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Die Erfindung betrifft eine Membran-Elektroden-Einheit für eine elektrochemische Zelle und Verfahren zum Überprüfen und Herstellen einer solchen elektrochemischen Zelle mit einer entsprechenden Membran-Elektroden-Einheit.
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Stand der Technik
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Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Zelle, wobei diese zwei Elektroden, welche mittels eines ionenleitenden Elektrolyten voneinander separiert sind, aufweist. Die Brennstoffzelle wandelt die Energie einer chemischen Reaktion eines Brennstoffes mit einem Oxidationsmittel direkt in Elektrizität um. Es existieren verschiedene Typen von Brennstoffzellen.
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Ein spezieller Brennstoffzellentyp ist die Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEM-FC). In einem aktiven Bereich einer PEM-FC grenzen an eine Polymerelektrolytmembran (PEM) zwei poröse Elektroden mit einer Katalysatorschicht an. Weiter umfasst die PEM-FC im aktiven Bereich Gasdiffusionslagen (GDL), welche die Polymerelektrolytmembran (PEM) und die zwei porösen Elektroden mit einer Katalysatorschicht beidseitig begrenzen. Die PEM, die beiden Elektroden mit der Katalysatorschicht und optional auch die beiden GDL können eine sog. Membran-Elektroden-Einheit (MEA) in dem aktiven Bereich der PEM-FC bilden. Zwei sich gegenüberliegende Bipolarplatten(-hälften) wiederum begrenzen beidseitig die MEA. Ein Brennstoffzellenstapel ist aus abwechselnd übereinander angeordneten MEA und Bipolarplatten aufgebaut. Mit einer Anodenplatte einer Bipolarplatte findet eine Verteilung des Brennstoffes, insbesondere Wasserstoff, und mit einer Kathodenplatte der Bipolarplatte eine Verteilung des Oxidationsmittels, insbesondere Luft/Sauerstoff, statt. Zur elektrischen Isolierung benachbarter Bipolarplatten, zur Formstabilisierung der MEA und zum Verhindern von einem ungewollten Entweichen des Brennstoffes bzw. des Oxidationsmittels kann die MEA in einer rahmenartigen Öffnung zweier aneinander angeordneten Folien eingefasst werden. Üblicherweise sind die beiden Folien dieser Rahmenstruktur aus dem gleichen Werkstoff, bspw. Polyethylennaphthalat (PEN), gebildet. Die aus dem gleichen Werkstoff gebildeten, beiden Folien können verzichtbar redundante Eigenschaften, bspw. wie eine elektrische Isolierfähigkeit (elektrisch isolierend) und/oder eine Sauerstoffdichtigkeit jeder der beiden Folien, aufweisen.
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In der
DE 101 40 684 A1 ist eine Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle, enthaltend eine Schichtanordnung aus einer Anoden-Elektrode, einer Kathoden-Elektrode und einer dazwischen angeordneten Membran, offenbart, wobei auf eine Ober- und Unterseite der Schichtanordnung ein Polymermaterial aufgebracht wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es die Kathodenseite der Membran-Elektroden-Anordnung von der Anodenseite der Membran-Elektroden-Anordnung optisch unterscheidbar zu gestalten, so dass bei der Positionierung der Membran-Elektroden-Anordnung zu den Bipolarplatten bzw. Verteilerplatten ein Vertauschen von Kathoden- und Anodenseite robust verhindert werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Dazu umfasst die Membran-Elektroden-Einheit eine flächige Membran, eine kathodenseitige Elektrodenschicht und eine anodenseitige Elektrodenschicht. Die beiden Elektrodenschichten sind unterschiedlich ausgeführt. Einer der Elektrodenschichten ist ein lumineszierender Stoff beigemischt. Dadurch ist eine Unterscheidung der Kathoden- von der Anodenseite der Membran-Elektroden-Einheit möglich. Die Elektrodenschichten von elektrochemischen Zellen sind in der Regel auf Anoden- und Kathodenseite unterschiedlich ausgeführt, beispielsweise in der Menge der Katalysatoren; mit bloßem Auge ist dies jedoch nicht erkennbar. Durch die Beimischung des lumineszierenden Stoffes ist eine optische Unterscheidung nun einfach durchführbar.
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Es können den beiden Elektrodenschichten auch unterschiedliche lumineszierende Stoffe beigemischt sein. In weiteren Ausführungen können durch unterschiedliche lumineszierende Stoffe auch mehrere unterschiedliche kathodenseitige Elektrodenschichten gekennzeichnet sein; das gleiche gilt natürlich auch für mehrere unterschiedliche anodenseitige Elektrodenschichten. Dadurch können beispielweise Membran-Elektroden-Anordnungen für verschieden lange Betriebsdauern voneinander unterschieden werden.
