Wasserstofftechnik - Klebefolie für PEM-Brennstoffzellen

Das zentrale Element einer PEM-Brennstoffzelle ist die CCM (Catalyst Coated Membrane). Sie wird zusammen mit der Sub-Gasket-Folie und ggf. den Gasdiffusionslayern (GDL) 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.

Aufgaben der Sub-Gasket-Folie:

  • die Stützfolie hält die MEA gespannt

  • sie trennt zuverlässig die Medien (H2, O2) voneinander

  • sie dichtet das System gegen Leckagen ab

  • die Rahmenfolie erleichtert die automatisierte Montage (Picture-Frame Catalyst Coated Membrane; Membrane Electrode Assembly).

  • Bei Verwendung dünner Folie sind höchste Packungsdichten (reduzierte Gerätegröße) möglich

  • Die Verklebung mit dem Rand der CCM trägt nicht auf und kann sehr klein gewählt werden (kleinst mögliche Überlappung)

  • Keine „Vergiftung“ der MEA durch Kleber oder Folie

CMC Klebetechnik bietet als Standard für die EME/MEA Montage in PEM-Zellen eine Teonex® - Folie mit einem hitzeaktivierbaren Klebstoff an (CMC 61325). 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 Kleber ist bei Raumtemperatur nicht klebend. Dadurch ist die Verarbeitung bei den weiteren Verarbeitungsschritten (z.B. Pick-and-Place) erleichtert. Selbst eine nachträgliche Lagekorrektur ist möglich. 

Wasserstofftechnik - Klebefolie für PEM-Brennstoffzellen




Alternative „Selbstklebebeschichtung“ für kurze Taktzeiten

Um jedoch besonders hohe Taktzahlen zu erreichen, kann der Erhitzungsschritt zum Aufschmelzen des Klebers störend sein. Daher bietet CMC Klebetechnik auch eine bei Raumtemperatur klebende Variante an (CMC 61145). Die mit der Katalysatorschicht beschichtete Folie kann in diesem Fall durch simples „Platzieren“ mit der Subgasket-Folie verbunden werden. Es ist keine Erwärmung notwendig, insbesondere keine, die an die Belastungsgrenzen der CCM gehen könnten.

Untersuchungen haben gezeigt, dass der von der CMC Klebetechnik verwendete Acrylatklebstoff sogar unter den zelltypischen Belastungen (Temperatur und Hydrolyse) in seiner Klebkraft noch etwas ansteigt.

Wegen der erheblichen Druckbelastung innerhalb von Brennstoffzellen-Stacks kann es, abhängig von den verwendeten Geometrien der Dichtungen und Bipolarplatten zu mechanischer Deformation der Subgasket-Folie kommen. Daher besteht jederzeit die Möglichkeit, auch dickere Folien (50µm, 75µm – je nach Verfügbarkeit) einzusetzen. Kapton®-Folien sind insbesondere durch ihre hohe Steifigkeit auch bei erhöhten Temperaturen eine mögliche Alternative.

Kundenspezifische Änderungen - im simpelsten Fall Modifikationen der Materialstärken - sind bei einer gemeinsamen Entwicklung genauso möglich wie an spezielle Anforderungen angepasste Klebersysteme (z.B. Haftung auf abweisenden Oberflächen, SPEEK, Nafion® von DuPont, Caltec® von BASF, für alkalische Brennstoffzellen (AFC) oder Phosphorsäure-Brennstoffzellen (PAFC) und andere Sonderformen).

Neben Klebefolien für die Herstellung der Rahmenfolie (sub-gasket) besteht auch die Möglichkeit, Befeuchtungsvliese abdichtend zu verkleben. Diese Vliese verbessern die Lebensdauer und Effizienz größerer Brennstoffzellen, indem sie aktiv den Feuchtigkeitsgehalt der PEM-Membrane beeinflussen. Die Luftbefeuchtung ist ein wichtiger Bestandteil vieler PEM-Brennstoffzellen für eine optimale Membranbefeuchtung. Dauerhafte und zuverlässige Abdichtung und Verklebung sind typische Aufgaben für Acrylat-Klebebänder.

