DE102021210509A1 - Membrane electrode assembly for an electrochemical cell and method of making an electrochemical cell - Google Patents

Membrane electrode assembly for an electrochemical cell and method of making an electrochemical cell Download PDF

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Andy Gottschalk
Heiko Klaumuenzer
Andre Posch
David Thomann
Robert Landvogt
Andreas Gehrold
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Abstract

Membran-Elektroden-Einheit (1) für eine elektrochemische Zelle (100), wobei die Membran-Elektroden-Einheit (1) eine flächige Membran (2), eine kathodenseitige Elektrodenschicht (3) und eine anodenseitige Elektrodenschicht (4) aufweist. Die beiden Elektrodenschichten (3, 4) sind unterschiedlich ausgeführt. Zur Unterscheidung der Kathoden- von der Anodenseite der Membran-Elektroden-Einheit (1) ist einer der Elektrodenschichten (3, 4) ein lumineszierender Stoff beigemischt.Membrane-electrode assembly (1) for an electrochemical cell (100), the membrane-electrode assembly (1) having a flat membrane (2), an electrode layer (3) on the cathode side and an electrode layer (4) on the anode side. The two electrode layers (3, 4) are designed differently. A luminescent substance is added to one of the electrode layers (3, 4) in order to distinguish between the cathode and the anode side of the membrane-electrode unit (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Membran-Elektroden-Einheit für eine elektrochemische Zelle und Verfahren zum Überprüfen und Herstellen einer solchen elektrochemischen Zelle mit einer entsprechenden Membran-Elektroden-Einheit.The invention relates to a membrane-electrode unit for an electrochemical cell and a method for checking and producing such an electrochemical cell with a corresponding membrane-electrode unit.

Stand der TechnikState of the art

Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Zelle, wobei diese zwei Elektroden, welche mittels eines ionenleitenden Elektrolyten voneinander separiert sind, aufweist. Die Brennstoffzelle wandelt die Energie einer chemischen Reaktion eines Brennstoffes mit einem Oxidationsmittel direkt in Elektrizität um. Es existieren verschiedene Typen von Brennstoffzellen.A fuel cell is an electrochemical cell that has two electrodes that are separated from one another by means of an ion-conducting electrolyte. The fuel cell converts the energy of a chemical reaction of a fuel with an oxidant directly into electricity. There are different types of fuel cells.

Ein spezieller Brennstoffzellentyp ist die Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEM-FC). In einem aktiven Bereich einer PEM-FC grenzen an eine Polymerelektrolytmembran (PEM) zwei poröse Elektroden mit einer Katalysatorschicht an. Weiter umfasst die PEM-FC im aktiven Bereich Gasdiffusionslagen (GDL), welche die Polymerelektrolytmembran (PEM) und die zwei porösen Elektroden mit einer Katalysatorschicht beidseitig begrenzen. Die PEM, die beiden Elektroden mit der Katalysatorschicht und optional auch die beiden GDL können eine sog. Membran-Elektroden-Einheit (MEA) in dem aktiven Bereich der PEM-FC bilden. Zwei sich gegenüberliegende Bipolarplatten(-hälften) wiederum begrenzen beidseitig die MEA. Ein Brennstoffzellenstapel ist aus abwechselnd übereinander angeordneten MEA und Bipolarplatten aufgebaut. Mit einer Anodenplatte einer Bipolarplatte findet eine Verteilung des Brennstoffes, insbesondere Wasserstoff, und mit einer Kathodenplatte der Bipolarplatte eine Verteilung des Oxidationsmittels, insbesondere Luft/Sauerstoff, statt. Zur elektrischen Isolierung benachbarter Bipolarplatten, zur Formstabilisierung der MEA und zum Verhindern von einem ungewollten Entweichen des Brennstoffes bzw. des Oxidationsmittels kann die MEA in einer rahmenartigen Öffnung zweier aneinander angeordneten Folien eingefasst werden. Üblicherweise sind die beiden Folien dieser Rahmenstruktur aus dem gleichen Werkstoff, bspw. Polyethylennaphthalat (PEN), gebildet. Die aus dem gleichen Werkstoff gebildeten, beiden Folien können verzichtbar redundante Eigenschaften, bspw. wie eine elektrische Isolierfähigkeit (elektrisch isolierend) und/oder eine Sauerstoffdichtigkeit jeder der beiden Folien, aufweisen.A special type of fuel cell is the polymer electrolyte membrane fuel cell (PEM-FC). In an active area of a PEM-FC, two porous electrodes with a catalyst layer adjoin a polymer electrolyte membrane (PEM). The PEM-FC also includes gas diffusion layers (GDL) in the active area, which delimit the polymer electrolyte membrane (PEM) and the two porous electrodes with a catalyst layer on both sides. The PEM, the two electrodes with the catalyst layer and optionally also the two GDLs can form a so-called membrane-electrode unit (MEA) in the active area of the PEM-FC. Two opposing bipolar plates (halves), in turn, delimit the MEA on both sides. A fuel cell stack is made up of MEA and bipolar plates arranged alternately one above the other. The fuel, in particular hydrogen, is distributed with an anode plate of a bipolar plate, and the oxidizing agent, in particular air/oxygen, is distributed with a cathode plate of the bipolar plate. In order to electrically insulate adjacent bipolar plates, to stabilize the shape of the MEA and to prevent the fuel or the oxidizing agent from escaping unintentionally, the MEA can be enclosed in a frame-like opening of two foils arranged one on top of the other. The two films of this frame structure are usually made of the same material, for example polyethylene naphthalate (PEN). The two films formed from the same material can dispensably have redundant properties, for example electrical insulating ability (electrically insulating) and/or oxygen impermeability of each of the two films.

