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DE102023111278A1 - Electrochemical cell stack and method for operating an electrochemical cell stack - Google Patents

Electrochemical cell stack and method for operating an electrochemical cell stack Download PDF

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DE102023111278A1
DE102023111278A1 DE102023111278.3A DE102023111278A DE102023111278A1 DE 102023111278 A1 DE102023111278 A1 DE 102023111278A1 DE 102023111278 A DE102023111278 A DE 102023111278A DE 102023111278 A1 DE102023111278 A1 DE 102023111278A1
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DE
Germany
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cell stack
membrane
cell
frame
seals
Prior art date
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Application number
DE102023111278.3A
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German (de)
Inventor
Yuan Yao
Josef Hauck
Matthias Frank
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
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Publication date
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Priority to PCT/DE2024/100196 priority patent/WO2024227463A1/en
Priority to CN202480020721.0A priority patent/CN120835942A/en
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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.

Figure DE102023111278A1_0000
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).
Figure DE102023111278A1_0000

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 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.An electrolysis cell stack is, for example, made from WO 2018/078157 A1 The known electrolysis cell stack, i.e. electrolyzer, comprises a plurality of bipolar plates arranged in a stack, with membranes and porous transport layers, which are also generally referred to as porous transport layers (PTL), being located between the bipolar plates. According to the WO 2018/078157 A1 The bipolar plates each have a layer of Ir, Ru, Rh, Os, their oxides or mixtures thereof. This layer is intended to act as a corrosion protection layer within the electrochemical system.

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.The DE 10 2021 203 983 A1 discloses a single cell arrangement for a fuel cell stack. Here, a framed membrane electrode arrangement comprises an electrochemically active region made of two gas diffusion layers and a catalyst-coated membrane, which are bonded to a frame. Furthermore, the arrangement according to the DE 10 2021 203 983 A1 a bipolar plate which has flow distribution and guide elements in a flow region corresponding to the electrochemically active region. In an edge region of the bipolar plate surrounding the flow region, a sealing groove for receiving a seal between the frame and the bipolar plate is formed on at least one of the surfaces of the bipolar plate.

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.Another membrane assembly, which separates an anode compartment from a cathode compartment within a fuel cell stack, is in the DE 10 2009 039 905 A1 The membrane of the arrangement according to the DE 10 2009 039 905 A1 has an elongated rectangular shape, with several channels, also generally referred to as ports, for the passage of working gases, i.e. operating media, on both narrow sides of the rectangular membrane. The membrane is part of an MEA plate, which is surrounded by an auxiliary assembly section, which is designed as a dimensionally stable support frame. Within a connecting section, which connects the MEA plate to the support frame, there is, among other things, a seal designed as a sealing bead.

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.One in the DE 10 2008 028 117 A1 The arrangement for a fuel cell disclosed comprises a bipolar plate in the form of a flat component to which a sealing element is positively attached. The sealing element is essentially U-shaped.

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.Further design options for seals in stacked arrangements of electrochemical cells are given, for example, in the documents EP 3 039 734 B1 , DE 10 2006 058 335 A1 , DE 11 2015 002 427 T5 and WO 2021/104812A1 out.

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.The EP 3 356 575 B1 discloses a high or differential pressure electrolysis cell, which has an electrochemical cell with a high pressure side and a low pressure side. The electrochemical cell comprises two flow field plates and a membrane, which is arranged between the flow field plates and has a first side on the low pressure side and a second side on the high pressure side. Furthermore, the electrolyzer according to the EP 3 356 575 B1 a first porous support arranged between the first side of the membrane and the first flow field plate and which is relatively incompressible compared to other materials arranged between the plates. A first seal surrounds the first porous support, with a gap being formed between the first porous support and the seal. A second seal is arranged between the second side of the membrane and the second flow field plate. The device according to the invention further comprises EP 3 356 575 B1 a second porous carrier arranged on the second side of the membrane, which is more compressible than the first porous carrier. The electrolyzer after the EP 3 356 575 B1 shall be operable at a pressure difference between the high pressure side and the low pressure side of at least 40 bar.

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.The EP 3 496 194 B1 describes a membrane electrode unit with a circumferential seal. In this case, a sealing frame is constructed in three parts, whereby a sealing material is to be displaced in a defined manner by pressing individual parts of the sealing frame together.

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 claim 1. The object is also achieved by a method for operating an electrochemical cell stack according to claim 10. In the following in connection with The embodiments and advantages of the invention explained in the operating methods also apply mutatis mutandis to the device, i.e. the stack of electrochemical cells, and vice versa.

