DE102023201501A1

DE102023201501A1 - Electrochemical cell of a stacked arrangement of a PEM electrolyzer or an AEM electrolyzer or a PEM fuel cell

Info

Publication number: DE102023201501A1
Application number: DE102023201501.3A
Authority: DE
Inventors: Annika Utz; Fabian Visschers; Frederik Hug; Harald Bauer; Jochen Wessner; Juergen Hackenberg; Li Wang; Thomas Wagner; Tobias Schuler; Walter Goorts
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2023-02-21
Filing date: 2023-02-21
Publication date: 2024-08-22
Also published as: 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.The invention relates to an electrochemical cell (10) of a stack arrangement (52) of a PEM electrolyzer or a PEM fuel cell with a plurality of electrochemical cells (10) which have porous transport structures (20, 22) on both sides of a coated membrane (14) on a cathode side (24) and an anode side (26) and which are sealed on both sides by seals (28, 30) within the stack arrangement (52). Gaps (34) resulting on both sides of the coated membrane (14) between the seals (28, 30) and the porous transport structures (20, 22) are at least partially filled by deformable sealing elements (46) provided on the seals (28, 30), in particular sealing noses or sealing lips. Furthermore, the invention relates to the use of the electrochemical cell (10) in a stack arrangement (52) of a PEM electrolyzer or a PEM fuel cell.

Description

Technisches GebietTechnical area

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.The invention relates to an electrochemical cell of a stack arrangement of a PEM electrolyzer or an AEM electrolyzer or a PEM fuel cell with a large number of electrochemical cells. These have porous transport structures on both sides of a coated membrane on a cathode side and an anode side and are sealed on both sides by seals within the stack arrangement. The invention also relates to a method for producing a deformable circumferential seal of an electrochemical cell designed as a sealing cord and to the use of the electrochemical cells in a stack arrangement of a PEM electrolyzer or an AEM electrolyzer or a PEM fuel cell.

Stand der TechnikState of the art

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. WO 18/196947 A1 relates to a method for operating a water electrolysis device. In the electrolysis device, water coming from a PEM electrolyzer is fed in a water circuit to a first heat exchanger for cooling, then to an ion exchanger, then to a second heat exchanger for heating and back to the PEM electrolyzer. The heat exchangers form secondary parts of a common heat transfer circuit which has a cooling device through which the heat transfer medium flow is partially or not at all passed for controlling and/or regulating the temperature of the water fed to the ion exchanger and/or the PEM electrolyzer.

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.PEM electrolyzers, AEM electrolyzers and PEM fuel cells are constructed like heat exchangers from stacked flat elements. The flat elements form an anode side chamber and a cathode side chamber with a selectively separating membrane. Analogous to the PEM fuel cell, the membrane in the PEM electrolyzer should only allow cations to pass to the cathode, i.e. usually H+ ions. In the case of an alkaline AEM electrolyzer, which is operated on the anode side and/or cathode side with an alkaline solution, for example a KOH solution, only anions, i.e. usually OH ions, pass towards the anode. For the sake of simplicity, the PEM electrolyzer is explained below as an example. In the case of a PEM electrolyzer, water is added to the anode side chamber and water and oxygen are removed. The chamber formed on the cathode side preferably contains the majority of the hydrogen formed. Preferably, the hydrogen chamber on the cathode side has a higher pressure, for example in the order of 30 bar, which is higher than the pressure acting on the anode side chamber, which is in the order of between 1 bar and 5 bar. The above-mentioned chambers must be sealed against each other in the stack. Sealing can be achieved using sealing plates or sealing compound applied over the surface or using sealing cords in the form of O-rings.

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.The flat seals require a relatively high compression force and a high material usage. Since the active area in electrolysis cells or fuel cells is usually formed by a flow field and usually by a porous structure, the aim is to connect the seal to the flow field without a gap in order to prevent reaction reactants or products from flowing through a gap around the flow field instead of passing through it. In particular at a port or at a connection area, a seal without a gap on a flow field, for example, is not always possible. Here, the differential pressure described above presses the membrane into the gap between opposing seals and the opposing flow field. If, for example, O-rings are used for sealing, the O-rings are usually round in terms of manufacturing technology, i.e. they are manufactured with a circular cord cross-section and circular main dimensions. This results in main dimensions the size of the cord diameter, which requires relatively large molds for injection molding. Furthermore, large machines with relatively high manufacturing costs are required, even if the area inside a large sealing ring were filled with many small sealing rings in order to make the best possible use of the press mold.

