WO2021151720A1 - Membran-elektroden-anordnung für eine brennstoffzelle - Google Patents

Membran-elektroden-anordnung für eine brennstoffzelle Download PDF

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Anton Ringel
Andreas RINGK
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a membrane electrode assembly, in particular for a fuel cell.
  • Fuel cells with membrane electrode arrangements and bipolar plates are known from the prior art, for example from the laid-open specification DE102015218117 (A1).
  • the membrane-electrode arrangements usually have a membrane and an electrode layer on each side of the membrane, optionally also diffusion layers.
  • the membrane and the electrode layers are framed by a frame structure at their periphery, which is often referred to as a subgasket.
  • the object of the present invention is to provide a membrane-electrode arrangement, in particular for a fuel cell with bipolar plates, which is secured against slipping when stacked and thus enables the individual components to be stacked in a precise position to form a cell stack.
  • the membrane-electrode arrangement has a membrane, with an electrode layer being arranged on each side of the membrane.
  • the membrane and the electrode layers are at least on their periphery partially framed by a frame structure.
  • the frame structure is at least partially formed by an electret.
  • Electets are suitable for storing electrical charges over a longer period of time.
  • the electret is thus a material that generates a quasi permanent electrical field in its environment and can thus ensure electrostatic interactions.
  • a robust stacking, in particular without slipping, of membrane-electrode arrangements and bipolar plates can be implemented to form cell stacks. Functional surfaces of the cell stack thus remain exactly positioned. This is particularly advantageous if the membrane-electrode arrangement and metallic bipolar plates are arranged in a cell stack.
  • the electrochemical cell is a fuel cell, the membrane preferably being a polymer electrolyte membrane.
  • the membrane is very thin and therefore not very stiff.
  • a frame structure is particularly advantageous for such membranes because the frame structure increases the rigidity and strength of the membrane-electrode arrangement.
  • the frame structure is designed over the entire circumference of the membrane-electrode arrangement. This further increases the rigidity and strength of the membrane-electrode arrangement, in particular in the plane perpendicular to the stacking direction.
  • the frame structure advantageously consists of a polymer.
  • the frame structure can on the one hand fulfill tightness functions, on the other hand a certain elasticity can be guaranteed in the stacking direction.
  • the electret is based on polypropylene, polyetherimide or polyphenylene ether. As a result, the electret has a relatively good long-term stability, so that the manufacturing processes up to the stacking process can be handled very flexibly in terms of time.
  • the electret is advantageously embedded in the frame structure like an island, so the frame structure only has selective electret phases.
  • the electrical charges can be restricted to areas in the frame structure which are sufficient for fixing the membrane-electrode arrangement in the stacking process.
  • the invention also relates to an electrochemical cell with a membrane-electrode arrangement according to one of the above embodiments.
  • the membrane-electrode arrangement is arranged between two distributor plates.
  • the distribution plate on the anode side of an electrochemical cell and the distribution plate on the cathode side of the electrochemical cell adjacent thereto are preferably combined to form a bipolar plate.
  • the distributor plates or the bipolar plates are particularly preferably made of metal, so that they interact electrostatically with the membrane-electrode arrangement, ie exert adhesive forces on one another.
  • the invention also relates to a cell stack with a plurality of such electrochemical cells.
  • the electrochemical cells are again preferably designed as fuel cells, and the cell stack is consequently designed as a fuel cell stack.
  • the invention additionally comprises a motor vehicle which has a cell stack designed as a fuel cell stack with alternately arranged membrane electrode arrangements and bipolar plates.
  • the membrane-electrode arrangements have a frame structure with an electret according to one of the embodiments described above.
  • the motor vehicle thus has a robustly stacked cell stack, the functionalities of which are ensured by the very precise positioning of the individual components. This eliminates the need for any complex maintenance work on the cell stack.
  • FIG. 1 schematically shows an electrochemical cell known from the prior art.
  • FIG. 2 shows an electrochemical cell in a perspective exploded view, only the essential areas being shown.
