DE102015100737A1

DE102015100737A1 - Elektrochemische Einheit für eine elektrochemische Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen einer solchen

Info

Publication number: DE102015100737A1
Application number: DE102015100737.1A
Authority: DE
Inventors: Peter Stahl; Jürgen Kraft; Michael Götz
Original assignee: ElringKlinger AG
Current assignee: Ekpo Fuel Cell Technologies GmbH
Priority date: 2015-01-20
Filing date: 2015-01-20
Publication date: 2016-07-21
Anticipated expiration: 2035-01-21
Also published as: DE102015100737B4

Abstract

Um eine elektrochemische Einheit für eine elektrochemische Vorrichtung, insbesondere einen Brennstoffzellenstapel oder einen Elektrolyseur, umfassend – eine Membran-Elektroden-Einheit, die einen elektrochemisch aktiven Bereich, mindestens einen in einer Längsrichtung der Membran-Elektroden-Einheit verlaufenden Längs-Randbereich und mindestens einen in einer senkrecht zur Längsrichtung der Membran-Elektroden-Einheit ausgerichteten Querrichtung der Membran-Elektroden-Einheit verlaufenden Quer-Randbereich aufweist, und – mindestens eine Randverstärkungsanordnung, die an mindestens einem Längs-Randbereich der Membran-Elektroden-Einheit angeordnet ist, zu schaffen, welche eine möglichst einfache Verarbeitung, insbesondere eine Verarbeitung von der Rolle, ermöglicht, bis die elektrochemische Einheit mit einer Dichtungsanordnung der elektrochemischen Vorrichtung zusammengeführt wird, wird vorgeschlagen, dass mindestens ein Quer-Randbereich der Membran-Elektroden-Einheit mindestens einen Teilabschnitt aufweist, an dem keine Randverstärkungsanordnung angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Einheit für eine elektrochemische Vorrichtung, insbesondere einen Brennstoffzellenstapel oder einen Elektrolyseur, welche Folgendes umfasst:

– eine Membran-Elektroden-Einheit, die einen elektrochemisch aktiven Bereich, mindestens einen in einer Längsrichtung der Membran-Elektroden-Einheit verlaufenden Längs-Randbereich und mindestens einen in einer senkrecht zur Längsrichtung der Membran-Elektroden-Einheit ausgerichteten Querrichtung der Membran-Elektroden-Einheit verlaufenden Quer-Randbereich aufweist, und
– mindestens eine Randverstärkungsanordnung, die an mindestens einem Längs-Randbereich der Membran-Elektroden-Einheit angeordnet ist.

In elektrochemischen Vorrichtungen, wie beispielsweise Brennstoffzellenstapeln oder Elektrolyseuren, in denen eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen in einer Stapelrichtung übereinander angeordnet sind, werden in verschiedenen Ebenen einer elektrochemischen Zelle und, je nach Design, auch in verschiedenen Bereichen derselben Ebene unterschiedliche Medien geführt. Diese Medien können insbesondere das anodenseitige Fluid (Brenngas), das kathodenseitige Fluid (Oxidationsmittel) und gegebenenfalls auch ein Kühlfluid sein.
Diese durch die elektrochemische Vorrichtung geführten Medien dürfen sich weder miteinander vermischen noch aus den elektrochemischen Zellen austreten, weshalb in mehreren Ebenen Dichtungen erforderlich sind.
In elektrochemischen Zellen, die neben einer elektrochemischen Einheit eine metallische Separatorplatte oder Bipolarplatte umfassen, können diese Dichtungen vollständig oder teilweise durch Sicken oder, wenn die Separatorplatten oder Bipolarplatten elektrisch leitend miteinander verbunden sein dürfen, durch Schweißverbindungen verwirklicht sein.
Die Dichtungen können Elastomermaterialien und/oder Klebstoffe umfassen.
Im Bereich der Zufuhr oder Abfuhr der Medien der elektrochemischen Vorrichtung zwischen den sogenannten Manifolds (das heißt den Gasverteilern über die verschiedenen Ebenen eines Brennstoffzellenstapels oder eines Elektrolysestapels hinweg) und den jeweiligen Strömungsfeldern (auch "Flowfields" genannt), längs welcher die Medien durch die elektrochemischen Zellen geführt werden, müssen die Ströme eines ersten Mediums in einer Ebene unter Dichtungen hindurch geführt werden, die in einer zweiten Ebene ein anderes Medium gegenüber dem Außenraum der elektrochemischen Vorrichtung oder gegenüber anderen Medien abtrennen.
Die Anordnungen der verschiedenen Funktionen, wie insbesondere Abdichtung und Medienführung, in in der Stapelrichtung einander überlappenden Bereichen erfordert spezifische konstruktive Lösungen, insbesondere dann, wenn beispielsweise bei der Verwendung metallischer Bipolarplatten nur geringe Bauhöhen zur Verfügung stehen.
Häufig weisen die Dichtungen in den verschiedenen Ebenen einer elektrochemischen Zelle im Stapel einen Versatz gegeneinander in einer zur Stapelrichtung senkrechten Richtung auf.
Wenn die Dichtungsanordnung eine ausreichende Eigensteifigkeit aufweist, kann eine Medienführung direkt unter einer Dichtung der Dichtungsanordnung hindurch erfolgen, wobei aufgrund der Eigensteifigkeit auch bei Ausbildung der hierfür erforderlichen Strömungskanäle auf der einen Seite der Dichtung auf der jeweiligen Gegenseite die für die Dichtfunktion erforderliche Verpressung der Dichtung erhalten bleibt.
Strömungskanäle können in der Dichtung oder in der Bipolarplatte ausgebildet sein.
Alternativ hierzu kann die Abstützung einer Dichtung zur Aufrechterhaltung der Dichtungsfunktion aber auch durch Auflegen einer Verstärkung auf in der Bipolarplatte ausgebildete Stege oder durch Einlegen einer Stützstruktur in Strömungskanäle gewährleistet werden.
Dichtungen können als separate Komponenten in die elektrochemische Vorrichtung eingelegt oder auf einer Bipolarplatte oder auf einem Bestandteil einer elektrochemischen Einheit für eine elektrochemische Zelle, beispielsweise auf einer Gasdiffusionslage oder auf einer Membran-Elektroden-Einheit, festgelegt sein.
Wegen Vorteilen in der Handhabung und in der Herstellung und wegen der einfachen Dichtungsausführung wird häufig die Festlegung der Dichtung an einer Bipolarplatte bevorzugt.
In dieser Dichtungskonfiguration hat sich die Kombination der an der Bipolarplatte festgelegten Dichtung mit einer im Randbereich der Membran-Elektroden-Einheit an der Membran-Elektroden-Einheit (insbesondere an einer katalysatorbeschichteten Membran, CCM) festgelegten Randverstärkungsanordnung als günstig erwiesen, wobei die Randverstärkungsanordnung als Gegenkomponente für die Dichtung dient, eine nachteilige mechanische Belastung der Membran-Elektroden-Einheit verhindern hilft und zugleich eine vorteilhafte Anbindung des elektrochemisch aktiven Bereiches der Membran-Elektroden-Einheit an den Randbereich der Membran-Elektroden-Einheit sicherstellt.
Eine solche Randverstärkungsanordnung kann insbesondere eine oder mehrere Randverstärkungsfolien umfassen.
Die Randverstärkungsfolien werden auf der gesamten äußeren Umrandung der Membran-Elektroden-Einheit auflaminiert und bilden damit den gesamten Rand der elektrochemischen Einheit aus, auf dem abgedichtet wird.
Die Dichtung wird in der Regel mit einer über die Dichtungslänge hinweg konstanten Dichtungsstruktur, beispielsweise als Sicke, Elastomerwulst, CIP("Cured in Place")-Raupe konstanten Querschnitts oder mit Dichtungsflächen auf gleicher Höhe ausgeführt.
