Klebefolie für PEM-Brennstoffzellen

Das zentrale Element einer PEM-Brennstoffzelle ist die EME (Elektroden-Membran-Einheit). Sie wird auch als Membran-Elektrodeneinheit (MEA) bezeichnet.

Dieser eigentliche Funktionsträger der Brennstoffzelle (die Protonen-Austausch-Membrane, PEM) wird mittels einer dünnen Stützfolie in dem Stack aus Bipolarplatten, Dichtungselemente und der Gasdiffusionslage (GDL) fixiert.
Diese Stützfolie hält die MEA gespannt und erleichtert die automatisierte Montage (Picture-Frame Catalyst Coated Membrane; Membrane Electrode Assembly). Ausserdem erlaubt sie aufgrund der geringen Materialstärke höchste Packungsdichte (reduzierte Gerätegröße).

CMC Klebetechnik bietet als Standard für die EME/MEA Montage in PEM-Zellen eine Teonex® - Folie an mit einem hitzeaktivierbaren Klebstoff. Folie und Kleber sind hydrolysestabil und daher dauerhaft in Brennstoffzellen einsetzbar. Der verwendete Kleber erlaubt eine sehr schmale Laminierfläche der Haltefolie auf der eigentlichen Funktionsmembrane. Der Kleberauftrag stört bei den weiteren Verarbeitungsschritten (z.B. Pick-and-Place) nicht, da er bei Raumtemperatur nichtklebend ist. Eine „Vergiftung“ der MEA durch Kleber oder Folie wurde bisher nicht beobachtet.

PEM-Stützfolie: Datenblatt CMC 61325

Kundenspezifische Entwicklungen - im simpelsten Fall Modifikationen der Materialstärken - sind genauso möglich wie an spezielle Anforderungen angepasste Klebersysteme (z.B. Haftung auf abweisenden Oberflächen, SPEEK, Nafion®...).

Hochtemperatur-PEM-Zellen

Für z.B. Methanoldirekt-Brennstoffzellen (DMFC, HT-PEM) mit Betriebstemperaturen deutlich über 100°C bietet sich die Verwendung von Kapton® FN an. Diese spezielle Variante von Kapton® verfügt über eine sehr gute Hydrolysestabilität und weist nahezu keinen Schrumpf auf. Daher sind Rahmenfolien aus Kapton® FN auch bei Temperaturen, bei denen PEN-Folien üblicherweise ca. 0,2-0,8 % Schrumpf zeigen, spannungsfrei. Spezielle, dauerelastische Kleberbeschichtungen (PSA) wirken als Montagehilfe und vor allem als Dichtelement (z.B. Methanol-Reformer).

Eine noch weiter verbesserte Version der Kapton® Folie ist Kapton® 200FWR919. Diese hydrolysebeständige Kaptonfolie ist beidseitig mit einer Fluorpolymerschicht beschichtet, so dass eine sehr gute chemische, thermische und elektrische Beständigkeit erreicht wird.
Ebenfalls sehr gut einsetzbar ist DuPont™ Oasis® 200TRT515, eine Weiterentwicklung u.a. für die Flugzeugindustrie mit hervorragender Hydrolysestabilität und chemischer Beständigkeit und Neutralität.

Brennstoffzellen für den diskontinuierlichen Betrieb wie Notstrom-Aggregate für Messstationen, Funkanlagen, Einrichtungen der IT, dezentrale Stromversorgung von elektrischen Verbrauchern oder Ladebetrieb für elektrische Batterien profitieren von dem wesentlich einfacheren Handling der "Brennstoffe" für Methanol-Brennstoffzellen (Stichwort CO- und Schwefelvergiftung).

Elektrolyseure (electolyzer) für Power-to-Liquid und Power-to-Chemicals können ebenfalls mit dieser Folien ausgerüstet werden. Auch für diese Anwendungen gilt, dass die Chemie und der mechanische Aufbau der Klebefolie für die Funktionsmembrane an die Anforderungen des Kunden angepasst werden können.

 

 

For easier mounting of the PEM membrane CMC offers a thin sub-gasket foil. It is coated with a thin heat-activated adhesive not harming the function of the PEM even after long usage. Due to the good adhesion strength minimum area of the PEM-surface is needed for gluing and sealing (prevents leakage between H2 side and O2 side).

