TR2024005547T2

TR2024005547T2 - SEALABLE FRAME MEMBRANE-ELECTRODE UNIT

Info

Publication number: TR2024005547T2
Application number: TR2024/005547
Authority: TR
Inventors: St An Quick Chr; Wahle Pascal; N Rangarajan Ashw; Lman Jurzinsky T; An Mack Flor; Na Hengge Kathar
Original assignee: Carl Freudenberg Kg
Filing date: 2022-12-08
Publication date: 2024-08-21

Abstract

Aralarında bir membranın (4) sandviç gibi sıkıştırılarak düzenlendiği iki gaz difüzyonu elektrodundan (2, 3) oluşan bir tertibat (1) içeren ünite olup, burada tertibat (1) bir birinci sızdırmazlık elemanı (5) vasıtasıyla tertibatı (1) dış taraftan kapatan bir çerçeveye (6) sızdırmaz şekilde bağlanmaktadır ve burada çerçeve (6) birbirinin karşısında iki alın tarafına (7, 8) sahiptir. Çerçeve (6), çerçevenin (6) birinci alın tarafından (7) ikinci alın tarafına (8) uzanan kanal şeklinde açıklıklara (9) sahiptir, burada açıklıklar (9), çerçevenin (6) her iki tarafındaki alın taraflarında ikinci sızdırmazlık elemanları (10.1, 10.2, 10.3,?) tarafından kapatılmıştır ve ünitenin amaca uygun kullanımı sırasında birbirine göre sızdırmaz hale getirilmektedir.Unit comprising a device (1) consisting of two gas diffusion electrodes (2, 3) sandwiched between which a membrane (4) is arranged, wherein the device (1) is sealed to a frame (6) which seals the device (1) from the outside by means of a first sealing element (5), wherein the frame (6) has two opposite end faces (7, 8). The frame (6) has channel-shaped openings (9) extending from the first end face (7) of the frame (6) to the second end face (8), wherein the openings (9) are closed by second sealing elements (10.1, 10.2, 10.3,?) on the end faces of the frame (6) on both sides and are sealed with respect to each other during the proper use of the unit.

Description

TARIFNAME SIZDIRMAZ ÇERÇEVELI MEMBRAN-ELEKTROT ÜNITESI Teknik Alan Bulus, aralarinda bir membranin sandviç gibi sikistirilarak düzenlendigi iki gaz difüzyonu elektrodundan olusan bir tertibat içeren ünite ile ilgilidir, burada tertibat bir birinci sizdirmazlik elemani vasitasiyla tertibati dis taraftan kapatan bir çerçeveye sizdirmaz sekilde baglanmaktadir ve burada çerçeve birbirinin karsisinda iki alin tarafina sahiptir. Önceki Teknik Ünite bir membran-elektrot ünitesidir. Tertibat dis tarafta çerçeve tarafindan bir mesafeyle kapatilir, burada tertibat ile çerçeveyi sizdirmaz sekilde baglayan sizdirmazlik elemani bu mesafe araciligiyla olusturulan boslukta düzenlenmektedir. Membran elektrot ünitesi bir yakit hücresi için saglanmaktadir. Çerçeve, tipki tertibat gibi sandviç gibi sikistirilarak yapilmaktadir ve aralarinda bir iç çerçeve parçasinin düzenlendigi iki dis çerçeve parçasi içermektedir. Tertibatin çerçeveye baglantisi, yükseltilmis sicaklik altinda bir presleme isleminin kullanilmasiyla gerçeklestirilmektedir. Sizdirmazlik elemaninin sizdirmazlik malzemesi, presleme isleminin gerçeklestirilmesinin öncesinde dis çerçeve parçalari arasinda düzenlenmektedir ve bu sekilde tertibata olan mesafeyi sinirlandirmaktadir. Presleme islemi sirasinda, dis çerçeve parçalari, her biri iç çerçeve parçalari ile temasa geçene kadar birbirine dogru hareket ettirilmektedir. Böylelikle bosluk sizdirmaz hale gelene kadar akici sizdirmazlik malzemesi mesafe araciligiyla olusturulmus boslugun içine preslenmektedir ve sizdirmazlik malzemesi bitisik tertibatin sinirindan içeri girmektedir. Bu sekilde membran elektrot ünitesi sizdirmazlik elemani vasitasiyla tertibat ile çerçeveden olusan bir kompozit olarak meydana gelmektedir. Membran elektrot ünitesi sizdirmazlik elemani araciligiyla çerçeve içinde tutulmaktadir. Bulusun Açiklamasi Bulus, bununla çalistirilan bir elektrokimyasal hücrenin, özellikle bir yakit hücresinin daha basit hale getirilmis bir yapiya sahip olacagi ve daha kolayca ve daha uygun maliyetli üretilebilecegi giriste bahsedilen