DE102014010813B4

DE102014010813B4 - Frame for an electrolysis device, electrolysis cell module and electrolysis device

Info

Publication number: DE102014010813B4
Application number: DE102014010813.9A
Authority: DE
Inventors: Verena Staudenmayer; c/o Etogas GmbH Dragoni Mario
Original assignee: Kanadevia Lnova Ag
Current assignee: Kanadevia Lnova Ag Ch
Priority date: 2014-07-23
Filing date: 2014-07-23
Publication date: 2025-11-20
Anticipated expiration: 2034-07-24
Also published as: DE102014010813A1

Abstract

Ringförmiger Rahmen (1) für eine Elektrolysevorrichtung, mit einem einen Aufnahmeraum (10) für einen oder mehrere Elektrolysezellen-Bestandteil(e) (11, 12, 13, 14, 15, 16) umschließenden inneren Rand (4), einem äußeren Rand (2), einer von dem inneren Rand (4) zu dem äußeren Rand (2) reichenden, einstückig aus einem Strukturmaterial gebildeten Rahmenstruktur (6), in der eine Fluidführung (20) für die bei der Elektrolyse zu- und abzuführenden Fluide angeordnet ist, und einem zwischen der Fluidführung (20) und dem äußeren Rand (2) angeordneten und in die Rahmenstruktur (6) eingebetteten ringförmigen Verstärkungskörper (8), der aus einem eine höhere Zugfestigkeit als das Strukturmaterial aufweisenden Verstärkungsmaterial gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturmaterial ein faserverstärkter Verbundwerkstoff mit einem Faseranteil von nicht mehr als 30 Vol.% und das Verstärkungsmaterial ein faserverstärkter Verbundwerkstoff mit einem Faseranteil von mehr als 50 Vol.% ist, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient nicht größer ist als der des Strukturmaterials.A ring-shaped frame (1) for an electrolysis device, comprising an inner rim (4) enclosing a receiving space (10) for one or more electrolysis cell components (11, 12, 13, 14, 15, 16), an outer rim (2), a frame structure (6) extending from the inner rim (4) to the outer rim (2) and formed in one piece from a structural material, in which a fluid guide (20) for the fluids to be supplied and discharged during electrolysis is arranged, and a ring-shaped reinforcing body (8) arranged between the fluid guide (20) and the outer rim (2) and embedded in the frame structure (6), which is formed from a reinforcing material having a higher tensile strength than the structural material, characterized in that the structural material is a fiber-reinforced composite material with a fiber content of not more than 30 vol.% and the reinforcing material is a fiber-reinforced composite material with a fiber content of more than 50 vol.% Vol.% is, whose coefficient of thermal expansion is not greater than that of the structural material.

Description

Die Erfindung betrifft einen ringförmigen Rahmen für eine Elektrolysevorrichtung, mit einem einen Aufnahmeraum für einen oder mehrere Elektrolysezellen-Bestandteil(e) umschließenden inneren Rand, einem äußeren Rand, einer von dem inneren Rand zu dem äußeren Rand reichenden, einstückig aus einem Strukturmaterial gebildeten Rahmenstruktur, in der eine Fluidführung für die bei der Elektrolyse zu- und abzuführenden Fluide angeordnet ist, und einem zwischen der Fluidführung und dem äußeren Rand angeordneten und in die Rahmenstruktur eingebetteten ringförmigen Verstärkungskörper, der aus einem eine höhere Zugfestigkeit als das Strukturmaterial aufweisenden Verstärkungsmaterial gebildet ist, sowie ein einen solchen Rahmen aufweisendes Elektrolysezellen-Modul und auch einen aus mehreren derartigen Elektrolysezellen-Modulen aufgebauten Elektrolyseur vom Stapel-Typ, insbesondere für die Erzeugung von Wasserstoff.The invention relates to an annular frame for an electrolysis device, comprising an inner rim enclosing a receiving space for one or more electrolysis cell components, an outer rim, a frame structure extending from the inner rim to the outer rim and formed integrally from a structural material, in which a fluid guide for the fluids to be supplied and discharged during electrolysis is arranged, and an annular reinforcing body arranged between the fluid guide and the outer rim and embedded in the frame structure, which is formed from a reinforcing material having a higher tensile strength than the structural material, as well as an electrolysis cell module comprising such a frame and also a stacked electrolyzer constructed from several such electrolysis cell modules, in particular for the production of hydrogen.

Elektrolysevorrichtungen vom Stapel-Typ sind in der Technik gut bekannt. So offenbart beispielsweise die EP 0 212 240 B1 insbesondere in der dieser Anmeldung als 6 beigefügten 4 gut erkennbar mehrere zwischen einer geerdeten kathodenseitigen Endplatte 405 und einer anodenseitigen Endplatte 404 angeordneten Elektrolysezellen. Die alternierenden anodenseitigen Zellen-Halbräume A und kathodenseitigen Zellen-Halbräume C einer Elektrolysezelle sind durch jeweils eine Membran voneinander getrennt, und die Zellen untereinander durch eine für die auftretenden Fluide undurchdringliche Bipolarplatte getrennt. Dazu werden, wie besser in 5 der EP 0 212 240 B1 gezeigt ist, alternierend Bipolarelemente 501 und Trennelemente 502 aufeinander gestapelt. Die jeweiligen Rahmen dieser Halbzellen tragen zum einen die Bipolarplatte 504 (Bipolarelemente 501), zum anderen das Membran 505 (Trennelement 502). Im radial äußeren Bereich des Bipolarelements sind Ringdichtungen angeordnet, die zum jeweilig benachbarten Trennelement 502 abdichten. Diese Rahmen für die Bipolarelemente und die Rahmen für die Trennelemente können beispielsweise aus asbestfaserverstärktem spritzgegossenen Polypropylen gefertigt sein und werden in EP 0 212 240 B1 im Beispiel 1 im Testbetrieb bei einem Druck von 0,5 bar beschrieben. Für einen höheren Druck von 30 bar wird in dieser Schrift in Beispiel 4 vorgeschlagen, die Rahmen für die Bipolarelemente und die Rahmen für die Trennelemente aus Polyphenylensulfid (PTS) herzustellen, einem Material, das neben Widerstandsfähigkeit gegenüber den Fluidphasen in Elektrolysebedingungen eine hohe mechanische Widerstandsfähigkeit aufweist.Stack-type electrolysis devices are well known in engineering. For example, the EP 0 212 240 B1 especially in this application as 6 attached 4 Several electrolysis cells are clearly visible, arranged between a grounded cathode-side end plate 405 and an anode-side end plate 404. The alternating anode-side cell half-spaces A and cathode-side cell half-spaces C of an electrolysis cell are separated from each other by a membrane, and the cells are separated from each other by a bipolar plate impermeable to the fluids present. For this purpose, as better explained in 5 the EP 0 212 240 B1 As shown, bipolar elements 501 and separating elements 502 are stacked alternately on top of each other. The respective frames of these half-cells support, on the one hand, the bipolar plate 504 (bipolar elements 501), and on the other hand, the membrane 505 (separating element 502). Ring seals are arranged in the radially outer region of the bipolar element, sealing against the respective adjacent separating element 502. These frames for the bipolar elements and the frames for the separating elements can, for example, be made of asbestos-fiber-reinforced injection-molded polypropylene and are used in EP 0 212 240 B1 Example 1 describes the test operation at a pressure of 0.5 bar. For a higher pressure of 30 bar, Example 4 of this document proposes manufacturing the frames for the bipolar elements and the frames for the separating elements from polyphenylene sulfide (PTS), a material that, in addition to resistance to the fluid phases under electrolysis conditions, exhibits high mechanical strength.

GB 493 605 offenbart einen aus einem Zement-Asbestgemisch hergestellten ringförmigen Rahmen für eine Elektrolysevorrichtung, in den drei Eisenringe eingebettet sind. Anstelle des Eisens könnte auch anderes Metall oder Asbest herangezogen werden. GB 493 605 The document discloses a ring-shaped frame for an electrolysis device, made from a cement-asbestos mixture, in which three iron rings are embedded. Other metals or asbestos could be used instead of iron.

