DE102023111278A1 - Elektrochemischer Zellenstapel und Verfahren zum Betrieb eines elektrochemischen Zellenstapels - Google Patents

Abstract

Ein elektrochemischer Zellenstapel (1) umfasst mehrere elektrochemische Zellen (2), welche durch Bipolarplatten (5) voneinander getrennt sind, wobei
- jede elektrochemische Zelle (2) aus zwei Halbzellen (3, 4) gebildet ist, welche eine Membran (6) als gemeinsame Komponente aufweisen, die von einem mehrteiligen Trägerrahmen (7) gehalten ist,
- der mehrteilige Trägerrahmen (7) aus zwei unter Einfügung einer mehrlagigen, mit der Membran (6) überlappenden Folienanordnung (9) aufeinander gestapelten, unterschiedlich breiten, jeweils einer Halbzelle (3, 4) zugeordneten Rahmenelementen (16, 17) aufgebaut ist,
- sich an der dem Inneren der jeweiligen Halbzelle (3, 4) zugewandten Innenseite eines jeden Rahmenelementes (16, 17) eine jeweils eine Bipolarplatte (5) kontaktierende Dichtung (14, 15) befindet,
- die beiden aufgrund der unterschiedlichen Querschnittsform der Rahmenelemente (16, 17) gegeneinander versetzten Dichtungen (14, 15) jeweils eine äußere Lage (18, 20) der Folienanordnung (9) kontaktieren.