türde bir ünitenin gelistirilmesi amacina dayanmaktadir. Bu amaca bulusa göre Istem 1'in özellikleri araciligiyla ulasilmaktadir. Istem 1'e dogrudan veya dolayli olarak atifta bulunan istemler avantajli tasarimlari göstermektedir. Bulusun amacina ulasmak için, aralarinda bir membranin sandviç gibi sikistirilarak düzenlendigi iki gaz difüzyonu elektrodundan olusan bir tertibat içeren bir ünite ile saglanmaktadir, burada tertibat bir birinci sizdirmazlik elemani vasitasiyla tertibati dis taraftan kapatan bir çerçeveye sizdirmaz sekilde baglanmaktadir ve burada çerçeve birbirinin karsisinda iki alin tarafina sahiptir, burada çerçeve, çerçevenin birinci alin tarafindan ikinci alin tarafina uzanan kanal seklinde açikliklara sahiptir ve burada açikliklar, çerçevenin her iki tarafindaki alin taraflarinda ikinci sizdirmazlik elemanlari tarafindan kapatilmistir ve ünitenin amaca uygun kullanimi sirasinda birbirine göre sizdirmaz hale getirilmektedir. Buradaki avantaj, ünitenin çok islevli olacak sekilde yapilandirilmasi ve böylelikle bir elektrokimyasal hücrenin, örnegin bir yakit hücresinin daha az parçayla uygun maliyetli bir yapisini mümkün kilacak baska islevlere sahip olmasidir. Ünite membran elektrot ünitesi olarak yapilandirilmaktadir. Genellikle önceki teknikten bilinen ve giriste açiklanan bir membran elektrot ünitesi, bir elektrokimyasal hücre, örnegin bir yakit hücresi içerisinde ek ve ayri üretilmis sizdirmazlik elemanlari araciligiyla sizdirmaz hale getirilmelidir. Sizdirmazlik elemanlarinin üretilmesi ve montaji yüzünden, hücrenin üretimi maliyetli ve karmasik olmaktadir. Ayrica hücrenin islevi, diger sizdirmazlik elemanlarindaki montaj hatalari nedeniyle olumsuz olarak etkilenebilmektedir. Bulusa göre ünitede ise bu dezavantajlarin üstesinden gelinmistir. Çerçeve, bu nedenle çerçevenin birinci alin tarafindan ikinci alin tarafina uzanan kanal seklinde açikliklara sahiptir ve burada açikliklar, çerçevenin her iki tarafindaki alin taraflarinda ikinci sizdirmazlik elemanlari tarafindan kapatilmaktadir. Tertibat ve ikinci sizdirmazlik elemanlari bir önden monte edilmis ünite olusturmaktadir. Çerçevedeki açikliklar, ünitenin bir yakit hücresinde kullanilmasi durumunda, her iki taraftaki alin taraflarina bitisik iki uçlu plakadaki delikler ile uyumlu olacak sekilde yapilandirilmaktadir, burada iki uçlu plakadaki delikler, sogutucu girisi ve sogutucu çikisinin yani sira gaz girisi ve gaz çikisi araciligiyla olusturulmaktadir. Bu sekilde açikliklar ve açikliklari sizdirmaz hale getiren ikinci sizdirmazlik elemanlari, ünitenin bütünlesik bir unsurunu olusturdugundan, bir elektrokimyasal hücrenin üretimi ve montaji uygun maliyetli ve kolay olmaktadir. Alternatif olarak aralarinda katalizör kapli bir membranin sandviç gibi sikistirilarak düzenlendigi iki gaz difüzyonu katindan olusan bir tertibat içeren ünite kullanilabilmektedir, burada tertibat bir birinci sizdirmazlik elemani vasitasiyla tertibati dis taraftan kapatan bir çerçeveye sizdirmaz sekilde baglanmaktadir, burada çerçeve birbirinin karsisinda iki alin tarafina sahiptir, burada çerçeve, çerçevenin birinci alin tarafindan ikinci alin tarafina uzanan kanal seklinde açikliklara sahiptir ve burada açikliklar, çerçevenin her iki tarafindaki alin taraflarinda ikinci sizdirmazlik elemanlari tarafindan kapatilmistir ve ünitenin amaca uygun kullanimi sirasinda birbirine göre sizdirmaz hale getirilmektedir. Avantajli bir tasarima göre, ikinci sizdirmazlik elemanlarinin elastomer bir sizdirmazlik malzemesinden üretilmesi saglanabilmektedir. Elastomer sizdirmazlik malzemeleri birçok sartnamede genellikle uygun maliyetli olacak sekilde saglanmaktadir. En az iki sizdirmazlik elemani, daha tercihen tüm ikinci sizdirmazlik elemanlari tek parça olarak birbirine birlesmektedir ve malzeme açisindan homojen sekilde yapilandirilmaktadir. Böylelikle en az iki sizdirmazlik