用于电化学电池的膜电极单元和用于制造膜电极单元的方法与流程

背景技术：

1、燃料电池是一种电化学电池，其中，该燃料电池具有两个借助传导离子的电解质彼此分离的电极。燃料电池将燃料与氧化剂的化学反应的能量直接转化为电。存在不同类型的燃料电池。

2、一种特殊的燃料电池类型是聚合物电解质膜燃料电池(pem-fc)。在pem-fc的活性区域中，两个具有催化剂层的多孔电极与聚合物电解质膜(pem)邻接。此外，pem-fc在活性区域中包括气体扩散层(gdl)，所述气体扩散层在两侧限界聚合物电解质膜(pem)和两个具有催化剂层的多孔电极。pem、两个具有催化剂层的电极和可选地还有两个gdl可以在pem-fc的活性区域中形成所谓的膜电极单元(mea)。彼此对置的两个双极板(半体)又在两侧限界mea。燃料电池堆叠由交替地叠置地布置的mea和双极板构成。借助双极板的阳极板进行燃料、尤其是氢气的分配，借助双极板的阴极板进行氧化剂、尤其是空气/氧气的分配。为了使相邻的双极板电绝缘，为了使mea的形状稳定并且为了防止燃料或氧化剂的意外泄漏，mea可以被围框(eingefasst)在两个彼此靠近地布置的薄膜的框架状开口中。通常，该框架结构的两个薄膜由相同材料形成，例如聚萘二甲酸乙二醇酯(pen)。由相同材料形成的两个薄膜可以具有可省去地冗余的性能，例如两个薄膜中的每个薄膜的电绝缘性能(电绝缘)和/或氧气密封性。

3、在de 101 40 684a1中公开了一种用于燃料电池的膜电极单元，该膜电极单元包含层组件，该层组件由阳极电极、阴极电极和布置在这之间的膜片构成，其中，在该层组件的上侧和下侧上施加聚合物材料。

4、de 10 2018 131 092 a1具有膜电极单元，该膜电极单元具有框架结构。

5、本发明的任务在于，防止将粘接剂从膜电极单元的框架结构中挤出，并且优选地确保框架结构的定义的高度。

技术实现思路

1、为此，该膜电极单元包括框架结构，该框架结构用于容纳涂覆有电极的膜片。该框架结构包括第一薄膜和第二薄膜，其中，第一薄膜与第二薄膜在连接区域中借助粘接剂连接。至少在两个薄膜中的一个薄膜上在连接区域中构造有间隔结构。

2、间隔结构与粘接剂直接接触、即用于粘附但是是如此刚性的，使得极为有效地防止将粘接剂从框架结构中挤出。因此，间隔结构也是对薄膜的一种机械加固(versteifung)。为此，优选地，间隔结构的材料的弹性模量是粘接剂的弹性模量的至少10倍。另外优选地，间隔结构具有刚性的几何形状，该间隔结构尤其蜂窝形地实施。由此，电池堆叠的压紧力可以通过相对较刚性的间隔结构来传递，防止粘接剂的过度变形——并且随后防止将粘接剂挤出。如此，通过该间隔结构也可以调设框架结构的狭窄地可容忍的高度。即，间隔结构调设两个薄膜之间的定义的间距，并且防止在堆叠过程中将框架结构进一步压在一起并且因此将粘接剂挤出。因此，稳健地遵守电化学电池的定义的高度。

3、在优选的实施方案中，间隔结构构造粘接袋(klebetaschen)，粘接剂几乎(quasi)在容积方面(volumetrisch)被捕获在所述粘接袋中。由此定义每个面积的粘接剂体积，使得可以特别稳健地调设高度。

4、膜电极单元可以包括膜片、尤其是聚合物电解质膜(pem)。此外，膜电极单元可以包括两个多孔电极，所述电极分别具有催化剂层，其中，所述电极尤其布置到pem上并且在两侧限界该pem。在此尤其可以称为mea-3。附加地，膜电极单元可以包括两个气体扩散层。这两个气体扩散层可以尤其在两侧限界mea-3。在此可以尤其称为mea-5。

