungsvariante der gerahmten Membranelektrodenanordnung, bei welcher das Entfernen des Katalysatorschichtmaterials im Verbindungsbereich nicht durchgeführt wird, sondern der Rahmen direkt auf die Katalysatorschicht aufgeklebt wird, indem ein Klebstoff zwischen Oberflächen der katalysatorbeschichteten Membran und des Rahmens und somit auf der Katalysatorschicht angeordnet wird. Bei dieser nachteiligen Variante nimmt die Katalysatorschicht auf der Membran im Betrieb der Brennstoffzelle Wasser auf und bei einem anschließenden Gefrieren dehnt sich das Wasser und/oder daraus gebildetes Eis in der Katalysatorschicht aus und bricht die Katalysatorschicht in sich auf. Da diese Katalysatorschicht bei dieser nachteiligen Variante auch im Rahmenverbindungsbereich vorhanden ist, entstehen dadurch Undichtigkeiten zwischen katalysatorbeschichteter Membran und Rahmen, wodurch sich Gase der Brennstoffzelle, beispielsweise Wasserstoff und Luft, mischen können.This is the problem with another production variant of the framed membrane electrode assembly which is disadvantageous to the solution according to the invention, in which the removal of the catalyst layer material in the connection region is not carried out, but the frame is glued directly onto the catalyst layer by applying an adhesive between surfaces of the catalyst-coated membrane and of the frame and thus on the catalyst layer is arranged. In this disadvantageous variant takes the Catalyst layer on the membrane during operation of the fuel cell water and upon subsequent freezing, the water and / or ice formed in the catalyst layer expands and breaks up the catalyst layer in it. Since this catalyst layer is also present in the frame connection area in this disadvantageous variant, leaks between the catalyst-coated membrane and the frame thereby arise, as a result of which gases of the fuel cell, for example hydrogen and air, can mix.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet die Lösung zur Behebung oder zumindest Verbesserung der hierbei auftretenden Undichtigkeiten, denn durch die erfindungsgemäße Lösung werden die geschilderten Probleme der nachteiligen Variante vermieden oder zumindest reduziert. Durch die erfindungsgemäße Lösung wird eine erhöhte Zug- und Schälbelastung der Verbindung zwischen beispielsweise als Membran-Katalysator-Folie ausgebildeter katalysatorbeschichteter Membran und dem beispielsweise aus Kunststoff ausgebildeten Rahmen vor und nach wiederholten Gefrierstartprozeduren erreicht. Des Weiteren wird eine erhöhte Sicherheit der gerahmten Membranelektrodenanordnung gegen Undichtigkeiten, insbesondere bei wiederholten Gefrierstartprozeduren, erreicht, wodurch eine längere Lebensdauer der Brennstoffzelle und/oder eines Brennstoffzellenstapels aus einer Mehrzahl solcher Brennstoffzellen erreicht wird.The inventive method provides the solution to remedy or at least improve the leaks occurring here, because by the inventive solution, the described problems of the disadvantageous variant are avoided or at least reduced. By the solution according to the invention an increased tensile and peel load of the connection between, for example, formed as a membrane catalyst film catalyst-coated membrane and the example formed of plastic frame before and after repeated freeze-start procedures is achieved. Furthermore, increased safety of the framed membrane electrode assembly against leaks, particularly in repeated freeze-start procedures, is achieved, thereby achieving longer life of the fuel cell and / or fuel cell stack from a plurality of such fuel cells.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht also eine Optimierung der Oberfläche für eine Fügeverbindung, die robuster gegenüber Undichtigkeiten im Betrieb der Brennstoffzelle ist.The method according to the invention therefore makes it possible to optimize the surface for a joint connection that is more robust to leaks in the operation of the fuel cell.

Eine Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass das Katalysatorschichtmaterial mittels eines Lasers entfernt wird. Die Verwendung des Lasers und somit das Abtragen des Katalysatorschichtmaterials im vorgesehenen Rahmenverbindungsbereich, lokal oder großflächig, durch Laserbestrahlung, ermöglicht dieses Entfernen des Katalysatorschichtmaterials auf besonders einfache, schnelle und effiziente Weise. Insbesondere kann dadurch auch eine hohe Genauigkeit bei der Entfernung des Katalysatorschichtmaterials erreicht werden, so dass sichergestellt ist, dass das Katalysatorschichtmaterial nur im vorgesehenen Bereich entfernt wird, und in diesem vorgesehenen Bereich vollständig entfernt wird. Des Weiteren werden durch diese Vorbearbeitung der Membran im Rahmenverbindungsbereich mittels des Lasers eine Vielzahl von Fügeverfahren zur Verbindung des Rahmens mit der Membran ermöglicht.An embodiment of the method provides that the catalyst layer material is removed by means of a laser. The use of the laser and thus the removal of the catalyst layer material in the intended frame connection region, locally or over a large area, by laser irradiation, enables this removal of the catalyst layer material in a particularly simple, fast and efficient manner. In particular, this also high accuracy in the removal of the catalyst layer material can be achieved, so as to ensure that the catalyst layer material is removed only in the intended area, and is completely removed in this area provided. Furthermore, this pre-processing of the membrane in the frame connection region by means of the laser enables a multiplicity of joining methods for connecting the frame to the membrane.

