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DE102021212398A1 - Membrane electrode assembly for an electrochemical cell - Google Patents

Membrane electrode assembly for an electrochemical cell Download PDF

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DE102021212398A1
DE102021212398A1 DE102021212398.8A DE102021212398A DE102021212398A1 DE 102021212398 A1 DE102021212398 A1 DE 102021212398A1 DE 102021212398 A DE102021212398 A DE 102021212398A DE 102021212398 A1 DE102021212398 A1 DE 102021212398A1
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DE
Germany
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membrane
electrode
frame structure
electrode assembly
electrochemical cell
Prior art date
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Application number
DE102021212398.8A
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German (de)
Inventor
Andreas Ringk
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Membran-Elektroden-Einheit (1) für eine elektrochemische Zelle (100). Die Membran-Elektroden-Einheit (1) weist eine Membran (2), eine Elektrodenschicht (3) und eine Rahmenstruktur (16) auf. Die Rahmenstruktur (16) umfasst eine Folie (161), welche mittels eines Klebemittels (163) mit der Membran (2) und/oder mit der Elektrodenschicht (3) verklebt ist. Die Folie (161) überdeckt in einem Randbereich (22) die Elektrodenschicht (3). Die Rahmenstruktur (16) weist in dem Randbereich (22) mindestens eine Ausnehmung (164) auf.The invention relates to a membrane-electrode unit (1) for an electrochemical cell (100). The membrane-electrode unit (1) has a membrane (2), an electrode layer (3) and a frame structure (16). The frame structure (16) comprises a foil (161) which is bonded to the membrane (2) and/or to the electrode layer (3) by means of an adhesive (163). The film (161) covers the electrode layer (3) in an edge area (22). The frame structure (16) has at least one recess (164) in the edge area (22).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Membran-Elektroden-Einheit für eine elektrochemische Zelle, insbesondere für eine Brennstoffzelle.The present invention relates to a membrane electrode assembly for an electrochemical cell, in particular for a fuel cell.

Stand der TechnikState of the art

Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler, bei denen bspw. Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser, elektrische Energie und Wärme gewandelt werden. Brennstoffzellen bzw. Brennstoffzellenstapel sind aus mehrteiligen Zellen aufgebaut, welche abwechselnd übereinander angeordnete Membran-Elektroden-Einheiten und Bipolarplatten aufweisen. Hierbei dienen die Bipolarplatten zur Versorgung der Elektroden mit Edukten und zur Kühlung des Brennstoffzellenstapels. Die Bipolarplatten weisen hierzu eine Verteilerstruktur auf, die Edukt enthaltende Fluide entlang den Elektroden führen; üblicherweise besteht eine Bipolarplatte dabei aus zwei Verteilerplatten. Darüber hinaus dienen die Verteilerstrukturen dazu ein Kühlfluid entlang der weiteren Verteilerstrukturen bzw. innerhalb der Bipolarplatte zu führen. Die Verteilerstrukturen sind üblicherweise als Kanäle ausgebildet, wodurch die unterschiedlichen Fluide leitbar sind.Fuel cells are electrochemical energy converters in which, for example, hydrogen and oxygen are converted into water, electrical energy and heat. Fuel cells or fuel cell stacks are made up of multipart cells which have membrane electrode units and bipolar plates arranged alternately one above the other. Here, the bipolar plates serve to supply the electrodes with educts and to cool the fuel cell stack. For this purpose, the bipolar plates have a distribution structure that guides fluids containing educt along the electrodes; A bipolar plate usually consists of two distributor plates. In addition, the distributor structures serve to guide a cooling fluid along the other distributor structures or within the bipolar plate. The distribution structures are usually designed as channels, through which the different fluids can be conducted.

