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Die Erfindung betrifft eine Membran-Elektroden-Vorrichtung für eine Brennstoffzelle, insbesondere eine Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle, oder für eine Elektrolysevorrichtung, insbesondere eine Elektrolysevorrichtung für die Wasserelektrolyse, mit einer Membran, die beidseitig mit einer Katalysatorschicht ausgerüstet ist, einer ersten Gasdiffusionselektrode und einer zweiten Gasdiffusionselektrode, die beide jeweils unter Zwischenordnung einer Katalysatorschicht an der Membran anliegen, wobei die Gasdiffusionselektroden jeweils eine Mehrzahl von schichtweise angeordneten Streckmetalllagen aufweisen.
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Eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) mit einer Membran und zwei Gasdiffusionselektroden, die jeweils eine Mehrzahl von schichtweise angeordneten Streckmetalllagen aufweisen, ist aus der
EP 2 985 096 B1 bekannt. Gemäß dieser vorbekannten Membran-Elektroden-Anordnung sind die Streckmetalllagen der Gasdiffusionselektroden miteinander verschweißt, so dass ein stoffschlüssiger Verbund gegeben ist. Dabei sind einzelne Streckmetalllagen vorgesehen, die in Kontaktpunkten ihrer einander zugewandten Flachseiten mittels Widerstands-Impulsschweißen miteinander verbunden sind. Es kann eine weitere Steckmetalllage vorgesehen sein, die mit den in Kontaktpunkten flächenhaft verschweißten Streckmetalllagen punktverschweißt ist.
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Von Vorteil der miteinander verschweißten Streckmetalllagen ist insbesondere die Ausbildung eines formstabilen Verbundes, der eine Tragstruktur für die Membran bildet und insbesondere während einer Montage eine vereinfachte Handhabung gestattet.
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Aus dem Stand der Technik ist gemäß der
DE 2533728 A1 ferner eine Elektrolysezelle mit bipolaren Elektroden bekannt, die über einen eine Kammer der Elektrolysezone umschließenden Außenrahmen aufweist. Dabei sind zwei aufeinander folgende Rahmen vorgesehen, die zueinander abgedichtet sind, zu welchem Zweck in einer rahmenseitigen Ausnehmung ein Dichtglied angeordnet ist.
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Aus der
DE 197 29 479 C1 ist eine Elektrolysevorrichtung bekannt, die eine Anzahl von Membran-Elektrolysezellen aufweist, von denen jede eine beidseitig mit einer Kontaktschicht versehene Membran umfasst. Damit die Elektrolysevorrichtung bei kompakter Bauweise auch für vergleichsweise hohen Wasserstoffproduktionsraten geeignet und somit insbesondere flexibel einsetzbar ist, ist an jeder Kontaktschicht jeweils eine Kontaktplatte angeordnet, wobei jede Kontaktplatte auf ihrer der ihr zugewandten Kontaktschicht zugewandten Oberfläche ein Kanalsystem zum Transport von Wasser und/oder Gas aufweist.
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Obgleich Brennstoffzellen und Elektrolysevorrichtungen sowie darin zum Einsatz kommende Membran-Elektroden-Anordnungen bzw. Gasdiffusionselektroden in vielerlei Ausgestaltungsformen bekannt sind, besteht Verbesserungsbedarf. Es ist insbesondere eine vereinfachte Herstellung und/oder Montage erwünscht. Es ist deshalb die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, eine Membran-Elektroden-Vorrichtung der eingangs genannten Art konstruktiv dahingehend weiterzuentwickeln, dass eine verbesserte Herstellung und/oder Montage ermöglicht ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung eine Membran-Elektroden-Vorrichtung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, die sich dadurch auszeichnet, dass die Streckmetalllagen in Dickenrichtung einer Gasdiffusionselektrode untereinander verbindungsfrei lose übereinander gestapelt sind, wobei eine Rahmenanordnung vorgesehen ist, die die Membran und die einzelnen Streckmetalllagen der beiden Gasdiffusionselektroden lagesicher aufnimmt.
