DE102023201473A1 - Membrane electrode assembly for an electrochemical cell and electrochemical cell - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Membran-Elektroden-Anordnung (1) für eine elektrochemische Zelle, insbesondere für eine Brennstoffzelle oder eine Elektrolysezelle, aufweisend eine Membran (2), die zwischen zwei Transportlagen (3, 4) und in zumindest einem Randbereich (5) zwischen zwei Rahmenteilen (6.1, 6.2) eines Rahmens (6) angeordnet ist, wobei die Rahmenteile (6.1, 6.2) jeweils in einem Stoßbereich (7, 8) an die auf derselben Seite der Membran (2) angeordnete Transportlage (3, 4) stoßen und wobei die Rahmenteile (6.1, 6.2) unterschiedlich breit ausgebildet sind, so dass die Stoßbereiche (7, 8) auf beiden Seiten der Membran (2) versetzt zueinander angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist in dem breiteren Rahmenteil (6.2) membranseitig eine Aussparung (9) ausgebildet, die dem Stoßbereich (7) auf der anderen Seite der Membran (2) gegenüberliegt.
Die Erfindung betrifft ferner eine elektrochemische Zelle mit einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Anordnung (1).
The invention further relates to an electrochemical cell with a membrane electrode arrangement (1) according to the invention.
Description
Die Erfindung betrifft eine Membran-Elektroden-Anordnung für eine elektrochemische Zelle, insbesondere für eine Brennstoffzelle oder eine Elektrolysezelle. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine elektrochemische Zelle mit einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Anordnung.The invention relates to a membrane electrode arrangement for an electrochemical cell, in particular for a fuel cell or an electrolysis cell. Furthermore, the invention relates to an electrochemical cell with a membrane electrode arrangement according to the invention.
In der Praxis werden eine Vielzahl elektrochemischer Zellen zu einem Zellstapel, insbesondere einem Brennstoffzellenstapel oder einem Elektrolysezellstapel, verbunden. Bevorzugter Anwendungsbereich sind daher Brennstoffzellenstapel und/oder Elektrolysezellstapel. Bei dem Elektrolyseur kann es sich insbesondere um einen PEM- oder einen AEM-Elektrolysezellstapel zur Herstellung von Wasserstoff oder um einen CO2-Elektrolyseur handeln.In practice, a large number of electrochemical cells are connected to form a cell stack, in particular a fuel cell stack or an electrolysis cell stack. The preferred area of application is therefore fuel cell stacks and/or electrolysis cell stacks. The electrolyzer can in particular be a PEM or an AEM electrolysis cell stack for producing hydrogen or a CO 2 electrolyzer.
Stand der TechnikState of the art
Elektrochemische Zellen weisen einen mehrschichtigen bzw. mehrlagigen Aufbau auf. Die zentrale Lage bildet eine Membran aus, die zur Ausbildung einer Anode und einer Kathode üblicherweise beidseits mit einem katalytisch aktiven Material beschichtet ist. Sowohl anoden- als auch kathodenseitig liegt an der Membran jeweils eine Transportlage an, über die der Membran das jeweilige Reaktionsmedium zugeführt wird. Üblicherweise ist die Membran in zumindest einem über die Transportlagen überstehenden Randbereich von einer Rahmenstruktur eingefasst, die der Stützung der Membran dient und zugleich als Dichtung fungieren kann. Die Rahmenstruktur, die üblicherweise aus zwei Rahmenteilen besteht, wird auch Gasket oder Subgasket genannt.Electrochemical cells have a multi-layered or multi-ply structure. The central layer forms a membrane, which is usually coated on both sides with a catalytically active material to form an anode and a cathode. On both the anode and cathode sides of the membrane there is a transport layer through which the respective reaction medium is fed to the membrane. The membrane is usually enclosed in at least one edge area that protrudes beyond the transport layers by a frame structure that serves to support the membrane and can also function as a seal. The frame structure, which usually consists of two frame parts, is also called a gasket or subgasket.