Eine Ausnahme hiervon bildet die Durchführung von Medien unter einer versteiften oder abgestützten Dichtung, wobei nur auf der Gegenseite der Mediendurchführung abgedichtet werden muss. In diesem Fall sind die Dichtungslinien auf den beiden einander gegenüberliegenden Seiten der Membran-Elektroden-Einheit, in der Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung gesehen, nicht deckungsgleich, sondern gegeneinander versetzt.
Bei bekannten elektrochemischen Einheiten mit Randverstärkungsanordnung wird mindestens eine Randverstärkungsfolie auf der gesamten Umrandung der Membran-Elektroden-Einheit, also auf allen Längs-Randbereichen und Quer-Randbereichen der Membran-Elektroden-Einheit, auflaminiert.
Dies bietet den Vorteil, dass die Dichtungslinien auf den beiden einander gegenüberliegenden Seiten der Randverstärkungsanordnung gegeneinander versetzt angeordnet werden können, so dass insbesondere im Bereich der Zufuhr und Abfuhr der Medien zwischen den Gasverteilern oder Manifolds einerseits und den Strömungsfeldern andererseits die Medien durch Nutzung der verschiedenen Ebenen in der elektrochemischen Zelle zwischen den Manifolds und den Strömungsfeldern geführt werden, ohne dass die Dichtungsanordnung eine Querschnittsanpassung oder der Dichtungsverlauf einen Ebenenwechsel erfährt.
Der Aufbau der Dichtungsanordnung kann homogen sein, und die Dichtung einer Ebene der elektrochemischen Zelle wird an jeder Position in gleicher Weise zwischen einer Bipolarplatte und der Randverstärkungsanordnung verpresst.
Nachteilig bei dieser Ausgestaltung von Membran-Elektroden-Einheit und Randverstärkungsanordnung ist jedoch, dass bei der Verbindung der Randverstärkungsanordnung mit der Membran-Elektroden-Einheit nicht durchgängig in einem Rollenprozess gearbeitet werden kann.
Die Randverstärkungsfolien weisen nämlich ein zentrales Fenster auf, in das die Membran-Elektroden-Einheit eingelegt wird, mit einem zum Laminieren dienenden Überlappungsbereich.
Das Ausschneiden der zentralen Fenster aus den Randverstärkungsfolien verursacht einen erheblichen Verschnitt und erfordert einen zusätzlichen Prozessschritt.
Die durch das Ausschneiden der Fenster zweidimensional strukturierten Randverstärkungsanordnungen können zu einer Rolle aufgewickelt oder als vereinzelte Teile bereitgestellt werden.
Sobald die Randverstärkungsanordnung an das Membran-Elektroden-Material angebunden ist, werden die einzelnen elektrochemischen Einheiten vereinzelt.
Selbst wenn das Gebilde aus Membran-Elektroden-Einheit und Randverstärkungsfolien in Form einer Rolle weiterverarbeitet werden würde, müsste in den folgenden Prozessschritten auf die jeweilige genaue Position längs der Lauflänge der Rolle geachtet werden, da die exakte Positionierung des elektrochemisch aktiven Bereichs, das heißt des innerhalb des Fensters der Randverstärkungsanordnung liegenden Bereichs der Membran-Elektroden-Einheit, in der elektrochemischen Zelle für die zuverlässige und ordnungsgemäße Funktion der elektrochemischen Zelle entscheidend ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrochemische Einheit für eine elektrochemische Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche eine möglichst einfache Verarbeitung, insbesondere eine Verarbeitung von der Rolle, ermöglicht, bis die elektrochemische Einheit mit einer Dichtungsanordnung der elektrochemischen Vorrichtung zusammengeführt wird.
Diese Aufgabe wird bei einer elektrochemischen Einheit mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens ein Quer-Randbereich der Membran-Elektroden-Einheit mindestens einen Teilabschnitt aufweist, an dem keine Randverstärkungsanordnung angeordnet ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt das Konzept zugrunde, die Randverstärkungsanordnung, insbesondere in einem Rollenprozess, nur auf einem oder mehreren Längs-Randbereichen der Membran-Elektroden-Einheit und allenfalls auf Teilabschnitten der Quer-Randbereiche, nicht aber über die gesamte Länge der Quer-Randbereiche hinweg, anzuordnen.
Dabei ist die Längsrichtung der Membran-Elektroden-Einheit, längs welcher sich der mindestens eine Längs-Randbereich der Membran-Elektroden-Einheit erstreckt, grundsätzlich eine beliebige, parallel zu den Hauptflächen der Membran-Elektroden-Einheit und parallel zu mindestens einem äußeren Rand der Membran-Elektroden-Einheit verlaufende Richtung.
Insbesondere kann die Erstreckung der Membran-Elektroden-Einheit in deren Längsrichtung kleiner sein als in deren Querrichtung.
Vorzugsweise entspricht die Längsrichtung der Laufrichtung der Rolle, zu welcher das Membran-Elektroden-Material, aus welchem die Membran-Elektroden-Einheit herausgetrennt wird, zusammen mit dem daran angeordneten mindestens einen Randverstärkungsmaterial aufgewickelt wird. Diese Laufrichtung entspricht wiederum der Umfangsrichtung der Rolle.
Hierdurch kann die Herstellung der elektrochemischen Einheit durchgängig in einem Rollenprozess erfolgen.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die elektrochemische Einheit zwei Randverstärkungsanordnungen umfasst, die voneinander beabstandet und an jeweils einem Längs-Randbereich der Membran-Elektroden-Einheit angeordnet sind, wobei zwei Quer-Randbereiche der Membran-Elektroden-Einheit jeweils einen Teilabschnitt aufweisen, der sich zwischen den zwei Randverstärkungsanordnungen erstreckt.
In diesem Fall befinden sich die zwei Randverstärkungsanordnungen also an zwei aneinander gegenüberliegenden Endbereichen der Membran-Elektroden-Einheit, während der zwischen diesen Endbereichen liegende Bereich der Membran-Elektroden-Einheit von Randverstärkungsanordnungen frei bleibt.
Diese Ausführungsform ist besonders günstig, wenn sich die Gasverteiler oder Manifolds einer elektrochemischen Zelle, in welcher die elektrochemische Einheit verwendet wird, in einander gegenüberliegenden Endbereichen der elektrochemischen Zelle befinden.
Hierdurch können die Vorteile des Einsatzes einer Randverstärkungsanordnung im Bereich der Medienzufuhr und/oder Medienabfuhr in den beiden einander gegenüberliegenden Endbereichen der elektrochemischen Zelle genutzt werden.
Im Bereich zwischen den Randverstärkungsanordnungen liegt eine Dichtung direkt an der Membran-Elektroden-Einheit an oder ist eine Dichtung direkt an der Membran-Elektroden-Einheit festgelegt.
Wenn die Medienzuführungen oder Medienabführungen, die eine entsprechende Dichtungsauslegung unter Nutzung einer Randverstärkungsanordnung verlangen, in nur einem Endbereich der elektrochemischen Zelle angeordnet sind, kann es ausreichend sein, eine Randverstärkungsanordnung nur an einem Längs-Randbereich der Membran-Elektroden-Einheit anzuordnen.
Um das Membran-Elektroden-Material mit dem daran festgelegten Randverstärkungsmaterial trotz der dann unterschiedlichen Dicken in den einander gegenüberliegenden Längs-Randbereichen des Membran-Elektroden-Materials gleichmäßig aufrollen zu können, kann an dem nicht mit Randverstärkungsmaterial versehenen Bereich des Membran-Elektroden-Materials eine Zwischenlage oder Trennfolie mit einer entsprechend angepassten Dicke angeordnet werden, um diese Dickendifferenz zu kompensieren.
Die Festlegung von Randverstärkungsanordnungen auf nur einem Längs-Randbereich der Membran-Elektroden-Einheit oder auf zwei einander gegenüberliegenden Längs-Randbereichen der Membran-Elektroden-Einheit ermöglicht die Applizierung des Randverstärkungsmaterials auf das Membran-Elektroden-Material und die Weiterverarbeitung dieser miteinander verbundenen Materialien in einem durchgängigen Rollenprozess.
Die Verarbeitung von der Rolle kann kontinuierlich und sehr exakt erfolgen.
