DE19713250C2

DE19713250C2 - Elektrochemischer Energiewandler mit Polymerelektrolytmembran

Info

Publication number: DE19713250C2
Application number: DE19713250A
Authority: DE
Inventors: Ottmar Schmid; Johann Einhart
Original assignee: Ballard Power Systems Inc; Siemens VDO Electric Drives Inc
Current assignee: BDF IP Holdings Ltd
Priority date: 1997-03-29
Filing date: 1997-03-29
Publication date: 2002-04-18
Anticipated expiration: 2017-03-30
Also published as: GB2323700A; US6080503A; CA2233440C; CA2233440A1; GB2323700B; US6495278B1; DE19713250A1; GB9806696D0

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Energiewandler, mit folgenden Elementen: DOLLAR A - erste Trennplatte (11), DOLLAR A - Membran-Elektroden-Einheit (5), bestehend aus zwei Elektrodenschichten (1, 3), zwischen der eine Polymerelektrolytmembran (2) angeordnet ist, DOLLAR A - zweite Trennplatte (12), DOLLAR A wobei zwischen jeweils einer Trennplatte (11, 12) und einer Elektrode (1, 3) Gasräume (20, 21) gebildet sind, und zwar realisiert durch Vertiefungen innerhalb der Trennplatten (11, 12) oder durch zusätzliche Abstandshalter, und die einzelnen Elemente Durchbrechungen (30, 36) für Fluidsammelkanäle zur Abfuhr oder Zufuhr von Reaktanden aufweisen. Erfindungsgemäß ist zur Abdichtung der Gasräume (20, 21) sowie der Fluidsammelkanäle ein gas- und flüssigkeitsdichter adhäsiver Verbund (50, 51, 52, 53) der Membran-Elektroden-Einheit (5) mit den angrenzenden Trennplatten (11, 12) nach Art umlaufender Dichtungen vorhanden.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle mit Polymerelektrolytmem bran (PEM), z. B. eine Brennstoffzelle oder einen Elektrolyseur, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Der prinzipielle Aufbau einer Brennstoffzelle (10, Fig. 1b), wie er in der Literatur beschrieben ist, und wie er auch in der vorliegenden Erfindung vorausgesetzt wird, umfaßt folgende Elemente:

- zwei Elektroden 1, 3, zwischen denen eine ionenleitende Schicht 2 (PEM) angeordnet ist,
- ein an die erste Elektrode angrenzender erster Gasraum, realisiert durch Kanäle in einer anliegenden dichten Trennplatte 11 oder mittels Ab standshalter,
- ein an die zweite Elektrode angrenzender zweiter Gasraum, ebenfalls realisiert durch Kanäle in der anliegenden dichten Trennplatte 12 oder mittels Abstandshalter,
- Dichtungen jeweils zwischen den einzelnen Zellelementen, die ein Aus fließen von Fluiden vermeiden.

Die beiden Elektroden und die Polymerelektrolytmembran werden meist zu einer Einheit, der sogenannten Membran-Elektroden-Einheit 5 (im folgenden auch mit MEA abgekürzt) integriert (Fig. 1a).

Brennstoffzellen oder Elektrolysezellen mit protonenleitenden Polymerelektro lytmembran, im folgenden PEM-Zellen genannt, werden vorteilhaft zu einem Stapel 100 (englisch: Stack) geschichtet (Fig. 1c, d), wobei an den Stirnseiten jeweils Endplatten 17, 18 vorhanden sind. Dabei werden z. B. Stapel realisiert, die mehr als hundert Einzelzellen 10 aufweisen, um den Anteil der Endplatten massen an der Stackmasse möglichst gering zu halten. Dabei werden zur Zell trennung häufig beidseitig strukturierte Zelltrennplatten verwendet. Die Zell trennplatten werden aus Nichtmetallen wie Graphit oder auch aus Metallen wie Edelstahl ausgeführt.

Zwischen benachbarten Einzelzellen können zusätzliche Kühlräume angeord net sein.

Die beschriebenen Zellelemente weisen jeweils Durchbrechungen 30 für Fluid sammelkanäle zur Abfuhr oder Zufuhr von Reaktanden und, falls Kühlräume vorhanden sind, für ein Kühlmedium auf.