Im Betrieb einer elektrochemischen Zelle herrschen anoden- und kathodenseitig unterschiedliche Drücke. In der Regel herrscht kathodenseitig ein höherer Druck als anodenseitig. Dies führt zu einer Druckbelastung der Membran senkrecht zur Membranebene, die zur Folge hat, dass die Membran auf der Seite mit dem geringeren Druck, in der Regel auf der Anodenseite, gegen die Transportlage und das angrenzende Rahmenteil gedrückt wird. Die Kanten der Transportlage und des Rahmenteils können auf diese Weise zu einer Beschädigung der Membran führen.When an electrochemical cell is in operation, different pressures prevail on the anode and cathode sides. As a rule, there is a higher pressure on the cathode side than on the anode side. This leads to a pressure load on the membrane perpendicular to the membrane plane, which means that the membrane on the side with the lower pressure, usually on the anode side, is pressed against the transport layer and the adjacent frame part. The edges of the transport layer and the frame part can thus cause damage to the membrane.
Zusätzlich dazu entsteht eine Druckbelastung der Membran durch außenliegende Bipolarplatten, die miteinander verspannt sind, um die elektrochemische Zelle nach außen abzudichten. Die Spannkraft wirkt dabei insbesondere auf die Rahmenstruktur, so dass die beiden Rahmenteilen der Rahmenstruktur gegen die zwischenliegende Membran gedrückt werden.In addition, the membrane is subjected to pressure from external bipolar plates that are clamped together to seal the electrochemical cell from the outside. The clamping force acts particularly on the frame structure, so that the two frame parts of the frame structure are pressed against the membrane in between.
Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, die Druckbelastung der Membran zu reduzieren, um die Robustheit und die Lebensdauer der Membran zu steigern. Im Ergebnis soll so die Lebensdauer der die Membran aufweisenden elektrochemischen Zelle gesteigert werden.The present invention is concerned with the task of reducing the pressure load on the membrane in order to increase the robustness and service life of the membrane. As a result, the service life of the electrochemical cell comprising the membrane should be increased.
Zur Lösung der Aufgabe wird die Membran-Elektroden-Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird eine elektrochemische Zelle mit einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Anordnung vorgeschlagen.To solve the problem, the membrane electrode arrangement with the features of claim 1 is proposed. Advantageous further developments of the invention can be found in the subclaims. In addition, an electrochemical cell with a membrane electrode arrangement according to the invention is proposed.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die für eine elektrochemische Zelle, insbesondere für eine Brennstoffzelle oder eine Elektrolysezelle, vorgeschlagene Membran-Elektroden-Anordnung weist eine Membran auf, die zwischen zwei Transportlagen und in zumindest einem Randbereich zwischen zwei Rahmenteilen eines Rahmens angeordnet ist. Die Rahmenteile stoßen jeweils in einem Stoßbereich an die auf derselben Seite der Membran angeordnete Transportlage. Die Rahmenteile sind unterschiedlich breit ausgebildet, so dass die Stoßbereiche auf beiden Seiten der Membran versetzt zueinander angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist in dem breiteren Rahmenteil membranseitig eine Aussparung ausgebildet, die dem Stoßbereich auf der anderen Seite der Membran gegenüberliegt.The membrane electrode arrangement proposed for an electrochemical cell, in particular for a fuel cell or an electrolysis cell, has a membrane that is arranged between two transport layers and in at least one edge region between two frame parts of a frame. The frame parts each abut in an abutment region against the transport layer arranged on the same side of the membrane. The frame parts are designed with different widths so that the abutment regions on both sides of the membrane are offset from one another. According to the invention, a recess is formed in the wider frame part on the membrane side, which is opposite the abutment region on the other side of the membrane.
Die Aussparung im breiteren Rahmenteil hat den Effekt, dass die Membran entlastet wird, und zwar im Bereich des der Aussparung gegenüberliegenden Stoßbereichs. Insbesondere wird sie von einer Druckkraft entlastet, die aus dem Anpressdruck einer außenliegenden Bipolarplatte zur Erzeugung einer Dichtkraft resultiert. Denn die Aussparung im Rahmenteil unterbricht den Kraftfluss von der Bipolarplatte in Richtung der Membran. Das heißt, dass die Membran über die Druckkraft nicht gegen den der Aussparung gegenüberliegenden Stoßbereich sowie die den Stoßbereich begrenzenden Kanten gedrückt wird. Entsprechend reduziert sich die Gefahr einer Beschädigung der Membran, so dass die Robustheit und die Lebensdauer der Membran steigen. Gleiches gilt für eine elektrochemische Zelle mit einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Anordnung.The recess in the wider frame part has the effect of relieving the membrane in the area of the impact area opposite the recess. In particular, it is relieved of a compressive force that results from the contact pressure of an external bipolar plate to generate a sealing force. This is because the recess in the frame part interrupts the flow of force from the bipolar plate in the direction of the membrane. This means that the membrane is not pressed by the compressive force against the impact area opposite the recess and the edges that delimit the impact area. The risk of damage to the membrane is reduced accordingly, so that the robustness and service life of the membrane increase. The same applies to an electrochemical cell with a membrane-electrode arrangement according to the invention.