Description

• Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Zellenstapel, insbesondere Elektrolysezellenstapel. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Stapels elektrochemischer Zellen.
• Ein Elektrolysezellenstapel ist beispielsweise aus der WO 2018/078157 A1 bekannt. Der bekannte Elektrolysezellenstapel, das heißt Elektrolyseur, umfasst eine Mehrzahl in Stapelform angeordneter Bipolarplatten, wobei sich zwischen den Bipolarplatten unter anderem Membranen und poröse Transportschichten, die allgemein auch als poröse Transportlagen (PTL) bezeichnet werden, befinden. Nach der WO 2018/078157 A1 weisen die Bipolarplatten jeweils eine Schicht aus Ir, Ru, Rh, Os, deren Oxiden oder Mischungen hiervon auf. Diese Schicht soll innerhalb der elektrochemischen Anlage als Korrosionsschutzschicht fungieren.
• Die DE 10 2021 203 983 A1 offenbart eine Einzelzellenanordnung für einen Brennstoffzellenstapel. Hierbei umfasst eine gerahmte Membranelektrodenanordnung einen elektrochemisch aktiven Bereich aus zwei Gasdiffusionslagen und einer katalysatorbeschichteten Membran, welche mit einem Rahmen verklebt sind. Ferner umfasst die Anordnung nach der DE 10 2021 203 983 A1 eine Bipolarplatte, welche Strömungsverteil- und -leitelemente in einem mit dem elektrochemisch aktiven Bereich korrespondierenden Strömungsbereich aufweist. In einem den Strömungsbereich umgebenden Randbereich der Bipolarplatte ist auf wenigstens einer der Oberflächen der Bipolarplatte eine Dichtnut zur Aufnahme einer Dichtung zwischen dem Rahmen und der Bipolarplatte ausgebildet.
• Eine weitere Membranbaugruppe, welche innerhalb eines Brennstoffzellenstapels einen Anodenraum von einem Kathodenraum trennt, ist in der DE 10 2009 039 905 A1 beschrieben. Die Membran der Anordnung nach der DE 10 2009 039 905 A1 weist eine langgestreckte rechteckige Form auf, wobei sich an beiden Schmalseiten der rechteckigen Membran jeweils mehrere allgemein auch als Ports bezeichnete Kanäle zur Durchleitung von Arbeitsgasen, das heißt Betriebsmedien, befinden. Die Membran ist einer MEA-Platte zuzurechnen, welche von einem Montagehilfsabschnitt umgeben ist, der als formstabiler Trägerrahmen ausgebildet ist. Innerhalb eines Verbindungsabschnitts, welcher die MEA-Platte mit dem Trägerrahmen verbindet, befindet sich unter anderem eine als Dichtungsraupe ausgebildete Dichtung.
• Eine in der DE 10 2008 028 117 A1 offenbarte Anordnung für eine Brennstoffzelle umfasst eine Bipolarplatte in Form eines flächigen Bauteils, an welchem ein Dichtelement formschlüssig befestigt ist. Das Dichtelement ist hierbei im Wesentlichen U-förmig ausgebildet.
• Weitere Gestaltungsmöglichkeiten von Dichtungen in stapelförmigen Anordnungen elektrochemischer Zellen gehen zum Beispiel aus den Dokumenten EP 3 039 734 B1 , DE 10 2006 058 335 A1 , DE 11 2015 002 427 T5 und WO 2021/104812A1 hervor.
• Die EP 3 356 575 B1 offenbart eine Hoch- oder Differenzdruck-Elektrolysezelle, welche eine elektrochemische Zelle mit einer Hochdruckseite und einer Niederdruckseite aufweist. Der elektrochemischen Zelle sind zwei Strömungsfeldplatten sowie eine Membran zuzurechnen, welche zwischen den Strömungsfeldplatten angeordnet ist und eine erste Seite auf der Niederdruckseite und eine zweite Seite auf der Hochdruckseite aufweist. Ferner umfasst der Elektrolyseur nach der EP 3 356 575 B1 einen ersten porösen Träger, der zwischen der ersten Seite der Membran und der ersten Strömungsfeldplatte angeordnet und - verglichen mit anderen zwischen den Platten angeordneten Materialien - relativ inkompressibel ist. Eine erste Dichtung umgibt den ersten porösen Träger, wobei ein Spalt zwischen dem ersten porösen Träger und der Dichtung gebildet ist. Eine zweite Dichtung ist zwischen der zweiten Seite der Membran und der zweiten Strömungsfeldplatte angeordnet. Ferner umfasst die Vorrichtung nach der EP 3 356 575 B1 einen auf der zweiten Seite der Membran angeordneten zweiten porösen Träger, welcher stärker als der erste poröse Träger komprimierbar ist. Der Elektrolyseur nach der EP 3 356 575 B1 soll bei einer Druckdifferenz zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite von mindestens 40 bar betreibbar sein.
