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WO2024175359A1 - Membrane-electrode assembly for an electrolysis cell, membrane structure, method for producing a membrane-electrode assembly, method for producing a membrane structure and method for operating an electrolysis cell with a membrane-electrode assembly - Google Patents

Membrane-electrode assembly for an electrolysis cell, membrane structure, method for producing a membrane-electrode assembly, method for producing a membrane structure and method for operating an electrolysis cell with a membrane-electrode assembly Download PDF

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WO2024175359A1
WO2024175359A1 PCT/EP2024/052988 EP2024052988W WO2024175359A1 WO 2024175359 A1 WO2024175359 A1 WO 2024175359A1 EP 2024052988 W EP2024052988 W EP 2024052988W WO 2024175359 A1 WO2024175359 A1 WO 2024175359A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
membrane
cathode
anode
transport layer
reinforcing element
Prior art date
Application number
PCT/EP2024/052988
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Jochen Wessner
Thomas Wagner
Li Wang
Walter Goorts
Harald Bauer
Annika UTZ
Tobias Schuler
Fabian Visschers
Frederik Hug
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
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    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
    • C25B9/23—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms comprising ion-exchange membranes in or on which electrode material is embedded
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/60—Constructional parts of cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water

Definitions

  • Membrane electrode for a membrane structure For a membrane structure.
  • the present invention relates to a membrane electrode assembly for an electrolysis cell, a membrane structure for a membrane electrode assembly, a method for producing a membrane electrode assembly, a method for producing a membrane structure and a method for operating an electrolysis cell with a membrane electrode assembly.
  • Electrochemical energy converters such as fuel cell systems or electrolyzers are known in numerous different designs.
  • the core component of these systems is usually a stack structure that has several electrolysis cells. More precisely, such a stack structure usually has bipolar plates (BPP) and membrane electrode assemblies (MEA) stacked one on top of the other.
  • BPP bipolar plates
  • MEA membrane electrode assemblies
  • the membrane in the PEM electrolyzer should only allow cations to pass to the cathode, i.e. usually H+ ions.
  • alkaline AEM electrolyzer which is operated on the anode side and/or cathode side with alkaline solution, for example a KOH solution, only anions, i.e. usually OH ions, pass towards the anode.
  • PEM electrolyzer is explained below as an example.
  • Generic membrane electrode assemblies can be used for PEM electrolyzers, AEM electrolyzers and other system structures for electrochemical Energy conversion can be configured.
  • Such a PEM electrolyzer is known, for example, from WO2212812.
  • membrane electrode arrangements are subject to high thermal and mechanical stresses.
  • water is added to the anode-side chamber and water and oxygen are removed.
  • the chamber on the cathode side preferably contains the majority of the hydrogen formed.
  • the hydrogen chamber on the cathode side preferably has a higher pressure, for example in the order of 30 bar, which is higher than the pressure acting on the anode-side chamber, which is in the order of between 1 bar and 5 bar.
  • the aforementioned chambers must be sealed against each other in the stack, usually by a frame structure and the membrane.
  • the membrane structure is suitable for electrochemical cells, especially electrolysis cells, and is preferably used for PEM and AEM electrolyzers.
  • the membrane structure has a membrane with a catalyst membrane coating on the anode side and a catalyst membrane coating on the cathode side.
  • the membrane structure comprises a reinforcing element for locally increasing the stability of the membrane structure. This increases the mechanical stability of the membrane structure.
  • Such a membrane structure is therefore particularly suitable for electrochemical cells that are operated with a large differential pressure between anode and cathode.
  • the reinforcing element preferably consists of PPS (polyphenylene sulfide), PEN (polyethylene naphthalate), a pressure-sensitive adhesive (PSA) and/or FEP (fluoroethylene propylene). These materials are chemically resistant and therefore suitable for use in electrochemical cells. They also have strengths that can reinforce the membrane structure of the electrochemical cells.
  • the reinforcing element particularly preferably has an elastic modulus of at least 4000 N/mm 2 .
  • the reinforcement element is also a membrane. It is made of the same material as the membrane and is essentially a kind of membrane adhesive bead.
  • the invention also includes a membrane electrode assembly for an electrochemical cell, in particular for an electrolysis cell.
  • the membrane electrode assembly includes:
  • a cathode side with a cathode-side transport layer and a cathode-side frame structure which is at least partially designed in a frame shape around the cathode-side transport layer, - an anode-side gap between the anode-side transport layer and the anode-side frame structure,
  • a membrane structure according to one of the above embodiments, positioned in a layered manner between the anode side and the cathode side, wherein the membrane has at least one bridge section which extends in a bridge-like manner over the anode-side gap and/or over the cathode-side gap, and wherein the reinforcing element is arranged on the at least one bridge section for locally increasing the stability of the membrane structure.
  • the reinforcing element is therefore arranged in the area of the gap between the transport layer and the frame structure. This prevents the membrane structure from being pressed into the gap during operation of the electrochemical cell and thus being damaged.
  • the membrane structure is reinforced particularly in the area of the gap so that it cannot be pressed into one of the gaps or is only slightly pressed into one of the gaps so that mechanical failure of the membrane structure or even cracks in the membrane structure cannot occur.
  • the gap between the respective transport layer and the respective frame structure can lead to the membrane, including the catalyst coating, being mechanically overstressed in the area under high relative pressures between the anode side and the cathode side. This can lead to the membrane in this area being damaged or destroyed.
  • the invention proposes to provide a local reinforcing element in the area of the respective gap to stabilize the respective bridge section.
  • the reinforcing element can be designed specifically at the point where there is the greatest risk of mechanical overstressing of the membrane or the membrane structure. In this way, the reinforcing element can be integrated into the membrane structure or the membrane electrode arrangement in a particularly simple and material-saving manner.
  • the basic structure of the membrane The electrode arrangement does not need to be modified for this purpose. This means that already established processes and systems for the production of membrane electrode arrangements can continue to be used almost unchanged.
  • the reinforcing element can be designed in one piece or in multiple pieces. This means that the reinforcing element can have multiple reinforcing elements that are positioned at a distance from one another.
  • the reinforcing element can be designed in the form of a reinforcing layer, i.e. in layer form, in the bridge section.
  • the position in the bridge section can be understood as a positioning and/or design of the reinforcing element in and/or on the bridge section.
  • the reinforcing element can be designed on the anode-side catalyst membrane coating, on the membrane and/or on the cathode-side catalyst membrane coating. This means that the reinforcing element does not have to be positioned directly on the membrane in order to increase the stability of the membrane in at least one bridge section.
  • Increasing the stability in the area of the at least one bridge section can be understood to mean that the membrane or the membrane structure is locally stabilized, in particular mechanically stabilized, in the area of the bridge section through the positioning and/or design of the reinforcing element according to the invention, so that there is a higher mechanical resistance to the high relative pressures compared to adjacent areas.
  • the reinforcing element therefore does not have to influence the material properties of the membrane itself. Rather, the reinforcing element can be understood as an auxiliary structure for locally increasing the mechanical stability and/or strength.
  • the transport layer can have at least one media diffusion layer, in particular a gas diffusion layer (GDL), and therefore basically several different media diffusion layers.
  • GDL gas diffusion layer
  • the transport layer can be designed at least partially as a porous transport layer.
  • the reinforcing element extends in a frame-like or partially frame-like manner around the anode-side Transport layer and/or around the cathode-side transport layer.
  • the reinforcing element thus serves as a positioning aid and/or storage aid for the transport layer.
  • the anode-side frame structure and/or the cathode-side frame structure has a recess for partially accommodating the reinforcing element.
  • the lack of planarity of the surface of the membrane structure due to the reinforcing element can be compensated for; as a result, the reinforcing element does not act as a bead, which would result in a concentration of force from the tension of the electrochemical cells precisely in the area of the gap, which in turn would be counterproductive to the intended goal, namely relieving the membrane structure precisely in this area.
  • the anode-side transport layer and/or the cathode-side transport layer also have a further recess for partially accommodating the reinforcing element.
  • the recess compensates for non-planarity, so that a homogeneous surface pressure can prevail in the overall composite of the membrane-electrode arrangement in the pressed or stacked state.
  • the recess as well as the further recess thus serve to distribute the surface pressure homogeneously, thus avoiding harmful stress peaks, particularly in the area of the gap between the transport layer and the frame structure; this applies to the arrangement of the reinforcing element on both the anode side and the cathode side.
  • the reinforcement element can be integrated into the membrane in a material-locking manner or designed as a separate part. If it is designed as a separate part, it can be attached by gluing, for example. This makes it easy to subject the bonding point to shear stress, and the membrane structure at the bonding point is relieved; an advantageous uniaxial stress state is almost achieved.
  • the anode-side transport layer, the anode-side frame structure, the cathode-side transport layer and the cathode-side frame structure are designed such that the anode-side gap and the cathode-side gap are offset from one another in a transverse direction from the respective transport layer to the associated frame structure. As a result, the two critical gaps on the membrane structure are not arranged directly opposite one another, but are supported or lined on the other side by a frame structure or a transport layer. This design increases the stability of the overall assembly of the membrane-electrode arrangement.
  • the cathode window (or the active area on the cathode side) can be designed smaller than the anode window (or the active area on the anode side) (or vice versa), so that the coated membrane in the area of the respective gap is supported on its side facing away from the gap either by the frame structure or by the transport layer.