Eine weitere Entlastung der Membran wird über den Versatz der beidseits ausgebildeten Stoßbereiche zwischen dem jeweiligen Rahmenteil und der jeweiligen Transportlage erreicht. Da im Betrieb einer elektrochemischen Zelle kathodenseitig in der Regel ein höherer Innendruck herrscht als anodenseitig, wird die Membran über den kathodenseitig anliegenden Innendruck bzw. die daraus resultierende Druckkraft in Richtung des anodenseitigen Stoßbereichs gedrückt. Wird nun der anodenseitige Stoßbereich durch den Versatz aus dem Bereich des kathodenseitig anliegenden Innendrucks herausgerückt, wirkt die Membran über den kathodenseitig anliegenden Innendruck nicht mehr oder zumindest weniger stark gegen den anodenseitigen Stoßbereich gedrückt.A further relief of the membrane is achieved by offsetting the joint areas on both sides between the respective frame part and the respective transport layer. Since during operation of an electrochemical cell there is usually a higher internal pressure on the cathode side than on the anode side, the membrane is The internal pressure or the resulting pressure force is pressed in the direction of the anode-side impact area. If the anode-side impact area is now moved out of the area of the cathode-side internal pressure by the offset, the membrane is no longer pressed against the anode-side impact area by the cathode-side internal pressure, or at least the pressure is less strong.
Das breitere Rahmenteil des Rahmens ist demnach bevorzugt kathodenseitig angeordnet, so dass diesem der anodenseitige Stoßbereich an der Membran gegenüberliegt.The wider frame part of the frame is therefore preferably arranged on the cathode side, so that the anode-side joint area on the membrane is opposite it.
Die in dem breiteren, vorzugsweise kathodenseitig angeordneten, Rahmenteil ausgebildete Aussparung ist bevorzugt im Wesentlichen mittig in Bezug auf den Stoßbereich auf der anderen Seite der Membran angeordnet. Durch diese Maßnahme ist sichergestellt, dass die Aussparung auch bei etwaigen Fertigungs- und/oder Montagetoleranzen dem Stoßbereich auf der anderen Seite der Membran gegenüberliegt.The recess formed in the wider frame part, preferably arranged on the cathode side, is preferably arranged essentially centrally in relation to the joint area on the other side of the membrane. This measure ensures that the recess is opposite the joint area on the other side of the membrane, even in the event of any manufacturing and/or assembly tolerances.
Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass die Aussparung spiegelsymmetrisch in Bezug auf den Stoßbereich auf der anderen Seite der Membran ausgebildet ist. Die spiegelsymmetrische Ausbildung erleichtert die Ausbildung der Aussparung.Alternatively or additionally, it is proposed that the recess is designed to be mirror-symmetrical with respect to the joint area on the other side of the membrane. The mirror-symmetrical design facilitates the formation of the recess.
Bevorzugt ist die Aussparung in einer an der Membran anliegenden Dichtfläche des Rahmenteils ausgebildet, so dass an die Aussparung beidseits eine Dichtfläche angrenzt. Über die beidseits angrenzenden Dichtflächen wird dann der Anpressdruck einer außenliegenden Bipolarplatte in die Membran eingeleitet, so dass die Aussparung beidseits angedichtet ist.Preferably, the recess is formed in a sealing surface of the frame part that is adjacent to the membrane, so that a sealing surface borders the recess on both sides. The contact pressure of an external bipolar plate is then introduced into the membrane via the sealing surfaces that are adjacent on both sides, so that the recess is sealed on both sides.