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Die Membran-Elektroden-Einheit umfasst eine flächige Membran, insbesondere eine Polymerelektrolytmembran (PEM). Die Membran-Elektroden-Einheit umfasst weiter zwei bevorzugt poröse Elektrodenschichten mit jeweils einer Katalysatorpaste, wobei die Elektrodenschichten an der Membran angeordnet sind und diese beidseitig begrenzen. Man kann hier insbesondere von einer MEA-3 sprechen. Zusätzlich kann die Membran-Elektroden-Einheit zwei Gasdiffusionslagen umfassen. Diese können insbesondere die MEA-3 beidseitig begrenzen. Man kann hier insbesondere von einer MEA-5 sprechen.
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Die elektrochemische Zelle kann beispielsweise eine Brennstoffzelle, eine Elektrolysezelle oder eine Batteriezelle sein. Die Brennstoffzelle ist insbesondere eine PEM-FC (Polymer-Elektrolyt-Membran Brennstoffzelle). Ein Zellenstapel umfasst insbesondere eine Vielzahl an übereinander angeordneten elektrochemischen Zellen.
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In vorteilhaften Ausführungen ist der lumineszierende Stoffe in die anodenseitige Elektrodenschicht einer Brennstoffzelle eingebracht. Dort sind üblicherweise weniger Katalysatorpartikel eingebracht, so dass quasi mehr freier Raum zur Verfügung steht. Handelt es sich um eine Elektrolysezelle, dann ist entsprechend bevorzugt der lumineszierende Stoff in die kathodenseitige Elektrodenschicht eingebracht.
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In vorteilhaften Weiterbildungen ist der lumineszierende Stoff in einer Katalysatorpaste der Elektrodenschicht angeordnet. Besonders bevorzugt wird der lumineszierende Stoff dabei schon der Katalysatortinte zugemischt, so dass er mit dem Auftragen der Katalysatortinte auf die Elektrodenschicht als Bestandteil der Katalysatorpaste entsteht. Dies ist ein sehr einfaches und günstiges Herstellverfahren, welches für das Herstellverfahren einer Membran-Elektroden-Einheit ohnehin verwendet wird.
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Die Erfindung beinhaltet auch Verfahren zum Herstellen bzw. Überprüfen einer elektrochemischen Zelle mit einer Membran-Elektroden-Einheit nach einer der obigen Ausführungen.
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Das Verfahren zum Überprüfen des Zusammenbaus einer elektrochemischen Zelle mit einer Membran-Elektroden-Einheit und einer kathodenseitigen Verteilerplatte und einer anodenseitigen Verteilerplatte ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:
- • Positionierung der kathodenseitigen Verteilerplatte zu der kathodenseitigen Elektrodenschicht und/oder
- • Positionierung der anodenseitigen Verteilerplatte zu der anodenseitigen Elektrodenschicht und
- • Optische Überprüfung der anodenseitigen und/oder kathodenseitigen Anordnung, wobei der lumineszierende Stoff der anodenseitigen und/oder kathodenseitigen Elektrodenschicht mit einer Lichtquelle bestrahlt wird.
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Dadurch wird sichergestellt, dass die kathodenseitige Elektrodenschicht und die kathodenseitige Verteilerplatte im Kathodenraum der elektrochemischen Zelle angeordnet sind, und die anodenseitige Elektrodenschicht und die anodenseitige Verteilerplatte im Anodenraum der elektrochemischen Zelle.
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Es ist jedoch auch ein Verfahren denkbar, welches für den Zusammenbau der elektrochemischen Zelle bzw. für den Stapelprozess von mehreren Membran-Elektroden-Einheiten und Verteilerplatten bzw. Bipolarplatten zu einem Zellenstapel die Membran-Elektroden-Einheiten und/oder Verteilerplatten bzw. Bipolarplatten gemäß dem lumineszierenden Stoff ausrichtet. Auch hier wird dadurch sichergestellt, dass die kathodenseitige Elektrodenschicht und die kathodenseitige Verteilerplatte im Kathodenraum der elektrochemischen Zelle angeordnet sind, und die anodenseitige Elektrodenschicht und die anodenseitige Verteilerplatte im Anodenraum der elektrochemischen Zelle.
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Das entsprechende Verfahren zum Herstellen der elektrochemischen Zelle ist dabei durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:
- • Detektion der kathodenseitigen Elektrodenschicht und/oder der anodenseitigen Elektrodenschicht der Membran-Elektroden-Anordnung, wobei der lumineszierende Stoff der anodenseitigen und/oder kathodenseitigen Elektrodenschicht mit einer Lichtquelle bestrahlt wird.
- • Positionierung der kathodenseitigen Verteilerplatte zu der kathodenseitigen Elektrodenschicht.
- • Positionierung der anodenseitigen Verteilerplatte zu der anodenseitigen Elektrodenschicht.