Vorliegende Erfindung betrifft die Abdichtung der Zelle bzw. des Stapels. Bei den bekannten Dichtungssystemen ergeben sich folgenden Nachteile:
Für das zukünftige Hauptanwendungsgebiet von PEM-Zellen, z. B. in Kraftfahr zeugen für den Antrieb oder innerhalb von Energieversorgungsanlagen, wird eine Lebensdauer der PEM-Zellen von über 10 Jahren gefordert. Außerdem spielen für die u. a. genannten Anwendungen die Gestehungskosten eine zentrale Rolle. Ebenso sollte bei der Gestaltung der PEM-Zellen eine einfache kostengünstige Wartung- und Reparatur berücksichtigt werden.

Aspekt Lebensdauer

Bekannte elastische Dichtungen aus Elastomerwerkstoffen, die auch in eine entsprechende Nut versenkt werden und damit eine definierte Vorverformung erfahren, weisen eine kontinuierlich zunehmende plastische Verformung auf. Diese plastische bleibende Verformung beeinträchtigt negativ die Dichtungs funktionen und führt letztlich zu erhöhten Lecks. Die Fehlfunktion einer oder mehrere Dichtungen tritt in einem Stack, der aus N Zellen besteht und damit mindestens 3N umlaufende Dichtungen enthält mit einer Wahrscheinlichkeit auf, die vermutlich für eine Serienproduktion nicht tolerierbar ist.

Bei der Verwendung von selbstdichtenden Zelltrennplatten tritt eine plastische Verformung der Platten verstärkt auf, da die volle Anpreßkraft auf dem Dich tungsbereich der Platte kontinuierlich anliegt. Zudem wird in einem Stack mit diesem Dichtungskonzept eine inhomogene Dichtungspreßkraftverteilung längs des Stacks mit Minimum im Mittelpunkt beobachtet. Dadurch müssen die Dichtungselemente der Zellen im Bereich der Endplatten mit erhöhtem Anpreß druck belastet werden, um im Mittelpunkt des Stacks eine einwandfreie Dich tungsfunktion zu gewährleisten. Eine erhöhte Dichtungspreßkraft der Zellen im Endplattenbereich kann dann zu erhöhten plastischen Verformungen führen.

Aspekt Gestehungskosten

In den bekannten PEM-Zellen besteht eine Zelle aus den einzelnen Zellele menten Membran-Elektrodeneinheit und 2 Zelltrennplatten. Die Montage eines PEM-Zellstacks erfordert dann aufgrund der Vielzahl der Teile einen erhöhten Aufwand. Um die Zieldaten wie Leistungsdichte für verschiedene Anwendun gen zu erreichen, werden die Zellelemente zukünftig dünner ausgelegt. Da durch erhöhen sich entsprechend die Maßtoleranzen der Zellelemente. Insbe sondere die Gestaltung der Dichtungen unter Einhaltung der hohen Maßtole ranzen trotz Verwendung von hochelastischen Werkstoffen ist sehr aufwendig, da auch hochelastische Werkstoffe einen begrenzten elastischen Stauchungs bereich aufweisen.

Aspekt Wartung und Reparatur

Eine Reparatur einer Einzelzelle sowie eine zur Reparatur notwendige Identifi kation einer oder mehrerer Zellen eines Stacks ist schwierig durchführbar mit bekannten PEM-Zellenkonstruktionen. Darüber hinaus ist grundsätzlich die Reparatur eines Stacks, der aus losen Zellenbauteilen besteht, sehr kostspie lig, da durch die Demontage einer Zelle die Dichtungen aller Zellen unbrauch bar für einen erneuten Einsatz sind.

Aspekt Aufrechterhaltung der Funktionen der Polymerelektrolyt membran

Ein wesentlicher Nachteil der bekannten PEM-Brennstoffzellen besteht darin, daß die Polymerelektrolytmembranen zur Vermeidung von Kurzschlüssen über die Zelltrennplatten hinausragen und damit beginnend am Rand zur Mitte hin austrocknen, was zu einer Zerstörung der Membran und damit zur Fehlfunktion der PEM-Zellen führt. Ebenso tritt an den Gassammelkanälen der einzelnen Zellen eine Austrocknung der Polymerelektrolytmembran auf.

Aus der deutschen Patentschrift DE 44 42 285 C1 ist ein PEM-Zeilenstapel er sichtlich, bei der mit einem Rahmen oder einer Klammer eines U-Profils die einzelnen Elemente des Stapels zusammenpreßt werden. Diese Anordnung hat den Nachteil, daß erstens dieses besagte U-Profil das Gewicht und Volu men jeder einzelnen Zelle erhöht, zweitens einen lösbaren Verbund darstellt, der sich nur auf eine Zelle bezieht, und drittens Klammern einer mechanischen Alterung unterliegen, die die Lebensdauer verkürzen.