Der Rahmenverbindungsbereich, in welchem das Katalysatorschichtmaterial entfernt wird, kann beispielsweise randseitig um die Membran umlaufend sein oder randseitig nur bereichsweise vorgesehen sein. Beispielsweise kann er sich bis zu einem Membranrand erstrecken und/oder in Richtung einer Mitte der Beschichtungsseite eine vorgegebene Breite, d. h. Ausdehnung, aufweisen, d. h. er geht beispielsweise vom Membranrand aus und erstreckt sich über die vorgegebene Breite in Richtung der Mitte der Beschichtungsseite. Die Entfernung des Katalysatorschichtmaterials kann dabei im gesamten vorgesehenen Rahmenverbindungsbereich, d. h. in diesem Rahmenverbindungsbereich vollflächig oder zumindest im Wesentlichen vollflächig, oder nur in einem Teilbereich oder mehreren Teilbereichen des Rahmenverbindungsbereichs erfolgen, dann beispielsweise großflächig oder nur lokal. Beispielsweise wird das Katalysatorschichtmaterial in Abhängigkeit von einem vorgesehenen Fügeverfahren zur Verbindung des Rahmens mit der Membran entfernt.The frame connection region, in which the catalyst layer material is removed, may, for example, be circumferential around the membrane at the edge or be provided only in regions at the edge. For example, it may extend to a membrane edge and / or towards a center of the coating side a predetermined width, d. H. Expansion, have, d. H. it starts, for example, from the edge of the membrane and extends over the predetermined width in the direction of the center of the coating side. The removal of the catalyst layer material can be carried out in the entire intended frame connection area, d. H. in this frame connection area over the entire area or at least substantially over the entire area, or only in a subarea or several subregions of the frame connection area, then for example over a large area or only locally. For example, the catalyst layer material is removed in response to an intended joining process for bonding the frame to the membrane.

Beispielsweise wird die katalysatorbeschichtete Membran im Rahmenverbindungsbereich durch Kleben und/oder durch ein thermisches Fügeverfahren, d. h. Verbindungsverfahren, mit dem Rahmen verbunden, indem der Rahmen mit der im Rahmenverbindungsbereich unbeschichteten Membran verbunden wird. Insbesondere als thermisches Fügeverfahren können beispielsweise Heißverstemmen und/oder Schweißen, insbesondere Heizelementschweißen, Hochfrequenzschweißen, Laserdurchstrahlschweißen, Reibschweißen, insbesondere Rührreibschweißen, Ultraschallschweißen, Vibrationsschweißen und/oder Warmgasschweißen, Umspritzen des Bauteils durch Spritzgießen und/oder Spritzpressen verwendet werden. Die Verwendung dieser und möglicher weiterer Fügeverfahren wird durch das erfindungsgemäße Entfernen des Katalysatorschichtmaterials ermöglicht, da dadurch die im Rahmenverbindungsbereich unbeschichtete Membran direkt mit dem Rahmen verbunden wird und somit nicht der Rahmen direkt mit der Katalysatorschicht verbunden wird.For example, the catalyst-coated membrane in the framing area is adhesively bonded and / or by a thermal joining process, i. H. Connection method connected to the frame by connecting the frame to the uncoated membrane in the frame connection area. For example, hot caulking and / or welding, in particular heating element welding, high-frequency welding, laser transmission welding, friction welding, in particular friction stir welding, ultrasonic welding, vibration welding and / or hot gas welding, injection-molding of the component by injection molding and / or transfer molding can be used in particular as the thermal joining method. The use of these and possible further joining methods is made possible by the removal of the catalyst layer material according to the invention, since thereby the membrane uncoated in the frame connection region is connected directly to the frame and thus the frame is not connected directly to the catalyst layer.

