EP4642958A1 - Membran-elektroden-anordnung für eine elektrolysezelle, membranstruktur, verfahren zum herstellen einer membran-elektroden-anordnung und verfahren zum herstellen einer membranstruktur - Google Patents

Membran-elektroden-anordnung für eine elektrolysezelle, membranstruktur, verfahren zum herstellen einer membran-elektroden-anordnung und verfahren zum herstellen einer membranstruktur

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Publication number
EP4642958A1
EP4642958A1 EP23821188.2A EP23821188A EP4642958A1 EP 4642958 A1 EP4642958 A1 EP 4642958A1 EP 23821188 A EP23821188 A EP 23821188A EP 4642958 A1 EP4642958 A1 EP 4642958A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
membrane
anode
cathode
transport layer
gap
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23821188.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Brunner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP4642958A1 publication Critical patent/EP4642958A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/60—Constructional parts of cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
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    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water

Definitions

  • Membrane electrode assembly for an electrolysis cell, membrane structure, method for producing a membrane electrode assembly and method for producing a membrane structure
  • the present invention relates to a membrane electrode assembly for an electrolysis cell, a membrane structure for a membrane electrode assembly, a method for producing a membrane electrode assembly and a method for producing a membrane structure.
  • Electrochemical energy converters such as fuel cell systems or electrolyzers are known in numerous different designs.
  • the core component of these systems is usually a stack structure that has several electrolysis cells. More precisely, such a stack structure usually has bipolar plates (BPP) and membrane electrode assemblies (MEA) stacked alternately on top of each other.
  • BPP bipolar plates
  • MEA membrane electrode assemblies
  • Generic membrane electrode assemblies can be configured for PEM fuel cell systems, AEM fuel cell systems and other system structures for electrochemical energy conversion.
  • membrane electrode assemblies are subject to high thermal and mechanical loads. In particular, in a transition area or in the area of a gap between a frame structure (subgasket) and a transport layer of a catalyst-coated membrane (CCM) of the membrane electrode assembly, high forces can act in a stacking direction. Disclosure of the invention
  • a membrane electrode arrangement for an electrolysis cell comprising
  • cathode side with a cathode-side transport layer and a cathode-side frame structure which is at least partially designed in a frame shape around the cathode-side transport layer
  • a membrane positioned in a layer between the anode side and the cathode side with an anode-side catalyst membrane coating and a cathode-side catalyst membrane coating, wherein the membrane has at least one bridge section which extends in a bridge-like manner over the anode-side gap and/or over the cathode-side gap, and a reinforcing agent for locally increasing the stability of the membrane in at least one bridge section.
  • the gap between the respective transport layer and the respective frame structure can lead to the membrane, including the catalyst coating, being mechanically overstressed in the area under high relative pressures between the anode side and the cathode side. This can lead to the membrane in this area being damaged or destroyed.
  • the invention proposes providing a local reinforcing agent in the area of the respective gap to stabilize the respective bridge section.
  • the reinforcing agent can be designed specifically at the point where there is the greatest risk of mechanical overstressing of the membrane. In this way, the reinforcing agent can be integrated into the membrane electrode arrangement in a particularly simple and material-saving manner.
  • the basic structure of the membrane electrode arrangement does not have to be modified for this purpose. This means that already established processes and systems for manufacturing membrane electrode arrangements can continue to be used almost unchanged.
  • the reinforcing agent can be designed in one piece or in multiple pieces. This means that the reinforcing agent can have a number of reinforcing elements that are positioned at a distance from one another.
  • the reinforcing agent can be designed in the form of a reinforcing layer, i.e. in a layered manner, in the bridge section. The position in the bridge section can be understood as a positioning and/or design of the reinforcing agent in and/or on the bridge section.
  • the reinforcing agent can be designed on the anode-side catalyst membrane coating, on the membrane and/or on the cathode-side catalyst membrane coating.
  • the reinforcing agent does not have to be positioned directly on the membrane in order to increase the stability of the membrane in at least one bridge section. Consequently, the catalyst-coated membrane can be understood as a so-called CCM (catalyst coated membrane), on and/or in which the reinforcing agent is designed.
  • CCM catalyst coated membrane
  • Increasing the stability in the area of the at least one bridge section can be understood to mean that the membrane is locally stabilized, in particular mechanically stabilized, in the area of the bridge section through the positioning and/or design of the reinforcing means according to the invention, so that there is a higher mechanical resistance to the high relative pressures compared to adjacent areas.
  • the reinforcing means therefore does not have to influence the material properties of the membrane itself. Rather, the reinforcing means can be understood as an auxiliary structure for locally increasing the mechanical stability and/or strength.
  • the membrane electrode assembly can be configured for use in an electrolyzer and/or in a fuel cell, in particular in an electrolyzer and/or a fuel cell for a PEM fuel cell system, for a PEM electrolyzer, for an AEM fuel cell system and/or for an AEM electrolyzer.
  • the membrane electrode assembly can also be configured and designed for use in a mobile electrochemical energy converter, for example for use in a road vehicle.
  • the membrane electrode assembly can be designed as an electrolysis cell or as part of an electrolysis cell.
  • the transport layer can have at least one media diffusion layer, in particular a gas diffusion layer (GDL), and therefore basically several different media diffusion layers.
  • GDL gas diffusion layer
  • the transport layer can be designed at least partially as a porous transport layer.
  • the gap can be designed in a frame-like or at least partially frame-like manner on the anode side and/or on the cathode side. This means that in a plan view of the membrane electrode arrangement, the gap can extend in a frame-like or at least partially frame-like manner around the respective transport layer.