US 4 439 298 A sieht anstelle von ringförmigen Rahmen eine rechteckige oder quadratische Rahmenform vor. Zu dessen Bildung wird ein Kernmaterial herangezogen, der aus einem mit einem Duroplast imprägnierten Glasfaserroving besteht. Eckverstärkungen dienen der Vermeidung von als Problem identifizierten hohen Spannungsniveaus, die in Glasfasern an Rahmenecken bestehen. Alternativ kann immer nach einer Umwicklung bei Umwickeln des Kernmaterials ein sich entlang einer Seitenlänge erstreckender linearer Streifen eines faserverstärkten Kunststoffs eingelegt werden, über den dann die nächste Umwicklungsschicht des Kernmaterials zu liegen kommt. US 4 439 298 A Instead of a ring-shaped frame, a rectangular or square frame shape is used. This is formed from a core material consisting of a glass fiber roving impregnated with a thermoset. Corner reinforcements serve to prevent the high stress levels identified as problematic in glass fibers at frame corners. Alternatively, after each wrapping of the core material, a linear strip of fiber-reinforced plastic extending along one side can be inserted, over which the next wrapping layer of the core material is then laid.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, derartige Rahmen hinsichtlich der Anforderungen an die im Einsatz auftretenden Belastungen zu verbessern.The invention is based on the objective of improving such frames with regard to the requirements for the loads occurring in use.

Diese Aufgabe wird von der Erfindung durch eine Weiterbildung des Rahmens der eingangs genannten Art gelöst, die im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet ist, dass das Strukturmaterial ein faserverstärkter Verbundwerkstoff mit einem Faseranteil von nicht mehr als 30 Vol.% und das Verstärkungsmaterial ein faserverstärkter Verbundwerkstoff mit einem Faseranteil von mehr als 50 Vol.% ist, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient nicht größer ist als der des Strukturmaterials.This problem is solved by the invention through a further development of the frame of the type mentioned at the outset, which is essentially characterized in that the structural material is a fiber-reinforced composite material with a fiber content of no more than 30 vol.% and the reinforcing material is a fiber-reinforced composite material with a fiber content of more than 50 vol.%, whose coefficient of thermal expansion is not greater than that of the structural material.

Durch die Erfindung wird somit ein Rahmen mit integrierter Verstärkung geschaffen, der u.a. auch für Elektrolyseure einsetzbar ist, die mit Elektrolyseverfahren vergleichsweise hohen Drucks gefahren werden, ohne dass weitergehende Stabilisierungsmaßnahmen zur Erhöhung der Druckfestigkeit des Rahmens erforderlich sind, und nimmt dafür die beim Herstellen der Rahmen zur Einbettung der Verstärkung verbundenen Komplikationen zum Erreichen einer verbesserten strukturellen Integrität in Kauf.The invention thus creates a frame with integrated reinforcement, which can be used, among other things, for electrolyzers that are operated with electrolysis processes at comparatively high pressure, without requiring further stabilization measures to increase the compressive strength of the frame, and accepts the complications associated with manufacturing the frames for embedding the reinforcement in order to achieve improved structural integrity.

Betrachtet man die im Wesentlichen senkrecht zur Stapelrichtung verlaufende Rahmenebene, in der der innere Rand liegt, so soll die Verstärkung den Bereich der Rahmenstruktur mit der Fluidführung vollumfänglich umgeben, um lokale Strukturschwächen des Rahmens zu vermeiden. Erfindungsgemäß ist die Verstärkung als ringförmiger Verstärkungskörper ausgebildet, wie auch der Rahmen insgesamt ringförmig gebildet sein kann. Dies erhöht nochmals die durch den Verstärkungskörper verliehene erhöhte Festigkeit des Rahmens.Considering the frame plane, which runs essentially perpendicular to the stacking direction and in which the inner edge lies, the reinforcement should completely surround the area of the frame structure with the fluid guide in order to avoid local structural weaknesses of the frame. According to the invention, the reinforcement is designed as an annular reinforcing body, just as the frame as a whole can be annular in shape. This further increases the enhanced strength of the frame provided by the reinforcing body.

Für das Erreichen einer erhöhten Grundfestigkeit des Strukturmaterials selbst ist dieses ein faserverstärkter, insbesondere glasfaserverstärkter Verbundwerkstoff, beispielsweise auf der Basis eines Kunststoffmaterials wie etwa PPE/PPO. Dabei wird ein (Glas)faseranteil von nicht mehr als 30 Vol.-% herangezogen, um eine gute Formbarkeit des Rahmenmaterials während der Herstellung des Rahmens zu erreichen. Es wird bevorzugt, wenn der Faseranteil wenigstens 5 Vol.-%, insbesondere wenigstens 10 Vol.-%, durchaus auch 20 Vol.-% oder mehr beträgt.To achieve increased basic strength of the structural material itself, a fiber-reinforced, particularly glass fiber-reinforced, composite material is used, for example, based on a plastic material such as PPE/PPO. A (glass) fiber content of no more than 30 vol.% is used to ensure good formability of the frame material during manufacturing. It is preferred if the fiber content is at least 5 vol.%, particularly at least 10 vol.%, and even 20 vol.% or more.

Grundsätzlich ist die Materialwahl für das Verstärkungsmaterial keinen besonderen Einschränkungen unterworfen, solange die entsprechend hohe Zugfestigkeit vorhanden ist. Insbesondere können sie im Vergleich mit dem Rahmenmaterial in chemischer Hinsicht weniger widerstandsfähig gegenüber den bei der Elektrolyse auftretenden Fluiden sein. Bevorzugt kommt jedoch, wie auch bevorzugt für das Rahmenmaterial, ein Material auf Kunststoffbasis in Betracht. So ist das Verstärkungsmaterial ein faser-, insbesondere glasfaserverstärkter Verbundwerkstoff, dessen Faseranteil mehr als 50 %, insbesondere mehr als 60 % beträgt.In principle, the choice of material for the reinforcement is not subject to any particular restrictions, as long as it possesses a sufficiently high tensile strength. In particular, compared to the frame material, it may be less chemically resistant to the fluids produced during electrolysis. However, a plastic-based material is preferred, as is also preferred for the frame material. Thus, the reinforcement material is a fiber-reinforced, particularly glass fiber-reinforced, composite material with a fiber content of more than 50%, and preferably more than 60%.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des Verstärkungsmaterials nicht größer ist als der des Strukturmaterials. Auf diese Weise werden Rahmenstrukturbereiche, in denen aufgrund der eingebetteten Verstärkung eine in Stapelrichtung geringere Materialstärke vorherrscht, wie auch im Bereich des äußeren Randes geringeren Belastungen unterworfen, wenn der Rahmen in Elektrolyseverfahren zum Einsatz kommt, bei denen Temperaturen von beispielsweise 60 bis 90°C herrschen.According to the invention, the coefficient of thermal expansion of the reinforcing material is not greater than that of the structural material. In this way, frame structure areas where, due to the embedded reinforcement, a smaller material thickness prevails in the stacking direction, as well as in the area of the outer edge, are subjected to lower loads when the frame is used in electrolysis processes at temperatures of, for example, 60 to 90°C.

Eine Formung des Rahmens soll bevorzugt mit einem Gießverfahren erfolgen, entsprechend ist das Strukturmaterial aus einem gießbaren Material geformt. Insbesondere kann der Rahmen bevorzugt durch das Spritzgießverfahren hergestellt werden, entsprechend ist das Strukturmaterial des geformten Rahmens spritzgegossen. Auf diese Weise wird eine homogene Materialdichte und somit gleichmäßige Festigkeit des Rahmens erreicht.The frame is preferably formed using a casting process, and the structural material is accordingly made from a castable material. In particular, the frame can preferably be manufactured using injection molding, and the structural material of the formed frame is injection molded. This ensures a homogeneous material density and thus uniform strength of the frame.