Insbesondere können das Membran-Elektroden-Material und das Randverstärkungsmaterial oder die mehreren Randverstärkungsmaterialien sehr exakt relativ zueinander positioniert werden.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens eine Randverstärkungsanordnung mindestens eine Medium-Durchtrittsöffnung für den Durchtritt eines Mediums der elektrochemischen Vorrichtung, beispielsweise eines anodischen Fluids, eines kathodischen Fluids oder eines Kühlmediums, aufweist.
Diese Medium-Durchtrittsöffnung wird vorzugsweise erst dann erzeugt, wenn das Randverstärkungsmaterial, aus welchem die Randverstärkungsanordnung erzeugt wird, bereits mit dem Membran-Elektroden-Material, aus welchem die Membran-Elektroden-Einheit erzeugt wird, verbunden worden ist.
Vorzugsweise weist mindestens eine Randverstärkungsanordnung zwei oder mehr Medium-Durchtrittsöffnungen für den Durchtritt verschiedener Medien der elektrochemischen Vorrichtung durch die elektrochemische Einheit auf.
Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass mindestens eine Randverstärkungsanordnung mindestens eine Randverstärkungsfolie umfasst.
Eine solche Randverstärkungsfolie besteht vorzugsweise aus einem Material, das unter den Betriebsbedingungen der elektrochemischen Vorrichtung, beispielsweise des Brennstoffzellenstapels oder des Elektrolyseurs, unter Berücksichtigung des Kontakts mit den durch die elektrochemische Vorrichtung geführten Medien und mit den übrigen Komponenten der elektrochemischen Vorrichtung beständig ist.
Beispielsweise kann das Material der Randverstärkungsfolie ein Polytetrafluorethylen, ein Polyvinylidenfluorid, einen Polyester, ein Polyamid, ein Copolyamid, ein Polyamid-Elastomer, ein Polyimid, ein Polyurethan, ein Polyurethan-Elastomer, ein Silikon, einen Silikonkautschuk und/oder ein Silikon-basiertes Elastomer umfassen und insbesondere im Wesentlichen vollständig aus einem oder mehreren dieser Materialien gebildet sein.
Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass mindestens eine Randverstärkungsanordnung nur eine Randverstärkungsfolie umfasst.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass mindestens eine Randverstärkungsanordnung mindestens zwei Randverstärkungsfolien umfasst, die an einander gegenüberliegenden Seiten der Membran-Elektroden-Einheit anliegen.
Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die der Membran-Elektroden-Einheit zugewandten Ränder der zwei an einander gegenüberliegenden Seiten der Membran-Elektroden-Einheit anliegenden Randverstärkungsfolien einen Versatz V in der Querrichtung der Membran-Elektroden-Einheit aufweisen.
Dieser Versatz ist ferner senkrecht zur Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung ausgerichtet.
Ein solcher Versatz kann insbesondere bei Verwendung relativ dicker Randverstärkungsfolien ein zuverlässiges Abdichten im Bereich des Übergangs der Dichtung von der Randverstärkungsanordnung zu dem nicht mit der Randverstärkungsanordnung versehenen Bereich der Membran-Elektroden-Einheit erleichtern, da die Gesamtdicke der elektrochemischen Einheit nicht an derselben Stelle um die Dicke beider Randverstärkungsfolien ansteigt, sondern an zwei voneinander beabstandeten Stellen jeweils um die Dicke einer der Randverstärkungsfolien ansteigt. Zwei geringere Stufenhöhen sind in der Dichtungsanordnung leichter zu bewältigen als eine Stufe mit der gesamten Höhe.
Der Versatz V zwischen den Rändern der zwei an einander gegenüberliegenden Seiten der Membran-Elektroden-Einheit anliegenden Randverstärkungsfolien beträgt vorzugsweise mindestens 50 μm und vorzugsweise weniger als 600 μm, insbesondere weniger als 400 μm, besonders bevorzugt weniger als 200 μm.
In einem seitlich über die Membran-Elektroden-Einheit überstehenden Überstandsbereich sind die Randverstärkungsfolien vorzugsweise miteinander laminiert, beispielsweise durch Heißlaminieren und/oder Kleben.
Da bei Verwendung der erfindungsgemäßen elektrochemischen Einheit die Dichtungsanordnung der elektrochemischen Zelle, in welcher die elektrochemische Einheit angeordnet ist, an Bereichen der elektrochemischen Einheit mit unterschiedlicher Dicke anliegt (nämlich an der Membran-Elektroden-Einheit ohne die Randverstärkungsanordnung, an der Membran-Elektroden-Einheit mit der Randverstärkungsanordnung und/oder an dem über die Membran-Elektroden-Einheit seitlich überstehenden Bereich der Randverstärkungsanordnung), ist es günstig, wenn die Dichtungsanordnung so ausgelegt ist, dass sie diese unterschiedlichen Dicken der elektrochemischen Einheit durch entsprechende Unterschiede in der Höhe der Dichtungsanordnung kompensiert.
Die Abdichtung der verschiedenen Bereiche der elektrochemischen Einheit mit unterschiedlicher Dicke wird erleichtert, wenn mindestens ein der Membran-Elektroden-Einheit zugewandter Randbereich mindestens einer Randverstärkungsfolie sich zu dem der Membran-Elektroden-Einheit zugewandten Rand der Randverstärkungsfolie hin verjüngt. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Dicke der elektrochemischen Einheit in dem Randbereich der Randverstärkungsfolie nicht sprunghaft, sondern allmählich abnimmt.
Vorzugsweise weist mindestens eine Randverstärkungsfolie eine Dicke von weniger als 100 μm, insbesondere von weniger als 50 μm, auf.
Besonders bevorzugt weisen alle Randverstärkungsfolien der elektrochemischen Einheit eine Dicke von weniger als 100 μm, insbesondere von weniger als 50 μm, auf.
Mindestens ein von einer Randverstärkungsanordnung überdeckter Bereich (Längs-Randbereich und/oder Quer-Randbereich) der Membran-Elektroden-Einheit ist vorzugsweise (auf der Kathodenseite und/oder auf der Anodenseite) frei von katalytisch aktivem Material, also nicht mit katalytisch aktivem Material beschichtet. Dies erleichtert die Herstellung der Membran-Elektroden-Einheit in einem Rollenprozess, da dann auch das Aufbringen des katalytisch aktiven Materials im Rollenprozess erfolgen kann.
Besonders bevorzugt bleiben alle von einer Randverstärkungsanordnung überdeckten Bereiche der Membran-Elektroden-Einheit frei von katalytisch aktivem Material.
Die erfindungsgemäße elektrochemische Einheit eignet sich insbesondere zur Verwendung in einer elektrochemischen Zelle für eine elektrochemische Vorrichtung, insbesondere einen Brennstoffzellenstapel oder einen Elektrolyseur, welche eine erfindungsgemäße elektrochemische Einheit und mindestens eine Dichtungsanordnung, die mit der mindestens einen Randverstärkungsanordnung und mit dem mindestens einen Teilabschnitt des mindestens einen Quer-Randbereichs der Membran-Elektroden-Einheit in Kontakt steht, umfasst.
Die Membran-Elektroden-Einheit der erfindungsgemäßen elektrochemischen Einheit umfasst vorzugsweise eine Polymerelektrolyt-Membran.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Einheit für eine elektrochemische Vorrichtung, insbesondere einen Brennstoffzellenstapel oder einen Elektrolyseur, wobei die elektrochemische Einheit eine Membran-Elektroden-Einheit, die einen elektrochemisch aktiven Bereich, mindestens einen in einer Längsrichtung der Membran-Elektroden-Einheit verlaufenden Längs-Randbereich und mindestens einen in einer senkrecht zur Längsrichtung der Membran-Elektroden-Einheit ausgerichteten Querrichtung der Membran-Elektroden-Einheit verlaufenden Quer-Randbereich aufweist, umfasst.
Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein solches Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Einheit für eine elektrochemische Vorrichtung zu schaffen, welches eine möglichst einfache Verarbeitung des Membran-Elektroden-Materials und mindestens eines Randverstärkungsmaterials, insbesondere in einem Rollenprozess, ermöglicht, bis die Membran-Elektroden-Einheit zusammen mit dem mindestens einen Randverstärkungsmaterial mit einer Dichtungsanordnungen der elektrochemischen Vorrichtung zusammengeführt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren, welches Folgendes umfasst:

– Bereitstellen eines Membran-Elektroden-Materials in Bandform, wobei das Membran-Elektroden-Material eine Erstreckung in einer Längsrichtung des Membran-Elektroden-Materials aufweist, welche größer ist als die Erstreckung der Membran-Elektroden-Einheit der elektrochemischen Einheit in deren Längsrichtung;
– Bereitstellen mindestens eines Randverstärkungs-Materials in Bandform, wobei das Randverstärkungs-Material eine Erstreckung in einer Längsrichtung des Randverstärkungs-Materials aufweist, welche größer ist als die Erstreckung einer Randverstärkungsanordnung der elektrochemischen Einheit in deren Längsrichtung, und wobei das Randverstärkungs-Material eine Erstreckung in einer senkrecht zu seiner Längsrichtung ausgerichteten Querrichtung aufweist, welche kleiner ist als die Erstreckung des Membran-Elektroden-Materials in dessen senkrecht zur Längsrichtung ausgerichteten Querrichtung;
– Festlegen des mindestens einen Randverstärkungs-Materials an dem Membran-Elektroden-Material, wobei die Längsrichtung des mindestens einen Randverstärkungs-Materials mit der Längsrichtung des Membran-Elektroden-Materials übereinstimmt;
– Heraustrennen mindestens einer elektrochemischen Einheit aus dem Membran-Elektroden-Material und dem daran festgelegten mindestens einen Randverstärkungs-Material.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verbleibt in der Querrichtung des Membran-Elektroden-Materials seitlich neben dem an dem Membran-Elektroden-Material festgelegten mindestens einen Randverstärkungs-Material ein von Randverstärkungs-Material freier Streifen des Membran-Elektroden-Materials, welcher sich in der Längsrichtung des Membran-Elektroden-Materials erstreckt. Hierdurch ist eine besonders einfache Weiterverarbeitbarkeit des Membran-Elektroden-Materials mit dem daran festgelegten mindestens einen Randverstärkungs-Material, insbesondere in einem Rollenprozess, gewährleistet.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Membran-Elektroden-Material und das daran festgelegte mindestens eine Randverstärkungs-Material zumindest teilweise aufgerollt und zumindest teilweise wieder abgerollt werden, bevor mindestens eine elektrochemische Einheit aus dem Membran-Elektroden-Material und dem daran festgelegten mindestens einen Randverstärkungs-Material herausgetrennt wird.
Um die Verarbeitung des lokal unterschiedliche Dicken aufweisenden Membran-Elektroden-Materials mit dem daran festgelegten mindestens einen Randverstärkungs-Material zu erleichtern, kann vorgesehen sein, dass mindestens ein nicht mit dem mindestens einen Randverstärkungs-Material versehener Bereich des Membran-Elektroden-Materials, vorzugsweise vor dem zumindest teilweisen Aufrollen des Membran-Elektroden-Materials und des daran festgelegten mindestens einen Randverstärkungs-Materials, mit einem Trennelement, beispielsweise in Form einer Trennfolie, versehen wird.
Ein solches Trennelement ist vorzugsweise nur auf das Membran-Elektroden-Material aufgelegt und nicht fest mit demselben verbunden, so dass das Trennelement bei der weiteren Verarbeitung leicht wieder von dem Membran-Elektroden-Material abgenommen werden kann.
Solche Trennelemente können an nur einer oder an beiden einander gegenüberliegenden Hauptflächen des Membran-Elektroden-Materials angeordnet sein.
Um ein Verkleben von im aufgerollten Zustand in der Radialrichtung der Wicklung aufeinanderfolgenden Lagen des Membran-Elektroden-Materials und des mindestens einen Randverstärkungs-Materials zu vermeiden, kann ferner vorgesehen sein, dass ein sich über die gesamte Breite des Membran-Elektroden-Materials und des daran angeordneten mindestens einen Randverstärkungs-Materials hinweg erstreckendes Trennelement, beispielsweise in Form einer Trennfolie, auf einer Seite oder auf beiden Seiten des Membran-Elektroden-Materials und des daran angeordneten mindestens einen Randverstärkungs-Materials angeordnet wird.
Weitere besondere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind bereits vorstehend im Zusammenhang mit den verschiedenen Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen elektrochemischen Einheit erläutert worden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Draufsicht auf eine elektrochemische Einheit für eine elektrochemische Vorrichtung, insbesondere einen Brennstoffzellenstapel oder einen Elektrolyseur, parallel zur Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung gesehen;
2 einen parallel zur Stapelrichtung genommenen ausschnittsweisen Längsschnitt durch eine Membran-Elektroden-Einheit und eine an der Membran-Elektroden-Einheit festgelegte Randverstärkungsanordnung der elektrochemischen Einheit aus 1, längs der Linie 2-2 in 1;
3 eine schematische perspektivische Darstellung des Aufrollens eines bandförmigen Membran-Elektroden-Materials und daran festgelegter bandförmiger Randverstärkungs-Materialien;
4 eine schematische perspektivische Darstellung des Aufrollens eines bandförmigen Membran-Elektroden-Materials und daran festgelegter bandförmiger Randverstärkungs-Materialien, wobei im Bereich zwischen in der Querrichtung des Membran-Elektroden-Materials voneinander beabstandeten Randverstärkungs-Materialien eine Trennfolie an dem Membran-Elektroden-Material angeordnet worden ist;
5 einen der 2 entsprechenden ausschnittsweisen Längsschnitt durch die Membran-Elektroden-Einheit und eine daran festgelegte Randverstärkungsanordnung bei einer zweiten Ausführungsform, bei welcher die Randverstärkungsanordnung zwei Randverstärkungsfolien umfasst, die an einander gegenüberliegenden Seiten der Membran-Elektroden-Einheit anliegen, wobei die der Membran-Elektroden-Einheit zugewandten Ränder der zwei Randverstärkungsfolien in einer senkrecht zur Stapelrichtung verlaufenden Richtung gegeneinander versetzt sind;
6 einen der 2 entsprechenden ausschnittsweisen Längsschnitt durch die Membran-Elektroden-Einheit und eine daran festgelegte Randverstärkungsanordnung bei einer dritten Ausführungsform, bei welcher die Randverstärkungsanordnung nur eine Randverstärkungsfolie umfasst, welche an einer Seite der Membran-Elektroden-Einheit anliegt;
7 einen der 2 entsprechenden ausschnittsweisen Längsschnitt durch die Membran-Elektroden-Einheit und eine daran festgelegte Randverstärkungsanordnung bei einer vierten Ausführungsform, bei welcher die der Membran-Elektroden-Einheit zugewandten Randbereiche der Randverstärkungsfolien sich zu dem der Membran-Elektroden-Einheit zugewandten Rand hin nicht verjüngen; und
8 einen der 2 entsprechenden ausschnittsweisen Längsschnitt durch die Membran-Elektroden-Einheit und eine daran festgelegte Randverstärkungsanordnung bei einer fünften Ausführungsform, bei welcher die Randverstärkungsanordnung nur eine Randverstärkungsfolie umfasst, deren der Membran-Elektroden-Einheit zugewandter Randbereich sich zu dem der Membran-Elektroden-Einheit zugewandten Rand hin nicht verjüngt.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Eine in den 1 und 2 dargestellte, als Ganzes mit 100 bezeichnete elektrochemische Einheit für eine elektrochemische Vorrichtung, insbesondere einen Brennstoffzellenstapel oder einen Elektrolyseur, umfasst eine Membran-Elektroden-Einheit 102, welche eine Kathode, eine Anode und eine dazwischenliegende Elektrolyt-Membran umfasst, wobei diese verschiedenen Schichten der Membran-Elektroden-Einheit 102 in den beigefügten Zeichnungen nicht einzeln dargestellt sind.