  • FIG. 3 shows a membrane-electrode arrangement in a perspective view, only the essential areas being shown.
  • FIG. 1 shows schematically an electrochemical cell 1 known from the prior art in the form of a fuel cell, only the essential areas being shown.
  • the fuel cell 1 has a membrane 2, in particular a polymer electrolyte membrane.
  • a cathode space 1 a is formed on one side of the membrane 2, and an anode space 1 b on the other side.
  • an electrode layer 3, a diffusion layer 5 and a distributor plate 7 are arranged facing outwards from the membrane 2 - that is, in the normal direction or stacking direction z.
  • an electrode layer 4, a diffusion layer 6 and a distributor plate 8 are arranged in the anode space 1 b facing outwards from the membrane 2.
  • the membrane 2 and the two electrode layers 3, 4 form a membrane-electrode arrangement 10.
  • the two diffusion layers 5, 6 can also be part of the membrane-electrode arrangement 10.
  • the distributor plates 7, 8 have channels 11 for the gas supply - for example air in the cathode space 1 a and hydrogen in the anode space 1 b - to the diffusion layers 5, 6.
  • the diffusion layers 5, 6 typically consist of a carbon fiber fleece on the channel side - ie towards the distributor plates 7, 8 - and on the electrode side - ie towards the electrode layers 3, 4 - of a microporous particle layer.
  • the distributor plates 7, 8 have the channels 11 and thus implicitly also webs 12 adjoining the channels 11. The undersides of these webs 12 consequently form a contact surface 13 of the respective distributor plate 7, 8 with the diffusion layer 5, 6 below.
  • the distribution plate 7 on the cathode side of an electrochemical cell 1 and the distribution plate 8 on the anode side of the electrochemical cell adjacent thereto are usually firmly connected, for example by welded connections, and are thus combined to form a bipolar plate 20.
  • FIG. 2 shows schematically the arrangement of a membrane electrode arrangement 10 between two bipolar plates 20 in a perspective exploded view.
  • distributor openings 30 can also be seen, which are formed both in the membrane-electrode arrangement 10 and in the bipolar plates 20 in the form of recesses.
  • the distribution openings 30 then form distribution channels in the stacking direction z, from which the individual channels 11 of the stacked electrochemical cells 1 are supplied with media.
  • Each membrane electrode arrangement 10 and each bipolar plate 20 advantageously has a total of six distributor openings 30, namely one inlet and one outlet each for the three media anode gas, cathode gas and cooling medium.
  • the membrane-electrode assembly 10 is now at least partially formed from an electret.
  • electrostatic forces prevent slipping between membrane-electrode arrangements 10 and bipolar plates 20 transversely to the stacking direction z.
  • FIG. 3 shows a membrane-electrode arrangement 10 in a perspective view, only the essential areas being shown.
  • the membrane-electrode arrangement 10 has an active surface 15 in its center. At least the membrane 2 and the two electrode layers 3, 4 - optionally also the two diffusion layers 5, 6 - are arranged here.
  • the active surface 15 then interacts in the electrochemical cells 1 with the channels 11 and webs 12 of the distributor plates 7, 8 or the bipolar plates 20.
  • the active surface 15 is framed by a frame structure 16; in the present embodiment, the frame structure 16 is designed to surround the active surface 15 over the entire circumference.
  • the distributor openings 30 for the media anode gas, cathode gas and cooling medium are formed in the frame structure 16.
  • the frame structure 16 is embodied at least partially as an electret.
  • the electret is preferably designed as a polymer, for example based on polypropylene, polyetherimide or polyphenylene ether.
  • the use of the electret means that the frame structure 16 has an electric field, which results in the attractive interaction with the distributor plates 7, 8 or with the bipolar plates 20.
  • the frame structure 16 can be produced entirely as an electret or else only have selective electret phases 17. In the embodiment of FIG. 3, the frame structure has, for example, eight selective electret phases 17, which are embedded in the frame structure 16 like islands.