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.
The cell stack according to the application comprises a plurality of electrochemical cells, in particular electrolysis cells, which are separated from one another by bipolar plates in a basic concept known per se, whereby
  • - 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 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.
An embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to a drawing. In the drawing:
  • 1 section of an electrochemical cell stack for the production of hydrogen,
  • 2 a detail of the cell stack after 1 , 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 reference number 1, is designed as an electrolyzer for producing hydrogen. The cell stack 1 comprises a plurality of electrochemical cells 2, i.e. electrolysis cells, which are each made up of a first half-cell 3 and a second half-cell 4. Bipolar plates 5 separate a half-cell 3 of a first electrochemical cell 2 from a half-cell 4 of another electrochemical cell 2. The two half-cells 3, 4 of each electrochemical cell 2 are separated from one another by a proton-permeable membrane 6. The membrane 6 is located in a multi-part support frame 7, which is positioned like a sandwich between two bipolar plates 5 that are parallel to one another. For the supply and removal of operating and cooling media, the cell stack 1 has ports 23, which can be seen in each bipolar plate 23 and in the present case each have a circular cross-section.

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.The support frame 7 encloses an active field 8 of the electrolysis cell 2. Outside the active field 8, in which the desired electrochemical reactions take place, are the already mentioned 3 and 4 visible ports 23. Within each electrochemical cell 2, the operating media of the cell stack 1 flow, among other things, through porous transport layers 10, 11, 12 13, which are located in the half-cells 3, 4.

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-cells 3, 4 are of different widths. Without restricting generality, in the present cases the anode-side half-cell 3 is referred to as the upper half-cell and the cathode-side half-cell 4 as the lower half-cell. The anode-side half-cell 3 contains a fluid mixture that includes water and oxygen. Hydrogen is produced in the cathode-side half-cell 4. When the electrolyzer 1 is in the stationary state, there is a differential pressure between the two half-cells 3, 4 in the range of 30 bar to 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.In each half-cell 3, 4, an inner porous transport layer 10, 11 can be distinguished from an outer porous transport layer 12, 13. The characterization as an “inner” or “outer” layer refers to the proximity to the center plane of the respective electrochemical cell 2, which is given by the membrane 6. The anode-side inner porous transport layer 10, as well as the cathode-side inner porous transport layer 11, are located on the surface of the membrane 6. The much thicker outer porous transport layers 12, 13, i.e. the anode-side outer porous transport layer 12 and the cathode-side outer porous transport layer 13, lie on the inner porous transport layers 10, 11 and each contact a bipolar plate 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.As from 1 As can be seen, the anode-side outer porous transport layer 12 projects beyond the cathode-side outer porous transport layer 13. The two inner porous transport layers 10, 11, however, are of the same dimension in the embodiment.

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.The larger surface area of the anode-side outer porous transport layer 12 corresponds to a stepped cross-section of the multi-part support frame 7. The support frame 7 comprises a 1 upper frame element 16 and a lower frame element 17 which is wider in the cross-section shown, so that overall a stepped shape of the support frame 7 is given. The outer contours of both frame elements 16, 17 coincide with each other.

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.On the inner contours that enclose the active field 8, there are seals 14, 15 on the frame elements 16, 17. In this case, the seals 14, 15 are designed as edge bonding seals. The offset between the seals 14, 15, together with the stepped shape of the multi-part support frame 7 and the stability of the anode-side outer porous transport layer 12, contributes significantly to preventing accumulations of hydrogen in the gap-shaped area between the edge of the outer porous transport layer 12 and the seal 14, which is located on the frame element 16. The seals 14, 15 are made of an almost incompressible elastomer material. The sealing effect is initially achieved by the vertical pressure - based on the arrangement according to 1 - which acts on the seals 14, 15. The media pressure, which presses the seals 14, 15 against the associated frame elements 16, 17, reinforces this effect, so that one can speak of the effect of self-sealing.

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 multi-layer film arrangement 9 which comprises a first film 18, a second film 19 and a third film 20 as layers 18, 19, 20 of equal thickness in the exemplary embodiment. The film arrangement 9 does not completely fill the gap between the frame elements 16, 17. Rather, the membrane 6 extends into the gap and lies there between the two outer layers 18, 20 of the film arrangement 9. This forms a flat intermediate region 21, to which the three-layer arrangement of the membrane 6 and the two inner porous transport layers 10, 11 adjoins inwards, within the active field 8. The film arrangement 9, which is constructed from the three films 18, 19, 20, namely plastic films, adjoins the outer edge of the flat intermediate region 21 located within the support frame 7.

