DE102023201518A1

DE102023201518A1 - Electrode chamber ring seal for an electrolysis cell stack

Info

Publication number: DE102023201518A1
Application number: DE102023201518.8A
Authority: DE
Inventors: Jochen Wessner; Annika Utz; Fabian Visschers; Frederik Hug; Harald Bauer; Li Wang; Thomas Wagner; Tobias Schuler; Walter Goorts
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2023-02-21
Filing date: 2023-02-21
Publication date: 2024-08-22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrodenraum-Ringdichtung (100) für einen Elektrolysezellenstapel (10) insbesondere eines Wasser-Elektrolyseurs oder eines Kohlendioxid-Elektrolyseurs, mit einer fluiddichtenden, biegeschlaffen Ringdichtung (110), welche in eine Umfangsrichtung (Ur) der Elektrodenraum-Ringdichtung (100) im Wesentlichen vollständig umläuft, wobei ein in die Umfangsrichtung (Ur) umlaufender Versteifungsrahmen (120) lediglich teilweise in die Ringdichtung (110) eingebettet ist, und der Versteifungsrahmen (120) außen an der Ringdichtung (110) wenigstens einen Rahmenhalter (124) aufweist.The invention relates to an electrode chamber ring seal (100) for an electrolysis cell stack (10), in particular of a water electrolyzer or a carbon dioxide electrolyzer, with a fluid-tight, flexible ring seal (110) which runs essentially completely in a circumferential direction (Ur) of the electrode chamber ring seal (100), wherein a stiffening frame (120) running in the circumferential direction (Ur) is only partially embedded in the ring seal (110), and the stiffening frame (120) has at least one frame holder (124) on the outside of the ring seal (110).

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrodenraum-Ringdichtung für einen Elektrolysezellenstapel insbesondere eines Wasser-Elektrolyseurs oder eines Kohlendioxid-Elektrolyseurs. Ferner betrifft die Erfindung einen Elektrolysezellenstapel, ein Verfahren zum Betreiben eines Elektrolysezellenstapels sowie ein Elektrolyseuraggregat und ein Elektrolyseursystem.The invention relates to an electrode chamber ring seal for an electrolysis cell stack, in particular a water electrolyzer or a carbon dioxide electrolyzer. The invention further relates to an electrolysis cell stack, a method for operating an electrolysis cell stack, and an electrolyzer unit and an electrolyzer system.

Stand der TechnikState of the art

Z. B. in einem Wasser-Elektrolyseur eines Elektrolyseuraggregats (stationär oder mobil) z. B. eines Elektrolyseursystems bspw. einer Elektrolyseuranalge, erfolgt eine elektrochemische Wandlung von Wasser mithilfe von elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff unter Bildung von Wärme. Hierbei umfasst das Elektrolyseuraggregat zumindest eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA: Membrane Electrode Assembly) mit einer AEM (Anion Exchange Membrane) oder einer PEM (Proton Exchange Membrane). In der Regel ist das Elektrolyseuraggregat mit einer Vielzahl von in einem Stapel angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten und dazwischen angeordneter Bipolarplatten ausgebildet, dem sogenannten Elektrolysezellenstapel (Stack) mit einer Mehrzahl von Einzel-Elektrolysezellen (Einzelzellen).For example, in a water electrolyzer of an electrolyzer unit (stationary or mobile), e.g. an electrolyzer system, an electrochemical conversion of water into hydrogen and oxygen takes place using electrical energy, generating heat. The electrolyzer unit comprises at least one membrane electrode assembly (MEA) with an AEM (anion exchange membrane) or a PEM (proton exchange membrane). The electrolyzer unit is usually designed with a large number of membrane electrode units arranged in a stack and bipolar plates arranged between them, the so-called electrolysis cell stack with a plurality of individual electrolysis cells (individual cells).