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Die Gasdiffusionselektroden verfügen jeweils über eine Mehrzahl von schichtweise angeordneten Streckmetalllagen. Diese Streckmetalllagen sind jedoch im Unterschied zur Lehre nach der
EP 2 985 096 B1 nicht miteinander verschweißt. Es ist erfindungsgemäß vielmehr vorgesehen, dass die Streckmetalllagen in Dickenrichtung einer Gasdiffusionselektrode untereinander verbindungsfrei lose übereinander gestapelt sind. „Untereinander verbindungsfrei“ im Sinne der Erfindung bedeutet dabei, dass eine direkte Verbindung zwischen benachbarten Streckmetalllagen nicht vorgesehen ist, insbesondere, dass benachbarte Streckmetalllagen nicht miteinander verschweißt sind. Die nach der Erfindung in Dickenrichtung einer Gasdiffusionselektrode lose übereinander gestapelten Streckmetalllagen bilden mithin im Unterschied zur Lehre nach der
EP 2 985 096 B1 keinen formstabilen Verbund aus.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung verfügt des Weiteren über eine Rahmenanordnung. Diese nimmt im endmontierten Zustand die Membran und die einzelnen Streckmetalllagen der beiden Gasdiffusionselektroden lagesicher auf. Es ist mithin eine Anordnung vorgesehen, dergemäß nicht nur die Streckmetalllagen einer Gasdiffusionselektrode miteinander lagesicher gekoppelt sind. Stattdessen sorgt die erfindungsgemäß vorgesehene Rahmenanordnung dafür, dass sowohl die Membran als auch sämtliche Streckmetalllagen beider Gasdiffusionselektroden miteinander positionsgenau und lagesicher gekoppelt sind. Es ist so im endmontierten Zustand eine Membran-Elektroden-Vorrichtung bzw. -Zelle geschaffen, die als solche in einfacher Weise gehandhabt werden kann. Mehrerer solcher Vorrichtungen bzw. Zellen können miteinander zu einem sogenannten Stack miteinander kombiniert, das heißt in Dickenrichtung hintereinander angeordnet bzw. aufgestapelt werden.
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Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist bewusst darauf verzichtet worden, für sich formstabile Gasdiffusionselektroden auszubilden. Die erfindungsgemäß vorgesehene Rahmenanordnung sorgt für eine formstabile Ausgestaltung einer eine Membran und zwei Gasdiffusionselektroden aufweisende Membran-Elektroden-Anordnung. Auf den zeit- und kostenaufwändigen Zwischenschritt der Ausgestaltung einzelner formstabiler Gasdiffusionselektroden ist damit in vorteilhafter Weise verzichtet. Dies ermöglicht eine vereinfachte Herstellung und Montage.
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Vor Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist ferner, dass im Unterschied zum Stand der Technik eine spätere Demontage ermöglicht ist, das heißt die einzelnen Steckmetalllagen im Bedarfsfall auch ohne Weiteren wieder voneinander getrennt werden können. Bei einer stoffschlüssigen Verbindung der Streckmetalllagen ist dies nicht möglich.
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„Streckmetall“ im Sinne der Erfindung meint dabei eine mit Öffnungen in der Oberfläche ausgebildete Metalltafel, wobei die Öffnungen, auch Maschen genannt, durch versetzte Schnitte ohne Materialverlust unter gleichzeitig streckender Verformung der Metalltafel entstehen. Mehrere Lagen Streckmetall bilden eine Gasdiffusionselektrode einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Vorrichtung aus, wobei benachbarte Streckmetalllagen im Unterschied zur
EP 2 985 096 B1 in Dickenrichtung nur lose übereinanderliegen und nicht miteinander verschweißt sind.
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Die einzelnen Streckmetalllagen der Gasdiffusionselektroden verfügen herstellungsbedingt über eine plastische Höhe, die größer ist, als die Blechdicke der jeweils als Ausgangsmaterial gewählten Metalltafeln. Diese plastische Höhe verleiht dem Streckmetall gewisse Federungseigenschaften, die vollständig erhalten bleiben, so dass der mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten Membran-Elektroden-Vorrichtung vorgesehene Verbund definierte Federeigenschaften besitzt, die sich anhand der Federkennlinien der einzelnen Streckmetalllagen berechnen und reproduzierbar ausbilden lassen. Es ist so aufgrund der konstruktiven Ausgestaltung ermöglicht, gezielt Einfluss auf die spätere Kontaktkraft zwischen den Gasdiffusionselektroden einerseits und der dazwischen angeordneten Membran andererseits mit dem Ziel Einfluss zu nehmen, dass ein dauerhaft vollflächiges und sicheres Anliegen der Membran an den Gasdiffusionselektroden sichergestellt ist.
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Sowohl in Brennstoffzellen als auch in Elektrolysevorrichtungen wird eine Mehrzahl von einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen innerhalb eines sogenannten Stacks in Reihe geschaltet und bildet so eine Membran-Elektrolysezelle, das heißt Elektrolysevorrichtung aus. Die erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Vorrichtung bzw. -Zelle verfügt über eine solche Membran-Elektroden-Anordnung sowie über eine Rahmenanordnung, mittels welcher in schon vorbeschriebener Weise sowohl die einzelnen Streckmetalllagen als auch die dazwischen angeordnete Membran lagesicher gehalten sind. Im endmontierten Zustand ist so eine Zelle geschaffen, die mit weiteren Zellen kombiniert eine Elektrolysevorrichtung ausbildet.