In der DE 101 40 684 A1 ist eine Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle, enthaltend eine Schichtanordnung aus einer Anoden-Elektrode, einer Kathoden-Elektrode und einer dazwischen angeordneten Membran, offenbart, wobei auf eine Ober- und Unterseite der Schichtanordnung ein Polymermaterial aufgebracht wird.In the DE 101 40 684 A1 discloses a membrane-electrode unit for a fuel cell, containing a layered arrangement of an anode electrode, a cathode electrode and a membrane arranged between them, a polymer material being applied to a top and bottom side of the layered arrangement.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es die Kathodenseite der Membran-Elektroden-Anordnung von der Anodenseite der Membran-Elektroden-Anordnung optisch unterscheidbar zu gestalten, so dass bei der Positionierung der Membran-Elektroden-Anordnung zu den Bipolarplatten bzw. Verteilerplatten ein Vertauschen von Kathoden- und Anodenseite robust verhindert werden kann.The object of the present invention is to make the cathode side of the membrane electrode assembly visually distinguishable from the anode side of the membrane electrode assembly, so that when the membrane electrode assembly is positioned relative to the bipolar plates or distributor plates, the cathode and anode side can be prevented robustly.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Dazu umfasst die Membran-Elektroden-Einheit eine flächige Membran, eine kathodenseitige Elektrodenschicht und eine anodenseitige Elektrodenschicht. Die beiden Elektrodenschichten sind unterschiedlich ausgeführt. Einer der Elektrodenschichten ist ein lumineszierender Stoff beigemischt. Dadurch ist eine Unterscheidung der Kathoden- von der Anodenseite der Membran-Elektroden-Einheit möglich. Die Elektrodenschichten von elektrochemischen Zellen sind in der Regel auf Anoden- und Kathodenseite unterschiedlich ausgeführt, beispielsweise in der Menge der Katalysatoren; mit bloßem Auge ist dies jedoch nicht erkennbar. Durch die Beimischung des lumineszierenden Stoffes ist eine optische Unterscheidung nun einfach durchführbar.For this purpose, the membrane-electrode unit comprises a flat membrane, an electrode layer on the cathode side and an electrode layer on the anode side. The two electrode layers are designed differently. A luminescent substance is mixed into one of the electrode layers. This makes it possible to distinguish between the cathode and the anode side of the membrane electrode assembly. The electrode layers of electrochemical cells are usually designed differently on the anode and cathode side, for example in the amount of catalysts; however, this cannot be seen with the naked eye. By adding the luminescent substance, optical differentiation can now be carried out easily.

Es können den beiden Elektrodenschichten auch unterschiedliche lumineszierende Stoffe beigemischt sein. In weiteren Ausführungen können durch unterschiedliche lumineszierende Stoffe auch mehrere unterschiedliche kathodenseitige Elektrodenschichten gekennzeichnet sein; das gleiche gilt natürlich auch für mehrere unterschiedliche anodenseitige Elektrodenschichten. Dadurch können beispielweise Membran-Elektroden-Anordnungen für verschieden lange Betriebsdauern voneinander unterschieden werden.Different luminescent substances can also be added to the two electrode layers. In further embodiments, a number of different electrode layers on the cathode side can also be characterized by different luminescent substances; the same naturally also applies to several different electrode layers on the anode side. As a result, for example, membrane-electrode assemblies for different periods of operation can be distinguished from one another.

Die Membran-Elektroden-Einheit umfasst eine flächige Membran, insbesondere eine Polymerelektrolytmembran (PEM). Die Membran-Elektroden-Einheit umfasst weiter zwei bevorzugt poröse Elektrodenschichten mit jeweils einer Katalysatorpaste, wobei die Elektrodenschichten an der Membran angeordnet sind und diese beidseitig begrenzen. Man kann hier insbesondere von einer MEA-3 sprechen. Zusätzlich kann die Membran-Elektroden-Einheit zwei Gasdiffusionslagen umfassen. Diese können insbesondere die MEA-3 beidseitig begrenzen. Man kann hier insbesondere von einer MEA-5 sprechen.The membrane-electrode unit comprises a flat membrane, in particular a polymer electrolyte membrane (PEM). The membrane-electrode unit further comprises two preferably porous electrode layers, each with a catalyst paste, the electrode layers being arranged on the membrane and delimiting it on both sides. One can speak here in particular of an MEA-3. In addition, the membrane electrode assembly can include two gas diffusion layers. In particular, these can delimit the MEA-3 on both sides. One can speak here in particular of an MEA-5.