• Die EP 3 496 194 B1 beschreibt eine Membran-Elektroden-Einheit mit umlaufender Dichtung. In diesem Fall ist ein Dichtrahmen dreiteilig aufgebaut, wobei ein Dichtungsmaterial durch Zusammendrücken von Einzelteilen des Dichtrahmens in definierter Weise verdrängt werden soll.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in Stapelform aufgebaute elektrochemische Systeme gegenüber dem genannten Stand der Technik insbesondere unter fertigungs- und dichtungstechnischen Aspekten weiterzuentwickeln.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen insbesondere zur Wasserstoffherstellung nutzbaren elektrochemischen Zellenstapel mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines elektrochemischen Zellenstapels gemäß Anspruch 10. Im Folgenden im Zusammenhang mit der Betriebsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, das heißt den Stapel elektrochemischer Zellen, und umgekehrt.
• Der anmeldungsgemäße Zellenstapel umfasst eine Vielzahl elektrochemischer Zellen, insbesondere Elektrolysezellen, welche in an sich bekannter Grundkonzeption durch Bipolarplatten voneinander getrennt sind, wobei
• - jede elektrochemische Zelle aus zwei Halbzellen gebildet ist, welche eine Membran als gemeinsame Komponente aufweisen, die von einem mehrteiligen Trägerrahmen gehalten ist,
• - der mehrteilige Trägerrahmen aus zwei unter Einfügung einer mehrlagigen, mit der Membran überlappenden Folienanordnung aufeinander gestapelten, unterschiedlich breiten, jeweils einer Halbzelle zugeordneten Rahmenelementen aufgebaut ist,
• - sich an der dem Inneren der jeweiligen Halbzelle zugewandten Innenseite eines jeden Rahmenelementes eine jeweils eine Bipolarplatte kontaktierende Dichtung befindet,
• - die beiden aufgrund der unterschiedlichen Querschnittsform der Rahmenelemente gegeneinander versetzten Dichtungen jeweils eine äußere Lage der Folienanordnung kontaktieren.
• Damit ist jede der beiden an einem Rahmenelement angebrachten Dichtungen zum einen in Kontakt mit einer Lage der Folienanordnung und zum anderen in Kontakt mit eine der beiden Bipolarplatten, zwischen welchen die elektrochemische Zelle, insbesondere Elektrolysezelle, gebildet ist. Die Folienanordnung stellt hierbei eine abdichtende Komponente dar, welche sowohl zwischen den beiden aufeinander gestapelten Rahmenelementen wirksam ist, als auch zusammen mit den an den Rahmenelementen angebrachten, dem Aktivfeld zugewandten Dichtungen statisch dichtend wirkt.
• Die unterschiedliche Breite der Rahmenelemente bedeutet, dass der Abstand zwischen Rahmeninnenseite und Rahmenaußenseite bei den beiden Rahmenelementen unterschiedlich ist. Hierbei können die Rahmenaußenseiten miteinander fluchten. An der Rahmeninnenseite ist dagegen durch die beiden Rahmenelemente eine Stufe gebildet. Dies ist gleichbedeutend damit, dass die von dem einen Rahmenelement umschlossene, in vielen Fällen rechteckige Fläche größer als die von dem anderen Rahmenelement umschlossene Fläche ist.
• In jeder Halbzelle der elektrochemischen Zelle können sich zwei aufeinanderliegende, voneinander unterscheidbare poröse Transportlagen befinden. Unterschiede können hierbei zum Beispiel hinsichtlich der Porosität und/oder elektrischen Leitfähigkeit der verschiedenen Transportlagen gegeben sein. Allgemein ist eine innere, die Membran kontaktierende Transportlage von einer vergleichsweise dicken äußeren, eine der Bipolarplatten kontaktierende Transportlage unterscheidbar. Die Folienanordnung, welche die Membran, mit der Membran überlappend, umschließt, kann insbesondere dreilagig aufgebaut sein, wobei die Dicke der gesamten Folienanordnung der Summe aus der Dicke der Membran und der Gesamtdicke der beiden inneren, dünnen Transportlagen entspricht.