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Dabei ermöglicht es die erfindungsgemäße Konstruktion, ungewollte Setzungserscheinungen der zu einem Stack miteinander verspannten Membran-Elektroden-Vorrichtungen sicher zu vermeiden. Zum einen können dererlei Setzungserscheinungen deshalb vermieden werden, weil die einzelnen Gasdiffusionselektroden in schon vorbeschriebener Weise aufgrund ihrer Ausgestaltung aus Streckmetalllagen vorbestimmte Federungseigenschaften bereitstellen. Darüber hinaus lässt sich aber auch durch die nach der Erfindung vorgesehene Rahmenanordnung gezielt Einfluss auf unerwünschte Setzungserscheinungen Einfluss nehmen, und zwar deshalb, weil die einzelnen Streckmetalllagen im Unterschied zum Stand der Technik nicht miteinander verschweißt, sondern in Dickenrichtung los übereinander angeordnet sind.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass die Membran-Elektroden-Vorrichtung über eine Nachsetzeinrichtung verfügt:
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Obgleich die erfindungsgemäße Ausgestaltung konstruktionsbedingt Setzerscheinungen in vorteilhafter Weise kompensieren kann, hat sich in der Praxis herausgestellt, dass insbesondere über eine längere Betriebsdauer ungewollte Setzerscheinungen nicht zuverlässig ausgeschlossen werden können. Dabei wirken sich ungewollte Setzerscheinungen insofern negativ aus, als dass sich die Streckmetalllagen der Gasdiffusionselektroden voneinander zumindest soweit lösen können, dass in nachteiliger Weise kein vollflächiger elektrischer Kontakt zwischen den Streckmetalllagen einer Gasdiffusionselektrode mehr besteht. Dies kann zu zum Teil erheblichen Einbußen im Wirkungsgrad der Membran-Elektroden-Vorrichtung führen.
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Um diesbezüglich vorzubeugen, ist erfindungsgemäß eine Nachsetzeinrichtung vorgesehen. Diese sorgt im bestimmungsgemäßen Verwendungsfall der Membran-Elektroden-Vorrichtung dafür, dass die Gasdiffusionselektroden und damit auch die Streckmetalllagen der Gasdiffusionselektroden unter Anpressdruck stehen, so dass etwaige Setzerscheinungen von Vornherein kompensiert sind. Damit ist sichergestellt, dass die Streckmetalllagen trotz mangels Verschweißen dauerhaft sicher aneinander liegen und einen vollflächigen elektrischen Kontakt zwischen sich ausbilden. Dieser vollflächige elektrische Kontakt zwischen den Streckmetalllagen ist Dank der Nachsetzeinrichtung auch über die Dauer einer Verwendung einer Membran-Elektroden-Vorrichtung gegeben, was die Langlebigkeit garantiert. Dabei dient die Nachsetzeinrichtung nicht nur dazu, ein dauerhaftes Aneinanderanliegen der Streckmetalllagen zu garantieren, sondern auch ein Anliegen der Gasdiffusionselektroden an der Membran. Es ist damit in vorteilhafter Weise eine dauerhafte Betriebssicherheit gegeben.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass die Nachsetzeinrichtung eine die Streckmetalllagen der Gasdiffusionselektroden kraftbeaufschlagende Federeinheit aufweist. Die Federeinheit sorgt in vorteilhafter Weise für eine dauerhafte Druckbeaufschlagung insbesondere der Gasdiffusionselektroden und damit der jeweiligen Streckmetalllagen der Gasdiffusionselektroden. Es ist so ein automatisches Nachsetzen im Falle des Auftretens etwaiger Setzerscheinungen sichergestellt. Einer Kontrolle oder Nachprüfung bedarf es insofern nicht, so dass Wartungsfreiheit gegeben ist.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass die Federeinheit zwischen einer Gasdiffusionselektrode und der Rahmenanordnung angeordnete Federelemente aufweist. Als Federelemente können insbesondere Tellerfedern zum Einsatz kommen, die sich einerseits an der Rahmenanordnung und andererseits an der der Rahmenanordnung zugewandten Seite der jeweiligen Gasdiffusionselektrode abstützen. Dabei kann ein solches Federelement an der Rahmenanordnung vormontiert sein, was eine spätere Endmontage vereinfacht. Von besonderem Vorteil ist es in diesem Zusammenhang, die Federelemente und die Rahmenanordnung einstückig auszubilden. Alternativ ist eine quasi einstückige Ausgestaltung durch beispielsweise Verkleben.