  • the gaps formed offset from one another are to be understood as meaning that one gap, in a plan view of the membrane electrode arrangement, is formed closer to an outer edge region of the membrane electrode arrangement to the surroundings of the membrane electrode arrangement than the other gap. In this exemplary embodiment, one gap is therefore not directly above the other gap.
  • the anode-side gap and the cathode-side gap are formed offset from one another in the transverse direction in such a way that they have no overlapping region in a stacking direction orthogonal to the transverse direction or are designed offset from one another without overlapping.
  • the bridge sections of the membrane are also offset from one another accordingly.
  • the membrane or the membrane structure can in this case have two bridge sections arranged next to one another, with one bridge section being designed transversely within the other bridge section.
  • one bridge section can be designed in a frame-like manner or at least partially in a frame-like manner around the other bridge section in a plan view or in a projection in the stacking direction.
  • the offset between the anode-side gap and the cathode-side gap is designed in such a way that a larger anode-side active area is obtained than a cathode-side active area.
  • the anode-side gap is therefore positioned closer to the outside area of the electrochemical cell, the cathode-side gap is positioned closer to the active area of the electrochemical cell.
  • the more critical gap namely the anode-side gap, is not loaded with the pressure of the cathode side on its opposite side, namely on the cathode side; the cathode-side frame structure is therefore opposite the anode-side gap.
  • the cathode side is operated with overpressure compared to the anode side, then in this design the anode-side gap is no longer in the overpressure area; on the contrary, the anode-side gap on the cathode side is supported by the frame structure or even supported by it.
  • the reinforcing element is arranged only on the cathode side.
  • a type of underlay of the catalyst-coated membrane only on the cathode side in the manner according to the invention can already be sufficient to achieve the desired stability with respect to the relative pressure conditions.
  • the design of the reinforcing element only on the cathode side can be sufficient in particular if further measures for stabilization, such as the configuration described above with offset gaps, are carried out.
  • the membrane electrode assembly can be configured for use in an electrolyzer and/or in a fuel cell, in particular in an electrolyzer and/or a fuel cell for a PEM fuel cell system, for a PEM electrolyzer, for an AEM fuel cell system and/or for an AEM electrolyzer.
  • the membrane electrode assembly can also be configured and designed for use in a mobile electrochemical energy converter, for example for use in a road vehicle.
  • the membrane electrode assembly can be designed as an electrolysis cell or as part of an electrolysis cell.
  • the invention also relates to a method for operating an electrolysis cell.
  • the electrolysis cell has a membrane electrode arrangement according to one of the above embodiments.
  • the cathode side is operated with an overpressure of at least 20 bar, preferably at least 30 bar, compared to the anode side.
  • the membrane structure is subjected to particularly high mechanical stress; the reinforcing element attached to it is therefore particularly effective.
  • the invention relates to a method for producing a membrane structure as described above, comprising:
  • a further aspect of the invention relates to a method for producing a membrane electrode assembly as described above, comprising:
  • the reinforcing element can be introduced, in particular injected, into a transition region between the respective catalyst membrane coating and a respective edge structure, so that the reinforcing element can be used not only as a reinforcing element, but also as a sealing agent for the fluids of the Membrane electrode arrangement towards the environment of the membrane electrode arrangement.
  • the sequence of process steps described above is nevertheless to be considered optional.
  • the reinforcing element can be injection-molded as a bead during the manufacturing process, for example, if at least one frame structure is already positioned on the catalyst-coated membrane, but the associated transport layer has not yet been inserted or positioned.
  • the anode-side frame structure and/or the cathode-side frame structure has a recess which interacts with the reinforcing element, for example for positioning during the manufacturing process.
  • the manufacturing process thus comprises the further method step:
  • Figure 1 shows a membrane electrode arrangement according to a first embodiment of the present invention, with only the essential regions being shown.
  • Figure 2 shows a membrane electrode arrangement according to a second embodiment of the present invention, with only the essential regions being shown.
  • Figure 3 shows a membrane electrode arrangement according to a third embodiment of the present invention, with only the essential regions being shown.
  • Fig.1 shows a cross section of a membrane electrode arrangement 10 for an electrolysis cell according to a first embodiment.
  • the membrane electrode arrangement 10 has an anode side 20 with an anode-side transport layer 21 and an anode-side frame structure 22.
  • the anode-side frame structure 22 is designed in a frame shape around the anode-side transport layer 21.
  • the membrane electrode arrangement 10 has a cathode side 30 with a cathode-side transport layer 31 and a cathode-side frame structure 32, wherein the cathode-side frame structure is designed in a frame shape around the cathode-side transport layer 31.
  • the transport layers 21, 31 are also called PTL (Porous Transport Layer).
  • an anode-side gap 23 is formed between the anode-side transport layer 21 and the anode-side frame structure 22.
  • a cathode-side gap 33 is formed between the cathode-side transport layer 31 and the cathode-side frame structure 32.
  • the membrane electrode arrangement 10 comprises a membrane 41 positioned in a layer between the anode side 20 and the cathode side 30 with an anode-side catalyst membrane coating 42 and a cathode-side catalyst membrane coating 43.
  • the catalyst-coated membrane 41, 42, 43 is also called CCM (catalyst coated membrane) or can be referred to as membrane structure 40.
  • the membrane 41 or the membrane structure 40 has a bridge section 44 which extends like a bridge over the anode-side gap 23 and over the cathode-side gap 33.
  • the membrane structure 40 has a reinforcing element 50 for locally increasing the stability of the membrane structure 40 in the bridge section 44 against differential or relative pressures prevailing there.
  • the differential pressures of a Electrolysis cell or an electrolyzer between cathode and anode can be as high as 30 bar, for example to generate hydrogen with the appropriate pressure on the cathode side.
  • the membrane structure 40 is slightly deformed, but this deformation is greatly reduced due to the reinforcing element 50. As a result, fatigue fracture, violent fracture and mechanical cracks in the membrane structure 40 are prevented.
  • the reinforcing element 50 preferably consists of PPS (polyphenylene sulfide), PEN (polyethylene naphthalate), a pressure-sensitive adhesive (PSA) and/or FEP (fluoroethylene propylene). These materials are particularly well suited to the conditions in electrochemical cells. They are characterized by appropriate chemical resistance and mechanical stability.
  • PPS polyphenylene sulfide
  • PEN polyethylene naphthalate
  • PSA pressure-sensitive adhesive
  • FEP fluoroethylene propylene
  • the reinforcing element 50 shown in Fig.1 is designed as a projection on the anode side 20 and on the cathode side 30 and projects there into the anode-side gap 23 and into the cathode-side gap 33. Furthermore, the reinforcing element 50 extends in a frame shape around the anode-side transport layer 21 on the anode side 20 and in a frame shape around the cathode-side transport layer 31 on the cathode side 30.
  • the embodiment shown in Fig.2 corresponds essentially to the embodiment shown in Fig.1, wherein the anode-side transport layer 21, the anode-side frame structure 22, the cathode-side transport layer 31 and the cathode-side frame structure 32 are designed such that the anode-side gap 23 and the cathode-side gap 33 are formed offset from one another in a transverse direction 60 from the respective transport layer 21, 31 to the associated frame structure 22, 32.
  • the membrane 41 or membrane structure 40 shown in Fig.2 has two bridge sections 44, 45 which extend over the gaps 23, 33 formed offset from one another in the transverse direction 60. More precisely, a first bridge section 44 extends over the cathode-side gap 33 and another bridge section 45 over the anode-side gap 23.
  • the gaps 23, 33 are arranged offset in such a way that a larger anode-side active area 29 is obtained than a cathode-side active area 39.
  • the overpressure of the compressed hydrogen on the cathode side 30 therefore no longer acts vertically (i.e. in the stacking direction) over the anode-side gap 23.
  • the combination of the reinforcing element 50 with such an offset thus particularly effectively prevents the membrane 41 or membrane structure 40 from being pressed into the anode-side gap 23.
  • a corresponding recess 35 is formed in the frame structure 22, 32 in order to be able to accommodate the part of the reinforcing element 50 which projects beyond the planarity of the membrane structure 40 below the respective frame structure 22, 32.
  • the cathode-side frame structure 32 has such a recess 35.
  • a recess can also be formed on the anode side 20 in the anode-side frame structure 22.
  • the cathode-side transport layer 31 is usually soft enough so that it does not require such a recess; however, a further recess 65 can also be formed here in order to also carry out height compensation for the reinforcing element 50 below the transport layer 31.

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Abstract

The present invention relates to a membrane structure (40) for a membrane-electrode assembly (10) for an electrolysis cell. The membrane structure (40) has a membrane (41) with an anode-side catalyst membrane coating (42) and a cathode-side catalyst membrane coating (43). The membrane structure (40) comprises a reinforcement element (50) for locally increasing the stability of the membrane structure (40).

Description

Beschreibung Description
Titel Title
Membran-Elektroden-
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für eine
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Membranstruktur.Membrane electrode
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for a
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membrane structure.
Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden- Verfahren zumMethod for producing a membrane electrode Method for
Herstellen einer Membranstruktur und Verfahren zum Betreiben einer mit einer Membran-Elektroden- Manufacturing a membrane structure and method for operating a membrane electrode structure
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Membran-Elektroden-Anordnung für eine Elektrolysezelle, eine Membranstruktur für eine Membran-Elektroden-Anordnung, ein Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung, ein Verfahren zum Herstellen einer Membranstruktur sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Elektrolysezelle mit einer Membran-Elektroden-Anordnung. The present invention relates to a membrane electrode assembly for an electrolysis cell, a membrane structure for a membrane electrode assembly, a method for producing a membrane electrode assembly, a method for producing a membrane structure and a method for operating an electrolysis cell with a membrane electrode assembly.