  • the at least one bridge section can be designed in a corresponding frame-like manner.
  • the frame structure can be understood as a so-called subgasket, which is arranged in a frame around the respective transport layer
  • the frame structure can therefore be understood as an edge seal in an outer edge region of the membrane electrode arrangement.
  • the reinforcing agent in a membrane electrode arrangement is applied and/or designed at least partially in a layered manner directly on the membrane in at least one bridge section.
  • the geometry of the catalyst-coated membrane can remain unchanged compared to membranes of the generic type and yet a targeted stabilization of the at least one bridge section can be achieved.
  • the catalyst membrane coating in at least one bridge section does not fulfill any or at least no significant advantageous function anyway, the replacement according to the invention with the reinforcing agent at this point does not have a negative influence on the function of the membrane electrode arrangement or the power generation.
  • the reinforcing agent can preferably be designed up to an outer edge region of the membrane.
  • the reinforcing agent can extend at least partially in a layered manner on the anode side and/or on the cathode side from the outer edge region of the membrane to the respective transport layer.
  • the reinforcing agent can therefore have the same height as the respective catalyst membrane coating at least in sections in a transverse direction and/or be designed flush or substantially flush with the respective catalyst membrane coating.
  • the reinforcing agent can therefore be understood, in particular in the form of the respective reinforcing layer, as a catalyst replacement in the area in which the catalyst membrane coating would otherwise be applied to the membrane.
  • the reinforcing means in a membrane electrode arrangement according to the invention, it is possible for the reinforcing means to be at least partially designed as a projection and to protrude into the anode-side gap and/or the cathode-side gap. In this way, the reinforcing means can be provided particularly easily.
  • the reinforcing means can, for example, be applied to a conventionally manufactured membrane or to the respective Catalyst membrane coating can be applied. Since the reinforcement applied in a projection-like manner and/or a projection of a reinforcement otherwise designed in layers can protrude into the respective gap, the reinforcement can also be provided in a particularly space-saving manner.
  • the reinforcement is at least partially designed in a projection-like manner
  • the reinforcement is applied in a projection-like manner to the anode-side catalyst membrane coating and/or to the cathode-side catalyst membrane coating and/or that a layered reinforcement has at least one projection.
  • the reinforcement can each have a projection section.
  • the projection-like design or the corresponding projection, which optionally protrudes into the respective gap, can achieve an additional sealing effect between the respective transport layer and the respective frame structure.
  • the at least one projection of the reinforcing means is designed to form a positive fit in the anode-side gap and/or in the cathode-side gap between the respective transport layer and the respective frame structure and/or the outer contour of the projection is adapted to the respective gap for the desired sealing effect.
  • the reinforcing means in a membrane electrode arrangement according to the present invention, it is possible for the reinforcing means to extend in a frame-like or partially frame-like manner around the anode-side transport layer and/or around the cathode-side transport layer. In this way, the sealing effect described above can be achieved particularly effectively in a simple manner.
  • the fact that the reinforcing means extends in a frame-like or partially frame-like manner around the respective transport layer can be understood to mean that the reinforcing means on the anode side and/or on the cathode side can form a frame or at least partially a frame around the respective transport layer in a plan view.
  • the reinforcing means can also be considered to be projection-like or projection-like in cross section in this embodiment.
  • the projection-like and frame-like reinforcing means preferably extends within the frame-shaped gap on the anode side and/or the cathode side.
  • the anode-side transport layer, the anode-side frame structure, the cathode-side transport layer and the cathode-side frame structure in a membrane-electrode arrangement according to the invention prefferably be designed such that the anode-side gap and the cathode-side gap are formed offset from one another in a transverse direction from the respective transport layer to the associated frame structure.
  • the cathode window can be designed smaller than the anode window (or vice versa), so that the coated membrane in the area of the respective gap is supported on its side facing away from the gap either by the frame structure or by the transport layer. In this way, stability can be further increased in a simple manner.
  • the gaps formed offset from one another are to be understood as meaning that one gap is formed closer to an outer edge region of the membrane-electrode arrangement to the surroundings of the membrane-electrode arrangement than the other gap in a plan view of the membrane-electrode arrangement.
  • one gap is therefore not directly above the other gap.
  • the anode-side gap and the cathode-side gap are formed offset from one another in the transverse direction in such a way that they have no overlapping region in a stacking direction orthogonal to the transverse direction or are designed offset from one another without overlapping.
  • the bridge sections of the membrane are also correspondingly offset from one another.
  • the membrane can have two bridge sections arranged next to one another, with one bridge section being designed within the other bridge section in the transverse direction.
  • one bridge section can be designed in a frame-like manner or at least partially in a frame-like manner around the other bridge section in a plan view or in a projection in the stacking direction.
  • the reinforcing means in a membrane electrode assembly according to the present invention, it is possible for the reinforcing means to be designed only on the anode side.
  • a type of underlining of the catalyst-coated membrane only on the anode side in the manner according to the invention can already be sufficient to achieve the desired stability with respect to the relative pressure conditions.
  • the design of the reinforcing means only on the anode side can be sufficient in particular if further measures for stabilization, such as the configuration described above with offset gaps, are carried out.
  • the reinforcing agent in a membrane electrode arrangement according to the invention can consist of a thermoplastic and/or a thermosetting plastic. Depending on the configuration and positioning of the reinforcing agent, these two materials have proven to be particularly suitable for achieving the desired stability.
  • polyethersulfone (PES) and/or epoxy resin can be used as material for the reinforcing agent.
  • the materials mentioned can be processed relatively easily when manufacturing the membrane electrode arrangement.