In einer Ausführungsform des Verfahrens wird vor dem Abtragen des Katalysatorschichtmaterials die katalysatorbeschichtete Membran hergestellt, indem zur Ausbildung der Katalysatorschichten das Katalysatorschichtmaterial auf beide Beschichtungsseiten der Membran vollflächig oder zumindest im Wesentlichen vollflächig aufgebracht wird. D. h. in dieser Ausführungsform umfasst das Verfahren auch die Herstellung der katalysatorbeschichteten Membran, welche beispielsweise auf die oben beschriebene Weise erfolgt, insbesondere durch eine kontinuierliche Beschichtung der Membran mit dem Katalysatorschichtmaterial.In one embodiment of the method, before the removal of the catalyst layer material, the catalyst-coated membrane is produced by applying the catalyst layer material on both sides of the membrane over the entire surface or at least substantially over the entire surface to form the catalyst layers. Ie. In this embodiment, the method also comprises the preparation of the catalyst-coated membrane, which takes place for example in the manner described above, in particular by a continuous coating of the membrane with the catalyst layer material.

Hierzu wird beispielsweise ein Membranrollenmaterial kontinuierlich beidseits gleichzeitig oder zunächst auf einer Beschichtungsseite und dann auf der anderen Beschichtungsseite mit dem Katalysatorschichtmaterial beschichtet. Anschließend kann beispielsweise die Vereinzelung in einzelne katalysatorbeschichtete Membranen erfolgen, welche dann auf die oben beschriebene erfindungsgemäße Weise zur gerahmten Membranelektrodenanordnung weiterverarbeitet werden, oder es kann zunächst das Entfernen des Katalysatorschichtmaterials vom jeweiligen Rahmenverbindungsbereich und dann das Vereinzeln erfolgen oder das Vereinzeln erfolgt erst nach dem Verbinden mit dem jeweiligen Rahmen.For this purpose, for example, a membrane roll material is continuously coated on both sides simultaneously or first on one side of the coating and then on the other side of the coating with the catalyst layer material. Then you can For example, the separation into individual catalyst-coated membranes, which are then further processed in the manner described above for framed membrane electrode assembly, or it can be done first removing the catalyst layer material from the respective frame connection area and then singulating or singulation takes place only after the connection with the respective Frame.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.

Dabei zeigen:

  • 1 schematisch einen Rahmen für eine gerahmte Membranelektrodenanordnung einer Brennstoffzelle in einer Draufsicht,
  • 2 schematisch eine katalysatorbeschichtete Membran für eine gerahmte Membranelektrodenanordnung einer Brennstoffzelle in einer Draufsicht,
  • 3 schematisch eine Ausführungsform einer gerahmten Membranelektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle in einer Draufsicht,
  • 4 schematisch eine Querschnittdarstellung der katalysatorbeschichteten Membran im Bereich der Schnittebene V-V in 3,
  • 5 schematisch eine Querschnittdarstellung der gerahmten Membranelektrodenanordnung gemäß der Schnittebene V-V in 3,
  • 6 schematisch eine Querschnittdarstellung der gerahmten Membranelektrodenanordnung gemäß der Schnittebene V-V in 3 nach wiederholten Gefrierstartprozeduren einer die gerahmte Membranelektrodenanordnung umfassenden Brennstoffzelle,
  • 7 schematisch ein Bearbeitungsschritt in einem Verfahren zur Herstellung einer gegenüber 3 verbesserten Ausführungsform einer gerahmten Membranelektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle, und
  • 8 schematisch eine Querschnittdarstellung der mittels des Verfahrens hergestellten verbesserten Ausführungsform der gerahmten Membranelektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle.
Showing:
  • 1 schematically a frame for a framed membrane electrode assembly of a fuel cell in a plan view,
  • 2 schematically a catalyst-coated membrane for a framed membrane electrode assembly of a fuel cell in a plan view,
  • 3 1 schematically shows an embodiment of a framed membrane electrode arrangement for a fuel cell in a plan view,
  • 4 schematically a cross-sectional view of the catalyst-coated membrane in the region of the sectional plane V - V in 3 .
  • 5 schematically a cross-sectional view of the framed membrane electrode assembly according to the sectional plane V - V in 3 .
  • 6 schematically a cross-sectional view of the framed membrane electrode assembly according to the sectional plane V - V in 3 after repeated freeze-start procedures of a fuel cell comprising the framed membrane electrode assembly,
  • 7 schematically a processing step in a method for producing a opposite 3 improved embodiment of a framed membrane electrode assembly for a fuel cell, and
  • 8th schematically a cross-sectional view of the produced by the method improved embodiment of the framed membrane electrode assembly for a fuel cell.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.