  • the electret loses its electrical charge at higher temperatures and over time, it can be specifically neutralized when the cell stack is in operation, for example via the relatively high operating temperature. Undesired interactions with the potential of the individual electrochemical cells 1 during operation are thus advantageously avoided.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Membran-Elektroden-Anordnung (10), insbesondere für eine Brennstoffzelle (1). Die Membran-Elektroden-Anordnung (10) weist eine Membran (2) auf, wobei auf beiden Seiten der Membran (2) je eine Elektrodenschicht (3, 4) angeordnet ist. Die Membran (2) und die Elektrodenschichten (3, 4) sind an ihrem Umfang zumindest teilweise von einer Rahmenstruktur (16) eingefasst. Die Rahmenstruktur (16) ist zumindest teilweise als Elektret ausgeführt.

Description

Beschreibung
Titel:
Membran- Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Membran- Elektroden-Anordnung, insbesondere für eine Brennstoffzelle.
Stand der Technik
Brennstoffzellen mit Membran- Elektroden-Anordnungen und Bipolarplatten sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweis aus der Offenlegungsschrift DE102015218117 (Al). Die Membran- Elektroden-Anordnungen weisen dabei üblicherweise eine Membran und auf beiden Seiten der Membran je eine Elektrodenschicht auf, optional auch noch Diffusionslagen. Die Membran und die Elektrodenschichten sind an ihrem Umfang von einer Rahmenstruktur eingefasst, oft wird hier auch von einem Subgasket gesprochen.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun eine Membran- Elektroden- Anordnung, insbesondere für eine Brennstoffzelle mit Bipolarplatten, zur Verfügung zu stellen, welche beim Stapeln gegenüber Verrutschen gesichert ist und so ein positionsgenaues Stapeln der einzelnen Komponenten zu einem Zellenstapel ermöglicht.
Dazu weist die Membran- Elektroden-Anordnung eine Membran auf, wobei auf beiden Seiten der Membran je eine Elektrodenschicht angeordnet ist. Die Membran und die Elektrodenschichten sind an ihrem Umfang zumindest teilweise von einer Rahmenstruktur eingefasst. Die Rahmenstruktur ist zumindest teilweise von einem Elektret ausgebildet.
Elektrete eignen sich zur Speicherung von elektrischen Ladungen über einen längeren Zeitraum. Das Elektret ist somit ein Material, welches ein quasi permanentes elektrisches Feld in seiner Umgebung erzeugt und somit für elektrostatische Wechselwirkungen sorgen kann. Durch den Einsatz des Elektrets kann ein robustes Stapeln, insbesondere ohne Verrutschen, von Membran- Elektroden-Anordnungen und Bipolarplatten zu Zellenstapeln umgesetzt werden. Funktionale Flächen des Zellenstapels bleiben somit exakt positioniert. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Membran- Elektroden- Anordnung und metallische Bipolarplatten in einem Zellenstapel angeordnet sind.
Elektrete verlieren zwar bei höheren Temperaturen und über die Zeit ihre elektrische Ladung, dies ist für den Einsatz in der Rahmenstruktur jedoch sogar vorteilhaft, da die elektrostatische Wechselwirkung zu den Bipolarplatten nur während des Stapelprozesses benötigt wird, nicht aber im Betrieb der Brennstoffzellen bzw. des Zellenstapels.
In vorteilhaften Ausführungen ist die elektrochemische Zelle eine Brennstoffzelle, wobei die Membran bevorzugt eine Polymerelektrolyt- Membran ist. Eine derartige Membran ist sehr dünn und damit auch wenig steif. Gerade für solche Membranen ist eine Rahmenstruktur sehr vorteilhaft, weil die Rahmenstruktur die Steifigkeit und Festigkeit der Membran- Elektroden-Anordnung erhöht.
In bevorzugten Ausführungen ist die Rahmenstruktur über den gesamten Umfang der Membran- Elektroden-Anordnung ausgeführt. Dadurch werden die Steifigkeit und Festigkeit der Membran- Elektroden-Anordnung weiter erhöht, insbesondere in der Ebene senkrecht zur Stapelrichtung.