  • a further aspect of the invention relates to a membrane structure for a membrane electrode arrangement as described in detail above, comprising the membrane for layered positioning between the anode side and the cathode side with an anode-side catalyst membrane coating and a cathode-side catalyst membrane coating, wherein the membrane has the at least one bridge section for bridging the anode-side gap and/or the cathode-side gap and the reinforcing means for locally increasing the stability of the membrane structure in the at least one bridge section.
  • the membrane structure according to the invention thus brings with it essentially the same advantages as have been described in detail with reference to the membrane electrode arrangement according to the invention.
  • the reinforcing means of the membrane structure can be configured and designed as already described with reference to the above embodiments.
  • a further aspect of the invention relates to a method for producing a membrane electrode assembly as described above, comprising: - Providing the membrane including the anode-side catalyst membrane coating and the cathode-side catalyst membrane coating,
  • the reinforcing agent can be introduced, in particular injected, into a transition region between the respective catalyst membrane coating and the respective edge structure, so that the reinforcing agent can act not only as a reinforcing agent, but also as a sealing agent for the fluids of the membrane electrode arrangement towards the environment of the membrane electrode arrangement.
  • the sequence of the process steps presented above is nevertheless to be considered optional.
  • the reinforcing agent can be injected as a bead during the production process, for example, if at least one frame structure is already positioned on the catalyst-coated membrane, but the associated transport layer has not yet been inserted or positioned.
  • the invention relates to a method for producing a membrane structure as described above, comprising:
  • the reinforcing agent can be applied flush or substantially flush with the surface of the anode-side catalyst membrane coating and/or the cathode-side catalyst membrane coating.
  • the fact that the reinforcing agent is applied to the at least one bridge section of the membrane at least partially flush with the surface of the anode-side catalyst membrane coating and/or the cathode-side catalyst membrane coating can be understood to mean that the membrane structure is designed with a constant and/or consistent height at least outside the bridge section and/or a possible projection on the bridge section.
  • the reinforcing agent can be applied, in particular sprayed on, as a plastic, in particular as a duroplastic and/or thermoplastic.
  • Figure 1 shows a membrane electrode arrangement according to a first embodiment of the present invention
  • Figure 2 shows a membrane electrode arrangement according to a second embodiment of the present invention
  • Figure 3 shows a membrane electrode arrangement according to a third embodiment of the present invention
  • Figure 4 shows a membrane electrode arrangement according to a fourth embodiment of the present invention
  • Figure 5 shows a membrane electrode arrangement according to a fifth embodiment of the present invention
  • Figure 6 shows a membrane electrode arrangement according to a sixth embodiment of the present invention
  • Figure 7 shows a membrane electrode arrangement according to a seventh embodiment of the present invention.
  • Figure 8 is a flow chart for explaining a method according to the invention.
  • Fig. 1 shows a membrane electrode assembly 10 for an electrolysis cell according to a first embodiment.
  • the membrane electrode assembly 10 has an anode side 20 with an anode-side transport layer 21 and an anode-side frame structure 22.
  • the anode-side frame structure 22 is designed in a frame shape around the anode-side transport layer 21.
  • the membrane electrode assembly 10 has a cathode side 30 with a cathode-side transport layer 31 and a cathode-side frame structure 32, wherein the cathode-side frame structure is designed in a frame shape around the cathode-side transport layer 31.
  • An anode-side gap 23 is formed between the anode-side transport layer 21 and the anode-side frame structure 22.
  • a cathode-side gap 33 is formed between the cathode-side transport layer 31 and the cathode-side frame structure 32.
  • the membrane Electrode arrangement 10 has a membrane 41 positioned in a layer between the anode side 20 and the cathode side 30 with an anode-side catalyst membrane coating 42 and a cathode-side catalyst membrane coating 43.
  • the membrane 41 has a bridge section 44 which extends like a bridge over the anode-side gap 23 and over the cathode-side gap 33.
  • the membrane-electrode arrangement has a reinforcing agent 50 for locally increasing the stability of the membrane 41 in the bridge section 44 with respect to differential or relative pressures prevailing there. The reinforcing means shown in Fig.
  • the reinforcing means 50 extends in a frame-like manner on the anode side 20 around the anode-side transport layer 21 and on the cathode side 30 around the cathode-side transport layer 31.
  • Polyethersulfone was used as the material for the reinforcing means 50.
  • the reinforcing agent 50 is applied in a layer-like manner directly to the membrane 41 in the bridge section 44 and beyond up to an outer edge region of the membrane 41.
  • the embodiment shown in Fig. 3 corresponds essentially to a combination of the first two embodiments.
  • the reinforcing means 50 which is essentially designed in layers, additionally has the projection shown in Fig. 1 or a correspondingly projecting frame structure.
  • Fig. 4 shows an embodiment in which the reinforcing means 50 is designed only on the anode side 20 in the form of a reinforcing layer without a projection.
  • the embodiment shown in Fig. 5 corresponds essentially to the embodiment shown in Fig. 1, wherein the anode-side transport layer 21, the anode-side frame structure 22, the cathode-side transport layer 31 and the cathode-side frame structure 32 are designed such that the anode-side gap 23 and the cathode-side gap 33 in a transverse direction 60 from the respective transport layer 21, 31 to the associated frame structure 22, 32 are formed offset from one another.
  • the membrane 41 shown in Fig. 5 has two bridge sections 44, 45 which extend over the gaps 23, 33 formed offset from one another in the transverse direction 60. More precisely, a first bridge section 44 extends over the cathode-side gap 33 and a further bridge section 45 over the anode-side gap 23.