Anhand der 1 bis 8 wird im Folgenden ein Verfahren zur Herstellung einer gerahmten Membranelektrodenanordnung 1 für eine hier nicht dargestellte Brennstoffzelle beschrieben, insbesondere für eine PEM-Brennstoffzelle (auch als Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle oder Protonen-Austausch-Membran-Brennstoffzelle bezeichnet), insbesondere für eine Brennstoffzelle eines Fahrzeugs. Diese gerahmte Membranelektrodenanordnung 1 umfasst einen in 1 dargestellten Rahmen 2, insbesondere Kunststoffrahmen, und eine in 2 dargestellte katalysatorbeschichtete Membran 3, auch als Membran-Katalysator-Folie bezeichnet. Die katalysatorbeschichtete Membran 3 umfasst eine Membran 4, beispielsweise eine Membranfolie, und auf beiden Beschichtungsseiten B dieser Membran 4 jeweils eine Katalysatorschicht 5 Based on 1 to 8th Hereinafter, a method of manufacturing a framed membrane electrode assembly will be described 1 for a fuel cell not shown here, in particular for a PEM fuel cell (also referred to as polymer electrolyte membrane fuel cell or proton exchange membrane fuel cell), in particular for a fuel cell of a vehicle. This framed membrane electrode assembly 1 includes an in 1 illustrated frame 2 , in particular plastic frames, and an in 2 represented catalyst coated membrane 3 , also referred to as membrane catalyst film. The catalyst-coated membrane 3 includes a membrane 4 , For example, a membrane film, and on both sides of the coating B this membrane 4 one catalyst layer each 5

Die Herstellung dieser katalysatorbeschichteten Membran 3 kann ebenfalls ein Bestandteil des Verfahrens zur Herstellung der gerahmten Membranelektrodenanordnung 1 sein. Die katalysatorbeschichtete Membran 3 wird hergestellt, indem auf beiden Beschichtungsseiten B der unbeschichteten Membran 4 durch Aufbringen eines Katalysatorschichtmaterials M die jeweilige Katalysatorschicht 5 ausgebildet wird. Dies kann auf beiden Beschichtungsseiten B gleichzeitig erfolgen oder zunächst auf der einen Beschichtungsseite B und dann auf der anderen Beschichtungsseite B.The preparation of this catalyst-coated membrane 3 may also be a part of the process for producing the framed membrane electrode assembly 1 his. The catalyst-coated membrane 3 is made by applying to both sides of the coating B the uncoated membrane 4 by applying a catalyst layer material M the respective catalyst layer 5 is trained. This can be done on both sides of the coating B take place simultaneously or first on one side of the coating B and then on the other side of the coating B ,

Vorteilhafterweise erfolgt dieses Beschichten kontinuierlich, beispielsweise indem ein Membranmaterial als Rollenmaterial verwendet wird, welches abgerollt und kontinuierlich beschichtet wird. Dadurch können auf einfache und schnelle Weise und dadurch zu entsprechend geringeren Herstellungskosten eine Vielzahl von katalysatorbeschichteten Membranen 3 hergestellt werden. Ein Vereinzeln der katalysatorbeschichteten Membranen 3 durch Trennen des Rollenmaterials kann dann beispielsweise nach dem Beschichten oder nach einem oder mehreren im Folgenden beschriebenen Bearbeitungsvorgängen zur Herstellung der gerahmten Membranelektrodenanordnung 1 erfolgen.Advantageously, this coating is carried out continuously, for example by using a membrane material as roll material, which is unrolled and coated continuously. As a result, a multiplicity of catalyst-coated membranes can be produced in a simple and rapid manner and thus at correspondingly lower production costs 3 getting produced. Separating the catalyst-coated membranes 3 by separating the roll material may then be, for example, after coating or after one or more processing operations described below for the preparation of the framed membrane electrode assembly 1 respectively.

Bei dieser Herstellung der katalysatorbeschichteten Membran 3 oder einer Mehrzahl davon, beispielsweise auf die oben beschriebene Weise, erfolgt das Beschichten mit dem Katalysatorschichtmaterial M großflächig, insbesondere vollflächig oder zumindest im Wesentlichen vollflächig, da ein gezieltes Beschichten einzelner Membranbereiche mit einem wesentlich höheren Aufwand und daraus resultierenden höheren Kosten verbunden wäre.In this preparation of the catalyst-coated membrane 3 or a plurality of them, for example in the manner described above, the coating is carried out with the catalyst layer material M over a large area, in particular over the whole area or at least substantially over the entire area, since a specific coating of individual membrane areas would be associated with a considerably higher outlay and resulting higher costs.