Die europäische Offenlegungsschrift EP 0 331 128 A2 offenbart ein Imprägnie rungsverfahren für eine mit einem fixierten flüssigen Elektrolyten ausgestattete Brennstoffzelle vor, das ein lösliches Dichtungsband in die Trägermatrix ein spritzt. Dieser Lösungsansatz ist nur bei aufnahmefähigen Matrizen möglich. Da die PEM-Brennstoffzelle aus verschiedenen Materialien besteht, die nicht alle eine Saugfähigkeit bieten, wäre ein Dichtungsverfahren für jedes Material gesondert durchzuführen.

Die EP 0 122 150 A2 beschreibt einen Brennstoffzellenstapel mit flüssigem, fi xiertem Elektrolyten. Bei diesem Stapelaufbau sind zwei nebeneinanderliegen de, poröse und gasführende Platten über ihre gesamte Fläche miteinander ver klebt. Zweck dieser Anordnung ist es, die Gase in den beiden gasführenden Platten voneinander getrennt zu halten.

In der EP 0 083 937 A1 werden die einzelnen Elemente eines Brennstoffzellen stapels mit einem adhäsiven Material verklebt. Ziel dieser Anordnung ist der feste Verbund der Elemente zu einem Stapel und nicht das zuverlässige Ab dichten der Gasräume.

Die DE 19 64 811 A offenbart ein Brennstoffzellenstapel, bei der die Elektroden jeweils innerhalb von Profilrahmen angeordnet sind, wobei die Profilrahmen untereinander gas- und flüssigkeitdicht verklebt sind.

In der EP 0 604 683 A1 wird eine Abdichtung für die Membran-Elektrolyt-Einheit einer PEM-Brennstoffzelle offenbart. Die Dichtung wird als lösbarer Verbund zwischen den abzudichtenden Bauteilen realisiert.

In der nachveröffentlichten DE 195 42 475 A1 ist eine Polymerelektrolytmembran- Brennstoffzelle mit mindestens einer Membran-Elektroden-Anordnung und mit Ver teilerplatten beschrieben, die integrierte Kanäle zur Zu- bzw. Abfuhr von Reaktions- und/oder Kühlmedien aufweisen. Es ist eine Dichtung zur Abdichtung der einzelnen Gas- bzw. Flüssigkeitsräume zwischen den Verteilerplatten und der Membran-Elek troden-Anordnung vorgesehen, die durch eine in die Verteilerplatten integrierte Erhebung ausgebildet ist.

In der DE 43 14 745 C1 ist ein Brennstoffzellenstapel beschrieben, der aus mehreren Einzelzellen aufgebaut ist. Eine Einzelzelle umfaßt dabei eine bipolare Platte, welche eine bipolare Elektrode bildet, wobei in der bipolaren Platte Gas räume jeweils auf beiden Seiten angeordnet sind.

Die DE 43 09 976 A1 offenbart eine elektrochemische Mehrzellenbatterie mit Poly merelektrolytmembran. Stomleitende Platten der elektrochemischen Zelle werden zu den beidseitig folgenden Membran/Elektrodeneinheiten über Flachdichtungen aus einem Elastomer abgedichtet. Die Verspannung der Mehrzellenbatterie erfolgt dadurch, daß die einzelnen unterschiedlichen Platten über Druckelemente zusam mengepreßt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektrochemischen Energiewandler anzugeben, der eine kostengünstige Herstellung in der Serie erlaubt, eine verläß liche Abdichtung über eine längere Lebensdauer von z. B. über 10 Jahre ge währleistet, und im Falle der Ausbildung als Stack eine einfache Prüfung des Stacks erlaubt und eine kostengünstige Reparatur und Wartung des Stacks verwirklicht.

Diese Aufgabe wird mit dem elektrochemischen Energiewandler nach An spruch 1 gelöst. Weiter Ausbildungen, insbesondere die Integration des erfin dungsgemäßen Energiewandlers zu einem Stack, sind Gegenstand weiterer Ansprüche.

Erfindungsgemäß wird ein fester, zugleich gas- und flüssigkeitsdichter Verbund der Zellelemente mindestens einer Zelle durch adhäsive Verbundmaterialien (im folgenden auch Kleber, Klebermaterial oder Dichtungsmaterial genannt) realisiert. Es entsteht eine feste mechanische Einheit, im weiteren PEM-Modul genannt, aus mindestens einer Zelle, deren Gasräume und Fluidsammelkanäle durch das adhäsive Verbundmaterial abgedichtet sind.