elemaninin, daha tercihen tüm sizdirmazlik elemanlarinin yalnizca tek bir yöntem adiminda üretilebilmesi ve tek parça olmasi sayesinde birbirine bitisik iki sizdirmazlik elemani arasindaki geçislerin ve dolayisiyla ikinci sizdirmazlik elemanlari arasindaki sizinti riskinin önüne geçebilmesi avantaji bulunmaktadir. Ikinci sizdirmazlik elemanlarinin profili çikarilabilmektedir. Çerçeve, sandviç gibi sikistirilarak yapilandirilmaktadir ve aralarinda bir iç çerçeve parçasinin düzenlendigi iki dis çerçeve parçasi içermektedir. Bu tür bir çerçeve yapisi, giriste bahsedildigi üzere, birinci sizdirmazlik elemaninin dis çerçeve parçalari arasinda preslenmesi araciligiyla ünitenin çerçevesi ve tertibat arasinda sizdirmaz bir baglanti kurulmasi avantajina sahiptir. Çerçeve yapisi örnegin polyester gibi bir termoplastik folyo malzemesinden üretilebilmektedir. Iç çerçeve parçasi, dis tarafta dis çerçeve parçasinin üzerinde durmaktadir ve böylelikle çerçeve üzerinde bir çikinti olusturmaktadir. Bu çikintida açikliklar düzenlenmektedir. Ikinci sizdirmazlik elemanlari, iç çerçeve parçasina sizdirmaz sekilde baglanmaktadir ve ünitenin kullanima sokuldugu elektrokimyasal hücrenin amaca uygun kullanimi sirasinda açikliklari sizdirmaz bir sekilde kapatmaktadir. Ikinci sizdirmazlik elemanlari ile iç çerçeve parçasi arasinda dayanikli ve sizdirmaz bir baglantinin elde edilmesi için, ikinci sizdirmazlik elemanlari tercihen iç çerçeve parçasina malzeme geçmeli ve/veya sikica geçmeli sekilde baglanmaktadir. Bunun için, ikinci sizdirmazlik elemanlarinin iç çerçeve parçasi üzerine enjeksiyonla kaliplanmasi saglanabilmektedir. Böylelikle malzeme geçmeli bir baglanti elde edilmis olur. Ikinci sizdirmazlik elemanlari ile iç çerçeve arasindaki bir sikica geçmeli baglanti, iç çerçeve parçasinin, ikinci sizdirmazlik elemanlarinin sizdirmazlik malzemesi tarafindan üretim sebepli sekilde içine girdigi sabitleme açikliklarina sahip olmasi ile elde edilmektedir. Böylelikle iç çerçeve parçasinin her iki tarafindaki alin taraflarinda düzenlenen ikinci sizdirmazlik elemanlari basit bir sekilde üretilebilmektedir. Yukarida açiklanan fikir, hem yakit hücrelerine hem de elektrolizörlere veya redoks akis bataryalarina benzer sekilde uygulanabilmektedir. Bir yakit hücresine hidrojen ve oksijen beslenmektedir, böylelikle su ve enerji meydana gelmektedir. Bir elektrolizöre ise su ve enerji beslenmektedir, böylelikle hidrojen ve oksijen meydana gelmektedir. Bir redoks akis bataryasi elektrolit sivilarini kullanilabilir elektrik enerjisi saglayan bir kimyasal reaksiyonda (redoks reaksiyonu) islemektedir. Sekillerin Kisa Açiklamasi Bulusa göre ünitenin bir yapilandirmasi, asagida sematik olarak gösterilmis Sekil 1 ve 2'den hareketle daha ayrintili olarak açiklanmaktadir. Sekillerde: Sekil 1 Sekil 2"ye göre membran elektrot ünitesinin A-B çizgisi boyunca sematik bir kesiti, Sekil 2 Sekil 1'deki ünitenin bir üstten görünümü. Bulusun Yapilandirmasi Sekiller 1 ve 2'de bulusa göre ünitenin bir yapilandirma örnegi gösterilmektedir. Sekil 1, Sekil 2"deki A-B kesitini göstermektedir. Ünite, her iki gaz difüzyon elektrodun (2, 3) ve membrandan (4) olusan tertibati (1) içermektedir, burada membran (4) gaz difüzyon elektrotlari (2, 3) arasinda sandviç gibi sikistirilarak düzenlenmektedir. Tertibat (1) dis tarafinda çerçeve (6) tarafindan kapatilmaktadir, burada tertibat (1) birinci sizdirmazlik elemani (5) vasitasiyla çerçevede (6) sizdirmaz sekilde tutulmaktadir. Çerçeve (6) çok parçali yapilandirilmaktadir ve alin taraflarini (7, 8) olusturan her iki dis çerçeve parçasini (11, 12) içermektedir. Dis çerçeve parçalari (11, 12) arasinda, iç çerçeve parçasi (13) sandviç gibi sikistirilarak düzenlenmektedir. Iç çerçeve parçasi (13) burada bir yakit hücresi istifi olmak üzere bir elektrokimyasal hücrenin iki uçlu plakasinin burada gösterilmemis olan giris ve çikislari