Die Membran-Elektroden-Einheit 102 ist beispielsweise im Wesentlichen rechteckig ausgebildet und erstreckt sich in einer Längsrichtung 104 und in einer senkrecht zur Längsrichtung 104 und ebenso wie die Längsrichtung 104 parallel zu den Hauptflächen 108 der Membran-Elektroden-Einheit 102 ausgerichteten Querrichtung 106.
Die Membran-Elektroden-Einheit 102 umfasst einen mittigen, elektrochemisch aktiven Bereich 110, der von zwei streifenförmigen, sich in der Längsrichtung 104 der Membran-Elektroden-Einheit 102 erstreckenden Längs-Randbereichen 112 und von zwei streifenförmigen, sich in der Querrichtung 106 der Membran-Elektroden-Einheit 102 erstreckenden Quer-Randbereichen 114 umgeben ist.
An jedem der Längs-Randbereiche 112 der Membran-Elektroden-Einheit 102 ist jeweils eine Randverstärkungsanordnung 116 angeordnet.
Bei der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsform der elektrochemischen Einheit 100 umfasst die Randverstärkungsanordnung 116 zwei Randverstärkungsfolien 118, die an den einander gegenüberliegenden Hauptflächen 108 der Membran-Elektroden-Einheit 102 anliegen.
Jede Randverstärkungsfolie 118 besteht vorzugsweise aus einem Polymermaterial.
Das Polymermaterial kann beispielsweise ein thermoplastisches, duroplastisches oder elastomeres Polymermaterial sein.
Beispielsweise kann das Material der Randverstärkungsfolien 118 ein Polytetrafluorethylen, ein Polyvinylidenfluorid, ein Polyester, ein Polyamid, ein Copolyamid, ein Polyamid-Elastomer, ein Polyimid, ein Polyurethan, ein Polyurethan-Elastomer, ein Silikon, einen Silikonkautschuk und/oder ein Silikon-basiertes Elastomer umfassen.
Die Dicke jeder Randverstärkungsfolie 118 beträgt vorzugsweise mindestens 10 μm.
Ferner beträgt die Dicke jeder Randverstärkungsfolie 118 vorzugsweise höchstens 150 μm.
Im Bereich der Längs-Randbereiche 112 der Membran-Elektroden-Einheit 102 sind die Randverstärkungsfolien 118 vorzugsweise stoffschlüssig, beispielsweise durch Heißlaminieren und/oder Kleben, an der Membran-Elektroden-Einheit 102 festgelegt.
In einem über einen äußeren Rand 120 der Membran-Elektroden-Einheit 102 seitlich überstehenden Überstandsbereich 122 der Randverstärkungsanordnung 116 sind die Randverstärkungsfolien 118 vorzugsweise stoffschlüssig, beispielsweise durch Heißlaminieren und/oder Kleben, aneinander festgelegt.
Wie aus 1 zu ersehen ist, ist die Randverstärkungsanordnung 116 in dem Überstandsbereich 122 vorzugsweise mit einer oder mehreren Medium-Durchtrittsöffnungen 124 versehen, welche jeweils den Durchtritt eines Mediums, das der elektrochemischen Vorrichtung, in welcher die elektrochemische Einheit 100 angeordnet ist, zugeführt oder aus der elektrochemischen Vorrichtung abgeführt wird, durch die Randverstärkungsanordnung 116 und damit durch die elektrochemische Einheit 100 hindurch ermöglichen.
Beispielsweise kann eine Medium-Durchtrittsöffnung 124a für den Durchtritt eines Brenngases, eine Medium-Durchtrittsöffnung 124b für den Durchtritt eines Oxidationsmittels und/oder eine Medium-Durchtrittsöffnung 124c für den Durchtritt eines Kühlmittels durch die elektrochemische Einheit 100 vorgesehen sein.
Die Anzahl und Anordnung der Medium-Durchtrittsöffnungen 124 in der Randverstärkungsanordnung 116, insbesondere auch die relative Größe der Medium-Durchtrittsöffnungen 124 und die Reihenfolge der Medium-Durchtrittsöffnungen 124 längs der Längsrichtung 104, ist grundsätzlich beliebig.
Um eine Vermischung der verschiedenen Medien und/oder ein Austreten der Medien in die die elektrochemische Vorrichtung umgebende Atmosphäre zu verhindern, ist die elektrochemische Einheit 100 mit die Medium-Durchtrittsöffnungen 124 umschließenden Dichtungsanordnungen 126 versehen.
Diese Dichtungsanordnungen 126 können an der Randverstärkungsanordnung 116 oder an einer in einer Stapelrichtung 128 auf die Randverstärkungsanordnung 116 folgenden (nicht dargestellten) Bipolarplatte der elektrochemischen Vorrichtung festgelegt sein.
Zwei verschiedenen Medium-Durchtrittsöffnungen 124 zugeordnete Dichtungsanordnungen 126 können einander berühren und/oder einstückig miteinander ausgebildet sein.
Vorzugsweise sind solche Dichtungsanordnungen 126 auf beiden Seiten der Randverstärkungsanordnung 116 angeordnet.
Dort, wo ein durch eine Medium-Durchtrittsöffnung 124 hindurchtretendes Medium einer Kathodenseite oder einer Anodenseite der Membran-Elektroden-Einheit 102 zugeführt werden soll, ist die der betreffenden Medium-Durchtrittsöffnung 124 zugeordnete Dichtungsanordnung 126 vorzugsweise unterbrochen oder mit Durchgangsöffnungen versehen, um eine Fluidverbindung zwischen dem elektrochemisch aktiven Bereich 110 der Membran-Elektroden-Einheit 102 einerseits und der betreffenden Medium-Durchtrittsöffnung 124 andererseits herzustellen.
Auch der elektrochemisch aktive Bereich 110 der Membran-Elektroden-Einheit 102 ist von einer Dichtungsanordnung 130 umgeben, um zu verhindern, dass Betriebsmedien, beispielsweise Brenngas und/oder Oxidationsmittel, aus dem elektrochemisch aktiven Bereich 110 der Membran-Elektroden-Einheit 102 in die die elektrochemische Vorrichtung umgebende Atmosphäre gelangen.
Vorzugsweise ist auf jeder Seite der Membran-Elektroden-Einheit 102 eine solche Dichtungsanordnung 130 vorgesehen.
Die Dichtungsanordnung 130 kann in den Längs-Randbereichen der Membran-Elektroden-Einheit 102 an der Randverstärkungsanordnung 116 oder an einer in der Stapelrichtung 128 auf die Randverstärkungsanordnung 116 folgenden (nicht dargestellten) Bipolarplatte festgelegt sein.
Im Bereich zwischen den beiden Randverstärkungsanordnungen 116 kann die Dichtungsanordnung 130 an der Membran-Elektroden-Einheit 102 oder an einer in der Stapelrichtung 128 auf die Membran-Elektroden-Einheit 102 folgenden (nicht dargestellten) Bipolarplatte festgelegt sein.
Die zwischen den Randverstärkungsanordnungen 116 verlaufenden Abschnitte 130a der Dichtungsanordnung 130 beranden eine elektrochemisch aktive Fläche 132 der Membran-Elektroden-Einheit 102 und begrenzen diese Fläche in der Längsrichtung 104.
In der Querrichtung 106 der Membran-Elektroden-Einheit 102 wird die elektrochemisch aktive Fläche 132 durch die der Membran-Elektroden-Einheit 102 zugewandten Ränder der Randverstärkungsfolien 118 der Randverstärkungsanordnungen 116 begrenzt, welche in der Längsrichtung 104 der Membran-Elektroden-Einheit 102 verlaufen.
Die elektrochemisch aktiven Flächen 132 des elektrochemisch aktiven Bereichs 110 der Membran-Elektroden-Einheit 102 werden also durch die Abschnitte 130a der Dichtungsanordnung 130 und durch die Ränder 134 der Randverstärkungsanordnungen 116 berandet.