Stand der Technik State of the art
Elektrochemische Energiewandler wie Brennstoffzellensysteme oder Elektrolyseure sind in zahlreichen unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt. Kernbestandteil dieser Systeme ist meist eine Stapelstruktur, die mehrere Elektrolysezellen aufweist. Genauer gesagt weist eine solche Stapelstruktur meist abwechselnd übereinandergestapelte Bipolarplatten (BPP) und Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) auf. Die Membran soll dabei analog der PEM-Brennstoffzelle beim PEM-Elektrolyseur nur Kationen zur Kathode, also in der Regel H+Ionen passieren lassen. Im Falle eines alkalischen AEM-Elektolyseurs, der anodenseitig und/oder kathodenseitig mit alkalischer Lösung zum Beispiel einer KOH-Lösung betrieben wird, passieren nur Anionen, also in der Regel OH-Ionen in Richtung Anode. Im Folgenden wird der Einfachheit halber der PEM-Elektrolyseur beispielhaft erläutert. Gattungsgemäße Membran-Elektroden-Anordnungen können für PEM-Elektrolyseure, AEM- Elektrolyseure und weitere Systemstrukturen zur elektrochemischen Energiewandlung konfiguriert sein. Ein derartiger PEM-Elektrolyseur ist beispielsweise aus der WO2212812 bekannt. Electrochemical energy converters such as fuel cell systems or electrolyzers are known in numerous different designs. The core component of these systems is usually a stack structure that has several electrolysis cells. More precisely, such a stack structure usually has bipolar plates (BPP) and membrane electrode assemblies (MEA) stacked one on top of the other. Analogous to the PEM fuel cell, the membrane in the PEM electrolyzer should only allow cations to pass to the cathode, i.e. usually H+ ions. In the case of an alkaline AEM electrolyzer, which is operated on the anode side and/or cathode side with alkaline solution, for example a KOH solution, only anions, i.e. usually OH ions, pass towards the anode. For the sake of simplicity, the PEM electrolyzer is explained below as an example. Generic membrane electrode assemblies can be used for PEM electrolyzers, AEM electrolyzers and other system structures for electrochemical Energy conversion can be configured. Such a PEM electrolyzer is known, for example, from WO2212812.
Je nach Systemstruktur und Betriebsweise unterliegen Membran- Elektroden- Anordnungen hohen thermischen sowie mechanischen Belastungen. Im Falle der Ausbildung eines PEM-Elektrolyseurs wird in der anodenseitigen Kammer Wasser zugeführt sowie Wasser und Sauerstoff abgeführt. Die kathodenseitig ausgebildete Kammer beinhaltet vorzugsweise mehrheitlich den gebildeten Wasserstoff. Vorzugsweise weist die Kammer des Wasserstoffs kathodenseitig einen höheren Druck, so zum Beispiel in der Größenordnung von 30 bar auf, der höher liegt als der Druck, der auf die anodenseitige Kammer wirkt, der in der Größenordnung zwischen 1 bar und 5 bar liegt. Die erwähnten Kammern müssen im Stapel gegeneinander abgedichtet werden, üblicherweise durch eine Rahmenstruktur und die Membran. Depending on the system structure and mode of operation, membrane electrode arrangements are subject to high thermal and mechanical stresses. In the case of a PEM electrolyzer, water is added to the anode-side chamber and water and oxygen are removed. The chamber on the cathode side preferably contains the majority of the hydrogen formed. The hydrogen chamber on the cathode side preferably has a higher pressure, for example in the order of 30 bar, which is higher than the pressure acting on the anode-side chamber, which is in the order of between 1 bar and 5 bar. The aforementioned chambers must be sealed against each other in the stack, usually by a frame structure and the membrane.
Insbesondere in einem Übergangsbereich bzw. im Bereich eines Spalts zwischen der Rahmenstruktur (Subgasket) und einer Transportschicht zu der katalysatorbeschichteten Membran (CCM) der Membran-Elektroden-Anordnung können in einer Stapelrichtung hohe Kräfte wirken, welche die katalysatorbeschichtete Membran schädigend belasten, insbesondere in einem Elektrolyseur, welcher auf Anoden- und Kathodenseite mit stark unterschiedlichem Druck betrieben wird. In particular, in a transition region or in the region of a gap between the frame structure (subgasket) and a transport layer to the catalyst-coated membrane (CCM) of the membrane electrode assembly, high forces can act in a stacking direction, which can cause damage to the catalyst-coated membrane, especially in an electrolyzer which is operated with very different pressures on the anode and cathode sides.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden Systeme und Verfahren zur Verbesserung der Stabilität von Membranstrukturen und Membran-Elektroden- Anordnungen vorgeschlagen. Dabei gelten Merkmale, die im Zusammenhang mit der Membran-Elektroden-Anordnung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Membranstruktur, den erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird und/oder werden kann. Die Membranstruktur ist für elektrochemische Zellen, insbesondere Elektrolysezellen geeignet und wird bevorzugt für PEM- und AEM-Elektrolyseure eingesetzt. Within the scope of the present invention, systems and methods for improving the stability of membrane structures and membrane electrode arrangements are proposed. Features that are described in connection with the membrane electrode arrangement naturally also apply in connection with the membrane structure according to the invention, the methods according to the invention and vice versa, so that with regard to the disclosure of the individual aspects of the invention, reference is and/or can always be made to each other. The membrane structure is suitable for electrochemical cells, especially electrolysis cells, and is preferably used for PEM and AEM electrolyzers.
Die Membranstruktur weist eine Membran mit einer anodenseitigen Katalysator- Membranbeschichtung und einer kathodenseitigen Katalysator- Membranbeschichtung auf. Die Membranstruktur umfasst ein Verstärkungselement zum lokalen Erhöhen der Stabilität der Membranstruktur. Dadurch wird die mechanische Stabilität der Membranstruktur erhöht. Eine derartige Membranstruktur ist daher insbesondere für elektrochemische Zellen geeignet, die mit einem großen Differenzdruck zwischen Anode und Kathode betrieben werden. The membrane structure has a membrane with a catalyst membrane coating on the anode side and a catalyst membrane coating on the cathode side. The membrane structure comprises a reinforcing element for locally increasing the stability of the membrane structure. This increases the mechanical stability of the membrane structure. Such a membrane structure is therefore particularly suitable for electrochemical cells that are operated with a large differential pressure between anode and cathode.
Das Verstärkungselement besteht bevorzugt aus PPS (Polyphenylensulfid), aus PEN (Polyethylennaphthalat), aus einem Haftklebstoff (PSA, pressure sensitive adhesive) und/oder aus FEP (Fluorethylen-Propylen). Diese Materialien sind chemisch beständig und damit für den Einsatz in elektrochemischen Zellen geeignet. Weiterhin weisen sie Festigkeiten auf, die die Membranstruktur der elektrochemischen Zellen verstärken können. Besonders bevorzugt weist das Verstärkungselement dazu einen Elastizitätsmodul von mindestens 4000 N/mm2 auf. The reinforcing element preferably consists of PPS (polyphenylene sulfide), PEN (polyethylene naphthalate), a pressure-sensitive adhesive (PSA) and/or FEP (fluoroethylene propylene). These materials are chemically resistant and therefore suitable for use in electrochemical cells. They also have strengths that can reinforce the membrane structure of the electrochemical cells. The reinforcing element particularly preferably has an elastic modulus of at least 4000 N/mm 2 .
In alternativen Ausführungen ist das Verstärkungselement auch eine Membran. Es besteht also aus demselben Material wie die Membran und ist quasi eine Art Membrankleberaupe. In alternative designs, the reinforcement element is also a membrane. It is made of the same material as the membrane and is essentially a kind of membrane adhesive bead.
Die Erfindung umfasst auch eine Membran-Elektroden-Anordnung für eine elektrochemische Zelle, insbesondere für eine Elektrolysezelle. The invention also includes a membrane electrode assembly for an electrochemical cell, in particular for an electrolysis cell.
Die Membran-Elektroden-Anordnung umfasst: The membrane electrode assembly includes:
- eine Anodenseite mit einer anodenseitigen Transportschicht und einer anodenseitigen Rahmenstruktur, welche wenigstens teilweise rahmenförmig um die anodenseitige Transportschicht ausgestaltet ist,- an anode side with an anode-side transport layer and an anode-side frame structure which is at least partially designed in a frame shape around the anode-side transport layer,
- eine Kathodenseite mit einer kathodenseitigen Transportschicht und einer kathodenseitigen Rahmenstruktur, welche wenigstens teilweise rahmenförmig um die kathodenseitige Transportschicht ausgestaltet ist, - einen anodenseitigen Spalt zwischen der anodenseitigen Transportschicht und der anodenseitigen Rahmenstruktur, - a cathode side with a cathode-side transport layer and a cathode-side frame structure which is at least partially designed in a frame shape around the cathode-side transport layer, - an anode-side gap between the anode-side transport layer and the anode-side frame structure,
- einen kathodenseitigen Spalt zwischen der kathodenseitigen Transportschicht und der kathodenseitigen Rahmenstruktur, - a cathode-side gap between the cathode-side transport layer and the cathode-side frame structure,
- eine schichtartig zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite positionierte Membranstruktur nach einer der obigen Ausführungen, wobei die Membran wenigstens einen Brückenabschnitt aufweist, der sich brückenartig über den anodenseitigen Spalt und/oder über den kathodenseitigen Spalt erstreckt, und wobei das Verstärkungselement zum lokalen Erhöhen der Stabilität der Membranstruktur an dem wenigstens einen Brückenabschnitt angeordnet ist. - a membrane structure according to one of the above embodiments, positioned in a layered manner between the anode side and the cathode side, wherein the membrane has at least one bridge section which extends in a bridge-like manner over the anode-side gap and/or over the cathode-side gap, and wherein the reinforcing element is arranged on the at least one bridge section for locally increasing the stability of the membrane structure.