AufgabenstellungTask

Bei einem Elektrolyseur kommen in den Randbereichen seiner elektrochemischen Einzelzellen zur Fluiddichtung dicke Dichtschnüre zum Einsatz. Im Elektrolysezellenstapel ist solch eine Dichtschnur mit einer Membran-Elektroden-Einheit gegen eine Bipolarplatte gestapelt, wobei die Dichtschnur einen kathodenseitigen oder einen anodenseitigen Medienaustritt aus einer Einzelzelle verhindert. Solch eine Form der Fluiddichtung ist leckageanfällig. - Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserte Fluiddichtung für einen Elektrolysezellenstapel anzugeben.In an electrolyzer, thick sealing cords are used in the edge areas of its electrochemical individual cells for fluid sealing. In the electrolysis cell stack, such a sealing cord is stacked with a membrane electrode unit against a bipolar plate, whereby the sealing cord prevents media from escaping from an individual cell on the cathode side or the anode side. Such a form of fluid seal is susceptible to leakage. - It is an object of the invention to provide an improved fluid seal for an electrolysis cell stack.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die Aufgabe der Erfindung ist mittels einer Elektrodenraum-Ringdichtung für einen Elektrolysezellenstapel insbesondere eines Wasser-Elektrolyseurs oder eines Kohlendioxid-Elektrolyseurs, mittels eines Elektrolysezellenstapels, durch ein Verfahren zum Betreiben eines Elektrolysezellenstapels, sowie mittels eines Elektrolyseuraggregats und eines Elektrolyseursystems gelöst. - Vorteilhafte Weiterbildungen, zusätzliche Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der folgenden Beschreibung.The object of the invention is achieved by means of an electrode chamber ring seal for an electrolysis cell stack, in particular a water electrolyzer or a carbon dioxide electrolyzer, by means of an electrolysis cell stack, by a method for operating an electrolysis cell stack, and by means of an electrolyzer unit and an electrolyzer system. - Advantageous developments, additional features and/or advantages of the invention emerge from the dependent claims and the following description.

Im Rahmen von Untersuchungen zu Elektrolyseuren wurde festgestellt, dass die dicken Dichtschnüre in den Randbereichen der Einzelzellen eines Elektrolyseurs aufgrund ihrer Biegeschlaffheit zu unerwünschten Verformungen neigen, was in der Folge zu einer Leckage im Elektrolyseur führen kann. - Die erfindungsgemäße Elektrodenraum-Ringdichtung umfasst eine fluiddichtende, biegeschlaffe Ringdichtung, welche in eine Umfangsrichtung der Elektrodenraum-Ringdichtung im Wesentlichen vollständig umläuft, wobei ein in die Umfangsrichtung umlaufender Versteifungsrahmen lediglich teilweise in die Ringdichtung eingebettet ist, und der Versteifungsrahmen außen an der Ringdichtung wenigstens einen Rahmenhalter aufweist. Bevorzugt ist die Ringdichtung und somit die Elektrodenraum-Ringdichtung an ihrem Umfang geschlossen ausgebildet.During investigations into electrolyzers, it was found that the thick sealing cords in the edge areas of the individual cells of an electrolyzer tend to undergo undesirable deformations due to their flexural flexibility, which can subsequently lead to a leak in the electrolyzer. - The electrode chamber ring seal according to the invention comprises a fluid-tight, flexurally slack ring seal which runs essentially completely around the electrode chamber ring seal in a circumferential direction, with a stiffening frame running around the circumferential direction only partially embedded in the ring seal, and the stiffening frame having at least one frame holder on the outside of the ring seal. The ring seal and thus the electrode chamber ring seal are preferably designed to be closed on their circumference.

Der Versteifungsrahmen kann einen in die Umfangsrichtung umlaufenden Rahmenkern aufweisen, wobei der Rahmenkern wenigstens teilweise oder vollständig umlaufend ausgebildet ist. Im zweiten Fall ist der Rahmenkern an seinem Umfang bevorzugt geschlossen ausgebildet. Der Rahmenkern kann einen flachen, insbesondere einen im Wesentlichen langgestreckt-rechteckigen Querschnitt aufweisen. Hierbei kann eine Breite des Querschnitts, mit oder ohne einer Dicke des äußeren Rahmenhalters, ungefähr das dreifache, vierfache, fünffache, sechsfache, achtfache, zehnfache, zwölffache, 15-fache oder 20-fache einer Höhe des Querschnitts betragen. Ferner kann der Rahmenkern wenigstens teilweise oder im Wesentlichen vollständig in die Ringdichtung eingebettet sein. Hierbei kann z. B. eine Seite des Rahmenkerns außen an der Ringdichtung sichtbar sein.The stiffening frame can have a frame core running around in the circumferential direction, the frame core being at least partially or completely circumferential. In the second case, the frame core is preferably closed at its periphery. The frame core can have a flat, in particular a substantially elongated rectangular cross-section. In this case, a width of the cross-section, with or without a thickness of the outer frame holder, can be approximately three times, four times, five times, six times, eight times, ten times, twelve times, 15 times or 20 times a height of the cross-section. Furthermore, the frame core can be at least partially or substantially completely embedded in the ring seal. In this case, for example, one side of the frame core can be visible on the outside of the ring seal.