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 film arrangement 9 corresponds to the thickness of the intermediate region 21 as well as to the thickness of the arrangement consisting of the membrane 6 and the inner porous transport layers 10, 11 applied thereto.

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.
Thus, there are three flat, adjacent areas which, on the anode side, border on the outer porous transport layer 12, on the seal 14 and on the narrower frame element 16 and, on the cathode side, contact the outer porous transport layer 13, the seal 15 and the wider frame element 17:
  • - a first three-layer arrangement of the membrane 6 and the two inner porous transport layers 10, 11,
  • - an intermediate region 21, also a three-layer arrangement consisting of the membrane 6 and the two outer films 18, 20,
  • - the film arrangement 9 formed from the three plastic films 18, 19, 20.

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 seals 14, 15 rests on the intermediate region 21. Forces F, which act in the normal direction of the flat elements of the cell stack 1, are partially absorbed by the seals 14, 15. The anode-side seal 14 is supported on the wider frame element 17. The cathode-side seal 15, on the other hand, introduces a force F into the anode-side outer porous transport layer 12, which is significantly stiffer than the cathode-side outer porous transport layer 13.

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.The membrane 6 is provided with a catalyst layer 22 on both sides. 2 The structure of the membrane 6 illustrated is uniform up to the intermediate region 21. This means that in the intermediate region 21 the films 18, 20 each contact a catalyst layer 22, which has no catalytic function in the corresponding region 21. The films 18, 20 compensate for micro and macro roughnesses of the catalyst layers 22 and thus also fulfill a sealing function in addition to their electrically insulating function.

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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Claims (10)

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.Electrochemical cell stack (1) comprising a plurality of electrochemical cells (2) which are separated from one another 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 which are stacked on top of one another with the insertion of a multi-layer film arrangement (9) overlapping the membrane (6), - on the inside of each frame element (16, 17) facing the interior of the respective half-cell (3, 4) there is a seal (14, 15) which contacts a bipolar plate (5), - 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 have an outer layer (18, 20) of the foil arrangement (9). 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.Cell stack (1) after claim 1 , characterized in that in each half-cell (3, 4) there are two superimposed porous transport layers (10, 12; 11, 13), namely an inner transport layer (10, 11) contacting the membrane (6) and a comparatively thick outer transport layer (12, 13) contacting one of the bipolar plates (5), wherein the film arrangement (9) which encloses the membrane (6) and overlaps therewith is constructed in three layers, wherein the thickness of the film arrangement (9) corresponds to the sum of the thickness of the membrane (6) and the total thickness of the two inner transport layers (10, 11). 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.Cell stack (1) after claim 1 , characterized in that the overlap between the membrane (6) and the film arrangement (9) forms a flat intermediate region (21) which is formed from the membrane (6) and the two outer layers (18, 20) of the film arrangement (9), wherein at least one of the two seals (14, 15) contacts the flat intermediate region (21). Zellenstapel (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der flächige Zwischenbereich (21) die beiden äußeren Transportlagen (12, 13) kontaktiert.Cell stack (1) after claim 3 , characterized in that the flat intermediate region (21) contacts the two outer transport layers (12, 13). 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.Cell stack (1) according to one of the Claims 2 until 4 , characterized in that the outer transport layer (12) which is enclosed by the narrower frame element (16) has a lower elastic flexibility than the transport layer (13) enclosed by the wider frame element (17). Zellenstapel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Dichtungen (14, 15) überlappungsfrei gegeneinander versetzt sind.Cell stack (1) according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that the two seals (14, 15) are offset from one another without overlap. Zellenstapel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenelemente (16, 17) als Metallrahmen ausgebildet sind.Cell stack (1) according to one of the Claims 1 until 6 , characterized in that the frame elements (16, 17) are designed as metal frames. Zellenstapel (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungen (14, 15) jeweils stoffschlüssig mit dem zugehörigen Rahmenelement (16, 17) verbunden sind.Cell stack (1) after claim 7 , characterized in that the seals (14, 15) are each materially connected to the associated frame element (16, 17). Verwendung eines Zellenstapels (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse.Use of a cell stack (1) according to one of the Claims 1 until 8 for the production of hydrogen by electrolysis. 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.Method for operating an electrochemical cell stack (1) according to one of the Claims 1 until 8 , wherein the half-cell (3) enclosed by the narrower frame element (16) is operated under a higher pressure than the half-cell (4) enclosed by the wider frame element (17).
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