EP4670216A1

EP4670216A1 - Elektrochemische zelle einer stapelanordnung eines pem-elektrolyseurs oder eines aem-elektrolyseurs oder einer pem-brennstoffzelle

Info

Publication number: EP4670216A1
Application number: EP24705629.4A
Authority: EP
Inventors: Jochen Wessner; Thomas Wagner; Tobias Schuler; Fabian Visschers; Frederik Hug; Annika UTZ; Li Wang; Walter Goorts; Juergen Hackenberg; Harald Bauer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2023-02-21
Filing date: 2024-02-14
Publication date: 2025-12-31
Also published as: DE102023201501A1; CN120752769A; WO2024175431A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrochemische Zelle (10) einer Stapelanordnung (52) eines PEM-Elektrolyseurs oder einer PEM-Brennstoffzelle mit einer Vielzahl elektrochemischer Zellen (10), die beidseits einer beschichteten Membran (14) auf einer Kathodenseite (24) und einer Anodenseite (26) poröse Transportstrukturen (20, 22) aufweisen und die beidseitig über Dichtungen (28, 30) innerhalb der Stapelanordnung (52) abgedichtet sind. Sich beidseits der beschichteten Membran (14) ergebende Spalte (34) zwischen den Dichtungen (28, 30) und den porösen Transportstrukturen (20, 22) sind durch an den Dichtungen (28, 30) vorgesehene, verformbare Dichtelemente (46), insbesondere Dichtnasen oder Dichtlippen, zumindest teilweise verfüllt. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung der elektrochemischen Zelle (10) in einer Stapelanordnung (52) eines PEM-Elektrolyseurs oder einer PEM-Brennstoffzelle.

Description

Elektrochemische Zelle einer Stapelanordnung eines P EM- Elektrolyseurs oder eines AEM- Elektrolyseurs oder einer PEM-Brennstoffzelle

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrochemische Zelle einer Stapelanordnung eines PEM-Elektrolyseurs oder eines AEM-Elektrolyseurs oder einer PEM-Brennstoffzelle mit einer Vielzahl elektrochemischer Zellen. Diese weisen beidseits einer beschichteten Membran auf einer Kathodenseite und einer Anodenseite poröse Transportstrukturen auf und sind beidseitig über Dichtungen innerhalb der Stapelanordnung abgedichtet. Die Erfindung bezieht sich des Weiteren auf ein Verfahren zur Herstellung einer als Dichtschnur ausgebildeten, verformbaren umlaufenden Dichtung einer elektrochemischen Zelle sowie auf die Verwendung der elektrochemischen Zellen in einer Stapelanordnung eines PEM-Elektrolyseurs oder eines AEM-Elektrolyseurs oder einer PEM-Brennstoffzelle.

Stand der Technik

WO 18/196947 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Wasserelektrolysevorrichtung. In der Elektrolysevorrichtung wird in einem Wasserkreislauf aus einem PEM-Elektrolyseur kommendes Wasser einem ersten Wärmetauscher zur Abkühlung, nachfolgend einem Ionenaustauscher, anschließend einem zweiten Wärmetauscher zur Erwärmung und wieder dem PEM-Elektrolyseur zugeführt. Die Wärmetauscher bilden sekundärseitige Teile eines gemeinsamen Wärmeträgerkreislaufs, der eine Kühlvorrichtung aufweist, durch welche der Wärmeträgerstrom zur Steuerung und/oder Regelung der Temperatur des dem Ionenaustauscher und/oder dem PEM-Elektrolyseur zugeführten Wassers teilweise oder gar nicht durchgeleitet wird. PEM-Elektrolyseure, AEM-Elektrolyseure und PEM-Brennstoffzellen werden wie Wärmetauscher aus gestapelten flachen Elementen aufgebaut. Dabei werden durch die flachen Elemente eine Anodenseitenkammer und eine Kathodenseitenkammer mit einer selektiv trennenden Membran gebildet. Die Membran soll dabei analog der PEM-Brennstoffzelle beim PEM-Elektrolyseur nur Kationen zur Kathode, also in der Regel H+-Ionen passieren lassen. Im Falle eines alkalischen AEM- Elektrolyseurs, 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. 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. Das Abdichten kann dabei durch Dichtungsplatten oder flächig aufgetragene Dichtmasse oder durch Dichtschnüre in Form von O-Ringen erfolgen.

Die flächig ausgebildeten Dichtungen erfordern eine relativ hohe Verpressungskraft und einen hohen Materialeinsatz. Da bei Elektrolysezellen oder Brennstoffzellen der aktive Bereich in der Regel durch ein Strömungsfeld (Flussfeld) und in der Regel durch eine poröse Struktur gebildet ist, ist anzustreben, die Dichtung an das Flussfeld ohne Spalt anzuschließen, um zu verhindern, dass Reaktionsedukte oder Produkte durch einen Spalt um das Flussfeld herum strömen statt dieses zu passieren. Insbesondere an einem Port beziehungsweise an einem Anschlussbereich ist eine Abdichtung ohne Spalt an z. B. ein Flussfeld nicht immer möglich. Hier wird durch den oben geschilderten Differenzdruck die Membran in die Spalte zwischen einander gegenüberliegenden Dichtungen sowie dem gegenüberliegenden Flussfeld gedrückt. Werden beispielsweise O-Ringe zur Abdichtung eingesetzt, so sind die O-Ringe fertigungstechnisch in der Regel rund ausgebildet, d. h. sie werden mit einem kreisrunden Schnurquerschnitt und kreisrunder Hauptabmessung gefertigt. Hierdurch ergeben sich Hauptabmessungen in der Größe des Schnurdurchmessers, was beim Spritzgießen relativ große Formen notwendig macht. Des Weiteren sind große Maschinen mit relativ hohen Fertigungskosten erforderlich, selbst wenn der Bereich innerhalb eines großen Dichtrings mit vielen kleinen Dichtringen ausgefüllt würde, um die Pressenform bestmöglich auszunutzen.