Bezüglich der Fasern ist bevorzugt, dass die Fasern insbesondere in Form von Kurzfasern oder gegebenenfalls auch Langfasern mit bevorzugter Länge unter 20mm im Strukturmaterial enthalten sind.With regard to the fibers, it is preferred that the fibers are contained in the structural material, particularly in the form of short fibers or, optionally, long fibers with a preferred length of less than 20 mm.

Besonders bevorzugt ist die Verstärkung unlösbar in der Rahmenstruktur angeordnet. Darunter wird verstanden, dass eine Trennung von Verstärkung und Rahmenstruktur nur unter Zerstörung der Rahmenstruktur erfolgen kann. Insbesondere soll die Einbettung der Verstärkung aus ihrer Integration in die Rahmenstruktur während der Formung der Rahmenstruktur resultieren. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Verstärkung von der Rahmenstruktur in Stapelrichtung gesehen beidseitig umgeben ist, insbesondere im Wesentlichen vollständig von dem Rahmenmaterial umschlossen ist. Der Ausdruck „im Wesentlichen“ in diesem Zusammenhang ist so zu verstehen, dass vergleichsweise kleine Bereiche, nämlich insbesondere diejenigen, an denen die Verstärkung während der Formung der Rahmenstruktur gehalten wird, nicht vom Rahmenmaterial umschlossen sind, sondern freiliegende Stellen darstellen. Das Verhältnis der Gesamtfläche der freiliegenden Stellen gegenüber der Gesamtoberfläche der Verstärkung soll dabei bevorzugt weniger als 20% betragen, insbesondere weniger als 10 %, auch weniger als 5 %.Particularly preferably, the reinforcement is permanently integrated into the frame structure. This means that separation of the reinforcement and the frame structure can only occur by destroying the frame structure. Specifically, the reinforcement is intended to be embedded by its integration into the frame structure during the frame structure's forming process. In particular, it is provided that the reinforcement is surrounded on both sides by the frame structure in the stacking direction, and especially that it is substantially completely enclosed by the frame material. The term "substantially" in this context means that comparatively small areas, namely, in particular, those where the reinforcement is held during the frame structure's forming process, are not enclosed by the frame material but are exposed. The ratio of the total area of the exposed areas to the total surface area of the reinforcement should preferably be less than 20%, particularly less than 10%, and even less than 5%.

Die Belastbarkeit des Rahmens hinsichtlich der aufnehmbaren Zugspannung im Vergleich zu einem Rahmen ansonsten gleichen Rahmenaufbaus und gleicher Rahmengröße und auch sonst gleichartigen Rahmens, bei dem das Verstärkungsmaterial durch das Strukturmaterial ersetzt ist, ist um mehr als 100 % erhöht, bevorzugt um mehr als 200 %, insbesondere um mehr als 300 %. Unter der aufnehmbaren Zugspannung wird dabei die maximal mögliche Zuspannung angesehen, bei deren Überschreitung Fließerscheinungen, d.h. ein Formverlust des Materials bzw. ein Bruch des Materials auftreten würde. Beispielsweise könnte bei einem vorgegebenen Druck, etwa 16 bar, im Einsatz des Rahmens in einem Elekrolyseur vom Stapel-Typ ohne den Verstärkungsring etwa 30 % der maximal möglichen Zugspannung, die dieses Material aufnehmen kann, erreicht, während durch Einsatz des Verstärkungsrings nur etwas mehr als 5 % der maximal möglichen Zugspannung erreicht werden. Auf diese Weise kann der erfindungsgemäße Rahmen ohne zusätzliche äußere Verstärkungen auch für Hochdruck-Elektrolyse-Verfahren zum Einsatz kommen, bei denen größere Zugspannungen auftreten als der das Verstärkungsmaterial mit dem Strukturmaterial ersetzende gedachte Vergleichsrahmen aufzunehmen in der Lage ist.The load-bearing capacity of the frame with respect to tensile stress is increased by more than 100%, preferably by more than 200%, and particularly by more than 300%, compared to a frame of otherwise identical construction, size, and type, where the reinforcing material is replaced by the structural material. Tensile stress is defined as the maximum possible tensile stress beyond which yielding phenomena, i.e., loss of shape or material fracture, would occur. For example, at a given pressure of approximately 16 bar, the frame, when used in a stack-type electrolyzer without the reinforcing ring, could withstand approximately 30% of the maximum tensile stress that the material can withstand, whereas with the reinforcing ring, only slightly more than 5% of the maximum tensile stress would be achieved. In this way, the frame according to the invention can also be used for high-pressure electrolysis processes without additional external reinforcements, where greater tensile stresses occur than the imaginary comparison frame, which replaces the reinforcement material with the structural material, is able to absorb.

Die z.B. Glasfasern des Verstärkungsmaterials können dabei insbesondere in Form von gewickelten Glasfasern enthalten sein, die sich nochmals festigkeitserhöhend auswirken. Als Matrix kommt bevorzugt ein Epoxidharz zum Einsatz. Die Fasern können insbesondere Langfasern sein, durchaus mit Längen von 20mm oder länger, auch 30mm oder länger.The reinforcing material, for example, contains glass fibers, particularly in the form of wound glass fibers, which further increases its strength. An epoxy resin is preferably used as the matrix. The fibers can be long fibers, easily reaching lengths of 20 mm or more, and even 30 mm or more.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Rahmens ist dessen Druckfestigkeit im Einsatz in einer Elektrolysevorrichtung vom Stapel-Typ gegenüber einem Druck von wenigstens 10 bar, bevorzugt wenigstens 20 bar, weiter bevorzugt wenigstens 80 bar, insbesondere wenigstens 120 bar, durchaus auch 200 bar oder mehr beständig. Diese Beständigkeit versteht sich als die durch den Rahmen selbst verliehene Beständigkeit ohne externe Verstärkungen irgendwelcher Art außerhalb des äußeren Randes.In a particularly preferred embodiment of the frame, its compressive strength in use in a stack-type electrolysis device is at a pressure of at least 10 bar, Preferably at least 20 bar, more preferably at least 80 bar, particularly at least 120 bar, and possibly even 200 bar or more. This resistance is understood to be the resistance conferred by the frame itself without any external reinforcements of any kind outside the outer edge.

Der Querschnitt der Fläche des Aufnahmeraums, also die wirksame Fläche der jeweiligen Elektrolysezelle, beträgt zweckmäßig wenigstens 4000 cm², bevorzugt wenigstens 6000 cm², weiter bevorzugt wenigstens 8000 cm², insbesondere auch 10000 cm² oder mehr. Derart große Querschnittsflächen sind aufgrund einer insgesamt mittels der erfindungsgemäßen Verstärkung erreichbaren geringeren Rahmengröße dem Spritzgießverfahren noch zugänglich. In diesem Zusammenhang ist vorgesehen, dass ein radialer Abstand zwischen innerem und äußerem Rand kleiner ist als 0,8 m, bevorzugt kleiner als 0,6 m, insbesondere kleiner als 0,5 m.The cross-sectional area of the receiving chamber, i.e., the effective area of the respective electrolysis cell, is advantageously at least 4000 ^cm² , preferably at least 6000 ^cm² , more preferably at least 8000 ^cm² , and particularly 10000 ^cm² or more. Such large cross-sectional areas are still accessible to injection molding due to the overall smaller frame size achievable by means of the reinforcement according to the invention. In this context, it is provided that the radial distance between the inner and outer edges is less than 0.8 m, preferably less than 0.6 m, and particularly less than 0.5 m.

Weiter bevorzugt ist vorgesehen, dass ein Verhältnis aus radialem Abstand zwischen innerem und äußerem Rand und einer Querabmessung des Aufnahmeraums, insbesondere dessen Durchmesser, kleiner ist als 0,75, bevorzugt kleiner als 0,65, insbesondere kleiner als 0,55.It is further preferably provided that the ratio of radial distance between inner and outer edge and a transverse dimension of the receiving space, in particular its diameter, is less than 0.75, preferably less than 0.65, in particular less than 0.55.

