DE102013014077A1

DE102013014077A1 - Process for producing a membrane-electrode assembly with circumferential seal and membrane-electrode assembly

Info

Publication number: DE102013014077A1
Application number: DE201310014077
Authority: DE
Inventors: Felix Bauer; Christian Wolz
Original assignee: Elcomax GmbH
Current assignee: Elcomax GmbH
Priority date: 2013-08-27
Filing date: 2013-08-27
Publication date: 2015-03-05
Also published as: WO2015028135A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer mit einer umlaufenden Dichtung (9') versehenen Membran-Elektroden-Einheit (1) für eine elektrochemische Zelle, insbesondere für eine Brennstoffzelle, umfassend die folgenden Schritte: (A) Herstellen einer die Membran-Elektroden-Einheit (1) bildenden sandwichartigen Anordnung aus einer Membran (4) und zwei Gasdiffusionselektroden (2, 3) (B) Verbinden der sandwichartigen Anordnung mit einer diese an ihrem seitlichen Außenrand umlaufenden und aus einem thermoplastischen Dichtungsmaterial (9) bestehenden Dichtung (9'), wobei das Dichtungsmaterial (9) auf eine oberhalb seiner Schmelztemperatur bzw. oberhalb seines Schmelzbereichs liegende Temperatur erhitzt wird und derart angeordnet ist, dass ein Teil des Dichtungsmaterials (9) seitlich in die beiden Gasdiffusionselektroden (2, 3) eindringt.The present invention relates to a method for producing a membrane electrode assembly (1) for an electrochemical cell, in particular for a fuel cell, provided with a circumferential seal (9 '), comprising the following steps: (A) producing the membrane electrodes Unit (1) forming a sandwich of a membrane (4) and two gas diffusion electrodes (2, 3); (B) bonding the sandwich to a seal (9 ') surrounding it at its lateral outer edge and made of a thermoplastic sealing material (9) ), wherein the sealing material (9) is heated to a temperature above its melting temperature or above its melting temperature and is arranged such that a part of the sealing material (9) laterally penetrates into the two gas diffusion electrodes (2, 3).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer mit einer umlaufenden Dichtung versehenen Membran-Elektroden-Einheit (engl.: membrane electrode assembly – MEA) für eine elektrochemische Zelle, insbesondere für eine Brennstoffzelle. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine entsprechend mit einer umlaufenden Dichtung hergestellte MEA sowie einen mit einer Mehrzahl solcher MEAs ausgestatteten Brennstoffzellenstapel.The present invention relates to a method for producing a membrane electrode assembly (MEA) provided with a peripheral seal for an electrochemical cell, in particular for a fuel cell. Further, the present invention relates to a MEA suitably made with a circumferential seal and a fuel cell stack equipped with a plurality of such MEAs.

Derartige Verfahren bzw. MEAs bzw. Brennstoffzellenstapel sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt, wobei die die MEA randseitig umlaufende Dichtung einerseits eine Leckage zwischen den auf verschiedenen Seiten der Membran angeordneten Elektroden (Anode und Kathode) um die Membran herum wirksam unterbinden und andererseits unter den zumeist widrigen Betriebsbedingungen in einer elektrochemischen Zelle (Brennstoffzelle) möglichst langlebig sein soll. Die vorliegende Erfindung soll sich dabei insbesondere zur Verwendung mit so genannten ”Flush-cut”-MEAs eignen, bei denen die die Membran sandwichartig umgebenden (Gasdiffusions-)Elektroden randseitig bündig mit der Membran abschließen. ”Flush-cut”-MEAs können somit – unter Ermöglichung einer Rollen- bzw. ”Sheet”-Herstellung – kostengünstig aus einem großflächig vorbereiteten und ggfs. bereits heißverpressten MEA-Verbund herausgetrennt bzw. herausgeschnitten werden.Such methods or MEAs or fuel cell stacks are well known from the prior art, wherein the edge MEA peripheral seal on the one hand effectively prevent leakage between the arranged on different sides of the membrane electrodes (anode and cathode) around the membrane around and on the other hand the most adverse operating conditions in an electrochemical cell (fuel cell) should be as durable as possible. The present invention is intended to be particularly suitable for use with so-called "flush-cut" MEAs, in which the membrane (gas diffusion) electrodes sandwiching the membrane terminate flush with the membrane at the edge. "Flush-cut" MEAs can thus be cut out or cut out cost-effectively from a MEA composite which has been prepared over a large area and, if necessary, already hot-pressed, while permitting a roll or "sheet" production.

Für ein wirksames Dichtkonzept zur umlaufenden Abdichtung der in einem Brennstoffzellenstapel in der Regel zwischen Bipolarplatten angeordneten MEAs sind dabei eine Vielzahl von Aspekten von Relevanz, insbesondere wenn, was im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorteilhaft gewünscht ist, die erfindungsgemäß abgedichteten MEAs in Hochtemperatur(HT)-Brennstoffzellen mit Betriebstemperaturen von (deutlich) größer 100°C eingesetzt werden sollen. Hierbei ist von Bedeutung, dass die MEAs und die Bipolarplatten eines Brennstoffzellenstapels einen (in der Regel sehr geringen) Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, der sich von dem (i. d. R. höheren) Wärmeausdehnungskoeffizienten eines zur Abdichtung der MEA verwendeten Dichtungsmaterials deutlich unterscheidet. Insbesondere im Falle der Verwendung eines polymeren Dichtmaterials wird im Stand der Technik, insbesondere bei MEAs für Niedertemperaturbrennstoffzellen, häufig auf Elastomere zurückgegriffen, die infolge ihrer Elastizität die sich aufgrund verschiedener Wärmeausdehnungskoeffizienten auftretenden mechanischen Spannungen ausgleichen können. Ferner ist im Rahmen der notwendigen Abdichtung einer MEA von grundsätzlicher Bedeutung, dass die für eine Dichtung zur Anwendung kommenden Materialien den widrigen Bedingungen in einer elektrochemischen Zelle für eine angemessene Lebensdauer Stand halten müssen, was insbesondere bei HT-PEM-Brennstoffzellen und phosphorsauren Brennstoffzellen (PAFC) aufgrund der dort in der Regel gegebenen Anwesenheit starker Säuren in der Membran zu berücksichtigen ist.For an effective sealing concept for circumferential sealing of the MEAs arranged in a fuel cell stack usually between bipolar plates a variety of aspects of relevance, especially if what is advantageously desired in the present invention, the invention sealed MEAs in high temperature (HT) - Fuel cells with operating temperatures of (significantly) greater than 100 ° C to be used. It is important here that the MEAs and the bipolar plates of a fuel cell stack have a (usually very low) coefficient of thermal expansion, which differs significantly from the (in part higher) coefficient of thermal expansion of a sealing material used to seal the MEA. In particular, in the case of the use of a polymeric sealing material is in the prior art, in particular in MEAs for low-temperature fuel cells, often resorting to elastomers, which can compensate due to their elasticity occurring due to different thermal expansion coefficients mechanical stresses. Furthermore, in the context of the necessary sealing of an MEA is of fundamental importance that the materials used for a seal must withstand the adverse conditions in an electrochemical cell for a reasonable life, which in particular in HT-PEM fuel cells and phosphoric acid fuel cells (PAFC ) is to be considered due to the there usually given presence of strong acids in the membrane.

So ist es z. B. aus dem Stand der Technik bekannt, dass die MEA zu Abdichtungszwecken mit einer die MEA randseitig umlaufenden und auch die (Gasdiffusions-)Elektroden in einem Randbereich überdeckenden Dichtung aus einem elastomeren Material versehen wird, wie dies z. B. in der EP 1 759 434 A1 gezeigt ist. Die dabei bevorzugt zum Einsatz kommenden Elastomere sind jedoch, soweit sich diese überhaupt zum Einsatz in Hochtemperaturbrennstoffzellen (z. B. HT-PEM mit phosphorsäuredotierter Membran) mit einem Betriebstemperaturbereich zwischen z. B. 100 und 250°C (oder darüber) eignen, entweder vergleichsweise teuer oder weisen eine nicht optimale (Phosphor-)Säurebeständigkeit und somit eine vergleichsweise kurze Lebensdauer auf.So it is z. B. known from the prior art that the MEA is provided for sealing purposes with a MEA peripheral edge and also the (gas diffusion) electrodes in an edge region covering seal of an elastomeric material, as such. B. in the EP 1 759 434 A1 is shown. However, the elastomers which are preferably used are, as far as they are even suitable for use in high-temperature fuel cells (eg HT-PEM with a phosphoric acid-doped membrane) with an operating temperature range between z. B. 100 and 250 ° C (or more), either relatively expensive or have a non-optimal (phosphorus) acid resistance and thus a comparatively short life.