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass die Nachsetzeinrichtung manuell nachstellbar ausgebildet ist. Eine solche manuelle Nachstellbarkeit kann beispielsweise in einfacher Weise dadurch realisiert werden, dass zur Verklemmung einer von einer Rahmenanordnung aufgenommenen Membran-Elektroden-Anordnung eine Verschraubung vorgesehen ist, die zur Vermeidung etwaiger Setzerscheinungen manuell nachgezogen werden kann. Ein solches Nachziehen kann beispielsweise im Rahmen ohnehin turnusmäßig stattfindender Wartungsarbeiten durchgeführt werden.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist eine auf einer Gasdiffusionselektrode aufliegende Leiterplatte vorgesehen, die mit der Rahmenanordnung verbunden ist. Die Leiterplatte dient insbesondere dazu, bei mehreren zu einem Stack miteinander kombinierten Membran-Elektroden-Vorrichtungen einen elektrisch leitenden Kontakt zwischen zwei benachbarten Membran-Elektroden-Vorrichtungen auszubilden. Dabei ist die Leiterplatte mit der Rahmenanordnung bevorzugterweise verbunden, beispielsweise verschraubt oder vernietet, womit die Leiterplatte zugleich die Rahmenanordnung nach Art eines Deckels verschließt, was eine lagesichere Unterbringung der von einer Rahmenanordnung aufgenommenen Streckmetalllagen zusätzlich unterstützt.
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Die Leiterplatte kann insbesondere als Bipolarplatte ausgebildet sein.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass die beiden Gasdiffusionselektroden gegeneinander abgedichtet sind. Zu diesem Zweck kann eine Dichtung vorgesehen sein, die unter Zwischenordnung der Membran eine direkte Abdichtung zwischen den beiden Gasdiffusionselektroden besorgt. Dies ist beispielsweise mittels einer Schicht aus einem Dichtmittel zwischen den beiden Gasdiffusionselektroden ermöglicht. Alternativ ermöglicht es die erfindungsgemäße Ausgestaltung, eine Abdichtung der beiden Gasdiffusionselektroden gegenüber einander auch dadurch zu erreichen, dass eine Abdichtung einer der beiden Gasdiffusionselektroden gegenüber der Rahmenanordnung ausgebildet ist. Es wird so auch eine Abdichtung der beiden Gasdiffusionselektroden gegenüber einander ermöglicht, allerdings ist die Herstellung und Montage sehr viel vereinfacht, da es ausreicht, eine entsprechende Dichtung lagesicher an der Rahmenanordnung anzubringen.
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In diesem Zusammenhang wird gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgeschlagen, dass die Rahmenanordnung eine Dichtung bereitstellt, an der eine der beiden Gasdiffusionselektroden gegebenenfalls unter Zwischenordnung der Membran anliegt. Eine solche Abdichtung lässt sich in einfacher Weise beispielsweise dadurch erreichen, dass die Rahmenanordnung eine umlaufende Nut, Vertiefung oder dergleichen aufweist, in die im endmontierten Zustand eine entsprechende Dichtung eingesetzt ist. An dieser Dichtung liegt im endmontierten Zustand eine der beiden Gasdiffusionselektroden an, gegebenenfalls unter Zwischenordnung der Membran.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass die Rahmenanordnung gasdiffusionselektrodenseitig eine gestuft ausgebildete Anlagekontur aufweist. Diese gestufte Anlagekontur ermöglicht eine vereinfachte Montage. Zudem ist eine lagesichere Anordnung der einzelnen Komponenten der Membran-Elektroden-Vorrichtung ermöglicht. Insbesondere können Anlageflächen für die beiden Gasdiffusionselektroden und die Membran vorgesehen sein. Dies vereinfacht ein positionsgenaues Einbringen der Gasdiffusionselektroden bzw. der einzelnen Streckmetalllagen in die Rahmenanordnung. Zudem kann durch die abgestufte Ausgestaltung eine formschlüssige Aufnahme ermöglicht werden, insbesondere hinsichtlich der in Dickenrichtung lose übereinander angeordneten Steckmetalllagen einer Gasdiffusionselektrode.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest eine der Streckmetalllagen einer Gasdiffusionselektrode in ihrer Längsausrichtung um 90° verdreht zu einer ihrer benachbarten Streckmetalllagen angeordnet ist. Es ist mithin vorgesehen, dass zumindest zwei benachbarte Streckmetalllagen einer Gasdiffusionselektrode nicht deckungsgleich, sondern verdreht, vorzugsweise um 90° verdreht zueinander ausgerichtet sind. Bevorzugterweise sind sogar alle benachbarten Streckmetalllagen um jeweils 90° versetzt zueinander ausgerichtet, das heißt die einer Streckmetalllage in Dickenrichtung nachfolgende Streckmetalllage ist um 90° verdreht zur vorherigen Streckmetalllage ausgerichtet.