Des Weiteren wird es bevorzugt, daß ein Verhältnis aus der axialen (Stapelrichtung) Abmessung des Verstärkungskörpers zu der der Rahmenstruktur, für welche beispielsweise Werte im Bereich von 10 mm bis 14 mm bevorzugt werden, im Bereich von 0,6 bis 0,9 liegt, bevorzugt im Bereich von 0,65 bis 0,85.Furthermore, it is preferred that the ratio of the axial (stacking direction) dimension of the reinforcement body to that of the frame structure, for which values in the range of 10 mm to 14 mm are preferred, is in the range of 0.6 to 0.9, preferably in the range of 0.65 to 0.85.

Zweckmäßig weist der Rahmen eine radial zwischen der Verstärkung und der Fluidführung angeordnete Ausnehmung an einer Axialseite zur Aufnahme eines Dichtkörpers auf. Ein solcher Dichtkörper dichtet dann zwischen zwei beispielsweise gleichartigen Rahmen ab, die gestapelt und üblicherweise zusammengepresst, beispielsweise mittels Schraubbolzen, eine abgedichtete Struktur eines Elektrolyseurs vom Stapel-Typ ergeben. Des Weiteren können Ausnehmungen um Kanäle der Fluidführung dort vorgesehen werden, wo die Mündungen entsprechender Durchgangslöcher mit Mündungen zugeordneter Durchgangslöcher der Fluidstruktur benachbart anzuordnender Rahmen aufeinander stoßen.Advantageously, the frame has a radially arranged recess on one axial side between the reinforcement and the fluid guide for receiving a sealing element. Such a sealing element then seals between two frames of, for example, identical type, which are stacked and usually pressed together, for example by means of screw bolts, to form a sealed stacked electrolyzer structure. Furthermore, recesses can be provided around channels of the fluid guide where the openings of corresponding through-holes meet the openings of through-holes of adjacent frames in the fluid structure.

Die oben erwähnten, aus dem Halten der Verstärkung während der Formung der Rahmenstruktur resultierenden freiliegenden Stellen der Verstärkung liegen zweckmäßig radial außerhalb der der Abdichtung der Gesamtrahmen untereinander dienenden Ausnehmung.The aforementioned exposed areas of the reinforcement resulting from holding the reinforcement during the forming of the frame structure are expediently located radially outside the recess that serves to seal the overall frames against each other.

In bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Fluidführung abfuhrseitig wenigstens zwei, insbesondere genau zwei axiale, radial mit dem Aufnahmeraum kommunizierende Durchgangslöcher durch die Rahmenstruktur aufweist, und zufuhrseitig wenigstens zwei axiale, radial mit dem Aufnahmeraum kommunizierende Durchgangslöcher durch die Rahmenstruktur aufweist. Die Kommunikation der Durchgangslöcher mit dem Aufnahmeraum wird über Kanäle realisiert, die zusammen mit den Durchgangslöchern eine Mannigfaltigkeit der Rahmenstruktur bilden und sich in Radialrichtung zwischen dem inneren Rand der Rahmenstruktur und einem jeweiligen Durchgangsloch erstrecken, während sie sich auch in Umfangsrichtung noch in der Rahmenstruktur erstrecken können, also einen bezüglich des angekoppelten Durchgangslochs azimutal versetzte Mündung in den Aufnahmeraum aufweisen können, wie beispielsweise in 2 der EP 0 212 240 B1 dargestellt ist.In preferred embodiments, the fluid guide has at least two, in particular exactly two, axial through-holes on the discharge side, communicating radially with the receiving space, and at least two axial through-holes on the supply side, communicating radially with the receiving space. The communication between the through-holes and the receiving space is achieved via channels which, together with the through-holes, form a manifold of the frame structure and extend radially between the inner edge of the frame structure and a respective through-hole. They can also extend circumferentially within the frame structure, thus having an opening into the receiving space that is azimuthally offset with respect to the connected through-hole, as, for example, in 2 the EP 0 212 240 B1 is shown.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kommunizieren beide abfuhrseitigen Durchgangslöcher bezüglich der Stapelrichtung axial versetzt mit dem Aufnahmeraum, und zwei zufuhrseitige Durchgangslöcher ebenfalls axial versetzt mit dem Aufnahmeraum. D.h., der Rahmen ist dazu ausgelegt, beide Zellen/Halbräume einer Elektrolysezelle an die Fluidführung anzuschließen, mithin eine gemeinsame einstückige Rahmenstruktur für wenigstens eine, insbesondere genau eine Elektrolysezelle zu bilden, im Gegensatz zu den in der Technik bekannten Strukturen wie beispielsweise in der EP 0 212 240 B1 , in der jeweils einer Halbzelle ein eigener, separater Rahmen zugeordnet ist.In a particularly preferred embodiment, both discharge-side through-holes communicate with the receiving space in an axially offset manner with respect to the stacking direction, and two supply-side through-holes also communicate with the receiving space in an axially offset manner. That is, the frame is designed to connect both cells/half-spaces of an electrolysis cell to the fluid flow, thus forming a common, one-piece frame structure for at least one, and in particular exactly one, electrolysis cell, in contrast to structures known in the art, such as those in the EP 0 212 240 B1 , in which each half-cell is assigned its own separate frame.

Dieser Aspekt der Erfindung wird auch als eigenständig schutzwürdig offenbart und angesehen. Die Erfindung betrifft somit ebenfalls einen Rahmen für eine Elektrolysevorrichtung, mit einer einen Aufnahmeraum für alle zur Bildung wenigstens einer Elektrolysezelle erforderlichen Bestandteile umschließenden Rahmenstruktur, in der eine Fluidführung für die bei der Elektrolyse zu- und abzuführenden Fluide angeordnet ist, wobei die Fluidführung im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet ist, dass sie abfuhrseitig wenigstens zwei, insbesondere genau zwei axiale, jeweils mit dem Aufnahmeraum kommunzierende Durchgangslöcher durch die Rahmenstruktur aufweist, und zufuhrseitig wenigstens zwei axiale, jeweils mit dem Aufnahmeraum kommunizierende Durchgangslöcher durch die Rahmenstruktur aufweist.This aspect of the invention is also disclosed and considered to be independently worthy of protection. The invention thus also relates to a frame for an electrolysis device, comprising a frame structure enclosing a receiving space for all components required to form at least one electrolysis cell, in which a fluid guide for the fluids to be supplied and discharged during electrolysis is arranged, wherein the fluid guide is essentially characterized in that it has, on the discharge side, at least two, in particular exactly two, axial through-holes through the frame structure, each communicating with the receiving space, and on the supply side, at least two axial through-holes through the frame structure, each communicating with the receiving space.

Des Weiteren ist vorgesehen, dass die Fluidführung ein drittes zufuhrseitiges axiales Durchgangsloch aufweisen kann, das nicht mit dem Aufnahmeraum kommuniziert. Dieses dient dazu, das Elektrolyt, beispielsweise eine KOH-Lauge, von einem axialen Ende zunächst durch die einzelnen Rahmen einzelner Elektrolysezellen-Module zur anderen axialen Endseite eines Elektrolyseurs vom Stapel-Typ zu leiten und dort im Wege einer axialen Richtungsumkehr in die beiden zufuhrseitigen, mit dem Aufnahmeraum kommunizierenden Durchgangslöcher zu leiten. Auf diese Weise ergibt sich ein geändertes Strömungsprofil, das einem bevorzugten Strömungsprofil mit Abführung und Zuführung an unterschiedlichen axialen Endseiten des Elektrolyseurs vom Stapel-Typ entspricht, obgleich Zu- und Abführung von der gleichen axialen Endseite her erfolgt.Furthermore, the fluid guide is designed to have a third axial through-hole on the supply side, which does not communicate with the receiving chamber. This serves to guide the electrolyte, for example a KOH solution, from an axial end first through the individual The flow from individual electrolysis cell modules is directed to the opposite axial end of a stack-type electrolyzer and, by means of an axial reversal of direction, into the two feed-side through-holes communicating with the receiving chamber. This results in a modified flow profile that corresponds to a preferred flow profile with discharge and feed at different axial end faces of the stack-type electrolyzer, although the inlet and outlet originate from the same axial end face.