Das Verstärkungselement ist demzufolge im Bereich des Spalts zwischen der Transportschicht und der Rahmenstruktur angeordnet. Dadurch wird verhindert, dass die Membranstruktur während des Betriebs der elektrochemischen Zelle in den Spalt gedrückt und so beschädigt wird. Besonders im Bereich des Spaltes wird die Membranstruktur verstärkt, so dass sie nicht in einen der Spalte gedrückt werden kann bzw. nur leicht in einen der Spalte gedrückt wird, so dass es nicht zum mechanischen Versagen der Membranstruktur oder gar zu Rissen in der Membranstruktur kommen kann. The reinforcing element is therefore arranged in the area of the gap between the transport layer and the frame structure. This prevents the membrane structure from being pressed into the gap during operation of the electrochemical cell and thus being damaged. The membrane structure is reinforced particularly in the area of the gap so that it cannot be pressed into one of the gaps or is only slightly pressed into one of the gaps so that mechanical failure of the membrane structure or even cracks in the membrane structure cannot occur.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde zunächst erkannt, dass der Spalt zwischen der jeweiligen Transportschicht und der jeweiligen Rahmenstruktur dazu führen kann, dass unter hohen Relativdrücken zwischen Anodenseite und Kathodenseite die Membran einschließlich der Katalysatorbeschichtung im dortigen Bereich mechanisch überbeansprucht wird. Dies kann dazu führen, dass die Membran in diesem Bereich beschädigt oder zerstört werden kann. Um dieser Problematik Rechnung zu tragen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, ein lokales Verstärkungselement im Bereich des jeweiligen Spalts zum Stabilisieren des jeweiligen Brückenabschnitts bereitzustellen. Das Verstärkungselement kann gezielt an der Stelle ausgestaltet sein, an welcher die größte Gefahr für eine mechanische Überbeanspruchung der Membran bzw. der Membranstruktur besteht. Auf diese Weise lässt sich das Verstärkungselement besonders einfach und materialsparend in die Membranstruktur bzw. in die Membran-Elektroden-Anordnung integrieren. Der Grundaufbau der Membran- Elektroden-Anordnung muss hierzu nicht modifiziert werden. Dadurch können bereits etablierte Verfahren und Systeme zur Fertigung von Membran- Elektroden-Anordnungen weiterhin annähernd unverändert genutzt werden. Within the scope of the present invention, it was initially recognized that the gap between the respective transport layer and the respective frame structure can lead to the membrane, including the catalyst coating, being mechanically overstressed in the area under high relative pressures between the anode side and the cathode side. This can lead to the membrane in this area being damaged or destroyed. In order to take this problem into account, the invention proposes to provide a local reinforcing element in the area of the respective gap to stabilize the respective bridge section. The reinforcing element can be designed specifically at the point where there is the greatest risk of mechanical overstressing of the membrane or the membrane structure. In this way, the reinforcing element can be integrated into the membrane structure or the membrane electrode arrangement in a particularly simple and material-saving manner. The basic structure of the membrane The electrode arrangement does not need to be modified for this purpose. This means that already established processes and systems for the production of membrane electrode arrangements can continue to be used almost unchanged.
Das Verstärkungselement kann einteilig oder mehrteilig ausgestaltet sein. Das heißt, das Verstärkungselement kann mehrere Verstärkungselemente aufweisen, die beabstandet voneinander positioniert sind. Das Verstärkungselement kann in Form einer Verstärkungsschicht, also schichtförmig, im Brückenabschnitt ausgestaltet sein. Unter der Position im Brückenabschnitt kann eine Positionierung und/oder Ausgestaltung des Verstärkungselements im und/oder am Brückenabschnitt verstanden werden. Das Verstärkungselement kann an der anodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung, an der Membran und/oder an der kathodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung ausgestaltet sein. Das heißt, das Verstärkungselement muss nicht direkt an der Membran positioniert sein, um die Stabilität der Membran im wenigstens einen Brückenabschnitt zu erhöhen. The reinforcing element can be designed in one piece or in multiple pieces. This means that the reinforcing element can have multiple reinforcing elements that are positioned at a distance from one another. The reinforcing element can be designed in the form of a reinforcing layer, i.e. in layer form, in the bridge section. The position in the bridge section can be understood as a positioning and/or design of the reinforcing element in and/or on the bridge section. The reinforcing element can be designed on the anode-side catalyst membrane coating, on the membrane and/or on the cathode-side catalyst membrane coating. This means that the reinforcing element does not have to be positioned directly on the membrane in order to increase the stability of the membrane in at least one bridge section.
Unter dem Erhöhen der Stabilität im Bereich des wenigstens einen Brückenabschnitts kann verstanden werden, dass durch die erfindungsgemäße Positionierung und/oder Ausgestaltung des Verstärkungselements die Membran bzw. die Membranstruktur lokal im Bereich des Brückenabschnitts stabilisiert, insbesondere mechanisch stabilisiert, wird bzw. ist, sodass dort im Vergleich zu angrenzenden Bereichen eine höhere mechanische Widerstandsfähigkeit gegenüber den hohen Relativdrücken vorliegt. Das Verstärkungselement muss damit keinen Einfluss auf die Materialeigenschaften der Membran selbst nehmen. Vielmehr kann das Verstärkungselement als Hilfsstruktur zum lokalen Erhöhen der mechanischen Stabilität und/oder Festigkeit verstanden werden. Increasing the stability in the area of the at least one bridge section can be understood to mean that the membrane or the membrane structure is locally stabilized, in particular mechanically stabilized, in the area of the bridge section through the positioning and/or design of the reinforcing element according to the invention, so that there is a higher mechanical resistance to the high relative pressures compared to adjacent areas. The reinforcing element therefore does not have to influence the material properties of the membrane itself. Rather, the reinforcing element can be understood as an auxiliary structure for locally increasing the mechanical stability and/or strength.
Die Transportschicht kann jeweils wenigstens eine Mediendiffusionsschicht, insbesondere eine Gasdiffusionsschicht (GDL), also grundsätzlich auch mehrere unterschiedliche Mediendiffusionsschichten, aufweisen. Die Transportschicht kann jeweils wenigstens teilweise als poröse Transportschicht ausgestaltet sein. The transport layer can have at least one media diffusion layer, in particular a gas diffusion layer (GDL), and therefore basically several different media diffusion layers. The transport layer can be designed at least partially as a porous transport layer.
In vorteilhaften Weiterbildungen erstreckt sich das Verstärkungselement rahmenförmig oder teilweise rahmenförmig um die anodenseitige Transportschicht und/oder um die kathodenseitige Transportschicht herum. Das Verstärkungselement dient der Transportschicht somit als Positionierhilfe und/oder als Lagerungshilfe. In advantageous further developments, the reinforcing element extends in a frame-like or partially frame-like manner around the anode-side Transport layer and/or around the cathode-side transport layer. The reinforcing element thus serves as a positioning aid and/or storage aid for the transport layer.
In bevorzugten Ausführungen weist die anodenseitige Rahmenstruktur und/oder die kathodenseitige Rahmenstruktur eine Ausnehmung zur teilweisen Aufnahme des Verstärkungselements auf. Dadurch kann die Funktion der Positionierhilfe und/oder Lagerungshilfe besser umgesetzt werden. Insbesondere kann die durch das Verstärkungselement fehlende Planarität der Oberfläche der Membranstruktur ausgeglichen werden; dadurch wirkt das Verstärkungselement nicht als Sicke, wodurch eine Kraftkonzentration der Verspannung der elektrochemischen Zellen genau im Bereich des Spaltes erfolgen würde, welche wiederum kontraproduktiv zum beabsichtigten Ziel, nämlich einer Entlastung der Membranstruktur genau in diesem Bereich, wäre. In preferred embodiments, the anode-side frame structure and/or the cathode-side frame structure has a recess for partially accommodating the reinforcing element. This allows the function of the positioning aid and/or storage aid to be better implemented. In particular, the lack of planarity of the surface of the membrane structure due to the reinforcing element can be compensated for; as a result, the reinforcing element does not act as a bead, which would result in a concentration of force from the tension of the electrochemical cells precisely in the area of the gap, which in turn would be counterproductive to the intended goal, namely relieving the membrane structure precisely in this area.
In weiterbildenden Ausführungen weist auch die anodenseitige Transportschicht und/oder die kathodenseitige Transportschicht eine weitere Ausnehmung zur teilweisen Aufnahme des Verstärkungselements auf. Auch hier wird durch die Ausnehmung eine Nicht-Planarität ausgeglichen, so dass im Gesamtverbund der Membran-Elektroden-Anordnung im verpressten bzw. gestapelten Zustand eine homogene Flächenpressung herrschen kann. In further embodiments, the anode-side transport layer and/or the cathode-side transport layer also have a further recess for partially accommodating the reinforcing element. Here too, the recess compensates for non-planarity, so that a homogeneous surface pressure can prevail in the overall composite of the membrane-electrode arrangement in the pressed or stacked state.