Ferner ist es z. B. aus der WO 2004/015797 A1 bekannt, die MEA einer Brennstoffzelle in ihrem randseitigen Bereich durch Laminierung (bei unterhalb des Schmelzpunktes von Polyimid liegenden Temperaturen) mit einem den Randbereich der MEA beidseitig umschließenden Polyimid- bzw. Polyetherimid-Rahmen auszustatten. Ein solcher Polyimid-Rahmen stellt zwar eine Randverstärkung für die MEA dar, jedoch keine vollwertige Dichtung, da hier zwingend noch weitere Dichtungen zur Abdichtung der MEA gegen die Bipolar- bzw. Separatorplatten einer Brennstoffzelle notwendig sind, was deren Herstellung – neben dem hohen Preis für geeignete Polyimide – vergleichsweise teuer macht. Ferner zeigt sich bei solchen die MEA ober- und unterseitig teilweise überdeckenden Randverstärkungen aus Polyimid mit fortschreitender Betriebsdauer eine zunehmende Versprödung, was offenbar daraus resultiert, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient von Polyimid größer als derjenige einer typischen MEA (bzw. der Membran) ist. Und schließlich ist festzustellen, dass sich dieses Dichtkonzept nur für MEAs eignet, bei denen die Membran seitlich über die beiden Gasdiffusionselektroden hervorragt, da nur durch direkte Einbettung des Randbereichs der Membran in den auf den Randbereich der MEA auflaminierten Polyimid-Rahmen eine Leckage zwischen Anoden- und Kathodenseite wirksam unterbunden werden kann. Mit anderen Worten: Das in der WO 2004/015797 A1 beschriebene Konzept eignet sich nicht zur Anwendung an Flush-cut-MEAs, bei denen die Membran und die Gasdiffusionselektroden seitlich bündig miteinander abschließen.Furthermore, it is z. B. from the WO 2004/015797 A1 Known to equip the MEA of a fuel cell in its edge region by lamination (at below the melting point of polyimide temperatures) with a the edge region of the MEA on both sides enclosing polyimide or polyetherimide frame. Although such a polyimide frame is an edge reinforcement for the MEA, but not a full-fledged seal, as here necessarily more seals for sealing the MEA against the bipolar or separator plates of a fuel cell are necessary, what their production - in addition to the high price for suitable polyimides - comparatively expensive. Further, in such polyimide edge reinforcements that cover the MEA on the top and bottom sides as the operating time progresses, increasing embrittlement occurs, apparently resulting from the fact that the thermal expansion coefficient of polyimide is greater than that of a typical MEA (or membrane). Finally, it should be noted that this sealing concept is only suitable for MEAs in which the membrane protrudes laterally beyond the two gas diffusion electrodes, since only by embedding the edge region of the membrane directly in the polyimide frame laminated to the edge region of the MEA can leakage between anodes be detected. and cathode side can be effectively prevented. In other words, that in the WO 2004/015797 A1 The concept described is not suitable for use with flush-cut MEAs in which the membrane and the gas diffusion electrodes terminate flush with each other laterally.

In der WO 99/04446 A1 sind weitere Dichtungsanordnungen für die MEA einer Brennstoffzelle gezeigt, bei denen eine die jeweilige MEA umlaufende integrale Dichtung auf den seitlichen Rand der MEA seitlich aufgespritzt wird, wobei als Dichtungsmaterial wiederum ein Elastomer zum Einsatz kommt. Auch dieses Dichtungskonzept erweist sich wegen der bereits vorgenannten Nachteile bei Verwendung elastomerer Materialien insbesondere für Hochtemperaturbrennstoffzellen als nicht optimal.In the WO 99/04446 A1 are further seal arrangements for the MEA one Fuel cell shown in which a respective MEA circumferential integral seal is sprayed laterally on the lateral edge of the MEA, wherein in turn an elastomer is used as the sealing material. Also, this sealing concept proves to be not optimal because of the aforementioned disadvantages when using elastomeric materials, especially for high-temperature fuel cells.

Eine eher kompliziert gestaltete Dichtungsanordnung, welche aus der US 6,596,427 B1 bekannt ist, sieht ein doppeltes Dichtungskonzept für elektrochemische Zellen mit einer den Zellstapel auf wenigstens einer Seite kapselnden Außendichtung und hierzu separaten, die einzelnen MEAs umgebenden Zelldichtungen vor. Dabei wird die MEA mittels der Zelldichtung von der z. B. aus einem thermoplastischen Material bestehenden Außendichtung separiert, um einen direkten Kontakt zwischen Außendichtung und MEA zu vermeiden.A rather complicated designed sealing arrangement, which from the US 6,596,427 B1 is known, provides a double seal concept for electrochemical cells with an outer seal encapsulating the cell stack on at least one side and for this purpose separate cell seals surrounding the individual MEAs. In this case, the MEA by means of the cell seal of the z. Example, consisting of a thermoplastic material outer seal separated to avoid direct contact between the outer seal and MEA.

Weitere Dichtungsanordnungen sind aus der US 7,722,978 B2 , der US 7,914,943 B2 und der WO 2011/157377 A2 bekannt. Die dort jeweils verwendeten Dichtungsmaterialien bzw. -anordnungen sind entweder gezielt auf die Anwendung in Niedertemperaturbrennstoffzellen mit einer Betriebstemperatur < 100°C ausgelegt oder eignen sich nicht optimal für den Einsatz in HT-PEM (Hochtemperaturpolymerelektrolytmembran-)Brennstoffzellen mit Betriebstemperaturen von (deutlich) > 100°C.Further sealing arrangements are known from US 7,722,978 B2 , of the US 7,914,943 B2 and the WO 2011/157377 A2 known. The sealing materials or assemblies used there are either designed specifically for use in low-temperature fuel cells with an operating temperature <100 ° C or are not ideal for use in HT-PEM (high-temperature polymer electrolyte membrane) fuel cells with operating temperatures of (significantly)> 100 ° C.

Vor diesem Hintergrund soll im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein wirksames und möglichst kostengünstig herstellbares Dichtungskonzept für MEAs zum bevorzugten Einsatz in Brennstoffzellen bereitgestellt werden, welches in bevorzugter Weise auch zur Verwendung mit ”Flush-cut”-MEAs geeignet sein soll.Against this background, in the context of the present invention, an effective and cost-effectively producible sealing concept for MEAs for preferred use in fuel cells is to be provided, which should also be suitable for use with flush-cut MEAs in a preferred manner.

Die vorstehende Aufgabe wird mit einem Verfahren zur Herstellung einer mit einer umlaufenden Dichtung versehenen MEA gemäß Anspruch 1 sowie einer entsprechend hergestellten MEA gemäß Anspruch 11 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The above object is achieved with a method for producing a circumferential seal provided with the MEA according to claim 1 and a correspondingly prepared MEA according to claim 11. Preferred developments of the present invention will become apparent from the dependent claims.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer mit einer umlaufenden Dichtung versehenen MEA für eine elektrochemische Zelle, insbesondere für eine Brennstoffzelle, umfasst die folgenden Schritte:

(A) Herstellen einer die Membran-Elektroden-Einheit bildenden sandwichartigen Anordnung aus einer Membran und zwei Gasdiffusionselektroden
(B) Verbinden der sandwichartigen Anordnung mit einer diese an ihrem seitlichen Außenrand umlaufenden und aus einem thermoplastischen Dichtungsmaterial bestehenden Dichtung, wobei das Dichtungsmaterial auf eine oberhalb seiner Schmelztemperatur bzw. oberhalb seines Schmelzbereichs liegende Temperatur erhitzt wird und derart angeordnet ist, dass ein Teil des Dichtungsmaterials seitlich in die beiden Gasdiffusionselektroden eindringt.

The method according to the invention for producing an encircling gasket for an electrochemical cell, in particular for a fuel cell, comprises the following steps:

(A) forming a membrane-electrode assembly forming sandwich of a membrane and two gas diffusion electrodes
(B) bonding the sandwich-type assembly to a seal surrounding it at its outer lateral edge and made of a thermoplastic sealing material, wherein the sealing material is heated to above its melting temperature or above its melting temperature and is arranged such that a part of the sealing material penetrates laterally into the two gas diffusion electrodes.

Mit anderen Worten wird also im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Dichtungskonzept für eine MEA geschaffen, bei dem die erfindungsgemäß hergestellte MEA seitlich umlaufend mittels einer aus einem Thermoplasten bestehenden Dichtung abgedichtet ist, wobei aufgrund der während des Herstellungsvorgangs erfolgenden Erhitzung des thermoplastischen Dichtungsmaterials über seinen Schmelzpunkt und der hierdurch maßgeblich erhöhten Fließfähigkeit des Thermoplasten ein Teil des Dichtungsmaterials seitlich in die zuvor offene Porenstruktur der beiden die Membran auf verschiednen Seiten bedeckenden Gasdiffusionselektroden eindringt. Hierdurch kann bei gleichzeitiger Verwendung eines thermoplastischen Dichtungsmaterials für die direkt mit der MEA in Kontakt stehende Dichtung, welche die Membran und die Gasdiffusionselektroden an ihrem seitlichen Rand umläuft, eine besonders zuverlässige Dichtwirkung erzielt werden, so dass bei geeignetem Einbau der erfindungsgemäß hergestellten MEA in einen Zellstapel einer Brennstoffzelle (oder einer sonstigen elektrochemischen Zelle) eine Leckage zwischen der Anoden- und Kathodenseite der jeweiligen MEA ausgeschlossen ist.In other words, in the context of the present invention, a sealing concept is provided for an MEA in which the MEA produced according to the invention is sealed circumferentially laterally by means of a seal made of a thermoplastic, wherein due to the heat during the manufacturing process of the thermoplastic sealing material above its melting point and the thus significantly increased flowability of the thermoplastic part of the sealing material laterally penetrates into the previously open pore structure of the two gas diffusion electrodes covering the membrane on different sides. In this way, with the simultaneous use of a thermoplastic sealing material for the directly in contact with the MEA seal, which circulates the membrane and the gas diffusion electrodes at its lateral edge, a particularly reliable sealing effect can be achieved, so that with a suitable installation of the MEA according to the invention in a cell stack a fuel cell (or other electrochemical cell) leakage between the anode and cathode side of the respective MEA is excluded.