Anhand der 3 bis 6 wird nun zunächst eine nachteilige Ausführungsform der Herstellung der gerahmten Membranelektrodenanordnung 1 beschrieben, um anschließend die demgegenüber wesentlich vorteilhaftere Ausführungsform der Herstellung der gerahmten Membranelektrodenanordnung 1 und der daraus resultierenden Vorteile anhand der 7 und 8 zu erläutern.Based on 3 to 6 Now, first, an adverse embodiment of the preparation of the framed membrane electrode assembly 1 described, then the other hand, much more advantageous embodiment of the preparation of the framed membrane electrode assembly 1 and the resulting benefits based on the 7 and 8th to explain.

Gemäß der in den 3 bis 6 dargestellten Ausführungsform wird der Rahmen 2 mit der katalysatorbeschichteten Membran 3 durch Kleben verbunden, wodurch die in 3 dargestellte gerahmte Membranelektrodenanordnung 1 ausgebildet wird. 4 zeigt einen Querschnitt der katalysatorbeschichteten Membran 3 ohne den Rahmen 2. Zum Verbinden mit dem Rahmen 2 wird ein Klebstoff K zwischen Oberflächen des Rahmens 2 und der katalysatorbeschichteten Membran 3 angeordnet, d. h. direkt auf einer Oberfläche einer der Katalysatorschichten 5. Dadurch wird der Rahmen 2 mittels des Klebstoffs K direkt mit dieser Katalysatorschicht 5 und nur indirekt, nämlich über diese Katalysatorschicht 5, mit der Membran 4 verbunden, wie in 5 anhand einer Querschnittdarstellung gemäß der Schnittebene V-V in 3 gezeigt. According to the in the 3 to 6 illustrated embodiment, the frame 2 with the catalyst coated membrane 3 connected by gluing, whereby the in 3 illustrated framed membrane electrode assembly 1 is trained. 4 shows a cross section of the catalyst-coated membrane 3 without the frame 2 , To connect to the frame 2 becomes an adhesive K between surfaces of the frame 2 and the catalyst coated membrane 3 arranged, ie directly on a surface of one of the catalyst layers 5 , This will be the frame 2 by means of the adhesive K directly with this catalyst layer 5 and only indirectly, namely via this catalyst layer 5 , with the membrane 4 connected, as in 5 based on a cross-sectional view according to the sectional plane V - V in 3 shown.

Der Nachteil dieser Ausführungsform besteht, wie in 6 gezeigt, in einer Rissbildung R in der Katalysatorschicht 5, auf welcher der Klebstoff K angeordnet ist, aufgrund einer wiederholten Durchführung von Gefrierstartprozeduren einer diese gerahmte Membranelektrodenanordnung 1 umfassenden Brennstoffzelle und/oder eines Brennstoffzellenstapels und/oder eines Brennstoffzellensystems mehrerer solcher Brennstoffzellen, insbesondere bei Fahrzeuganwendungen. Die Katalysatorschicht 5 auf der Membran 4 nimmt im Betrieb der Brennstoffzelle Wasser auf und bei anschließendem Gefrieren dehnt sich das Wasser und/oder das durch das Gefrieren gebildete Eis in der Katalysatorschicht 5 aus und bricht die Katalysatorschicht 5 in sich auf. Da diese Katalysatorschicht 5 auch unter einer Verbindungsstelle von Rahmen 2 und katalysatorbeschichteter Membran 3, d. h. in einem Rahmenverbindungsbereich V, vorhanden ist, entstehen daraufhin Undichtigkeiten zwischen katalysatorbeschichteter Membran 3 und Rahmen 2, wodurch sich Gase der Brennstoffzelle, zum Beispiel Wasserstoff und Luft, mischen können. Dies kann beispielsweise zu einem Leistungsverlust oder einem Ausfall der Brennstoffzelle führen.The disadvantage of this embodiment is, as in 6 shown in a cracking R in the catalyst layer 5 on which the adhesive K is arranged, due to repeated execution of freeze-start procedures of this framed membrane electrode assembly 1 comprehensive fuel cell and / or a fuel cell stack and / or a fuel cell system of a plurality of such fuel cells, in particular in vehicle applications. The catalyst layer 5 on the membrane 4 During operation of the fuel cell, water absorbs and upon subsequent freezing, the water and / or ice formed by freezing expands in the catalyst layer 5 and breaks the catalyst layer 5 in itself. Because this catalyst layer 5 also under a junction of frames 2 and catalyst coated membrane 3 ie in a frame connection area V , is present, there are leaks between the catalyst-coated membrane 3 and frame 2 , whereby gases of the fuel cell, for example hydrogen and air, can mix. This may, for example, lead to a loss of power or failure of the fuel cell.