ile uyumlu yapilandirilmis kanal seklinde açikliklar (9) düzenlenmektedir. Ikinci sizdirmazlik elemanlari (10.1, 10.2, 10.3,...) açikliklarin (9) etrafinda düzenlenmektedir, burada bunlar tek parça olarak birbirine birlesmekte ve malzeme açisindan homojen sekilde yapilandirilmaktadir. Ikinci sizdirmazlik elemanlari (10.1, 10.2, 10.3,...) çerçevenin (6) her iki tarafindaki alin taraflarinda düzenlenmektedir ve ünitenin amaca uygun kullanimi sirasinda, yani bunun monte edilmis durumunda açikliklari (9) birbirine göre sizdirmaz hale getirmektedir. sizdirmazlik malzemesinin içine girdigi sabitleme açikliklari (14) ile donatilmaktadir. Böylelikle bir taraftan ikinci sizdirmazlik elemanlari (10.1, 10.2, .3,...) çerçevenin (6) her iki tarafindaki alin taraflarina kolayca tutturulabilmektedir. Diger taraftansa, ikinci sizdirmazlik elemanlarinin (10.1, .2, 10.3,...) iç çerçeve parçasi (13) üzerine dayanikli ve sizdirmaz bir baglantisi uzun bir hizmet süresi boyunca saglanmaktadir. Sekil 2"de Sekil 1'deki ünitenin bir üstten görünümü gösterilmektedir. Dis çerçeve parçalari (11, 12) tertibati (1) dis taraftan kapatmaktadir, burada sekil düzleminde dis çerçeve parçalari (11, 12) arasinda düzenlenen iç çerçeve parçasi (13), çevre tarafinda dis çerçeve parçalarinin (11, 12) ötesine çikinti yapmaktadir. Iç çerçeve parçasinin (13) bu çikintisinda, Sekil 1'de gösterildigi üzere iç çerçeve parçasinin her iki tarafindaki alin taraflarinda birbiriyle tek parça olacak sekilde yapilandirilmis iki sizdirmazlik elemani (10.1, 10.2, .3,...) tarafindan kapatilan açikliklar (9) düzenlenmektedir. TR TR TR TR TR TR TR TR TR TR TRDESCRIPTION MEMBRANE-ELECTRODE UNIT WITH SEALABLE FRAME Technical Field The invention relates to a unit comprising an assembly comprising two gas diffusion electrodes between which a membrane is compressed like a sandwich, wherein the assembly is sealed by a first sealing member to a frame which seals the assembly on the outside, wherein the frame has two front faces opposite each other. Prior Art The unit is a membrane-electrode unit. The assembly is sealed on the outside by the frame by a distance, wherein the sealing member which seals the assembly and the frame is arranged in the space formed by this distance. The membrane electrode unit is provided for a fuel cell. The frame, like the assembly, is compressed like a sandwich and comprises two outer frame members between which an inner frame member is arranged. The assembly is connected to the frame using a pressing process under elevated temperature. The sealing material for the sealing element is placed between the outer frame members before the pressing process, thus limiting the distance between them. During the pressing process, the outer frame members are moved toward each other until each comes into contact with the inner frame members. This forces the flowing sealing material into the gap created by the distance, forcing the sealing material into the adjacent assembly's boundary. Thus, the membrane electrode unit is formed as a composite assembly consisting of the assembly and the frame via the sealing element. The membrane electrode unit is held within the frame by the sealing element. Description of the Invention The invention is based on the aim of developing a unit of the type mentioned in the introduction, whereby an electrochemical cell, in particular a fuel cell, operated therewith will have a simplified structure and can be produced more easily and cost-effectively. This aim is achieved according to the invention by the features of claim 1. Claims directly or indirectly referring to claim 1 show advantageous designs. In order to achieve the object of the invention, a unit is provided comprising an assembly consisting of two gas diffusion electrodes between which a membrane is compressed like a sandwich, wherein the assembly is sealed to a