Die Ausnehmung als auch die weitere Ausnehmung dienen somit einer homogenen Verteilung der Flächenpressung, schädliche Spannungsspitzen, insbesondere im Bereich der Spalte zwischen Transportschicht und Rahmenstruktur, werden somit vermieden; dies gilt für die Anordnung des Verstärkungselements sowohl auf Anodenseite als auch auf Kathodenseite. The recess as well as the further recess thus serve to distribute the surface pressure homogeneously, thus avoiding harmful stress peaks, particularly in the area of the gap between the transport layer and the frame structure; this applies to the arrangement of the reinforcing element on both the anode side and the cathode side.
Das Verstärkungselement kann materialschlüssig an der Membran integriert oder als separates Teil ausgeführt sein. Ist es als separates Teil ausgeführt, so kann die Befestigung beispielsweise durch ein Kleben erfolgen. Damit ist die Belastung der Klebestelle auf Schub gut möglich, und es ergibt sich eine Entlastung der Membranstruktur an der Klebestelle; es wird nahezu ein vorteilhafter einachsiger Spannungszustand erzielt. In vorteilhaften Ausführungen sind die anodenseitige Transportschicht, die anodenseitige Rahmenstruktur, die kathodenseitige Transportschicht und die kathodenseitige Rahmenstruktur dahingehend ausgestaltet, dass der anodenseitige Spalt und der kathodenseitige Spalt in einer Querrichtung von der jeweiligen Transportschicht zur zugehörigen Rahmenstruktur versetzt zueinander gebildet sind. Dadurch sind die beiden kritischen Spalte an der Membranstruktur nicht direkt gegenüberliegend angeordnet, sondern auf der jeweils anderen Seite von einer Rahmenstruktur oder einer Transportschicht unterfüttert bzw. abgestützt. Diese Ausführung erhöht die Stabilität des Gesamtverbunds der Membran-Elektroden-Anordnung. The reinforcement element can be integrated into the membrane in a material-locking manner or designed as a separate part. If it is designed as a separate part, it can be attached by gluing, for example. This makes it easy to subject the bonding point to shear stress, and the membrane structure at the bonding point is relieved; an advantageous uniaxial stress state is almost achieved. In advantageous embodiments, the anode-side transport layer, the anode-side frame structure, the cathode-side transport layer and the cathode-side frame structure are designed such that the anode-side gap and the cathode-side gap are offset from one another in a transverse direction from the respective transport layer to the associated frame structure. As a result, the two critical gaps on the membrane structure are not arranged directly opposite one another, but are supported or lined on the other side by a frame structure or a transport layer. This design increases the stability of the overall assembly of the membrane-electrode arrangement.
Mit anderen Worten, das Kathodenfenster (bzw. die kathodenseitige aktive Fläche) kann kleiner als das Anodenfenster (bzw. die anodenseitige aktive Fläche) gestaltet sein (oder andersherum), sodass die beschichtete Membran im Bereich des jeweiligen Spaltes auf ihrer dem Spalt abgewandten Seite entweder von der Rahmenstruktur oder von der Transportschicht gestützt wird. Auf diese Weise kann die Stabilität auf einfache Weise weiter erhöht werden. Unter den versetzt zueinander gebildeten Spalten ist zu verstehen, dass der eine Spalt in einer Draufsicht auf die Membran-Elektroden-Anordnung näher an einem äußeren Randbereich der Membran-Elektroden-Anordnung zur Umgebung der Membran-Elektroden-Anordnung gebildet ist als der andere Spalt. Der eine Spalt liegt in diesem Ausführungsbeispiel also nicht direkt über dem anderen Spalt. Insbesondere ist es bevorzugt, dass der anodenseitige Spalt und der kathodenseitige Spalt in der Querrichtung derart versetzt zueinander gebildet sind, dass diese in einer Stapelrichtung orthogonal zur Querrichtung keinen Überschneidungsbereich aufweisen bzw. entsprechend überschneidungsfrei versetzt voneinander ausgestaltet sind. Entsprechend versetzt zueinander sind in diesem Fall auch die Brückenabschnitte der Membran. Das heißt, die Membran bzw. die Membranstruktur kann in diesem Fall zwei nebeneinander angeordnete Brückenabschnitte aufweisen, wobei der eine Brückenabschnitt in Querrichtung innerhalb des anderen Brückenabschnitts ausgestaltet ist. Mit anderen Worten, der eine Brückenabschnitt kann in einer Draufsicht bzw. in einer Projektion in Stapelrichtung rahmenförmig oder wenigstens teilweise rahmenförmig um den anderen Brückenabschnitt herum ausgestaltet sein. In bevorzugten Weiterbildungen ist der Versatz zwischen anodenseitigem Spalt und kathodenseitigem Spalt so ausgeführt, dass sich eine größere anodenseitige aktive Fläche ergibt als eine kathodenseitige aktive Fläche. Der anodenseitige Spalt ist also näher zum Außenbereich der elektrochemischen Zelle positioniert, der kathodenseitige Spalt ist näher zur aktiven Fläche der elektrochemischen Zelle positioniert. Dadurch ist der kritischere Spalt, nämlich der anodenseitige Spalt, auf seiner gegenüberliegenden Seite, nämlich auf der Kathodenseite, nicht mit dem Druck der Kathodenseite belastet; dem anodenseitigen Spalt liegt also die kathodenseitige Rahmenstruktur gegenüber. Wird die Kathodenseite gegenüber der Anodenseite mit Überdruck betrieben, dann liegt in dieser Ausführung der anodenseitige Spalt nicht mehr im Überdruckbereich; ganz im Gegenteil ist der anodenseitige Spalt auf der Kathodenseite mit der Rahmenstruktur unterfüttert bzw. durch diese sogar abgestützt. In other words, the cathode window (or the active area on the cathode side) can be designed smaller than the anode window (or the active area on the anode side) (or vice versa), so that the coated membrane in the area of the respective gap is supported on its side facing away from the gap either by the frame structure or by the transport layer. In this way, stability can be further increased in a simple manner. The gaps formed offset from one another are to be understood as meaning that one gap, in a plan view of the membrane electrode arrangement, is formed closer to an outer edge region of the membrane electrode arrangement to the surroundings of the membrane electrode arrangement than the other gap. In this exemplary embodiment, one gap is therefore not directly above the other gap. In particular, it is preferred that the anode-side gap and the cathode-side gap are formed offset from one another in the transverse direction in such a way that they have no overlapping region in a stacking direction orthogonal to the transverse direction or are designed offset from one another without overlapping. In this case, the bridge sections of the membrane are also offset from one another accordingly. This means that the membrane or the membrane structure can in this case have two bridge sections arranged next to one another, with one bridge section being designed transversely within the other bridge section. In other words, one bridge section can be designed in a frame-like manner or at least partially in a frame-like manner around the other bridge section in a plan view or in a projection in the stacking direction. In preferred developments, the offset between the anode-side gap and the cathode-side gap is designed in such a way that a larger anode-side active area is obtained than a cathode-side active area. The anode-side gap is therefore positioned closer to the outside area of the electrochemical cell, the cathode-side gap is positioned closer to the active area of the electrochemical cell. As a result, the more critical gap, namely the anode-side gap, is not loaded with the pressure of the cathode side on its opposite side, namely on the cathode side; the cathode-side frame structure is therefore opposite the anode-side gap. If the cathode side is operated with overpressure compared to the anode side, then in this design the anode-side gap is no longer in the overpressure area; on the contrary, the anode-side gap on the cathode side is supported by the frame structure or even supported by it.
In vorteilhaften Weiterbildungen ist das Verstärkungselement nur auf der Kathodenseite angeordnet. Eine Art Unterfütterung der katalysatorbeschichteten Membran nur auf der Kathodenseite auf die erfindungsgemäße Weise kann bereits ausreichend sein, um die gewünschte Stabilität gegenüber den relativen Druckverhältnissen zu erreichen. Die Ausgestaltung des Verstärkungselements nur auf der Kathodenseite kann insbesondere dann ausreichend sein, wenn weitere Maßnahmen zur Stabilisierung, wie beispielsweise die vorstehend beschriebene Konfiguration mit versetzt gebildeten Spalten, vorgenommen werden. In advantageous further developments, the reinforcing element is arranged only on the cathode side. A type of underlay of the catalyst-coated membrane only on the cathode side in the manner according to the invention can already be sufficient to achieve the desired stability with respect to the relative pressure conditions. The design of the reinforcing element only on the cathode side can be sufficient in particular if further measures for stabilization, such as the configuration described above with offset gaps, are carried out.