Darstellung der ErfindungDescription of the invention

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.An electrochemical cell of a stack arrangement of a PEM or AEM electrolyzer or a PEM fuel cell is proposed, with a plurality of electrochemical cells which have porous transport structures on both sides of a coated membrane on a cathode side and an anode side and which are sealed on both sides by seals within the stack arrangement. Gaps arising on both sides of the coated membrane between the seals and the porous transport structures are at least partially filled by deformable sealing elements provided on the seals, in particular sealing noses or sealing lips.

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.The design of the seals proposed according to the invention allows the pressure conditions within a stack arrangement to be advantageously can be used to deform the sealing elements, which are cast or formed on the seals, due to the prevailing pressure distribution in such a way that they lie tightly against the membrane and an inadmissible deflection, i.e. an inadmissible deformation of the membrane due to the pressure gradient, is avoided.

In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen elektrochemischen Zelle sind die Dichtungen als Flachdichtungen oder als Dichtschnur ausgeführt.In an advantageous embodiment of the electrochemical cell proposed according to the invention, the seals are designed as flat seals or as sealing cord.

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 an advantageous development of the electrochemical cell proposed according to the invention, the seals can be provided with an insert that stiffens them. This significantly increases the component stability and in particular the dimensional stability of a stack arrangement of a PEM electrolyzer or a PEM fuel cell that is later stacked from a large number of electrochemical cells.

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 an advantageous development of the electrochemical cells proposed according to the invention, seals are designed to run all the way around the porous transport structures. By designing the seals in this way, the greatest possible sealing reliability can be achieved.

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 an advantageous embodiment of the electrochemical cell proposed according to the invention, the seals comprise deformable sealing elements facing the porous transport structures, which are designed in particular as sealing lips or as sealing noses.

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 an advantageous development of the electrochemical cell proposed according to the invention, the sealing elements facing the porous transport structures are deformable in such a way that they are placed in contact with an upper side and/or an underside of the membrane by a pressure distribution on the cathode and/or anode side in the gaps to be sealed. In this way, by utilizing the pressure distribution prevailing at the electrochemical cell, an advantageous sealing of the porous transport structures against escaping media can be achieved without further sealing measures being required.

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 an advantageous development of the electrochemical cell, regions of the seals and/or the porous transport structures adjacent to an upper side and/or a lower side of the membrane are designed as rounded areas or in elliptical geometry.

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.The electrochemical cell is advantageously designed in such a way that the porous transport structures are provided with a broken edge, which forms a contact surface with a broken edge of an adjacent seal. Alternatively, it can be provided that a broken edge with one or two rounded areas forms a contact surface for the coated membrane.

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.The geometry of such a contact surface is designed, for example, such that the height of the edge break is up to 50% of the thickness of the membrane and the width of the edge break can be one to ten times the height of the edge break. A contact surface configured in this way effectively prevents or limits deformation within the stack arrangement that is possible due to the prevailing pressure gradients and that places great mechanical stress on the membrane.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene elektrochemische Zelle ist derart beschaffen, dass eine Dicke der porösen Transportstrukturen zwischen 50 µm bis 5000 µm, bevorzugt zwischen 200 µm und 2000 µm und besonders bevorzugt zwischen 300 und 500 µm beträgt. Dadurch kann dem Umstand Rechnung getragen werden, dass bei einer porösen Transportstruktur, die ein Streckmetallgitter umfasst, geringere Dicken gewählt werden können.The electrochemical cell proposed according to the invention is designed such that the thickness of the porous transport structures is between 50 µm and 5000 µm, preferably between 200 µm and 2000 µm and particularly preferably between 300 and 500 µm. This makes it possible to take into account the fact that smaller thicknesses can be selected for a porous transport structure that comprises an expanded metal grid.

Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen elektrochemischen Zelle weisen als Dichtschnur ausgeführte Dichtungen eine der Membran zuweisende Planseite auf.In the electrochemical cell proposed according to the invention, seals designed as sealing cords have a flat side facing the membrane.

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.Advantageously, the flat side of a seal designed as a sealing cord is designed such that at least one end, preferably both ends of the flat side, are provided with a sealing element, which can be designed, for example, in the shape of a nose.

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.In the electrochemical cell proposed according to the invention, in the case of the formation of an edge break as an elliptical geometry, this is designed in such a way that a surface on a long semi-axis of the elliptical geometry is assigned to the seals and a surface on a short semi-axis of the elliptical geometry is assigned to the membrane.

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.

The invention also relates to a method for producing a deformable, circumferential seal of an electrochemical cell designed as a sealing cord, with the following method steps:

a) Making a serpentine-shaped recess in a mold,
b) Applying a flat cover to the serpentine-shaped recess in the mould, which is filled with a moulding compound, to form a flat side with sealing elements adjacent to it and
c) Removal of the sealing cord with flat side and the sealing elements limiting it from a mold.

Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung der elektrochemischen Zelle in einer Stapelanordnung eines PEM-Elektrolyseurs oder einer PEM-Brennstoffzelle.Furthermore, the invention relates to the use of the electrochemical cell in a stack arrangement of a PEM electrolyzer or a PEM fuel cell.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

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.The solution proposed according to the invention makes it possible to exploit the pressure distribution around an electrochemical cell, which is accommodated in a stack arrangement, in order to seal preferably circumferentially designed, deformable sealing elements in contact with a coated membrane on which, for example, the flow field is located. This makes it possible to avoid further sealing elements, in particular circumferentially designed ones.

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.The sealing elements are advantageously cast or injection-molded directly onto sealing cords or flat seals during their manufacture, for example, and are preferably made from a deformable plastic material. Due to the pressure distribution around the electrochemical cell, both the cathode side, which has a higher pressure level, and the anode side, which generally has a lower pressure level, can be effectively sealed against one another. In particular, the solution proposed according to the invention can ensure that gaps that arise during the construction of the electrochemical cell due to manufacturing tolerances are, if not completely filled, then at least reduced by the seals. This prevents an unacceptably high deformation of the coated membrane, which in extreme cases could lead to it breaking. The solution proposed according to the invention can in particular create contact surfaces that are delimited by round or elliptical seals that prevent the sensitive coated membrane from buckling.

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 µm bis 5000 µm, insbesondere zwischen 300 µm bis 500 µm.For example, the solution proposed according to the invention can be used to create contact surfaces that are formed on the one hand by an edge break of the porous transport structure and on the other hand by a corresponding edge break on the seal that surrounds it. The edge break is in particular designed to be burr-free. Instead of a contact surface formed by an edge break, a curve or an elliptical geometry can also be formed. The respective edge breaks are dimensioned such that they are in the order of magnitude of the typical deformation values of the coated membrane. The height of the edge breaks is up to 50% of the thickness of the coated membrane, while the width of the edge break can be between one and ten times the height of the edge break in order to achieve effective support for the coated membrane. Typically, the values for the thickness of a porous transport structure are between 50 µm and 5000 µm, in particular between 300 µm and 500 µm.

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.The solution proposed according to the invention makes it possible to use the pressure conditions on the anode or cathode side of the electrochemical cell to prevent process gases or process fluids H ₂ O, H ₂ or O ₂ from leaking under relatively high pressure in the direction of the gaps; in particular, it is possible to prevent the coated membrane from creeping or swelling in gaps that have sharp edges. The coated membrane swells by absorbing water, and the swelling behavior can depend on the contact pressure. Since the counterpressure is lower in the gap or free space, the membrane swells excessively here, so that the solution proposed according to the invention can effectively counteract a weakening of the membrane. This preventive measure prevents the porous transport structures from coming into contact with sharp edges. Furthermore, the mechanical load during operation due to the prevailing pressure gradient on both sides of the coated membrane and the formation of cracks in the coated membrane are effectively counteracted.