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Diese bevorzugte Anordnung der Streckmetalllage erbringt insbesondere den Vorteil, dass im bestimmungsgemäßen Anwendungsfall die Ausbildung einer laminaren Strömung des die Membran-Elektroden-Vorrichtung passierenden Fluids vermieden ist. Es wird aufgrund der verdrehten Anordnung der Streckmetalllagen vielmehr eine turbulente Durchströmung erreicht, was zum einen zu einer gleichmäßigen Fluidverteilung innerhalb der Membran-Elektroden-Anordnung als auch zum anderen zu einer vollständigen Penetration der Membran-Elektroden-Vorrichtung führt. Es wird so ein erhöhter Wirkungsgrad der Brennstoffzelle bzw. der Elektrolysevorrichtung erreicht.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass einige der Streckmetalllagen jeweils Maschen mit unterschiedlicher Maschenweite aufweisen. Je Streckmetalllage ist eine bestimmte Maschenweite vorgesehen. Diese Maschenweite kann von Streckmetalllage zu Streckmetalllage variieren. Die Ausgestaltung ist insbesondere insofern von Vorteil, als dass die wünschenswerterweise im bestimmungsgemäßen Verwendungsfall zu erreichende turbulente Fluidströmung unterstützt wird.
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Mit der Erfindung wird ferner eine Elektrolysevorrichtung vorgeschlagen, die über eine Mehrzahl von Membran-Elektroden-Vorrichtungen der erfindungsgemäßen Art verfügt, wobei diese in Dickenrichtung in Reihe hintereinander angeordnet sind. Dabei ist erfindungsgemäß zwischen zwei benachbarten Membran-Elektroden-Vorrichtungen eine Leiterplatte angeordnet. Diese kann gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung als Bipolarplatte ausgebildet sein.
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Eine Elektrolysevorrichtung mit einer Mehrzahl von Membran-Elektroden-Vorrichtungen der erfindungsgemäßen Art erbringt die schon vorstehend erläuterten Vorteile.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, dass die Membran-Elektroden-Vorrichtungen zwischen zwei Kontaktplatten angeordnet sind, mittels welcher die Membran-Elektroden-Vorrichtungen gegeneinander verspannt sind. Dabei kann durch die Verspannung gezielt Einfluss auf die Kontaktausbildung zwischen den einzelnen Streckmetalllagen bzw. den Membranen Einfluss genommen werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zeigen
- 1 in einer Explosionsdarstellung eine Membran-Elektroden-Anordnung;
- 2 in einer Explosionsdarstellung eine Gasdiffusionselektrode;
- 3 in einer Detailansicht ausschnittsweise eine Streckmetalllage;
- 4 in rein schematischer Darstellung eine Membran-Elektroden-Vorrichtung nach der Erfindung und
- 5 in rein schematischer Darstellung eine Membran-Elektroden-Vorrichtung nach der Erfindung gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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1 lässt in rein schematischer Darstellung eine Membran-Elektroden-Anordnung 1 (auch Membran-Elektrode-Assembly, kurz: MEA genannt) erkennen.
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Die Membran-Elektroden-Anordnung 1 verfügt in an sich bekannter Weise über eine Membran 2, die beidseitig mit einer Katalysatorschicht 3 ausgerüstet ist. Zu diesen Katalysatorschichten 3 benachbart sind eine erste Gasdiffusionselektrode 4 und eine zweite Gasdiffusionselektrode 5 vorgesehen. Dabei kann die Gasdiffusionselektrode 4 beispielsweise die Anodenseite und die Gasdiffusionselektrode 5 die Katodenseite bilden.
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Die Gasdiffusionselektroden 4 und 5 weisen jeweils eine Mehrzahl von schichtweise angeordneten Streckmetalllagen 6, 7, 8 auf, wie diese beispielhaft anhand der Gasdiffusionselektrode 4 in 2 dargestellt ist.