  • Fig. 6 corresponds to the embodiment shown in Fig. 4, wherein the two gaps 23, 33 are formed offset from one another as shown in Fig. 5.
  • Fig. 7 corresponds essentially to a combination of the embodiment shown in Fig. 3 with the embodiment shown in Fig. 4.
  • the reinforcing means 50 according to the embodiment shown in Fig. 7 is designed in layers on the anode side 20 and on the cathode side 30 directly on the membrane 41 and additionally has a projection on both sides which projects into the respective gap 23, 33, wherein the gaps 23, 33 are formed offset from one another in the transverse direction 60.
  • the reinforcing means 50 is shown in Fig. 7 on the anode side 20 and on the cathode side 30 as a monolithic component. Nevertheless, it is possible for the layer section and the projection section to be manufactured and/or provided separately. Furthermore, it is possible for the layer section and the projection section to have different materials.
  • a method for producing a membrane electrode assembly 10 as shown in Fig. 7 is then described.
  • a first step S1 the membrane 41 is provided.
  • the anode-side catalyst membrane coating 42 and the cathode-side catalyst membrane coating 43 are applied to the membrane 41.
  • a first part of the reinforcing agent 50 in the form of epoxy resin is applied in a layer to the at least one bridge section 44, 45 of the membrane 41, so that the reinforcing agent 50 is flush with the surface of the anode-side catalyst membrane coating 42 and the cathode-side catalyst membrane coating 43.
  • a fourth step S4 a In steps S1 to S3, an anode-side frame structure 22 is positioned on the layer section of the anode-side reinforcement structure 50 of the membrane structure 40 prepared.
  • a cathode-side frame structure 32 is positioned on the layer section of the cathode-side reinforcement structure 50.
  • the reinforcement agent 50 is now expanded in such a way that epoxy resin is sprayed between the already existing layer section of the reinforcement agent 50 and the respective edge structure 22, 32.
  • the anode-side transport layer 21 is positioned on the anode-side catalyst membrane coating 42 and the cathode-side transport layer 31 is positioned on the cathode-side catalyst membrane coating 43.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Membran-Elektroden-Anordnung (10) für eine Elektrolysezelle, aufweisend einen anodenseitigen Spalt (23) zwischen einer anodenseitigen Transportschicht und einer anodenseitigen Rahmenstruktur (32), einen kathodenseitigen Spalt (33) zwischen einer kathodenseitigen Transportschicht und einer kathodenseitigen Rahmenstruktur (32), 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), wobei die Membran (41) wenigstens einen Brückenabschnitt (44, 45) aufweist, der sich brückenartig über den anodenseitigen Spalt (23) und/oder über den kathodenseitigen Spalt (33) erstreckt, und ein Verstärkungsmittel (50) zum lokalen Erhöhen der Stabilität der Membran (41) im wenigstens einen Brückenabschnitt (44, 45). Die Erfindung betrifft ferner eine Membranstruktur (40) für die Membran-Elektroden-Anordnung (10), ein Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung (10) sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Membranstruktur (40).

Description

Beschreibung
Titel
Membran-Elektroden-Anordnung für eine Elektrolysezelle, Membranstruktur, Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung und Verfahren zum Herstellen einer Membranstruktur
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 sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Membranstruktur.
Stand der Technik
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. Gattungsgemäße Membran- Elektroden-Anordnungen können für PEM-Brennstoffzellensysteme, AEM- Brennstoffzellensysteme und weitere Systemstrukturen zur elektrochemischen Energiewandlung konfiguriert sein. Je nach Systemstruktur und Betriebsweise unterliegen Membran-Elektroden-Anordnungen hohen thermischen sowie mechanischen Belastungen. Insbesondere in einem Übergangsbereich bzw. im Bereich eines Spalts zwischen einer Rahmenstruktur (Subgasket) und einer Transportschicht einer katalysatorbeschichteten Membran (CCM) der Membran- Elektroden-Anordnung können in einer Stapelrichtung hohe Kräfte wirken. Offenbarung der Erfindung
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden Systeme und Verfahren zur Verbesserung der Stabilität von Membran-Elektroden-Anordnungen vorgeschlagen. Insbesondere werden eine Membran- Elektroden-Anordnung gemäß Anspruch 1 , eine Membranstruktur gemäß Anspruch 8, ein Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung gemäß Anspruch 9 sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Membranstruktur gemäß Anspruch 10 vorgeschlagen. Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren. 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.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Membran- Elektroden-Anordnung für eine Elektrolysezelle vorgeschlagen, aufweisend
- 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 Membran mit einer anodenseitigen Katalysator- Membranbeschichtung und einer kathodenseitigen Katalysator- Membranbeschichtung, wobei die Membran wenigstens einen Brückenabschnitt aufweist, der sich brückenartig über den anodenseitigen Spalt und/oder über den kathodenseitigen Spalt erstreckt, und ein Verstärkungsmittel zum lokalen Erhöhen der Stabilität der Membran im wenigstens einen Brückenabschnitt.
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 Verstärkungsmittel im Bereich des jeweiligen Spalts zum Stabilisieren des jeweiligen Brückenabschnitts bereitzustellen. Das Verstärkungsmittel kann gezielt an der Stelle ausgestaltet sein, an welcher die größte Gefahr für eine mechanische Überbeanspruchung der Membran besteht. Auf diese Weise lässt sich das Verstärkungsmittel besonders einfach und materialsparend 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.