• Gemäß verschiedener möglicher Ausgestaltungen ist zwischen der flächigen Anordnung, welche aus der Membran und den beiden inneren Transportlagen aufgebaut ist, und der dreilagigen Folienanordnung ein ebenfalls flächiger Zwischenbereich aus der Membran und den beiden äußeren Lagen der Folienanordnung gebildet. Dies bedeutet, dass der Zwischenbereich die Überlappung zwischen der Membran und der mehrlagigen Folienanordnung darstellt. Somit können drei aneinander grenzende, gleich dicke Flächenbereiche existieren. Zumindest eine der beiden Dichtungen, welche an den Rahmenelementen angebracht sind, kann hierbei den flächigen Zwischenbereich kontaktieren. Insbesondere kann eine der beiden Dichtungen auf der Oberseite und die andere Dichtung auf der Unterseite des flächigen Zwischenbereichs aufliegen. Ein Abschnitt jeder der beiden äußeren Transportlagen kann auf dem flächigen Zwischenbereich aufliegen.
• Unabhängig vom Vorhandensein und der eventuellen Ausgestaltung des flächigen Zwischenbereichs können die beiden Dichtungen überlappungsfrei gegeneinander versetzt sein. In diesem Fall stützt sich eine der beiden Dichtungen am der anderen Halbzelle zuzurechnenden Rahmenelement ab, während die andere Dichtung eine Abstützung durch diejenige äußere Transportlage erfährt, welche von der erstgenannten Dichtung umgeben ist. Insbesondere in dieser Ausgestaltung kann der Zellenstapel mit hohen Differenzdrücken, beispielsweise Drücken von mehr als 100 bar, zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite betrieben werden. Dies gilt selbst in Fällen, in denen Wasserstoff abzudichten ist.
• Bei dem Rahmenelement, welches eine der beiden Dichtungen abstützt, handelt es sich um das breitere Rahmenelement. Aufgrund des breiteren Querschnitts dieses Rahmenelementes begrenzt dieses zusammen mit der daran angebrachten Dichtung einen für den Einbau der äußeren Transportlage zur Verfügung stehenden Raum, welcher kleiner als der Raum ist, der von dem schmaleren Rahmenelement samt Dichtung umschlossen ist. Die von dem letztgenannten Rahmenelement umschlossene äußere Transportlage kann eine geringere elastische Nachgiebigkeit als die vom breiteren Rahmenelement umschlossene Transportlage aufweisen. Jeder Rahmenelement stellt eine stabile Umrandung der zugehörigen Dichtung dar.
• Bei beiden Rahmenelementen handelt es sich insbesondere um Metallteile, wobei die Dichtungen jeweils stoffschlüssig, beispielsweise durch Anspritzen, mit dem zugehörigen Rahmenelement verbunden sein können. Die Dichtungen können somit als Edge-Bonding-Dichtungen ausgeführt sein.
• Der Zellenstapel ist insbesondere als Elektrolyseur zur Herstellung von Wasserstoff aus Wasser nutzbar. Allgemein bietet der Zellenstapel die Möglichkeit, die von den schmaleren Rahmenelementen umschlossenen Halbzellen unter einem höheren Druck als die von den breiteren Rahmenelementen umschlossenen Halbzellen zu betreiben. Auf diese Weise kann im Fall der elektrochemischen Wasserstofferzeugung direkt Wasserstoff, der unter einem Druck von über 100 bar steht, erzeugt werden, was den Aufwand für die nachträgliche Kompression des Wasserstoffs im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren drastisch mindert.
• Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
• 1 ausschnittsweise einen elektrochemischen Zellenstapel zur Produktion von Wasserstoff,
• 2 ein Detail des Zellenstapels nach 1, nämlich eine Anordnung aus einer katalytisch beschichteten Membran und hierauf befindlichen Folien,