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.Due to the prevailing pressure conditions, in particular the pressure differences on the cathode and anode sides of the electrochemical cell proposed according to the invention, the sealing force depends on the prevailing pressures on the cathode and anode sides.

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.By applying the solution proposed by the invention, the tolerances of the components used can be broadened, and the service life is also extended due to the improved support against mechanical stress. Thinner coated membranes can be used, since their low mechanical strength is no longer the sole design criterion due to the lower deformation. Furthermore, operation of the electrochemical cell in a stack arrangement of a PEM electrolyzer or a PEM fuel cell can be permitted at higher temperatures or pressures. which significantly improves the efficiency of such a stack arrangement. In particular, the solution proposed according to the invention allows a single electrochemical cell to be sealed on both sides within a stack arrangement, ie on the cathode side and the anode side. Should the pressure conditions between the anode and cathode sides be reversed, a secure sealing of the coated membrane and the media flowing through it against leakage is also ensured within the stack arrangement.

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.Since industrial fast or high-speed stacking, i.e. joining the porous structures into a cell frame or into a circumferential seal, would normally require a larger tolerance or insertion bevels or a high positioning effort, this effort can be significantly reduced in the design according to the invention, since the sealing nose is placed against the porous structure perpendicular to the membrane plane during stacking.

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.In addition, a membrane that is over-coated in the coating area can be dismantled as part of a reuse or repair. This can be replaced, for example, by a new component in the form of a coated membrane as part of a parts exchange, and after reassembly, an electrochemical cell that has been repaired in this way can be reused within a stack arrangement.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings and the following description.

Es zeigen:

1 einen Schnitt durch eine elektrochemische Zelle,
2 die Darstellung des Kriechverhaltens der beschichteten Membran in einem spaltförmigen Freiraum,
3 ein Hineinkriechen der beschichteten Membran in einen Freiraum bei umgekehrter Druckverteilung im Vergleich zu 2,
4 eine Darstellung von kritischen Bereichen,
5 die Darstellung von Dichtungen oberhalb und unterhalb der beschichteten Membran im Bereich eines Medienlängskanals,
6.1 - 6.3 die Ausbildung von umlaufenden Dichtelementen an als Flachdichtungen ausgebildeten Dichtungen oberhalb der beschichteten Membran,
7 eine Darstellung der Dichtelemente an den Dichtungen beidseits der beschichteten Membran,
8 eine schematische Darstellung einer Stapelanordnung eines PEM-Elektrolyseurs,
8.1 und 8.2 unterschiedliche Geometrien von Dichtungen und porösen Transportstrukturen in den Bereichen beidseits der Membran, wo diese aneinanderstoßen,
9 die Darstellung der Geometrie einer als Dichtschnur ausgebildeten Dichtung,
10 den in einem Formwerkzeug hergestellten Dichtkörper,
11 die Draufsicht auf ein beispielhaft dargestelltes Formwerkzeug mit einer serpentinenförmig verlaufenden Vertiefung zur Aufnahme der die Dichtschnur formenden Formmasse.

They show:

1 a cross-section of an electrochemical cell,
2 the representation of the creep behaviour of the coated membrane in a gap-shaped free space,
3 a creeping of the coated membrane into a free space with reversed pressure distribution compared to 2 ,
4 a representation of critical areas,
5 the representation of seals above and below the coated membrane in the area of a longitudinal media channel,
6 .1 - 6.3 the formation of circumferential sealing elements on gaskets designed as flat gaskets above the coated membrane,
7 a representation of the sealing elements on the seals on both sides of the coated membrane,
8 a schematic representation of a stack arrangement of a PEM electrolyzer,
8 .1 and 8.2 different geometries of seals and porous transport structures in the areas on both sides of the membrane where they meet,
9 the representation of the geometry of a seal designed as a sealing cord,
10 the sealing body produced in a mold,
11 the top view of an exemplary mold with a serpentine-shaped recess for receiving the molding compound that forms the sealing cord.