Darstellung der Erfindung

Es wird eine elektrochemische Zelle einer Stapelanordnung eines PEM- oder AEM-Elektrolyseurs oder einer PEM-Brennstoffzelle vorgeschlagen, mit einer Vielzahl elektrochemischer Zellen, die beidseits einer beschichteten Membran auf einer Kathodenseite und einer Anodenseite poröse Transportstrukturen aufweisen und die beidseitig über Dichtungen innerhalb der Stapelanordnung abgedichtet sind. Sich beidseits der beschichteten Membran ergebende Spalte zwischen den Dichtungen und den porösen Transportstrukturen sind durch an den Dichtungen vorgesehene verformbare Dichtelemente, insbesondere Dichtnasen oder Dichtlippen, zumindest teilweise verfüllt.

Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Ausgestaltung der Dichtungen können die Druckverhältnisse innerhalb einer Stapelanordnung in vorteilhafter Weise dazu genutzt werden, die Dichtelemente, die an den Dichtungen angegossen oder ausgebildet sind, aufgrund der herrschenden Druckverteilung so zu verformen, dass diese dichtend an die Membran anliegen und eine unzulässige Auslenkung, also eine unzulässige Verformung der Membran aufgrund des Druckgradienten vermieden wird.

In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen elektrochemischen Zelle sind die Dichtungen als Flachdichtungen oder als Dichtschnur ausgeführt.

In vorteilhafter Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen elektrochemischen Zelle können die Dichtungen mit einer diese versteifenden Einlage versehen werden. Dies erhöht die Bauteilstabilität und insbesondere die Formstabilität einer später aus einer Vielzahl von elektrochemischen Zellen aufgestapelten Stapelanordnung eines PEM-Elektrolyseurs oder einer PEM- Brennstoffzelle erheblich.

In vorteilhafter Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen elektrochemischen Zellen sind Dichtungen um die porösen Transportstrukturen umlaufend ausgeführt Durch eine derartige Ausgestaltung der Dichtungen lässt sich eine größtmögliche Abdichtungssicherheit erreichen.

In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen elektrochemischen Zelle umfassen die Dichtungen den porösen Transportstrukturen zugewandte, verformbare Dichtelemente, die insbesondere als Dichtlippen oder als Dichtnasen ausgeführt sind.

In vorteilhafter Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen elektrochemischen Zelle sind die den porösen Transportstrukturen zugewandten Dichtelemente derart verformbar, dass diese durch eine Druckverteilung auf Kathoden- und/oder Anodenseite in die abzudichtenden Spalte an eine Oberseite und/oder an eine Unterseite der Membran in Anlage gestellt sind. So kann unter Ausnutzung der an der elektrochemischen Zelle vorherrschenden Druckverteilung eine vorteilhafte Abdichtung der porösen Transportstrukturen gegen austretende Medien erreicht werden, ohne dass weitere Dichtmaßnahmen erforderlich wären.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der elektrochemischen Zelle sind an eine Oberseite und/oder eine Unterseite der Membran angrenzende Bereiche der Dichtungen und/oder der porösen Transportstrukturen als Verrundungen oder in ellipsenförmiger Geometrie ausgeführt.

In vorteilhafter Weise ist die elektrochemische Zelle derart ausgestaltet, dass die porösen Transportstrukturen mit einem Kantenbruch versehen sind, der mit einem Kantenbruch einer angrenzenden Dichtung eine Anlagefläche ausbildet. Alternativ kann vorgesehen werden, dass ein Kantenbruch mit einer oder auch zwei Verrundungen eine Anlagefläche für die beschichtete Membran ausbildet.

Die Geometrie einer derartigen Anlagefläche ist beispielsweise derart beschaffen, dass eine Höhe des Kantenbruchs bis zu 50 % einer Dicke der Membran beträgt und eine Breite des Kantenbruchs das Ein- bis Zehnfache einer Höhe des Kantenbruchs betragen kann. Durch eine derartig konfigurierte Anlagefläche wird eine aufgrund der herrschenden Druckgradienten mögliche, die Membran mechanisch stark beanspruchende Verformung innerhalb der Stapelanordnung wirksam vermieden beziehungsweise begrenzt

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene elektrochemische Zelle ist derart beschaffen, dass eine Dicke der porösen Transportstrukturen zwischen 50 pm bis 5000 pm, bevorzugt zwischen 200 pm und 2000 pm und besonders bevorzugt zwischen 300 und 500 pm beträgt. Dadurch kann dem Umstand Rechnung getragen werden, dass bei einer porösen Transportstruktur, die ein Streckmetallgitter umfasst, geringere Dicken gewählt werden können.

Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen elektrochemischen Zelle weisen als Dichtschnur ausgeführte Dichtungen eine der Membran zuweisende Planseite auf.

In vorteilhafter Weise ist die Planseite einer als Dichtschnur ausgebildeten Dichtung derart beschaffen, dass zumindest ein Ende, vorzugsweise beide Enden der Planseite, mit einem Dichtelement versehen sind, welches beispielsweise nasenförmig ausgebildet sein kann.

Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen elektrochemischen Zelle ist im Fall der Ausbildung eines Kantenbruchs als ellipsenförmige Geometrie diese derart beschaffen, dass eine Fläche an einer langen Halbachse der ellipsenförmigen Geometrie den Dichtungen zuweist und eine Fläche an einer kurzen Halbachse der ellipsenförmigen Geometrie der Membran zuweist.

Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auch auf ein Verfahren zur Herstellung einer als Dichtschnur ausgebildeten, verformbaren, umlaufenden Dichtung einer elektrochemischen Zelle mit den nachfolgenden Verfahrensschritten: a) Einbringen einer serpentinenförmig verlaufenden Vertiefung in ein Formwerkzeug, b) Aufbringen eines ebenen Deckels auf die mit einer Formmasse verfüllte serpentinenförmig verlaufende Vertiefung im Formwerkzeug zur Abformung einer Planseite mit an diesen angrenzenden Dichtelementen und c) Entnahme der Dichtschnur mit Planseite und der diese begrenzenden Dichtelemente aus einem Formwerkzeug.

Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung der elektrochemischen Zelle in einer Stapelanordnung eines PEM-Elektrolyseurs oder einer PEM-Brennstoffzelle.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung ermöglicht es, die Druckverteilung um eine elektrochemische Zelle, die in einer Stapelanordnung aufgenommen ist, auszunutzen, um vorzugsweise umlaufend ausgeführte, verformbare Dichtelemente in Anlage an eine beschichtete Membran, auf der sich beispielsweise das Flussfeld befindet, dichtend anzustellen. Dadurch können weitere Dichtelemente, insbesondere umlaufend ausgeführte vermieden werden.

In vorteilhafter Weise sind die Dichtelemente direkt beispielsweise an Dichtschnüren oder an Flachdichtungen bei deren Herstellung angegossen oder angespritzt und bevorzugt aus einem verformbaren Kunststoffmaterial hergestellt. Aufgrund der Druckverteilung um die elektrochemische Zelle können sowohl die ein höheres Druckniveau aufweisende Kathodenseite als auch die in der Regel ein niedrigeres Druckniveau aufweisende Anodenseite wirksam gegeneinander abgedichtet werden. Insbesondere kann durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung erreicht werden, dass Spalte, die sich beim Aufbau der elektrochemischen Zelle aufgrund von Fertigungstoleranzen ergeben, durch die Dichtungen, wenngleich nicht vollständig ausgefüllt werden, so doch zumindest verringert werden. Dadurch ist eine unzulässig hohe Verformung der beschichteten Membran ausgeschlossen, die im Extremfall zu einem Bruch derselben führen könnte. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung lassen sich insbesondere Anlageflächen schaffen, die durch rund oder ellipsenförmig ausgeführte Dichtungen begrenzt sind, die ein Knicken der empfindlichen beschichteten Membran vermeiden.

Beispielsweise können durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung Anlageflächen erzeugt werden, die einerseits durch einen Kantenbruch der porösen Transportstruktur und andererseits durch einen korrespondierenden Kantenbruch an der diese umlaufend umgebenden Dichtung gebildet werden. Der Kantenbruch ist insbesondere gratfrei ausgebildet Es kann anstelle einer durch einen Kantenbruch ausgebildeten Anlagefläche auch eine Rundung oder eine ellipsenförmige Geometrie ausgebildet sein. Die jeweiligen Kantenbrüche sind so dimensioniert, dass diese in der Größenordnung der typischen Verformungswerte der beschichteten Membran liegen. Eine Höhe der Kantenbrüche beträgt bis zu 50 % der Dicke der beschichteten Membran, während eine Breite des Kantenbruchs zwischen dem Ein- und dem Zehnfachen der Höhe des Kantenbruchs betragen kann, um eine wirksame Auflage der beschichteten Membran zu erreichen. Typischerweise liegen die Werte für die Dicke einer porösen Transportstruktur zwischen 50 pm bis 5000 pm, insbesondere zwischen 300 pm bis 500 pm.

Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung können die Druckverhältnisse auf der Anoden- beziehungsweise Kathodenseite der elektrochemischen Zelle dazu ausgenutzt werden, eine Leckage von Prozessgasen oder Prozessfluiden H2O, H2 oder O2 unter relativ hohem Druck in Richtung der Spalte zu vermeiden; insbesondere kann vermieden werden, dass die beschichtete Membran in insbesondere scharfkantig ausgebildete Spalte kriecht oder quillt. Die beschichtete Membran quillt durch Wasseraufnahme, wobei das Quellverhalten abhängig vom Anpressdruck sein kann. Da im Spalt beziehungsweise Freiraum der Gegendruck geringer ist, quillt die Membran hier übermäßig, so dass durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung einer Membranschwächung wirksam entgegengewirkt werden kann. Durch diese Präventionsmaßnahme wird ein Kontakt der porösen Transportstrukturen mit scharfkantigen Kanten vermieden. Des Weiteren wird der mechanischen Last während des Betriebs aufgrund des herrschenden Druckgradienten beidseits der beschichteten Membran sowie einer Rissbildung in der beschichteten Membran wirksam entgegengewirkt.