Es sei darauf hingewiesen, dass der Begriff ”Membran” im Rahmen der vorliegenden Erfindung weit zu verstehen ist und insbesondere auch ionenleitfähige Elektrolytstrukturen erfasst, wie sie z. B. in einer PAFC zum Einsatz kommen.It should be noted that the term "membrane" in the context of the present invention is to be understood and in particular also ion-conductive electrolyte structures detected, as z. B. in a PAFC are used.

Soweit dabei in Schritt (B) das Dichtungsmaterial auf eine oberhalb seiner Schmelztemperatur bzw. oberhalb seines Schmelzbereichs liegende Temperatur erhitzt wird, so sei hierzu festgestellt, dass zu handelsüblichen Thermoplasten eine Herstellerangabe zu dessen jeweiliger Schmelztemperatur (bzw. den Temperaturober- und -untergrenzen des Schmelzbereichs) existiert und dass dieser in fachüblicher Weise, wie z. B. nach der US-Norm ASTM D4591 , bestimmt werden kann.Insofar as in this case the sealing material is heated to a temperature above its melting temperature or above its melting temperature in step (B), it should be noted that to commercially available thermoplastics a manufacturer's information to its respective melting temperature (or the upper and lower Temperaturgrenzen- ) and that this in the usual way, such. B. after US standard ASTM D4591 , can be determined.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich überraschender Weise herausgestellt, dass die erfindungsgemäße Abdichtung der MEA in ihrem Randbereich mittels eines thermoplastischen Dichtungsmaterial nicht nur für Niedertemperaturbrennstoffzellen (z. B. Direktmethanolbrennstoffzelle; engl.: direct methanol fuel cell – DMFC), sondern insbesondere auch zum Einsatz in Hochtemperatur-Brennstoffzellen (z. B. auf HT-PEM-Basis) mit Betriebstemperaturen größer 100°C bis hinauf zu Betriebstemperaturen von ca. 250°C geeignet ist. Es wurde nämlich herausgefunden, dass man sich bei Wahl eines geeigneten thermoplastischen Dichtmaterials, insbesondere im Hinblick auf dessen Schmelztemperatur(bereich) unter Berücksichtigung der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle, dessen Eigenschaft zunutze machen kann, dass dieses bereits bei Temperaturen (knapp) unterhalb seines Schmelzpunkts erweicht, so dass bei Betrieb der Brennstoffzelle in einem geeigneten Temperaturbereich etwaige durch Wärmedehnung verursachte mechanische Spannungen hinreichend von der Dichtung kompensiert werden können.In the context of the present invention, it has surprisingly been found that the inventive sealing of the MEA in its edge region by means of a thermoplastic sealing material not only for low-temperature fuel cells (eg direct methanol fuel cell - DMFC), but in particular for Use in high-temperature fuel cells (eg based on HT-PEM) with operating temperatures greater than 100 ° C up to operating temperatures of approx. 250 ° C is. It has been found that by choosing a suitable thermoplastic sealing material, in particular with regard to its melting temperature (range), taking into account the operating temperature of the fuel cell, its property can be exploited to soften it already at temperatures (just) below its melting point, so that when the fuel cell is operated in a suitable temperature range, any stress caused by thermal expansion can be sufficiently compensated by the seal.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines thermoplastischen Dichtungsmaterials liegt darin, dass hiermit die Herstellung der Dichtung – im Vergleich zu der aus dem Stand der Technik bekannten Verwendung von Elastomeren – deutlich beschleunigt werden kann. Während ein als Dichtungsmaterial geeignetes Elastomer in der Regel eines thermisch zu aktivierenden Vernetzers bedarf und zu dessen Aushärtung eine nicht unerhebliche Zeitspanne benötigt wird, bleibt ein im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendetes thermoplastisches Dichtungsmaterial sofort nach Abkühlung unter seinen Schmelzpunkt formstabil, wodurch sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch die Herstellungszeit für eine mit einer umlaufenden Dichtung versehene MEA reduziert.Another advantage of using a thermoplastic gasket material is that it can significantly accelerate the manufacture of the gasket as compared to the use of elastomers known in the art. While an elastomer suitable as a sealing material usually requires a thermally activatable crosslinking agent and a considerable amount of time is required to cure it, a thermoplastic sealing material used in the context of the present invention remains dimensionally stable immediately after cooling below its melting point, resulting in the process according to the invention also reduced the manufacturing time for an encircling MEA.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können als Dichtungsmaterial grundsätzlich alle bekannten thermoplastischen Materialien (wie z. B. Fluorpolymere, Polytetrafluorethylen (PTFE), Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer (ETFE), Perfluorethylenpropylen-Copolymer (FEP), Perfluoralkoxy-Copolymer (PFA), Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Vinylidenfluorid-Terpolymer (THV), Polychlortrifluorethylen (CTFE), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Flüssigkristalline Polymere (LCP), Polyetheretherketon (PEEK), Polyetherketon (PEK), Polyethersulfon (PES), Polyphenylensulfid (PPS), Polysulfon (PSU), Polybenzimidazol (PBI), etc.) zum Einsatz kommen, die eine für die jeweilige Anwendung geeignete Temperatur-, Säure- und Wasserdampfbeständigkeit sowie ein für den jeweiligen Einsatzzweck geeignetes Temperaturverhalten aufweisen.In the context of the present invention, the sealant material may in principle be any known thermoplastic materials (such as fluoropolymers, polytetrafluoroethylene (PTFE), ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), perfluoroethylene-propylene copolymer (FEP), perfluoroalkoxy copolymer (PFA), tetrafluoroethylene Hexafluoropropylene vinylidene fluoride terpolymer (THV), polychlorotrifluoroethylene (CTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), liquid crystalline polymers (LCP), polyetheretherketone (PEEK), polyetherketone (PEK), polyethersulfone (PES), polyphenylene sulfide (PPS), polysulfone (PSU) , Polybenzimidazole (PBI), etc.) are used, which have a temperature, acid and water vapor resistance suitable for the respective application as well as a temperature behavior suitable for the respective intended use.

In einer ersten bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung findet als thermoplastisches Dichtungsmaterial vorteilhaft ein Fluorpolymer, insbesondere THV, Verwendung.In a first preferred embodiment of the present invention, a fluoropolymer, in particular THV, is advantageously used as the thermoplastic sealing material.

Bei THV handelt es sich um ein chemisch besonders beständiges Terpolymer aus Tetrafluoroethylen (CF₂-CF₂), Hexafluorpropylen (CF₃-CF-CF₂) und Vinylidenfluorid (CF₂-CH₂), bei welchem unter Variation der relativen Anteile der vorgenannten Bestandteile der Schmelzpunkt (also die Schmelztemperatur bzw. der Schmelztemperaturbereich) des Materials über einen weiten Bereich einstellbar und welches besonders kostengünstig herstellbar ist.THV is a particularly chemically stable terpolymer of tetrafluoroethylene (CF ₂ -CF ₂ ), hexafluoropropylene (CF ₃ -CF-CF ₂ ) and vinylidene fluoride (CF ₂ -CH ₂ ), which, while varying the relative proportions of the aforementioned Components of the melting point (ie, the melting temperature or the melting temperature range) of the material over a wide range adjustable and which is particularly inexpensive to produce.

Im Rahmen einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Membran-Elektroden-Einheit in Schritt (B) mittels der aus thermoplastischem Dichtungsmaterial bestehenden Dichtung mit einem die Membran-Elektroden-Einheit seitlich außen umgebenden Dichtrahmen verbunden wird.In a preferred embodiment of the present invention can be provided that the membrane-electrode assembly is connected in step (B) by means of the sealing gasket made of thermoplastic material with a membrane-electrode assembly laterally surrounding outer sealing frame.

In dieser Ausführungsvariante kann also das die MEA seitlich umlaufende Dichtungsmaterial gleichzeitig zur Herstellung einer Verbindung zwischen der MEA und einem die MEA umgebenden Dichtrahmen Verwendung finden, wobei der Dichtrahmen, der bevorzugt aus einem unter den in einem Brennstoffzellenstapel gegebenen Druckverhältnissen (weitgehend) inkompressiblen Material besteht, mit seiner vorgegebenen Dicke im Sinne eines Anschlags den (Minimal-)Abstand zwischen den die MEA samt Dichtrahmen anoden- und kathodenseitig umgebenden Bipolar- bzw. Separatorplatten vorgeben kann. Dabei ergibt sich ein kostengünstig herstellbarer Verbund aus einer MEA und einem diese seitlich umlaufend umgebenden (Dicht-)Rahmen, wobei (Dicht-)Rahmen und MEA ausschließlich über das thermoplastische Dichtmaterial miteinander verbunden sind. Eine solche Dichtung dient somit sowohl der Herstellung der Dichtigkeit zwischen Anoden- und Kathodenseite als auch der Dichtigkeit zur Umgebung. Ferner kann durch geeignete Vorgabe der Dicke des Dichtrahmens die maximal erlaubte Kompression der MEA durch die Bipolarplatten präzise eingestellt werden.In this embodiment variant, therefore, the sealing material which laterally revolves around the MEA can simultaneously be used to establish a connection between the MEA and a sealing frame surrounding the MEA, wherein the sealing frame, which preferably consists of a (largely) incompressible material under the pressure conditions prevailing in a fuel cell stack, with its predetermined thickness in the sense of a stop the (minimum) distance between the anode and the anode side surrounding the MEA including sealing frame bipolar or separator plates can pretend. This results in a cost-producible composite of an MEA and this laterally surrounding surrounding (sealing) frame, wherein (sealing) frame and MEA are connected to each other exclusively via the thermoplastic sealing material. Such a seal thus serves both to produce the tightness between the anode and cathode side and the tightness to the environment. Furthermore, by appropriate specification of the thickness of the sealing frame, the maximum allowable compression of the MEA can be precisely adjusted by the bipolar plates.