Die Längs-Randbereiche 112 der Membran-Elektroden-Einheit 102 entsprechen den Bereichen der Membran-Elektroden-Einheit 102, welche zwischen jeweils einem Rand 134 einer Randverstärkungsanordnung 116 einerseits und einem in der Längsrichtung 104 der Membran-Elektroden-Einheit 102 verlaufenden äußeren Randabschnitt 136 der Membran-Elektroden-Einheit 102 andererseits liegen.
Die Quer-Randbereiche 114 der Membran-Elektroden-Einheit 102 entsprechen denjenigen Bereichen der Membran-Elektroden-Einheit 102, welche zwischen jeweils einem Teilabschnitt 130a der Dichtungsanordnung 130 einerseits und einem in der Querrichtung 106 der Membran-Elektroden-Einheit 102 verlaufenden äußeren Randabschnitt 138 der Membran-Elektroden-Einheit 102 andererseits liegen.
An dem zwischen den einander zugewandten Rändern 134 der beiden Randverstärkungsanordnungen 116 liegenden Teilabschnitt 139 jedes Quer-Randbereichs 114 ist keine Randverstärkungsanordnung 116 angeordnet.
Bei der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsform der elektrochemischen Einheit 100 liegen die einander zugewandten Ränder 134 der Randverstärkungsfolien 118 und die Teilabschnitte 130a der Dichtungsanordnungen 130 auf der Kathodenseite 140 und auf der Anodenseite 142 der Membran-Elektroden-Einheit 102 längs der Stapelrichtung 128 ohne Versatz übereinander, so dass die kathodenseitige elektrochemisch aktive Fläche 132a, durch welche Oxidationsmittel zu der Kathode der Membran-Elektroden-Einheit 102 gelangen kann, gleich groß ist wie die anodenseitige elektrochemisch aktive Fläche 132b, durch welche Brenngas zu der Anode der Membran-Elektroden-Einheit 102 gelangen kann.
Wie am besten aus 2 zu ersehen ist, weist die elektrochemische Einheit 100 in unterschiedlichen Bereichen voneinander verschiedene Dicken auf.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Dicke d₁ der Membran-Elektroden-Einheit 102 geringer ist als die Dicke d₂ der elektrochemischen Einheit 100 im Bereich der Längs-Randbereiche 112 der Membran-Elektroden-Einheit 102, welche im Wesentlichen der Summe der Dicken der Membran-Elektroden-Einheit 102 und der Randverstärkungsfolien 118 entspricht.
Die Dicke d₂ der elektrochemischen Einheit 100 im Bereich der Längs-Randbereiche 112 der Membran-Elektroden-Einheit 102 ist wiederum vorzugsweise größer als die Dicke d₃ der elektrochemischen Einheit 100 in dem Überstandsbereich 122 der Randverstärkungsanordnungen 116, in welchem die Randverstärkungsfolien 118 direkt aneinander anliegen.
Die Dicke d₃ der Randverstärkungsanordnungen 116 im Überstandsbereich 122 kann grundsätzlich größer als die Dicke d₁ der Membran-Elektroden-Einheit 102, gleich groß wie die Dicke d₁ der Membran-Elektroden-Einheit 102 oder kleiner als die Dicke d₁ der Membran-Elektroden-Einheit 102 sein.
Vorzugsweise ist die Dicke d₃ größer als die Dicke d₁.
Die den elektrochemisch aktiven Bereich 110 der Membran-Elektroden-Einheit 102 umgebende Dichtungsanordnung 130 erstreckt sich durch alle vorstehend genannten Bereiche mit den unterschiedlichen Dicken d₁, d₂ beziehungsweise d₃ hindurch. Um in allen diesen Bereichen eine ausreichende Dichtpressung an der Dichtungsanordnung 126 aufrechtzuerhalten, ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Unterschiede in den Dicken d₁, d₂ und d₃ durch eine gegenläufige Anpassung der Höhen der Dichtungsanordnung 130 in diesen Bereichen zumindest teilweise, besonders bevorzugt im Wesentlichen vollständig, kompensiert werden.
Um eine sprunghafte Änderung der Höhe der Dichtungsanordnung 130 beim Übergang von dem elektrochemisch aktiven Bereich 110 zu dem Längs-Randbereich 112 zu vermeiden, ist es günstig, wenn, wie in 2 dargestellt, die der Membran-Elektroden-Einheit 102 zugewandten Randbereiche 144 der Randverstärkungsfolien 118 sich zu dem der Membran-Elektroden-Einheit 102 zugewandten Rand 134 der jeweiligen Randverstärkungsfolie 118 hin, vorzugsweise im Wesentlichen stetig, verjüngen.
Besonders günstig ist es, wenn die Dicke der jeweiligen Randverstärkungsfolie 118 innerhalb des jeweiligen Randbereichs 144 bis zu dem jeweiligen Rand 134 hin bis auf null abnimmt.
Zur Herstellung der vorstehend beschriebenen elektrochemischen Einheit 100 wird wie folgt vorgegangen (siehe 3):
Ein Membran-Elektroden-Material 146 in Bandform wird bereitgestellt. Dabei entspricht die Ausdehnung des Membran-Elektroden-Materials 146 in seiner Querrichtung 106 der Ausdehnung der Membran-Elektroden-Einheit 102 in der Querrichtung 106.
Die Ausdehnung des bandförmigen Membran-Elektroden-Materials 146 in der Längsrichtung 104 ist hingegen größer als die Ausdehnung einer fertigen Membran-Elektroden-Einheit 102 in der Längsrichtung 104, vorzugsweise größer als die Ausdehnung von drei fertigen Membran-Elektroden-Einheiten 102 in der Längsrichtung 104.
Zu beiden Längsseiten des Membran-Elektroden-Materials 146 werden jeweils zwei Randverstärkungs-Materialien 148, insbesondere in Form von Randverstärkungsfolien-Materialien, bereitgestellt.
Die Breite dieser Randverstärkungs-Materialien 148 in der Querrichtung 106 entspricht jeweils im Wesentlichen der Breite einer der fertigen Randverstärkungsanordnungen 116 in der Querrichtung 106.
Die Ausdehnung der bandförmigen Randverstärkungs-Materialien 148 in der Längsrichtung 104 ist hingegen größer als die Ausdehnung einer Randverstärkungsanordnung 116 der fertigen elektrochemischen Einheit 100 in der Längsrichtung 104, vorzugsweise größer als die Ausdehnung von drei Randverstärkungsanordnungen 116 fertiger elektrochemischer Einheiten 100 in der Längsrichtung 104.
Die Randverstärkungs-Materialien 148 werden mit den seitlichen Randbereichen des Membran-Elektroden-Materials 146 und (im Überstandsbereich 122) miteinander laminiert, beispielsweise durch Heißlaminieren und/oder Kleben.
Da es sich sowohl bei dem bandförmigen Membran-Elektroden-Material 146 als auch bei den bandförmigen Randverstärkungs-Materialien 148 um Endlos-Materialien handelt, ist es nicht erforderlich, die Randverstärkungs-Materialien 148 in der Längsrichtung 104 präzise relativ zu dem bandförmigen Membran-Elektroden-Material 146 zu positionieren.
Das Membran-Elektroden-Material 146 und die daran festgelegten Randverstärkungs-Materialien 148 werden in einer Transportrichtung 150, welche parallel zur Längsrichtung 104 ausgerichtet ist, transportiert und zumindest teilweise aufgerollt, indem sie auf den Umfang einer rotierenden Trommel 152 aufgewickelt werden.
In dieser aufgerollten Form ist das Membran-Elektroden-Material 146 mit den daran festgelegten Randverstärkungs-Materialien 148 einfach und platzsparend zu einem Weiterverarbeitungsort transportierbar.
Dort wird das Membran-Elektroden-Material 146 mit den daran festgelegten Randverstärkungs-Materialien 148 zumindest teilweise wieder abgerollt, und eine Mehrzahl von elektrochemischen Einheiten 100 wird durch Abtrennen der elektrochemischen Einheiten 100 von dem Membran-Elektroden-Material 146 mit den daran festgelegten Randverstärkungs-Materialien 148 längs der in der Querrichtung 106 verlaufenden äußeren Randabschnitte 138 der Membran-Elektroden-Einheiten 102 (siehe 1) erzeugt.