Wie weiter oben bereits erläutert, ist nach einem Aspekt der Erfindung vorgesehen, dass der Rahmen zur Aufnahme aller für eine, insbesondere genau eine Elektrolysezelle erforderlichen Bestandteile vorgesehen ist. Insbesondere kann am inneren Rand des Rahmens ein Abstandhalter zur Trennung von Bipolarplatte und Membran vorgesehen sein, wozu der innere Rand im Axialschnitt gesehen insbesondere T-förmig ausgebildet sein kann.As explained above, one aspect of the invention provides that the frame is designed to accommodate all components required for one, and in particular exactly one, electrolysis cell. Specifically, a spacer for separating the bipolar plate and the membrane can be provided at the inner edge of the frame, for which purpose the inner edge, viewed in axial section, can be T-shaped.

Des Weiteren wird von der Erfindung auch ein Elektrolysezellen-Modul für eine Elektrolysevorrichtung vom Stapel-Typ unter Schutz gestellt, die einen Rahmen mit einem vorangehend erläuterten Aufbau aufweist, und zudem bereits mit einer oder mehrerer Elektrolysezellen-Bestandteile, ausgewählt aus Elektroden, Bipolarplatte, Membran, Stromabnehmer ausgestattet ist. Der Grundaufbau einzelner dieser Komponenten ist dem Fachmann geläufig und wird an dieser Stelle nicht weitergehend erläutert. Vielmehr wird diesbezüglich auf die EP 0 212 240 B1 verwiesen, hinsichtlich der Stromaufnehmer insbesondere auf deren 6 und dazugehöriger Beschreibung, in der Stromaufnehmer als metallische Netzstruktur offenbart sind. Diese stellen zum einen eine elektrische Verbindung zwischen den beispielsweise in Null-Abstand-Konfiguration an der Membran angeordneten Elektroden dar und erlauben andererseits einen Durchgang der Elektrolyse-Produkte zu den abführseitigen, mit dem Aufnahmeraum kommunizierenden Durchgangslöchern der Fluidführung.Furthermore, the invention also protects an electrolysis cell module for a stackable electrolysis device, which has a frame with a previously described structure and is also already equipped with one or more electrolysis cell components selected from electrodes, bipolar plates, membranes, and current collectors. The basic structure of individual components is familiar to those skilled in the art and will not be explained in further detail here. Rather, reference is made to the EP 0 212 240 B1 Reference was made, with regard to the electricity consumers, in particular to their 6 and the accompanying description, in which current sensors are disclosed as a metallic network structure. These provide, on the one hand, an electrical connection between the electrodes arranged, for example, in a zero-gap configuration on the membrane, and on the other hand, allow the passage of electrolysis products to the discharge-side through-holes of the fluid guide, which communicate with the receiving chamber.

Gemäß dem oben erläuterten Aspekt wird somit von der Erfindung auch unabhängig von dem erläuterten Verstärkungskörper offenbart und unter Schutz gestellt ein Elektrolysezellen-Modul mit genau einer Bipolarplatte, einem ersten Stromaufnehmer, einer ersten Elektrode, einer Membran, einer zweiten Elektrode und einem zweiten Stromaufnehmer, insbesondere genau in dieser Reihenfolge von einer Axialseite zur anderen sowie einem Rahmen, das im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet ist, dass der Rahmen eine einen Aufnahmeraum für die vorgenannten Elektrolysezellenbestandteile umschließende und deren Halterung dienende, gemeinsame, einstückige, insbesondere spritzgegossene Rahmenstruktur aufweist.According to the aspect explained above, the invention thus discloses and protects, independently of the reinforcement body described, an electrolysis cell module comprising exactly one bipolar plate, a first current sensor, a first electrode, a membrane, a second electrode and a second current sensor, in particular in exactly this order from one axial side to the other, as well as a frame, which is essentially characterized in that the frame has a common, one-piece, in particular injection-molded frame structure enclosing a receiving space for the aforementioned electrolysis cell components and serving to hold them.

Des Weiteren wird von der Erfindung auch eine Elektrolysevorrichtung vom Stapel-Typ unter Schutz gestellt, mit wenigstens zwei, bevorzugt wenigstens 20, insbesondere wenigstens 60, durchaus auch wenigstens 120 axial zwischen zwei Endplatten eingespannten Elektrolysezellen-Modulen, von denen wenigstens eines einen Rahmen mit einem Aufbau nach einem der vorangehend erläuterten Aspekte aufweist.Furthermore, the invention also provides protection for a stack-type electrolysis device with at least two, preferably at least 20, in particular at least 60, and possibly at least 120 electrolysis cell modules axially clamped between two end plates, at least one of which has a frame with a structure according to one of the aspects explained above.

Im Übrigen stellt die Erfindung noch unter Schutz eine Anlage zum Erzeugen und Weiterverarbeiten von Wasserstoff, mit einer Elektrolysevorrichtung des genannten Aufbaus, d.h. mit wenigstens einem Rahmen mit einem Aufbau nach einem der vorgenannten Aspekte, und einem mit seinem Eduktgas-Eingang an dem Wasserstoff-Ausgang der Elektrolysevorrichtung gekoppelten, den Wasserstoff und der Kohlenstoffzugabe, insbesondere in Form von Kohlendioxid, katalytischen methanisierenden Methanisierungsvorrichtung.Furthermore, the invention also protects a plant for producing and processing hydrogen, with an electrolysis device of the aforementioned construction, i.e., with at least one frame with a construction according to one of the aforementioned aspects, and a methanizing device coupled with its reactant gas inlet to the hydrogen outlet of the electrolysis device, which catalytically methanizes the hydrogen and the addition of carbon, in particular in the form of carbon dioxide.

Denn aufgrund des erfindungsgemäßen Rahmens erlaubt die Erfindung besonders zur anschließenden Methanisierung in großen Volumenströmen herstellbaren Wasserstoff, so dass der erfindungsgemäße Rahmen in einer derartigen Gesamtanlage besonders geeignet zum Einsatz kommen kann, insbesondere da der Wasserstoff der Methanisierungsvorrichtung bereits unter hohem Druck zur Verfügung gestellt werden kann, da der Rahmen mit der erfindungsgemäßen Verstärkung eine Wasserstoffherstellung unter entsprechend hohem Druck erlaubt.Because of the frame according to the invention, the invention allows for the production of hydrogen in large volume flows, particularly for subsequent methanization, so that the frame according to the invention can be used particularly well in such a complete system, especially since the hydrogen can already be supplied to the methanization device under high pressure, as the frame with the reinforcement according to the invention allows hydrogen production under a correspondingly high pressure.

Des Weiteren wird die Erfindung auch in verfahrenstechnischer Hinsicht unter Schutz gestellt. So betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung eines Rahmens mit einem Aufbau nach einem der vorangehend erläuterten Aspekte, bei dem man in einer die Rahmenstruktur bestimmende Form die Verstärkung an der dafür vorgesehenen Stelle hält, und die Rahmenstruktur aus dem Strukturmaterial durch Spritzgießen unter Einbettung der Verstärkung formt.Furthermore, the invention is also protected with regard to process engineering. The invention relates to a method for manufacturing a frame with a structure according to one of the aspects described above, in which the reinforcement is held at the designated location in a form that determines the frame structure, and the frame structure is formed from the structural material by injection molding while embedding the reinforcement.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den oben erläuterten Vorteilen des damit hergestellten Rahmens.The advantages of the method according to the invention result from the advantages of the frame produced by it, as explained above.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren, von denen

1A eine Axialschnittansicht eines Elektrolysezellen-Moduls zeigt,
1B eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Elektrolysezellen-Moduls aus 1A zeigt,
2A eine, in Stapelrichtung gesehen, Draufsicht auf den Rahmen des Elektrolysezellen-Moduls aus 1A zeigt,
2B einen vergrößerten Abschnitt des Rahmens aus 2A mit der zufuhrseitigen Fluidführung zeigt,
3 eine schematische Ansicht der Fluidführung einer aus mehreren gestapelten Elektrolysezellen-Modulen gebildeten Elektrolysevorrichtung zeigt,
4 die mit dieser zufuhrseitigen Fluidführung erreichten Strömungswege zeigt,
5 eine Anlage mit Elektrolysevorrichtung und Methanisierungsvorrichtung zeigt, und
6 eine aus dem Stand der Technik bekannte Elektrolysevorrichtung im Axialschnitt zeigt.