• 3 eine Bipolarplatte des Zellenstapels,
• 4 den Zellenstapel in perspektivischer Ansicht mit teilweise in der Art einer Explosionsdarstellung vereinzelten Komponenten.
• Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneter elektrochemischer Zellenstapel, das heißt Stack, ist als Elektrolyseur zur Herstellung von Wasserstoff ausgebildet. Der Zellenstapel 1 umfasst eine Vielzahl elektrochemischer Zellen 2, das heißt Elektrolysezellen, welche jeweils aus einer ersten Halbzelle 3 und einer zweiten Halbzelle 4 aufgebaut sind. Bipolarplatten 5 trennen eine Halbzelle 3 einer ersten elektrochemischen Zelle 2 von einer Halbzelle 4 einer weiteren elektrochemischen Zelle 2. Die beiden Halbzellen 3, 4 einer jeden elektrochemischen Zelle 2 sind durch eine protonendurchlässige Membran 6 voneinander getrennt. Die Membran 6 befindet sich in einem mehrteiligen Trägerrahmen 7, welcher sandwichartig zwischen zwei zueinander parallelen Bipolarplatten 5 positioniert ist. Zur Zu- und Abführung von Betriebs- und Kühlmedien weist der Zellenstapel 1 Ports 23 auf, die in jeder Bipolarplatte 23 erkennbar sind und im vorliegenden Fall jeweils einen kreisrunden Querschnitt haben.
• Der Trägerrahmen 7 umschließt ein Aktivfeld 8 der Elektrolysezelle 2. Außerhalb des Aktivfelds 8, in welchem die gewünschten elektrochemischen Reaktionen ablaufen, befinden sich die bereits genannten, in den 3 und 4 sichtbaren Ports 23. Innerhalb einer jeden elektrochemischen Zelle 2 strömen die Betriebsmedien des Zellenstapels 1 unter anderem durch poröse Transportlagen 10, 11, 12 13, welche sich in den Halbzellen 3, 4 befinden.
• Die beiden Halbzellen 3, 4 sind unterschiedlich breit. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird in den vorliegenden Fällen die anodenseitige Halbzelle 3 als obere Halbzelle und die kathodenseitige Halbzelle 4 als untere Halbzelle bezeichnet. Die anodenseitige Halbzelle 3 liegt ein Fluidgemisch vor, welches Wasser und Sauerstoff umfasst. Wasserstoff entsteht in der kathodenseitigen Halbzelle 4. Zwischen den beiden Halbzellen 3, 4 herrscht im stationären Zustand des Elektrolyseurs 1 ein Differenzdruck im Bereich von 30 bar bis 100 bar.
• In jeder Halbzelle 3, 4 ist eine innere poröse Transportlage 10, 11 von einer äußeren porösen Transportlage 12, 13 unterscheidbar. Die Charakterisierung als „innere“ oder „äußere“ Lage bezieht sich auf die Nähe zu der durch Membran 6 gegebene Mittelebene der betreffenden elektrochemischen Zelle 2. Die anodenseitige innere poröse Transportlage 10 befindet sich ebenso wie die kathodenseitige innere poröse Transportlage 11 auf der Oberfläche der Membran 6. Die weitaus dickeren äußeren porösen Transportlagen 12, 13, das heißt die anodenseitige äußere poröse Transportlage 12 und die kathodenseitige äußere poröse Transportlage 13, liegen auf den inneren porösen Transportlagen 10, 11 auf und kontaktieren jeweils eine Bipolarplatte 5.
• Wie aus 1 hervorgeht, überragt die anodenseitige äußere poröse Transportlage 12 die kathodenseitige äußere poröse Transportlage 13. Die beiden inneren porösen Transportlagen 10, 11 sind dagegen im Ausführungsbeispiel gleich dimensioniert.
• Die größere flächenmäßige Ausdehnung der anodenseitigen äußeren porösen Transportlage 12 korrespondiert mit einer im Querschnitt gestuften Form des mehrteiligen Trägerrahmens 7. Der Trägerrahmen 7 umfasst ein in der Anordnung nach 1 oben liegendes Rahmenelement 16 und ein unten liegendes, im dargestellten Querschnitt breiteres Rahmenelement 17, so dass insgesamt eine gestufte Form des Trägerrahmens 7 gegeben ist. Die Außenkonturen beider Rahmenelemente 16, 17 stimmen miteinander überein.