Aufgrund der herrschenden Druckverhältnisse, insbesondere der Druckunterschiede auf Kathoden- und Anodenseite der erfindungsgemäß vorgeschlagenen elektrochemischen Zelle, ist die Dichtkraft abhängig von den herrschenden Drücken auf der Kathoden- und der Anodenseite.

Durch die Anwendung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung können die Toleranzen der eingesetzten Bauteile weiter gefasst werden, des Weiteren verlängert sich die Lebenszeit durch die verbesserte Abstützung gegen die mechanische Belastung. Es lassen sich dünnere beschichtete Membranen einsetzen, da deren geringe mechanische Festigkeit aufgrund der geringeren Verformung nicht mehr das alleinige Auslegekriterium ist. Des Weiteren kann ein Betrieb der elektrochemischen Zelle in einer Stapelanordnung eines PEM- Elektrolyseurs oder einer PEM-Brennstoffzelle unter höheren Temperaturen oder Drücken zugelassen werden, was den Wirkungsgrad einer derartigen Stapelanordnung erheblich verbessert. Insbesondere kann durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung innerhalb einer Stapelanordnung eine einzelne elektrochemische Zelle auf beiden Seiten, d. h. auf der Kathodenseite und der Anodenseite, erfindungsgemäß abgedichtet werden. Sollten sich die Druckverhältnisse zwischen Anoden- und Kathodenseite umkehren, so ist ebenfalls innerhalb der Stapelanordnung eine sichere Abdichtung der beschichteten Membran und der diese durchströmenden Medien gegen Leckage gewährleistet.

Da für ein industrielles schnelles oder Hochgeschwindigkeitsstapeln, also Fügen der porösen Strukturen in einen Zellrahmen oder in eine umlaufende Dichtung, normalerweise eine größere Toleranz oder Einführschrägen oder ein hoher Positionieraufwand erforderlich wären, kann bei der erfindungsgemäßen Ausführung dieser Aufwand deutlich reduziert werden, da sich die Dichtungsnase beim Stapeln senkrecht zur Membranebene an die poröse Struktur anlegt.

Zudem kann im Rahmen einer Wiederverwendung oder Instandsetzung eine im Beschichtungsbereich zu stark beschichtete Membran demontiert werden. Diese kann beispielsweise im Rahmen eines Teiletauschs durch ein neues Bauteil in Gestalt einer beschichteten Membran ersetzt werden, und nach einer erneuten Montage lässt sich eine derart wieder instandgesetzte elektrochemische Zelle innerhalb einer Stapelanordnung weiterverwenden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen: Figur 1 einen Schnitt durch eine elektrochemische Zelle,

Figur 2 die Darstellung des Kriechverhaltens der beschichteten Membran in einem spaltförmigen Freiraum,

Figur 3 ein Hineinkriechen der beschichteten Membran in einen Freiraum bei umgekehrter Druckverteilung im Vergleich zu Figur 2,

Figur 4 eine Darstellung von kritischen Bereichen,

Figur 5 die Darstellung von Dichtungen oberhalb und unterhalb der beschichteten Membran im Bereich eines Medienlängskanals,

Figuren 6.1 - 6.3 die Ausbildung von umlaufenden Dichtelementen an als Flachdichtungen ausgebildeten Dichtungen oberhalb der beschichteten Membran,

Figur 7 eine Darstellung der Dichtelemente an den Dichtungen beidseits der beschichteten Membran,

Figur 8 eine schematische Darstellung einer Stapelanordnung eines PEM- Elektrolyseurs,

Figuren 8.1 und 8.2 unterschiedliche Geometrien von Dichtungen und porösen Transportstrukturen in den Bereichen beidseits der Membran, wo diese aneinanderstoßen,

Figur 9 die Darstellung der Geometrie einer als Dichtschnur ausgebildeten Dichtung,

Figur 10 den in einem Formwerkzeug hergestellten Dichtkörper,

Figur 11 die Draufsicht auf ein beispielhaft dargestelltes Formwerkzeug mit einer serpentinenförmig verlaufenden Vertiefung zur Aufnahme der die Dichtschnur formenden Formmasse. Figur 1 zeigt eine elektrochemische Zelle 10, die eine Einzelzelle 12 darstellt und eine beschichtete Membran 14 umfasst. Die Membran 14 umfasst eine Oberseite 16 und eine Unterseite 18 und ist beidseits mit porösen Transportstrukturen 20, 22 versehen. Eine Kathodenseite ist mit Bezugszeichen 24 bezeichnet, während eine Anodenseite mit Bezugszeichen 26 bezeichnet ist. Die porösen Transportstrukturen 20, 22 auf der Kathodenseite 24 und der Anodenseite 26 sind jeweils von einer umlaufend ausgebildeten ersten Dichtung 28 beziehungsweise von einer zweiten umlaufend ausgeführten Dichtung 30 umschlossen. Die Dichtungen 28, 30 können mit versteifenden Einlagen 32 versehen sein. Zwischen den porösen Transportstrukturen 20, 22 und den diese umgebenden, hier als Flachdichtungen ausgebildeten Dichtungen 28, 30 ergeben sich aufgrund der Fertigungstoleranzen Spalte 34. Werden die Dichtungen 28, 30 bei der Montage gedrückt, schließt sich der Spalt 34 bei einer korrekten Dimensionierung. Die Zwickel im Bereich der Kantenbrüche 54 der Spalte 34 bleiben jedoch stets offen.

