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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Membran-Elektroden-Anordnung für eine Elektrolysezelle, eine Membranstruktur für eine Membran-Elektroden-Anordnung, ein Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung, ein Verfahren zum Herstellen einer Membranstruktur sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Elektrolysezelle mit einer Membran-Elektroden-Anordnung.
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Stand der Technik
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Elektrochemische Energiewandler wie Brennstoffzellensysteme oder Elektrolyseure sind in zahlreichen unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt. Kernbestandteil dieser Systeme ist meist eine Stapelstruktur, die mehrere Elektrolysezellen aufweist. Genauer gesagt weist eine solche Stapelstruktur meist abwechselnd übereinandergestapelte Bipolarplatten (BPP) und Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) auf. Die Membran soll dabei analog der PEM-Brennstoffzelle beim PEM-Elektrolyseur nur Kationen zur Kathode, also in der Regel H+lonen passieren lassen. Im Falle eines alkalischen AEM-Elektolyseurs, der anodenseitig und/oder kathodenseitig mit alkalischer Lösung zum Beispiel einer KOH-Lösung betrieben wird, passieren nur Anionen, also in der Regel OH-Ionen in Richtung Anode. Im Folgenden wird der Einfachheit halber der PEM-Elektrolyseur beispielhaft erläutert. Gattungsgemäße Membran-Elektroden-Anordnungen können für PEM-Elektrolyseure, AEM-Elektrolyseure und weitere Systemstrukturen zur elektrochemischen Energiewandlung konfiguriert sein. Ein derartiger PEM-Elektrolyseur ist beispielsweise aus der
WO2212812 bekannt.
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Je nach Systemstruktur und Betriebsweise unterliegen Membran-Elektroden-Anordnungen hohen thermischen sowie mechanischen Belastungen. Im Falle der Ausbildung eines PEM-Elektrolyseurs wird in der anodenseitigen Kammer Wasser zugeführt sowie Wasser und Sauerstoff abgeführt. Die kathodenseitig ausgebildete Kammer beinhaltet vorzugsweise mehrheitlich den gebildeten Wasserstoff. Vorzugsweise weist die Kammer des Wasserstoffs kathodenseitig einen höheren Druck, so zum Beispiel in der Größenordnung von 30 bar auf, der höher liegt als der Druck, der auf die anodenseitige Kammer wirkt, der in der Größenordnung zwischen 1 bar und 5 bar liegt. Die erwähnten Kammern müssen im Stapel gegeneinander abgedichtet werden, üblicherweise durch eine Rahmenstruktur und die Membran.
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Insbesondere in einem Übergangsbereich bzw. im Bereich eines Spalts zwischen der Rahmenstruktur (Subgasket) und einer Transportschicht zu der katalysatorbeschichteten Membran (CCM) der Membran-Elektroden-Anordnung können in einer Stapelrichtung hohe Kräfte wirken, welche die katalysatorbeschichtete Membran schädigend belasten, insbesondere in einem Elektrolyseur, welcher auf Anoden- und Kathodenseite mit stark unterschiedlichem Druck betrieben wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden Systeme und Verfahren zur Verbesserung der Stabilität von Membranstrukturen und Membran-Elektroden-Anordnungen vorgeschlagen. Dabei gelten Merkmale, die im Zusammenhang mit der Membran-Elektroden-Anordnung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Membranstruktur, den erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird und/oder werden kann.
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Die Membranstruktur ist für elektrochemische Zellen, insbesondere Elektrolysezellen geeignet und wird bevorzugt für PEM- und AEM-Elektrolyseure eingesetzt.
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Die Membranstruktur weist eine Membran mit einer anodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung und einer kathodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung auf. Die Membranstruktur umfasst ein Verstärkungselement zum lokalen Erhöhen der Stabilität der Membranstruktur. Dadurch wird die mechanische Stabilität der Membranstruktur erhöht. Eine derartige Membranstruktur ist daher insbesondere für elektrochemische Zellen geeignet, die mit einem großen Differenzdruck zwischen Anode und Kathode betrieben werden.