Vorteilhafterweise besteht die Rahmenstruktur aus einem Polymer. Dadurch kann die Rahmenstruktur zum einen Dichtheitsfunktionen erfüllen, zum anderen kann in Stapelrichtung eine gewisse Elastizität gewährleistet werden. In bevorzugten Ausführungen ist das Elektret auf Basis von Polypropylen, Polyetherimid oder Polyphenylenether ausgebildet. Dadurch ist weist das Elektret eine relativ gute Langzeitstabilität auf, so dass die Fertigungsverfahren bis zum Stapelprozess zeitlich sehr flexibel gehandhabt werden können.
Vorteilhafterweise ist das Elektret inselartig in die Rahmenstruktur eingebettet, die Rahmenstruktur weist also nur selektive Elektretphasen auf. Dadurch können die elektrischen Ladungen auf Bereiche in der Rahmenstruktur beschränkt werden, die für eine Fixierung der Membran-Elektroden-Anordnung beim Stapelprozess ausreichend ist.
Die Erfindung betrifft auch eine elektrochemische Zelle mit einer Membran- Elektroden-Anordnung nach einer der obigen Ausführungen. Die Membran- Elektroden-Anordnung ist zwischen zwei Verteilerplatten angeordnet. Bevorzugt sind die anodenseitige Verteilerplatte einer elektrochemischen Zelle und die kathodenseitige Verteilerplatte der dazu benachbarten elektrochemischen Zelle dabei zu einer Bipolarplatte zusammengefasst. Die Verteilerplatten bzw. die Bipolarplatten sind besonders bevorzugt metallisch ausgeführt, so dass sie mit der Membran-Elektroden-Anordnung elektrostatisch Zusammenwirken also Haftungskräfte aufeinander ausüben. Demzufolge betrifft die Erfindung auch einen Zellenstapel mit mehreren derartigen elektrochemischen Zellen. Die elektrochemischen Zellen sind dabei wiederum bevorzugt als Brennstoffzellen ausgebildet, und der Zellenstapel demzufolge als Brennstoffzellenstapel.
Die Erfindung umfasst zusätzlich ein Kraftfahrzeug, welches einen als Brennstoffzellenstapel ausgebildeten Zellenstapel mit alternierend angeordneten Membran- Elektroden-Anordnungen und Bipolarplatten aufweist. Die Membran- Elektroden-Anordnungen weisen dabei eine Rahmenstruktur mit einem Elektret nach einer der oben beschriebenen Ausführungen auf. Das Kraftfahrzeug weist somit einen robust gestapelten Zellenstapel auf, dessen Funktionalitäten durch sehr genaues Positionieren der einzelnen Komponenten gewährleistet sind. Aufwändige etwaige Wartungsarbeiten an dem Zellenstapel entfallen dadurch.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt: Figur 1 schematisch eine aus dem Stand der Technik bekannte elektrochemische Zelle.
Figur 2 eine elektrochemische Zelle in perspektivischer Explosionsdarstellung, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
Figur 3 eine Membran- Elektroden-Anordnung in perspektivischer Ansicht, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
Figur 1 zeigt schematisch eine aus dem Stand der Technik bekannte elektrochemische Zelle 1 in Form einer Brennstoffzelle, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Die Brennstoffzelle 1 weist eine Membran 2 auf, insbesondere eine Polymerelektrolyt-Membran. Zu einer Seite der Membran 2 ist ein Kathodenraum la, zu der anderen Seite ein Anodenraum lb ausgebildet.
Im Kathodenraum la sind von der Membran 2 nach außen weisend - also in Normalenrichtung bzw. Stapelrichtung z - eine Elektrodenschicht 3, eine Diffusionslage 5 und eine Verteilerplatte 7 angeordnet. Analog sind im Anodenraum lb von der Membran 2 nach außen weisend eine Elektrodenschicht 4, eine Diffusionslage 6 und eine Verteilerplatte 8 angeordnet. Die Membran 2 und die beiden Elektrodenschichten 3, 4 bilden eine Membran- Elektroden- Anordnung 10. Optional können auch die beiden Diffusionslagen 5, 6 noch Bestandteil der Membran-Elektroden-Anordnung 10 sein.