• An den Innenkonturen, die das Aktivfeld 8 umschließen, befinden sich Dichtungen 14, 15 an den Rahmenelementen 16, 17. Die Dichtungen 14, 15 sind im vorliegenden Fall als Edge-Bonding-Dichtungen ausgeführt. Der Versatz zwischen den Dichtungen 14, 15 trägt zusammen mit der gestuften Form des mehrteiligen Trägerrahmen 7 und der Stabilität der anodenseitigen äußeren porösen Transportlage 12 maßgeblich dazu bei, dass Ansammlungen von Wasserstoff im dem spaltförmigen Bereich zwischen dem Rand der äußeren porösen Transportlage 12 und der Dichtung 14, welche sich am Rahmenelement 16 befindet, vermieden werden. Die Dichtungen 14, 15 sind aus einem nahezu inkompressiblen elastomeren Werkstoff gefertigt. Die Dichtwirkung wird zunächst durch den vertikalen Druck - bezogen auf die Anordnung nach 1 - erzeugt, welcher auf die Dichtungen 14, 15 wirkt. Der Mediendruck, welcher die Dichtungen 14, 15 gegen die zugehörigen Rahmenelemente 16, 17 presst, verstärkt diese Wirkung, so dass von dem Effekt einer Selbstabdichtung gesprochen werden kann.
• Zwischen den beiden aufeinander liegenden, aus Metall gefertigten Rahmenelementen 16, 17 befindet sich eine mehrlagige Folienanordnung 9, welche eine erste Folie 18, eine zweite Folie 19 und eine dritte Folie 20 als im Ausführungsbeispiel gleich dicke Lagen 18, 19, 20 umfasst. Die Folienanordnung 9 füllt den Spaltraum zwischen den Rahmenelementen 16, 17 nicht vollflächig aus. Vielmehr erstreckt sich die Membran 6 bis in den genannten Spaltraum hinein und liegt dort zwischen den beiden äußeren Lagen 18, 20 der Folienanordnung 9. Damit ist ein flächiger Zwischenbereich 21 gebildet, an den nach innen, innerhalb des Aktivfeldes 8, die dreilagige Anordnung aus der Membran 6 und den beiden inneren porösen Transportlagen 10, 11 anschließt. An den äußeren, sich innerhalb des Trägerrahmens 7 befindlichen Rand des flächigen Zwischenbereichs 21 schließt die aus den drei Folien 18, 19, 20, nämlich Kunststofffolien, aufgebaute Folienanordnung 9 an.
• Die Dicke der Folienanordnung 9 stimmt mit der Stärke des Zwischenbereichs 21 sowie mit der Dicke der Anordnung aus der Membran 6 und den auf dieser aufgebrachten inneren porösen Transportlagen 10, 11 überein.
• Somit existieren drei flächige, aneinander anschließende Bereiche, welche anodenseitig an die äußere poröse Transportlage 12, an die Dichtung 14 sowie an das schmalere Rahmenelement 16 grenzen und kathodenseitig die äußere poröse Transportlage 13, die Dichtung 15 sowie das breitere Rahmenelement 17 kontaktieren:
• - eine erste dreilagige Anordnung aus der Membran 6 und den beiden inneren porösen Transportlagen 10, 11,
• - eine als Zwischenbereich 21 ausgebildete, ebenfalls dreilagige Anordnung aus der Membran 6 und den beiden äußeren Folien 18, 20,
• - die aus den drei Kunststofffolien 18, 19, 20 gebildete Folienanordnung 9.
• Jede der Dichtungen 14, 15 liegt auf dem Zwischenbereich 21 auf. Kräfte F, welche in Normalrichtung der flächigen Elemente des Zellenstapels 1 wirken, werden zum Teil von den Dichtungen 14, 15 aufgenommen. Hierbei stütz sich die anodenseitige Dichtung 14 auf dem breiteren Rahmenelement 17 ab. Die kathodenseitige Dichtung 15 leitet dagegen eine Kraft F in die anodenseitige äußere poröse Transportlage 12 ein, welche wesentlich steifer als die kathodenseitige äußere poröse Transportlage 13 ist.
• Die Membran 6 ist beidseitig mit einer Katalysatorschicht 22 versehen. Der in 2 veranschaulichte Aufbau der Membran 6 ist bis in den Zwischenbereich 21 hinein einheitlich. Dies bedeutet, dass im Zwischenbereich 21 die Folien 18, 20 jeweils eine Katalysatorschicht 22, welche in dem entsprechenden Bereich 21 ohne katalytische Funktion ist, kontaktieren. Die Folien 18, 20 gleichen Mikro- und Makrorauheiten der Katalysatorschichten 22 aus und erfüllen damit, zusätzlich zu ihrer elektrisch isolierenden Funktion, auch eine abdichtende Funktion.
• Bezugszeichenliste