Das Verstärkungsmittel kann einteilig oder mehrteilig ausgestaltet sein. Das heißt, das Verstärkungsmittel kann mehrere Verstärkungselemente aufweisen, die beabstandet voneinander positioniert sind. Das Verstärkungsmittel kann in Form einer Verstärkungsschicht, also schichtförmig, im Brückenabschnitt ausgestaltet sein. Unter der Position im Brückenabschnitt kann eine Positionierung und/oder Ausgestaltung des Verstärkungsmittels im und/oder am Brückenabschnitt verstanden werden. Das Verstärkungsmittel kann an der anodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung, an der Membran und/oder an der kathodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung ausgestaltet sein. Das heißt, das Verstärkungsmittel muss nicht direkt an der Membran positioniert sein, um die Stabilität der Membran im wenigstens einen Brückenabschnitt zu erhöhen. Folglich kann unter der katalysatorbeschichteten Membran eine sogenannte CCM (catalyst coated membrane) verstanden werden, an und/oder in welcher das Verstärkungsmittel ausgestaltet ist. Unter dem Erhöhen der Stabilität im Bereich des wenigstens einen Brückenabschnitts kann verstanden werden, dass durch die erfindungsgemäße Positionierung und/oder Ausgestaltung des Verstärkungsmittels die Membran 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 Verstärkungsmittel muss damit keinen Einfluss auf die Materialeigenschaften der Membran selbst nehmen. Vielmehr kann das Verstärkungsmittel als Hilfsstruktur zum lokalen Erhöhen der mechanischen Stabilität und/oder Festigkeit verstanden werden.
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.
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.
Der Spalt kann auf der Anodenseite und/oder auf der Kathodenseite jeweils rahmenförmig oder zumindest teilweise rahmenförmig ausgestaltet sein. Das heißt, in einer Draufsicht auf die Membran-Elektroden-Anordnung kann sich der Spalt jeweils rahmenförmig oder zumindest teilweise rahmenförmig um die jeweilige Transportschicht herum erstrecken. Entsprechend rahmenförmig kann der wenigstens eine Brückenabschnitt ausgestaltet sein.
Unter der Rahmenstruktur kann jeweils eine sogenannte Subgasket verstanden werden, die sich rahmenförmig um die jeweilige Transportschicht herum erstrecken kann. Mithin kann unter der Rahmenstruktur eine Randdichtung in einem äußeren Randbereich der Membran-Elektroden-Anordnung verstanden werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass bei einer Membran-Elektroden-Anordnung das Verstärkungsmittel im wenigstens einen Brückenabschnitt wenigstens teilweise schichtartig direkt auf der Membran aufgetragen und/oder ausgestaltet ist. Auf diese Weise kann die Geometrie der katalysatorbeschichteten Membran im Vergleich zu gattungsgemäßen Membranen unverändert bleiben und trotzdem eine gezielte Stabilisierung des wenigstens einen Brückenabschnitts erreicht werden. Nachdem die Katalysator-Membranbeschichtung im wenigstens einen Brückenabschnitt ohnehin keine oder zumindest keine nennenswerte vorteilhafte Funktion erfüllt, nimmt der erfindungsgemäße Austausch durch das Verstärkungsmittel an dieser Stelle auch keinen negativen Einfluss auf die Funktion der Membran-Elektroden-Anordnung bzw. der Stromerzeugung. Das Verstärkungsmittel kann hierbei vorzugsweise jeweils bis zu einem äußeren Randbereich der Membran ausgestaltet sein. Das heißt, das Verstärkungsmittel kann sich auf der Anodenseite und/oder auf der Kathodenseite zumindest teilweise schichtartig vom äußeren Randbereich der Membran bis hin zur jeweiligen Transportschicht erstrecken. Das Verstärkungsmittel kann demnach zumindest abschnittsweise in einer Querrichtung die gleiche Höhe wie die jeweilige Katalysator-Membranbeschichtung aufweisen und/oder flächenbündig oder im Wesentlichen flächenbündig zur jeweiligen Katalysator- Membranbeschichtung ausgestaltet sein. Das Verstärkungsmittel kann deshalb, insbesondere in Form der jeweiligen Verstärkungsschicht, als Katalysatorersatz in dem Bereich, in welchem sonst die Katalysator-Membranbeschichtung auf die Membran aufgetragen wäre, verstanden werden.
Weiterhin ist es bei einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Anordnung möglich, dass das Verstärkungsmittel wenigstens teilweise vorsprungartig ausgestaltet ist und in den anodenseitigen Spalt und/oder in den kathodenseitigen Spalt ragt. Auf diese Weise kann das Verstärkungsmittel besonders einfach bereitgestellt werden. Das Verstärkungsmittel kann beispielsweise auf eine konventionell gefertigte Membran bzw. auf die jeweilige Katalysator-Membranbeschichtung aufgetragen werden. Da das vorsprungartig aufgetragene Verstärkungsmittel und/oder ein Vorsprung eines sonst schichtweise ausgestalteten Verstärkungsmittels in den jeweiligen Spalt ragen kann, kann das Verstärkungsmittel außerdem besonders platzsparend bereitgestellt werden. Darunter, dass das Verstärkungsmittel wenigstens teilweise vorsprungartig ausgestaltet ist, kann verstanden werden, dass das Verstärkungsmittel vorsprungartig auf die anodenseitige Katalysator- Membranbeschichtung und/oder auf die kathodenseitige Katalysator- Membranbeschichtung aufgetragen ist und/oder dass ein schichtförmiges Verstärkungsmittel wenigstens einen Vorsprung aufweist. Das heißt, zusätzlich zu dem Schichtabschnitt kann das Verstärkungsmittel jeweils einen Vorsprungabschnitt aufweisen. Durch die vorsprungartige Ausgestaltung bzw. den entsprechenden Vorsprung, der optional in den jeweiligen Spalt ragt, kann eine zusätzliche Dichtwirkung zwischen der jeweiligen Transportschicht und der jeweiligen Rahmenstruktur erzielt werden. Hierzu kann es von Vorteil sein, wenn der wenigstens eine Vorsprung des Verstärkungsmittels formschlüssig im anodenseitigen Spalt und/oder im kathodenseitigen Spalt zwischen der jeweiligen Transportschicht und der jeweiligen Rahmenstruktur ausgestaltet ist und/oder die Außenkontur des Vorsprungs für die gewünschte Dichtwirkung entsprechend an den jeweiligen Spalt angepasst ist.