Die Membran-Elektroden-Anordnung kann zur Verwendung in einem Elektrolyseur und/oder in einer Brennstoffzelle, insbesondere in einem Elektrolyseur und/oder einer Brennstoffzelle für ein PEM-Brennstoffzellensystem, für einen PEM-Elektrolyseur, für ein AEM-Brennstoffzellensystem und/oder für einen AEM-Elektrolyseur konfiguriert sein. Die Membran-Elektroden-Anordnung kann ferner für die Verwendung in einem mobilen elektrochemischen Energiewandler, beispielsweise für die Verwendung in einem Straßenfahrzeug, konfiguriert und ausgestaltet sein. Die Membran-Elektroden-Anordnung kann als Elektrolysezelle oder als Teil einer Elektrolysezelle ausgestaltet sein. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer Elektrolysezelle. Die Elektrolysezelle weist eine Membran-Elektroden-Anordnung nach einer der obigen Ausführungen auf. Dabei wird die Kathodenseite gegenüber der Anodenseite mit einem Überdruck von mindestens 20 bar, bevorzugt von mindestens 30 bar, betrieben. Bei einem derartigen Betrieb steht die Membranstruktur unter besonders hoher mechanischer Belastung; das auf ihr angebrachte Verstärkungselement ist demzufolge besonders wirkungsvoll. The membrane electrode assembly can be configured for use in an electrolyzer and/or in a fuel cell, in particular in an electrolyzer and/or a fuel cell for a PEM fuel cell system, for a PEM electrolyzer, for an AEM fuel cell system and/or for an AEM electrolyzer. The membrane electrode assembly can also be configured and designed for use in a mobile electrochemical energy converter, for example for use in a road vehicle. The membrane electrode assembly can be designed as an electrolysis cell or as part of an electrolysis cell. The invention also relates to a method for operating an electrolysis cell. The electrolysis cell has a membrane electrode arrangement according to one of the above embodiments. The cathode side is operated with an overpressure of at least 20 bar, preferably at least 30 bar, compared to the anode side. In such an operation, the membrane structure is subjected to particularly high mechanical stress; the reinforcing element attached to it is therefore particularly effective.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer wie vorstehend beschriebenen Membranstruktur, aufweisend: Furthermore, the invention relates to a method for producing a membrane structure as described above, comprising:
- Bereitstellen der Membran - Providing the membrane
- Aufträgen der anodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung und der kathodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung auf die Membran, und- applying the anode-side catalyst membrane coating and the cathode-side catalyst membrane coating to the membrane, and
- Lokales Aufträgen des Verstärkungselements auf wenigstens eine Katalysator-Membranbeschichtung. - Local application of the reinforcing element to at least one catalyst membrane coating.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer wie vorstehend beschriebenen Membran-Elektroden-Anordnung, aufweisend: A further aspect of the invention relates to a method for producing a membrane electrode assembly as described above, comprising:
- Bereitstellen der Membranstruktur nach einer der obigen Ausführungen,- Providing the membrane structure according to one of the above embodiments,
- Positionieren der anodenseitigen Rahmenstruktur auf der anodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung und/oder der kathodenseitigen Rahmenstruktur auf der kathodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung,- positioning the anode-side frame structure on the anode-side catalyst membrane coating and/or the cathode-side frame structure on the cathode-side catalyst membrane coating,
- Aufträgen des Verstärkungselements auf die anodenseitige Katalysator- Membranbeschichtung und/oder die kathodenseitige Katalysator- Membranbeschichtung, und - applying the reinforcing element to the anode-side catalyst membrane coating and/or the cathode-side catalyst membrane coating, and
- Positionieren der anodenseitigen Transportschicht auf der anodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung und/oder der kathodenseitigen Transportschicht auf der kathodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung. - Positioning the anode-side transport layer on the anode-side catalyst membrane coating and/or the cathode-side transport layer on the cathode-side catalyst membrane coating.
Auf diese Weise lässt sich die Membran-Elektroden-Anordnung besonders schnell und einfach herstellen. Bevorzugt kann das Verstärkungselement in einen Übergangsbereich zwischen der jeweiligen Katalysator- Membranbeschichtung und einer jeweiligen Randstruktur eingebracht, insbesondere eingespritzt, werden, sodass das Verstärkungselement nicht nur als Verstärkungselement, sondern auch als Dichtmittel für die Fluide der Membran-Elektroden-Anordnung hin zur Umgebung der Membran- Elektroden- Anordnung wirken kann. Die vorstehend dargestellte Reihenfolge der Verfahrensschritte ist trotzdem als optional zu betrachten. Das Verstärkungselement kann in diesem Fall beispielsweise als Raupe während des Fertigungsprozesses angespritzt werden, wenn wenigstens eine Rahmenstruktur schon auf der katalysatorbeschichteten Membran positioniert ist, die zugehörige Transportschicht aber noch nicht eingelegt bzw. positioniert ist. In this way, the membrane electrode arrangement can be manufactured particularly quickly and easily. Preferably, the reinforcing element can be introduced, in particular injected, into a transition region between the respective catalyst membrane coating and a respective edge structure, so that the reinforcing element can be used not only as a reinforcing element, but also as a sealing agent for the fluids of the Membrane electrode arrangement towards the environment of the membrane electrode arrangement. The sequence of process steps described above is nevertheless to be considered optional. In this case, the reinforcing element can be injection-molded as a bead during the manufacturing process, for example, if at least one frame structure is already positioned on the catalyst-coated membrane, but the associated transport layer has not yet been inserted or positioned.
Bevorzugt weist die anodenseitige Rahmenstruktur und/oder die kathodenseitige Rahmenstruktur eine Ausnehmung auf, die mit dem Verstärkungselement zusammenwirkt, beispielsweise zum Positionieren während des Herstellverfahrens. Das Herstellverfahren umfasst somit den weiteren Verfahrensschritt: Preferably, the anode-side frame structure and/or the cathode-side frame structure has a recess which interacts with the reinforcing element, for example for positioning during the manufacturing process. The manufacturing process thus comprises the further method step:
- Positionieren der anodenseitigen Rahmenstruktur und/oder der kathodenseitigen Rahmenstruktur, so dass die Ausnehmung mit dem Verstärkungselement zusammenwirkt. - Positioning the anode-side frame structure and/or the cathode-side frame structure so that the recess cooperates with the reinforcing element.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Figuren hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein. Further measures improving the invention emerge from the following description of various embodiments of the invention, which are shown schematically in the figures. All features and/or advantages arising from the claims, the description or the figures, including structural details and spatial arrangements, can be essential to the invention both individually and in various combinations.
Es zeigen jeweils schematisch: They show schematically:
Figur 1 eine Membran-Elektroden-Anordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Figure 1 shows a membrane electrode arrangement according to a first embodiment of the present invention, with only the essential regions being shown.
Figur 2 eine Membran-Elektroden-Anordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Figur 3 eine Membran-Elektroden-Anordnung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Figure 2 shows a membrane electrode arrangement according to a second embodiment of the present invention, with only the essential regions being shown. Figure 3 shows a membrane electrode arrangement according to a third embodiment of the present invention, with only the essential regions being shown.
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Elements with the same function and mode of operation are provided with the same reference symbols in the figures.
Fig.1 zeigt einen Querschnitt einer Membran-Elektroden-Anordnung 10 für eine Elektrolysezelle gemäß einer ersten Ausführungsform. Wie in Fig. 1 dargestellt, weist die Membran-Elektroden-Anordnung 10 eine Anodenseite 20 mit einer anodenseitigen Transportschicht 21 und einer anodenseitigen Rahmenstruktur 22 auf. Die anodenseitige Rahmenstruktur 22 ist rahmenförmig um die anodenseitige Transportschicht 21 ausgestaltet. Ferner weist die Membran- Elektroden-Anordnung 10 eine Kathodenseite 30 mit einer kathodenseitigen Transportschicht 31 und einer kathodenseitigen Rahmenstruktur 32 auf, wobei die kathodenseitige Rahmenstruktur rahmenförmig um die kathodenseitige Transportschicht 31 ausgestaltet ist. Die Transportschichten 21 , 31 werden auch PTL (Porous Transport Layer) genannt. Fig.1 shows a cross section of a membrane electrode arrangement 10 for an electrolysis cell according to a first embodiment. As shown in Fig.1, the membrane electrode arrangement 10 has an anode side 20 with an anode-side transport layer 21 and an anode-side frame structure 22. The anode-side frame structure 22 is designed in a frame shape around the anode-side transport layer 21. Furthermore, the membrane electrode arrangement 10 has a cathode side 30 with a cathode-side transport layer 31 and a cathode-side frame structure 32, wherein the cathode-side frame structure is designed in a frame shape around the cathode-side transport layer 31. The transport layers 21, 31 are also called PTL (Porous Transport Layer).
Zwischen der anodenseitigen Transportschicht 21 und der anodenseitigen Rahmenstruktur 22 ist ein anodenseitiger Spalt 23 gebildet. Zwischen der kathodenseitigen Transportschicht 31 und der kathodenseitigen Rahmenstruktur 32 ist ein kathodenseitiger Spalt 33 gebildet. Darüber hinaus umfasst die Membran-Elektroden-Anordnung 10 eine schichtartig zwischen der Anodenseite 20 und der Kathodenseite 30 positionierte Membran 41 mit einer anodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung 42 und einer kathodenseitigen Katalysator- Membranbeschichtung 43. Die katalysatorbeschichtete Membran 41 , 42, 43 wird auch CCM (catalyst coated membrane) genannt oder kann als Membranstruktur 40 bezeichnet werden. Die Membran 41 bzw. die Membranstruktur 40 weist einen Brückenabschnitt 44 auf, der sich brückenartig über den anodenseitigen Spalt 23 und über den kathodenseitigen Spalt 33 erstreckt. Ergänzend weist die Membranstruktur 40 ein Verstärkungselement 50 zum lokalen Erhöhen der Stabilität der Membranstruktur 40 im Brückenabschnitt 44 gegenüber dort herrschenden Differenz- bzw. Relativdrücken auf. Die Differenzdrücke einer Elektrolysezelle bzw. eines Elektrolyseurs zwischen Kathode und Anode können durchaus 30 bar betragen, beispielsweise, um auf Kathodenseite Wasserstoff mit entsprechendem Druck zu erzeugen. An anode-side gap 23 is formed between the anode-side transport layer 21 and the anode-side frame structure 22. A cathode-side gap 33 is formed between the cathode-side transport layer 31 and the cathode-side frame structure 32. In addition, the membrane electrode arrangement 10 comprises a membrane 41 positioned in a layer between the anode side 20 and the cathode side 30 with an anode-side catalyst membrane coating 42 and a cathode-side catalyst membrane coating 43. The catalyst-coated membrane 41, 42, 43 is also called CCM (catalyst coated membrane) or can be referred to as membrane structure 40. The membrane 41 or the membrane structure 40 has a bridge section 44 which extends like a bridge over the anode-side gap 23 and over the cathode-side gap 33. In addition, the membrane structure 40 has a reinforcing element 50 for locally increasing the stability of the membrane structure 40 in the bridge section 44 against differential or relative pressures prevailing there. The differential pressures of a Electrolysis cell or an electrolyzer between cathode and anode can be as high as 30 bar, for example to generate hydrogen with the appropriate pressure on the cathode side.