frame which closes the assembly from the outside by means of a first sealing element, and wherein the frame has two front sides opposite each other, wherein the frame has channel-shaped openings extending from the first front side of the frame to the second front side, and wherein the openings are closed by second sealing elements on the front sides of the frame on both sides and are sealed with respect to each other during the proper use of the unit. The advantage here is that the unit is configured to be multifunctional and incorporates other functions, enabling the cost-effective construction of an electrochemical cell, such as a fuel cell, with fewer components. The unit is configured as a membrane electrode unit. A membrane electrode unit, as is generally known from the prior art and described in the introduction, must be sealed within an electrochemical cell, such as a fuel cell, using additional and separately manufactured seals. Due to the fabrication and assembly of the seals, cell production is costly and complex. Furthermore, the cell's function can be adversely affected by assembly errors in other seals. The invention overcomes these disadvantages in the unit. The frame therefore has channel-shaped openings extending from the first face of the frame to the second face, where these openings are sealed by secondary seals on the face sides of each side of the frame. The assembly and secondary seals form a front-mounted unit. The openings in the frame are configured to match the openings in the two end plates adjacent to the face sides on either side when the unit is used in a fuel cell. These openings provide the coolant inlet and outlet, as well as the gas inlet and outlet. Because these openings and the secondary seals that seal them form an integral part of the unit, the fabrication and assembly of an electrochemical cell is cost-effective and straightforward. Alternatively, a unit may be used comprising an assembly consisting of two gas diffusion layers sandwiched between them by a catalyst-coated membrane. The assembly is sealed to a frame that encloses the assembly externally by a first seal. The frame has two facing front faces, the frame having channel-shaped openings extending from the first front face of the frame to the second front face, the openings being closed by second seals on the front faces of the frame on either side, and the seals are made relative to each other during the unit's intended use. An advantageous design is to fabricate the second seals from an elastomeric sealing material. Elastomer seals are often provided in many specifications at a cost-effective cost. At least two sealing elements, more preferably all second sealing elements, are joined together as a single piece and are constructed with a homogeneous material. This has the advantage that at least two sealing elements, more preferably all sealing elements, can be produced in a single process step and, thanks to their single-piece construction, prevents transitions between two adjacent sealing elements and, consequently, the risk of leakage between the second sealing elements. The profile of the second sealing elements can be removed. The frame is constructed by compressing it like a sandwich and consists of two outer frame sections sandwiched between an inner frame section. This type of frame structure, as mentioned in the introduction, has the advantage of creating a leak-tight connection between the unit frame and the assembly by pressing the first sealing element between the outer frame sections. The frame structure can be manufactured from a thermoplastic foil material, such as polyester. The inner frame piece rests on the outer frame piece on the outside, creating a protrusion on the frame. Openings are arranged in this protrusion. The secondary sealing elements are tightly connected to the inner frame