Die Verteilerplatten 7, 8 weisen Kanäle 11 für die Gaszufuhr - beispielsweise Luft im Kathodenraum la und Wasserstoff im Anodenraum lb -zu den Diffusionslagen 5, 6 auf. Die Diffusionslagen 5, 6 bestehen typischerweise kanalseitig - also zu den Verteilerplatten 7, 8 hin - aus einem Kohlefaserflies und elektrodenseitig - also zu den Elektrodenschichten 3, 4 hin - aus einer mikroporösen Partikelschicht. Die Verteilerplatten 7, 8 weisen die Kanäle 11 und somit implizit auch an die Kanäle 11 angrenzende Stege 12 auf. Die Unterseiten dieser Stege 12 bilden demzufolge eine Kontaktfläche 13 der jeweiligen Verteilerplatte 7, 8 zu der darunterliegenden Diffusionslage 5, 6.
Üblicherweise sind die kathodenseitige Verteilerplatte 7 einer elektrochemischen Zelle 1 und die anodenseitige Verteilerplatte 8 der dazu benachbarten elektrochemischen Zelle fest verbunden, beispielsweise durch Schweißverbindungen, und damit zu einer Bipolarplatte 20 zusammengefasst.
Figur 2 zeigt dazu schematisch die Anordnung einer Membran- Elektroden- Anordnung 10 zwischen zwei Bipolarplatten 20 in perspektivischer Explosionsdarstellung. In Figur 2 sind auch Verteileröffnungen 30 zu sehen, welche sowohl in der Membran-Elektroden-Anordnung 10 als auch in den Bipolarplatten 20 in Form von Ausnehmungen gebildet sind. Beim Übereinanderstapeln der elektrochemischen Zellen 1 bilden die Verteileröffnungen 30 dann Verteilerkanäle in Stapelrichtung z, von denen die einzelnen Kanäle 11 der gestapelten elektrochemischen Zellen 1 mit Medien versorgt werden. Vorteilhafterweise hat jede Membran-Elektroden-Anordnung 10 und jede Bipolarplatte 20 insgesamt sechs Verteileröffnungen 30, nämlich je einen Ein- und Auslass für die drei Medien Anodengas, Kathodengas und Kühlmedium.
Für einen Zellenstapel, welcher aus mehreren - beispielsweise bis zu 500 - elektrochemischen Zellen 1 besteht, müssen also dementsprechend viele Membran-Elektroden-Anordnungen 10 und Bipolarplatten 20 alternierend gestapelt werden. Hierbei müssen die Bipolarplatten 20 und Membran- Elektroden-Anordnungen 10 positionsgenau aufeinander platziert werden, um die bestmögliche Überlappung der funktionellen Bereiche und damit die Funktion des gesamten Zellenstapels zu gewährleisten. Funktionelle Bereiche sind dabei beispielsweise die Kanäle 11 und Stege 12, oder aber auch die Verteileröffnungen 30 oder nicht dargestellte Dichtungen.
Um beim Stapeln der Membran-Elektroden-Anordnungen 10 und Bipolarplatten 20 zu einem Zellenstapel ein positionsgenaues Stapeln ohne Verrutschen zu gewährleisten, wird nun erfindungsgemäß die Membran-Elektroden-Anordnung 10 zumindest teilweise aus einem Elektret gebildet. Insbesondere in Verwendung zusammen mit metallischen Bipolarplatten 20 wird somit also über elektrostatische Kräfte ein Verrutschen zwischen Membran- Elektroden- Anordnungen 10 und Bipolarplatten 20 quer zur Stapelrichtung z verhindert.