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Bei allen Verfahren wird bevorzugt eine UV-Lichtquelle als Lichtquelle verwendet. Dies ist eine günstige und robuste Lichtquelle, um den lumineszierenden Stoff optisch gut erkennbar Licht emittieren zu lassen.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche zu den Figuren beschrieben sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
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Es zeigen schematisch:
- 1 einen Schnitt durch eine aus dem Stand der Technik bekannte elektrochemische Zelle, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
- 2 einen Schnitt durch eine Membran-Elektroden-Einheit, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
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1 zeigt schematisch eine aus dem Stand der Technik bekannte elektrochemische Zelle 100 in Form einer Brennstoffzelle, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Die Brennstoffzelle 100 weist eine Membran 2 auf, insbesondere eine Polymerelektrolyt-Membran. Zu einer Seite der Membran 2 ist ein Kathodenraum 100a, zu der anderen Seite ein Anodenraum 100b ausgebildet.
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Im Kathodenraum 100a sind von der Membran 2 nach außen weisend - also in Normalenrichtung bzw. Stapelrichtung z - eine Elektrodenschicht 3, eine Diffusionslage 5 und eine Verteilerplatte 7 angeordnet. Analog sind im Anodenraum 100b von der Membran 2 nach außen weisend eine Elektrodenschicht 4, eine Diffusionslage 6 und eine Verteilerplatte 8 angeordnet. Die Membran 2 und die beiden Elektrodenschichten 3, 4 bilden eine Membran-Elektroden-Anordnung 1. Optional können auch die beiden Diffusionslagen 5, 6 noch Bestandteil der Membran-Elektroden-Anordnung 1 sein. Optional können eine oder beide Diffusionslagen 5, 6 auch wegfallen, sofern die Verteilerplatten 7, 8 für ausreichend homogene Gaszuführungen sorgen können.
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Die Verteilerplatten 7, 8 weisen Kanäle 11 für die Gaszufuhr - beispielsweise Luft im Kathodenraum 100a und Wasserstoff im Anodenraum 100b -zu den Diffusionslagen 5, 6 auf. Die Diffusionslagen 5, 6 bestehen typischerweise kanalseitig - also zu den Verteilerplatten 7, 8 hin - aus einem Kohlefaserflies und elektrodenseitig - also zu den Elektrodenschichten 3, 4 hin - aus einer mikroporösen Partikelschicht.
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Die Verteilerplatten 7, 8 weisen die Kanäle 11 und somit implizit auch an die Kanäle 11 angrenzende Stege 12 auf. Die Unterseiten dieser Stege 12 bilden demzufolge eine Kontaktfläche 13 der jeweiligen Verteilerplatte 7, 8 zu der darunterliegenden Diffusionslage 5, 6.
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Üblicherweise unterscheiden sich kathodenseitige Verteilerplatte 7 und anodenseitige Verteilerplatte 8 voneinander; vorteilhafterweise sind die kathodenseitige Verteilerplatte 7 einer elektrochemischen Zelle 100 und die anodenseitige Verteilerplatte 8 der dazu benachbarten elektrochemischen Zelle fest verbunden, beispielsweise durch Schweißverbindungen, und damit zu einer Bipolarplatte zusammengefasst.
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2 zeigt in einem Vertikalschnitt die Membran-Elektroden-Anordnung 1 einer elektrochemischen Zelle 100, insbesondere einer Brennstoffzelle, in einem Randbereich, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Die Membran-Elektroden-Anordnung 1 weist die flächige Membran 2, beispielhaft eine Polymerelektrolytmembran (PEM), und die zwei porösen Elektrodenschichten 3 bzw. 4 mit jeweils einer Katalysatorschicht auf, wobei die Elektrodenschichten 3 bzw. 4 jeweils an einer Seite bzw. Fläche der Membran 2 angeordnet sind. Weiter weist die elektrochemische Zelle 100 die beiden Diffusionslagen 5 bzw. 6 auf, welche je nach Ausführung auch zur Membran-Elektroden-Anordnung 1 gehören können.
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Die Membran-Elektroden-Anordnung 1 ist an ihrem Umfang von der Rahmenstruktur 16 umgeben, hier spricht man auch von einem Subgasket. Die Rahmenstruktur 16 dient der Steifigkeit und der Dichtheit der Membran-Elektroden-Anordnung 1 und ist ein nicht-aktiver Bereich der elektrochemischen Zelle 100.
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Die Rahmenstruktur 16 ist im Schnitt insbesondere U-förmig bzw. Y-förmig ausgebildet, wobei ein erster Schenkel des U-förmigen Rahmenabschnitts durch eine erste Folie 161 aus einem ersten Werkstoff W1 gebildet ist und ein zweiter Schenkel des U-förmigen Rahmenabschnitts durch eine zweite Folie 162 aus einem zweiten Werkstoff W2 gebildet ist. Zusätzlich sind die erste Folie 161 und die zweite Folie 162 mittels eines Klebemittels 163 aus einem dritten Werkstoff W3 zusammengeklebt. Häufig sind der erste Werkstoff W1 und der zweite Werkstoff W2 identisch und aus thermoplastischem Polymer, beispielsweise aus PEN (Polyethylennaphthalat) ausgeführt.