Im einzelnen erfolgt der adhäsive Verbund der Zelltrennplatte mit der Mem branelektrodeneinheit an den Randbereichen der beteiligten Zellelements oder am Rand der aktiven Zellfläche nach Art einer umlaufenden Dichtung. Darüberhinaus erfolgt der adhäsive Verbund auch an den Randbereichen der entsprechenden Durchbrechungen für die Fluidsammelkanäle, ebenfalls nach Art einer umlaufenden Dichtung.

In einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung umschließt das adhäsive Verbundmaterial die Polymermembran an den Randbereichen von drei Seiten. Das adhäsive Verbundmaterial bedeckt also auch die Stirnseite der Membran. Dadurch wird neben einem verläßlichen, gas- und flüssigkeits dichten Verbund der Elemente auch eine Austrocknung der Membran erreicht.

Vorteilhaft wirken sich Dichtungsmaterialien aus, die möglichst keine oder nur wenig Ionen an die Membrane absondern, um eine Kontamination der Mem brane und des Katalysators zu begrenzen und damit eine hohe Lebensdauer der Zellen zu realisieren.

Bevorzugt werden die folgenden adhäsiven Verbundmaterialien eingesetzt:

- Epoxidharz
- PUR (Polyurethan)
- ALIPS (aliphatische Polysulfide).

Vorteilhaft werden PEM-Module gebaut, die aus mehreren Zellen bestehen. Damit entstehen Einheiten, die eine einfache Identifikation der fehlerhaften Module und anschließende Reparatur durch Austausch erlauben. Mehrere PEM-Module werden zu einem Stapel geschichtet, der dann zwischen zwei Endplatten verpreßt wird, um einen möglichst guten elektrischen Kontakt zwi schen den Modulen zu erhalten.

Mit der Stapelung der Module können zwischen zwei Flanschen sowohl Se rien- und Parallelschaltungen als auch Kombinationen einer Serien- und Parallelschaltung realisiert werden.

Jeweils zwischen zwei Einzelzellen innerhalb eines Stacks kann ein Kühlraum vorhanden sein. Diese wird realisiert durch Vertiefungen innerhalb mindestens einer von zwei aneinandergrenzender Trennplatten. Ähnlich wie beim adhäsi ven Verbund zwischen Membranelektrodeneinheit und Trennplatte können auch die beiden benachbarten, den Kühlraum begrenzenden Trennplatten durch einen gas- und flüssigkeitsdichten adhäsiven Kleber verbunden sein, und zwar an den Randbereichen der Trennplatten und an den Randbereichen der Durchbrechungen für die Fluidsammelkanäle.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf Elektrolyse- oder Brennstoffzellen. Der Gegenstand der Erfindung kann auch in Batterien und Methanol/Luft-Zellen Anwendung finden.

Ferner ist die Erfindung auf weitgehend beliebige Zellflächengeometrien wie z. B. rechteckige oder runde Ausbildungen übertragbar. Darüber hinaus findet der Gegenstand auch Anwendung bei Ausführungen, welche die Fluidzufüh rungen und Fluidabführungen außerhalb oder innerhalb der aktiven Zellfläche besitzen.

Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Figur näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau eines elektrochemischen Wandlers in Stapelform, von dem die Erfindung ausgeht;

Fig. 2 eine Draufsicht auf ein einzelnes Zellelement;

Fig. 3 mehrere vorteilhafte Ausführungen für den Verbund der Zelltrenn platten mit der Membranelektrodeneinheit;

Fig. 4 mehrere Ausführungsbeispiele für den Verbund zweier aneinan dergrenzender Zelltrennplatten;

Fig. 5 mehrere Ausführungsbeispiele für den Verbund zweier Zelltrenn platten mit der Membranelektrodeneinheit, bei der vorteilhaft eine Austrocknung der Membran verhindert wird.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf ein einzelnes Zellelement, hier z. B. die MEA 5. Das adhäsive Verbundmaterial 50 zur Abdichtung der Gasräume befindet sich an den Randbereichen des Elements nach Art einer umlaufenden Dichtung und umschließt den aktiven Bereich 40 der Zellfläche. Das Zellelement 5 weist Durchbrechungen 30, 32, 36 für die Fluidsammelkanäle auf, durch die die Reak tanden sowie gegebenenfalls ein Kühlmedium zu- und abgeführt werden kön nen. Die Durchbrechungen 30, 32, 36 befinden sich am Rand oder im Innenbe reich des Elements 5. Abhängig davon, ob in den angrenzenden Gasraum ein bestimmtes Fluid zugeführt werden soll oder nicht, weisen die einzelnen Durchbrechungen Dichtungen auf oder nicht. Die Dichtungen werden eben falls durch ein adhäsives Verbundmaterial 50 gebildet, das an den Randberei chen der Durchbrechungen nach Art einer umlaufenden Dichtung die einzel nen Durchbrechungen 30, 32 umschließt.