piece and seal the openings during the intended use of the electrochemical cell in which the unit is deployed. To ensure a durable and leak-proof connection between the secondary sealing elements and the inner frame piece, the secondary sealing elements are preferably connected to the inner frame piece by inserting material and/or by a tight fitting. For this purpose, the secondary sealing elements can be injection molded onto the inner frame piece, thus achieving a material-fitting connection. A tight fit between the secondary seals and the inner frame is achieved by having the inner frame section have fixing openings into which the secondary seals are inserted by the sealing material for manufacturing purposes. This allows for simple fabrication of secondary seals arranged on the front sides of the inner frame section. The idea described above can be applied similarly to both fuel cells and electrolyzers or redox flow batteries. A fuel cell is supplied with hydrogen and oxygen, producing water and energy. An electrolyzer is supplied with water and energy, producing hydrogen and oxygen. A redox flow battery processes electrolyte fluids in a chemical reaction (redox reaction) that produces usable electrical energy. Brief Description of the Figures An embodiment of the unit according to the invention is explained in more detail below, starting from Figures 1 and 2, which are schematically shown. In the figures: Figure 1 is a schematic cross-section along line A-B of the membrane electrode unit according to Figure 2, Figure 2 is a top view of the unit in Figure 1. Configuration of the Invention In Figures 1 and 2, an example of a configuration of the unit according to the invention is shown. Figure 1 shows the cross-section A-B in Figure 2. The unit comprises the assembly (1) of both gas diffusion electrodes (2, 3) and the membrane (4), wherein the membrane (4) is arranged sandwich-like between the gas diffusion electrodes (2, 3). The assembly (1) is closed on its outer side by the frame (6), wherein the assembly (1) is held tightly in the frame (6) by the first sealing element (5). The frame (6) is constructed in multiple parts and comprises two outer frame parts (11, 12) forming the front sides (7, 8). The inner frame part (13) is sandwiched between the outer frame parts (11, 12). The inner frame part (13) is provided with channel-shaped openings (9) configured to be compatible with the inlets and outlets of the two end plates of an electrochemical cell, here a fuel cell stack. The second sealing elements (10.1, 10.2, 10.3,...) are arranged around the openings (9), where they are joined together as a single piece and are constructed with a homogeneous material. The second sealing elements (10.1, 10.2, 10.3,...) are arranged on the front sides of frame (6) on both sides and seal the openings (9) relative to each other during the intended use of the unit, i.e. in its assembled state. They are provided with fixing openings (14) into which the sealing material is inserted. This allows the second sealing elements (10.1, 10.2, .3,...) to be easily attached to the front sides of frame (6) on both sides. On the other hand, a durable and leak-proof connection of the second sealing elements (10.1, .2, 10.3,...) to the inner frame part (13) is ensured for a long service life. Figure 2 shows a top view of the unit in Figure 1. Outer frame parts (11, 12) close the assembly (1) from the outside, wherein the inner frame part (13), arranged between the outer frame parts (11, 12) in the plane of the figure, projects beyond the outer frame parts (11, 12) on the periphery. In this protrusion of the inner frame part (13), openings (9) are arranged, which are closed by two sealing elements (10.1, 10.2, .3,...) constructed in one piece with each other on the front sides of the inner frame part, as shown in Figure 1.

Claims

1.