Ein spezieller Brennstoffzellentyp ist die Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEM-FC). In einem aktiven Bereich einer PEM-FC grenzen an eine Polymerelektrolytmembran (PEM) zwei poröse Elektroden mit einer Katalysatorschicht an. Weiter umfasst die PEM-FC im aktiven Bereich Gasdiffusionslagen (GDL), welche die Polymerelektrolytmembran (PEM) und die zwei porösen Elektroden mit einer Katalysatorschicht beidseitig begrenzen. Die PEM, die beiden Elektroden mit der Katalysatorschicht und optional auch die beiden GDL können eine sog. Membran-Elektroden-Einheit (MEA) in dem aktiven Bereich der PEM-FC bilden. Zwei sich gegenüberliegende Bipolarplatten(-hälften) wiederum begrenzen beidseitig die MEA. Ein Brennstoffzellenstapel ist aus abwechselnd übereinander angeordneten MEA und Bipolarplatten aufgebaut. Mit einer Anodenplatte einer Bipolarplatte findet eine Verteilung des Brennstoffes, insbesondere Wasserstoff, und mit einer Kathodenplatte der Bipolarplatte eine Verteilung des Oxidationsmittels, insbesondere Luft/Sauerstoff, statt. Zur elektrischen Isolierung benachbarter Bipolarplatten, zur Formstabilisierung der MEA und zum Verhindern von einem ungewollten Entweichen des Brennstoffes bzw. des Oxidationsmittels kann die MEA in einer rahmenartigen Öffnung zweier aneinander angeordneten Folien eingefasst werden. Üblicherweise sind die beiden Folien dieser Rahmenstruktur aus dem gleichen Werkstoff, bspw. Polyethylennaphthalat (PEN), gebildet. Die aus dem gleichen Werkstoff gebildeten, beiden Folien können verzichtbar redundante Eigenschaften, bspw. wie eine elektrische Isolierfähigkeit (elektrisch isolierend) und/oder eine Sauerstoffdichtigkeit jeder der beiden Folien, aufweisen. PEM-Elektrolysezellen sind ähnlich aufgebaut.A special type of fuel cell is the polymer electrolyte membrane fuel cell (PEM-FC). In an active area of a PEM-FC, two porous electrodes with a catalyst layer adjoin a polymer electrolyte membrane (PEM). The PEM-FC also includes gas diffusion layers (GDL) in the active area, which delimit the polymer electrolyte membrane (PEM) and the two porous electrodes with a catalyst layer on both sides. The PEM, the two electrodes with the catalyst layer and optionally also the two GDLs can form a so-called membrane-electrode unit (MEA) in the active area of the PEM-FC. Two opposing bipolar plates (halves), in turn, delimit the MEA on both sides. A fuel cell stack is made up of MEA and bipolar plates arranged alternately one above the other. The fuel, in particular hydrogen, is distributed with an anode plate of a bipolar plate, and the oxidizing agent, in particular air/oxygen, is distributed with a cathode plate of the bipolar plate. In order to electrically insulate adjacent bipolar plates, to stabilize the shape of the MEA and to prevent the fuel or the oxidizing agent from escaping unintentionally, the MEA can be enclosed in a frame-like opening of two foils arranged one on top of the other. The two films of this frame structure are usually made of the same material, for example polyethylene naphthalate (PEN). The two films formed from the same material can dispensably have redundant properties, for example electrical insulating ability (electrically insulating) and/or oxygen impermeability of each of the two films. PEM electrolytic cells have a similar structure.

Aus der DE 10 2005 058 370 A1 ist eine Brennstoffzelle bekannt, welche zwei Bipolarplatten aufweist, wobei zwischen den Bipolarplatten eine Membran-Elektroden-Einheit und zwischen der Membran-Elektroden-Einheit und den Bipolarplatten jeweils eine Diffusionslage angeordnet sind. Die Membran-Elektroden-Einheit ist dabei an einem Trägerrahmen bzw. einer Rahmenstruktur angeordnet.From the DE 10 2005 058 370 A1 a fuel cell is known which has two bipolar plates, a membrane-electrode unit being arranged between the bipolar plates and a diffusion layer being arranged between the membrane-electrode unit and the bipolar plates. The membrane electrode unit is arranged on a carrier frame or a frame structure.