Der äußere Rahmenhalter kann vom Rahmenkern ausgehend sich aus der Ringdichtung herauserstrecken. Ferner kann sich der äußere Rahmenhalter in Stapelrichtung des Elektrolysezellenstapels außen an seiner Ringdichtung entlangerstrecken. Des Weitern kann sich der äußere Rahmenhalter in Stapelrichtung über seine Ringdichtung hinwegerstrecken.The outer frame holder can extend from the frame core out of the ring seal. Furthermore, the outer frame holder can extend along the outside of its ring seal in the stacking direction of the electrolysis cell stack. Furthermore, the outer frame holder can extend beyond its ring seal in the stacking direction.

Der äußere Rahmenhalter kann derart ausgebildet sein, dass er von einer Ebene seines Rahmenkerns gewinkelt, insbesondere in einem rechten Winkel, absteht. Mittels eines Übergangsbereichs (Knick, Biegung) des Rahmenkerns in den äußeren Rahmenhalter sowie mittels des äußeren Rahmenhalters lässt sich eine Stützwirkung des Versteifungsrahmens für die Ringdichtung durch Hinzukommen einer weiteren Erstreckungsdimension des Versteifungsrahmens erhöhen. Mittels solch eines Übergangsbereichs sowie mittels des äußeren Rahmenhalters ist ein höheres Widerstandsmoment gegen Verformungen des Versteifungsrahmens erzeugt.The outer frame holder can be designed in such a way that it protrudes from a plane of its frame core at an angle, in particular at a right angle. By means of a transition area (kink, bend) of the frame core into the outer frame holder and by means of the outer frame holder, a supporting effect of the stiffening frame for the ring seal can be increased by adding a further extension dimension of the stiffening frame. By means of such a transition area and by means of the outer frame holder, a higher section modulus is possible. against deformation of the stiffening frame.

Ferner kann der äußere Rahmenhalter derart ausgebildet sein, dass er außen an der Ringdichtung seiner Elektrodenraum-Ringdichtung ansitzt. Des Weiteren kann der äußere Rahmenhalter derart ausgebildet sein, dass er an wenigstens einer Ringdichtung einer benachbarten Elektrodenraum-Ringdichtung ansitzbar ist. In diesem Fall sitzt der äußere Rahmenhalter natürlich auch an der Ringdichtung seiner Elektrodenraum-Ringdichtung außen an.Furthermore, the outer frame holder can be designed such that it sits on the outside of the ring seal of its electrode chamber ring seal. Furthermore, the outer frame holder can be designed such that it can be seated on at least one ring seal of an adjacent electrode chamber ring seal. In this case, the outer frame holder naturally also sits on the outside of the ring seal of its electrode chamber ring seal.

Wenigstens ein äußerer Rahmenhalter kann derart ausgebildet in eine einzige Stapelrichtung von der Elektrodenraum-Ringdichtung wegstehen, dass wenigstens eine benachbarte Bipolarplatte und/oder wenigstens eine benachbarte Membran-Elektroden-Einheit wenigstens teilweise zentrierbar ist, und/oder wenigstens eine Ringdichtung einer benachbarten Elektrodenraum-Ringdichtung wenigstens teilweise zentrierbar ist. - Wenigstens zwei äußere Rahmenhalter können derart ausgebildet in beide Stapelrichtungen von der Elektrodenraum-Ringdichtung wegstehen, dass wenigstens eine einerseits benachbarte Bipolarplatte und eine andererseits benachbarte Membran-Elektroden-Einheit teilweise zentrierbar sind, und/oder wenigstens eine Ringdichtung einer einerseits benachbarten Elektrodenraum-Ringdichtung und wenigstens eine Ringdichtung einer andererseits benachbarten Elektrodenraum-Ringdichtung teilweise zentrierbar sind.At least one outer frame holder can be designed to protrude from the electrode chamber ring seal in a single stacking direction such that at least one adjacent bipolar plate and/or at least one adjacent membrane electrode unit can be at least partially centered, and/or at least one ring seal of an adjacent electrode chamber ring seal can be at least partially centered. - At least two outer frame holders can be designed to protrude from the electrode chamber ring seal in both stacking directions such that at least one adjacent bipolar plate and an adjacent membrane electrode unit can be partially centered, and/or at least one ring seal of an adjacent electrode chamber ring seal and at least one ring seal of an adjacent electrode chamber ring seal can be partially centered.