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Das Verstärkungselement besteht bevorzugt aus PPS (Polyphenylensulfid), aus PEN (Polyethylennaphthalat), aus einem Haftklebstoff (PSA, pressure sensitive adhesive) und/oder aus FEP (Fluorethylen-Propylen). Diese Materialien sind chemisch beständig und damit für den Einsatz in elektrochemischen Zellen geeignet. Weiterhin weisen sie Festigkeiten auf, die die Membranstruktur der elektrochemischen Zellen verstärken können. Besonders bevorzugt weist das Verstärkungselement dazu einen Elastizitätsmodul von mindestens 4000 N/mm2 auf.
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In alternativen Ausführungen ist das Verstärkungselement auch eine Membran. Es besteht also aus demselben Material wie die Membran und ist quasi eine Art Membrankleberaupe.
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Die Erfindung umfasst auch eine Membran-Elektroden-Anordnung für eine elektrochemische Zelle, insbesondere für eine Elektrolysezelle.
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Die Membran-Elektroden-Anordnung umfasst:
- - eine Anodenseite mit einer anodenseitigen Transportschicht und einer anodenseitigen Rahmenstruktur, welche wenigstens teilweise rahmenförmig um die anodenseitige Transportschicht ausgestaltet ist,
- - eine Kathodenseite mit einer kathodenseitigen Transportschicht und einer kathodenseitigen Rahmenstruktur, welche wenigstens teilweise rahmenförmig um die kathodenseitige Transportschicht ausgestaltet ist,
- - einen anodenseitigen Spalt zwischen der anodenseitigen Transportschicht und der anodenseitigen Rahmenstruktur,
- - einen kathodenseitigen Spalt zwischen der kathodenseitigen Transportschicht und der kathodenseitigen Rahmenstruktur,
- - eine schichtartig zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite positionierte Membranstruktur nach einer der obigen Ausführungen, wobei die Membran wenigstens einen Brückenabschnitt aufweist, der sich brückenartig über den anodenseitigen Spalt und/oder über den kathodenseitigen Spalt erstreckt, und wobei das Verstärkungselement zum lokalen Erhöhen der Stabilität der Membranstruktur an dem wenigstens einen Brückenabschnitt angeordnet ist.
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Das Verstärkungselement ist demzufolge im Bereich des Spalts zwischen der Transportschicht und der Rahmenstruktur angeordnet. Dadurch wird verhindert, dass die Membranstruktur während des Betriebs der elektrochemischen Zelle in den Spalt gedrückt und so beschädigt wird. Besonders im Bereich des Spaltes wird die Membranstruktur verstärkt, so dass sie nicht in einen der Spalte gedrückt werden kann bzw. nur leicht in einen der Spalte gedrückt wird, so dass es nicht zum mechanischen Versagen der Membranstruktur oder gar zu Rissen in der Membranstruktur kommen kann.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde zunächst erkannt, dass der Spalt zwischen der jeweiligen Transportschicht und der jeweiligen Rahmenstruktur dazu führen kann, dass unter hohen Relativdrücken zwischen Anodenseite und Kathodenseite die Membran einschließlich der Katalysatorbeschichtung im dortigen Bereich mechanisch überbeansprucht wird. Dies kann dazu führen, dass die Membran in diesem Bereich beschädigt oder zerstört werden kann. Um dieser Problematik Rechnung zu tragen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, ein lokales Verstärkungselement im Bereich des jeweiligen Spalts zum Stabilisieren des jeweiligen Brückenabschnitts bereitzustellen. Das Verstärkungselement kann gezielt an der Stelle ausgestaltet sein, an welcher die größte Gefahr für eine mechanische Überbeanspruchung der Membran bzw. der Membranstruktur besteht. Auf diese Weise lässt sich das Verstärkungselement besonders einfach und materialsparend in die Membranstruktur bzw. in die Membran-Elektroden-Anordnung integrieren. Der Grundaufbau der Membran-Elektroden-Anordnung muss hierzu nicht modifiziert werden. Dadurch können bereits etablierte Verfahren und Systeme zur Fertigung von Membran-Elektroden-Anordnungen weiterhin annähernd unverändert genutzt werden.