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. 1 shows an electrochemical cell 10, which represents a single cell 12 and comprises a coated membrane 14. The membrane 14 comprises a top side 16 and a bottom side 18 and is provided on both sides with porous transport structures 20, 22. A cathode side is designated with reference numeral 24, while an anode side is designated with reference numeral 26. The porous transport structures 20, 22 on the cathode side 24 and the anode side 26 are each enclosed by a circumferentially formed first seal 28 and by a second circumferentially formed seal 30, respectively. The seals 28, 30 can be provided with stiffening inserts 32. Due to the manufacturing tolerances, gaps 34 arise between the porous transport structures 20, 22 and the seals 28, 30 surrounding them, which are designed here as flat seals. If the seals 28, 30 are pressed during assembly, the gap 34 closes if the dimensions are correct. However, the gussets in the area of the edge breaks 54 of the gap 34 always remain open.

Den 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 2 um, so erfolgt - wie in 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 2 und 3 dargestellten Effekte sind hinsichtlich der Lebensdauer der beschichteten Membran 14 äußerst nachteilig und somit zu vermeiden.The 2 and 3 It can be seen that the coated membrane 14 creeps into the gap 34 between the second seal 30 and the porous transport structure 22 on the anode side due to the pressure level on a pressure side 38. If the pressure conditions reverse compared to 2 around, so - as in 3 shown - a creeping of the coated membrane 14 on its upper side 16 into the upper gap-shaped free space 34 between the first seal 28 and the porous transport structure 20 on the cathode side 24 of the electrochemical cell 10. The 2 and 3 The effects shown are with regard to the service life of the coated Membrane 14 is extremely detrimental and should therefore be avoided.

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. 4 It can be seen that the gaps or free spaces 34 occur in particular below the adjacent areas between the first seal 28 and the porous transport structure 20 and in the boundary area between the second seal 30 and the porous transport structure 22 on the underside 18 of the coated membrane 14.

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 4 angedeutete Kriechen 36 der Membran 14 erfolgt. Dies erfolgt bei entsprechender Druckverteilung zwischen der Druckseite 38 und der Niederdruckseite 40. 5 shows that in the area of a media longitudinal channel 42 in adjacent areas between the porous transport structure 20 on the cathode side 24 and the coated membrane 14 on the one hand and on the underside 18 in adjacent areas between the second seal 30 and the porous transport structure 22 on the anode side 26 on the other hand, the 4 indicated creep 36 of the membrane 14 takes place. This takes place with appropriate pressure distribution between the pressure side 38 and the low pressure side 40.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

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.In the following description of the embodiments of the invention, identical or similar elements are designated by identical reference numerals, whereby a repeated description of these elements is omitted in individual cases. The figures only represent the subject matter of the invention schematically.

Der Figurensequenz der 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 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.The figure sequence of the 6 .1, 6.2 and 6.3 that the first seal 28, which in this embodiment is designed as a flat seal, comprises a sealing element 46 in addition to the stiffening insert 32. The sealing element 46 according to 6 .1 can be designed as a circumferential sealing lip or as a circumferential sealing nose. Both the first seal 28 and the second seal 30, which is also designed as a flat seal here, run circumferentially around the porous transport structures 20, 22, which are located on the top side 16 and the bottom side 18 of the coated membrane 14, which has the flow field for the media. The seals 28, 30 are preferably made of flexibly deformable elastic plastic material.

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. 6 .2 shows that a pressure distribution 48 is established in the gap-shaped free space 34 between the porous transport structure 20 and the first seal 28, which pressure distribution acts on the sealing element 46, whether designed as a circumferential nose or as a circumferential lip. As a result, the sealing element 46 is positioned against the upper side 16 of the coated membrane 14.

Dies ist insbesondere der Darstellung gemäß 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. This is particularly the case according to 6 .3. Due to the deformability of the sealing element 46, the pressure level prevailing on the pressure side 38, ie on the cathode side 24 of the electrochemical cell 10, is sufficient to position the sealing element 46 in sealing contact 50 with the upper side 16 of the coated membrane 14.