Ferner ist es bei einer Membran-Elektroden-Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, dass sich das Verstärkungsmittel rahmenförmig oder teilweise rahmenförmig um die anodenseitige Transportschicht und/oder um die kathodenseitige Transportschicht herum erstreckt. Auf dieser Weise kann die vorstehend beschriebene Dichtwirkung auf einfache Weise besonders effektiv erreicht werden. Darunter, dass sich das Verstärkungsmittel rahmenförmig oder teilweise rahmenförmig um die jeweilige Transportschicht erstreckt, kann verstanden werden, dass das Verstärkungsmittel auf der Anodenseite und/oder auf der Kathodenseite in einer Draufsicht einen Rahmen oder zumindest teilweise einen Rahmen um die jeweilige Transportschicht bilden kann. Das Verstärkungsmittel kann in dieser Ausführungsform weiterhin als vorsprungartig bzw. im Querschnitt vorsprungartig betrachtet werden. Das vorsprungartig und rahmenförmig ausgestaltete Verstärkungsmittel erstreckt sich bevorzugt innerhalb des ebenfalls rahmenförmig ausgestalteten Spalts auf der Anodenseite und/oder der Kathodenseite.
Darüber hinaus ist es möglich, dass die anodenseitige Transportschicht, die anodenseitige Rahmenstruktur, die kathodenseitige Transportschicht und die kathodenseitige Rahmenstruktur bei einer erfindungsgemäßen Membran- Elektroden-Anordnung dahingehend ausgestaltet sind, dass der anodenseitige Spalt und der kathodenseitige Spalt in einer Querrichtung von der jeweiligen Transportschicht zur zugehörigen Rahmenstruktur versetzt zueinander gebildet sind. Mit anderen Worten, das Kathodenfenster kann kleiner als das Anodenfenster 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 Stapel richtung 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 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.
Außerdem ist es bei einer Membran-Elektroden-Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, dass das Verstärkungsmittel nur auf der Anodenseite ausgestaltet ist. Bei Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich herausgestellt, dass eine Art Unterfütterung der katalysatorbeschichteten Membran nur auf der Anodenseite auf die erfindungsgemäße Weise bereits ausreichend sein kann, um die gewünschte Stabilität gegenüber den relativen Druckverhältnissen zu erreichen. Die Ausgestaltung des Verstärkungsmittels nur auf der Anodenseite kann insbesondere dann ausreichend sein, wenn weitere Maßnahmen zur Stabilisierung, wie beispielsweise die vorstehend beschriebene Konfiguration mit versetzt gebildeten Spalten, vorgenommen werden.
Das Verstärkungsmittel kann bei einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden- Anordnung aus einem Thermoplast und/oder einem Duroplast bestehen. Je nach Konfiguration und Positionierung des Verstärkungsmittels haben sich diese beiden Materialien als besonders geeignet zum Erreichen der gewünschten Stabilität herausgestellt. Insbesondere Polyethersulfon (PES) und/oder Epoxidharz können als Material für das Verstärkungsmittel verwendet werden. Die genannten Materialien lassen sich bei der Fertigung der Membran- Elektroden-Anordnung relativ einfach verarbeiten.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Membranstruktur für eine wie vorstehend im Detail beschriebene Membran-Elektroden-Anordnung, aufweisend die Membran zur schichtartigen Positionierung zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite mit einer anodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung und einer kathodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung, wobei die Membran den wenigstens einen Brückenabschnitt zum Überbrücken des anodenseitigen Spalts und/oder des kathodenseitigen Spalts sowie das Verstärkungsmittel zum lokalen Erhöhen der Stabilität der Membranstruktur im wenigstens einen Brückenabschnitt aufweist. Damit bringt die erfindungsgemäße Membranstruktur im Wesentlichen die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf die erfindungsgemäße Membran-Elektroden- Anordnung beschrieben worden sind. Das Verstärkungsmittel der Membranstruktur kann wie bereits mit Bezug auf die vorstehenden Ausführungsformen beschrieben konfiguriert und ausgestaltet sein.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer wie vorstehend beschriebenen Membran-Elektroden-Anordnung, aufweisend: - Bereitstellen der Membran einschließlich der anodenseitigen Katalysator- Membranbeschichtung und der kathodenseitigen Katalysator- Membranbeschichtung,
- Positionieren der anodenseitigen Rahmenstruktur auf der anodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung und/oder der kathodenseitigen Rahmenstruktur auf der kathodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung,
- Aufträgen des Verstärkungsmittels 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.
Auf diese Weise lässt sich die Membran-Elektroden-Anordnung besonders schnell und einfach herstellen. Bevorzugt kann das Verstärkungsmittel in einen Übergangsbereich zwischen der jeweiligen Katalysator-Membranbeschichtung und der jeweiligen Randstruktur eingebracht, insbesondere eingespritzt, werden, sodass das Verstärkungsmittel nicht nur als Verstärkungsmittel, 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 Verstärkungsmittel 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.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer wie vorstehend beschriebenen Membranstruktur, aufweisend:
- Bereitstellen der Membran
- Aufträgen der anodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung und der kathodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung auf die Membran, und
- Aufträgen des Verstärkungsmittels auf den wenigstens einen Brückenabschnitt der Membran, - wobei das Verstärkungsmittel oberflächenbündig zur anodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung und/oder zur kathodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung aufgetragen wird.