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Das Verstärkungselement kann einteilig oder mehrteilig ausgestaltet sein. Das heißt, das Verstärkungselement kann mehrere Verstärkungselemente aufweisen, die beabstandet voneinander positioniert sind. Das Verstärkungselement kann in Form einer Verstärkungsschicht, also schichtförmig, im Brückenabschnitt ausgestaltet sein. Unter der Position im Brückenabschnitt kann eine Positionierung und/oder Ausgestaltung des Verstärkungselements im und/oder am Brückenabschnitt verstanden werden. Das Verstärkungselement kann an der anodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung, an der Membran und/oder an der kathodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung ausgestaltet sein. Das heißt, das Verstärkungselement muss nicht direkt an der Membran positioniert sein, um die Stabilität der Membran im wenigstens einen Brückenabschnitt zu erhöhen.
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Unter dem Erhöhen der Stabilität im Bereich des wenigstens einen Brückenabschnitts kann verstanden werden, dass durch die erfindungsgemäße Positionierung und/oder Ausgestaltung des Verstärkungselements die Membran bzw. die Membranstruktur lokal im Bereich des Brückenabschnitts stabilisiert, insbesondere mechanisch stabilisiert, wird bzw. ist, sodass dort im Vergleich zu angrenzenden Bereichen eine höhere mechanische Widerstandsfähigkeit gegenüber den hohen Relativdrücken vorliegt. Das Verstärkungselement muss damit keinen Einfluss auf die Materialeigenschaften der Membran selbst nehmen. Vielmehr kann das Verstärkungselement als Hilfsstruktur zum lokalen Erhöhen der mechanischen Stabilität und/oder Festigkeit verstanden werden.
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Die Transportschicht kann jeweils wenigstens eine Mediendiffusionsschicht, insbesondere eine Gasdiffusionsschicht (GDL), also grundsätzlich auch mehrere unterschiedliche Mediendiffusionsschichten, aufweisen. Die Transportschicht kann jeweils wenigstens teilweise als poröse Transportschicht ausgestaltet sein.
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In vorteilhaften Weiterbildungen erstreckt sich das Verstärkungselement rahmenförmig oder teilweise rahmenförmig um die anodenseitige Transportschicht und/oder um die kathodenseitige Transportschicht herum. Das Verstärkungselement dient der Transportschicht somit als Positionierhilfe und/oder als Lagerungshilfe.
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In bevorzugten Ausführungen weist die anodenseitige Rahmenstruktur und/oder die kathodenseitige Rahmenstruktur eine Ausnehmung zur teilweisen Aufnahme des Verstärkungselements auf. Dadurch kann die Funktion der Positionierhilfe und/oder Lagerungshilfe besser umgesetzt werden. Insbesondere kann die durch das Verstärkungselement fehlende Planarität der Oberfläche der Membranstruktur ausgeglichen werden; dadurch wirkt das Verstärkungselement nicht als Sicke, wodurch eine Kraftkonzentration der Verspannung der elektrochemischen Zellen genau im Bereich des Spaltes erfolgen würde, welche wiederum kontraproduktiv zum beabsichtigten Ziel, nämlich einer Entlastung der Membranstruktur genau in diesem Bereich, wäre.
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In weiterbildenden Ausführungen weist auch die anodenseitige Transportschicht und/oder die kathodenseitige Transportschicht eine weitere Ausnehmung zur teilweisen Aufnahme des Verstärkungselements auf. Auch hier wird durch die Ausnehmung eine Nicht-Planarität ausgeglichen, so dass im Gesamtverbund der Membran-Elektroden-Anordnung im verpressten bzw. gestapelten Zustand eine homogene Flächenpressung herrschen kann.
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Die Ausnehmung als auch die weitere Ausnehmung dienen somit einer homogenen Verteilung der Flächenpressung, schädliche Spannungsspitzen, insbesondere im Bereich der Spalte zwischen Transportschicht und Rahmenstruktur, werden somit vermieden; dies gilt für die Anordnung des Verstärkungselements sowohl auf Anodenseite als auch auf Kathodenseite.