Bei der in 7 und 8 gezeigten Ausführungsform wird dem Verbinden des Rahmens 2 mit der katalysatorbeschichteten Membran 3 ein Entfernungsschritt vorgelagert, d. h. es wird zunächst das Katalysatorschichtmaterial M im vorgesehenen Rahmenverbindungsbereich V von der Membran 4 entfernt, wie in 7 gezeigt, und anschließend wird die katalysatorbeschichtete Membran 3 in diesem Rahmenverbindungsbereich V, in welchem das Katalysatorschichtmaterial M entfernt wurde, mit dem Rahmen 2 verbunden, indem der Rahmen 2 mit der in diesem Verbindungsbereich V unbeschichteten Membran 4 verbunden wird, wie in 8 gezeigt.At the in 7 and 8th the embodiment shown is connecting the frame 2 with the catalyst coated membrane 3 preceded by a removal step, ie it is first the catalyst layer material M in the intended framework connection area V from the membrane 4 removed, as in 7 and then the catalyst-coated membrane 3 in this framework connection area V in which the catalyst layer material M was removed with the frame 2 connected by the frame 2 with the in this connection area V uncoated membrane 4 is connected as in 8th shown.

Die Entfernung des Katalysatorschichtmaterials M erfolgt in diesem Beispiel nur auf einer der beiden Beschichtungsseiten B der Membran 4. In anderen Beispielen kann dies auch auf beiden Beschichtungsseiten B im jeweiligen Rahmenverbindungsbereich V erfolgen, insbesondere wenn der Rahmen 2 mit beiden Beschichtungsseiten B der Membran 4 verbunden werden soll, zum Beispiel durch zwei Rahmenelemente, welche mit jeweils einer der Beschichtungsseiten B verbunden werden und dann beispielsweise miteinander verbunden werden.The removal of the catalyst layer material M takes place in this example only on one of the two sides of the coating B the membrane 4 , In other examples, this may also be on both sides of the coating B in the respective frame connection area V especially if the frame 2 with both sides of the coating B the membrane 4 is to be connected, for example, by two frame elements, each with one of the coating pages B be connected and then connected to each other, for example.

Die Entfernung des Katalysatorschichtmaterials M erfolgt im Rahmenverbindungsbereich V beispielsweise lokal oder großflächig. Das Katalysatorschichtmaterial M kann beispielsweise im gesamten Rahmenverbindungsbereich V oder nur in einem oder mehreren Teilbereichen des Rahmenverbindungsbereichs V von der Membran 4 entfernt werden. Der Rahmenverbindungsbereich V kann sich randseitig um die Membran 4 vollumfänglich herum erstrecken oder nur über einen oder mehrere Teilumfangsbereiche. Er erstreckt sich beispielsweise von einem Membranrand über eine vorgegebene Breite in Richtung der Mitte der Beschichtungsseite B. Das Katalysatorschichtmaterial kann auch beidseitig abgetragen werden.The removal of the catalyst layer material M takes place in the frame connection area V for example, locally or over a large area. The catalyst layer material M can, for example, in the entire frame connection area V or only in one or more subregions of the frame connection area V from the membrane 4 be removed. The frame connection area V may be around the edge of the membrane 4 extend completely around or only over one or more partial perimeter areas. It extends for example from a membrane edge over a predetermined width in the direction of the center of the coating side B , The catalyst layer material can also be removed on both sides.

Das Entfernen des Katalysatorschichtmaterials M erfolgt im dargestellten vorteilhaften Ausführungsbeispiel mittels Laser L, d. h mittels Bestrahlung durch einen Laser L und somit durch Laserbestrahlung, schematisch dargestellt in 7 als ein Laserstrahl. Mittels des Lasers L wird das Katalysatorschichtmaterial M von der Membran 4 abgetragen. Das Entfernen des Katalysatorschichtmaterials M, insbesondere durch den Laserabtrag, bietet nun eine Oberfläche, d. h. die vom Katalysatorschichtmaterial M befreite Oberfläche der Membran 4, die für einen dauerhaften Verbund mit dem Rahmen 2 mittels verschiedener Fügeverfahren geeignet ist.The removal of the catalyst layer material M takes place in the illustrated advantageous embodiment by means of laser L , d. h by means of irradiation by a laser L and thus by laser irradiation, shown schematically in FIG 7 as a laser beam. By means of the laser L becomes the catalyst layer material M from the membrane 4 ablated. The removal of the catalyst layer material M , in particular by the laser ablation, now offers a surface, ie that of the catalyst layer material M freed surface of the membrane 4 for a permanent bond with the frame 2 is suitable by means of different joining methods.