In der DE 101 40 684 A1 ist eine Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle, enthaltend eine Schichtanordnung aus einer Anoden-Elektrode, einer Kathoden-Elektrode und einer dazwischen angeordneten Membran, offenbart, wobei auf eine Ober- und Unterseite der Schichtanordnung ein Polymermaterial aufgebracht wird.In the DE 101 40 684 A1 discloses a membrane-electrode unit for a fuel cell, containing a layered arrangement of an anode electrode, a cathode electrode and a membrane arranged between them, a polymer material being applied to a top and bottom side of the layered arrangement.

In den Randbereichen, in denen die Rahmenstruktur die Elektrodenschicht(en) überdeckt, können die Reaktionsfluide nicht der Elektrodenschicht zugeführt werden; es kann hier zu keiner elektrochemischen Reaktion kommen. Der Randbereich ist damit ein nicht-aktiver Bereich der elektrochemischen Zelle.In the edge areas in which the frame structure covers the electrode layer(s), the reaction fluids cannot be supplied to the electrode layer; no electrochemical reaction can occur here. The edge area is therefore a non-active area of the electrochemical cell.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, den Randbereich zumindest teilweise elektrochemisch aktiv zu gestalten und dadurch die Leistung der Brennstoffzelle zu erhöhen.The object of the present invention is to make the edge region at least partially electrochemically active and thereby increase the performance of the fuel cell.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Dazu umfasst die Membran-Elektroden-Einheit eine Membran, eine Elektrodenschicht und eine Rahmenstruktur. Die Rahmenstruktur umfasst eine Folie, welche mittels eines Klebemittels mit der Membran und/oder mit der Elektrodenschicht verklebt ist. Die Folie überdeckt in einem Randbereich die Elektrodenschicht. Die Rahmenstruktur weist in dem Randbereich mindestens eine Ausnehmung auf.For this purpose, the membrane-electrode unit comprises a membrane, an electrode layer and a frame structure. The frame structure comprises a film which is bonded to the membrane and/or to the electrode layer by means of an adhesive. The film covers the electrode layer in an edge area. The frame structure has at least one recess in the edge area.

Die Membran-Elektroden-Einheit umfasst bevorzugt eine flächige Membran, insbesondere eine Polymerelektrolytmembran (PEM). Die Membran-Elektroden-Einheit umfasst bevorzugt zwei poröse Elektrodenschichten mit jeweils einer Katalysatorpaste, wobei die Elektrodenschichten an der Membran angeordnet sind und diese beidseitig begrenzen. Man kann hier insbesondere von einer MEA-3 sprechen. Zusätzlich kann die Membran-Elektroden-Einheit zwei Diffusionslagen umfassen. Diese können insbesondere die MEA-3 beidseitig begrenzen. Man kann hier insbesondere von einer MEA-5 sprechen.The membrane-electrode unit preferably comprises a flat membrane, in particular a polymer electrolyte membrane (PEM). The membrane-electrode unit preferably comprises two porous electrode layers, each with a catalyst paste, the electrode layers being arranged on the membrane and delimiting it on both sides. One can speak here in particular of an MEA-3. In addition, the membrane-electrode assembly can include two diffusion layers. In particular, these can delimit the MEA-3 on both sides. One can speak here in particular of an MEA-5.

Die Ausnehmung definiert bevorzugt einen fluiddurchlässigen Hohlraum. Durch die Ausnehmung kann das Reaktionsfluid an die unter der Folie liegende Elektrodenschicht gelangen, so dass dort die für die elektrochemische Zelle üblichen elektrochemischen Reaktionen ablaufen. Die Leistung bzw. die Leistungsdichte der elektrochemischen Zelle ist dadurch erhöht. Die Steifigkeit der Rahmenstruktur wird jedoch nahezu beibehalten.The recess preferably defines a fluid-permeable cavity. The reaction fluid can reach the electrode layer underneath the film through the recess, so that the electrochemical reactions that are usual for the electrochemical cell take place there. The power or the power density of the electrochemical cell is increased as a result. However, the rigidity of the frame structure is almost maintained.