Die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgende Erhitzung des Dichtungsmaterials über seinen Schmelzpunkt, wodurch die Anbindung des thermoplastischen Dichtungsmaterials an die MEA (inkl. des teilweisen Eindringens des Dichtungsmaterials in die Gasdiffusionselektroden) und ggfs. auch die Anbindung des Dichtungsmaterials an einen ggfs. vorgesehenen Dichtrahmen ermöglicht wird, kann in besonders einfacher Weise mittels eines Heißpressvorgangs erfolgen. Dabei kann dann in Schritt (B) des erfindungsgemäßen Verfahrens entweder eine bereits zuvor zu einem Verbund heißverpresste MEA verwendet werden oder es können mit dem das thermoplastische Material erhitzenden Heißpressvorgang – unter Verwendung eines zuvor noch nicht heißverpressten Sandwichs aus zwei Gasdiffusionselektroden mit dazwischen liegender Membran – gleichzeitig auch die Membran und die beidseits hierzu angeordneten Gasdiffusionselektroden miteinander heißverpresst werden.The heating of the sealing material taking place in the context of the method according to the invention over its melting point, whereby the connection of the thermoplastic sealing material to the MEA (including the partial penetration of the sealing material into the gas diffusion electrodes) and, if necessary, also the connection of the sealing material to a sealing frame provided if necessary is, can be done in a particularly simple manner by means of a hot pressing operation. In this case, in step (B) of the process according to the invention either an MEA which has already been hot-pressed into a composite can be used or the hot pressing process heating the thermoplastic material - using a previously not hot-pressed sandwich of two gas diffusion electrodes with an interposed membrane - simultaneously Also, the membrane and the both sides arranged for this gas diffusion electrodes are hot pressed together.

Besonders bevorzugt kann bei der vorstehend erläuterten Herstellung einer Verbindung zwischen MEA und einem Dichtrahmen mittels des thermoplastischen Dichtungsmaterials vorgesehen sein, dass das Dichtungsmaterial vor seiner im Rahmen eines Heißpressvorgangs erfolgenden Erhitzung zunächst in einem zum seitlichen Außenrand der Membran-Elektroden-Einheit hin offenen Spalt des Dichtrahmens angeordnet ist. Hierdurch lässt sich – insbesondere durch geeignete Dimensionierung des Spalts und der präzise vorgebbaren (Relativ-)Anordnung von Dichtrahmen und MEA – die gewünschte Verbindung zwischen MEA und Dichtrahmen besonders zuverlässig und exakt reproduzierbar herstellen, wobei zur Herstellung einer ausreichenden Dichtwirkung in vorteilhafter Weise auch lediglich eine geringe Menge an (thermoplastischem) Dichtungsmaterial benötigt wird. Ferner wird durch die Anordnung des (thermoplastischen) Dichtungsmaterials in einem lediglich zum seitlichen Rand der MEA hin offenen Spalt gewährleistet werden, dass kein bzw. nur wenig Dichtungsmaterial mit dem Presswerkzeug in Kontakt kommt, was eine schnelle und unproblematische Entformung des z. B. zwei beheizbare Pressplatten aufweisenden Presswerkzeugs ermöglicht.Particularly preferred in the above-described preparation of a connection between MEA and a sealing frame by means of be provided thermoplastic sealing material that the sealing material is first arranged in front of his taking place during a hot pressing process heating in a side outer edge of the membrane-electrode unit open gap of the sealing frame. This makes it possible to produce the desired connection between the MEA and the sealing frame in a particularly reliable and precisely reproducible manner, in particular by suitable dimensioning of the gap and the precisely predeterminable (relative) arrangement of the sealing frame and MEA, wherein advantageously only one is used to produce a sufficient sealing effect small amount of (thermoplastic) sealing material is needed. Furthermore, it is ensured by the arrangement of the (thermoplastic) sealing material in an open only to the lateral edge of the MEA gap that no or only a little sealing material comes into contact with the pressing tool, resulting in a quick and easy removal of the z. B. allows two heated pressing plates having pressing tool.

Ferner kann im Rahmen der Erfindung bevorzugt vorgesehen sein, dass der Dichtrahmen aus wenigstens zwei Lagen eines inkompressiblen Materials mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten, insbesondere aus gewebeverstärktem Kunststoff, hergestellt wird. Unter ”inkompressibel” ist dabei ein Material zu verstehen, das sich bei üblicher Verspannung zwischen den Bipolar- bzw. Separatorplatten (d. h. bei den in einer Brennstoffzelle hierbei typischerweise auf den Brennstoffzellenstapel ausgeübten Kräften und den sich hierdurch einstellenden (Druck-)Verhältnissen) nicht oder nur unwesentlich komprimiert, d. h. seine vorgegebene Dicke weitgehend erhält. Ein niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient ist insbesondere dann gegebenen, wenn dieser – bei 20°C – einen Wert von kleiner als 3·10^–5 K^–1 aufweist. Ein gewebeverstärkter Kunststoff, wie z. B. ein glasfaserverstärktes PTFE (z. B. unter der Bezeichnung ”Chemfab” erhältlich), wie er besonders bevorzugt zum Einsatz kommt, erfüllt diese Eigenschaften.Furthermore, it can preferably be provided within the scope of the invention for the sealing frame to be produced from at least two layers of an incompressible material with a low coefficient of thermal expansion, in particular of fabric-reinforced plastic. Under "incompressible" is to be understood a material that is not at normal tension between the bipolar or separator plates (ie in the case of a fuel cell in this case typically applied to the fuel cell stack forces and thereby adjusting (pressure) ratios) or only slightly compressed, ie largely preserves its predetermined thickness. A low thermal expansion coefficient is given in particular when it has a value of less than 3 · 10 ^-5 K ^-1 at 20 ° C. A fabric-reinforced plastic, such. As a glass fiber reinforced PTFE (eg., Available under the name "Chemfab"), as it is particularly preferably used, fulfilling these properties.

Soweit der Dichtrahmen aus einem Material mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt ist, wie vorstehend erläutert, so ergibt sich wegen des in der Regel auch besonders niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten einer typischen MEA und der ausschließlich über den Thermoplasten bei hohen Temperaturen hergestellten Verbindung zwischen MEA und Dichtrahmen insgesamt ein Aufbau, der ein Aufwölben der MEA bei Raumtemperatur verhindert, was deren Handhabbarkeit verbessert.As far as the sealing frame is made of a material with a low coefficient of thermal expansion, as explained above, as a result of the usually also very low coefficient of thermal expansion of a typical MEA and made exclusively on the thermoplastic at high temperatures connection between MEA and sealing frame overall results in a structure, which prevents bulging of the MEA at room temperature, which improves their handling.

Weiterhin kann in abermaliger Weiterbildung der vorliegenden Erfindung besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass jede Lage des Dichtrahmens aus wenigstens zwei Teilen eines gewebeverstärkten Kunststoffs zusammengesetzt ist. Dabei kann im übrigen in besonders einfacher Weise gewährleistet werden, dass die einzelnen Lagen und/oder die einzelnen Teile der verschiedenen Lagen des Dichtrahmens in Schritt (B) durch das thermoplastische Dichtungsmaterial dicht miteinander verbunden werden. Ferner kann, wie dies nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels noch erläutert wird, ein nahezu verschnittloser Verbrauch des für den Dichtrahmen verwendeten Materials gewährleistet werden.Furthermore, in a further development of the present invention, it can be provided with particular preference that each layer of the sealing frame is composed of at least two parts of a fabric-reinforced plastic. In addition, it can be ensured in a particularly simple manner that the individual layers and / or the individual parts of the various layers of the sealing frame in step (B) are sealed together by the thermoplastic sealing material. Further, as will be explained below with reference to an embodiment, a nearly waste consumption of the material used for the sealing frame can be ensured.

Wie bereits weiter oben erläutert, kann die MEA entweder bereits vor Durchführung des Schrittes (B) oder gleichzeitig mit Durchführung des Schrittes (B) heißverpresst werden, wobei mittels der letztgenannten Variante ein ansonsten separat durchzuführender Heißvpressvorgang eingespart werden kann.As already explained above, the MEA can either be hot pressed before the implementation of step (B) or simultaneously with the implementation of step (B), whereby by means of the last-mentioned variant an otherwise separately performed Heißvpressvorgang can be saved.