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Wie 2 erkennen lässt, verfügt die Gasdiffusionselektrode 4 im gezeigten Ausführungsbeispiel über insgesamt sechs Streckmetalllagen, wobei Streckmetalllagen mit unterschiedlich großen Maschen vorgesehen sind. Es sind zwei Streckmetalllagen 6 mit verhältnismäßig kleinen Maschenweiten, drei Streckmetalllagen 7 mit größeren Maschenweiten sowie eine Streckmetalllage 8 mit einer vergleichsweise groben Maschenweite vorgesehen. Dabei nimmt die Maschenweite von grob zu fein in Dickenrichtung gemäß Pfeil 11, das heißt mit Bezug auf die Darstellung nach 1 in Richtung auf die an der Gasdiffusionselektrode 4 im endmontierten Zustand anliegende Membran 2 ab.
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3 lässt ausschnittsweise die Streckmetalllage 8 in einer Detailansicht erkennen. Wie sich aus der Darstellung ergibt, verfügt die Streckmetalllage über eine Mehrzahl von rautenähnlich ausgebildeten Maschen 9, die jeweils die Maschenweite W aufweisen. Dabei ergibt sich die Längsausrichtung 10 der Streckmetalllage in Richtung der die Maschengröße bestimmenden Maschenweite W.
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Eine aus Streckmetalllagen gemäß
2 gebildete Gasdiffusionselektrode 4 ist aus dem Stand der Technik gemäß der
EP 2 985 096 B1 bekannt. Danach sind zur Ausbildung einer formstabilen Gasdiffusionselektrode 4 die einzelnen Streckmetalllagen miteinander verschweißt, und zwar derart, dass zur Ausgestaltung eines formstabilen Verbunds eine flächenhafte Verbindung zwischen den einzelnen Streckmetalllagen ausgebildet ist.
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Gemäß der erfindungsgemäßen Ausgestaltung sind die Streckmetalllagen 6, 7 und 8 untereinander verbindungslos ausgebildet und liegen in Dickenrichtung gemäß Pfeil 11 lediglich lose übereinander. Für eine positionsgenaue und lagesichere Anordnung der Streckmetalllagen 6, 7 und 8 dient erfindungsgemäß eine Rahmenanordnung, wie sich dies anhand eines ersten Ausführungsbeispiels aus 4 ergibt, die eine erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Vorrichtung, auch Membran-Elektroden-Zelle genannt, ergibt.
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Die erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Vorrichtung 12 nach 4 verfügt über eine Membran-Elektroden-Anordnung 1, wie sie beispielhaft in 1 dargestellt ist, das heißt über eine Membran-Elektroden-Anordnung 1, die eine beidseitig mit einer Katalysatorschicht 3 ausgerüstete Membran 2, eine erste Gasdiffusionselektrode 4 und eine zweite Gasdiffusionselektrode 5 aufweist. Dabei verfügt jede Gasdiffusionselektrode 4 bzw. 5 jeweils über eine Mehrzahl von schichtweise angeordneten Streckmetalllagen 6, 7, 8, die in Dickenrichtung einer Gasdiffusionselektrode 4 bzw. 5 untereinander verbindungslos lose übereinandergestapelt sind.
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Des Weiteren verfügt die Membran-Elektroden-Vorrichtung 12 über eine Rahmenanordnung 13. Diese nimmt die Membran 2 und die einzelnen Streckmetalllagen 6, 7 und 8 der beiden Gasdiffusionselektroden 4 und 5 lagesicher auf. Ohne dass also im Unterschied zum Stand der Technik die einzelnen Streckmetalllagen 6, 7 und 8 einer jeden Gasdiffusionselektrode 4 und 5 miteinander verschweißt sind, ergibt sich ein formstabiler Verbund aus den beiden Gasdiffusionselektroden 4 und 5 und der dazwischen angeordneten Membran 2 samt der davon getragenen Katalysatorschichten 3.
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Gemäß der dargestellten Ausführungsform nach 3 verfügt die Rahmenanordnung 13 über zwei Rahmen 14 und 15, die im endmontierten Zustand miteinander vorzugsweise lösbar verbunden sind und so die Membran 2 und die einzelnen Streckmetalllagen 6, 7 und 8 der beiden Gasdiffusionselektroden 4 und 5 zwischen sich einspannen bzw. klemmen. Für eine solche Verbindung der beiden Rahmen 14 und 15 kann beispielsweise eine Schraubenverbindung vorgesehen sein, die der besseren Übersicht wegen in 4 nicht im Besonderen dargestellt ist.