Further details, features and advantages of the invention will become apparent from the following description with reference to the accompanying figures, of which

1A an axial section view of an electrolysis cell module shows,
1B an enlarged view of part of the electrolysis cell module 1A shows,
2A A top view of the frame of the electrolysis cell module, viewed in the stacking direction. 1A shows,
2B an enlarged section of the frame 2A with the supply-side fluid guidance shows,
3 A schematic view of the fluid flow of an electrolysis device formed from several stacked electrolysis cell modules shows,
4 the flow paths achieved with this supply-side fluid guidance are shown,
5 a system with electrolysis device and methanization device, and
6 An electrolysis device known from the prior art is shown in axial section.

In den 1 und 2 ist der Aufbau eines Rahmens 1 für ein Elektrolysezellen-Modul gezeigt. Er ist ringförmig gestaltet und umschließt mit seinem inneren Rand 4 einen Raum 10, in dem die in 1A dargestellten funktionalen Komponenten einer Elektrolysezelle einsetzbar sind. In diesem Ausführungsbeispiel sind in der Reihenfolge von links nach rechts in 1A zur Bildung eines Elektrolysezellen-Moduls eingesetzt eine Bipolarplatte 11, ein Stromabnehmer 12, eine Elektrode 13, eine Membran 14, eine Elektrode 15 und einen Stromabnehmer 16. Die Membran 15 ist räumlich von der Bipolarplatte 11 (und auch von einer nicht dargestellten Bipolarplatte 11' eines nächsten Moduls) beabstandet. Die Elektroden 13, 15 liegen in Nullabstandskonfiguration an der Membran 15 an und sind über die Stromabnehmer 12, 16 elektrisch an die Bipolarplatten 11 (11') gekoppelt. Es ist unmittelbar erkennbar, dass bei Kopplung mehrerer dieser Anordnungen in Reihe die typische Struktur eines Elektrolyseurs vom Stapel-Typ entsteht, bei dem die einzelnen Elektrolysezellen in Reihe geschaltet sind. Durch Beschichtung der Elektroden 13, 15, beispielsweise mit einer Rutheniumoxidschicht, kann die elektrochemische Aktivität der Elektrode erhöht und damit der Wirkungsgrad der Elektrolyse verbessert werden, ggf. genügt aus Kostengründen die Beschichtung auf der Wasserstoffseite (Kathode).In the 1 and 2 The structure of a frame 1 for an electrolysis cell module is shown. It is ring-shaped and encloses a space 10 with its inner edge 4, in which the 1A The functional components of an electrolysis cell shown can be used in this embodiment. In this example, the components are shown in the order from left to right. 1A A bipolar plate 11, a current collector 12, an electrode 13, a membrane 14, an electrode 15, and a current collector 16 are used to form an electrolysis cell module. The membrane 15 is spatially spaced from the bipolar plate 11 (and also from a bipolar plate 11' of a subsequent module, which is not shown). The electrodes 13 and 15 are in a zero-gap configuration against the membrane 15 and are electrically coupled to the bipolar plates 11 (11') via the current collectors 12 and 16. It is immediately apparent that when several of these arrangements are coupled in series, the typical structure of a stack-type electrolyzer is created, in which the individual electrolysis cells are connected in series. By coating the electrodes 13, 15, for example with a ruthenium oxide layer, the electrochemical activity of the electrode can be increased and thus the efficiency of the electrolysis improved; if necessary, for cost reasons, the coating on the hydrogen side (cathode) is sufficient.

Der in 1A dargestellte Rahmen 1 mit diesen eingesetzten Komponenten stellt somit eine vollständige Elektrolysezelle dar, bei der alle Komponenten in einem einzigen Rahmen 1 enthalten sind und nicht etwa auf zwei Rahmen aufgeteilt sind, wie in dem in 6 gezeigten Elektrolyseur.The in 1A The frame 1 shown, with these components, thus represents a complete electrolysis cell in which all components are contained in a single frame 1 and are not divided between two frames, as in the one shown in 6 electrolyzer shown.

Die Rahmenstruktur 6 des Rahmens 1 reicht bis zum äußeren Rand 2 des Rahmens 1 und ist aus einem Material hergestellt, das gegenüber den bei der Elektrolyse auftretenden chemischen Angriffen widerstandsfähig ist. Beispielsweise könnte hier ein Kunststoff auf der Basis von PPE/PPO herangezogen werden, das lose kurze Glasfaserstücke beinhaltet, also ein glasfaserverstärkter Verbundwerkstoff mit Glasfaseranteil zwischen 20 und 30%. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die einstückige Rahmenstruktur 6 in einem Spritzgussverfahren hergestellt.The frame structure 6 of the frame 1 extends to the outer edge 2 of the frame 1 and is made of a material resistant to the chemical attacks occurring during electrolysis. For example, a PPE/PPO-based plastic containing loose, short pieces of glass fiber could be used, i.e., a glass fiber-reinforced composite material with a glass fiber content between 20 and 30%. In the illustrated embodiment, the one-piece frame structure 6 is manufactured using an injection molding process.

Wie am besten aus 2A, B zu erkennen ist, umfasst die Rahmenstruktur 6 des Rahmens 1 zwischen dem inneren Rand 4 und einer Ringnut 9 zur Aufnahme eines zum Rahmen eines nächsten Moduls abdichtenden Dichtungskörpers eine Fluidführung 20, über die zufuhrseitig die Zellhalbräume mit dem Elektrolyt versorgt werden, während abfuhrseitig die Elektrolyseprodukte abgeführt werden, für das Ausführungsbeispiel des zur Elektrolyse von Wasser einzusetzenden Elektrolyseurs Wasserstoff und Sauerstoff. Abführseitig weist die Fluidführung 20 somit ein Durchgangsloch 21 auf, das durch einen nicht dargestellten Kanal mit dem Innenraum 10 mit einem Halbraum der in dem Aufnahmeraum gebildeten Zellstruktur verbunden ist, und ein Durchgangsloch 22, das mit dem anderen Halbraum verbunden ist, also in 1A links und rechts der Membran 15. Diese Verbindungskanäle zur Kommunikation mit dem Aufnahmeraum 10 können beispielsweise kurze, radial verlaufende Verbindungen sein, es können jedoch auch wie in EP 0 212 240 B1 offenbarte Kanalstrukturen herangezogen werden, bei denen der Kanal überwiegend in Umfangsrichtung verläuft und beispielsweise erst um etwa 90° versetzt in den Aufnahmeraum 10 mündet.How best to 2A As can be seen in Figure B, the frame structure 6 of the frame 1, between the inner edge 4 and an annular groove 9 for receiving a sealing body that seals against the frame of the next module, comprises a fluid guide 20. On the supply side, the cell half-spaces are supplied with the electrolyte via this guide, while on the discharge side, the electrolysis products are discharged—in this embodiment of the electrolyzer used for the electrolysis of water, hydrogen and oxygen. On the discharge side, the fluid guide 20 thus has a through-hole 21, which is connected via a channel (not shown) to the interior 10 containing one half-space of the cell structure formed in the receiving space, and a through-hole 22, which is connected to the other half-space. 1A to the left and right of the membrane 15. These communication channels for communication with the recording chamber 10 can, for example, be short, radially extending connections, but they can also be as in EP 0 212 240 B1 Revealed channel structures are used in which the channel runs predominantly in the circumferential direction and, for example, only enters the recording chamber 10 after being offset by about 90°.