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Das Verstärkungselement kann materialschlüssig an der Membran integriert oder als separates Teil ausgeführt sein. Ist es als separates Teil ausgeführt, so kann die Befestigung beispielsweise durch ein Kleben erfolgen. Damit ist die Belastung der Klebestelle auf Schub gut möglich, und es ergibt sich eine Entlastung der Membranstruktur an der Klebestelle; es wird nahezu ein vorteilhafter einachsiger Spannungszustand erzielt.
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In vorteilhaften Ausführungen sind die anodenseitige Transportschicht, die anodenseitige Rahmenstruktur, die kathodenseitige Transportschicht und die kathodenseitige Rahmenstruktur dahingehend ausgestaltet, dass der anodenseitige Spalt und der kathodenseitige Spalt in einer Querrichtung von der jeweiligen Transportschicht zur zugehörigen Rahmenstruktur versetzt zueinander gebildet sind. Dadurch sind die beiden kritischen Spalte an der Membranstruktur nicht direkt gegenüberliegend angeordnet, sondern auf der jeweils anderen Seite von einer Rahmenstruktur oder einer Transportschicht unterfüttert bzw. abgestützt. Diese Ausführung erhöht die Stabilität des Gesamtverbunds der Membran-Elektroden-Anordnung.
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Mit anderen Worten, das Kathodenfenster (bzw. die kathodenseitige aktive Fläche) kann kleiner als das Anodenfenster (bzw. die anodenseitige aktive Fläche) gestaltet sein (oder andersherum), sodass die beschichtete Membran im Bereich des jeweiligen Spaltes auf ihrer dem Spalt abgewandten Seite entweder von der Rahmenstruktur oder von der Transportschicht gestützt wird. Auf diese Weise kann die Stabilität auf einfache Weise weiter erhöht werden. Unter den versetzt zueinander gebildeten Spalten ist zu verstehen, dass der eine Spalt in einer Draufsicht auf die Membran-Elektroden-Anordnung näher an einem äußeren Randbereich der Membran-Elektroden-Anordnung zur Umgebung der Membran-Elektroden-Anordnung gebildet ist als der andere Spalt. Der eine Spalt liegt in diesem Ausführungsbeispiel also nicht direkt über dem anderen Spalt. Insbesondere ist es bevorzugt, dass der anodenseitige Spalt und der kathodenseitige Spalt in der Querrichtung derart versetzt zueinander gebildet sind, dass diese in einer Stapelrichtung orthogonal zur Querrichtung keinen Überschneidungsbereich aufweisen bzw. entsprechend überschneidungsfrei versetzt voneinander ausgestaltet sind. Entsprechend versetzt zueinander sind in diesem Fall auch die Brückenabschnitte der Membran. Das heißt, die Membran bzw. die Membranstruktur kann in diesem Fall zwei nebeneinander angeordnete Brückenabschnitte aufweisen, wobei der eine Brückenabschnitt in Querrichtung innerhalb des anderen Brückenabschnitts ausgestaltet ist. Mit anderen Worten, der eine Brückenabschnitt kann in einer Draufsicht bzw. in einer Projektion in Stapelrichtung rahmenförmig oder wenigstens teilweise rahmenförmig um den anderen Brückenabschnitt herum ausgestaltet sein.
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In bevorzugten Weiterbildungen ist der Versatz zwischen anodenseitigem Spalt und kathodenseitigem Spalt so ausgeführt, dass sich eine größere anodenseitige aktive Fläche ergibt als eine kathodenseitige aktive Fläche. Der anodenseitige Spalt ist also näher zum Außenbereich der elektrochemischen Zelle positioniert, der kathodenseitige Spalt ist näher zur aktiven Fläche der elektrochemischen Zelle positioniert. Dadurch ist der kritischere Spalt, nämlich der anodenseitige Spalt, auf seiner gegenüberliegenden Seite, nämlich auf der Kathodenseite, nicht mit dem Druck der Kathodenseite belastet; dem anodenseitigen Spalt liegt also die kathodenseitige Rahmenstruktur gegenüber. Wird die Kathodenseite gegenüber der Anodenseite mit Überdruck betrieben, dann liegt in dieser Ausführung der anodenseitige Spalt nicht mehr im Überdruckbereich; ganz im Gegenteil ist der anodenseitige Spalt auf der Kathodenseite mit der Rahmenstruktur unterfüttert bzw. durch diese sogar abgestützt.