5、电化学电池可以例如是燃料电池、电解质电池或者蓄电池单元电池。燃料电池尤其是pem-fc(polymer-elektrolyt-membran brennstoffzelle，聚合物电解质膜燃料电池)。电池堆叠尤其包括多个叠置地布置的电化学电池。

6、框架结构尤其具有框架形状。框架结构优选环绕地实施。因此，膜片和两个电极可以特别有利地被围框在框架结构中。另外，该框架结构在横截面中尤其u形地或者y形地构造，用于在u形形状或y形形状的支腿(schenkeln)之间容纳膜片和两个电极。

7、优选地，粘接剂向外密封膜电极单元，将两个薄膜彼此粘接，并且将膜片与框架结构中的两个电极固定。

8、此外，粘接剂可以优选地是电绝缘的。因此，框架结构可以特别有利地是电绝缘的，并且可以特别有利地将电化学电池的非活性区域中的意外的电流流动保持得小、尤其防止电化学电池的非活性区域中的意外的电流流动。

9、进一步优选地，一个/多个间隔结构也可以绝缘地、尤其是电绝缘地实施，使得防止意外的电流流动。

10、在有利的扩展方案中，气体扩散层借助另外的粘接剂紧固在框架结构上。薄膜在另外的粘接剂的方向上有利地同样各具有至少一个间隔结构。在此，间隔结构也优选根据上述实施方案中的一种实施方案来构型。

11、本发明还包括一种用于制造根据上述实施方案中的一种实施方案的膜电极单元的方法。在此，该方法具有以下方法步骤：

12、将间隔结构施加到第一薄膜上。

13、将粘接剂施涂(applizieren)到间隔结构上，必要时施涂到粘接袋中。

14、在膜片在连接区域之外区段式地插入(zwischenlage)的情况下，在连接区域中将第一薄膜与第二薄膜粘接。

15、优选地，间隔结构在此借助经加热的压制辊施加到第一薄膜上。有利地，在施加压力载荷的情况下，实现粘接剂的硬化。

16、在粘接两个薄膜时，优选仅在y形形状的中间支腿上、即在连接区域中将所述薄膜粘接，在另两个支腿之间布置膜片。在此，膜片可以也与两个薄膜粘接。

技术特征：

1.一种用于电化学电池(100)的膜电极单元(1)，其中，所述膜电极单元(1)具有框架结构(10)，所述框架结构用于容纳涂覆有电极(3，4)的膜片(2)，其中，所述框架结构(10)包括第一薄膜(11)和第二薄膜(12)，其中，所述第一薄膜(11)与所述第二薄膜(12)在连接区域(15)中借助粘接剂(13)连接，

2.根据权利要求1所述的膜电极单元(1)，

3.根据权利要求1或2所述的膜电极单元(1)，

4.根据权利要求1至3中任一项所述的膜电极单元(1)，

5.一种用于制造根据权利要求1至4中任一项所述的膜电极单元(1)的方法，

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述间隔结构(20)借助两个优选经加热的压制辊(41，42)施加到所述第一薄膜(11)上。

技术总结
一种用于电化学电池(100)的膜电极单元(1)，其中，所述膜电极单元(1)具有框架结构(10)，所述框架结构用于容纳涂覆有电极(3，4)的膜片(2)。所述框架结构(10)包括第一薄膜(11)和第二薄膜(12)，其中，所述第一薄膜(11)与所述第二薄膜(12)在连接区域(15)中借助粘接剂(13)连接。至少在两个薄膜(11，12)中的一个薄膜上在所述连接区域(15)中构造有间隔结构(20)。

技术研发人员：A·林克
受保护的技术使用者：罗伯特·博世有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13