Dazu zeigt Figur 3 eine Membran-Elektroden-Anordnung 10 in perspektivischer Ansicht, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Die Membran- Elektroden-Anordnung 10 weist in ihrer Mitte eine aktive Fläche 15 auf. Hier sind zumindest die Membran 2 und die beiden Elektrodenschichten 3, 4 - optional auch noch die beiden Diffusionslagen 5, 6 - angeordnet. Die aktive Fläche 15 wirkt in den elektrochemischen Zellen 1 dann mit den Kanälen 11 und Stegen 12 der Verteilerplatten 7, 8 bzw. der Bipolarplatten 20 zusammen. Die aktive Fläche 15 ist von einer Rahmenstruktur 16 eingefasst, in vorliegender Ausführung ist die Rahmenstruktur 16 die aktive Fläche 15 über den gesamten Umfang umgebend ausgeführt. In der Rahmenstruktur 16 sind die Verteileröffnungen 30 für die Medien Anodengas, Kathodengas und Kühlmedium ausgebildet.
Die Rahmenstruktur 16 ist erfindungsgemäß zumindest teilweise als ein Elektret ausgeführt. Das Elektret ist dabei bevorzugt als ein Polymer ausgeführt, beispielsweise auf Basis von Polypropylen, Polyetherimid oder Polyphenylenether. Durch den Einsatz des Elektrets weist die Rahmenstruktur 16 ein elektrisches Feld auf, wodurch die attraktive Wechselwirkung zur den Verteilerplatten 7, 8 bzw. zu den Bipolarplatten 20 resultiert. Dabei kann die Rahmenstruktur 16 vollständig als Elektret hergestellt sein oder aber auch nur selektive Elektretphasen 17 besitzen. In der Ausführung der Figur 3 weist die Rahmenstruktur beispielsweise acht selektive Elektretphasen 17 auf, welche inselartig in die Rahmenstruktur 16 eingebettet sind.
Da das Elektret bei höheren Temperaturen und über die Zeit seine elektrische Ladung verliert, kann es im Betrieb des Zellenstapels gezielt neutralisiert werden, beispielsweise über die relativ hohe Betriebstemperatur. Ungewollte Wechselwirkungen mit dem Potential der einzelnen elektrochemischen Zellen 1 während des Betriebs werden somit vorteilhaft vermieden.

Claims

Ansprüche
1. Membran- Elektroden-Anordnung (10), insbesondere für eine Brennstoffzelle (1), aufweisend eine Membran (2), wobei auf beiden Seiten der Membran (2) je eine Elektrodenschicht (3, 4) angeordnet ist, wobei die Membran (2) und die Elektrodenschichten (3, 4) an ihrem Umfang zumindest teilweise von einer Rahmenstruktur (16) eingefasst sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenstruktur (16) zumindest teilweise von einem Elektret ausgebildet ist.
2. Membran-Elektroden-Anordnung (10) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (2) als Polymerelektrolyt- Membran ausgeführt ist.
3. Membran-Elektroden-Anordnung (10) nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenstruktur (16) über den gesamten Umfang der Membran-Elektroden-Anordnung (10) ausgeführt ist.
4. Membran-Elektroden-Anordnung (10) einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenstruktur (16) aus einem Polymer besteht.
5. Membran-Elektroden-Anordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Elektret auf Basis von Polypropylen, Polyetherimid oder Polyphenylenether ausgebildet ist.
6. Membran-Elektroden-Anordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenstruktur (16) lediglich selektive Elektretphasen (17) besitzt.
7. Elektrochemische Zelle (1) mit einer Membran-Elektroden-Anordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Membran- Elektroden- Anordnung (10) zwischen zwei Verteilerplatten (7, 8) angeordnet ist, wobei die Verteilerplatten (7, 8) metallisch ausgeführt sind.
8. Zellenstapel mit mehreren elektrochemischen Zellen (1) nach Anspruch 7.
9. Kraftfahrzeug mit einem als Brennstoffzellenstapel ausgeführten Zellenstapel nach Anspruch 8.
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