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In vorteilhaften Weiterbildungen ist das Verstärkungselement nur auf der Kathodenseite angeordnet. Eine Art Unterfütterung der katalysatorbeschichteten Membran nur auf der Kathodenseite auf die erfindungsgemäße Weise kann bereits ausreichend sein, um die gewünschte Stabilität gegenüber den relativen Druckverhältnissen zu erreichen. Die Ausgestaltung des Verstärkungselements nur auf der Kathodenseite kann insbesondere dann ausreichend sein, wenn weitere Maßnahmen zur Stabilisierung, wie beispielsweise die vorstehend beschriebene Konfiguration mit versetzt gebildeten Spalten, vorgenommen werden.
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Die Membran-Elektroden-Anordnung kann zur Verwendung in einem Elektrolyseur und/oder in einer Brennstoffzelle, insbesondere in einem Elektrolyseur und/oder einer Brennstoffzelle für ein PEM-Brennstoffzellensystem, für einen PEM-Elektrolyseur, für ein AEM-Brennstoffzellensystem und/oder für einen AEM-Elektrolyseur konfiguriert sein. Die Membran-Elektroden-Anordnung kann ferner für die Verwendung in einem mobilen elektrochemischen Energiewandler, beispielsweise für die Verwendung in einem Straßenfahrzeug, konfiguriert und ausgestaltet sein. Die Membran-Elektroden-Anordnung kann als Elektrolysezelle oder als Teil einer Elektrolysezelle ausgestaltet sein.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer Elektrolysezelle. Die Elektrolysezelle weist eine Membran-Elektroden-Anordnung nach einer der obigen Ausführungen auf. Dabei wird die Kathodenseite gegenüber der Anodenseite mit einem Überdruck von mindestens 20 bar, bevorzugt von mindestens 30 bar, betrieben. Bei einem derartigen Betrieb steht die Membranstruktur unter besonders hoher mechanischer Belastung; das auf ihr angebrachte Verstärkungselement ist demzufolge besonders wirkungsvoll.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer wie vorstehend beschriebenen Membranstruktur, aufweisend:
- - Bereitstellen der Membran
- - Auftragen der anodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung und der kathodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung auf die Membran, und
- - Lokales Auftragen des Verstärkungselements auf wenigstens eine Katalysator-Membranbeschichtung.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer wie vorstehend beschriebenen Membran-Elektroden-Anordnung, aufweisend:
- - Bereitstellen der Membranstruktur nach einer der obigen Ausführungen,
- - Positionieren der anodenseitigen Rahmenstruktur auf der anodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung und/oder der kathodenseitigen Rahmenstruktur auf der kathodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung,
- - Auftragen des Verstärkungselements auf die anodenseitige Katalysator-Membranbeschichtung und/oder die kathodenseitige Katalysator-Membranbeschichtung, und
- - Positionieren der anodenseitigen Transportschicht auf der anodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung und/oder der kathodenseitigen Transportschicht auf der kathodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung.
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Auf diese Weise lässt sich die Membran-Elektroden-Anordnung besonders schnell und einfach herstellen. Bevorzugt kann das Verstärkungselement in einen Übergangsbereich zwischen der jeweiligen Katalysator-Membranbeschichtung und einer jeweiligen Randstruktur eingebracht, insbesondere eingespritzt, werden, sodass das Verstärkungselement nicht nur als Verstärkungselement, sondern auch als Dichtmittel für die Fluide der Membran-Elektroden-Anordnung hin zur Umgebung der Membran-Elektroden-Anordnung wirken kann. Die vorstehend dargestellte Reihenfolge der Verfahrensschritte ist trotzdem als optional zu betrachten. Das Verstärkungselement kann in diesem Fall beispielsweise als Raupe während des Fertigungsprozesses angespritzt werden, wenn wenigstens eine Rahmenstruktur schon auf der katalysatorbeschichteten Membran positioniert ist, die zugehörige Transportschicht aber noch nicht eingelegt bzw. positioniert ist.