Im dargestellten Beispiel der MEA dient die Durchbrechung 36, die keine Dichtung aufweist, der Ab- oder Zufuhr eines Reaktanden. Die Durchbrechungen 30, 32, die mit umlaufenden Dichtungen versehen sind, dienen zur Ab- oder Zufuhr des zweiten Reaktanden (Durchbrechung 30) bzw. des Kühlmediums (Durchbrechung 32).

Bei dem in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel sind die Durchbrechungen 30, 32, 36 für die Fluidsammelkanäle innerhalb der aktiven Zellfläche angeordnet, so daß das adhäsive Verbundmaterial 50 zur Abdichtung der Gasräume gera de am äußeren Rand des Zellelements 5 entlang verläuft. In einer weiteren, hier nicht gezeigten Ausführung ist es jedoch auch möglich, die Durchbrechun gen außerhalb der aktiven Zellfläche anzuordnen (analog Fig. 5 der EP 0 604 683 A1). Bei einer solchen Ausführung wird das adhäsive Verbundmaterial zur Abdichtung der Gasräume nicht am äußeren Rand des Elements verlaufen, sondern am Rand der aktiven Zellfläche.

Verbund der Zelltrennplatten mit der Membranelektrodeneinheit

Die MEA wird durch einen adhäsiven Kleb- und Dichtstoff jeweils beidseitig mit den anliegenden Trennplatten fest zu einer mechanischen Einheit verbunden. Der Verbund ist gas- und flüssigkeitsdicht gestaltet.

Es werden folgende MEA-Konfigurationen betrachtet:

a) Die MEA umfaßt eine Polymerelektrolytmembran, die auf ihren beiden Flachseiten nicht vollständig von dem porösen Katalysatormaterial (Elektroden) bedeckt ist. Sowohl der Randbereich der MEA oder der Randbereich der aktiven Zellfläche als auch der Randbereich der Durchbrechungen für die Fluidsammelkanäle der MEA weisen keine Bedeckung mit der porösen Elektrodenschicht auf. Dies gilt für beiden Membranflachseiten.
b) Die MEA-Einheit umfaßt ebenso eine Polymerelektrolytmembran mit beidseitig anliegenden porösen Elektrodenschichten, die fest mit der Membran verbunden sind und die ganze Membranoberfläche vollstän dig bedecken.

Die konkrete Ausführung des adhäsiven Verbunds, unterschieden nach den jeweils verwendeten MEA-Konfigurationen a), b), ist in Fig. 3 dargestellt.

MEA-Konfiguration a)

Hierbei wird ein fester Verbund der Membran mit den beidseitig angeordneten Trennplatten durch eine direkten Kontakt mit einem adhäsiven Verbundmaterial 50 erreicht. In gleicher Weise werden auch die Durchbrechungen für die Fluid sammelkanäle abgedichtet. Fig. 3 zeigt drei konkrete Ausführungsbeispiele. Abgebildet ist jeweils der Randbereich einer Einzelzelle. Man erkennt jeweils die MEA, bestehend aus der Polymerelektrolytmembran 2 sowie zwei Elektro den 1, 3 an deren Flachseiten. An die MEA grenzen auf beiden Seiten Zell trennplatten 11, 12. Die Zelltrennplatten 11, 12 weisen auf ihrer der MEA zuge wandten Seite jeweils Vertiefungen 20, 21 auf, die zu den Elektroden 1, 3 be nachbarte Gasräume bilden.

In der Ausführung nach Fig. 3a) ist der adhäsive Verbund 50 direkt zwischen Polymerelektrolytmembran 2 und den beiden angrenzenden Zelltrennplatten 11, 12 vorhanden.

In der Ausführung nach Fig. 3b) wird durch eine Stützstruktur in Form einer oder mehrerer Stützrippen 55, die als Erhebungen auf der Zelltrennplatte 11, 12 realisiert sind, ein definierter Abstand zwischen den Zelltrennplatten und der Membran 2 im Dichtungsbereich erreicht. Dadurch wird eine gleichmäßige Schichtdicke des Verbundmaterials 50 erhalten.