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Die Membran-Elektroden-Vorrichtung 12 nach 4 verfügt darüber hinaus über beidseitig der Membran-Elektroden-Anordnung 1 vorgesehene Leiterplatten 16, die mit der Rahmenanordnung 13 verbunden sind. Bevorzugt ist auch hier eine lösbare Verbindung der Rahmenanordnung 13 und der Leiterplatten 16, zu welchem Zweck eine Schraubenverbindung vorgesehen sein kann, die der besseren Darstellung wegen in 3 ebenfalls nicht im Besonderen dargestellt ist.
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Nach dem Stand der Technik gemäß der
EP 2 985 096 B1 ist es vorgesehen, einzelne Gasdiffusionselektroden zu verwenden, die ihrerseits formstabil sind. Aus diesem Grunde ist der Einsatz von Streckmetalllagen vorgeschlagen worden, die in einfacher Weise zur Ausbildung eines solchen formstabilen Verbundes ein Verschweißen ermöglichen. Hierbei besteht ein besonderer Vorteil mit Blick auf ein stoffschlüssiges Verbinden mittels. Schweißen bei Streckmetalllagen darin, dass eine Verbindung über eine Mehrzahl von Kontaktpunkten zwischen benachbarten Streckmetalllagen zustande kommt, was eine flächenhafte Verbindung der einzelnen Streckmetalllagen gewährleistet.
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Die Anmelderin hat nun festgestellt, dass es auf eine solche Verschweißung der einzelnen Streckmetalllagen nicht ankommt. Es ist vielmehr möglich, die einzelnen Streckmetalllagen lose und untereinander verbindungslos zu stapeln und eine lagesichere Anordnung durch eine rein mechanische Verbindung mittels einer Rahmenanordnung zu realisieren. Dies stand nicht zu erwarten, da entgegen der Ausführungen zum Stand der Technik auf eine flächenhafte Verbindung zwischen benachbarten Streckmetalllagen durch Verschweißen ausdrücklich verzichtet worden ist. Es hat sich aber gezeigt, dass die mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung vorgeschlagene Rahmenanordnung auch ohne ein Verschweißen einen so innigen und damit formstabilen Kontakt zwischen den einzelnen Streckmetalllagen ausbildet, dass der mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung angestrebte Wirkungsgrad im Unterschied zum Stand der Technik nicht beeinträchtigt ist. Dabei erweist sich aber die erfindungsgemäße Ausgestaltung insofern als vorteilhaft, als dass eine vereinfachte Herstellung und Montage erreicht ist, womit die erfindungsgemäße Vorrichtung deutliche Kostenvorteile gegenüber dem Stand der Technik hat. Denn einerseits kann auf den zusätzlichen Herstellschritt des Verschweißens verzichtet werden und andererseits können in einem Arbeitsgang zwei Gasdiffusionselektroden in Kombination mit einer dazwischen angeordneten Membran miteinander zu einer gemeinsamen Zelle verbunden werden. Dies ist gemäß der Ausführungsform nach dem Stand der Technik nicht möglich, da hier allein darauf abgezielt wird, eine Gasdiffusionselektrode als solche formstabil auszubilden.
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Um etwaigen Setzerscheinungen und einem damit einhergehenden Lösen einzelner Streckmetalllagen einer Gasdiffusionselektrode voneinander vorbeugen zu können, verfügt die erfindungsgemäße Vorrichtung vorzugsweise über eine Nachsetzeinrichtung. Diese ist in den Figuren der besseren Übersicht wegen nicht dargestellt.
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Eine Nachsetzeinrichtung verfügt bevorzugterweise über eine Federeinheit. Diese sorgt für ein automatisches und damit wartungsfreies Zusammendrücken insbesondere der Streckmetalllagen 6, 7, und 8 der Gasdiffusionselektroden 4 und 5. Dabei kann die Federeinheit über mehrere Federelemente verfügen, die jeweils zwischen einer Gasdiffusionselektrode 4 und 5 und der Rahmenanordnung 13 angeordnet sind.
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Eine Mehrzahl von Membran-Elektroden-Vorrichtungen 12 nach 4 lassen sich im Übrigen in einfacher Weise zu einem sogenannten Stack kombinieren, indem diese in Reihe hintereinander angeordnet werden. Dabei ist es bevorzugt, die Membran-Elektroden-Vorrichtungen 12 zwischen zwei Kontaktplatten zu positionieren, so dass auch insoweit ein fester und formstabiler Verbund geschaffen werden kann.
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Ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Vorrichtung 12 zeigt 5. Es ist hier eine Rahmenanordnung 13 vorgesehen, die einstückig ausgebildet ist und eine den Gasdiffusionselektroden 4 bzw. 5 zugewandte Innenkontur aufweist, die abgestuft ausgebildet ist. Durch diese abgestufte Innenkonturausbildung werden Anlageflächen geschaffen, die eine vereinfachte Montage wie folgt ermöglichen.