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Bevorzugt weist die anodenseitige Rahmenstruktur und/oder die kathodenseitige Rahmenstruktur eine Ausnehmung auf, die mit dem Verstärkungselement zusammenwirkt, beispielsweise zum Positionieren während des Herstellverfahrens. Das Herstellverfahren umfasst somit den weiteren Verfahrensschritt:
- - Positionieren der anodenseitigen Rahmenstruktur und/oder der kathodenseitigen Rahmenstruktur, so dass die Ausnehmung mit dem Verstärkungselement zusammenwirkt.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Figuren hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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Es zeigen jeweils schematisch:
- 1 eine Membran-Elektroden-Anordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
- 2 eine Membran-Elektroden-Anordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
- 3 eine Membran-Elektroden-Anordnung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
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Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt einen Querschnitt einer Membran-Elektroden-Anordnung 10 für eine Elektrolysezelle gemäß einer ersten Ausführungsform. Wie in 1 dargestellt, weist die Membran-Elektroden-Anordnung 10 eine Anodenseite 20 mit einer anodenseitigen Transportschicht 21 und einer anodenseitigen Rahmenstruktur 22 auf. Die anodenseitige Rahmenstruktur 22 ist rahmenförmig um die anodenseitige Transportschicht 21 ausgestaltet. Ferner weist die Membran-Elektroden-Anordnung 10 eine Kathodenseite 30 mit einer kathodenseitigen Transportschicht 31 und einer kathodenseitigen Rahmenstruktur 32 auf, wobei die kathodenseitige Rahmenstruktur rahmenförmig um die kathodenseitige Transportschicht 31 ausgestaltet ist. Die Transportschichten 21, 31 werden auch PTL (Porous Transport Layer) genannt.
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Zwischen der anodenseitigen Transportschicht 21 und der anodenseitigen Rahmenstruktur 22 ist ein anodenseitiger Spalt 23 gebildet. Zwischen der kathodenseitigen Transportschicht 31 und der kathodenseitigen Rahmenstruktur 32 ist ein kathodenseitiger Spalt 33 gebildet. Darüber hinaus umfasst die Membran-Elektroden-Anordnung 10 eine schichtartig zwischen der Anodenseite 20 und der Kathodenseite 30 positionierte Membran 41 mit einer anodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung 42 und einer kathodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung 43. Die katalysatorbeschichtete Membran 41, 42, 43 wird auch CCM (catalyst coated membrane) genannt oder kann als Membranstruktur 40 bezeichnet werden. Die Membran 41 bzw. die Membranstruktur 40 weist einen Brückenabschnitt 44 auf, der sich brückenartig über den anodenseitigen Spalt 23 und über den kathodenseitigen Spalt 33 erstreckt. Ergänzend weist die Membranstruktur 40 ein Verstärkungselement 50 zum lokalen Erhöhen der Stabilität der Membranstruktur 40 im Brückenabschnitt 44 gegenüber dort herrschenden Differenz- bzw. Relativdrücken auf. Die Differenzdrücke einer Elektrolysezelle bzw. eines Elektrolyseurs zwischen Kathode und Anode können durchaus 30 bar betragen, beispielsweise, um auf Kathodenseite Wasserstoff mit entsprechendem Druck zu erzeugen.
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Infolge einer Druckdifferenz zwischen Anodenseite 20 und Kathodenseite 30 wird die Membranstruktur 40 zwar leicht verformt, aber diese Verformung ist aufgrund des Verstärkungselements 50 stark reduziert. Als Folge werden Ermüdungsbruch, Gewaltbruch und mechanische Risse in der Membranstruktur 40 verhindert.