Vor diesem Vereinzeln der elektrochemischen Einheiten 100 können die Medium-Durchtrittsöffnungen 124 aus den Randverstärkungs-Materialien 148 herausgetrennt, beispielsweise ausgeschnitten oder ausgestanzt, werden.
Das Heraustrennen der Medium-Durchtrittsöffnungen 124 kann auch schon bereits vor dem Aufrollen des Membran-Elektroden-Materials 146 erfolgen.
Die so erzeugten elektrochemischen Einheiten 100 können mit den Dichtungsanordnungen 130 und 126 versehen und zusammen mit jeweils dazwischen angeordneten Bipolarplatten in der Stapelrichtung 128 aufeinander gestapelt werden, um die elektrochemische Vorrichtung, beispielsweise den Brennstoffzellenstapel oder den Elektrolyseur, zu bilden.
Bei einer in 4 schematisch dargestellten Variante des Verfahrens zum Herstellen der elektrochemischen Einheit 100 wird vor dem Aufrollen des Membran-Elektroden-Materials 146 mit den daran festgelegten Randverstärkungs-Materialien 148 ein Zwischenelement oder Trennelement 152 an dem zwischen den Randverstärkungs-Materialien 148 liegenden Bereich des Membran-Elektroden-Materials 146 angeordnet.
Das Zwischen- oder Trennelement 152 ist vorzugsweise als eine Zwischenfolie oder Trennfolie 154 ausgebildet.
Die Dicke des Trennelements 152 entspricht vorzugsweise im Wesentlichen der Dicke einer Randverstärkungsfolie 118, so dass der Dickenunterschied zwischen dem mit den Randverstärkungs-Materialien 148 versehenen Bereich des Membran-Elektroden-Materials 146 einerseits und dem nicht mit den Randverstärkungs-Materialien 148 versehenen Bereich des Membran-Elektroden-Materials 146 weitgehend ausgeglichen wird, was das Aufrollen des Membran-Elektroden-Materials 146 mit den daran angeordneten Randverstärkungs-Materialien 148 erleichtert.
Vorzugsweise ist auf beiden Seiten des Membran-Elektroden-Materials 146 jeweils ein Zwischenelement oder Trennelement 152 angeordnet.
Das Zwischenelement oder Trennelement 152, insbesondere die Zwischenfolie oder Trennfolie 154, ist bandförmig und weist in der Querrichtung 106 vorzugsweise eine Ausdehnung auf, welche geringfügig kleiner ist als der Abstand zwischen den an dem Membran-Elektroden-Material 146 angeordneten Randverstärkungs-Materialien 148.
Ein Trennelement 152 kann auch insbesondere dann verwendet werden, wenn das Membran-Elektroden-Material 146 nur an einer seiner Längsseiten mit Randverstärkungs-Material 148 versehen werden soll. In diesem Fall erstreckt sich das Trennelement 152 vorzugsweise von dem Seitenrand des Membran-Elektroden-Materials 146, der nicht mit Randverstärkungs-Material 148 versehen ist, in der Querrichtung 106 bis nahezu zu dem Rand 134 des Randverstärkungs-Materials 148.
Hierdurch wird es ermöglicht, auch in diesem Fall einer nur einseitigen Randverstärkung des Membran-Elektroden-Materials 146 das Membran-Elektroden-Material 146 gleichmäßig aufzurollen.
Eine in 5 ausschnittsweise dargestellte zweite Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit 100 unterscheidet sich von der in den 1 und 2 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass die der Membran-Elektroden-Einheit 102 zugewandten Ränder 134 der beiden an einander gegenüberliegenden Seiten der Membran-Elektroden-Einheit 102 anliegenden Randverstärkungsfolien 118 in der Stapelrichtung 128 nicht genau übereinander liegen, sondern um einen Versatz V in einer senkrecht zur Stapelrichtung 128 und parallel zu den Hauptflächen 108 der Membran-Elektroden-Einheit 102 sowie senkrecht zu den Rändern 134 ausgerichteten Richtung gegeneinander versetzt sind.
Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass der Rand 134 der auf der Anodenseite der Membran-Elektroden-Einheit 102 anliegenden Randverstärkungsfolie 118b gegenüber dem Rand 134 der auf der Kathodenseite der Membran-Elektroden-Einheit 102 anliegenden Randverstärkungsfolie 118a nach außen, das heißt zu dem äußeren Rand 120 der Membran-Elektroden-Einheit 102 hin, versetzt ist.
Hierdurch wird erreicht, dass die anodenseitige elektrochemisch aktive Fläche 132b der Membran-Elektroden-Einheit 102 größer ist als die kathodenseitige elektrochemisch aktive Fläche 132a.
Dadurch ist gewährleistet, dass auch unter Berücksichtigung der Fertigungstoleranzen der Einzelkomponenten und der Assemblierungstoleranzen der Einzelkomponenten zueinander kein Bereich der Membran-Elektroden-Einheit 102 im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung nur kathodenseitig mit Oxidationsmittel, nicht aber auch anodenseitig mit Brenngas versorgt wird.
Eine solche unterstöchiometrische Versorgung der Membran-Elektroden-Einheit 102 mit Brenngas in einem lokal begrenzten Bereich kann zu verstärkten Alterungseffekten führen. Dieser unerwünschte Effekt wird durch die Vergrößerung der anodenseitigen elektrochemisch aktiven Fläche 132b vermieden. Eine lokal nur einseitige Versorgung der Membran-Elektroden-Einheit 102 mit Brenngas stellt hingegen keine Quelle verstärkter Alterungsmechanismen dar und ist daher in Bezug auf die Dauerhaltbarkeit der Membran-Elektroden-Einheit 102 dem umgekehrten Fall der nur einseitigen Versorgung mit Oxidationsmittel vorzuziehen.
Der Versatz V zwischen den Rändern 134 der Randverstärkungsfolien 118 beträgt vorzugsweise mindestens 50 μm, insbesondere mindestens 100 μm.
Ferner beträgt der Versatz V vorzugsweise weniger als 600 μm, insbesondere weniger als 400 μm, besonders bevorzugt weniger als 200 μm.
Im Übrigen stimmt die in 5 dargestellte zweite Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in den 1 und 2 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine ausschnittsweise in 6 dargestellte dritte Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit 100 unterscheidet sich von der in den 1 und 2 dargestellten ersten Ausführungsform und von der in 5 dargestellten zweiten Ausführungsform dadurch, dass eine der Randverstärkungsanordnungen 116 oder beide Randverstärkungsanordnungen 116 jeweils nur eine Randverstärkungsfolie 118 umfassen, welche, vorzugsweise stoffschlüssig, an einem Längs-Randbereich 112 der Membran-Elektroden-Einheit 102 festgelegt ist.
Vorzugsweise liegt diese Randverstärkungsfolie 118 auf der Kathodenseite an der Membran-Elektroden-Einheit 102 an.
Hierdurch wird erreicht, dass die anodenseitige elektrochemisch aktive Fläche 132b der Membran-Elektroden-Einheit 102 größer ist als deren kathodenseitige elektrochemisch aktive Fläche 132a, mit den vorstehend im Zusammenhang mit der in 5 dargestellten zweiten Ausführungsform der elektrochemischen Einheit 100 beschriebenen vorteilhaften Wirkungen.
Im Übrigen stimmt die in 6 dargestellte dritte Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in den 1 und 2 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine ausschnittsweise in 7 dargestellte vierte Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit 100 unterscheidet sich von der in 5 dargestellten zweiten Ausführungsform dadurch, dass die der Membran-Elektroden-Einheit 102 zugewandten Randbereiche 144 der Randverstärkungsfolien 118 sich nicht zum jeweiligen der Membran-Elektroden-Einheit 102 zugewandten Rand 134 der Randverstärkungsfolie 118 hin verjüngen. Vielmehr behält bei dieser Ausführungsform jede Randverstärkungsfolie 118 ihre volle Materialstärke bis zum Rand 134 bei.