Damit bringt auch dieses Verfahren zumindest teilweise die bereits vorstehend beschriebenen Vorteile mit sich. Das Verstärkungsmittel kann oberflächenbündig oder im Wesentlichen oberflächenbündig zur anodenseitigen Katalysator- Membranbeschichtung und/oder zur kathodenseitigen Katalysator- Membranbeschichtung aufgetragen werden. Darunter, dass das Verstärkungsmittel auf den wenigstens einen Brückenabschnitt der Membran zumindest teilweise oberflächenbündig zur anodenseitigen Katalysator- Membranbeschichtung und/oder zur kathodenseitigen Katalysator- Membranbeschichtung aufgetragen wird, kann verstanden werden, dass die Membranstruktur zumindest außerhalb des Brückenabschnitts und/oder eines möglichen Vorsprungs am Brückenabschnitt mit einer konstanten und/oder gleichbleibenden Höhe ausgestaltet wird. Das Verstärkungsmittel kann als Kunststoff, insbesondere als Duroplast und/oder Thermoplast, aufgetragen, insbesondere aufgespritzt, werden.
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.
Es zeigen jeweils schematisch:
Figur 1 eine Membran-Elektroden-Anordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 2 eine Membran-Elektroden-Anordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, Figur 3 eine Membran-Elektroden-Anordnung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 4 eine Membran-Elektroden-Anordnung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 5 eine Membran-Elektroden-Anordnung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 6 eine Membran-Elektroden-Anordnung gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 7 eine Membran-Elektroden-Anordnung gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
Figur 8 ein Flussdiagramm zum Erläutern eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt eine Membran-Elektroden-Anordnung 10 für eine Elektrolysezelle gemäß einer ersten Ausführungsform. Wie in Fig. 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. 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 Membran 41 weist einen Brückenabschnitt 44 auf, der sich brückenartig über den anodenseitigen Spalt 23 und über den kathodenseitigen Spalt 33 erstreckt. Ergänzend weist die Membran-Elektroden- Anordnung ein Verstärkungsmittel 50 zum lokalen Erhöhen der Stabilität der Membran 41 im Brückenabschnitt 44 gegenüber dort herrschenden Differenz- bzw. Relativdrücken auf. Das in Fig. 1 gezeigte Verstärkungsmittel 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 Verstärkungsmittel 50 auf der Anodenseite 20 rahmenförmig um die anodenseitige Transportschicht 21 und auf der Kathodenseite 30 rahmenförmig um die kathodenseitige Transportschicht 31 herum. Als Material für das Verstärkungsmittel 50 wurde Polyethersulfon verwendet.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ist das Verstärkungsmittel 50 im Brückenabschnitt 44 und darüber hinaus bis zu einem äußeren Randbereich der Membran 41 schichtartig direkt auf der Membran 41 aufgetragen.
Die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform entspricht im Wesentlichen einer Kombination aus den ersten beiden Ausführungsformen. Das im Wesentlichen schichtartig ausgestaltete Verstärkungsmittel 50 weist zusätzlich den in Fig. 1 gezeigten Vorsprung bzw. eine entsprechend vorspringende Rahmenstruktur auf.
In Fig. 4 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei welcher das Verstärkungsmittel 50 nur auf der Anodenseite 20 in Form einer Verstärkungsschicht ohne Vorsprung ausgestaltet ist.
Die in Fig. 5 gezeigte Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der in Fig. 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 Fig. 5 gezeigte Membran 41 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.
Die in Fig. 6 gezeigte Ausführungsform entspricht der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform, wobei die beiden Spalten 23, 33 wie in Fig. 5 gezeigt versetzt zueinander gebildet sind.
Fig. 7 entspricht im Wesentlichen einer Kombination der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform mit der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform. So ist das Verstärkungsmittel 50 gemäß der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform auf der Anodenseite 20 und auf der Kathodenseite 30 jeweils schichtförmig direkt auf der Membran 41 ausgestaltet und weist zusätzlich auf beiden Seiten einen Vorsprung auf, der in den jeweiligen Spalt 23, 33 ragt, wobei die Spalten 23, 33 in Querrichtung 60 versetzt zueinander gebildet sind. Das Verstärkungsmittel 50 ist in Fig. 7 auf der Anodenseite 20 und auf der Kathodenseite 30 jeweils als monolithisches Bauteil dargestellt. Gleichwohl ist es möglich, dass der Schichtabschnitt und der Vorsprungsabschnitt separat gefertigt und/oder bereitgestellt werden. Ferner ist es möglich, dass der Schichtabschnitt und der Vorsprungabschnitt unterschiedliche Materialien aufweisen.