Zudem wird dadurch, dass das Katalysatorschichtmaterial M entfernt wurde, ein anschließender Aufbau der gerahmten Membranelektrodenanordnung 1 ermöglicht, bei welchem der Rahmen 2 nun direkt mit der Membran 4 verbunden ist, wodurch das Eindringen von Wasser in wasserabsorbierende Schichten am Verbundort von Rahmen 2 und Membran 4 vermieden ist.In addition, the fact that the catalyst layer material M was removed, a subsequent construction of the framed membrane electrode assembly 1 allows at which the frame 2 now directly with the membrane 4 connected, whereby the penetration of water into water-absorbing layers at the Verbundort of frames 2 and membrane 4 is avoided.

Das Entfernen des Katalysatorschichtmaterials M, insbesondere durch die Laservorbearbeitung, ermöglicht es zudem, alle möglichen Fügeverfahren für diesen Verbund von Rahmen 2 und Membran 4 anzuwenden. Im hier dargestellten Beispiel wird der Rahmen 2 mit der Membran 4 direkt verklebt, wie in 8 gezeigt. Hierzu ist der Klebstoff K zwischen dem Rahmen 2 und der Membran 4 angeordnet und dadurch auf einer Oberfläche des Rahmens 2 und der Membran 4, so dass der Rahmen 2 mittels des Klebstoffs K direkt mit der Membran 4 und somit mit der gesamten katalysatorbeschichteten Membran 3 verbunden ist.The removal of the catalyst layer material M In particular, by the laser pre-processing, it also allows all possible joining methods for this composite of frames 2 and membrane 4 apply. In the example shown here becomes the frame 2 with the membrane 4 directly glued, as in 8th shown. For this is the glue K between the frame 2 and the membrane 4 arranged and thereby on a surface of the frame 2 and the membrane 4 so the frame 2 by means of the adhesive K directly with the membrane 4 and thus with the entire catalyst-coated membrane 3 connected is.

Zum Verkleben von Rahmen 2 und Membran 4 wird der Klebstoff K beispielsweise auf den Rahmen 2 und/oder auf den Rahmenverbindungsbereich V der Membran 4 aufgebracht und anschließend werden Rahmen 2 und Membran 4 miteinander verklebt. Durch das Entfernen des Katalysatorschichtmaterials M im Rahmenverbindungsbereich V von der Membran 4, insbesondere mittels Laser L, werden des Weiteren auch andere Fügeverfahren ermöglicht, beispielsweise Kleben und/oder thermisches Fügeverfahren wie Heißverstemmen und/oder Schweißen.For gluing frames 2 and membrane 4 For example, the adhesive K is applied to the frame 2 and / or on the frame connection area V the membrane 4 applied and then frame 2 and membrane 4 glued together. By removing the catalyst layer material M in the frame connection area V from the membrane 4 , in particular by means of laser L Furthermore, other joining methods are also possible, for example gluing and / or thermal joining methods such as hot caulking and / or welding.

Das Entfernen des Katalysatorschichtmaterials M im Rahmenverbindungsbereich V von der Membran 4, insbesondere durch das Laserabtragsverfahren, bietet die Lösung zur Behebung oder zumindest Verbesserung der oben beschriebenen Undichtigkeiten. Zudem wird dadurch eine erhöhte Zug- und Schälbelastung der Verbindung zwischen katalysatorbeschichteter Membran 3 und Rahmen 2 eine erhöhte Sicherheit und Robustheit der gerahmten Membranelektrodenanordnung 1 gegen Undichtigkeiten und dadurch eine längere Lebensdauer der Brennstoffzelle und/oder des Brennstoffzellenstapels aus einer Mehrzahl solcher Brennstoffzellen erreicht.The removal of the catalyst layer material M in the frame connection area V from the membrane 4 in particular by the laser ablation method, provides the solution to remedy or at least improve the above-described leaks. In addition, this results in an increased tensile and peel stress of the bond between the catalyst-coated membrane 3 and frame 2 increased safety and robustness of the framed membrane electrode assembly 1 achieved against leaks and thus a longer life of the fuel cell and / or the fuel cell stack of a plurality of such fuel cells.