Die elektrochemische Zelle kann beispielsweise eine Brennstoffzelle, eine Elektrolysezelle oder eine Batteriezelle sein. Die Brennstoffzelle ist insbesondere eine PEM-FC (Polymer-Elektrolyt-Membran Brennstoffzelle). Ein Zellenstapel umfasst insbesondere eine Vielzahl an übereinander angeordneten elektrochemischen Zellen.The electrochemical cell can be, for example, a fuel cell, an electrolytic cell or a battery cell. The fuel cell is in particular a PEM-FC (polymer electrolyte membrane fuel cell). A cell stack comprises, in particular, a multiplicity of electrochemical cells arranged one above the other.

In vorteilhaften Ausführungen ist der lumineszierende Stoffe in die anodenseitige Elektrodenschicht einer Brennstoffzelle eingebracht. Dort sind üblicherweise weniger Katalysatorpartikel eingebracht, so dass quasi mehr freier Raum zur Verfügung steht. Handelt es sich um eine Elektrolysezelle, dann ist entsprechend bevorzugt der lumineszierende Stoff in die kathodenseitige Elektrodenschicht eingebracht.In advantageous embodiments, the luminescent substance is introduced into the anode-side electrode layer of a fuel cell. Fewer catalyst particles are usually introduced there, so that more free space is available, as it were. If it is an electrolytic cell, then the luminescent substance is preferably introduced into the electrode layer on the cathode side.

In vorteilhaften Weiterbildungen ist der lumineszierende Stoff in einer Katalysatorpaste der Elektrodenschicht angeordnet. Besonders bevorzugt wird der lumineszierende Stoff dabei schon der Katalysatortinte zugemischt, so dass er mit dem Auftragen der Katalysatortinte auf die Elektrodenschicht als Bestandteil der Katalysatorpaste entsteht. Dies ist ein sehr einfaches und günstiges Herstellverfahren, welches für das Herstellverfahren einer Membran-Elektroden-Einheit ohnehin verwendet wird.In advantageous developments, the luminescent substance is arranged in a catalyst paste of the electrode layer. The luminescent substance is particularly preferably mixed with the catalyst ink so that it is formed as a component of the catalyst paste when the catalyst ink is applied to the electrode layer. This is a very simple and inexpensive manufacturing process, which is used in any case for the manufacturing process of a membrane-electrode assembly.

Die Erfindung beinhaltet auch Verfahren zum Herstellen bzw. Überprüfen einer elektrochemischen Zelle mit einer Membran-Elektroden-Einheit nach einer der obigen Ausführungen.The invention also includes methods for producing or checking an electrochemical cell with a membrane-electrode assembly according to one of the above statements.

Das Verfahren zum Überprüfen des Zusammenbaus einer elektrochemischen Zelle mit einer Membran-Elektroden-Einheit und einer kathodenseitigen Verteilerplatte und einer anodenseitigen Verteilerplatte ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:

  • • Positionierung der kathodenseitigen Verteilerplatte zu der kathodenseitigen Elektrodenschicht und/oder
  • • Positionierung der anodenseitigen Verteilerplatte zu der anodenseitigen Elektrodenschicht und
  • • Optische Überprüfung der anodenseitigen und/oder kathodenseitigen Anordnung, wobei der lumineszierende Stoff der anodenseitigen und/oder kathodenseitigen Elektrodenschicht mit einer Lichtquelle bestrahlt wird.
The method for checking the assembly of an electrochemical cell with a membrane-electrode assembly and a cathode-side distributor plate and an anode-side distributor plate is characterized by the following method steps:
  • • Positioning of the cathode-side distributor plate to the cathode-side electrode layer and/or
  • • Positioning of the anode-side distributor plate to the anode-side electrode layer and
  • • Optical inspection of the anode-side and/or cathode-side arrangement, the luminescent substance of the anode-side and/or cathode-side electrode layer being irradiated with a light source.

Dadurch wird sichergestellt, dass die kathodenseitige Elektrodenschicht und die kathodenseitige Verteilerplatte im Kathodenraum der elektrochemischen Zelle angeordnet sind, und die anodenseitige Elektrodenschicht und die anodenseitige Verteilerplatte im Anodenraum der elektrochemischen Zelle.This ensures that the cathode-side electrode layer and the cathode-side distributor plate are arranged in the cathode compartment of the electrochemical cell, and the anode-side electrode layer and the anode-side distributor plate are arranged in the anode compartment of the electrochemical cell.