Ferner kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt vorgesehen sein, dass die MEA nach dem Flush-cut-Verfahren hergestellt wird, was ebenfalls eine besonders kostensparende Herstellung geeignet abgedichteter MEAs ermöglicht.Furthermore, in the context of the present invention, it can preferably be provided that the MEA is produced by the flush-cut method, which likewise allows a particularly cost-saving production of suitably sealed MEAs.

Wie dies bereits weiter oben anhand des bevorzugt verwendeten Materials namens THV erläutert wurde, kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung das thermoplastische Dichtungsmaterial bevorzugt aus wenigstens zwei Monomer-Komponenten hergestellt sein, deren Anteile Einfluss auf den Schmelzpunkt, d. h. die Schmelztemperatur bzw. den Schmelzbereich, des thermoplastischen Dichtungsmaterials haben. Hierdurch lässt sich eine besonders einfache Anpassung des Schmelzpunkts des Dichtungsmaterials an die Betriebstemperatur, für welche die entsprechend hergestellten MEAs geeignet sein sollen, erzielen.As has already been explained above with reference to the preferred material called THV, in the context of the present invention, the thermoplastic sealing material may preferably be made of at least two monomer components, whose components influence the melting point, ie. H. the melting temperature or melting range of the thermoplastic sealing material. This makes it possible to achieve a particularly simple adaptation of the melting point of the sealing material to the operating temperature for which the correspondingly produced MEAs are to be suitable.

In besonders bevorzugter Weise kann dabei dafür Sorge getragen sein, dass die Membran-Elektroden-Einheit zur Verwendung in einer Brennstoffzelle bei einer vorgegebenen Soll-Betriebstemperatur bzw. innerhalb eines vorgegebenen Soll-Betriebstemperaturbereichs vorgesehen ist, wobei die Schmelztemperatur bzw. der Schmelzbereich des Dichtungsmaterials (z. B. durch geeignete Wahl der Art und/oder Zusammensetzung des Dichtungsmaterials) derart gewählt bzw. eingestellt ist, dass die Schmelztemperatur bzw. der Schmelzbereich des Dichtungsmaterials oberhalb, bevorzugt jedoch nicht mehr als 10° bis 30°C oberhalb, der Soll-Betriebstemperatur bzw. des Soll-Betriebstemperaturbereichs liegt. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass die randseitig erfolgende Abdichtung einer erfindungsgemäßen MEA, mit welcher im vorstehend erläuterten Sinne ggfs. gleichzeitig die Verbindung zu einem die MEA umlaufenden Dichtrahmen hergestellt wird, bei bestimmungsgemäßen Einsatz in einer Brennstoffzelle mit der vorgegebenen Soll-Betriebstemperatur hinreichend weich ist, um etwaige mechanische Spannungen auszugleichen. Ferner hat sich gezeigt, dass dabei eine solche Geometrie für den Verbund aus MEA, Dichtung und Dichtrahmen gewählt werden kann, dass das die MEA umgebende Dichtungsmaterial, welches gewissermaßen eine Brücke zwischen der MEA und dem Dichtrahmen herstellt, im fertigen Brennstoffzellenstapel in Kontakt mit den beidseits der MEA gelegenen Bipolarplatten gelangen und mit diesen – infolge seiner Weichheit bei Betriebstemperatur – verkleben kann, was die Dichtwirkung des Dichtverbunds nochmals verbessern kann.In a particularly preferred manner, care can be taken that the membrane electrode assembly is intended for use in a fuel cell at a predetermined desired operating temperature or within a predetermined desired operating temperature range, the melting temperature or melting range of the sealing material ( eg by a suitable choice of the type and / or composition of the sealing material) is selected or set such that the melting temperature or the melting range of the sealing material above, but preferably not more than 10 ° to 30 ° C above, the target Operating temperature or the desired operating temperature range is. In this way, it can be ensured that the edge-sealing of an MEA according to the invention, with which, if necessary, at the same time the connection to a sealing frame revolving around the MEA, is produced in the intended use in a fuel cell with the predetermined nominal value. Operating temperature is sufficiently soft to compensate for any mechanical stresses. It has also been found that it is possible to choose such a geometry for the composite of MEA, seal and sealing frame that the sealing material surrounding the MEA, which to a certain extent creates a bridge between the MEA and the sealing frame, in contact with the two-sided in the finished fuel cell stack get the MEA located bipolar plates and with these - due to its softness at operating temperature - can stick together, which can further improve the sealing effect of the sealing compound.

Wie bereits einleitend erwähnt, ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung jedoch nicht nur das vorstehend erläuterte Herstellungsverfahren, sondern auch eine entsprechend hergestellte Membran-Elektroden-Einheit mit einer umlaufenden Dichtung aus einem thermoplastischen Dichtungsmaterial für eine elektrochemische Zelle, insbesondere für eine Brennstoffzelle.However, as already mentioned in the introduction, the subject matter of the present invention is not only the above-described production method, but also a correspondingly produced membrane-electrode assembly with a peripheral seal made of a thermoplastic sealing material for an electrochemical cell, in particular for a fuel cell.

Es versteht sich, dass alle bereits vorstehend in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläuterten Aspekte und bevorzugten Weiterbildungen, insbesondere auch die Bereitstellung eines Verbunds aus einer MEA und einem über das Dichtungsmaterial mit der MEA verbundenen Dichtrahmen, gleichermaßen auf die erfindungsgemäße MEA anwendbar sind, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen hierauf verwiesen wird. Die erfindungsgemäß mit einer umlaufenden Dichtung (und ggfs. einem Dichtrahmen) versehenen MEAs können komplett vorgefertigt werden und können in besonders einfacher Weise zum Aufbau eines Zellstapel für eine elektrochemische Zelle (z. B. Brennstoffzelle) Verwendung finden.It is understood that all the aspects and preferred refinements already explained above in connection with the method according to the invention, in particular the provision of a composite of an MEA and a sealing frame connected to the MEA via the sealing material, are equally applicable to the MEA according to the invention, so that to avoid repetition reference is made to this. The MEAs provided according to the invention with a circumferential seal (and optionally a sealing frame) can be completely prefabricated and can be used in a particularly simple manner for constructing a cell stack for an electrochemical cell (eg fuel cell).

Eine erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Einheit mit umlaufender Dichtung ist dabei bevorzugt zum Einsatz in einer HT-PEM-Brennstoffzelle oder in einer phosphorsauren Brennstoffzelle (PAFC) bei Soll-Betriebstemperaturen bis 150°C, bis 200°C oder bis 250°C geeignet. Grundsätzlich können erfindungsgemäße MEAs jedoch auch in NT-PEM-Brennstoffzellen mit Betriebstemperaturen kleiner 100°C verwendet werden.A membrane-electrode assembly according to the invention with circumferential seal is preferably suitable for use in an HT-PEM fuel cell or in a phosphoric acid fuel cell (PAFC) at nominal operating temperatures up to 150 ° C, up to 200 ° C or up to 250 ° C. In principle, however, MEAs according to the invention can also be used in NT-PEM fuel cells with operating temperatures of less than 100.degree.

Ferner betrifft die Erfindung auch einen Brennstoffzellen-Stapel mit einer Mehrzahl an durch Bipolarplatten getrennten Membran-Elektroden-Einheiten der erfindungsgemäßen Art. Auch hierfür gelten ersichtlich die gleichen Aspekte und bevorzugten Weiterbildungen, wie sie vorstehend bereits erläutert wurden.Furthermore, the invention also relates to a fuel cell stack having a plurality of membrane-electrode units of the type according to the invention separated by bipolar plates. The same aspects and preferred refinements apply here, as already explained above.

Insbesondere betrifft die Erfindung somit auch einen Brennstoffzellenstapel der vorgenannten Art, bei dem jede (erfindungsgemäße) Membran-Elektroden-Einheit mit umlaufender Dichtung seitlich außen von einem Dichtrahmen vorgegebener Dicke umgeben ist, wobei jede Bipolarplatte (zu verschiedenen Seiten) den Dichtrahmen der ihr jeweils angrenzenden Membran-Elektroden-Einheiten anliegt und wobei jeder Dichtrahmen im Sinne eines Anschlags den minimalen Abstand zwischen den der betreffenden Membran-Elektroden-Einheit beidseits angrenzenden Bipolarplatten vorgibt. Die Dichtrahmen der verschiedenen MEAs eines solchen Brennstoffzellenstapels bilden also gewissermaßen einen ”Hard Stop”, mit welchem eine Beschädigung der einzelnen MEAs durch die Bipolarplatten infolge zu hoher Kompression vermieden werden kann.In particular, the invention thus also relates to a fuel cell stack of the aforementioned type, in which each (inventive) membrane-electrode assembly is surrounded laterally with peripheral seal by a sealing frame of predetermined thickness, each bipolar plate (on different sides) the sealing frame of their respective adjacent Membrane electrode units is applied and wherein each sealing frame in the sense of a stop the minimum distance between the respective membrane electrode unit adjacent to both sides bipolar plates. The sealing frames of the various MEAs of such a fuel cell stack thus effectively form a "hard stop" with which damage to the individual MEAs by the bipolar plates as a result of excessive compression can be avoided.