Den Figuren 2 und 3 ist zu entnehmen, dass die beschichtete Membran 14 aufgrund des Druckniveaus auf einer Druckseite 38 in den Spalt 34, der zwischen der zweiten Dichtung 30 und der porösen Transportstruktur 22 auf der Anodenseite liegt, hineinkriecht. Kehren sich die Druckverhältnisse im Vergleich zu Figur 2 um, so erfolgt - wie in Figur 3 dargestellt - ein Hineinkriechen der beschichteten Membran 14 an ihrer Oberseite 16 in den obenliegenden spaltförmigen Freiraum 34 zwischen der ersten Dichtung 28 und der porösen Transportstruktur 20 auf der Kathodenseite 24 der elektrochemischen Zelle 10. Die in den Figuren 2 und 3 dargestellten Effekte sind hinsichtlich der Lebensdauer der beschichteten Membran 14 äußerst nachteilig und somit zu vermeiden.

Figur 4 ist zu entnehmen, dass die Spalte beziehungsweise Freiräume 34, insbesondere unterhalb der angrenzenden Bereiche zwischen der ersten Dichtung 28 und der porösen Transportstruktur 20 sowie im Grenzbereich zwischen der zweiten Dichtung 30 und der porösen Transportstruktur 22 an der Unterseite 18 der beschichteten Membran 14 auftreten.

Figur 5 zeigt, dass sich im Bereich eines Medienlängskanals 42 in angrenzenden Bereichen zwischen der porösen Transportstruktur 20 auf der Kathodenseite 24 und der beschichteten Membran 14 einerseits und auf der Unterseite 18 in angrenzenden Bereichen zwischen der zweiten Dichtung 30 und der porösen Transportstruktur 22 auf der Anodenseite 26 andererseits das in Figur 4 angedeutete Kriechen 36 der Membran 14 erfolgt. Dies erfolgt bei entsprechender Druckverteilung zwischen der Druckseite 38 und der Niederdruckseite 40.

Ausführungsformen der Erfindung

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.

Der Figurensequenz der Figuren 6.1 , 6.2 und 6.3 ist zu entnehmen, dass die erste Dichtung 28, die in dieser Ausführungsvariante als Flachdichtung ausgeführt ist, neben der versteifenden Einlage 32 ein Dichtelement 46 umfasst. Das Dichtelement 46 gemäß Figur 6.1 kann als umlaufende Dichtlippe oder als umlaufende Dichtnase ausgebildet sein. Sowohl die erste Dichtung 28 als auch die zweite Dichtung 30, die hier ebenfalls als Flachdichtung ausgeführt ist, verlaufen umlaufend um die porösen Transportstrukturen 20, 22, die sich auf der Oberseite 16 beziehungsweise an der Unterseite 18 der beschichteten Membran 14 befinden, die das Flussfeld für die Medien aufweist. Die Dichtungen 28, 30 werden vorzugsweise aus flexibel verformbarem elastischem Kunststoffmaterial hergestellt.

Figur 6.2 ist zu entnehmen, dass sich im spaltförmigen Freiraum 34 zwischen der porösen Transportstruktur 20 und der ersten Dichtung 28 eine Druckverteilung 48 einstellt, welche auf das Dichtelement 46, ob als umlaufende Nase oder als umlaufende Lippe ausgeführt, einwirkt. Dadurch wird das Dichtelement 46 an die Oberseite 16 der beschichteten Membran 14 angestellt.

Dies ist insbesondere der Darstellung gemäß Figur 6.3 zu entnehmen. Aufgrund der Verformbarkeit des Dichtelements 46 reicht das Druckniveau, welches auf der Druckseite 38, d. h. auf der Kathodenseite 24 der elektrochemischen Zelle 10 herrscht, aus, um das Dichtelement 46 in dichtender Anlage 50 an die Oberseite 16 der beschichteten Membran 14 anzustellen. Figur 7 ist zu entnehmen, dass in dieser Ausführungsvariante der ersten Dichtung 28, hier ausgeführt als Flachdichtung, als auch der zweiten Dichtung 30, hier ebenfalls ausgeführt als Flachdichtung mit versteifender Einlage 32, ein umlaufendes Dichtelement 46 ausgebildet ist Bei Umkehrung der Druckverhältnisse, wie im Zusammenhang mit den Figuren 2 und 3 in Bezug auf die beschichtete Membran 14 dargestellt, kann durch die Ausführungsvariante gemäß Figur 7 eine beidseitige Abdichtung der beschichteten Membran 14 gegen die spaltförmig ausgebildeten Freiräume 34 erreicht werden. Auch in dieser Ausführungsvariante werden die Dichtelemente 46, ob umlaufende Dichtnasen oder umlaufende Dichtlippen, aus verformbarem, elastischem Kunststoffmaterial hergestellt, welches, wie in Figur 6.3 dargestellt, in dichtender Anlage 50 auf beide Seiten, d. h. die Oberseite 16 und die Unterseite 18 der beschichteten Membran 14, gebracht werden kann.