Gleiches gilt für die Kommunikationsverbindung des Durchgangslochs 22 mit dem Aufnahmeraum 10.The same applies to the communication link between the through-hole 22 and the recording room 10.

Zufuhrseitig weist die Fluidführung 20 ein Durchgangsloch 23 auf, das mit dem anodenseitigen Zellenhalbraum kommuniziert, und ein Durchgangsloch 24, das mit dem kathodenseitigen Zellenhalbraum kommuniziert. Desweiteren ist noch ein drittes Durchgangsloch 25 vorgesehen, das nicht mit dem Innenraum 10 kommuniziert, so dass durch eine zur Bildung eines Elektrolyseurs vom Stapel-Typ vorgenommene Reihenkopplung der mit diesem Rahmen gebildeten Elektrolysezellen-Module, bei der die jeweiligen Durchgangslöcher 21 bis 25 auf den nicht dargestellten Durchgangslöchern 21' bis 25' eines weiteren Moduls zu liegen kommen, eine anodische Mannigfaltigkeit (23, 23'... nebst jeweiliger Kommunikation mit Aufnahmeraum 10, 10',...) und kathodische Mannigfaltigkeit (24, 24',... mit jeweiliger Verbindung zum Aufnahmeraum 10, 10',...) bildet, die an einem Ende des Elektrolyseurs mit der durch die Hauptmannigfaltigkeit 25, 25',... gebildeten Elektrolytzuführung verbunden sind, so dass sich der dargestellte Elektrolyt- und Materialfluss ergibt.On the supply side, the fluid guide 20 has a through-hole 23 that communicates with the anode-side cell half-space, and a through-hole 24 that communicates with the cathode-side cell half-space. Furthermore, a third through-hole 25 is provided, which does not communicate with the interior 10, so that by series coupling of the electrolysis cell modules formed with this frame to form a stack-type electrolyzer, in which the respective through-holes 21 to 25 lie on the through-holes 21' to 25' (not shown) of another module, an anodic manifold (23, 23'... with respective communication with receiving space 10, 10',...) and a cathodic manifold (24, 24',... with respective connection to receiving space 10, 10',...) are formed, which at one end of the electrolyzer connects with the electrolyzer formed by the principal manifold 25, 25',... are connected to the electrolyte supply, resulting in the electrolyte and material flow shown.

Der Ausgang für die Produktgase Wasserstoff und Sauerstoff befindet sich beispielsweise wie auch der Elektrolyteingang in diesem Ausführungsbeispiel an der Kathode des Elektrolyseurs, die geerdet sein kann, zur Vermeidung von Kurzschlüssen an den Verbindungen zum Elektrolyseur. Indem das Elektrolyt nun durch die Hauptmannigfaltigkeit 25, 25' zunächst durch die Rahmen aller Elektrolysezell-Module hindurchgeführt wird und erst am anodenseitigen Ende des Katalysators in die anodische Mannigfaltigkeit 23, 23',... und kathodische Mannigfaltigkeit 24, 24',... umgeleitet wird, ergibt sich die in 4 gezeigte Situation, als ob die Elektrolytzuführung von der anderen Seite her erfolgen würde (Z-Verteilung). Die Materialflusswege für die einzelnen Elektrolysezellen haben im Wesentlichen die gleiche Länge, es ergibt sich ein homogeneres Strömungsbild.The outlet for the product gases hydrogen and oxygen, like the electrolyte inlet in this embodiment, is located at the cathode of the electrolyzer, which can be grounded to prevent short circuits at the connections to the electrolyzer. By first guiding the electrolyte through the main manifold 25, 25' and through the frames of all electrolysis cell modules, and only diverting it at the anode-side end of the catalyst into the anodic manifold 23, 23',... and cathodic manifold 24, 24',..., the following is obtained: 4 The situation shown is as if the electrolyte were supplied from the other side (Z-distribution). The material flow paths for the individual electrolysis cells are essentially the same length, resulting in a more homogeneous flow pattern.

Der Rahmen mit der Rahmenstruktur 6 ist aufgrund des nahe des äußeren Randes 2 in die Rahmenstruktur 6 eingebetteten Verstärkungsrings 8 auch für einen Einsatz geeignet, bei dem die Elektrolyse unter einem sehr hohen Druck durchgeführt wird. So sorgt der strukturelle Verbund des Rahmens 1 mit der einstückigen Rahmenstruktur 6 und dem strukturell integrierten Verstärkungsring 8 dafür, dass in diesem Ausführungsbeispiel die Festigkeit des Rahmens 1 deutlich erhöht ist. Wäre beispielsweise bei einem Druck von z.B. 16 bar bei einem ansonsten gleichen Rahmen anstelle des Verstärkungsrings das Strukturmaterial enthalten, wäre der Rahmen mit knapp 30% der maximal möglichen Zugspannung belastet, die der Rahmen aufnehmen kann. Aufgrund des Verstärkungsrings wird dagegen eine Belastung von nur etwas über 5% der maximal möglichen Zugspannung erreicht. Letztlich können auf diese Weise vergleichsweise niedrige Rahmendimensionen bei noch hoher Innenfläche zum Einsatz kommen, die für eine Druckfestigkeit und somit für unter hohem Druck betriebene Verfahren möglich sind, die ohne den Verstärkungsring bereits zu einem Bersten des Rahmens 1 führen würden.The frame with frame structure 6 is also suitable for use in applications where electrolysis is carried out under very high pressure due to the reinforcing ring 8 embedded near the outer edge 2 within the frame structure 6. The structural connection between the frame 1, the one-piece frame structure 6, and the structurally integrated reinforcing ring 8 significantly increases the strength of the frame 1 in this embodiment. For example, if the structural material were used instead of the reinforcing ring in an otherwise identical frame at a pressure of 16 bar, the frame would be subjected to almost 30% of its maximum tensile stress. In contrast, the reinforcing ring reduces this stress to just over 5% of the maximum tensile stress. Ultimately, this allows for comparatively small frame dimensions with a still large internal surface area, providing sufficient compressive strength for high-pressure processes that would otherwise cause the frame 1 to burst.

In diesem Ausführungsbeispiel ist der Verstärkungsring aus einem glasfaserverstärkten Verbundwerkstoff auf Basis von einem Epoxidharz gebildet, mit einem Glasfaseranteil von etwa 70%. Zudem weist der Verstärkungsring die Glasfasern in Form von gewickelten Glasfasern auf, wodurch sich die Widerstandsfähigkeit des Rahmens 1 gegen die auftretenden Zugspannungen nochmals erhöht. Die Zugfestigkeit des Verstärkungsrings ist dadurch mehr als doppelt so hoch wie die der Rahmenstruktur.In this embodiment, the reinforcing ring is made of a glass fiber reinforced composite material based on an epoxy resin, with a glass fiber content of approximately 70%. Furthermore, the reinforcing ring incorporates the glass fibers in the form of wound glass fibers, which further increases the resistance of frame 1 to the tensile stresses that occur. The tensile strength of the reinforcing ring is therefore more than twice that of the frame structure.

Bei der Herstellung des Rahmens 1 kommt eine Spritzgussform zum Einsatz, die ein Negativ der Rahmenstruktur bildet. In diese wird der Verstärkungsring etwa von Hand oder auch maschinell von einem Roboter eingesetzt, und in der Form durch geeignete Haltearme oder Stützarme in Position gehalten, bevor der eigentliche Spritzgussvorgang beginnt. Aufgrund des Haltens oder Stützens des Verstärkungsrings entstehen somit kleinflächige Bereiche des Verstärkungsrings, die nicht vom Strukturmaterial umschlossen sind, sondern freigelegt sind. Diese lassen sich aber zum einen niedrig halten, weniger als 5% der Oberfläche des Verstärkungsrings, zum anderen liegen diese Stellen insbesondere außerhalb der Anordnung der Dichtung 9, also in einem Bereich, in dem eine Belastung durch die Lauge oder die Gase nicht mehr auftritt.The production of frame 1 utilizes an injection mold that forms a negative of the frame structure. The reinforcing ring is inserted into this mold, either manually or automatically by a robot, and held in position by suitable holding or support arms before the actual injection molding process begins. This holding or supporting of the reinforcing ring results in small areas of the ring that are not enclosed by the structural material but are exposed. However, these areas can be kept to a minimum, comprising less than 5% of the reinforcing ring's surface area. Furthermore, these areas are located outside the area of seal 9, i.e., in a region where there is no longer any stress from the caustic solution or gases.