Bevorzugt weist die Elektrodenschicht in diesem Bereich eine Katalysatorpaste auf. Die Katalysatorpartikel sind bei vielen elektrochemischen Zellen erforderlich, um überhaupt eine elektrochemische Reaktion ablaufen lassen zu können.The electrode layer preferably has a catalyst paste in this area. The catalyst particles are required in many electrochemical cells in order to be able to run an electrochemical reaction at all.

Die Steigerung der Leistung hängt von der Größe bzw. der Anzahl der Ausnehmungen ab. In einer vorteilhaften Ausführung weist die Rahmenstruktur daher in dem Randbereich eine Vielzahl an Ausnehmungen auf.The increase in performance depends on the size or the number of recesses. In an advantageous embodiment, the frame structure therefore has a large number of recesses in the edge area.

Vorteilhafterweise führt die Ausnehmung durch die Folie und durch das Klebemittel. Sowohl Klebemittel als auch Folie überdecken in dem Randbereich also die Elektrodenschicht. Die Folie bzw. die Rahmenstruktur sind in dem Randbereich dadurch vergleichsweise steif mit der Membran bzw. mit der Elektrodenschicht verbunden. In alternativen Ausführungen können jedoch auch nur die Folie oder nur das Klebemittel die Elektrodenschicht überdecken.Advantageously, the recess leads through the film and through the adhesive. Both the adhesive and the film thus cover the electrode layer in the edge area. The film or the frame structure is thus connected to the membrane or to the electrode layer in a comparatively stiff manner in the edge region. In alternative versions, however, only the film or only the adhesive can cover the electrode layer.

In einer vorteilhaften Ausführung der Membran-Elektroden-Einheit weist deren Rahmenstruktur eine weitere Folie auf. Die Folie ist mit der weiteren Folie durch das Klebemittel verbunden. Bevorzugt weist auch die weitere Folie fluiddurchlässige Ausnehmungen auf, so dass im Randbereich die Reaktionsgase bzw. das Reaktionsfluid an die Elektrodenschichten sowohl im Kathodenraum als auch im Anodenraum geführt werden können, um die gewünschte elektrochemische Reaktion zu erzielen.In an advantageous embodiment of the membrane-electrode unit, its frame structure has an additional film. The foil is connected to the other foil by the adhesive. The further film preferably also has fluid-permeable recesses, so that the reaction gases or the reaction fluid can be guided to the electrode layers in the edge area both in the cathode space and in the anode space in order to achieve the desired electrochemical reaction.

Die elektrochemische Zelle kann beispielsweise eine Brennstoffzelle, eine Elektrolysezelle oder eine Batteriezelle sein. Die Brennstoffzelle und die Elektrolysezelle sind dabei insbesondere eine PEM-FC (Polymer-Elektrolyt-Membran Brennstoffzelle) bzw. PEM-EC. Ein Zellenstapel umfasst insbesondere eine Vielzahl an übereinander angeordneten elektrochemischen Zellen.The electrochemical cell can be, for example, a fuel cell, an electrolytic cell or a battery cell. The fuel cell and the electrolytic cell are in particular a PEM-FC (polymer electrolyte membrane fuel cell) or PEM-EC. A cell stack comprises, in particular, a multiplicity of electrochemical cells arranged one above the other.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

  • 1 Schnitt durch eine schematische elektrochemische Zelle, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,
  • 2 Vertikalschnitt einer Membran-Elektroden-Anordnung, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,
  • 3 Vertikalschnitt einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Anordnung, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,
Embodiments of the invention are shown in the drawing and explained in more detail in the following description. It shows:
  • 1 Section through a schematic electrochemical cell, only the essential areas are shown,
  • 2 Vertical section of a membrane electrode assembly, only the essential areas are shown,
  • 3 Vertical section of a membrane electrode assembly according to the invention, with only the essential areas being shown,

1 zeigt schematisch eine aus dem Stand der Technik bekannte elektrochemische Zelle 100 in Form einer Brennstoffzelle, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Die Brennstoffzelle 100 weist eine Membran 2 auf, insbesondere eine Polymerelektrolyt-Membran. Zu einer Seite der Membran 2 ist ein Kathodenraum 100a, zu der anderen Seite ein Anodenraum 100b ausgebildet. 1 shows schematically an electrochemical cell 100 known from the prior art in the form of a fuel cell, only the essential areas being shown. The fuel cell 100 has a membrane 2, in particular a polymer electrolyte membrane. A cathode space 100a is formed on one side of the membrane 2 and an anode space 100b on the other side.