Figur 8 zeigt in schematischer Weise eine Stapelanordnung 52 von elektrochemischen Zellen 10 innerhalb eines PEM-Elektrolyseurs. Bei der Stapelanordnung 52 kann es sich alternativ auch um eine solche handeln, die bei einer PEM-Brennstoffzelle zum Einsatz kommt.

Aus den Figuren 8.1 und 8.2 gehen verschiedene Geometrien von Grenzbereichen zwischen der ersten Dichtung 28 und der porösen Transportstruktur 20 an der Oberseite 16 der beschichteten Membran 14 sowie der zweiten Dichtung 30 und der porösen Transportstruktur 22 an der Unterseite 18 der beschichteten Membran 14 hervor.

Figur 8.1 zeigt, dass hier, insbesondere an der Unterseite 18 der beschichteten Membran 14 dargestellt, die zweite Dichtung 30 sowie auch die poröse Transportstruktur 22 unterhalb der beschichteten Membran 14 jeweils einen Kantenbruch 54 aufweisen. Die beiden Katenbrüche 54 der einander zuweisenden zweiten Dichtung 30 und der porösen Transportstruktur 22 auf der Anodenseite 26 bilden eine keilförmig konfigurierte Auflagefläche 56. Diese ist jedoch weniger tief als die Spalte 34, wie sie im Zusammenhang mit den Figuren 2 und 3 dargestellt sind, so dass durch die Auflagefläche 56 in verringerter Tiefe eine erheblich geringere Auslenkung der beschichteten Membran 14 möglich ist. Dadurch können Rissbildung sowie eine übermäßige mechanische Beanspruchung der beschichteten Membran 14 vermieden werden. An den Kantenbrüchen 54, wie sie in Figur 8.1 dargestellt sind, können auch Verrundungen 58 (vgl. Figur 8.2) in den aneinander angrenzenden Bauteilen von erster Dichtung 28 und poröser Transportstruktur 20 auf der Oberseite 16 der beschichteten Membran 14 realisiert werden. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, die aneinandergrenzenden Bereiche der Dichtungen 28, 30 beziehungsweise der porösen Transportstrukturen 20, 22 auch in ellipsenförmigen Geometrien 60 auszubilden. Aus der schematischen Darstellung gemäß Figur 8.2 geht hervor, dass die ellipsenförmige Geometrie 60 eine lange Halbachse 62 sowie eine kurze Halbachse 64 aufweist. Die zu diesen korrespondierenden Flächen sind derart ausgebildet, dass die Fläche der langen Halbachse 62 der ellipsenförmigen Kontur 60 zur Fläche der ersten Dichtung 28 und die Fläche der kurzen Halbachse 64 der ellipsenförmigen Kontur 60 zur Fläche der beschichteten Membran 14 zeigt. Die in Bezug auf die im Zusammenhang mit Figur 8.1 erwähnten Kantenbrüche 54 liegen in der Größenordnung typischer Verformungswerte der beschichteten Membran 14. So liegt eine Höhe 68 der Kantenbrüche 54 im Bereich von bis zu 50 % einer Dicke 70 der beschichteten Membran 14, während eine Breite 72 der Kantenbrüche 54 das Ein- bis Zehnfache der Höhe 68 der Kantenbrüche 54 beträgt, um eine gute Auflage zu erreichen. Im Allgemeinen beträgt eine Höhe 74 der porösen Transportstruktur 20, 22 zwischen 50 pm bis 5000 pm, insbesondere zwischen 300 pm bis 500 pm.

Aus der Darstellung gemäß Figur 8 ergibt sich, dass der Kantenbruch 54 einerseits sowie ein weiterer Kantenbruch 66 andererseits die keilförmig verlaufende Auflagefläche 56 bilden. Entsprechend der Neigung der Kantenbrüche 54, 66 ergibt sich eine größere oder geringere Breite 72 der Auflagefläche 56.

Durch die in den Figuren 8.1 und 8.2 dargestellten Geometrien, also eine sanft geneigte Auflagefläche 56, eine elliptische Geometrie 60 oder eine Verrundung 58 der angrenzenden Bereiche der Komponenten 20, 22, 28, 30 ergeben sich wesentlich geringere Kriechmöglichkeiten zur Auslenkung der beschichteten Membran 14 im Betrieb der elektrochemischen Zelle 10 aufgrund der hohen Druckunterschiede beidseits der beschichteten Membran 14. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann die Auslenkung der beschichteten Membran 14 wirksam sowohl in Richtung der Oberseite 16 als auch in Richtung von deren Unterseite 18 begrenzt werden, so dass die mechanische Beanspruchung der beschichteten Membran 14 aufgrund der Druckverteilung erheblich herabgesetzt wird. Dadurch lässt sich die Lebensdauer der elektrochemischen Zellen 10, aufgenommen in der Stapelanordnung 52 einer PEM-Brennstoffzelle oder eines PEM-Elektrolyseurs erheblich verlängern sowie die Effektivität im Betrieb der Stapelanordnung 52 erheblich verbessern.