Der Versteifungsrahmen kann eine Vielzahl von Rahmenhaltern aufweisen, wobei die Rahmenhalter auf einander gegenüberliegenden Seiten im Versteifungsrahmen eingerichtet sind und die Rahmenhalter senkrecht auf einer Ebene des Versteifungsrahmens stehen. Die Rahmenhalter können in Umfangsrichtung zweiseitig, dreiseitig, vierseitig, fünfseitig, sechsseitig, siebenseitig, achtseitig oder vollständig umlaufend im Versteifungsrahmen eingerichtet sein.The stiffening frame can have a plurality of frame holders, wherein the frame holders are arranged on opposite sides in the stiffening frame and the frame holders are perpendicular to a plane of the stiffening frame. The frame holders can be arranged on two sides, three sides, four sides, five sides, six sides, seven sides, eight sides or completely around the circumference in the stiffening frame.

Die Rahmenhalter können in Umfangsrichtung alternierend in die eine Stapelrichtung und die andere Stapelrichtung vom Versteifungsrahmen abstehen. Hierbei können auch jeweils mehrere Rahmenhalter zunächst in die eine Stapelrichtung und in Umfangsrichtung folgend in die andere Stapelrichtung alternierend vom Versteifungsrahmen abstehen. Der Versteifungsrahmen kann mit einer Vielzahl von Rahmenhaltern kronenförmig ausgebildet sein. Hierbei können die Zacken (Rahmenhalter) der Krone (Versteifungsrahmen) lediglich einseitig oder beidseitig abstehen.The frame holders can protrude from the stiffening frame in the circumferential direction, alternating in one stacking direction and the other stacking direction. In this case, several frame holders can protrude from the stiffening frame, initially in one stacking direction and then in the circumferential direction, alternating in the other stacking direction. The stiffening frame can be designed in a crown shape with a large number of frame holders. In this case, the points (frame holders) of the crown (stiffening frame) can protrude on just one side or on both sides.

In einer zur Ebene des Versteifungsrahmens parallelen Haupterstreckungsrichtung des Versteifungsrahmens betrachtet, können einander im Wesentlichen diametral gegenüberstehende äußere Rahmenhalter auf Lücke stehen. Ferner kann sich bei dieser Betrachtung ein Rahmenhalter in die eine Stapelrichtung und ein im Wesentlichen diametral gegenüberstehender Rahmenhalter in die andere Stapelrichtung wegerstrecken. Des Weiteren können bei dieser Betrachtung auf einander gegenüberliegenden Seiten keine Rahmenhalter am Versteifungsrahmen gerichtet sein.Viewed in a main extension direction of the stiffening frame parallel to the plane of the stiffening frame, essentially diametrically opposed outer frame holders can be spaced apart. Furthermore, in this view, a frame holder can extend in one stacking direction and an essentially diametrically opposed frame holder can extend in the other stacking direction. Furthermore, in this view, no frame holders can be directed at the stiffening frame on opposite sides.