Der thermische Ausdehnungskoeffizient des Verstärkungsrings ist bei diesem Ausführungsbeispiel jedenfalls geringer als die des umgebenden Strukturmaterials, so dass der Außenbereich des Rahmens 1, in dem der Verstärkungsring 8 aufgenommen ist und der entsprechend nur noch dünnwandigeres Strukturmaterial aufweist, nicht strukturell beschädigt wird. In diesem Ausführungsbeispiel erstreckt sich in Axialrichtung gesehen der Verstärkungsring über einen Abschnitt von etwa 80% der Rahmenbreite und sorgt für eine ausreichende Erhöhung der Druckfestigkeit des Rahmens 1.In this embodiment, the coefficient of thermal expansion of the reinforcing ring is lower than that of the surrounding structural material, so that the outer section of the frame 1, in which the reinforcing ring 8 is housed and which accordingly has only thinner-walled structural material, is not structurally damaged. In this embodiment, the reinforcing ring extends axially over a section of approximately 80% of the frame width and provides a sufficient increase in the compressive strength of the frame 1.

In 5 ist noch eine Anlage 1000 schematisch dargestellt, in der eine Elektrolysevorrichtung 100 mit den erfindungsgemäß gestalteten Rahmen seiner Elektrolysezellen-Module zum Einsatz kommt. Der Elektrolyseur 100 bezieht elektrische Energie aus dem elektrischen Versorgungsnetz 400 und ist mit seinem Wasserstoff-Ausgang an den Eduktgaseingang einer Methanisierungseinrichtung 200 angekoppelt, in welcher der zugeführte Wasserstoff und ebenfalls aus einer Kohlendioxid-Quelle 300 zugeführtes Kohlendioxid katalytisch methanisiert wird.In 5 A further system 1000 is shown schematically, in which an electrolysis device 100 with the frames of its electrolysis cell modules designed according to the invention is used. The electrolyzer 100 draws electrical energy from the electrical supply network 400 and is coupled with its hydrogen output to the reactant gas input of a methanation unit 200, in which the supplied hydrogen and carbon dioxide also supplied from a carbon dioxide source 300 are catalytically methanized.

Die Erfindung ist nicht auf die in der obigen Figurenbeschreibung beschriebenen Ausgestaltungen eingeschränkt. Vielmehr können die in den nachstehenden Ansprüchen und der obigen Beschreibung angeführten Merkmale einzeln und in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.The invention is not limited to the embodiments described in the above description of the figures. Rather, the features listed in the following claims and the above description can be essential, individually and in combination, for realizing the invention in its various embodiments.

Claims

Ring-shaped frame (1) for an electrolysis device, with an inner rim (4) enclosing a receiving space (10) for one or more electrolysis cell component(s) (11, 12, 13, 14, 15, 16), an outer rim (2), one of which a frame structure (6) extending from the inner edge (4) to the outer edge (2), formed in one piece from a structural material, in which a fluid guide (20) for the fluids to be supplied and discharged during electrolysis is arranged, and an annular reinforcing body (8) arranged between the fluid guide (20) and the outer edge (2) and embedded in the frame structure (6), which is formed from a reinforcing material having a higher tensile strength than the structural material, characterized in that the structural material is a fiber-reinforced composite material with a fiber content of not more than 30 vol.% and the reinforcing material is a fiber-reinforced composite material with a fiber content of more than 50 vol.%, whose coefficient of thermal expansion is not greater than that of the structural material.

Ring-shaped frame (1) according to Claim 1 , in which the structural material is formed from a castable material, in particular injection molded.

Ring-shaped frame (1) according to one of the preceding claims, wherein the fibers of the structural material are contained in the form of short fibers.

Ring-shaped frame (1) according to one of the preceding claims, wherein the reinforcing body (8) is inseparably arranged in the frame structure (6) and in particular its embedding results from the integration into the frame structure (6) during the forming of the frame structure (6).

Ring-shaped frame (1) according to one of the preceding claims, wherein the load-bearing capacity of the ring-shaped frame (1) with respect to tensile stress is increased by more than 100%, preferably by more than 200%, in particular by more than 300%, compared to a frame in which the reinforcing material is replaced by the structural material while otherwise having the same frame construction and frame size.

Ring-shaped frame (1) according to one of the preceding claims, wherein wound glass fibers are provided for the reinforcement material.

Ring-shaped frame (1) according to one of the preceding claims, with a compressive strength in use in a stack-type electrolysis device against a pressure of at least 10 bar, preferably at least 20 bar, more preferably at least 80 bar, in particular at least 120 bar, and possibly also at least 200 bar.

Ring-shaped frame (1) according to one of the preceding claims, wherein the receiving space (10) has a cross-sectional area of at least 4000 ^cm² , preferably at least 6000 ^cm² , more preferably at least 8000 ^cm² , and in particular at least 10,000 ^cm² .

Ring-shaped frame (1) according to one of the preceding claims, wherein a radial distance between inner (4) and outer edge (2) is less than 0.8 m, preferably less than 0.6 m, in particular less than 0.5 m.

Ring-shaped frame (1) according to one of the preceding claims, wherein a ratio of radial distance between inner (4) and outer edge (2) and a transverse dimension of the receiving space (10), in particular its diameter, is less than 0.75, preferably less than 0.65, in particular less than 0.55.

Ring-shaped frame (1) according to one of the preceding claims, with a recess (9) arranged radially between the reinforcing body (8) and the fluid guide (20) on an axial side for receiving a sealing element.

Ring-shaped frame (1) according to Claim 11 , in which exposed areas of the reinforcing body (8), which result from holding it during the forming of the frame structure (6), lie radially outside the recess (9).

Ring-shaped frame (1) according to one of the preceding claims, wherein the fluid guide (20) has at least two, in particular exactly two, axial through holes (21, 22) communicating radially with the receiving space (10) through the frame structure (6) on the discharge side, and has at least two axial through holes (23, 24) communicating radially with the receiving space (10) through the frame structure (6) on the supply side.

Ring-shaped frame (1) according to Claim 13 , in which the fluid guide (20) has a third supply-side axial through-hole (25) without radial communication with the receiving space (10).

Ring-shaped frame (1) according to one of the preceding claims, which is provided for receiving all components required for one, in particular exactly one, electrolysis cell, and in particular has a spacer on the inner edge (4) for separating the bipolar plate and the membrane, for which purpose the inner edge (4) is in particular formed in a T-shape when viewed in axial section.

Electrolysis cell module for a stack-type electrolysis device, with an annular frame (1) according to one of the preceding claims, and one or more electrolysis cell components, selected from electrodes, bipolar plate, membrane, current sensor.

Electrolysis cell module according to Claim 16 with exactly one bipolar plate, a first current sensor, a first electrode, a membrane, a second electrode and a second current sensor, in particular in exactly this order from one axial side to the other, wherein the electrodes are in particular provided in a zero-gap configuration.

Electrolysis device of the stack type, with at least two, preferably at least 20, more preferably at least 60, in particular at least 120 electrolysis cell modules axially clamped between two end plates according to Claim 16 or 17 .

Plant for the production and further processing of hydrogen, with an electrolysis device according to Claim 18 , and a methanization device coupled with its reactant gas input to the hydrogen output of the electrolysis device, which catalytically methanizes the hydrogen with the addition of carbon, in particular in the form of carbon dioxide.

Method for manufacturing a ring-shaped frame (1) according to one of the Claims 1 until 15 , in which the reinforcing body (8) is held in a form that determines the frame structure at the designated location, and the frame structure (6) is formed from the structural material by injection molding while embedding the reinforcing body (8).