DE102021214662A1 - Membran und Membran-Elektroden-Anordnung sowie Verfahren zu deren Herstellung sowie eine elektrochemische Zelle - Google Patents
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Abstract
Membran-Elektroden-Anordnung (1) für eine elektrochemische Zelle (100), wobei die Membran-Elektroden-Anordnung (1) eine Membran (2) und mindestens eine Katalysatorpaste (31, 41) aufweist. Die Membran-Elektroden-Anordnung (1) weist weiterhin eine mechanisch stabile Seitenführung (60) auf.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Membran und eine Membran-Elektroden-Anordnung, insbesondere für eine elektrochemische Zelle, und ein Verfahren zum Herstellen einer Membran bzw. einer Membran-Elektroden- Anordnung. Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektrochemische Zelle mit einer Membran-Elektroden-Anordnung.
- Stand der Technik
- Elektrochemische Zellen, insbesondere Brennstoffzellen, mit Membran-Elektroden-Anordnungen und Bipolarplatten sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweis aus der Offenlegungsschrift
DE102015218117A1 . Die Membran-Elektroden-Anordnungen weisen dabei üblicherweise eine Membran und auf beiden Seiten der Membran je eine Elektrodenschicht auf, optional auch noch Diffusionslagen, wie beispielsweise aus derDE10140684A1 bekannt. Die mit den Elektrodenschichten beschichtete Membran ist mechanisch sehr instabil, so dass Handhabungsschritte in der Fertigung oft nur sehr aufwändig umzusetzen sind. - Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun eine derartige Membran oder beschichtete Membran für Transport-/Umlenk-/Verarbeitungsschritte mechanisch stabiler zu gestalten.
- Offenbarung der Erfindung
- Dazu umfasst die Membran eine mechanisch stabile Seitenführung. Eine analoge Seitenführung kann auch bei einer Membran-Elektroden-Anordnung eingesetzt werden. Die Membran ist dann zumindest auf einer Seite mit einer Katalysatorpaste beschichtet, weist aber bevorzugt auf jeder der beiden Seiten eine Katalysatorpaste auf.
- Die Seitenführung besteht vorteilhafterweise aus einem mechanisch robusten Kunststoff, einer Metallfolie oder einem Textilgewebe. Die Kräfte von Transport- und Handhabungsprozessen werden dann bevorzugt ausschließlich an der Seitenführung auf die Membran bzw. auf die Membran-Elektroden-Anordnung eingebracht. Die Seitenführung ist in vorteilhaften Weiterbildungen mittels einer Klebeverbindung, einer Schweißverbindung oder einer Tackerverbindung an der Membran bzw. an der Membran-Elektroden-Anordnung befestigt.
- Bevorzugt ist die Seitenführung an zwei Seiten der Membran bzw. der Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet. Dies ist insbesondere für Rolle-zu-Rolle-Prozesse vorteilhaft, so dass die Membran bzw. Membran-Elektroden-Anordnung an beiden Längsseiten der Rollenware geführt werden kann.
- In vorteilhaften Weiterbildungen ist die Seitenführung an einem unbeschichteten Überstand der Membran-Elektroden-Anordnung angebracht. Dadurch wird die Seitenführung nicht auf eine teure Katalysatorpaste aufgetragen.
- In bevorzugten Verfahren ist die Seitenführung mittels Klebeprozess, Ultraschallschweißen oder Tackern an der Membran bzw. Membran-Elektroden-Anordnung befestigt. Dies sind kostengünstige und zuverlässige Befestigu ngsverfah ren.
- Die Erfindung betrifft auch eine elektrochemische Zelle mit einer Membran-Elektroden-Anordnung nach einer der obigen Ausführungen. Die Membran-Elektroden-Anordnung ist von einer Rahmenstruktur eingefasst ist und in einem nicht-aktiven Randbereich von der Rahmenstruktur überdeckt. Die Seitenführung ist in dem nicht-aktiven Randbereich angeordnet. Dadurch überdecken sich die Rahmenstruktur und die Seitenführung in dem ohnehin nicht-aktiven Randbereich; somit verschwendet die Seitenführung nicht zusätzlich einen Teil der aktiven Fläche der elektrochemischen Zelle.