Der Versteifungsrahmen kann aus einem Kunststoff oder einem Metall ausgebildet sein. Der Rahmenkern kann mit dem wenigstens einen äußeren Rahmenhalter integral als der Versteifungsrahmen ausgebildet sein. Unter einer integralen Ausbildung des inneren Rahmenkerns mit den äußeren Rahmenhaltern ist eine Verbindung verstanden, bei welcher es nur ein einziges, nur unter dessen Zerstörung teilbares Bauteil, also den Versteifungsrahmen, gibt. Der gesamte Versteifungsrahmen ist aus einem einzigen Ursprungsstück (Blech, Rohling etc.) und einer einzigen Ursprungsmasse (Metallschmelze, Kunststoffschmelze) gefertigt, welche ihrerseits gezwungenermaßen integral ist. Ein innerer Zusammenhalt des Versteifungsrahmens erfolgt mittels Adhäsion und/oder Kohäsion. Hierbei kann zusätzlich eine ggf. partielle Laminierung, Beschichtung, Galvanisierung etc. des Versteifungsrahmens vorliegen.The stiffening frame can be made of a plastic or a metal. The frame core can be formed integrally with the at least one outer frame holder as the stiffening frame. An integral formation of the inner frame core with the outer frame holders is understood to mean a connection in which there is only a single component that can only be separated by destroying it, i.e. the stiffening frame. The entire stiffening frame is made from a single original piece (sheet metal, blank, etc.) and a single original mass (molten metal, molten plastic), which in turn is necessarily integral. The stiffening frame is held together internally by means of adhesion and/or cohesion. In addition, partial lamination, coating, galvanization, etc. of the stiffening frame can be present.

Die Ringdichtung kann einen äußeren Zentrierbund für eine Bipolarplatte oder eine Membran-Elektroden-Einheit aufweisen. Hierbei kann die Bipolarplatte oder die Membran-Elektroden-Einheit innerhalb des Zentrierbunds auf/in der Ringdichtung aufgenommen sein, wobei die Bipolarplatte bzw. die Membran-Elektroden-Einheit keinen unmittelbaren mechanischen Kontakt zum Rahmenhalter besitzt. Der Versteifungsrahmen kann als ein Stanzteil, insbesondere ein Formstanzteil und/oder ein Stanzbiegeteil, ausgebildet sein.The ring seal can have an outer centering collar for a bipolar plate or a membrane electrode unit. The bipolar plate or the membrane electrode unit can be accommodated within the centering collar on/in the ring seal, whereby the bipolar plate or the membrane electrode unit has no direct mechanical contact with the frame holder. The stiffening frame can be designed as a stamped part, in particular a formed stamped part and/or a stamped and bent part.

Der erfindungsgemäße Elektrolysezellenstapel umfasst eine Vielzahl von Bipolarplatten und eine Vielzahl von Membran-Elektroden-Einheiten, welche sich in einem eigentlichen Elektrolysezellenstapel des Elektrolysezellenstapels miteinander abwechseln, sowie eine Vielzahl von jeweils dazwischen angeordneten erfindungsgemäßen Elektrodenraum-Ringdichtungen. Hierbei kann der Elektrolysezellenstapel natürlich Endplatten, ggf. wenigstens eine Zwischenpatte, ein Stapelgehäuse etc. aufweisen.The electrolysis cell stack according to the invention comprises a plurality of bipolar plates and a plurality of membrane electrode units, which alternate with one another in an actual electrolysis cell stack of the electrolysis cell stack, as well as a plurality of electrode chamber ring seals according to the invention arranged between them. The electrolysis cell stack can of course have end plates, optionally at least one intermediate plate, a stack housing, etc.

In Ausführungsformen können die äußeren Rahmenhalter außen am eigentlichen Elektrolysezellenstapel nicht ringförmig um den eigentlichen Elektrolysezellenstapel umlaufen. D. h. die Rahmenhalter liegen an einem vollständigen Umfang um die Stapelrichtung herum nicht in einer Umfangsebene des Elektrolysezellenstapels. Hierbei steht die Umfangsebene dieses Umfangs natürlich senkrecht auf der Stapelrichtung.In embodiments, the outer frame holders on the outside of the actual electrolysis cell stack cannot run in a ring-like manner around the actual electrolysis cell stack. This means that the frame holders are not located in a circumferential plane of the electrolysis cell stack on a complete circumference around the stacking direction. Circumferential plane of this circumference naturally perpendicular to the stacking direction.