Im Kathodenraum 100a sind von der Membran 2 nach außen weisend - also in Normalenrichtung bzw. Stapelrichtung z - eine Elektrodenschicht 3, eine Diffusionslage 5 und eine Verteilerplatte 7 angeordnet. Analog sind im Anodenraum 100b von der Membran 2 nach außen weisend eine Elektrodenschicht 4, eine Diffusionslage 6 und eine Verteilerplatte 8 angeordnet. Die Membran 2 und die beiden Elektrodenschichten 3, 4 bilden eine Membran-Elektroden-Anordnung 1. Weiterhin sind auch noch die beiden Diffusionslagen 5, 6 Bestandteil der Membran-Elektroden-Anordnung 1.An electrode layer 3, a diffusion layer 5 and a distributor plate 7 are arranged in the cathode chamber 100a, pointing outwards from the membrane 2--ie in the normal direction or stacking direction z. Analogously, an electrode layer 4, a diffusion layer 6 and a distributor plate 8 are arranged in the anode chamber 100b, pointing outwards from the membrane 2. The membrane 2 and the two electrode layers 3, 4 form a membrane-electrode assembly 1. The two diffusion layers 5, 6 are also part of the membrane-electrode assembly 1.

Die Verteilerplatten 7, 8 weisen Kanäle 11 für die Gaszufuhr - beispielsweise Luft im Kathodenraum 100a und Wasserstoff im Anodenraum 100b -zu den Diffusionslagen 5, 6 auf. Die Diffusionslagen 5, 6 bestehen typischerweise kanalseitig - also zu den Verteilerplatten 7, 8 hin - aus einem Kohlefaserflies und elektrodenseitig - also zu den Elektrodenschichten 3, 4 hin - aus einer mikroporösen Partikelschicht.The distributor plates 7, 8 have ducts 11 for the supply of gas--for example air in the cathode space 100a and hydrogen in the anode space 100b--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.

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.The distributor plates 7 , 8 have the channels 11 and thus implicitly also the 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 underlying diffusion layer 5, 6.

Üblicherweise unterscheiden sich kathodenseitige Verteilerplatte 7 und anodenseitige Verteilerplatte 8 voneinander; vorteilhafterweise sind die kathodenseitige Verteilerplatte 7 einer elektrochemischen Zelle 100 und die anodenseitige Verteilerplatte 8 der dazu benachbarten elektrochemischen Zelle fest verbunden, beispielsweise durch Schweißverbindungen, und damit zu einer Bipolarplatte zusammengefasst.Usually, the cathode-side distributor plate 7 and the anode-side distributor plate 8 differ from one another; Advantageously, the cathode-side distributor plate 7 of an electrochemical cell 100 and the anode-side distributor plate 8 of the adjacent electrochemical cell are firmly connected, for example by welded joints, and are thus combined to form a bipolar plate.

2 zeigt in einem Vertikalschnitt die Membran-Elektroden-Anordnung 1 einer elektrochemischen Zelle 100, insbesondere einer Brennstoffzelle, in einem Randbereich, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Die Membran-Elektroden-Anordnung 1 weist die flächige Membran 2, beispielhaft eine Polymerelektrolytmembran (PEM), und die zwei porösen Elektrodenschichten 3 bzw. 4 mit jeweils einer Katalysatorschicht bzw. einer Katalysatorpaste 31, 41 auf, wobei die Elektrodenschichten 3 bzw. 4 mit ihren Katalysatorpasten 31, 41 jeweils an einer Seite bzw. Fläche der Membran 2 angeordnet sind. Weiter weist die elektrochemische Zelle 100 die beiden Diffusionslagen 5 bzw. 6 auf, welche je nach Ausführung auch zur Membran-Elektroden-Anordnung 1 gehören können. 2 shows a vertical section of the membrane-electrode assembly 1 of an electrochemical cell 100, in particular a fuel cell, in an edge region, only the essence common areas are shown. The membrane-electrode assembly 1 has the flat membrane 2, for example a polymer electrolyte membrane (PEM), and the two porous electrode layers 3 and 4, each with a catalyst layer or a catalyst paste 31, 41, the electrode layers 3 and 4 with their catalyst pastes 31, 41 are each arranged on one side or surface of the membrane 2. Furthermore, the electrochemical cell 100 has the two diffusion layers 5 and 6, which can also belong to the membrane-electrode assembly 1, depending on the design.