In der Ausführung nach Fig. 2c sind auf der der MEA zugewandten Seite einer Trennplatte 11, 12 jeweils Nuten 54 vorhanden. Sie dienen zur Kompensation der Kleberdosierungsungenauigkeiten und garantieren einen notwendigen Kleberfilm zwischen den Fügepartnern. Sie erhöhen außerdem den möglichen Federweg zum Ausgleich thermischer Dehnungen bei der Verwendung elasti scher Kleber.

MEA-Konfiguration b)

Der gas- und flüssigkeitsdichte Verbund wird hier zwischen den Elektroden der MEA und den beiden angrenzenden Trennplatten gebildet. Dies wird erreicht, indem das Klebermaterial die poröse Elektroden im wesentlichen über die ge samte Schichtdicke durchdringt. Dabei können die porösen Elektrodenschich ten der MEA unmittelbar nach dem Imprägnieren oder Tränken mit dem Kleber material, also bei noch nicht ausgehärtetem Klebermaterial, auf die Trennplat ten gebracht werden.

In einer weiteren Ausführung, die in Fig. 2d) dargestellt ist, wird die MEA 5 da hingehend vorbehandelt, daß die porösen Schichten der MEA im Bereich der Abdichtung mit dem Klebermaterial 52 getränkt oder imprägniert werden. Nach der Aushärtung des Imprägnierfluids wird dann in einem 2. Schritt der feste Verbund der MEA 5 mit den Zelltrennplatten 11, 12 mittels eines zusätzlichen adhäsiven Verbundmaterials realisiert. Dabei können z. B. Klebstoffilme 51 eingesetzt werden.

Verbund zweier aneinandergrenzender Zelltrennplatten

Wie bereits in der Beschreibungseinleitung erläutert, können zwischen benach barten Einzelzellen zusätzliche Kühlräume angeordnet sein. Die Verteilung der Kühlräume innerhalb des Stapels ist dabei beliebig. Zum Beispiel können ab wechselnd Einzelzellen und Kühlräume angeordnet werden, so daß auf jede Einzelzelle ein Kühlraum kommt. Möglich ist aber auch jede andere Anord nung, z. B. ein Kühlraum nach jeder zweiten oder dritten Zelle. Die Kühlräume werden von jeweils einer Trennplatten der beiden benachbarten Einzelzellen begrenzt. Die Kühlräume werden dabei realisiert durch Vertiefungen, z. B. Ril len, innerhalb von mindestens einer der beiden Zelltrennplatten.

Vorteilhaft werden die Kühlräume - analog zu der beschriebenen Abdichtung der Gasräume - durch adhäsiven Verbund der beiden beteiligten Trennplatten abgedichtet, und zwar sowohl an den Randbereichen der beiden Trennplatten bzw. an den Randbereichen der aktiven Zellfläche wie auch an den Randberei chen der Durchbrechungen für die Fluidsammelkanäle.

Vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind Fig. 4 dargestellt. Abgebildet ist jeweils der Randbereich zweier aneinandergrenzender Trennplatten 11, 12, wobei Vertiefungen in einer der beiden Trennplatten den Kühlraum 25 bilden.

In Fig. 4c) ist eine Ausführung dargestellt, bei der zur Herstellung eines festen Verbunds ein adhäsiver Dichtstoffilm 53 oder eine adhäsive Dichtstoffolie zwi schen den beiden Trennplatten 11, 12 vorhanden ist.

In der Ausführung nach Fig. 4b) ist in einer 12 der beiden Trennplatten, und zwar auf der der anderen Trennplatte 11 gegenüberliegenden Seite, eine Nut 71 vorhanden. Diese erlaubt eine einfache Dosierung des Klebermaterials, ver hindert einen Einschluß des Klebermaterials und realisiert definierte Bauteilab stände durch Verpressung der beiden Trennplatten 11, 12 bis zum Formschluß.

In dem Beispiel nach Fig. 4a) ist zusätzlich zu der Nut 71 und mit dieser in Kon takt stehend eine Verbundmaterialüberlaufnut 72 vorhanden.

Fig. 5 zeigt zwei Ausführungen der Erfindung, mit der vorteilhaft eine Austrock nung der Membran verhindert werden kann.

