Brennstoffzellen – eine Lösung für Mobilität und Energiewende mit Folien von CMC Klebetechnik

Das zentrale Element einer PEM-Brennstoffzelle ist die EME (Elektroden-Membran-Einheit). Sie wird auch als Membran-Elektrodeneinheit (MEA) bezeichnet. Hier findet der Ionenaustausch statt zwischen den beiden Reaktionspartnern Wasserstoff und Sauerstoff.

Die innovative Firma CMC Klebetechnik hat bereits vor Jahren eine Klebefolie entwickelt, die eine besonders wichtige Funktion innerhalb eines Brennstoffzellen-Stapels übernimmt: die mit einem hitzeaktivierbaren Kleber beschichtete Folie wird rahmenförmig um den eigentlichen Funktionsträger der Brennstoffzelle, die Protonen-Austausch-Membrane (PEM) aufgesiegelt. Mittels dieser dünnen Stützfolie kann die PEM-Folie in dem Stack aus Bipolarplatten, Dichtungselemente und der Gasdiffusionslage (GDL) fixiert werden. Die aufgeklebte Rahmenfolie hält die MEA gespannt und dichtet die beiden Seiten der MEA zueinander ab. Auf diese Weise wird eine Medienvermischung zwischen den beiden Halbzellen verhindert und die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle aufrecht erhalten.

CMC Klebetechnik bietet als Standard für die EME/MEA Montage in PEM-Zellen eine Teonex® – Folie an mit einem hitzeaktivierbaren Klebstoff (CMC 61325).

Folie und Kleber sind hydrolysestabil und daher dauerhaft in Brennstoffzellen einsetzbar. Der verwendete Kleber erlaubt eine sehr schmale Laminierfläche der Haltefolie. Dadurch wird die benötigte Klebefläche auf der teuren Funktionsmembrane sehr klein gehalten.

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. Das Datenblatt zu der PEM-Stützfolie CMC 61325 finden Sie hier.

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®…). Andere Basisfolien wie PPS oder THV  können neben der Teonex®-Folie verwendet werden.

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).

Für 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 Tenoex®-Folien üblicherweise ca. 0,2-0,8 % Schrumpf zeigen, spannungsfrei. Spezielle, dauerelastische Kleberbeschichtungen (PSA) von CMC Klebetechnik 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. CMC Klebetechnik kann diese Folien von der Firma DuPont, geschnitten, gestanzt, magaziniert und funktionsbeschichtet anbieten.

Kapton FN verfügt zusätzlich über eine heißsiegelfähige Beschichtung aus FEP, die eine sehr hoch temperaturbeständige Verklebung ermöglicht.

Eine weitere Anwendung für Rahmenfolien (sub gasket) von CMC klebetechnik sind Elektrolyseure für Power-to-Gas und Power-to-Chemicals (z.B. Ethanol). 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.

Die Rahmenfolien von CMC Klebetechnik können sehr dünn ausgeführt werden, so dass eine kompakte Bauweise des Brennstoffzellen-Stacks erreicht werden kann. Selbst eine doppelseitige Beschichtung ist möglich, um die verfügbaren Bauräume noch besser nutzen zu können. Ein weiterer Vorteil der Rahmenfolien von CMC Klebetechnik ist die Möglichkeit, durch sie die Produktion von einzelnen MEA-Einheiten zu automatisieren. Eine Vereinfachung der Produktionsweise gilt neben der Reduktion oder Substitution von Platin als Schlüssel für einen marktgerechteren Preis von PEM-Brennstoffzellen.

Rahmenfolien von CMC Klebetechnik können auch für die Ionenaustauschermembrane von Redox-Flow-Batterien (z.B. vanadiumsalz-basiert) entwickelt werden. Als unabhängiger Hersteller können wir auf ein großes Potential unterschiedlicher Folien und Klebstoff zurückgreifen.