Die Membran-Elektroden-Anordnung 1 ist an ihrem Umfang von der Rahmenstruktur 16 umgeben, hier spricht man auch von einem Subgasket. Die Rahmenstruktur 16 dient der Steifigkeit und der Dichtheit der Membran-Elektroden-Anordnung 1 und ist ein nicht-aktiver Bereich der elektrochemischen Zelle 100.The membrane electrode assembly 1 is surrounded on its periphery by the frame structure 16, which is also referred to as a subgasket. The frame structure 16 is used for rigidity and tightness of the membrane electrode assembly 1 and is a non-active area of the electrochemical cell 100.

Die Rahmenstruktur 16 ist im Schnitt insbesondere U-förmig bzw. Y-förmig ausgebildet, wobei ein erster Schenkel des U-förmigen Rahmenabschnitts durch eine Folie 161 aus einem ersten Werkstoff W1 gebildet ist und ein zweiter Schenkel des U-förmigen Rahmenabschnitts durch eine weitere Folie 162 aus einem zweiten Werkstoff W2 gebildet ist. Zusätzlich sind die Folie 161 und die weitere Folie 162 mittels eines Klebemittels 163 aus einem dritten Werkstoff W3 zusammengeklebt. Häufig sind der erste Werkstoff W1 und der zweite Werkstoff W2 identisch und aus thermoplastischem Polymer, beispielsweise aus PEN (Polyethylennaphthalat) ausgeführt.The frame structure 16 is particularly U-shaped or Y-shaped in section, with a first leg of the U-shaped frame section being formed by a film 161 made of a first material W1 and a second leg of the U-shaped frame section being formed by a further film 162 is formed from a second material W2. In addition, the foil 161 and the further foil 162 are glued together by means of an adhesive 163 made of a third material W3. The first material W1 and the second material W2 are often identical and are made of a thermoplastic polymer, for example PEN (polyethylene naphthalate).

Die beiden Diffusionslagen 5 bzw. 6 überlappen in einem Randbereich 22 die Rahmenstruktur 16. In dem Randbereich 22 sind die Elektrodenschichten 3, 4 von der Rahmenstruktur 16 bedeckt, es handelt sich hier um einen nicht-aktiven Bereich der elektrochemischen Zelle 100. Alternativ kann die Rahmenstruktur 16 auch die beiden Diffusionslagen 5, 6 mit umgreifen.The two diffusion layers 5 and 6 overlap the frame structure 16 in an edge area 22. In the edge area 22, the electrode layers 3, 4 are covered by the frame structure 16; this is a non-active area of the electrochemical cell 100. Alternatively, the Frame structure 16 also encompass the two diffusion layers 5, 6.

In einem aktiven Bereich 21 sind die Diffusionslagen 5, 6 mit je einer Elektrodenschicht 3, 4 in Kontakt, so dass hier die für die elektrochemische Zelle 100 charakteristische elektrochemische Reaktion ablaufen kann. Die Elektrodenschichten 3, 4 weisen je eine Katalysatorpaste 31, 41 auf, in welcher Katalysatoren, üblicherweise Katalysatorpartikel, eingebettet sind. Die Katalysatorpaste 31, 41 ist üblicherweise ein sehr teurer Bestandteil der elektrochemischen Zelle 100.In an active region 21, the diffusion layers 5, 6 are each in contact with an electrode layer 3, 4, so that the electrochemical reaction that is characteristic of the electrochemical cell 100 can take place here. The electrode layers 3, 4 each have a catalyst paste 31, 41 in which catalysts, usually catalyst particles, are embedded. The catalyst paste 31, 41 is usually a very expensive part of the electrochemical cell 100.