Mit Bezug auf Fig. 8 wird anschließend ein Verfahren zum Herstellen einer wie in Fig. 7 gezeigten Membran-Elektroden-Anordnung 10 beschrieben. In einem ersten Schritt S1 wird die Membran 41 bereitgestellt. In einem zweiten Schritt S2 werden die anodenseitige Katalysator-Membranbeschichtung 42 und die kathodenseitige Katalysator-Membranbeschichtung 43 auf die Membran 41 aufgetragen. In einem dritten Schritt S3 wird ein erster Teil des Verstärkungsmittels 50 in Form von Epoxidharz schichtartig auf den wenigstens einen Brückenabschnitt 44, 45 der Membran 41 aufgetragen, sodass das Verstärkungsmittel 50 jeweils oberflächenbündig zur anodenseitigen Katalysator- Membranbeschichtung 42 sowie zur kathodenseitigen Katalysator- Membranbeschichtung 43 ist. In einem vierten Schritt S4 wird an einer durch die Schritte S1 bis S3 vorbereiteten Membranstruktur 40 eine anodenseitige Rahmenstruktur 22 auf dem Schichtabschnitt der anodenseitigen Verstärkungsstruktur 50 positioniert Außerdem wird eine kathodenseitige Rahmenstruktur 32 auf dem Schichtabschnitt der kathodenseitigen Verstärkungsstruktur 50 positioniert. In einem fünften Schritt S5 wird das Verstärkungsmittel 50 nun dahingehend erweitert, dass Epoxidharz zwischen den bereits jeweils vorhandenen Schichtabschnitt des Verstärkungsmittels 50 und die jeweilige Randstruktur 22, 32 gespritzt wird. Anschließend werden in einem sechsten Schritt S6 die anodenseitige Transportschicht 21 auf der anodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung 42 und die kathodenseitige Transportschicht 31 auf der kathodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung 43 positioniert.
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.

Claims

Ansprüche
1 . Membran-Elektroden-Anordnung (10) für eine Elektrolysezelle, aufweisend:
- eine Anodenseite (20) mit einer anodenseitigen Transportschicht (21) und einer anodenseitigen Rahmenstruktur (22), welche wenigstens teilweise rahmenförmig um die anodenseitige Transportschicht (21) ausgestaltet ist,
- eine Kathodenseite (30) mit einer kathodenseitigen Transportschicht (31) und einer kathodenseitigen Rahmenstruktur (32), welche wenigstens teilweise rahmenförmig um die kathodenseitige Transportschicht (31) ausgestaltet ist,
- einen anodenseitigen Spalt (23) zwischen der anodenseitigen Transportschicht (21) und der anodenseitigen Rahmenstruktur (22),
- einen kathodenseitigen Spalt (33) zwischen der kathodenseitigen Transportschicht (31) und der kathodenseitigen Rahmenstruktur (32),
- 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), wobei die Membran (41) wenigstens einen Brückenabschnitt (44, 45) aufweist, der sich brückenartig über den anodenseitigen Spalt (23) und/oder über den kathodenseitigen Spalt (33) erstreckt, und
- ein Verstärkungsmittel (50) zum lokalen Erhöhen der Stabilität der Membran (41) im wenigstens einen Brückenabschnitt (44, 45).
2. Membran-Elektroden-Anordnung (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsmittel (50) im wenigstens einen Brückenabschnitt (44, 45) wenigstens teilweise schichtartig direkt auf der Membran (41) aufgetragen ist.
3. Membran-Elektroden-Anordnung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsmittel (50) wenigstens teilweise vorsprungartig ausgestaltet ist und in den anodenseitigen Spalt (23) und/oder in den kathodenseitigen Spalt (33) ragt.
4. Membran-Elektroden-Anordnung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Verstärkungsmittel (50) rahmenförmig oder teilweise rahmenförmig um die anodenseitige Transportschicht (21) und/oder um die kathodenseitige Transportschicht (31) herum erstreckt.
5. Membran-Elektroden-Anordnung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 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.
6. Membran-Elektroden-Anordnung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsmittel (50) nur auf der Anodenseite (20) ausgestaltet ist
7. Membran-Elektroden-Anordnung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsmittel (50) aus einem Thermoplast und/oder einem Duroplast besteht.
8. Membranstruktur (40) für eine Membran-Elektroden-Anordnung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, aufweisend die Membran (41) zur schichtartigen Positionierung zwischen der Anodenseite (20) und der Kathodenseite (30) mit einer anodenseitigen Katalysator- Membranbeschichtung (42) und einer kathodenseitigen Katalysator- Membranbeschichtung (43), wobei die Membran (41) den wenigstens einen Brückenabschnitt (44, 45) zum Überbrücken des anodenseitigen Spalts (23) und/oder des kathodenseitigen Spalts (33) sowie das Verstärkungsmittel (50) zum lokalen Erhöhen der Stabilität der Membranstruktur (40) im wenigstens einen Brückenabschnitt (44, 45) aufweist.
9. Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, aufweisend:
- Bereitstellen der Membran (41) einschließlich der anodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung (42) und der kathodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung (43),
- Positionieren der anodenseitigen Rahmenstruktur (22) auf der anodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung (42) und/oder der kathodenseitigen Rahmenstruktur (22) auf der kathodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung (42),
- Aufträgen des Verstärkungsmittels (50) auf die anodenseitige Katalysator-Membranbeschichtung (42) und/oder die kathodenseitige Katalysator-Membranbeschichtung (43), und
- Positionieren der anodenseitigen Transportschicht (21) auf der anodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung (42) und/oder der kathodenseitigen Transportschicht (31) auf der kathodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung (43).
10. Verfahren zum Herstellen einer Membranstruktur (40) nach Anspruch 9, aufweisend:
- Bereitstellen der Membran (41)
- Aufträgen der anodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung (42) und der kathodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung (43) auf die Membran (41), und - Aufträgen des Verstärkungsmittels (50) auf den wenigstens einen Brückenabschnitt (44, 45) der Membran (41),
- wobei das Verstärkungsmittel (50) oberflächenbündig zur anodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung (42) und/oder zur kathodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung (43) aufgetragen wird.
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