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 2 und 3 in Bezug auf die beschichtete Membran 14 dargestellt, kann durch die Ausführungsvariante gemäß 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 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. 7 It can be seen that in this embodiment of the first seal 28, here designed as a flat seal, as well as the second seal 30, here also designed as a flat seal with a stiffening insert 32, a circumferential sealing element 46 is formed. When the pressure conditions are reversed, as in connection with the 2 and 3 with respect to the coated membrane 14, can be achieved by the embodiment according to 7 a two-sided sealing of the coated membrane 14 against the gap-shaped free spaces 34 can be achieved. In this embodiment, too, the sealing elements 46, whether circumferential sealing noses or circumferential sealing lips, are made of deformable, elastic plastic material which, as in 6 .3, can be brought into sealing contact 50 on both sides, ie the upper side 16 and the lower side 18 of the coated membrane 14.

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. 8 shows a schematic of a stack arrangement 52 of electrochemical cells 10 within a PEM electrolyzer. The stack arrangement 52 can alternatively also be one that is used in a PEM fuel cell.

Aus den 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.From the 8 .1 and 8.2 show different geometries of boundary regions between the first seal 28 and the porous transport structure 20 on the upper side 16 of the coated membrane 14 and the second seal 30 and the porous transport structure 22 on the lower side 18 of the coated membrane 14.

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 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 8.1 dargestellt sind, können auch Verrundungen 58 (vgl. 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 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 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 µm bis 5000 µm, insbesondere zwischen 300 µm bis 500 µm. 8 .1 shows that here, particularly on the underside 18 of the coated membrane 14, the second seal 30 as well as the porous transport structure 22 below the coated membrane 14 each have an edge break 54. The two edge breaks 54 of the second seal 30 facing each other and the porous transport structure 22 on the anode side 26 form a wedge-shaped support surface 56. However, this is less deep than the gap 34, as described in connection with the 2 and 3 are shown, so that the contact surface 56 at a reduced depth allows a considerably smaller deflection of the coated membrane 14. This can prevent cracking and excessive mechanical mechanical stress on the coated membrane 14 can be avoided. At the edge breaks 54, as shown in 8 .1, roundings 58 (cf. 8 .2) in the adjacent components of the first seal 28 and the porous transport structure 20 on the upper side 16 of the coated membrane 14. Furthermore, it is possible to form the adjacent areas of the seals 28, 30 or the porous transport structures 20, 22 in elliptical geometries 60. From the schematic representation according to 8 .2 shows that the elliptical geometry 60 has a long semi-axis 62 and a short semi-axis 64. The surfaces corresponding to these are designed such that the surface of the long semi-axis 62 of the elliptical contour 60 faces the surface of the first seal 28 and the surface of the short semi-axis 64 of the elliptical contour 60 faces the surface of the coated membrane 14. The surface of the elliptical contour 60 in relation to the 8 .1 mentioned edge breaks 54 are in the order of magnitude of typical deformation values of the coated membrane 14. Thus, a height 68 of the edge breaks 54 is in the range of up to 50% of a thickness 70 of the coated membrane 14, while a width 72 of the edge breaks 54 is one to ten times the height 68 of the edge breaks 54 in order to achieve a good support. In general, a height 74 of the porous transport structure 20, 22 is between 50 µm and 5000 µm, in particular between 300 µm and 500 µm.

Aus der Darstellung gemäß 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.From the representation according to 8 it results that the edge break 54 on the one hand and another edge break 66 on the other hand form the wedge-shaped support surface 56. Depending on the inclination of the edge breaks 54, 66, a larger or smaller width 72 of the support surface 56 results.

Durch die in den 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.Through the 8 .1 and 8.2, i.e. a gently inclined support surface 56, an elliptical geometry 60 or a rounding 58 of the adjacent areas of the components 20, 22, 28, 30, there are significantly fewer creep possibilities for the deflection of the coated membrane 14 during operation of the electrochemical cell 10 due to the high pressure differences on both sides of the coated membrane 14. The solution proposed according to the invention can effectively limit the deflection of the coated membrane 14 both in the direction of the upper side 16 and in the direction of its lower side 18, so that the mechanical stress on the coated membrane 14 is significantly reduced due to the pressure distribution. This makes it possible to significantly extend the service life of the electrochemical cells 10 accommodated in the stack arrangement 52 of a PEM fuel cell or a PEM electrolyzer and to significantly improve the effectiveness of the operation of the stack arrangement 52.