Selbstverständlich kann der Dichtrahmen seinerseits durch geeignete Dichtmittel gegen die Bipolarplatten abgedichtet sein oder eine weitere Dichtung beinhalten, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn die im Rahmen des Betriebs einer Brennstoffzelle zu- bzw. abzuführenden Medien durch ein internes Manifold des Brennstoffzellenstapels zu- und abgeführt werden, wobei hierfür geeignet durch den Dichtrahmen hindurchzuführende und abzudichtende Kanäle vorgesehen sein können.Of course, the sealing frame in turn can be sealed by suitable sealing means against the bipolar plates or include a further seal, which is particularly advantageous if the supplied in the context of the operation of a fuel cell or discharged media through an internal Manifold the fuel cell stack and discharged be suitable for this purpose by the sealing frame to be passed and sealed channels can be provided.

Generell gilt jedoch, dass im Rahmen des erfindungsgemäßen Dichtkonzepts zur Zu- und Abführung der im Rahmen der Brennstoffwandlung benötigten bzw. abzuführenden Medien ein externes oder internes Manifold vorgesehen sein kann.In general, however, an external or internal manifold may be provided as part of the sealing concept according to the invention for supplying and discharging the media required or to be removed in the course of the fuel conversion.

Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigtVarious embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawing. It shows

1 eine Illustration eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit mit umlaufender Dichtung aus einem thermoplastischen Material und einem die MEA samt Dichtung umgebenden Dichtrahmen, 1 an illustration of an embodiment of the method according to the invention for producing a membrane electrode assembly according to the invention with circumferential seal of a thermoplastic material and a sealing frame surrounding the MEA including seal,

2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit mit umlaufender Dichtung und Dichtrahmen 2 a schematic representation of an embodiment of a membrane electrode assembly according to the invention with circumferential seal and sealing frame

3 eine Illustration zur besonders zweckmäßigen Herstellung eines im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendbaren Dichtrahmens, 3 an illustration for the particularly expedient production of a usable in the context of the present invention sealing frame,

4 Lebensdauermessungen zur zeitlichen Entwicklung der Zellspannung an erfindungsgemäß hergestellten Baueinheiten aus MEA mit umlaufender Dichtung im Vergleich zu Referenz-MEAs und 4 Lifetime measurements for the temporal development of the cell voltage on assemblies made of MEA according to the invention with circumferential seal in comparison to reference MEAs and

5 Messergebnisse zu verschiedenen Start-Stop-Zyklen an den gemäß 4 bereits einem Lebensdauertest unterzogenen MEAs. 5 Measurement results for different start-stop cycles according to 4 already endurance tested MEAs.

1 zeigt in einer oberen Darstellung rechtsseitig einen Randbereich einer in einem ersten Verfahrensschritt (A) bereitgestellten (und vorliegend bereits heißverpressten) MEA 1, die in üblicher Weise durch eine sandwichartige Anordnung aus zwei Gasdiffusionselektroden 2, 3 und einer dazwischen liegenden (Polymer-Elektrolyt-)Membran 4 gebildet ist. Links daneben ist mit vorgegebenen Abstand d ein aus drei – noch nicht miteinander verbundenen – Lagen 5, 6, 7 bestehender Dichtrahmen 12 angeordnet, der einen zum Außenrand der MEA 1 hin offenen Spalt 8 ausbildet, in welchem – benachbart zum seitlichen Außenrand der MEA 1 und diese vollumfänglich umlaufend – ein thermoplastisches Dichtungsmaterial 9 (z. B. THV) angeordnet ist. 1 shows in an upper representation on the right side an edge region of a first method step (A) provided (and in the present case already hot-pressed) MEA 1 , which in the usual way by a sandwich-like arrangement of two gas diffusion electrodes 2 . 3 and an intermediate (polymer electrolyte) membrane 4 is formed. To the left, at a predetermined distance d, one of three layers - not yet connected to one another - is located 5 . 6 . 7 existing sealing frame 12 arranged one to the outer edge of the MEA 1 open gap 8th is formed, in which - adjacent to the lateral outer edge of the MEA 1 and these completely circulating - a thermoplastic sealing material 9 (eg THV) is arranged.

In einem Verfahrensschritt (B) wird sodann die in 1 oben dargestellte Anordnung zwischen beiheizbaren Pressplatten heißverpresst, wobei durch geeignete Vorgabe der Temperatur des Heißpressvorgangs sicherzustellen ist, dass das thermoplastische Dichtungsmaterial 9 bis (deutlich) über seinen Schmelzpunkt (d. h. seine Schmelztemperatur bzw. das Schmelzintervall) erhitzt wird, so dass es in fließfähigen Zustand gebracht wird.In a process step (B), the in 1 The arrangement shown above hot-pressed between heatable press plates, which is to ensure by appropriate specification of the temperature of the hot pressing process that the thermoplastic sealing material 9 until (significantly) above its melting point (ie its melting temperature or the melting interval) is heated, so that it is brought into a flowable state.

Nach anschließender Abkühlung ergibt sich dann der in 1 unten im Teilquerschnitt und in 2 in perspektivischer Ansicht vollständig dargestellte Verbund aus einer MEA 1 mit umlaufender Dichtung 9' und Dichtrahmen 12.After subsequent cooling, the result then in 1 below in the partial cross section and in 2 in fully assembled perspective view of an MEA 1 with circumferential seal 9 ' and sealing frame 12 ,

Während des Heißpressvorgangs können sich einerseits die drei im vorliegenden Beispiel aus einem gewebeverstärkten Kunststoff (z. B. Chemfab) bestehenden Lagen 5, 6, 7 des Dichtrahmens 12 miteinander fest verbinden. Ferner kann das in dem zum Außenrand der MEA 1 hin offenen Spalt 8 des Dichtrahmens 12 angeordnete Dichtungsmaterial 9 beim Heißpressvorgang in den zwischen Dichtrahmen 12 und MEA 1 bestehenden Spalt eindringen und sich dabei (ausschließlich) vom seitlichen Außenrand der MEA 1 aus sowohl mit der Membran 4 als auch mit den Gasdiffusionselektroden 2, 3 verbinden, wobei ein Teil des Dichtungsmaterials 9 aufgrund seiner Fließfähigkeit bei dem Heißpressvorgang beidseits der Membran 4, nämlich in den Bereichen 10, 11, seitlich in die offene Porenstruktur der Gasdiffusionselektroden 2, 3 eindringt. Die Gasdiffusionselektroden 2, 3 werden dabei in vorteilhafter Weise nicht auf ihrer von der Membran 4 abgewandten Seite von Dichtungsmaterial 9 bedeckt.During the hot pressing process, on the one hand, the three layers in the present example made of a fabric-reinforced plastic (eg Chemfab) can be used 5 . 6 . 7 of the sealing frame 12 firmly connect with each other. Furthermore, that in the outer edge of the MEA 1 open gap 8th of the sealing frame 12 arranged sealing material 9 during hot pressing in the between sealing frame 12 and MEA 1 existing gap and thereby (exclusively) from the lateral outer edge of the MEA 1 from both the membrane 4 as well as with the gas diffusion electrodes 2 . 3 connect, being a part of the sealing material 9 due to its fluidity in the hot pressing process on both sides of the membrane 4 namely in the fields 10 . 11 , laterally in the open pore structure of the gas diffusion electrodes 2 . 3 penetrates. The gas diffusion electrodes 2 . 3 are advantageously not on their from the membrane 4 opposite side of sealing material 9 covered.

Die die MEA 1 nach erfolgter Abkühlung seitlich vollständig umlaufende Dichtung 9' stellt dann eine Verbindung zwischen der MEA 1 und dem Dichtrahmen 12 her. Mit anderen Worten wird also die MEA 1 innerhalb des Dichtrahmens 12 ausschließlich durch die aus thermoplastischem Dichtmaterial bestehende Dichtung 9' gehalten.The MEA 1 after cooling, laterally completely circumferential seal 9 ' then establishes a connection between the MEA 1 and the sealing frame 12 ago. In other words, so the MEA 1 inside the sealing frame 12 exclusively by the seal made of thermoplastic sealing material 9 ' held.

Der Dichtrahmen 12 hat dabei eine – durch die Dimensionierung der drei Lagen 5, 6, 7 vorgegebene Dicke D₁, welche geringfügig kleiner ist als die Dicke D₂ der MEA 1. Wenn nun der Verbund aus MEA 1, Dichtung 9' und Dichtrahmen 12 in üblicher Weise zwischen den Bipolar- bzw. Separatorplatten einer Brennzoffzelle (oder einer sonstigen elektrochemischen Zelle) angeordnet wird, so stellt der aus einem weitgehend inkompressiblen Material hergestellte Dichtrahmen 12 einen Anschlag (”Hard-Stop”) für die Bipolarplatten dar, wodurch die maximal mögliche Kompression der geringfügig dickeren MEA 1 vorgeben ist. Ferner kann die während des Betriebs der Brennstoffzelle erweichende Dichtung 9' sich mit den ober- und unterseitig hieran anliegenden Bipolarplatten der Brennstoffzelle verkleben, wodurch – ohne des Bedarfs für weitere Dichtmittel im Bereich des Dichtrahmens 12 – eine gute Dichtwirkung nach außen erzielbar ist.The sealing frame 12 has one - by the dimensioning of the three layers 5 . 6 . 7 predetermined thickness D ₁ , which is slightly smaller than the thickness D _{2 of} the MEA 1 , If now the composite of MEA 1 , Poetry 9 ' and sealing frame 12 is arranged in the usual way between the bipolar or separator plates of a Brennzoffzelle (or other electrochemical cell), so provides the sealing frame made of a largely incompressible material 12 a stop ("hard-stop") for the bipolar plates, whereby the maximum possible compression of the slightly thicker MEA 1 is pretend. Furthermore, the softening during operation of the fuel cell seal 9 ' sticking to the bipolar plates of the fuel cell which bear against it on the top and bottom sides, thereby eliminating the need for further sealing means in the region of the sealing frame 12 - A good sealing effect can be achieved to the outside.