- Die Erfindung betrifft neben der Brennstoffzelle auch weitere elektrochemische Zellen, wie Batteriezellen und Elektrolysezellen. Besonders wirksam ist die Erfindung für mechanisch wenig stabile Membrane, wie beispielsweise PolymerElektrolyt-Membrane, wie sie bevorzugt für Brennstoffzellen und Elektrolysezellen eingesetzt werden.
- Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt 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.
- Es zeigen schematisch:
-
1 den Schnitt durch eine aus dem Stand der Technik bekannte Brennstoffzelle, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind, -
2 einen Schnitt durch eine Membran-Elektroden-Anordnung mit einer Rahmenstruktur aus dem Stand der Technik, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind, -
3 schematisch einen Rolle-zu-Rolle-Prozess des Beschichtens einer Membran. -
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. - 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.
- 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.
- 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.
- Üblicherweise 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.
- Eine als Elektrolysezelle ausgeführte elektrochemische Zelle 100 kann einen analogen Aufbau aufweisen.
-
2 zeigt in einem Vertikalschnitt die Membran-Elektroden-Anordnung 1 einer elektrochemischen Zelle 100, insbesondere einer Brennstoffzelle, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Die Membran-Elektroden-Anordnung 1 weist die 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. - 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.
- 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.
- 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.
- Besteht die Membran-Elektroden-Anordnung 1 aus der Membran 2 und den beiden Elektrodenschichten 3, 4, so spricht man üblicherweise von einer 3-lagigen Membran-Elektroden-Anordnung 1. Kommt dazu noch die Rahmenstruktur 16 mit den beiden Folien 161, 162, so spricht man üblicherweise von einer 5-lagigen Membran-Elektroden-Anordnung 1. Kommen weiterhin noch die beiden Diffusionslagen 5, 6 hinzu, so spricht man üblicherweise von einer 7-lagigen Membran-Elektroden-Anordnung 1.
- 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.
- Zur Verbesserung der Funktion und zur Kosteneinsparung setzen sich zunehmend Konzepte durch, in denen die Elektrodenschichten 3, 4 direkt auf die Membran 2 aufgebracht werden; die Membran steht hier an den Seiten der Beschichtungsfläche typischerweise einige mm über, weist also einen unbeschichteten Überstand auf. Die Direktbeschichtung hat zur Folge, dass die in der Fertigung eingesetzten Trägerfolien der Elektrodenschichten 3, 4 entfallen und eine mechanisch empfindliche freiliegende 3-lagige Membran-Elektroden-Einheit 1 als Produkt entsteht. Zur weiteren Handhabung muss eine solche 3-lagige Membran-Elektroden-Einheit 1 oft nochmals auf eine Transportfolie platziert werden, weil sie zu empfindlich ist um sie mechanisch greifen zu können; beispielsweise sind maximale Kräfte von 2N auf die Fläche der 3-lagigen Membran-Elektroden-Einheit 1 spezifiziert.
- Nachteil der Nutzung einer Transportfolie ist, dass diese nicht mechanisch mit der 3-lagigen Membran-Elektroden-Einheit 1 verbunden ist, so dass die Positionstreue nicht sichergestellt werden kann, vor allem im Vergleich zur Nutzung der Trägerfolie aus dem Laminationsprozess, welche eine starke Anhaftung der 3-lagigen Membran-Elektroden-Einheit 1 aufweist.
- Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass die Membran 2 und/oder die Membran-Elektroden-Anordnung 1 mit einer mechanisch stabilen Seitenführung versehen ist, so dass für alle weiteren Transport-/Umlenk-/Verarbeitungsschritte die Positionsfixierung und Krafteinbringung über die Seitenführung erfolgt und damit die mechanisch sensible Membran 2 bzw. Membran-Elektroden-Anordnung 1 geschont wird.