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Die beiden Diffusionslagen 5 bzw. 6 sind quasi in die Rahmenstruktur 16 eingelegt, üblicherweise so, dass sie über einer aktiven Fläche 21 der Membran-Elektroden-Anordnung 1 mit je einer Elektrodenschicht 3, 4 in Kontakt sind. Die Elektrodenschichten 3, 4 weisen eine Katalysatorpaste 31, 41 auf, in welcher Katalysatoren, üblicherweise Katalysatorpartikel, eingebettet sind.
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Sind die Elektrodenschichten 3, 4 von der Rahmenstruktur 16 bedeckt, handelt es sich um einen nicht-aktiven Randbereich 22 der Membran-Elektroden-Anordnung 1. Im nicht-aktiven Randbereich 22 gelangen keine Reaktionsfluide an die in die Elektrodenschichten 3, 4 bzw. Katalysatorpasten 31, 41 eingebetteten Katalysatoren; somit finden im Randbereich 22 keine chemischen Reaktionen statt, die Stromdichte der elektrochemischen Zelle 100 fällt hier also relativ zur aktiven Fläche 21 sehr stark ab bzw. ist sogar Null.
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Bei vielen elektrochemischen Zellen 100 unterscheidet sich die kathodenseitige Elektrodenschicht 3 von der anodenseitigen Elektrodenschicht 4. Die Unterscheidungen können dabei beispielsweise die Schichtdicke und/oder das Material betreffen. Dies kann dabei allgemein auf die Elektrodenschichten 3, 4 zutreffen und/oder auch auf die Katalysatorpasten 31, 41 im Speziellen. Beispielsweise ist es für als Brennstoffzellen ausgeführte elektrochemische Zellen 100 üblich, dass die kathodenseitige Katalysatorpaste 31 mehr Katalysatorpaste als die anodenseitige Katalysatorpaste 41 enthält. Dadurch ist es für den Stapelprozess zwingend notwendig die kathodenseitige Katalysatorpaste 31 entsprechend zur kathodenseitigen Verteilerplatte 7 zu orientieren, so dass beide im Kathodenraum 100a der elektrochemischen Zelle 100 angeordnet sind. Entsprechendes gilt selbstverständlich für die anodenseitige Katalysatorpaste 41 und die anodenseitige Verteilerplatte 8, welche im Anodenraum 100b anzuordnen sind. Ein Vertauschen der beiden Katalysatorpasten 31, 41 hätte mindestens Effizienzverluste zur Folge, kann aber sogar bis zum Ausfall der elektrochemischen Zelle 100 führen; würde die kathodenseitige Katalysatorpaste 41 im Anodenraum 100b angeordnet, so wären dort unnötig viele teure Katalysatorpartikel, welche beispielsweise aus Platin bestehen, eingebracht.
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Erfindungsgemäß weist nun zumindest eine der Elektrodenschichten 3, 4 einen lumineszierenden Stoff auf. Der beigemischte Stoff kann dabei phosphoreszierend oder fluoreszierend sein. Vorteilhafterweise ist der lumineszierende Stoff der anodenseitigen Elektrodenschicht 4 beigemischt. Diese enthält üblicherweise weniger Katalysatorpartikel, weist also eine geringere Katalysatordichte auf, und hat dadurch quasi mehr freien Raum zur Verfügung für die Anordnung weiterer Partikel und Stoffe, wie eben dem lumineszierenden Stoff.
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Durch den lumineszierenden Stoff kann also die richtige Positionierung der Verteilerplatten 7, 8 zu der Membran-Elektroden-Anordnung 1 kontrolliert oder auch während des Zusammenbaus gesteuert werden. Die Unterscheidung zwischen Kathoden- und Anodenseite ist somit während der Fertigungsprozesse des Zellenstapels schon frühzeitig gegeben, beispielsweise ab dem Aufbringen der Katalysatorpaste 31, 41 auf die Elektrodenschicht 3, 4 sofern der lumineszierende Stoff eben der Katalysatorpaste 31, 41 beigemischt ist.
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Weiterhin ist es sogar möglich unterschiedliche kathodenseitige Katalysatorpasten 31 bzw. unterschiedliche anodenseitige Katalysatorpasten 41 durch unterschiedlich lumineszierende Stoffe zu kennzeichnen. Dadurch können beispielsweise Membran-Elektroden-Anordnungen für Pkw- von Lkw-Anwendungen unterschieden werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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