Den Darstellungen gemäß den 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 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 9 dargestellt, wird aufgrund der Geometrie der als Dichtschnur 86 gefertigten Dichtung 28, 30 der Spalt beziehungsweise der Freiraum 34, der sich gemäß den 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.According to the representations 9 and 10 it can be seen that the sealing element 28, 30 can also be manufactured as a sealing cord 86. A seal 28, 30 manufactured as a sealing cord 86 can be designed in such a way that it has a flat side 82 on its upper side, which is limited at least at one end by a nose-shaped projection which forms a sealing element 46. From the illustrations according to the 9 and 10 It is found that a sealing body 80 of a sealing cord 86 has a substantially rectangular cross-section. The sealing elements 46 cast on both sides of the flat side 82 fill the areas where the sealing element 46 designed as a sealing cord 86 adjoins, for example, the porous transport structure 22 on the anode side 26, ie the underside 18 of the coated membrane 14. As in 9 As shown, due to the geometry of the seal 28, 30 manufactured as a sealing cord 86, the gap or the free space 34, which is in accordance with the 2 and 3 to the porous transport structure 22 on the anode side 26 of the coated membrane 14, so that the coated membrane 14 cannot deform due to the pressure gradient between the pressure side 38 and the low pressure side 40.

Aus 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 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 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.Out of 11 It can be seen schematically that a mold 88 for producing a seal 28, 30 designed as a sealing cord 86 has a serpentine-shaped recess 90. The mold 88, as shown in 11 shown schematically in plan view, is closed by a flat cover, so that when filling the serpentine-shaped recesses 90 in the mold 88, those in 10 shown flat side 82 on the top of the sealing body 80. Due to the geometry of the serpentine-shaped recess 90 in the mold 88, the said sealing elements 46, which are here nose-shaped, are produced on the flat side 82, on one or both sides, directly during the manufacture of the sealing body 80.

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.

In a method for producing the sealing cord 86 as a deformable

circumferential seal

28, 30 of an electrochemical cell 10, the following process steps are carried out:

a) introducing a serpentine-shaped recess 90 into a mold 88,
b) Applying a flat cover to the serpentine-shaped recess 90 in the mold 88, which is filled with a molding compound, for molding a flat side 82 and sealing elements 46 adjacent to it and
c) Removal of the endless sealing cord 86 with flat side 82 and the sealing elements 46 delimiting it from the mold 88.

Das Formwerkzeug 88, welches in 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.The mold 88, which is in 11 is only shown schematically, is not separated in the middle, but the serpentine-shaped recess 90 is introduced into one side of the mold and a flat cover is placed on top for injection molding. This results in the said sealing elements 46 on both sides of the flat side 82. These sealing elements 46, here designed in the shape of a nose, can be used to fill the gap-shaped cavities 34 above and below the coated membrane 14.

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.The design variants proposed according to the invention of seals 28, 30 designed as flat seals or as sealing cords 86 make it possible to achieve effective sealing of the electrochemical cell 10, in particular accommodated in a stack arrangement 52 of a PEM electrolyzer or a PEM fuel cell. The leakage of media such as H ₂ O, H ₂ or O ₂ can be avoided by the deformation of the sealing elements 46 due to the prevailing pressure conditions. This ensures that the media flow through the flow field of the coated membrane 14 and do not penetrate into other areas.

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.As described above, with support surfaces 56 formed with corresponding roundings 58, elliptical geometries 60 or with a moderate inclination between the adjacent components, excessive deflection of the coated membrane 14 due to the prevailing pressure distribution between the cathode side 24 and the anode side 26 is excluded, which significantly improves the service life of the electrochemical cell 10 proposed according to the invention and its operation. In particular, sharp-edged transitions that can lead to cracks in the coated membrane 14 can be significantly avoided, which is extremely beneficial to the service life of the electrochemical cell 10 proposed according to the invention.