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Zunächst wird in die von der Rahmenanordnung 13 bereitgestellte, umlaufende Nut 17 eine Dichtung 18 eingesetzt. Dabei ist die Rahmenanordnung 13 mit ihrer Seite 19 anders als in 5 dargestellt mit Bezug auf die Zeichnungsebene nach 5 nach unten ausgerichtet. Der Schwerkraft folgend können sodann die Membran 2 und die Gasdiffusionselektrode 4 in die Rahmenanordnung 13 eingesetzt werden. Es erfolgt im Weiteren ein Verschluss der offenen Seite der Rahmenanordnung 13, indem die Leiterplatte 16 montiert und dabei vorzugsweise lösbar mit der Rahmenanordnung 13 verbunden wird.
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In einem nächsten Arbeitsschritt wird die Rahmenanordnung 13 samt Dichtung 18, Membran 2, Gasdiffusionselektrode 4 und Leiterplatte 16 gedreht, und zwar derart, dass die Rahmenanordnung 13 mit ihrer Seite 19 mit Bezug auf die Zeichnungsebene 5 nach oben zu liegen kommt, wie in 5 dargestellt. In einem letzten Schritt ist dann noch die Gasdiffusionselektrode 5 einzusetzen, womit die erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Vorrichtung 12 endmontiert ist, wie in 5 gezeigt.
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Es kann eine Mehrzahl von Membran-Elektroden-Vorrichtungen 12 gemäß vorstehender Erläuterung montiert werden, die dann in Höhenrichtung übereinander zur Ausgestaltung eines Stacks miteinander kombiniert werden können.
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Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist insgesamt insbesondere darin zu sehen, dass eine vereinfachte Montage insbesondere deshalb ermöglicht ist, weil auf ein Verschweißen der einzelnen Streckmetalllagen 6, 7 und 8 der Gasdiffusionselektroden 4 und 5 vollends verzichtet werden kann. Dabei wird bewusst darauf verzichtet, an sich formstabile Gasdiffusionselektroden 4 und 5 auszubilden. Die Streckmetalllagen 6, 7 und 8 der Gasdiffusionselektroden 4 und 5 werden vielmehr lose und untereinander verbindungsfrei übereinandergestapelt, wobei mittels einer Rahmenanordnung eine lagesichere Aufnahme sämtlicher Streckmetalllagen beider Gasdiffusionselektroden sowie der Membran erfolgt.
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Eine bevorzugterweise vorgesehene Nachsetzeinrichtung kann gemäß diesem Ausführungsbeispiel in einfacher Weise durch einen Abstandshalter zwischen der Leiterplatte 16 und der Gasdiffusionselektrode 4 in Kombination einer durch Verschrauben hergestellten lösbaren Verbindung zwischen Leiterplatte 16 und Rahmenanordnung 13 realisiert werden. So kann im Falle auftretender Setzerscheinungen eine Kompensation derselben dadurch vorgenommen werden, dass eine manuelle Nachstellung der Schraubverbindung zwischen Leiterplatte 16 und Rahmenanordnung 13 stattfindet. Aufgrund des in Kombination mit der Schraubverbindung vorgesehenen Abstandshalters führt dies zu einer erhöhten Druckbeaufschlagung der zur Leiterplatte 16 benachbarten Gasdiffusionselektrode 4 mit dem Ergebnis, dass die Streckmetalllagen 6, 7 und 8 weiterhin in flächenhaftem Kontakt bleiben.
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Alternativ oder in Kombination hierzu können auch Federelemente vorgesehen sein, die eine automatische und somit wartungsfreie Kraftbeaufschlagung der Gasdiffusionselektroden 4 und 5 sicherstellen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Membran-Elektroden-Anordnung
- 2
- Membran
- 3
- Katalysatorschicht
- 4
- Gasdiffusionselektrode
- 5
- Gasdiffusionselektrode
- 6
- Streckmetalllage
- 7
- Streckmetalllage
- 8
- Streckmetalllage
- 9
- Masche
- 10
- Längsausrichtung
- 11
- Pfeil (Dickenrichtung)
- 12
- Membran-Elektroden-Vorrichtung
- 13
- Rahmenanordnung
- 14
- Rahmen
- 15
- Rahmen
- 16
- Leiterplatte
- 17
- Nut
- 18
- Dichtung
- 19
- Seite
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2985096 B1 [0002, 0008, 0012, 0039, 0045]
- DE 2533728 A1 [0004]
- DE 19729479 C1 [0005]