Alternativ wird vorgeschlagen, dass an die Aussparung zumindest einseitig eine an der Membran anliegende Dichtfläche angrenzt, wobei es sich um eine Dichtfläche des Rahmenteils oder um eine Dichtfläche einer Dichtung handeln kann, die auf oder in dem Rahmenteil ausgebildet ist. Die Aussparung ist in diesem Fall lediglich einseitig abgedichtet, vorzugsweise auf der außenliegenden Seite. Die Membran wird dann durch die Dichtkraft lediglich gegen das andere Rahmenteil und nicht gegen die Transportlage der anderen Seite, vorzugsweise der Anodenseite, gedrückt wird.Alternatively, it is proposed that a sealing surface adjacent to the membrane adjoins the recess on at least one side, whereby this can be a sealing surface of the frame part or a sealing surface of a seal that is formed on or in the frame part. In this case, the recess is only sealed on one side, preferably on the outside side. The membrane is then pressed by the sealing force only against the other frame part and not against the transport position of the other side, preferably the anode side.
Ferner bevorzugt weist die Aussparung eine Breite B auf, die mindestens so groß wie eine Dicke D der Membran ist. Durch diese Maßnahme ist eine spürbare Entlastung der Membran sichergestellt.Furthermore, the recess preferably has a width B that is at least as large as a thickness D of the membrane. This measure ensures a noticeable relief of the membrane.
Des Weiteren bevorzugt ist die Aussparung zum Stoßbereich auf derselben Seite der Membran in einem Abstand a angeordnet, der mindestens so groß wie die Breite B der Aussparung ist. Dadurch ist ein ausreichend großer Versatz der beidseits der Membran ausgebildeten Stoßbereiche sichergestellt. Denn der Versatz entspricht dem Abstand a einschließlich einer halben Breite B der Aussparung.Furthermore, the recess is preferably arranged at a distance a from the joint area on the same side of the membrane that is at least as large as the width B of the recess. This ensures a sufficiently large offset of the joint areas formed on both sides of the membrane. This is because the offset corresponds to the distance a including half the width B of the recess.
Vorteilhafterweise wird die Aussparung zumindest einseitig von einer gefasten oder gerundeten Kante begrenzt. Das heißt, dass zumindest einseitig, vorzugsweise beidseitig, keine scharfe bzw. spitzwinklige Kante ausgebildet wird. Dies besitzt den Vorteil, dass sich die Kante unter dem Anpressdruck einer außenliegenden Bipolarplatte weniger stark in die Membran eindrückt und somit die Membran weiter entlastet wird.The recess is advantageously bordered by a bevelled or rounded edge on at least one side. This means that at least on one side, preferably on both sides, no sharp or acute-angled edge is formed. This has the advantage that the edge is pressed less strongly into the membrane under the contact pressure of an external bipolar plate, thus further relieving the membrane of stress.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Membran und/oder zumindest eine der Transportlagen mit einem katalytisch aktiven Material beschichtet ist bzw. sind. Die Membran kann sowohl ein- als auch beidseitig beschichtet sein. Sofern eine Seite unbeschichtet ist, liegt vorzugsweise zumindest an dieser Seite eine mit einem katalytisch aktiven Material beschichtete Transportlage an. Vorzugsweise sind beide Seiten der Membran mit einem katalytisch aktiven Material beschichtet, so dass eine Beschichtung der Transportlagen mit einem katalytisch aktiven Material entfallen kann.It is further proposed that the membrane and/or at least one of the transport layers is/are coated with a catalytically active material. The membrane can be coated on one or both sides. If one side is uncoated, a transport layer coated with a catalytically active material is preferably present at least on this side. Preferably, both sides of the membrane are coated with a catalytically active material, so that coating the transport layers with a catalytically active material can be omitted.
Da der bevorzugte Anwendungsbereich einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Anordnung eine elektrochemische Zelle ist, wird darüber hinaus eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle oder eine Elektrolysezelle, mit einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Anordnung vorgeschlagen. Die gesteigerte Robustheit der erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Anordnung wirkt sich positiv auf die Robustheit der elektrochemischen Zelle aus, so dass auch diese eine längere Lebensdauer aufweist.Since the preferred application area of a membrane electrode arrangement according to the invention is an electrochemical cell, an electrochemical cell, in particular a fuel cell or an electrolysis cell, with a membrane electrode arrangement according to the invention is also proposed. The increased robustness of the membrane electrode arrangement according to the invention has a positive effect on the robustness of the electrochemical cell, so that it also has a longer service life.