Das konkret für die Herstellung der Dichtung 9' zu verwendende thermoplastische Dichtungsmaterial 9 kann in besonders bevorzugter Weise unter Berücksichtigung der vorgegebenen Betriebstemperatur der (nicht dargestellten) elektrochemischen Zelle gewählt werden, in welche die MEA 1 samt Dichtung 9' und Dichtrahmen 12 verbaut werden soll. Dabei kann bevorzugt ein solches thermoplastisches Material 9 zur Anwendung kommen, dessen Schmelzpunkt knapp oberhalb, vorteilhaft nicht mehr als 10°–30°C oberhalb der Betriebstemperatur der elektrochemischen Zelle (z. B. Brennstoffzelle) liegt, so dass die die MEA 1 umgebende Dichtung 9' beim Betrieb der Brennstoffzelle etwas erweicht und hierdurch etwaige mechanische Spannungen aufnehmen kann. Bereits das thermoplastische Material THV, welches weiter oben bereits erwähnt wurde und vergleichsweise kostengünstig ist, existiert in verschiedensten Zusammensetzungen mit verschiedenen Schmelztemperaturen. So sind z. B. bei 3M Dyneon die Materialien ”THV 221GZ”, ”THV 500GZ”, ”THV 610GZ” und ”THV 815GZ” mit Schmelztemperaturen von (in gleicher Reihenfolge) 115°C, 165°C, 185°C und 225°C erhältlich. Das Material ”THV 221GZ” eignet sich vorteilhaft zur Verwendung in NT-PEM-Brennstoffzellen, während die drei weiteren vorgenannten THV-Varianten in vorteilhafter Weise zur Verwendung in HT-PEM-Brennstoffzellen geeignet sind.Specifically for the production of the seal 9 ' thermoplastic sealing material to be used 9 can be selected in a particularly preferred manner, taking into account the predetermined operating temperature of the (not shown) electrochemical cell, in which the MEA 1 including seal 9 ' and sealing frame 12 should be installed. In this case, preferably such a thermoplastic material 9 be used, whose melting point is just above, advantageously not more than 10 ° -30 ° C above the operating temperature of the electrochemical cell (eg fuel cell), so that the MEA 1 surrounding seal 9 ' During operation of the fuel cell softens something and thereby can absorb any mechanical stresses. Already the thermoplastic material THV, which was already mentioned above and is comparatively inexpensive, exists in various compositions with different melting temperatures. So z. For example, at 3M Dyneon the materials "THV 221GZ", "THV 500GZ", "THV 610GZ" and "THV 815GZ" with melting temperatures of (in the same order) 115 ° C, 165 ° C, 185 ° C and 225 ° C are available , The material "THV 221GZ" is advantageously suitable for use in NT-PEM fuel cells, while the other three aforementioned THV variants are advantageously suitable for use in HT-PEM fuel cells.

3 zeigt eine Illustration zur besonders zweckmäßigen Herstellung eines im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendbaren Dichtrahmens 12. Dabei können aus einem als Rollenware 13 vorliegenden Material unter Verwendung eines fischgrätartigen Schnittmusters M einzelne Teile, insbesondere L-förmige Schenkel a, b, herausgeschnitten werden. Je zwei solcher L-förmigen Schenkel 5a, 5b; 6a, 6b; 7a, 7b können dann zu einer Lage 5, 6, 7 des späteren Dichtrahmens 12 zusammengesetzt werden, wobei es sich bei deren Anordnung zur Herstellung des Dichtrahmens 12 in besonders vorteilhafter Weise anbietet, wenn je zwei benachbarte Lagen um 90° zueinander versetzt orientiert sind, so dass die in den einzelnen Lagen 5, 6, 7 zwischen den je zwei L-förmigen Schenkeln gegebenen Stoßstellen nicht einander benachbart sind. 3 shows an illustration for the particularly expedient production of a usable within the scope of the present invention sealing frame 12 , It can be made of a roll as a product 13 present material using a herringbone pattern M individual parts, in particular L-shaped legs a, b, are cut out. Two such L-shaped legs 5a . 5b ; 6a . 6b ; 7a . 7b can then become a location 5 . 6 . 7 the later sealing frame 12 be composed, it being in their arrangement for Production of the sealing frame 12 offers in a particularly advantageous manner, if each two adjacent layers are oriented offset by 90 ° to each other, so that in the individual layers 5 . 6 . 7 between the two L-shaped legs given joints are not adjacent to each other.

Vorliegend sind die Einzelteile 5a, 5b, 7a, 7b der oberen und unteren Lage 5, 7 des Dichtrahmens 12 aus der in 3 links dargestellten Rollenware 13 gewonnen, während die Teile 6a, 6b der dünneren Lage 6 – auf identische Weise – aus einer Rolle dünneren Materials gewonnen wurde.Here are the items 5a . 5b . 7a . 7b the upper and lower layer 5 . 7 of the sealing frame 12 from the in 3 on the left shown rolls 13 won while the parts 6a . 6b the thinner layer 6 - in an identical way - was obtained from a roll of thinner material.

Mit erfindungsgemäß hergestellten bzw. erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheiten 1 mit umlaufender Dichtung 9' und Dichtrahmen 12 konnten auch bereits verschiedene Tests durchgeführt werden, deren Ergebnisse nachfolgend mit Verweis auf die 4 und 5 erläutert werden.With inventively prepared or inventive membrane-electrode assemblies 1 with circumferential seal 9 ' and sealing frame 12 Various tests have already been carried out, the results of which can be found below with reference to the 4 and 5 be explained.

Die getesteten und im erfindungsgemäße Sinne mit einer umlaufenden Dichtung 9' und einem Dichtrahmen 12 ausgestatteten MEAs wurden in exakt der vorstehend erläuterten Art und Weise hergestellt. Sie enthalten eine für den Betrieb in einer HT-PEM-Brennstoffzelle bei einer Betriebstemperatur von 160° geeignete phosphorsäuredotierte Membran auf PBI-Basis. Es handelt sich um Flush-cut-MEAs mit bündig zur Membran abschließenden Gasdiffusionselektroden.The tested and in the sense of the invention with a peripheral seal 9 ' and a sealing frame 12 equipped MEAs were prepared in exactly the manner explained above. They contain a PBI-based phosphoric acid-doped membrane suitable for operation in an HT-PEM fuel cell at an operating temperature of 160 °. These are flush-cut MEAs with gas diffusion electrodes flush with the membrane.

Als thermoplastisches Material für die Dichtung wurde das kommerziell von 3M Dyneon erhältliche Material ”THV 500GZ” verwendet, welches eine – gemäß der Norm ASTM D4591 ermittelte – Schmelztemperatur von 165°C aufweist, wobei die in Schritt (B) des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgende Herstellung einer Verbindung zwischen der Dichtung und dem Außenrand der MEA (mit seitlichem Eindringen des Dichtungsmaterials in die Gasdiffusionselektroden) einerseits und dem Dichtrahmen andererseits im Rahmen eines Heißpressvorgangs bei einer Temperatur von 230°C durchgeführt wurde. Als Material für den Dichtrahmen wurden drei Lagen eines glasfaserverstärkten PTFE (erhältlich unter der Bezeichnung ”Chemfab”) verwendet.As the thermoplastic material for the gasket, the material "THV 500GZ" commercially available from 3M Dyneon was used, which is one according to Standard ASTM D4591 determined - in step (B) of the method according to the invention making a connection between the seal and the outer edge of the MEA (with lateral penetration of the sealing material in the gas diffusion electrodes) on the one hand and the sealing frame on the other hand in a hot pressing operation was carried out at a temperature of 230 ° C. As the material for the sealing frame, three layers of a glass fiber reinforced PTFE (available under the name "Chemfab") were used.

Die aktive Fläche der quadratischen MEA (124 mm Kantenlänge) hatte 153 cm². Die Dicke der MEA betrug 620 μm. Der die MEA umgebende quadratische Dichtrahmen hatte im Bereich der oberen und unteren Lagen 5, 7 eine äußere Kantenlänge von 144 mm und eine innere von 124.5 mm.The active area of the square MEA (124 mm edge length) was 153 cm ² . The thickness of the MEA was 620 μm. The square sealing frame surrounding the MEA had in the upper and lower layers 5 . 7 an outer edge length of 144 mm and an inner edge of 124.5 mm.

Der Zwischenrahmen hatte eine äußere Kantenlänge von 144 mm und eine innere von 135.5 mm. Die drei Lagen des glasfaserverstärkten PTFE hatten eine Dicke von jeweils 225 μm (äußere Lagen 5 und 7) und 120 μm (Zwischenlage 6).The intermediate frame had an outer edge length of 144 mm and an inner edge of 135.5 mm. The three layers of glass fiber reinforced PTFE had a thickness of 225 microns (outer layers 5 and 7 ) and 120 μm (intermediate layer 6 ).