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Bevorzugt besteht das Verstärkungselement 50 aus PPS (Polyphenylensulfid), aus PEN (Polyethylennaphthalat), aus einem Haftklebstoff (PSA, pressure sensitive adhesive) und/oder aus FEP (Fluorethylen-Propylen). Diese Materialien sind besonders gut für die Bedingungen in elektrochemischen Zellen geeignet. Sie zeichnen sich durch eine entsprechende chemische Beständigkeit und durch mechanische Stabilität aus.
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Das in 1 gezeigte Verstärkungselement 50 ist auf der Anodenseite 20 und auf der Kathodenseite 30 jeweils vorsprungartig ausgestaltet und ragt dort in den anodenseitigen Spalt 23 sowie in den kathodenseitigen Spalt 33. Weiterhin erstreckt sich das Verstärkungselement 50 auf der Anodenseite 20 rahmenförmig um die anodenseitige Transportschicht 21 und auf der Kathodenseite 30 rahmenförmig um die kathodenseitige Transportschicht 31 herum.
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Die in 2 gezeigte Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der in 1 gezeigten Ausführungsform, wobei die anodenseitige Transportschicht 21, die anodenseitige Rahmenstruktur 22, die kathodenseitige Transportschicht 31 und die kathodenseitige Rahmenstruktur 32 dahingehend ausgestaltet sind, dass der anodenseitige Spalt 23 und der kathodenseitige Spalt 33 in einer Querrichtung 60 von der jeweiligen Transportschicht 21, 31 zur zugehörigen Rahmenstruktur 22, 32 versetzt zueinander gebildet sind. Die in 2 gezeigte Membran 41 bzw. Membranstruktur 40 weist zwei Brückenabschnitte 44, 45 auf, die sich über die in Querrichtung 60 versetzt zueinander gebildeten Spalten 23, 33 erstrecken. Genauer gesagt erstreckt sich ein erster Brückenabschnitt 44 über den kathodenseitigen Spalt 33 und ein weiterer Brückenabschnitt 45 über den anodenseitigen Spalt 23.
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Bevorzugt sind die Spalte 23, 33 so versetzt angeordnet, dass sich eine größere anodenseitige aktive Fläche 29 ergibt als eine kathodenseitige aktive Fläche 39. Der Überdruck des verdichteten Wasserstoffs auf der Kathodenseite 30 wirkt somit gar nicht mehr senkrecht (also in Stapelrichtung) über dem anodenseitigen Spalt 23. Die Kombination des Verstärkungselements 50 mit einem derartigen Versatz verhindert somit besonders gut ein Eindrücken der Membran 41 bzw. Membranstruktur 40 in den anodenseitigen Spalt 23.
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In bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung ist in der Rahmenstruktur 22, 32 eine entsprechende Ausnehmung 35 ausgebildet, um dort den Teil des Verstärkungselements 50 aufnehmen zu können, welcher unterhalb der jeweiligen Rahmenstruktur 22, 32 über die Planarität der Membranstruktur 40 hinausragt. In der Ausführung der 3 weist die kathodenseitige Rahmenstruktur 32 eine derartige Ausnehmung 35 auf. Analog kann eine solche Ausnehmung jedoch auch auf der Anodenseite 20 in der anodenseitigen Rahmenstruktur 22 ausgebildet sein. Die kathodenseitige Transportschicht 31 ist üblicherweise weich genug ausgeführt, so dass sie keine derartige Ausnehmung benötigt; jedoch kann auch hier eine weitere Ausnehmung 65 ausgebildet sein, um auch unterhalb der Transportschicht 31 einen Höhenausgleich für das Verstärkungselement 50 vorzunehmen.
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Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere Gestaltungsgrundsätze zu. Das heißt, die Erfindung soll nicht auf die mit Bezug auf die Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt betrachtet werden. Wie mit Blick auf die Figuren zu erkennen, sind zahlreiche weitere Kombinationsvarianten der gezeigten Ausführungsformen möglich, die nicht alle im Detail beschrieben worden sind. Das Gleiche gilt auf analoge Weise für unterschiedliche Varianten zum Ausführen des Verfahrens. Diese Varianten sollen selbstverständlich nicht als vom Schutzbereich der beanspruchten Erfindung ausgeschlossen betrachtet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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