Bevorzugt ist die Membran-Elektroden-Anordnung der elektrochemischen Zelle zwischen zwei Bipolarplatten angeordnet. Die Bipolarplatten werden in dem mindestens einen Randbereich, in dem die Membran zwischen den beiden Rahmenteilen des Rahmens angeordnet ist, zusammengedrückt, so dass die beiden Rahmenteile dichtend an der Membran anliegen. Durch die Aussparung im breiteren Rahmenteil, wirkt in diesem Bereich keine Dichtkraft auf die Membran, so dass diese entlastet wird.Preferably, the membrane-electrode arrangement of the electrochemical cell is arranged between two bipolar plates. The bipolar plates are pressed together in the at least one edge region in which the membrane is arranged between the two frame parts of the frame, so that the two frame parts lie sealingly against the membrane. Due to the recess in the wider frame part, no sealing force acts on the membrane in this area, so that it is relieved.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Anordnung mit einer außenliegenden Bipolarplatte.A preferred embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the accompanying drawing. This shows a schematic longitudinal section through an inventive membrane electrode arrangement with an external bipolar plate.
Ausführliche Beschreibung der ZeichnungDetailed description of the drawing
Der Figur ist eine Membran-Elektroden-Anordnung 1 mit einer Membran 2 zu entnehmen, die zwischen zwei Transportlagen 3, 4 und in einem Randbereich 5 zwischen zwei Rahmenteilen 6.1, 6.2 eines Rahmens 6 angeordnet ist. Das obere Rahmenteil 6.2, wobei es sich vorliegend um das kathodenseitige Rahmenteil 6.2 handelt, weist eine Breite y auf, die größer als eine Breite x des unteren Rahmenteils 6.1 bzw. des anodenseitigen Rahmenteils 6.1 ist. Das heißt, dass zwischen den Transportlagen 3, 4 und den Rahmenteilen 6.1, 6.2 Stoßbereiche 7, 8 ausgebildet werden, die in der Ebene der Membran 2 versetzt zueinander angeordnet sind. Das obere Rahmenteil 6.2 deckt somit den Stoßbereich 7 zwischen dem unteren Rahmenteil 6.1 und der unteren Transportlage 3 ab. Da kathodenseitig in der Regel ein höherer Innendruck als anodenseitig herrscht, wird die Membran 2 in Richtung des anodenseitigen Stoßbereichs 7 gedrückt. Aufgrund des Versatzes liegt der kathodenseitige Innendruck jedoch nicht unmittelbar im Bereich des anodenseitigen Stoßbereichs 7 an der Membran an. Die Membran 2 wird demnach im Bereich des anodenseitigen Stoßbereichs 7 entlastet, insbesondere wird sie weniger stark gegen Kanten 11 des Rahmenteils 6.1 und der Transportlage 3 gedrückt, welche den anodenseitigen Stoßbereich 7 begrenzen. Da die Kanten 11 vorliegend zudem gefast sind, werden Beschädigungen der Membran 2 vermieden.The figure shows a membrane electrode arrangement 1 with a
An der dargestellten Membran-Elektroden-Anordnung 1 liegt kathodenseitig eine Bipolarplatte 12 an. Diese drückt gegen das obere Rahmenteil 6.2, um eine Dichtkraft zwischen einer Dichtfläche 10 des Rahmenteils 6.2 und der Membran 2 zu erzeugen. In der Dichtfläche 10 ist eine Aussparung 9 ausgebildet, die dem Stoßbereich 7 auf der anderen Seite der Membran 2 gegenüberliegt. Auf diese Weise wird eine weitere Entlastung der Membran 2 erreicht, da die Aussparung 9 den Kraftfluss von der Bipolarplatte 12 in Richtung der Membran 2 unterbricht.A
Die Aussparung 9 weist hierzu eine Breite B auf, die mindestens einer Dicke D der Membran 2 entspricht und in einem Abstand a zum Stoßbereich 8 derselben Seite angeordnet ist. Der Abstand a ist dabei zumindest gleich groß wie die Breite B gewählt. Da die Aussparung 9 mittig in Bezug auf den Stoßbereich 7 auf der anderen Seite der Membran 2 angeordnet ist, ergeben die Hälfte der Breite B und der Abstand a in Summe den Versatz zwischen den beidseits der Membran 2 ausgebildeten Stoßbereichen 7, 8.For this purpose, the
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