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.The invention is not limited to the embodiments described here and the aspects highlighted therein. Rather, a large number of modifications are possible within the scope specified by the claims, which are within the scope of expert action.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 18196947 A1 [0002]

Claims

Electrochemical cell (10) of a stack arrangement (52) of a PEM electrolyzer or an AEM electrolyzer or a PEM fuel cell, with a multiplicity of electrochemical cells (10) which have porous transport structures (20, 22) on both sides of a coated membrane (14) on a cathode side (24) and an anode side (26) and which are sealed on both sides by seals (28, 30) within the stack arrangement (52), characterized in that gaps (34) resulting on both sides of the coated membrane (14) between the seals (28, 30) and the porous transport structures (20, 22) are at least partially filled by deformable sealing elements (46), in particular sealing noses or sealing lips, provided on the seals (28, 30).

Electrochemical cell (10) according to Claim 1 , characterized in that the seals (28, 30) are designed as flat seals or as sealing cord (86).

Electrochemical cell (10) according to Claims 1 and 2 , characterized in that the seals (28, 30) are provided with an insert (32) stiffening them.

Electrochemical cell (10) according to Claims 1 until 3 , characterized in that the seals (28, 30) are designed to run all around the porous transport structures (20, 22).

Electrochemical cell (10) according to Claims 1 until 4 , characterized in that the seals (28, 30) comprise deformable sealing elements (46), in particular sealing lips or sealing noses, facing the porous transport structures (20, 22).

Electrochemical cell (10) according to Claim 5 , characterized in that the sealing elements (46) facing the porous transport structures (20, 22) are deformable such that they are placed in contact (50) with an upper side (16) and/or an underside (18) of the membrane (14) by a pressure distribution (48) in the gaps (34) to be sealed.

Electrochemical cell (10) according to Claims 1 until 6 , characterized in that regions of the seals (28, 30) and/or the porous transport structures (20, 22) which are positioned on an upper side (16) and/or an underside (18) of the membrane (14) are designed as rounded portions (58) or in an elliptical geometry (60).

Electrochemical cell (10) according to Claims 1 until 7 , characterized in that the porous transport structures (20, 22) are provided with an edge break (54) which forms a support surface (56) with an edge break (54) of an adjacent seal (28, 30) or an edge break (54) with a rounded portion (58) or two adjacent rounded portions (58) forms a support surface (56).

Electrochemical cell (10) according to Claim 8 , characterized in that a height (68) of the edge break (54) is up to 50% of a thickness (70) of the membrane (14).

Electrochemical cell (10) according to Claim 8 , characterized in that a width (72) of the edge break (34) is one to ten times a height (68) of the edge break (54).

Electrochemical cell (10) according to Claims 1 until 10 , characterized in that the porous transport structures (20, 22) have a thickness between 50 µm and 2000 µm, in particular between 300 µm and 500 µm.

Electrochemical cell (10) according to Claims 1 and 2 , characterized in that seals (28, 30) designed as sealing cord (86) have a flat side (82) facing the membrane (14).

Electrochemical cell (10) according to Claim 12 , characterized in that the flat side (82) is provided with a sealing element (46) at least at one end.

Electrochemical cell (10) according to Claim 7 , characterized in that the elliptical geometry (60) is designed such that a surface on a long semi-axis (62) of the elliptical geometry (60) is assigned to the seals (28, 30) and a surface on a short semi-axis (64) of the elliptical geometry (60) is assigned to the membrane (14).

Method for producing a deformable circumferential seal (28, 30) designed as a sealing cord (86) for an electrochemical cell (10), with the following method steps: a) introducing a serpentine-shaped recess (90) into a molding tool (88); b) applying a flat cover to the serpentine-shaped recess (90) in the molding tool (88) filled with a molding compound for molding a flat side (82) and the sealing elements (46) adjacent to it; c) removing the sealing cord (86) with the flat side (82) and the sealing elements (46) adjacent thereto from the mold (88).

Use of the electrochemical cell (10) according to one of the Claims 1 until 14 in a stack arrangement (52) of a PEM electrolyzer or an AEM electrolyzer or a PEM fuel cell.