Hierdurch entfällt der Prozessschritt des Abschrägens oder Schäftens der Randbereiche 144 der Randverstärkungsfolien 118.
Es ist auch möglich, in einer Randverstärkungsanordnung 116 eine Randverstärkungsfolie 118 mit einem sich zum Rand 134 hin verjüngenden Randbereich 144 mit einer sich im Randbereich 144 nicht verjüngenden Randverstärkungsfolie 118 zu kombinieren.
Im Übrigen stimmt die in 7 dargestellte vierte Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in 5 dargestellten zweiten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 8 ausschnittsweise dargestellte fünfte Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit 100 unterscheidet sich von der in 6 dargestellten dritten Ausführungsform ebenfalls dadurch, dass mindestens eine Randverstärkungsfolie 118 sich in ihrem Randbereich 144 nicht zu dem der Membran-Elektroden-Einheit 102 zugewandten Rand 134 hin verjüngt. Vielmehr behält die Randverstärkungsfolie 118, welche in diesem Fall die einzige Randverstärkungsfolie 118 der Randverstärkungsanordnung 116 darstellt, ihre volle Materialstärke bis zum Rand 134 bei.
Im Übrigen stimmt die in 8 dargestellte fünfte Ausführungsform einer elektrochemischen Einheit 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in 6 dargestellten dritten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.

Claims

Elektrochemische Einheit für eine elektrochemische Vorrichtung, insbesondere einen Brennstoffzellenstapel oder einen Elektrolyseur, umfassend – eine Membran-Elektroden-Einheit (102), die einen elektrochemisch aktiven Bereich (110), mindestens einen in einer Längsrichtung (104) der Membran-Elektroden-Einheit (102) verlaufenden Längs-Randbereich (112) und mindestens einen in einer senkrecht zur Längsrichtung (104) der Membran-Elektroden-Einheit (102) ausgerichteten Querrichtung (106) der Membran-Elektroden-Einheit (102) verlaufenden Quer-Randbereich (114) aufweist, und – mindestens eine Randverstärkungsanordnung (116), die an mindestens einem Längs-Randbereich (112) der Membran-Elektroden-Einheit (102) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Quer-Randbereich (114) der Membran-Elektroden-Einheit (102) mindestens einen Teilabschnitt (139) aufweist, an dem keine Randverstärkungsanordnung (116) angeordnet ist.
Elektrochemische Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Einheit (100) zwei Randverstärkungsanordnungen (116) umfasst, die voneinander beabstandet und an jeweils einem Längs-Randbereich (112) der Membran-Elektroden-Einheit (102) angeordnet sind, wobei zwei Quer-Randbereiche (114) der Membran-Elektroden-Einheit (102) jeweils einen Teilabschnitt (139) aufweisen, der sich zwischen den zwei Randverstärkungsanordnungen (116) erstreckt.
Elektrochemische Einheit nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Randverstärkungsanordnung (116) mindestens eine Medium-Durchtrittsöffnung (124) für den Durchtritt eines Mediums der elektrochemischen Vorrichtung aufweist.
Elektrochemische Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Randverstärkungsanordnung (116) mindestens eine Randverstärkungsfolie (118) umfasst.
Elektrochemische Einheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Randverstärkungsanordnung (116) zwei Randverstärkungsfolien (118) umfasst, die an einander gegenüberliegenden Seiten der Membran-Elektroden-Einheit (102) anliegen.
Elektrochemische Einheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die der Membran-Elektroden-Einheit (102) zugewandten Ränder (134) der zwei an einander gegenüberliegenden Seiten der Membran-Elektroden-Einheit (102) anliegenden Randverstärkungsfolien (118) einen Versatz (V) in der Querrichtung (106) der Membran-Elektroden-Einheit (102) aufweisen.
Elektrochemische Einheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Versatz (V) mindestens 50 μm beträgt.
Elektrochemische Einheit nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Versatz (V) weniger als 600 μm beträgt.
Elektrochemische Einheit nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Randverstärkungsfolien (118) in einem seitlich über die Membran-Elektroden-Einheit (102) überstehenden Überstandsbereich (122) miteinander laminiert sind.
Elektrochemische Einheit nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein der Membran-Elektroden-Einheit (102) zugewandter Randbereich (144) mindestens einer Randverstärkungsfolie (118) sich zu dem der Membran-Elektroden-Einheit (102) zugewandten Rand der Randverstärkungsfolie (118) hin verjüngt.
Elektrochemische Einheit nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Randverstärkungsfolie (118) eine Dicke von weniger als 100 μm aufweist.
Elektrochemische Zelle für eine elektrochemische Vorrichtung, insbesondere einen Brennstoffzellenstapel oder einen Elektrolyseur, umfassend eine elektrochemische Einheit (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 und mindestens eine Dichtungsanordnung (130), die mit der mindestens einen Randverstärkungsanordnung (116) und mit dem mindestens einen Teilabschnitt (139) des mindestens einen Quer-Randbereichs (114) der Membran-Elektroden-Einheit (102) in Kontakt steht.
Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Einheit (100) für eine elektrochemische Vorrichtung, insbesondere einen Brennstoffzellenstapel oder einen Elektrolyseur, wobei die elektrochemische Einheit (100) eine Membran-Elektroden-Einheit (102), die einen elektrochemisch aktiven Bereich (110), mindestens einen in einer Längsrichtung (104) der Membran-Elektroden-Einheit (102) verlaufenden Längs-Randbereich (112) und mindestens einen in einer senkrecht zur Längsrichtung (104) der Membran-Elektroden-Einheit (102) ausgerichteten Querrichtung (106) der Membran-Elektroden-Einheit (102) verlaufenden Quer-Randbereich (114) aufweist, umfasst und wobei das Verfahren Folgendes umfasst: – Bereitstellen eines Membran-Elektroden-Materials (146) in Bandform, wobei das Membran-Elektroden-Material (146) eine Erstreckung in einer Längsrichtung (104) des Membran-Elektroden-Materials (146) aufweist, welche größer ist als die Erstreckung der Membran-Elektroden-Einheit (102) der elektrochemischen Einheit (100) in deren Längsrichtung (104); – Bereitstellen mindestens eines Randverstärkungs-Materials (148) in Bandform, wobei das Randverstärkungs-Material (148) eine Erstreckung in einer Längsrichtung (104) des Randverstärkungs-Materials (148) aufweist, welche größer ist als die Erstreckung einer Randverstärkungsanordnung (116) der elektrochemischen Einheit (100) in deren Längsrichtung, und wobei das Randverstärkungs-Material (148) eine Erstreckung in einer senkrecht zu seiner Längsrichtung (104) ausgerichteten Querrichtung (106) aufweist, welche kleiner ist als die Erstreckung des Membran-Elektroden-Materials (146) in dessen senkrecht zur Längsrichtung (104) ausgerichteten Querrichtung (106); – Festlegen des mindestens einen Randverstärkungs-Materials (148) an dem Membran-Elektroden-Material (146), wobei die Längsrichtung (104) des mindestens einen Randverstärkungs-Materials (148) mit der Längsrichtung (104) des Membran-Elektroden-Materials übereinstimmt; – Heraustrennen mindestens einer elektrochemischen Einheit (100) aus dem Membran-Elektroden-Material (146) und dem daran festgelegten mindestens einen Randverstärkungs-Material (148).
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Membran-Elektroden-Material (146) und das daran festgelegte mindestens eine Randverstärkungs-Material (148) zumindest teilweise aufgerollt und zumindest teilweise wieder abgerollt werden, bevor mindestens eine elektrochemische Einheit (100) aus dem Membran-Elektroden-Material (146) und dem daran festgelegten mindestens einen Randverstärkungs-Material (148) herausgetrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein nicht mit dem mindestens einen Randverstärkungs-Material (148) versehener Bereich des Membran-Elektroden-Materials (146) mit einem Trennelement (152) versehen wird.