The adhesive can be also coated double side for more dense constructions of can be coated also on PET or PPS films. Thickness of the film can vary from 25µm up to 150µm if available. Version with PPS is even suitable as sub-gasket film for HT-PEMFC.

Brennstoffzellen für Hybridantriebe

Noch ist es Zukunftsmusik, dass regenerative Energie massiv auch im Strassenverkehr eingesetzt wird. Wie bei den Lithium-Ionen-Batterie betriebenen vollelektrischen oder hybriden Fahrzeugen fehlt es im Moment noch an einer zufriedenstellenden Infrastruktur. Zwar gibt es bereits weit über ein Jahrzehnt Insellösungen. Stadtbusse fahren schon seit längerem mit Wasserstoffantrieben. Dieser Wasserstoff kann auch für Brennstoffzellen genutzt werden. Doch noch fehlt es an ausreichend Tankstellen für H2.

Dennoch hat die Brennstoffzelle entscheidende Vorteile für Range Extender Fahrzeuge (Hybridiserung). Es werden nicht wie in den derzeit gängigen Lösungen Antriebstechniken aus zwei Welten benötigt (Verbrennermotor und Elektroantrieb). Das relativ einfache System einer Brennstoffzelle, die im kontinuierlichen Betrieb einfach nur die Batterie permanent nachlädt, vereinfacht die Konstruktion von Hybridfahrzeugen deutlich. Für schwere Fahrzeuge und Fahrzeuge mit großer Reichweite wird die Brennstoffzelle in Zukunft sogar als Hauptantrieb eingesetzt werden können.

Doch noch fehlt es an Markttreibern wie TESLA, der mit einem umfangreichen Ladestationsnetz die oft viel größeren Mitanbieter zwingt, nachzuziehen. Dennoch: viele Experte sagen für das kommende Jahrzehnt voraus, dass die Brennstoffzellen-Technlogie endlich den Weg in die breite Masse finden wird.


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Siegelfolien für Subgasket-Montage in FC- und RFB-Stacks

Brennstoffzellen, Redox-Flow Batterien und auch z.B. Lithium-Ionenbatterien haben eines gemeinsam: Sie verwenden eine innere Trennschicht als Ionenaustauscher. Diese Trennschicht wird auch als Separator oder Membrane bezeichnet.

Angepasst an die jeweilige Technologie verwenden Hersteller ganz unterschiedliche Materialien für diese Trennschicht, deren hauptsächliche Aufgabe die Separierung der beiden Elektrolyte ist, die Elektronen abgeben oder aufnehmen. Neben der Chemikalienbeständigkeit ist daher die Ionenleitfähigkeit ein wichtiges Kriterium. Hinzu kommen Aufgaben, die z.B. eher der Sicherheit dienen: Hoch temperaturbeständige Separatoren in Lithium-Ionenbatterien verhindern auch bei fehlerhaftem Betrieb einen Metallbrand. In den Stacks von Brennstoffzellen dient die Membranfolie in Form eines Rahmens nicht nur eine Montagehilfe, sondern sie ermöglicht die kostengünstige Fertigung im Rolle-zu-Rolle Verfahren (oder sofort Rolle-zu-Stanzteil). Im Stack der Redox-Flow Batterie trägt sie maßgeblich dazu bei, dass die beiden Elektrolyte sicher getrennt bleiben. Sie dichtet die beiden Halbzellen chemisch ab und verhindert so einen direkte Vermischung.

Für Brennstoffzellen und Redox-Flow Batterien bietet die Firma CMC Klebetechnik Produkte an, die eine Kombination mit der eigentlichen Ionenaustauschermembrane ermöglichen. Je nach Betriebstemperatur (NT-PEMFC, HT-FC), prozesstypische Medien (z.B. vanadiumbasierend. Methanol, Wasser) oder Montageart (Kleben, Heißsiegeln) können unterschiedliche Folien angeboten werden. Selbst schwierig zu verklebende Membranfolien wie Nafion® von DuPont können so in einen Rahmen gespannt werden, der einerseits als Dichtung fungiert und zudem die Möglichkeit der mechanischen Fixierung des aktiven Bereichs ermöglicht (Subgasket-Frame).