DE102023111278A1 - Electrochemical cell stack and method for operating an electrochemical cell stack - Google Patents
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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.
An electrochemical cell stack (1) comprises several electrochemical cells (2) which are separated from each other by bipolar plates (5), whereby
- each electrochemical cell (2) is formed from two half-cells (3, 4) which have a membrane (6) as a common component which is held by a multi-part support frame (7),
- the multi-part support frame (7) is constructed from two frame elements (16, 17) of different widths, each associated with a half-cell (3, 4), which are stacked on top of one another with the insertion of a multi-layer film arrangement (9) overlapping the membrane (6),
- a seal (14, 15) contacting a bipolar plate (5) is located on the inside of each frame element (16, 17) facing the interior of the respective half-cell (3, 4),
- the two seals (14, 15), which are offset from one another due to the different cross-sectional shape of the frame elements (16, 17), each contact an outer layer (18, 20) of the film arrangement (9).
Description
Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Zellenstapel, insbesondere Elektrolysezellenstapel. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Stapels elektrochemischer Zellen.The invention relates to an electrochemical cell stack, in particular an electrolysis cell stack. The invention further relates to a method for operating such a stack of electrochemical cells.
Ein Elektrolysezellenstapel ist beispielsweise aus der
Die
Eine weitere Membranbaugruppe, welche innerhalb eines Brennstoffzellenstapels einen Anodenraum von einem Kathodenraum trennt, ist in der
Eine in der
Weitere Gestaltungsmöglichkeiten von Dichtungen in stapelförmigen Anordnungen elektrochemischer Zellen gehen zum Beispiel aus den Dokumenten
Die
Die
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in Stapelform aufgebaute elektrochemische Systeme gegenüber dem genannten Stand der Technik insbesondere unter fertigungs- und dichtungstechnischen Aspekten weiterzuentwickeln.The invention is based on the object of further developing electrochemical systems constructed in stack form compared to the aforementioned prior art, in particular with regard to manufacturing and sealing technology aspects.
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.This object is achieved according to the invention by an electrochemical cell stack which can be used in particular for hydrogen production and has the features of
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.
- - each electrochemical cell is formed from two half-cells which have a membrane as a common component which is held by a multi-part support frame,
- - the multi-part support frame is constructed from two frame elements of different widths, each assigned to a half-cell, which are stacked on top of one another with the insertion of a multi-layer foil arrangement overlapping the membrane,
- - there is a seal contacting a bipolar plate on the inside of each frame element facing the interior of the respective half-cell,
- - the two seals, which are offset from each other due to the different cross-sectional shape of the frame elements, each contact an outer layer of the film arrangement.
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.Thus, each of the two seals attached to a frame element is in contact with one layer of the foil arrangement and with one of the two bipolar plates between which the electrochemical cell, in particular the electrolysis cell, is formed. The foil arrangement represents a sealing component which is effective both between the two frame elements stacked on top of one another and also acts as a static seal together with the seals attached to the frame elements facing the active field.
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.The different widths of the frame elements mean that the distance between the inside and outside of the frame is different for the two frame elements. The outside of the frame can be flush with each other. On the inside of the frame, however, the two frame elements form a step. This means that the area enclosed by one frame element, which is often rectangular, is larger than the area enclosed by the other frame element.
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.Each half-cell of the electrochemical cell can contain two porous transport layers that are arranged one on top of the other and can be distinguished from one another. Differences can be found, for example, in the porosity and/or electrical conductivity of the various transport layers. In general, an inner transport layer that contacts the membrane can be distinguished from a comparatively thick outer transport layer that contacts one of the bipolar plates. The film arrangement that encloses the membrane, overlapping the membrane, can in particular be constructed in three layers, with the thickness of the entire film arrangement corresponding to the sum of the thickness of the membrane and the total thickness of the two inner, thin transport layers.
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.According to various possible designs, an equally flat intermediate region made up of the membrane and the two outer layers of the film arrangement is formed between the flat arrangement, which is made up of the membrane and the two inner transport layers, and the three-layer film arrangement. This means that the intermediate region represents the overlap between the membrane and the multi-layer film arrangement. Thus, three adjacent surface regions of equal thickness can exist. At least one of the two seals attached to the frame elements can contact the flat intermediate region. In particular, one of the two seals can rest on the top side and the other seal on the bottom side of the flat intermediate region. A section of each of the two outer transport layers can rest on the flat intermediate region.