Des Weiteren wird durch das Entfernen des Katalysatorschichtmaterials M im Rahmenverbindungsbereich V, insbesondere mittels Laser L, vor dem Verbinden mit dem Rahmen 2 die Verwendung einer großflächig, kontinuierlich aufgebrachten Katalysatorschicht 5 auf der Membran 4 ermöglicht, wodurch, wie oben beschrieben, die Herstellung der katalysatorbeschichteten Membran 3 wesentlich vereinfacht wird, da kein gezielter Auftrag des Katalysatorschichtmaterials M nur auf Teilbereiche der Membran 4 erforderlich ist.Furthermore, by removing the catalyst layer material M in the frame connection area V , in particular by means of laser L , before connecting to the frame 2 the use of a large area, continuously applied catalyst layer 5 on the membrane 4 allowing, as described above, the preparation of the catalyst-coated membrane 3 is significantly simplified because no targeted order of the catalyst layer material M only on parts of the membrane 4 is required.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 1037295 B2 [0002]EP 1037295 B2 [0002]

Claims (8)

Verfahren zur Herstellung einer gerahmten Membranelektrodenanordnung (1) für eine Brennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, dass von zumindest einer Beschichtungsseite (B) einer vollflächig oder zumindest im Wesentlichen vollflächig mit Katalysatorschichten (5) beschichteten Membran (4) ein Katalysatorschichtmaterial (M) in einem vorgesehenen Rahmenverbindungsbereich (V) von der Membran (4) entfernt wird und die katalysatorbeschichtete Membran (3) in diesem Rahmenverbindungsbereich (V) mit einem Rahmen (2) verbunden wird.Method for producing a framed membrane electrode assembly (1) for a fuel cell, characterized in that from at least one coating side (B) of a membrane (4) coated over its entire area or at least substantially over its entire area with catalyst layers (5), a catalyst layer material (M) is provided in an intended frame connection area (V) is removed from the membrane (4) and the catalyst-coated membrane (3) in this frame connection region (V) is connected to a frame (2). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Katalysatorschichtmaterial (M) mittels eines Lasers (L) entfernt wird.Method according to Claim 1 , characterized in that the catalyst layer material (M) by means of a laser (L) is removed. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Katalysatorschichtmaterial (M) in dem randseitig um die Membran (4) umlaufenden Rahmenverbindungsbereich (V) entfernt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the catalyst layer material (M) in the edge around the membrane (4) circulating frame connection region (V) is removed. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Rahmenverbindungsbereich (V), in welchem das Katalysatorschichtmaterial (M) entfernt wird, bis zu einem Membranrand erstreckt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the frame connection region (V), in which the catalyst layer material (M) is removed, extends to a membrane edge. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmenverbindungsbereich (V), in welchem das Katalysatorschichtmaterial (M) entfernt wird, in Richtung einer Mitte der Beschichtungsseite (B) eine vorgegebene Breite aufweist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the frame connection region (V), in which the catalyst layer material (M) is removed, in the direction of a center of the coating side (B) has a predetermined width. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die katalysatorbeschichtete Membran (3) im Rahmenverbindungsbereich (V) durch Kleben und/oder durch ein thermisches Fügeverfahren mit dem Rahmen (2) verbunden wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the catalyst-coated membrane (3) in the frame connection region (V) by gluing and / or by a thermal joining method with the frame (2) is connected. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die katalysatorbeschichtete Membran (3) im Rahmenverbindungsbereich (V) durch Schweißen, durch Heißverstemmen, durch Heizelementschweißen, durch Hochfrequenzschweißen, durch Laserdurchstrahlschweißen, durch Reibschweißen, insbesondere Rührreibschweißen, durch Ultraschallschweißen, durch Vibrationsschweißen und/oder durch Warmgasschweißen, durch Umspritzen des Bauteils, insbesondere durch Spritzgießen und/oder Spritzpressen mit dem Rahmen (2) verbunden wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the catalyst-coated membrane (3) in the frame connection region (V) by welding, by hot caulking, by Heizelementschweißen, by high frequency welding, by laser transmission welding, by friction welding, in particular friction stir welding, by ultrasonic welding, by vibration welding and / or by hot gas welding, by encapsulation of the component, in particular by injection molding and / or transfer molding with the frame (2) is connected. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Abtragen des Katalysatorschichtmaterials (M) die katalysatorbeschichtete Membran (3) hergestellt wird, indem zur Ausbildung der Katalysatorschichten (5) das Katalysatorschichtmaterial (M) auf beide Beschichtungsseiten (B) der Membran (4) vollflächig oder zumindest im Wesentlichen vollflächig aufgebracht wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that before the removal of the catalyst layer material (M), the catalyst-coated membrane (3) is prepared by the catalyst layer material (M) on both coating sides (B) of the membrane (5) for forming the catalyst layers (5). 4) over the entire surface or at least substantially over the entire surface is applied.
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