Es ist jedoch auch ein Verfahren denkbar, welches für den Zusammenbau der elektrochemischen Zelle bzw. für den Stapelprozess von mehreren Membran-Elektroden-Einheiten und Verteilerplatten bzw. Bipolarplatten zu einem Zellenstapel die Membran-Elektroden-Einheiten und/oder Verteilerplatten bzw. Bipolarplatten gemäß dem lumineszierenden Stoff ausrichtet. Auch hier wird dadurch sichergestellt, dass die kathodenseitige Elektrodenschicht und die kathodenseitige Verteilerplatte im Kathodenraum der elektrochemischen Zelle angeordnet sind, und die anodenseitige Elektrodenschicht und die anodenseitige Verteilerplatte im Anodenraum der elektrochemischen Zelle.However, a method is also conceivable which, for the assembly of the electrochemical cell or for the stacking process of several membrane-electrode units and distributor plates or bipolar plates to form a cell stack, the membrane-electrode units and/or distributor plates or bipolar plates according to luminescent substance aligns. Here, too, it is ensured that the cathode-side electrode layer and the cathode-side distributor plate are arranged in the cathode compartment of the electrochemical cell, and the anode-side electrode layer and the anode-side distributor plate are arranged in the anode compartment of the electrochemical cell.

Das entsprechende Verfahren zum Herstellen der elektrochemischen Zelle ist dabei durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:

  • • Detektion der kathodenseitigen Elektrodenschicht und/oder der anodenseitigen Elektrodenschicht der Membran-Elektroden-Anordnung, wobei der lumineszierende Stoff der anodenseitigen und/oder kathodenseitigen Elektrodenschicht mit einer Lichtquelle bestrahlt wird.
  • • Positionierung der kathodenseitigen Verteilerplatte zu der kathodenseitigen Elektrodenschicht.
  • • Positionierung der anodenseitigen Verteilerplatte zu der anodenseitigen Elektrodenschicht.
The corresponding process for producing the electrochemical cell is characterized by the following process steps:
  • • Detection of the cathode-side electrode layer and/or the anode-side electrode layer of the membrane-electrode assembly, the luminescent substance of the anode-side and/or cathode-side electrode layer being irradiated with a light source.
  • • Positioning of the cathode-side spreader plate to the cathode-side electrode layer.
  • • Positioning of the anode-side distributor plate to the anode-side electrode layer.

Bei allen Verfahren wird bevorzugt eine UV-Lichtquelle als Lichtquelle verwendet. Dies ist eine günstige und robuste Lichtquelle, um den lumineszierenden Stoff optisch gut erkennbar Licht emittieren zu lassen.In all methods, a UV light source is preferably used as the light source. This is a cheap and robust light source to allow the luminescent substance to emit light in a visually recognizable manner.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche zu den Figuren beschrieben sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.Further measures improving the invention result from the following description of some exemplary embodiments of the invention, which are described with the figures. All of the features and/or advantages resulting from the claims, the description or the drawings, including structural details, spatial arrangements and method steps, can be essential to the invention both on their own and in various combinations. It should be noted that the figures are only descriptive and are not intended to limit the invention in any way.

Es zeigen schematisch:

  • 1 einen Schnitt durch eine aus dem Stand der Technik bekannte elektrochemische Zelle, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
  • 2 einen Schnitt durch eine Membran-Elektroden-Einheit, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
They show schematically:
  • 1 a section through an electrochemical cell known from the prior art, with only the essential areas being shown.
  • 2 a section through a membrane electrode assembly, with only the essential areas are shown.

1 zeigt schematisch eine aus dem Stand der Technik bekannte elektrochemische Zelle 100 in Form einer Brennstoffzelle, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Die Brennstoffzelle 100 weist eine Membran 2 auf, insbesondere eine Polymerelektrolyt-Membran. Zu einer Seite der Membran 2 ist ein Kathodenraum 100a, zu der anderen Seite ein Anodenraum 100b ausgebildet. 1 shows schematically an electrochemical cell 100 known from the prior art in the form of a fuel cell, only the essential areas being shown. The fuel cell 100 has a membrane 2, in particular a polymer electrolyte membrane. A cathode space 100a is formed on one side of the membrane 2 and an anode space 100b on the other side.