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.Regardless of the presence and possible design of the flat intermediate area, the two seals can be offset from each other without overlapping. In this case, one of the two seals is supported on the frame element associated with the other half-cell, while the other seal is supported by the outer transport layer that is surrounded by the first-mentioned seal. In this design in particular, the cell stack can be operated with high differential pressures, for example pressures of more than 100 bar, between the anode side and the cathode side. This applies even in cases where hydrogen is to be sealed.
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.The frame element that supports one of the two seals is the wider frame element. Due to the wider cross-section of this frame element, this, together with the seal attached to it, limits a space available for the installation of the outer transport layer, which is smaller than the space enclosed by the narrower frame element including the seal. The outer transport layer enclosed by the latter frame element can have a lower elastic flexibility than the transport layer enclosed by the wider frame element. Each frame element represents a stable border for the associated seal.
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.Both frame elements are metal parts, whereby the seals can be bonded to the associated frame element in a material-locking manner, for example by injection molding. The seals can therefore be designed as edge bonding seals.
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.The cell stack can be used in particular as an electrolyzer for producing hydrogen from water. In general, the cell stack offers the possibility of operating the half-cells enclosed by the narrower frame elements under a higher pressure than the half-cells enclosed by the wider frame elements. In this way, in the case of electrochemical hydrogen production, hydrogen can be produced directly at a pressure of over 100 bar, which drastically reduces the effort required for subsequent compression of the hydrogen compared to conventional processes.
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 desZellenstapels 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.
-
1 section of an electrochemical cell stack for the production of hydrogen, -
2 a detail of the cell stack after1 , namely an arrangement of a catalytically coated membrane and foils located thereon, -
3 a bipolar plate of the cell stack, -
4 the cell stack in perspective view with some components separated in the manner of an exploded view.
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.An electrochemical cell stack, which is identified overall by the
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
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.The two half-
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.In each half-
Wie aus
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
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
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.Between the two superimposed frame elements 16, 17 made of metal there is a
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.The thickness of the
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 derMembran 6 und den beiden äußeren Folien 18, 20, - - die aus
18, 19, 20den drei Kunststofffolien gebildete Folienanordnung 9.
- - a first three-layer arrangement of the
membrane 6 and the two inner 10, 11,porous transport layers - - an
intermediate region 21, also a three-layer arrangement consisting of themembrane 6 and the two 18, 20,outer films - - the
film arrangement 9 formed from the three 18, 19, 20.plastic films
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.Each of the
Die Membran 6 ist beidseitig mit einer Katalysatorschicht 22 versehen. Der in
Bezugszeichenlistelist of reference symbols
- 11
- elektrochemischer Zellenstapelelectrochemical cell stack
- 22
- elektrochemische Zelle, Elektrolysezelleelectrochemical cell, electrolysis cell
- 33
- Halbzellehalf-cell
- 44
- Halbzellehalf-cell
- 55
- Bipolarplattebipolar plate
- 66
- Membranmembrane
- 77
- Trägerrahmen, mehrteiligsupport frame, multi-part
- 88
- Aktivfeldactive field
- 99
- Folienanordnungfoil arrangement
- 1010
- innere poröse Transportlage, anodenseitiginner porous transport layer, anode side
- 1111
- innere poröse Transportlage, kathodenseitiginner porous transport layer, cathode side
- 1212
- äußere poröse Transportlage, anodenseitigouter porous transport layer, anode side
- 1313
- äußere poröse Transportlage, kathodenseitigouter porous transport layer, cathode side
- 1414
- Dichtungseal
- 1515
- Dichtungseal
- 1616
- Rahmenelement, schmalframe element, narrow
- 1717
- Rahmenelement, breitframe element, wide
- 1818
- Folie, erste Lagefoil, first layer
- 1919
- Folie, zweite Lagefoil, second layer
- 2020
- Folie, dritte Lagefoil, third layer
- 2121
- Zwischenbereichintermediate area
- 2222
- Katalysatorschichtcatalyst layer
- 2323
- Portport
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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