Produkte für den Einsatz in Brennstoffzellen

CMC-Type Eigenschaften
CMC 61325
Laminat: PEN-Folie mit Heißsiegelkleber
Kleber: Heißsiegelkleber auf Polyesterharzbasis 

Folienstärke: 0,025 mm
Gesamtstärke: 0,040 mm
CMC 61325 ist eine Laminierfolie auf Basis einer 25 μm PEN-Trägerfolie, die einseitig mit einem Heißsiegelkleber auf Polyesterharzbasis ausgerüstet ist. Das Produkt wird inkl. PE-Schutzab-deckung ausgeliefert 

CMC 61145
PEN-Klebeband 
Kleber: Acrylat

Folienstärke: 0,025 mm
Gesamtstärke: 0,040 mm
CMC 61145 ist ein Isolationsklebeband mit hervorragenden elektrischen Eigenschaften und höchster Temperaturbeständigkeit in der Gruppe der Polyesterfolien. Der Acrylatkleber ist hochmolekular, langlebig und hydrolysebeständig. CMC 61145 wird mit Schutzabdeckung ausgeliefert.

Kapton® FN 
Für z.B. Methanoldirekt-Brennstoffzellen (DMFC, HT-PEM) mit Betriebstemperaturen deutlich über 100°C bietet sich die Verwendung von Kapton® FN an.
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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).

Außerdem zeigt Kapton® FN einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten von nur 20 ppm/K gegenüber Polymerfolien aus PEEK (45 ppm/K) und PPS (51 ppm/K). Damit liegt Kapton® FN deutlich näher an dem von Stahl (11,7 ppm/K) und vermeidet so Spannungen innerhalb des Stacks.

Eine noch weiter verbesserte Version der Kapton® Folie ist Kapton® 200FWR919. Diese hydrolysebeständige Kaptonfolie ist ebenfalls beidseitig mit einer Fluorpolymerschicht beschichtet, so dass eine sehr gute chemische, thermische und elektrische Beständigkeit erreicht wird. Kapton® FWR hat eine nochmals verbesserte Hydrolysestabilität und ist druckbeständiger.

Ebenfalls sehr gut einsetzbar ist DuPont™ Oasis® 200TRT515, eine Weiterentwicklung u.a. für die Flugzeugindustrie mit hervorragender Hydrolysestabilität und chemischer Beständigkeit und Neutralität.

Darüber hinaus können auch PVF, PVDF und PPS Folien eingesetzt werden, die jeweils spezifische Vorteile haben (geringe Wasseraufnahme, geringe Permeationsraten für Wasserstoff, hohe Hydrolysebeständigkeit).

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“ Hochtemperatur-Brennstoffzellen (Stichwort CO- und Schwefelvergiftung).

PEM-Elektrolyseure (electolyzer) für Power-to-Liquid (P2L) und Power-to-Chemicals (P2C) oder Power-to-Gas (P2G) können ebenfalls mit dieser Folien ausgerüstet werden. Durch das im Prinzip umgekehrte Verfahren der Brennstoffzelle können bei Verwendung von regenerativer Energie erhebliche Emissionen von CO2 vermieden werden.

Auch für die Anwendungen als MEA für Elektrolyseure gilt, dass die Chemie und der mechanische Aufbau der Klebefolie für die Funktionsmembrane an die Anforderungen des Kunden angepasst werden können.

Wärmemanagement an Brennstoffzellen-Stacks

Wie bei jedem Umwandlungsprozess entsteht auch bei der „kalten Verbrennung“ in der Brennstoffzelle Abwärme. Diese muss abgeführt werden, um eine Überhitzung zu vermeiden. Eine der Wärmemanagement-Techniken ist, die Brennstoffzelle an den Kühlmittelkreislauf eines Hybridfahrzeuges anzuschließen. Alternativ kann auch ein separater Kühlmittelkreislauf mit Wärmetauscher und Lüfter genutzt werden.

Die thermische Verbindung von Elementen des Wärmepfades erfordert in vielen Fällen eine vermittelnde Schicht. Maßtoleranzen, Verwölbungen und Differenz bei der Wärmeausdehnung können zu Luftspalten führen, die den Wärmetransport erheblich behindern.

Mit wärmeleitenden Silikonfolien von CMC Klebetechnik können Wärmetauscher, Luftkühler, Kondensatoren, Kühlbleche oder Heizelemente zur Vorwärmung tiefkalter NT-PEM Stacks thermisch angebunden werden. Die flexiblen, elastischen Folien sind hoch wärmeleitend und gleichen Fertigungstoleranzen und andere Unebenheiten aus. Durch die 100% Benetzung der Oberflächen steht dem Wärmestrom die maximal mögliche Querschnittsfläche zur Verfügung. Die Produkte sind bis zu 200°C Dauertemperatur einsetzbar.

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.

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).