Den Darstellungen gemäß den Figuren 9 und 10 ist zu entnehmen, dass das Dichtelement 28, 30 auch als Dichtschnur 86 gefertigt werden kann. Eine als Dichtschnur 86 gefertigte Dichtung 28, 30 kann so beschaffen sein, dass diese an ihrer Oberseite eine Planseite 82 aufweist, die zumindest an einem Ende von einem nasenförmigen Vorsprung, der ein Dichtelement 46 bildet, begrenzt ist. Aus den Darstellungen gemäß den Figuren 9 und 10 ergibt sich, dass ein Dichtkörper 80 einer Dichtschnur 86 einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist. Die beidseits der Planseite 82 angegossenen Dichtelemente 46 verfüllen die Bereiche, an welchen das als Dichtschnur 86 ausgebildete Dichtelement 46 hier beispielsweise an die poröse Transportstruktur 22 auf der Anodenseite 26, d. h. der Unterseite 18 der beschichteten Membran 14 angrenzt. Wie in Figur 9 dargestellt, wird aufgrund der Geometrie der als Dichtschnur 86 gefertigten Dichtung 28, 30 der Spalt beziehungsweise der Freiraum 34, der sich gemäß den Figuren 2 und 3 zur porösen Transportstruktur 22 auf der Anodenseite 26 der beschichteten Membran 14 erstreckt, wirksam ausgefüllt, so dass sich die beschichtete Membran 14 aufgrund des Druckgradienten zwischen der Druckseite 38 und der Niederdruckseite 40 nicht verformen kann.

Aus Figur 11 geht in schematischer Weise hervor, dass ein Formwerkzeug 88 zur Fertigung einer als Dichtschnur 86 ausgebildeten Dichtung 28, 30 eine serpentinenförmig verlaufende Vertiefung 90 aufweist. Das Formwerkzeug 88, wie es in Figur 11 in schematischer Weise in der Draufsicht gezeichnet ist, wird durch einen planen Deckel verschlossen, so dass sich bei Verfüllen der serpentinenförmig verlaufenden Vertiefungen 90 im Formwerkzeug 88 jene in Figur 10 dargestellte Planseite 82 an der Oberseite des Dichtkörpers 80 einstellt. Aufgrund der Geometrie der serpentinenförmig verlaufenden Vertiefung 90 im Formwerkzeug 88 werden an der Planseite 82, ein- oder beidseitig, besagte, hier nasenförmig ausgebildete Dichtelemente 46 unmittelbar bei der Herstellung des Dichtkörpers 80 hergestellt. Bei einem Verfahren zur Herstellung der Dichtschnur 86 als verformbare umlaufende Dichtung 28, 30 einer elektrochemischen Zelle 10 werden nachfolgende Verfahrensschritte durchlaufen: a) Einbringen einer serpentinenförmig verlaufenden Vertiefung 90 in ein Formwerkzeug 88, b) Aufbringen eines ebenen Deckels auf die mit einer Formmasse verfüllte, serpentinenförmig verlaufende Vertiefung 90 im Formwerkzeug 88 zur Abformung einer Planseite 82 und an diese angrenzender Dichtelemente 46 und c) Entnahme der endlosen Dichtschnur 86 mit Planseite 82 und der diese begrenzenden Dichtelemente 46 aus dem Formwerkzeug 88.

Das Formwerkzeug 88, welches in Figur 11 nur schematisch dargestellt ist, wird nicht mittig getrennt, sondern in eine Formseite wird die serpentinenförmig verlaufende Vertiefung 90 eingebracht und zum Spritzgießen ein ebener Deckel aufgelegt. Somit ergeben sich beidseits der Planseite 82 besagte Dichtelemente 46. Diese Dichtelemente 46, hier ausgebildet in Nasenform, können zur Verfüllung der spaltförmigen Hohlräume 34 oberhalb und unterhalb der beschichteten Membran 14 genutzt werden.

Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ausführungsvarianten von als Flachdichtungen oder als Dichtschnüre 86 ausgebildeten Dichtungen 28, 30 kann eine wirksame Abdichtung der elektrochemischen Zelle 10, insbesondere aufgenommen in einer Stapelanordnung 52 eines PEM-Elektrolyseurs oder einer PEM-Brennstoffzelle erreicht werden. Die Leckage von Medien, wie beispielsweise H2O, H2 oder O2 kann durch die aufgrund der herrschenden Druckverhältnisse vorliegende Verformung der Dichtelemente 46 vermieden werden. Somit ist sichergestellt, dass die Medien das Flussfeld der beschichteten Membran 14 durchströmen und nicht in andere Bereiche eindringen.