Im nicht-aktiven Randbereich 22 gelangen keine Reaktionsfluide an die in die Elektrodenschichten 3, 4 bzw. Katalysatorpasten 31, 41 eingebetteten Katalysatoren; somit finden im Randbereich 22 keine chemischen Reaktionen statt, die Stromdichte der elektrochemischen Zelle 100 fällt hier also relativ zur aktiven Fläche 21 sehr stark ab bzw. ist sogar Null, selbst wenn hier die teure Katalysatorpaste 31, 41 vorhanden ist.In the non-active edge region 22, no reaction fluids reach the catalysts embedded in the electrode layers 3, 4 or catalyst pastes 31, 41; thus no chemical reactions take place in the edge area 22, the current density of the electrochemical cell 100 therefore drops very sharply here relative to the active surface 21 or is even zero, even if the expensive catalyst paste 31, 41 is present here.

In dem nicht-aktiven Randbereich 22 sind von innen nach außen folgende Komponenten der Membran-Elektroden-Anordnung 1 angeordnet:

  • - Membran 2,
  • - Elektrodenschichten 3, 4 mit Katalysatorpasten 31, 41,
  • - Klebemittel 163,
  • - Folie 161 bzw. weitere Folie 162,
  • - Diffusionslagen 5, 6.
The following components of the membrane-electrode assembly 1 are arranged from the inside to the outside in the non-active edge area 22:
  • - membrane 2,
  • - Electrode layers 3, 4 with catalyst pastes 31, 41,
  • - adhesive 163,
  • - Foil 161 or further foil 162,
  • - Diffusion layers 5, 6.

Erfindungsgemäß weist jetzt die Rahmenstruktur 16 im Randbereich 22 Ausnehmungen 164 auf. Dazu zeigt 3 einen Vertikalschnitt einer Membran-Elektroden-Einheit 1, welche ähnlich zu der Ausführung nach 2 ist.According to the invention, the frame structure 16 now has recesses 164 in the edge area 22 . For this shows 3 a vertical section of a membrane electrode assembly 1, which is similar to the embodiment 2 is.

Die Ausnehmungen 164 sind so ausgebildet, dass sie einen Hohlraum zwischen der jeweiligen Diffusionslage 5, 6 zu der darunterliegenden Elektrodenschicht 3, 4 bilden. Die Ausnehmungen 164 sind dazu in der Folie 161, 162 und/oder in dem Klebemittel 163 ausgebildet, je nach Ausführung der Rahmenstruktur 16. Sind zwischen der Diffusionslage 5, 6 und der darunterliegenden Elektrodenschicht 3, 4 nur die Folie 161, 162 oder nur das Klebemittel 163 angeordnet, dann sind die Ausnehmungen 164 auch nur in der Folie 161, 162 oder nur in dem Klebemittel 163 ausgebildet.The recesses 164 are formed in such a way that they form a cavity between the respective diffusion layer 5, 6 and the electrode layer 3, 4 underneath. For this purpose, the recesses 164 are formed in the foil 161, 162 and/or in the adhesive 163, depending on the design of the frame structure 16. Are there only the foil 161, 162 or only that between the diffusion layer 5, 6 and the underlying electrode layer 3, 4? Adhesive 163 arranged, then the recesses 164 are formed only in the film 161, 162 or only in the adhesive 163.