- Dazu zeigt
3 beispielhaft und schematisch einen Rolle-zu-Rolle-Prozess des Beschichtens der Membran 2 mit einer Katalysatorpaste 31, 41 bzw. mit einer Elektrodenschicht 3, 4. Die Membran 2 wird auf einer Rolle 51 vorgelegt bzw. zwischen zwei Rollen 51 vorgespannt. Dazu ist die Membran 2 bereits an beiden Seiten mit einer mechanisch stabilen Seitenführung 60 versehen. Über die Seitenführung 60 wird eine Zugkraft 52 für den Transport in die Beschichtungsanlage 50 eingebracht. Umlenkschritte, sowie Positionsjustierung in der Beschichtungsanlage 50 erfolgen ebenfalls über die Seitenführung 60. In der Beschichtungsanlage 50 wird zumindest eine Katalysatorpaste 31, 41 bzw. Elektrodenschicht 3, 4 auf die Membran 2 aufgetragen, bevorzugt jedoch beide Katalysatorpasten 31, 41 bzw. beide Elektrodenschichten 3, 4. Der Weitertransport von der Beschichtungsanlage 50 zu weiteren Rollen 51 incl. Aufwickeln der 3-lagigen Membran-Elektroden-Anordnung 1 wird ebenfalls über die Seitenführung 60 gesteuert. Alle sogenannten Greifschritte erfolgen nur an der Seitenführung 60, sodass die mechanisch empfindlichen Komponenten der Membran 2 und der 3-lagigen Membran-Elektroden-Anordnung 1 geschont werden. - Das Material der Seitenführung 60 ist bevorzugt ein mechanisch robuster Kunststoff, eine Metallfolie oder ein Textilgewebe. Bevorzugt wird die Seitenführung 60 durch einen Klebeprozess, durch Ultraschallschweißen oder durch Tackern an die Membran 2 bzw. an die Membran-Elektroden-Anordnung 1 angebracht. Die Seitenführung 60 kann bereits bei der Herstellung der Membran 2 integriert oder in einem separaten Schritt erfolgen, sollte jedoch spätestens mit der Herstellung der 3-lagigen Membran-Elektroden-Anordnung 1 angebracht werden.
- Vorteilhafterweise ist die Seitenführung 60 im späteren nicht-aktiven Randbereich 22 der Membran-Elektroden-Anordnung 1 angebracht.
- In weiteren vorteilhaften Ausführungen weist die Membran-Elektrodenanordnung 1 einen unbeschichteten Überstand 2a auf. Im Bereich des Überstands 2a ist die Membran 2 nicht mit den Elektrodenschichten 3, 4 bzw. Katalysatorpasten 31, 41 beschichtet. Die Seitenführung 60 ist auf den Überstand 2a aufgebracht. Die Flächen des Überstands 2a können identisch mit den Flächen des nicht-aktiven Randbereichs sein. So werden die vergleichsweise teuren Elektrodenschichten 3, 4 auch wirklich nur in der aktiven Fläche der elektrochemischen Zelle 100 verwendet und die Seitenführung 60 erfordert keinen zusätzlichen Bauraum.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102015218117 A1 [0002]
- DE 10140684 A1 [0002]
Claims (8)
- Membran (2) für eine elektrochemische Zelle (100), dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (2) eine mechanisch stabile Seitenführung (60) aufweist.
- Membran-Elektroden-Anordnung (1) für eine elektrochemische Zelle (100), wobei die Membran-Elektroden-Anordnung (1) eine Membran (2) und mindestens eine Katalysatorpaste (31, 41) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran-Elektroden-Anordnung (1) eine mechanisch stabile Seitenführung (60) aufweist.
- Membran (2) oder Membran-Elektroden-Anordnung (1) nach
Anspruch 1 oder2 dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (2) eine PolymerElektrolyt-Membran ist. - Membran (2) oder Membran-Elektroden-Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenführung (60) an zwei Seiten der Membran (2) bzw. der Membran-Elektroden-Anordnung (1) angeordnet ist.
- Membran (2) oder Membran-Elektroden-Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenführung (60) aus einem mechanisch robusten Kunststoff, einer Metallfolie oder einem Textilgewebe besteht.
- Membran (2) oder Membran-Elektroden-Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (2) einen unbeschichteten Überstand (2a) aufweist, wobei die Seitenführung (60) auf dem Überstand (2a) angeordnet ist.
- Verfahren zur Herstellung einer Membran (2) oder Membran-Elektroden-Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenführung (60) durch einen Klebeprozess, durch Ultraschallschweißen oder durch Tackern an die Membran (2) bzw. an die Membran-Elektroden-Anordnung (1) angebracht wird.
- Elektrochemische Zelle (100) mit einer Membran-Elektroden-Anordnung (1) nach einem der
Ansprüche 1 bis6 , wobei die Membran-Elektroden-Anordnung (1) von einer Rahmenstruktur (16) eingefasst ist und in einem nicht-aktiven Randbereich (22) von der Rahmenstruktur (16) überdeckt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenführung (60) in dem nicht-aktiven Randbereich (22) angeordnet ist.
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Legal Events
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