1

elektrochemischer Zellenstapel

2

elektrochemische Zelle, Elektrolysezelle

3

Halbzelle

4

Halbzelle

5

Bipolarplatte

6

Membran

7

Trägerrahmen, mehrteilig

8

Aktivfeld

9

Folienanordnung

10

innere poröse Transportlage, anodenseitig

11

innere poröse Transportlage, kathodenseitig

12

äußere poröse Transportlage, anodenseitig

13

äußere poröse Transportlage, kathodenseitig

14

Dichtung

15

Dichtung

16

Rahmenelement, schmal

17

Rahmenelement, breit

18

Folie, erste Lage

19

Folie, zweite Lage

20

Folie, dritte Lage

21

Zwischenbereich

22

Katalysatorschicht

23

Port

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• WO 2018078157 A1 [0002]
• DE 102021203983 A1 [0003]
• DE 102009039905 A1 [0004]
• DE 102008028117 A1 [0005]
• EP 3039734 B1 [0006]
• DE 102006058335 A1 [0006]
• DE 112015002427 T5 [0006]
• WO 2021104812 A1 [0006]
• EP 3356575 B1 [0007]
• EP 3496194 B1 [0008]

Claims (10)

1. Elektrochemischer Zellenstapel (1), umfassend eine Vielzahl elektrochemischer Zellen (2), welche durch Bipolarplatten (5) voneinander getrennt sind, wobei - jede elektrochemische Zelle (2) aus zwei Halbzellen (3, 4) gebildet ist, welche eine Membran (6) als gemeinsame Komponente aufweisen, die von einem mehrteiligen Trägerrahmen (7) gehalten ist, - der mehrteilige Trägerrahmen (7) aus zwei unter Einfügung einer mehrlagigen, mit der Membran (6) überlappenden Folienanordnung (9) aufeinander gestapelten, unterschiedlich breiten, jeweils einer Halbzelle (3, 4) zugeordneten Rahmenelementen (16, 17) aufgebaut ist, - sich an der dem Inneren der jeweiligen Halbzelle (3, 4) zugewandten Innenseite eines jeden Rahmenelementes (16, 17) eine jeweils eine Bipolarplatte (5) kontaktierende Dichtung (14, 15) befindet, - die beiden aufgrund der unterschiedlichen Querschnittsform der Rahmenelemente (16, 17) gegeneinander versetzten Dichtungen (14, 15) jeweils eine äußere Lage (18, 20) der Folienanordnung (9) kontaktieren.
2. Zellenstapel (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich in jeder Halbzelle (3, 4) zwei aufeinanderliegende poröse Transportlagen (10, 12; 11, 13) befinden, nämlich eine innere, die Membran (6) kontaktierende Transportlage (10, 11) und eine vergleichsweise dicke äußere, eine der Bipolarplatten (5) kontaktierende Transportlage (12, 13), wobei die Folienanordnung (9), welche die Membran (6), mit dieser überlappend, umschließt, dreilagig aufgebaut ist, wobei die Dicke der Folienanordnung (9) der Summe aus der Dicke der Membran (6) und der Gesamtdicke der beiden inneren Transportlagen (10, 11) entspricht.
3. Zellenstapel (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Überlappung zwischen der Membran (6) und der Folienanordnung (9) ein flächiger Zwischenbereich (21) gebildet ist, welcher aus der Membran (6) und den beiden äußeren Lagen (18, 20) der Folienanordnung (9) gebildet ist, wobei zumindest eine der beiden Dichtungen (14, 15) den flächigen Zwischenbereich (21) kontaktiert.
4. Zellenstapel (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der flächige Zwischenbereich (21) die beiden äußeren Transportlagen (12, 13) kontaktiert.
5. Zellenstapel (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass diejenige äußere Transportlage (12), welche vom schmaleren Rahmenelement (16) umschlossen ist, eine geringere elastische Nachgiebigkeit als die vom breiteren Rahmenelement (17) umschlossene Transportlage (13) aufweist.
6. Zellenstapel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Dichtungen (14, 15) überlappungsfrei gegeneinander versetzt sind.
7. Zellenstapel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenelemente (16, 17) als Metallrahmen ausgebildet sind.
8. Zellenstapel (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungen (14, 15) jeweils stoffschlüssig mit dem zugehörigen Rahmenelement (16, 17) verbunden sind.
9. Verwendung eines Zellenstapels (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse.
10. Verfahren zum Betrieb eines elektrochemischer Zellenstapels (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die von dem schmaleren Rahmenelement (16) umschlossene Halbzelle (3) unter einem höheren Druck als die vom breiteren Rahmenelement (17) umschlossene Halbzelle (4) betrieben wird.

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