Im Kathodenraum 100a sind von der Membran 2 nach außen weisend - also in Normalenrichtung bzw. Stapelrichtung z - eine Elektrodenschicht 3, eine Diffusionslage 5 und eine Verteilerplatte 7 angeordnet. Analog sind im Anodenraum 100b von der Membran 2 nach außen weisend eine Elektrodenschicht 4, eine Diffusionslage 6 und eine Verteilerplatte 8 angeordnet. Die Membran 2 und die beiden Elektrodenschichten 3, 4 bilden eine Membran-Elektroden-Anordnung 1. Optional können auch die beiden Diffusionslagen 5, 6 noch Bestandteil der Membran-Elektroden-Anordnung 1 sein. Optional können eine oder beide Diffusionslagen 5, 6 auch wegfallen, sofern die Verteilerplatten 7, 8 für ausreichend homogene Gaszuführungen sorgen können.An electrode layer 3, a diffusion layer 5 and a distributor plate 7 are arranged in the cathode chamber 100a, pointing outwards from the membrane 2--ie in the normal direction or stacking direction z. Analogously, an electrode layer 4, a diffusion layer 6 and a distributor plate 8 are arranged in the anode chamber 100b, pointing outwards from the membrane 2. The membrane 2 and the two electrode layers 3, 4 form a membrane-electrode assembly 1. Optionally, the two diffusion layers 5, 6 can also be part of the membrane-electrode assembly 1. Optionally, one or both diffusion layers 5, 6 can also be omitted if the distributor plates 7, 8 can ensure sufficiently homogeneous gas feeds.

Die Verteilerplatten 7, 8 weisen Kanäle 11 für die Gaszufuhr - beispielsweise Luft im Kathodenraum 100a und Wasserstoff im Anodenraum 100b -zu den Diffusionslagen 5, 6 auf. Die Diffusionslagen 5, 6 bestehen typischerweise kanalseitig - also zu den Verteilerplatten 7, 8 hin - aus einem Kohlefaserflies und elektrodenseitig - also zu den Elektrodenschichten 3, 4 hin - aus einer mikroporösen Partikelschicht.The distributor plates 7, 8 have ducts 11 for the supply of gas--for example air in the cathode space 100a and hydrogen in the anode space 100b--to the diffusion layers 5,6. The diffusion layers 5, 6 typically consist of a carbon fiber fleece on the channel side--ie towards the distributor plates 7, 8--and on the electrode side--ie towards the electrode layers 3, 4--of a microporous particle layer.

Die Verteilerplatten 7, 8 weisen die Kanäle 11 und somit implizit auch an die Kanäle 11 angrenzende Stege 12 auf. Die Unterseiten dieser Stege 12 bilden demzufolge eine Kontaktfläche 13 der jeweiligen Verteilerplatte 7, 8 zu der darunterliegenden Diffusionslage 5, 6.The distributor plates 7 , 8 have the channels 11 and thus implicitly also the webs 12 adjoining the channels 11 . The undersides of these webs 12 consequently form a contact surface 13 of the respective distributor plate 7, 8 with the underlying diffusion layer 5, 6.

Üblicherweise unterscheiden sich kathodenseitige Verteilerplatte 7 und anodenseitige Verteilerplatte 8 voneinander; vorteilhafterweise sind die kathodenseitige Verteilerplatte 7 einer elektrochemischen Zelle 100 und die anodenseitige Verteilerplatte 8 der dazu benachbarten elektrochemischen Zelle fest verbunden, beispielsweise durch Schweißverbindungen, und damit zu einer Bipolarplatte zusammengefasst.Usually, the cathode-side distributor plate 7 and the anode-side distributor plate 8 differ from one another; Advantageously, the cathode-side distributor plate 7 of an electrochemical cell 100 and the anode-side distributor plate 8 of the adjacent electrochemical cell are firmly connected, for example by welded joints, and are thus combined to form a bipolar plate.

2 zeigt in einem Vertikalschnitt die Membran-Elektroden-Anordnung 1 einer elektrochemischen Zelle 100, insbesondere einer Brennstoffzelle, in einem Randbereich, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Die Membran-Elektroden-Anordnung 1 weist die flächige Membran 2, beispielhaft eine Polymerelektrolytmembran (PEM), und die zwei porösen Elektrodenschichten 3 bzw. 4 mit jeweils einer Katalysatorschicht auf, wobei die Elektrodenschichten 3 bzw. 4 jeweils an einer Seite bzw. Fläche der Membran 2 angeordnet sind. Weiter weist die elektrochemische Zelle 100 die beiden Diffusionslagen 5 bzw. 6 auf, welche je nach Ausführung auch zur Membran-Elektroden-Anordnung 1 gehören können. 2 shows a vertical section of the membrane-electrode assembly 1 of an electrochemical cell 100, in particular a fuel cell, in an edge area, only the essential areas being shown. The membrane-electrode assembly 1 has the flat membrane 2, for example a polymer electrolyte membrane (PEM), and the two porous electrode layers 3 and 4, each with a catalyst layer, the electrode layers 3 and 4 each on one side or surface of the Membrane 2 are arranged. Furthermore, the electrochemical cell 100 has the two diffusion layers 5 and 6, which can also belong to the membrane-electrode assembly 1, depending on the design.