Die ”THV 500GZ”-Lage 9 war vor dem Heißpressvorgang 200 μm dick. Der Heißpressvorgang erfolgte bei 230°C, dauerte 4 min und die Presskraft war 77 kN. Die aktive Fläche der MEA wurde dabei drucklos gehalten. Der resultierende Pressdruck auf dem durch den Dichtrahmen gebildeten Hardstop lag somit bei 3.2 kN/cm² – definiert durch die Fläche des Zwischenrahmens von 23.8 cm². Die Dicke des Dichtrahmens nach dem Vorgang betrug 540 μm.The "THV 500GZ" location 9 was 200 μm thick before the hot pressing process. The hot pressing process took place at 230 ° C, took 4 minutes and the pressing force was 77 kN. The active area of the MEA was kept unpressurized. The resulting compacting pressure on the hard stop formed by the sealing frame was thus 3.2 kN / cm ² - defined by the area of the intermediate frame of 23.8 cm ² . The thickness of the sealing frame after the process was 540 μm.

Drei dieser erfindungsgemäß hergestellten Baueinheiten aus MEA, thermoplastischer Dichtung und Dichtrahmen wurden gleichzeitig mit vier Referenz-MEAs in einen Testbrennstoffzellenstapel mit 20 Zellen eingebaut, der unter Verwendung eines simulierten Reformats bei einer Betriebstemperatur von 160°C (also bei nur 5°C unterhalb des Schmelzpunktes des verwendeten Dichtungsmaterials) betrieben wurde.Three of these MEA, thermoplastic gasket, and gasketing assemblies made in accordance with the present invention were incorporated with four reference MEAs into a 20 cell test fuel cell stack using a simulated reformate at an operating temperature of 160 ° C (ie, only 5 ° C below the melting point) the sealing material used) was operated.

4 zeigt den zeitlichen Verlauf des Mittelwerts der (zum Zwecke einer rein qualitativen Gegenüberstellung nicht in absoluten Werten angegeben) Zellspannung an den drei erfindungsgemäßen Baueinheiten mit ”Flush-cut-Dichtung” im Vergleich zum Mittelwert der Zellspannung der in dem gleichen Testbrennstoffzellenstapel betriebenen Referenz-MEAs, bei denen MEAs mit über die Gasdiffusionselektroden hinausstehender Membran und einer Polyetherimid-Randverstärkung, wie Sie für HT-PEM-Brennstoffzellen derzeit häufig zur Anwendung kommen, verwendet wurden. 4 shows the time course of the mean value of the (for the purpose of a purely qualitative comparison not given in absolute values) cell voltage across the three "flush-cut" assemblies according to the invention in comparison to the mean value of the cell voltage of the reference MEAs operated in the same test fuel cell stack, where MEAs have been used with the membrane protruding beyond the gas diffusion electrodes and polyetherimide edge enhancement commonly used for HT-PEM fuel cells.

Dabei zeigt sich, dass die erfindungsgemäß hergestellten MEAs mit THV-Dichtung und Dichtrahmen bei einem Dauerbetrieb von beinahe 2000 Stunden unter ansonsten identischen Bedingungen eine sogar geringfügig höhere Zellspannung liefern konnten als die in ihrer Herstellung deutlich teureren MEAs mit Poly(ether)imid-Randverstärkung. Ferner konnte ermittelt werden, dass die Zellspannungen der drei erfindungsgemäß hergestellten MEAs mit Dichtung und Dichtrahmen nur außerordentlich geringe Abweichungen untereinander gezeigt haben, was die gute Reproduzierbarkeit einer qualitativ hochwertigen Herstellung des MEA-Dichtrahmenverbunds zeigt.It can be seen that the MEAs with THV seal and sealing frame according to the invention were able to produce an even slightly higher cell voltage under continuous operating conditions of almost 2000 hours than the significantly more expensive MEAs with poly (ether) imide edge reinforcement. Furthermore, it could be determined that the cell voltages of the three MEAs produced according to the invention with seal and sealing frame have shown only extremely slight deviations from one another, which shows the good reproducibility of a high-quality production of the MEA sealing frame composite.

Der in 4 erkennbare Einbruch der Zellspannung bei einer Laufzeit von knapp unterhalb 500 Betriebsstunden resultierte aus einer kurzfristigen Abschaltung der Testbrennstoffzelle. Der bei ca. 1700 Betriebsstunden erkennbare (sprunghafte) Anstieg der jeweiligen Zellspannungen war das Ergebnis einer kurzfristigen Abschaltung der Kohlenmonoxid-Zufuhr zu dem simulierten Reformat, welches den jeweiligen Brennstoffzellen des Testbrennstoffzellenstapels zugeführt wurde.The in 4 A noticeable collapse of the cell voltage with a running time of just under 500 operating hours resulted from a short-term shutdown of the test fuel cell. The (leaky) increase in the respective cell voltages detectable at approximately 1700 operating hours was the result of a short-term deactivation of the carbon monoxide feed to the simulated reformate, which was supplied to the respective fuel cells of the test fuel cell stack.

5 zeigt schließlich noch die ermittelten Mittelwerte der Zellspannungen bei zu späteren Zeitpunkten erfolgten Start-Stop-Zyklen verschiedener Dauer, welche an den gleichen MEAs durchgeführt wurden, an denen bereits die Testmessungen aus 4 durchgeführt wurden. Die Messdaten aus 5 zeigen, dass die erfindungsgemäß mit einer umlaufenden Dichtung aus thermoplastischen Material ausgestatteten MEAs auch nach langer Betriebsdauer den Referenz-MEAs noch (geringfügig) überlegen waren. 5 finally shows the determined mean values of the cell voltages at later At time points, start-stop cycles of various durations, which were carried out on the same MEAs on which already the test measurements were made 4 were carried out. The measured data off 5 show that the MEAs equipped with a circumferential seal of thermoplastic material were still (slightly) superior to the reference MEAs even after a long service life.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 1759434 A1 [0004]
WO 2004/015797 A1 [0005, 0005]
WO 99/04446 A1 [0006]
US 6596427 B1 [0007]
US 7722978 B2 [0008]
US 7914943 B2 [0008]
WO 2011/157377 A2 [0008]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

US Standard ASTM D4591 [0014]
Standard ASTM D4591 [0055]

Claims

Method for producing a circulating seal membrane-electrode unit for an electrochemical cell, in particular for a fuel cell, comprising the following steps: (A) forming a membrane-electrode assembly forming sandwich of a membrane and two gas diffusion electrodes (B) bonding the sandwich-type assembly to a seal surrounding it at its lateral outer edge and made of a thermoplastic sealing material, wherein the sealing material is heated to a temperature above its melting temperature or above its melting temperature and is arranged such that a part of the sealing material penetrates laterally into the two gas diffusion electrodes.

A method according to claim 1, characterized in that the thermoplastic sealing material is a fluoropolymer, in particular THV.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the membrane-electrode assembly is connected in step (B) by means of the seal made of thermoplastic sealing material with a membrane electrode assembly laterally surrounding the outside sealing frame.

A method according to claim 3, characterized in that the sealing material is first arranged in front of his taking place during a hot pressing operation heating in a side outer edge of the membrane-electrode unit gap of the sealing frame.

A method according to claim 3 or claim 4, characterized in that the sealing frame is made of at least two layers of an incompressible material having a low coefficient of thermal expansion, in particular of fabric-reinforced plastic.

Method according to one of claims 3 to 5, characterized in that each layer of the sealing frame is composed of at least two parts of a fabric-reinforced plastic.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the membrane-electrode assembly is hot-pressed prior to the implementation of step (B) or simultaneously with the implementation of step (B).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the membrane electrode assembly is produced by the flushcut method.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the thermoplastic sealing material is produced from at least two monomer components whose shares influence the melting temperature or the melting range of the thermoplastic sealing material.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the membrane electrode assembly is intended for use in a fuel cell at a predetermined desired operating temperature or within a predetermined desired operating temperature range, wherein the melting temperature or the melting range of the sealing material chosen such or is set such that the melting temperature or the melting range of the sealing material is above, but preferably not more than 10 ° to 30 ° C above, the desired operating temperature and the desired operating temperature range.

Membrane electrode unit for an electrochemical cell, in particular for a fuel cell, with a peripheral seal made of a thermoplastic sealing material produced by a method according to any one of claims 1-10.

Membrane-electrode assembly according to claim 11, characterized in that the membrane-electrode assembly suitable for use in a HT-PEM fuel cell or a PAFC at nominal operating temperatures up to 150 ° C, up to 200 ° C or up to 250 ° C. is.

A fuel cell stack comprising a plurality of bipolar plate separated membrane electrode assemblies according to claim 11 or 12.

Fuel cell stack according to claim 13, characterized in that each membrane-electrode unit is laterally outwardly surrounded by a sealing frame of predetermined thickness, each bipolar plate rests against the sealing frame of their respective adjacent membrane electrode units and wherein each sealing frame in the sense of a stop the minimum Spacing between the respective membrane-electrode unit on both sides adjacent bipolar plates pretending.

Fuel cell stack according to claim 13 or 14, characterized in that for the supply and discharge of the fuel conversion required or dissipated media an external or internal Manifold is provided.