Wie vorstehend beschrieben, ist bei entsprechend mit Verrundungen 58, ellipsenförmigen Geometrien 60 beziehungsweise mit moderater Neigung ausgebildeten Auflageflächen 56 zwischen den aneinander angrenzenden Bauteilen eine zu starke Auslenkung der beschichteten Membran 14 aufgrund der herrschenden Druckverteilung zwischen der Kathodenseite 24 und der Anodenseite 26 ausgeschlossen, was die Lebensdauer der erfindungsgemäß vorgeschlagenen elektrochemischen Zelle 10 sowie deren Betrieb erheblich verbessert. Insbesondere können scharfkantige Übergänge, die zu Rissbildungen in der beschichteten Membran 14 führen können, in signifikanter Weise vermieden werden, was der Lebensdauer der erfindungsgemäß vorgeschlagenen elektrochemischen Zelle 10 überaus zuträglich ist.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche

1. Elektrochemische Zelle (10) einer Stapelanordnung (52) eines PEM- Elektrolyseurs oder eines AEM-Elektrolyseurs oder einer PEM- Brennstoffzelle, mit einer Vielzahl elektrochemischer Zellen (10), die beidseits einer beschichteten Membran (14) auf einer Kathodenseite (24) und einer Anodenseite (26) poröse Transportstrukturen (20, 22) aufweisen und die beidseitig über Dichtungen (28, 30) innerhalb der Stapelanordnung (52) abgedichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass sich beidseits der beschichteten Membran (14) ergebende Spalte (34) zwischen den Dichtungen (28, 30) und den porösen Transportstrukturen (20, 22) durch an den Dichtungen (28, 30) vorgesehene verformbare Dichtelemente (46), insbesondere Dichtnasen oder Dichtlippen zumindest teilweise verfüllt sind.

2. Elektrochemische Zelle (10) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungen (28, 30) als Flachdichtungen oder als Dichtschnur (86) ausgeführt sind.

3. Elektrochemische Zelle (10) gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungen (28, 30) mit einer diese versteifenden Einlage (32) versehen sind.

4. Elektrochemische Zelle (10) gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungen (28, 30) um die porösen Transportstrukturen (20, 22) umlaufend ausgeführt sind.

5. Elektrochemische Zelle (10) gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungen (28, 30) den porösen Transportstrukturen (20, 22) zugewandte, verformbare Dichtelemente (46), insbesondere Dichtlippen oder Dichtnasen umfassen.

6. Elektrochemische Zelle (10) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die den porösen Transportstrukturen (20, 22) zugewandten Dichtelemente (46) derart verformbar sind, dass diese durch eine Druckverteilung (48) in die abzudichtenden Spalte (34) an eine Oberseite (16) und/oder eine Unterseite (18) der Membran (14) in Anlage (50) gestellt sind.

7. Elektrochemische Zelle (10) gemäß den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an eine Oberseite (16) und/oder eine Unterseite (18) der Membran (14) angestellte Bereiche der Dichtungen (28, 30) und/oder der porösen Transportstrukturen (20, 22) als Verrundungen (58) oder in ellipsenförmiger Geometrie (60) ausgeführt sind.

8. Elektrochemische Zelle (10) gemäß den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die porösen Transportstrukturen (20, 22) mit einem Kantenbruch (54) versehen sind, der mit einem Kantenbruch (54) einer angrenzenden Dichtung (28, 30) eine Auflagefläche (56) ausbildet oder ein Kantenbruch (54) mit einer Verrundung (58) oder zwei aneinandergrenzenden Verrundungen (58) eine Auflagefläche (56) ausbildet.

9. Elektrochemische Zelle (10) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Höhe (68) des Kantenbruchs (54) bis zu 50 % einer Dicke (70) der Membran (14) beträgt.

10. Elektrochemische Zelle (10) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Breite (72) des Kantenbruchs (34) das Einbis Zehnfache einer Höhe (68) des Kantenbruchs (54) beträgt.

11. Elektrochemische Zelle (10) gemäß den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die porösen Transportstrukturen (20, 22) eine Dicke zwischen 50 pm bis 2000 pm, insbesondere zwischen 300 pm bis 500 pm aufweisen.

12. Elektrochemische Zelle (10) gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Dichtschnur (86) ausgeführte Dichtungen (28, 30) eine der Membran (14) zuweisende Planseite (82) aufweisen.

13. Elektrochemische Zelle (10) gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Planseite (82) zumindest an einem Ende mit einem Dichtelement (46) versehen ist.

14. Elektrochemische Zelle (10) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ellipsenförmige Geometrie (60) derart ausgeführt ist, dass eine Fläche an einer langen Halbachse (62) der ellipsenförmigen Geometrie (60) den Dichtungen (28, 30) zuweist und eine Fläche an einer kurzen Halbachse (64) der ellipsenförmigen Geometrie (60) der Membran (14) zuweist.

15. Verfahren zur Herstellung einer als Dichtschnur (86) ausgebildeten, verformbaren umlaufenden Dichtung (28, 30) für eine elektrochemische Zelle (10) mit nachfolgenden Verfahrensschritten: a) Einbringen einer serpentinenförmig verlaufenden Vertiefung (90) in ein Formwerkzeug (88); b) Aufbringen eines ebenen Deckels auf die mit einer Formmasse verfüllte, serpentinenförmig verlaufende Vertiefung (90) im Formwerkzeug (88) zur Abformung einer Planseite (82) und der an diese angrenzenden Dichtelemente (46); c) Entnahme der Dichtschnur (86) mit Planseite (82) und der an diesen angrenzenden Dichtelemente (46) aus dem Formwerkzeug (88).

16. Verwendung der elektrochemischen Zelle (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 in einer Stapelanordnung (52) eines PEM- Elektrolyseurs oder eines AEM-Elektrolyseurs oder einer PEM- Brennstoffzelle.