Die Ausführung nach Fig. 5a) zeigt links den Randbereich der Durchbrechun gen 30 für die Fluidsammelkanäle und rechts den Randbereich der Einzelzelle selbst. Der Verbund von Trennplatte 11, 12 und MEA 5 entspricht im wesentli chen der in Fig. 3a gezeigten Ausführung. Anders als in Fig. 3a umschließt das Verbundmaterial 50 die Polymerelektrolytmembran 2 jedoch von drei Seiten. Das Verbundmaterial ist also auch an der Stirnseite der Membran 2 vorhanden und umschließt somit die Polymerelektrolytmembran an deren Randbereichen vollständig. Ein Austrocknen der Polymerelektrolytmembran 2 wird dadurch verhindert.

Damit über das adhäsive Verbundmaterial 50 kein Kurzschlußstrom zwischen den beiden Trennplatten 11, 12 einer Einzelzelle fließen kann, muß das Ver bundmaterial in dieser Ausführung elektrisch isolierend sein.

Die Ausführung nach Fig. 5b) zeigt den Randbereich eines Stapels aus mehre ren erfindungsgemäßen Einzelzellen. Man erkennt jeweils die MEA 5 der Einzelzellen, sowie die zugehörigen Trennplatten 11, 12. Ebenfalls eingezeichnet sind zwischen den Einzelzellen vorhandene Kühlräume 25. Der adhäsive Ver bund zwischen den einzelnen Elementen erfolgt gemäß den oben beschriebe nen Ausführungen. Zusätzlich ist am Rand des Stapels eine Schicht 59 aus ad häsivem Verbundmaterial, das z. B. als Vergußmaterial an bzw. in den Stapel eingebracht werden kann, vorhanden. Die Schicht 59 bedeckt insbesondere auch die Stirnseiten der Polymerelektrolytmembran innerhalb der MEA 5 und schützt diese vor dem Austrocknen.

Oberflächenbehandlungen der Fügepartner

Um eine sichere und dauerhafte Verbindung zu garantieren, haben sich die fol genden Oberflächenbehandlung als vorteilhaft erwiesen:

- Chemische Vorbehandlung: Durch Beizen der Oberfläche in geeigneten chemischen Bädern werden reaktive Moleküle auf der Oberfläche erzeugt.
- Corona/Plasma-Verfahren: An Stelle der naßchemischen Vorbehandlung kann bei Kunststoffen auch das Plasma-Verfahren zur Erzeugung reaktiver Moleküle eingesetzt werden.
- Ionalverfahren: Unter dem Einsatz von geeigneten Ionen wird die Fügeoberfläche vorbereitet.
- Fluorierung: In einer Gasatmosphäre werden in einem Ofen Fluorradikale erzeugt, mit denen die Oberfläche beschossen wird und diese dadurch aktiviert.
- Entfetten/Schleifen: Die Oberfläche wird mechanisch behandelt.
- Beflammen (Silicon-Verfahren): In einem kontinuierlichen Verfahren mit kurzen Arbeitszeiten wird das Fügeteil an einer Flamme von Stadt- oder Propangas vorbeigeführt.

Claims

1. Elektrochemischer Energiewandler, mit folgenden Elementen:
erste Trennplatte (11),
Membran-Elektroden-Einheit (5), bestehend aus zwei Elektroden schichten (1, 3), zwischen der eine Polymerelektrolytmembran (2) an geordnet ist,
zweite Trennplatte (12),
wobei zwischen jeweils einer Trennplatte (11, 12) und einer Elektrode (1, 3) Gasräume (20, 21) gebildet sind, und zwar realisiert durch Vertiefun gen innerhalb der Trennplatten (11, 12) oder durch zusätzliche Abstands halter, und die einzelnen Elemente Durchbrechungen (30, 36) für Fluid sammelkanäle zur Abfuhr oder Zufuhr von Reaktanden aufweisen, da durch gekennzeichnet, daß zur Abdichtung der Gasräume (20, 21) sowie der Fluidsammelkanäle ein gas- und flüssigkeitsdichter adhäsiver Verbund (50, 51, 52, 53) der Membran-Elektroden-Einheit (5) mit den an grenzenden Trennplatten (11, 12) nach Art umlaufender Dichtungen vor handen ist.

2. Elektrochemischer Energiewandler nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der adhäsive Verbund zwischen Membran-Elektroden- Einheit (5) und Trennplatte (11, 12) zwischen der Polymerelektrolytmem bran (2) der Membran-Elektroden-Einheit (5) und der Trennplatte (11, 12) gebildet ist.