Die Membran-Elektroden-Anordnung 1 ist an ihrem Umfang von der Rahmenstruktur 16 umgeben, hier spricht man auch von einem Subgasket. Die Rahmenstruktur 16 dient der Steifigkeit und der Dichtheit der Membran-Elektroden-Anordnung 1 und ist ein nicht-aktiver Bereich der elektrochemischen Zelle 100.The membrane electrode assembly 1 is surrounded on its periphery by the frame structure 16, which is also referred to as a subgasket. The frame structure 16 is used for rigidity and tightness of the membrane electrode assembly 1 and is a non-active area of the electrochemical cell 100.

Die Rahmenstruktur 16 ist im Schnitt insbesondere U-förmig bzw. Y-förmig ausgebildet, wobei ein erster Schenkel des U-förmigen Rahmenabschnitts durch eine erste Folie 161 aus einem ersten Werkstoff W1 gebildet ist und ein zweiter Schenkel des U-förmigen Rahmenabschnitts durch eine zweite Folie 162 aus einem zweiten Werkstoff W2 gebildet ist. Zusätzlich sind die erste Folie 161 und die zweite Folie 162 mittels eines Klebemittels 163 aus einem dritten Werkstoff W3 zusammengeklebt. Häufig sind der erste Werkstoff W1 und der zweite Werkstoff W2 identisch und aus thermoplastischem Polymer, beispielsweise aus PEN (Polyethylennaphthalat) ausgeführt.The frame structure 16 is particularly U-shaped or Y-shaped in section, with a first leg of the U-shaped frame section being formed by a first film 161 made of a first material W1 and a second leg of the U-shaped frame section being formed by a second Foil 162 is formed from a second material W2. In addition, the first foil 161 and the second foil 162 are glued together by means of an adhesive 163 made of a third material W3. The first material W1 and the second material W2 are often identical and are made of a thermoplastic polymer, for example PEN (polyethylene naphthalate).

Die beiden Diffusionslagen 5 bzw. 6 sind quasi in die Rahmenstruktur 16 eingelegt, üblicherweise so, dass sie über einer aktiven Fläche 21 der Membran-Elektroden-Anordnung 1 mit je einer Elektrodenschicht 3, 4 in Kontakt sind. Die Elektrodenschichten 3, 4 weisen eine Katalysatorpaste 31, 41 auf, in welcher Katalysatoren, üblicherweise Katalysatorpartikel, eingebettet sind.The two diffusion layers 5 and 6 are inserted into the frame structure 16 , usually in such a way that they are in contact with an electrode layer 3 , 4 each over an active surface 21 of the membrane-electrode assembly 1 . The electrode layers 3, 4 have a catalyst paste 31, 41 in which catalysts, usually catalyst particles, are embedded.

Sind die Elektrodenschichten 3, 4 von der Rahmenstruktur 16 bedeckt, handelt es sich um einen nicht-aktiven Randbereich 22 der Membran-Elektroden-Anordnung 1. Im nicht-aktiven Randbereich 22 gelangen keine Reaktionsfluide an die in die Elektrodenschichten 3, 4 bzw. Katalysatorpasten 31, 41 eingebetteten Katalysatoren; somit finden im Randbereich 22 keine chemischen Reaktionen statt, die Stromdichte der elektrochemischen Zelle 100 fällt hier also relativ zur aktiven Fläche 21 sehr stark ab bzw. ist sogar Null.If the electrode layers 3, 4 are covered by the frame structure 16, this is a non-active edge area 22 of the membrane electrode assembly 1. In the non-active edge area 22, no reaction fluids reach the electrode layers 3, 4 or catalyst pastes 31, 41 embedded catalysts; thus no chemical reactions take place in the edge area 22, the current density of the electrochemical cell 100 therefore drops very sharply here relative to the active surface 21 or is even zero.