Durch die Ausnehmungen 164 können die Reaktionsfluide selbst im Randbereich 22 von den Diffusionslagen 5, 6 an die Elektrodenschichten 3, 4 mit den Katalysatorpasten 31, 41 gelangen, so dass dort die für die elektrochemische Zelle 100 typischen elektrochemischen Reaktionen ablaufen. Ein Teil des bislang inaktiven Randbereichs 22 wird somit aktiv, der aktive Bereiche der elektrochemischen Zelle 100 also vergrößert. Daraus resultiert - bei gleichem Bauraum - eine Erhöhung der Leistung der elektrochemischen Zelle 100, die Leistungsdichte der elektrochemischen Zelle 100 wird vergrößert, in der Folge sind die Kosten pro Leistung verringert. Im Stand der Technik war der teure Katalysatoranteil im Randbereich 22 verschenkt, da er quasi deaktiviert war, mit den erfindungsgemäßen Ausnehmungen 164 wird nun der Anteil des deaktivierten Katalysators reduziert. Weiterhin wird durch die Ausnehmungen 164 das Gewicht der Rahmenstruktur 16 reduziert.The reaction fluids can reach the electrode layers 3, 4 with the catalyst pastes 31, 41 even in the edge region 22 from the diffusion layers 5, 6 through the recesses 164, so that the electrochemical reactions typical of the electrochemical cell 100 take place there. A part of the previously inactive edge region 22 thus becomes active, that is to say the active region of the electrochemical cell 100 is enlarged. This results in an increase in the output of the electrochemical cell 100--with the same installation space--the power density of the electrochemical cell 100 is increased, and as a result the costs per output are reduced. In the prior art, the expensive proportion of catalyst in the edge region 22 was wasted because it was more or less deactivated. With the recesses 164 according to the invention, the proportion of the deactivated catalyst is now reduced. Furthermore, the weight of the frame structure 16 is reduced by the recesses 164 .

Die Ausnehmungen 164 beeinträchtigen die Steifigkeit der Rahmenstruktur 16 und damit der Membran-Elektroden-Einheit 1 kaum; diese für die Membran-Elektroden-Einheit 1 wichtige Funktion der Rahmenstruktur 16 wird also nahezu unverändert beibehalten.The recesses 164 hardly impair the rigidity of the frame structure 16 and thus of the membrane-electrode unit 1; these for the Membrane-electrode assembly 1, an important function of the frame structure 16, is thus retained almost unchanged.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • DE 102005058370 A1 [0004]DE 102005058370 A1 [0004]
  • DE 10140684 A1 [0005]DE 10140684 A1 [0005]

Claims (5)

Membran-Elektroden-Einheit (1) für eine elektrochemische Zelle (100), wobei die Membran-Elektroden-Einheit (1) eine Membran (2), eine Elektrodenschicht (3) und eine Rahmenstruktur (16) aufweist, wobei die Rahmenstruktur (16) eine Folie (161) umfasst, welche mittels eines Klebemittels (163) mit der Membran (2) und/oder mit der Elektrodenschicht (3) verklebt ist, wobei die Folie (161) in einem Randbereich (22) die Elektrodenschicht (3) überdeckt, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenstruktur (16) in dem Randbereich (22) mindestens eine Ausnehmung (164) aufweist.Membrane-electrode assembly (1) for an electrochemical cell (100), the membrane-electrode assembly (1) having a membrane (2), an electrode layer (3) and a frame structure (16), the frame structure (16 ) comprises a film (161) which is bonded to the membrane (2) and/or to the electrode layer (3) by means of an adhesive (163), the film (161) having the electrode layer (3) in an edge region (22) covered, characterized in that the frame structure (16) has at least one recess (164) in the edge region (22). Membran-Elektroden-Einheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenstruktur (16) in dem Randbereich (22) eine Vielzahl an Ausnehmungen (164) aufweist.Membrane electrode assembly (1) after claim 1 , characterized in that the frame structure (16) in the edge region (22) has a plurality of recesses (164). Membran-Elektroden-Einheit (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (164) durch die Folie (161) und durch das Klebemittel (163) führt.Membrane electrode assembly (1) after claim 1 or 2 , characterized in that the recess (164) through the film (161) and through the adhesive (163). Membran-Elektroden-Einheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenschicht (3) im Bereich der Ausnehmung (164) eine Katalysatorpaste (31) aufweist.Membrane electrode assembly (1) according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that the electrode layer (3) in the region of the recess (164) has a catalyst paste (31). Membran-Elektroden-Einheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (164) einen fluiddurchlässigen Hohlraum definiert.Membrane electrode assembly (1) according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that the recess (164) defines a fluid-permeable cavity.
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