3. Elektrochemischer Energiewandler nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß mindestens eine Trennplatte (11, 12) auf der der Membran- Elektroden-Einheit (5) zugewandten Seite, und zwar im Bereich des ad häsiven Verbunds (50), mit einer Stützstruktur (55) versehen ist.

4. Elektrochemischer Energiewandler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Trennplatte (11, 12) auf der der Membran-Elektroden-Einheit (5) zugewandten Seite, und zwar im Bereich des adhäsiven Verbunds (50), mit einer Nut (54) versehen ist.

5. Elektrochemischer Energiewandler nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der adhäsive Verbund zwischen Membran-Elektroden- Einheit (5) und Trennplatte (11, 12) zwischen einer Elektrode (1, 3) der Membran-Elektroden-Einheit (5) und der Trennplatte (11, 12) gebildet ist.

6. Elektrochemischer Energiewandler nach Ansprüch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß mindestens eine Elektrode (11, 12) in den Bereichen des adhäsiven Verbunds von dem adhäsiven Verbundmaterial (52) durch drungen sind.

7. Elektrochemischer Energiewandler nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß zwischen Trennplatte (11, 12) und der mit adhäsiven Ver bundmaterial (52) durchdrungenen Elektrodenbereiche ein zusätzlicher Film (51) aus adhäsivem Verbundmaterial vorhanden ist.

8. Elektrochemischer Energiewandler nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das adhäsive Verbundmateri al (50) die Polymerelektrolytmembran (2) von drei Seiten umschließt und so ein Austrocknen der Polymerelektrolytmembran (2) verhindert.

9. Elektrochemischer Energiewandler in Stapelform, gebildet aus minde stens zwei aneinanderliegenden Einzelzellen (10), wobei eine Einzelzelle (10) einem elektrochemischen Energiewandler nach einem der vorange henden Ansprüche entspricht, so daß jeweils zwei Trennplatten (11, 12) benachbarter Zellen (10) aneinandergrenzen.

10. Elektrochemischer Energiewandler nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß in dem Stapelaufbau mindestens ein Paar aneinander grenzender Trennplatten durch eine einzige Trennplatte ersetzt sind.

11. Elektrochemischer Energiewandler nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Stapelaufbaus mindestens ein, zwischen zwei Einzelzellen (10) angeordneter Kühlraum (25) vorhanden ist, wobei der Kühlraum (25) realisiert ist durch Vertiefungen innerhalb mindestens einer von zwei aneinandergrenzender Trennplatten (11, 12).

12. Elektrochemischer Energiewandler nach Anspruch 11, dadurch ge kennzeichnet, daß die einzelnen Elemente (11, 12, 5) des Stapelauf baus Durchbrechungen (32) für Fluidsammelkanäle zur Abfuhr oder Zu fuhr eines Kühlmediums aufweisen, wobei zur deren Abdichtung ein gas- und flüssigkeitsdichter adhäsiver Verbund (50, 51, 52, 53) der Membran- Elektroden-Einheit (5) mit den angrenzenden Trennplatten (11, 12) nach Art umlaufender Dichtungen vorhanden ist.

13. Elektrochemischer Energiewandler nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abdichtung eines Kühlraums (25) sowie der Fluidsammelkanäle zur Abfuhr oder Zufuhr eines Kühlmediums ein gas- und flüssigkeitsdichter adhäsiver Verbund (50, 53) zwi schen den beiden Trennplatten (11, 12) nach Art umlaufender Dichtungen vorhanden ist.

14. Elektrochemischer Energiewandler nach Anspruch 13, dadurch ge kennzeichnet, daß mindestens einer der beiden Trennplatten (11, 12), und zwar jeweils auf der der anderen Trennplatte (11, 12) zugewandten Seite im Bereich des adhäsiven Verbunds (50), mit einer Nut (71) verse hen ist.

15. Elektrochemischer Energiewandler nach Anspruch 14, dadurch ge kennzeichnet, daß benachbart zu der Nut (71) und in Fließkontakt mit dieser eine Überlaufnut (72) vorhanden ist.

16. Elektrochemischer Energiewandler nach Anspruch 13, dadurch ge kennzeichnet, das der adhäsive Verbund mittels eines in Form eines Films (53) oder einer Folie vorliegenden Verbundmaterials realisiert ist.

17. Elektrochemischer Energiewandler nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der adhäsive Verbund zwi schen mindestens zwei aneinandergrenzenden Elementen durch ein Gießverfahren erzeugt ist.