Infolge einer Druckdifferenz zwischen Anodenseite 20 und Kathodenseite 30 wird die Membranstruktur 40 zwar leicht verformt, aber diese Verformung ist aufgrund des Verstärkungselements 50 stark reduziert Als Folge werden Ermüdungsbruch, Gewaltbruch und mechanische Risse in der Membranstruktur 40 verhindert. As a result of a pressure difference between the anode side 20 and the cathode side 30, the membrane structure 40 is slightly deformed, but this deformation is greatly reduced due to the reinforcing element 50. As a result, fatigue fracture, violent fracture and mechanical cracks in the membrane structure 40 are prevented.
Bevorzugt besteht das Verstärkungselement 50 aus PPS (Polyphenylensulfid), aus PEN (Polyethylennaphthalat), aus einem Haftklebstoff (PSA, pressure sensitive adhesive) und/oder aus FEP (Fluorethylen-Propylen). Diese Materialien sind besonders gut für die Bedingungen in elektrochemischen Zellen geeignet. Sie zeichnen sich durch eine entsprechende chemische Beständigkeit und durch mechanische Stabilität aus. The reinforcing element 50 preferably consists of PPS (polyphenylene sulfide), PEN (polyethylene naphthalate), a pressure-sensitive adhesive (PSA) and/or FEP (fluoroethylene propylene). These materials are particularly well suited to the conditions in electrochemical cells. They are characterized by appropriate chemical resistance and mechanical stability.
Das in Fig.1 gezeigte Verstärkungselement 50 ist auf der Anodenseite 20 und auf der Kathodenseite 30 jeweils vorsprungartig ausgestaltet und ragt dort in den anodenseitigen Spalt 23 sowie in den kathodenseitigen Spalt 33. Weiterhin erstreckt sich das Verstärkungselement 50 auf der Anodenseite 20 rahmenförmig um die anodenseitige Transportschicht 21 und auf der Kathodenseite 30 rahmenförmig um die kathodenseitige Transportschicht 31 herum. The reinforcing element 50 shown in Fig.1 is designed as a projection on the anode side 20 and on the cathode side 30 and projects there into the anode-side gap 23 and into the cathode-side gap 33. Furthermore, the reinforcing element 50 extends in a frame shape around the anode-side transport layer 21 on the anode side 20 and in a frame shape around the cathode-side transport layer 31 on the cathode side 30.
Die in Fig.2 gezeigte Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der in Fig.1 gezeigten Ausführungsform, wobei die anodenseitige Transportschicht 21 , die anodenseitige Rahmenstruktur 22, die kathodenseitige Transportschicht 31 und die kathodenseitige Rahmenstruktur 32 dahingehend ausgestaltet sind, dass der anodenseitige Spalt 23 und der kathodenseitige Spalt 33 in einer Querrichtung 60 von der jeweiligen Transportschicht 21 , 31 zur zugehörigen Rahmenstruktur 22, 32 versetzt zueinander gebildet sind. Die in Fig.2 gezeigte Membran 41 bzw. Membranstruktur 40 weist zwei Brückenabschnitte 44, 45 auf, die sich über die in Querrichtung 60 versetzt zueinander gebildeten Spalten 23, 33 erstrecken. Genauer gesagt erstreckt sich ein erster Brückenabschnitt 44 über den kathodenseitigen Spalt 33 und ein weiterer Brückenabschnitt 45 über den anodenseitigen Spalt 23. The embodiment shown in Fig.2 corresponds essentially to the embodiment shown in Fig.1, wherein the anode-side transport layer 21, the anode-side frame structure 22, the cathode-side transport layer 31 and the cathode-side frame structure 32 are designed such that the anode-side gap 23 and the cathode-side gap 33 are formed offset from one another in a transverse direction 60 from the respective transport layer 21, 31 to the associated frame structure 22, 32. The membrane 41 or membrane structure 40 shown in Fig.2 has two bridge sections 44, 45 which extend over the gaps 23, 33 formed offset from one another in the transverse direction 60. More precisely, a first bridge section 44 extends over the cathode-side gap 33 and another bridge section 45 over the anode-side gap 23.
Bevorzugt sind die Spalte 23, 33 so versetzt angeordnet, dass sich eine größere anodenseitige aktive Fläche 29 ergibt als eine kathodenseitige aktive Fläche 39. Der Überdruck des verdichteten Wasserstoffs auf der Kathodenseite 30 wirkt somit gar nicht mehr senkrecht (also in Stapel richtung) über dem anodenseitigen Spalt 23. Die Kombination des Verstärkungselements 50 mit einem derartigen Versatz verhindert somit besonders gut ein Eindrücken der Membran 41 bzw. Membranstruktur 40 in den anodenseitigen Spalt 23. Preferably, the gaps 23, 33 are arranged offset in such a way that a larger anode-side active area 29 is obtained than a cathode-side active area 39. The overpressure of the compressed hydrogen on the cathode side 30 therefore no longer acts vertically (i.e. in the stacking direction) over the anode-side gap 23. The combination of the reinforcing element 50 with such an offset thus particularly effectively prevents the membrane 41 or membrane structure 40 from being pressed into the anode-side gap 23.
In bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung ist in der Rahmenstruktur 22, 32 eine entsprechende Ausnehmung 35 ausgebildet, um dort den Teil des Verstärkungselements 50 aufnehmen zu können, welcher unterhalb der jeweiligen Rahmenstruktur 22, 32 über die Planarität der Membranstruktur 40 hinausragt. In der Ausführung der Fig.3 weist die kathodenseitige Rahmenstruktur 32 eine derartige Ausnehmung 35 auf. Analog kann eine solche Ausnehmung jedoch auch auf der Anodenseite 20 in der anodenseitigen Rahmenstruktur 22 ausgebildet sein. Die kathodenseitige Transportschicht 31 ist üblicherweise weich genug ausgeführt, so dass sie keine derartige Ausnehmung benötigt; jedoch kann auch hier eine weitere Ausnehmung 65 ausgebildet sein, um auch unterhalb der Transportschicht 31 einen Höhenausgleich für das Verstärkungselement 50 vorzunehmen. In preferred developments of the invention, a corresponding recess 35 is formed in the frame structure 22, 32 in order to be able to accommodate the part of the reinforcing element 50 which projects beyond the planarity of the membrane structure 40 below the respective frame structure 22, 32. In the embodiment of Fig. 3, the cathode-side frame structure 32 has such a recess 35. Analogously, such a recess can also be formed on the anode side 20 in the anode-side frame structure 22. The cathode-side transport layer 31 is usually soft enough so that it does not require such a recess; however, a further recess 65 can also be formed here in order to also carry out height compensation for the reinforcing element 50 below the transport layer 31.
Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere Gestaltungsgrundsätze zu. Das heißt, die Erfindung soll nicht auf die mit Bezug auf die Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt betrachtet werden. Wie mit Blick auf die Figuren zu erkennen, sind zahlreiche weitere Kombinationsvarianten der gezeigten Ausführungsformen möglich, die nicht alle im Detail beschrieben worden sind. Das Gleiche gilt auf analoge Weise für unterschiedliche Varianten zum Ausführen des Verfahrens. Diese Varianten sollen selbstverständlich nicht als vom Schutzbereich der beanspruchten Erfindung ausgeschlossen betrachtet werden. In addition to the embodiments shown, the invention allows for further design principles. This means that the invention should not be considered limited to the embodiments explained with reference to the figures. As can be seen from the figures, numerous other combination variants of the embodiments shown are possible, not all of which have been described in detail. The same applies in an analogous manner to different variants for carrying out the method. These variants should of course not be considered as excluded from the scope of protection of the claimed invention.

Claims

Ansprüche Claims
1 . Membranstruktur (40) für eine Membran-Elektroden-Anordnung (10) für eine Elektrolysezelle aufweisend eine Membran (41) mit einer anodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung (42) und einer kathodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung (43), dadurch gekennzeichnet, dass die Membranstruktur (40) ein Verstärkungselement (50) zum lokalen Erhöhen der Stabilität der Membranstruktur (40) aufweist. 1. Membrane structure (40) for a membrane electrode arrangement (10) for an electrolysis cell comprising a membrane (41) with an anode-side catalyst membrane coating (42) and a cathode-side catalyst membrane coating (43), characterized in that the membrane structure (40) has a reinforcing element (50) for locally increasing the stability of the membrane structure (40).