Bei vielen elektrochemischen Zellen 100 unterscheidet sich die kathodenseitige Elektrodenschicht 3 von der anodenseitigen Elektrodenschicht 4. Die Unterscheidungen können dabei beispielsweise die Schichtdicke und/oder das Material betreffen. Dies kann dabei allgemein auf die Elektrodenschichten 3, 4 zutreffen und/oder auch auf die Katalysatorpasten 31, 41 im Speziellen. Beispielsweise ist es für als Brennstoffzellen ausgeführte elektrochemische Zellen 100 üblich, dass die kathodenseitige Katalysatorpaste 31 mehr Katalysatorpaste als die anodenseitige Katalysatorpaste 41 enthält. Dadurch ist es für den Stapelprozess zwingend notwendig die kathodenseitige Katalysatorpaste 31 entsprechend zur kathodenseitigen Verteilerplatte 7 zu orientieren, so dass beide im Kathodenraum 100a der elektrochemischen Zelle 100 angeordnet sind. Entsprechendes gilt selbstverständlich für die anodenseitige Katalysatorpaste 41 und die anodenseitige Verteilerplatte 8, welche im Anodenraum 100b anzuordnen sind. Ein Vertauschen der beiden Katalysatorpasten 31, 41 hätte mindestens Effizienzverluste zur Folge, kann aber sogar bis zum Ausfall der elektrochemischen Zelle 100 führen; würde die kathodenseitige Katalysatorpaste 41 im Anodenraum 100b angeordnet, so wären dort unnötig viele teure Katalysatorpartikel, welche beispielsweise aus Platin bestehen, eingebracht.In many electrochemical cells 100, the electrode layer 3 on the cathode side differs from the electrode layer 4 on the anode side. The differences can relate to the layer thickness and/or the material, for example. This can generally apply to the electrode layers 3, 4 and/or also to the catalyst pastes 31, 41 in particular. example For example, it is common for electrochemical cells 100 configured as fuel cells that the catalyst paste 31 on the cathode side contains more catalyst paste than the catalyst paste 41 on the anode side. It is therefore absolutely necessary for the stacking process to orient the catalyst paste 31 on the cathode side accordingly to the distributor plate 7 on the cathode side, so that both are arranged in the cathode space 100a of the electrochemical cell 100 . The same applies, of course, to the anode-side catalyst paste 41 and the anode-side distributor plate 8, which are to be arranged in the anode space 100b. Interchanging the two catalyst pastes 31, 41 would at least result in a loss of efficiency, but can even lead to failure of the electrochemical cell 100; If the cathode-side catalyst paste 41 were arranged in the anode chamber 100b, then an unnecessarily large number of expensive catalyst particles, which consist of platinum, for example, would be introduced there.

Erfindungsgemäß weist nun zumindest eine der Elektrodenschichten 3, 4 einen lumineszierenden Stoff auf. Der beigemischte Stoff kann dabei phosphoreszierend oder fluoreszierend sein. Vorteilhafterweise ist der lumineszierende Stoff der anodenseitigen Elektrodenschicht 4 beigemischt. Diese enthält üblicherweise weniger Katalysatorpartikel, weist also eine geringere Katalysatordichte auf, und hat dadurch quasi mehr freien Raum zur Verfügung für die Anordnung weiterer Partikel und Stoffe, wie eben dem lumineszierenden Stoff.According to the invention, at least one of the electrode layers 3, 4 now has a luminescent substance. The added substance can be phosphorescent or fluorescent. Advantageously, the luminescent substance is added to the electrode layer 4 on the anode side. This usually contains fewer catalyst particles, ie has a lower catalyst density, and as a result has more free space available for the arrangement of further particles and substances, such as the luminescent substance.

Durch den lumineszierenden Stoff kann also die richtige Positionierung der Verteilerplatten 7, 8 zu der Membran-Elektroden-Anordnung 1 kontrolliert oder auch während des Zusammenbaus gesteuert werden. Die Unterscheidung zwischen Kathoden- und Anodenseite ist somit während der Fertigungsprozesse des Zellenstapels schon frühzeitig gegeben, beispielsweise ab dem Aufbringen der Katalysatorpaste 31, 41 auf die Elektrodenschicht 3, 4 sofern der lumineszierende Stoff eben der Katalysatorpaste 31, 41 beigemischt ist.The correct positioning of the distributor plates 7, 8 in relation to the membrane electrode assembly 1 can therefore be checked by the luminescent substance or also controlled during assembly. The distinction between the cathode and anode side is thus already given early on during the manufacturing processes of the cell stack, for example from the application of the catalyst paste 31, 41 to the electrode layer 3, 4 if the luminescent substance is just the catalyst paste 31, 41 mixed.

Weiterhin ist es sogar möglich unterschiedliche kathodenseitige Katalysatorpasten 31 bzw. unterschiedliche anodenseitige Katalysatorpasten 41 durch unterschiedlich lumineszierende Stoffe zu kennzeichnen. Dadurch können beispielsweise Membran-Elektroden-Anordnungen für Pkw- von Lkw-Anwendungen unterschieden werden.Furthermore, it is even possible to identify different catalyst pastes 31 on the cathode side or different catalyst pastes 41 on the anode side by means of differently luminescent substances. In this way, for example, membrane-electrode assemblies for passenger car applications can be distinguished from truck applications.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • DE 10140684 A1 [0004]DE 10140684 A1 [0004]

Claims (6)