2. Membranstruktur (40) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungselement (50) aus PPS (Polyphenylensulfid), aus PEN (Polyethylennaphthalat), aus einem Haftklebstoff (PSA, pressure sensitive adhesive) und/oder aus FEP (Fluorethylen-Propylen) besteht 2. Membrane structure (40) according to claim 1, characterized in that the reinforcing element (50) consists of PPS (polyphenylene sulfide), PEN (polyethylene naphthalate), a pressure sensitive adhesive (PSA) and/or FEP (fluoroethylene propylene).
3. Membranstruktur (40) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungselement (50) auch eine Membran (40) ist 3. Membrane structure (40) according to claim 1, characterized in that the reinforcing element (50) is also a membrane (40)
4. Membranstruktur (40) nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungselement (50) einen Elastizitätsmodul von mindestens 4000 N/mm2 aufweist. 4. Membrane structure (40) according to one of the preceding claims, characterized in that the reinforcing element (50) has a modulus of elasticity of at least 4000 N/mm 2 .
5. Membran-Elektroden-Anordnung (10) für eine Elektrolysezelle, aufweisend: 5. Membrane electrode assembly (10) for an electrolysis cell, comprising:
- eine Anodenseite (20) mit einer anodenseitigen Transportschicht (21) und einer anodenseitigen Rahmenstruktur (22), welche wenigstens teilweise rahmenförmig um die anodenseitige Transportschicht (21) ausgestaltet ist, - an anode side (20) with an anode-side transport layer (21) and an anode-side frame structure (22) which is at least partially designed in a frame shape around the anode-side transport layer (21),
- eine Kathodenseite (30) mit einer kathodenseitigen Transportschicht (31) und einer kathodenseitigen Rahmenstruktur (32), welche wenigstens teilweise rahmenförmig um die kathodenseitige Transportschicht (31) ausgestaltet ist, - a cathode side (30) with a cathode-side transport layer (31) and a cathode-side frame structure (32), which is at least partially designed as a frame around the cathode-side transport layer (31),
- einen anodenseitigen Spalt (23) zwischen der anodenseitigen Transportschicht (21) und der anodenseitigen Rahmenstruktur (22),- an anode-side gap (23) between the anode-side transport layer (21) and the anode-side frame structure (22),
- einen kathodenseitigen Spalt (33) zwischen der kathodenseitigen Transportschicht (31) und der kathodenseitigen Rahmenstruktur (32),- a cathode-side gap (33) between the cathode-side transport layer (31) and the cathode-side frame structure (32),
- eine schichtartig zwischen der Anodenseite (20) und der Kathodenseite (30) positionierte Membranstruktur (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Membran (41) wenigstens einen Brückenabschnitt (44, 45) aufweist, der sich brückenartig über den anodenseitigen Spalt (23) und/oder über den kathodenseitigen Spalt (33) erstreckt, und wobei das Verstärkungselement (50) zum lokalen Erhöhen der Stabilität der Membranstruktur (40) an dem wenigstens einen Brückenabschnitt (44, 45) angeordnet ist. - a membrane structure (40) according to one of claims 1 to 3, positioned in a layer between the anode side (20) and the cathode side (30), wherein the membrane (41) has at least one bridge section (44, 45) which extends in a bridge-like manner over the anode-side gap (23) and/or over the cathode-side gap (33), and wherein the reinforcing element (50) is arranged on the at least one bridge section (44, 45) for locally increasing the stability of the membrane structure (40).
6. Membran-Elektroden-Anordnung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Verstärkungselement (50) rahmenförmig oder teilweise rahmenförmig um die anodenseitige Transportschicht (21) und/oder um die kathodenseitige Transportschicht (31) herum erstreckt. 6. Membrane electrode assembly (10) according to claim 5, characterized in that the reinforcing element (50) extends in a frame-like or partially frame-like manner around the anode-side transport layer (21) and/or around the cathode-side transport layer (31).
7. Membran-Elektroden-Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die anodenseitige Rahmenstruktur (22) und/oder die kathodenseitige Rahmenstruktur (32) eine Ausnehmung (35) zur teilweisen Aufnahme des Verstärkungselements (50) aufweist. 7. Membrane electrode arrangement (10) according to one of claims 5 or 6, characterized in that the anode-side frame structure (22) and/or the cathode-side frame structure (32) has a recess (35) for partially receiving the reinforcing element (50).
8. Membran-Elektroden-Anordnung (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die anodenseitige Transportschicht (21) und/oder die kathodenseitige Transportschicht (31) eine weitere Ausnehmung (65) zur teilweisen Aufnahme des Verstärkungselements (50) aufweist. 8. Membrane electrode arrangement (10) according to claim 7, characterized in that the anode-side transport layer (21) and/or the cathode-side transport layer (31) has a further recess (65) for partially receiving the reinforcing element (50).
9. Membran-Elektroden-Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die anodenseitige Transportschicht (21), die anodenseitige Rahmenstruktur (22), die kathodenseitige Transportschicht (31) und die kathodenseitige Rahmenstruktur (32) dahingehend ausgestaltet sind, dass der anodenseitige Spalt (23) und der kathodenseitige Spalt (33) in einer Querrichtung (60) von der jeweiligen Transportschicht (21 , 31) zur zugehörigen Rahmenstruktur (22, 32) versetzt zueinander gebildet sind. 9. Membrane electrode arrangement (10) according to one of claims 5 to 8, characterized in that the anode-side transport layer (21), the anode-side frame structure (22), the cathode-side transport layer (31) and the cathode-side frame structure (32) are designed such that the anode-side gap (23) and the cathode-side gap (33) are offset from one another in a transverse direction (60) from the respective transport layer (21, 31) to the associated frame structure (22, 32).
10. Membran-Elektroden-Anordnung (10) nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass der Versatz zwischen anodenseitigem Spalt (23) und kathodenseitigem Spalt (33) so ausgeführt ist, dass sich eine größere anodenseitige aktive Fläche (29) ergibt als eine kathodenseitige aktive Fläche (39). 10. Membrane electrode arrangement (10) according to claim 9, characterized in that the offset between the anode-side gap (23) and the cathode-side gap (33) is designed such that a larger anode-side active area (29) results than a cathode-side active area (39).
11 . Membran-Elektroden-Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungselement (50) nur auf der Kathodenseite (30) angeordnet ist. 11. Membrane electrode assembly (10) according to one of claims 5 to 10, characterized in that the reinforcing element (50) is arranged only on the cathode side (30).
12. Verfahren zum Herstellen einer Membranstruktur (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit folgenden Verfahrensschritten: 12. A method for producing a membrane structure (40) according to one of claims 1 to 4 with the following method steps:
- Bereitstellen der Membran (41) - Providing the membrane (41)
- Aufträgen der anodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung (42) und der kathodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung (43) auf die Membran (41), und - applying the anode-side catalyst membrane coating (42) and the cathode-side catalyst membrane coating (43) to the membrane (41), and
- Lokales Aufträgen des Verstärkungselements (50) auf wenigstens eine Katalysator-Membranbeschichtung (42, 43). - Local application of the reinforcing element (50) to at least one catalyst membrane coating (42, 43).
13. Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 11 mit folgenden Verfahrensschritten: 13. A method for producing a membrane electrode assembly (10) according to one of claims 5 to 11, comprising the following method steps:
- Bereitstellen der Membranstruktur (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, - Providing the membrane structure (40) according to one of claims 1 to 3,
- Positionieren der anodenseitigen Rahmenstruktur (22) auf der anodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung (42) und/oder der kathodenseitigen Rahmenstruktur (22) auf der kathodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung (42), - Aufträgen des Verstärkungselements (50) auf die anodenseitige Katalysator-Membranbeschichtung (42) und/oder die kathodenseitige Katalysator-Membranbeschichtung (43), und - positioning the anode-side frame structure (22) on the anode-side catalyst membrane coating (42) and/or the cathode-side frame structure (22) on the cathode-side catalyst membrane coating (42), - applying the reinforcing element (50) to the anode-side catalyst membrane coating (42) and/or the cathode-side catalyst membrane coating (43), and
- Positionieren der anodenseitigen Transportschicht (21) auf der anodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung (42) und/oder der kathodenseitigen Transportschicht (31) auf der kathodenseitigen Katalysator-Membranbeschichtung (43). - Positioning the anode-side transport layer (21) on the anode-side catalyst membrane coating (42) and/or the cathode-side transport layer (31) on the cathode-side catalyst membrane coating (43).
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die anodenseitige Rahmenstruktur (22) und/oder die kathodenseitige Rahmenstruktur (32) eine Ausnehmung (35) aufweist, durch folgenden Verfahrensschritt gekennzeichnet: 14. The method according to claim 13, wherein the anode-side frame structure (22) and/or the cathode-side frame structure (32) has a recess (35), characterized by the following method step:
- Positionieren der anodenseitigen Rahmenstruktur (22) und/oder der kathodenseitigen Rahmenstruktur (22), so dass die Ausnehmung (35) mit dem Verstärkungselement (50) zusammenwirkt. - Positioning the anode-side frame structure (22) and/or the cathode-side frame structure (22) so that the recess (35) cooperates with the reinforcing element (50).
15. Verfahren zum Betreiben einer Elektrolysezelle mit einer Membran- Elektroden-Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenseite (30) gegenüber der Anodenseite (20) mit einem Überdruck von mindestens 20 bar, bevorzugt von mindestens 30 bar, betrieben wird. 15. Method for operating an electrolysis cell with a membrane electrode arrangement (10) according to one of claims 5 to 11, characterized in that the cathode side (30) is operated with an overpressure of at least 20 bar, preferably at least 30 bar, relative to the anode side (20).
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