Membran-Elektroden-Einheit (1) für eine elektrochemische Zelle (100), wobei die Membran-Elektroden-Einheit (1) eine flächige Membran (2), eine kathodenseitige Elektrodenschicht (3) und eine anodenseitige Elektrodenschicht (4) aufweist, wobei die beiden Elektrodenschichten (3, 4) unterschiedlich ausgeführt sind, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Elektrodenschichten (3, 4) ein lumineszierender Stoff beigemischt ist.Membrane-electrode unit (1) for an electrochemical cell (100), wherein the membrane-electrode unit (1) has a flat membrane (2), a cathode-side electrode layer (3) and an anode-side electrode layer (4), wherein the the two electrode layers (3, 4) are designed differently, characterized in that a luminescent substance is added to one of the electrode layers (3, 4). Membran-Elektroden-Einheit (1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der lumineszierende Stoff der anodenseitigen Elektrodenschicht (4) beigemischt ist.Membrane electrode assembly (1) after claim 1 characterized in that the luminescent substance is added to the anode-side electrode layer (4). Membran-Elektroden-Einheit (1) nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der lumineszierende Stoff in einer Katalysatorpaste (31, 41) der Elektrodenschicht (3, 4) angeordnet ist.Membrane electrode assembly (1) after claim 1 or 2 characterized in that the luminescent substance is arranged in a catalyst paste (31, 41) of the electrode layer (3, 4). Verfahren zum Überprüfen des Zusammenbaus einer elektrochemischen Zelle (100) mit einer Membran-Elektroden-Einheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Membran-Elektroden-Einheit (1) eine flächige Membran (2), eine kathodenseitige Elektrodenschicht (3) und eine anodenseitige Elektrodenschicht (4) aufweist, wobei die beiden Elektrodenschichten (3, 4) unterschiedlich ausgeführt sind, wobei einer der Elektrodenschichten (3, 4) ein lumineszierender Stoff beigemischt ist, wobei die elektrochemische Zelle (100) eine kathodenseitige Verteilerplatte (7) und eine anodenseitige Verteilerplatte (8) aufweist, durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet: • Positionierung der kathodenseitigen Verteilerplatte (7) zu der kathodenseitigen Elektrodenschicht (3) und/oder Positionierung der anodenseitigen Verteilerplatte (8) zu der anodenseitigen Elektrodenschicht (4). • Optische Überprüfung der anodenseitigen und/oder kathodenseitigen Anordnung, wobei der lumineszierende Stoff der anodenseitigen und/oder kathodenseitigen Elektrodenschicht (3, 4) mit einer Lichtquelle bestrahlt wird.Method for checking the assembly of an electrochemical cell (100) with a membrane-electrode assembly (1) according to one of Claims 1 until 3 , wherein the membrane-electrode unit (1) has a flat membrane (2), an electrode layer (3) on the cathode side and an electrode layer (4) on the anode side, the two electrode layers (3, 4) being designed differently, with one of the electrode layers (3, 4) a luminescent substance is added, the electrochemical cell (100) having a cathode-side distributor plate (7) and an anode-side distributor plate (8), characterized by the following method steps: positioning the cathode-side distributor plate (7) to the cathode-side electrode layer (3) and/or positioning of the anode-side distributor plate (8) to the anode-side electrode layer (4). • Optical inspection of the anode-side and/or cathode-side arrangement, the luminescent substance of the anode-side and/or cathode-side electrode layer (3, 4) being irradiated with a light source. Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Zelle (100) mit einer Membran-Elektroden-Einheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Membran-Elektroden-Einheit (1) eine flächige Membran (2), eine kathodenseitige Elektrodenschicht (3) und eine anodenseitige Elektrodenschicht (4) aufweist, wobei die beiden Elektrodenschichten (3, 4) unterschiedlich ausgeführt sind, wobei einer der Elektrodenschichten (3, 4) ein lumineszierender Stoff beigemischt ist, wobei die elektrochemische Zelle (100) eine kathodenseitige Verteilerplatte (7) und eine anodenseitige Verteilerplatte (8) aufweist, durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet: • Detektion der kathodenseitigen Elektrodenschicht (3) und/oder der anodenseitigen Elektrodenschicht (4) der Membran-Elektroden-Anordnung (1), wobei der lumineszierende Stoff der anodenseitigen und/oder kathodenseitigen Elektrodenschicht (3, 4) mit einer Lichtquelle bestrahlt wird. • Positionierung der kathodenseitigen Verteilerplatte (7) zu der kathodenseitigen Elektrodenschicht (3). • Positionierung der anodenseitigen Verteilerplatte (8) zu der anodenseitigen Elektrodenschicht (4).Method for producing an electrochemical cell (100) with a membrane electrode assembly (1) according to one of Claims 1 until 3 , wherein the membrane-electrode unit (1) has a flat membrane (2), an electrode layer (3) on the cathode side and an electrode layer (4) on the anode side, the two electrode layers (3, 4) being designed differently, with one of the electrode layers (3, 4) a luminescent substance is added, the electrochemical cell (100) having a cathode-side distributor plate (7) and an anode-side distributor plate (8), characterized by the following method steps: • Detection of the cathode-side electrode layer (3) and/or the anode-side electrode layer (4) of the membrane-electrode assembly (1), the luminescent substance of the anode-side and/or cathode-side electrode layer (3, 4) being irradiated with a light source. • Positioning of the cathode-side distributor plate (7) to the cathode-side electrode layer (3). • Positioning of the anode-side distributor plate (8) to the anode-side electrode layer (4). Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Lichtquelle eine UV-Lichtquelle ist.procedure after claim 4 or 5 , wherein the light source is a UV light source.
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