Ferner können die Rahmenhalter eines Umfangs des eigentlichen Elektrolysezellenstapels alternierend bezüglich einer Umfangsebene des Elektrolysezellenstapels angeordnet sein, welche senkrecht auf der Stapelrichtung steht. Des Weiteren können bei einer Umfangsteilung der äußeren Rahmenhalter eines Versteifungsrahmens von α (in Grad), einander in Stapelrichtung im Wesentlichen unmittelbar benachbarte Elektrodenraum-Ringdichtungen um α/2 versetzt im Elektrolysezellenstapel eingerichtet sein. Dies ist insbesondere auf runde oder vieleckige, aber auch auf quadratische und rechteckige Elektrolysezellenstapel anwendbar.Furthermore, the frame holders of a circumference of the actual electrolysis cell stack can be arranged alternately with respect to a circumferential plane of the electrolysis cell stack, which is perpendicular to the stacking direction. Furthermore, with a circumferential pitch of the outer frame holders of a stiffening frame of α (in degrees), electrode chamber ring seals that are essentially immediately adjacent to one another in the stacking direction can be arranged in the electrolysis cell stack offset by α/2. This is particularly applicable to round or polygonal, but also to square and rectangular electrolysis cell stacks.

Die Bipolarplatten und/oder die Membran-Elektroden-Einheiten können jeweils an ihren beiden großflächigen Seiten zwei Elektrodenraum-Ringdichtungen aufweisen. Hierbei können jeweils bezüglich einer gemeinsamen Ebene dieser beiden Seiten innere Begrenzungsflächen der Elektrodenraum-Ringdichtungen einen Versatz aufweisen. D. h. z. B., dass ein (anoden- bzw. kathodenseitiger) (Umfangs-)Spalt zwischen einer oberen/unteren Elektrodenraum-Ringdichtung und einer betreffenden Transportstruktur und ein (kathoden- bzw. anodenseitiger) (Umfangs-)Spalt zwischen einer unteren/oberen Elektrodenraum-Ringdichtung und einer betreffenden Transportstruktur zueinander versetzt im Zellenstapel eingerichtet sind.The bipolar plates and/or the membrane electrode units can each have two electrode chamber ring seals on their two large-surface sides. In this case, inner boundary surfaces of the electrode chamber ring seals can each have an offset with respect to a common plane of these two sides. This means, for example, that a (anode- or cathode-side) (circumferential) gap between an upper/lower electrode chamber ring seal and a respective transport structure and a (cathode- or anode-side) (circumferential) gap between a lower/upper electrode chamber ring seal and a respective transport structure are arranged offset from one another in the cell stack.

Ferner kann hierbei wenigstens ein Abschnitt eines inneren Umfangsrands einer ersten Elektrodenraum-Ringdichtung bezüglich eines im Wesentlichen unmittelbar benachbarten Abschnitts eines inneren Umfangsrands einer zweiten Elektrodenraum-Ringdichtung nach innen versetzt sein und vice versa. Des Weiteren kann ein innerer vollständiger Umfangsrand einer ersten Elektrodenraum-Ringdichtung konzentrisch bezüglich eines inneren vollständigen Umfangsrands einer zweiten Elektrodenraum-Ringdichtung eingerichtet sein. Hierbei liegen die Umfangsränder in Stapelrichtung nicht direkt übereinander, sondern sind ,radial' zueinander versetzt angeordnet. D. h. ein innerer Umfangsrand begrenzt eine größere Fläche als der andere innere Umfangsrand.Furthermore, at least one section of an inner peripheral edge of a first electrode chamber ring seal can be offset inwards with respect to a substantially immediately adjacent section of an inner peripheral edge of a second electrode chamber ring seal and vice versa. Furthermore, an inner complete peripheral edge of a first electrode chamber ring seal can be arranged concentrically with respect to an inner complete peripheral edge of a second electrode chamber ring seal. In this case, the peripheral edges do not lie directly on top of one another in the stacking direction, but are arranged 'radially' offset from one another. This means that one inner peripheral edge delimits a larger area than the other inner peripheral edge.

Analoges kann für die Transportstrukturen einer einzelnen Membran-Elektroden-Einheit gelten. D. h. ein äußerer Umfangsrand der Transportstruktur einer großflächigen Seite der Membran-Elektroden-Einheit ist gegenüber einem äußeren Umfangsrand der Transportstruktur der andern großflächigen Seite dieser Membran-Elektroden-Einheit bezüglich einer Ebene der Membran-Elektroden-Einheit versetzt eingerichtet. Hierbei kann der Umfangsrand der ersten Transportstruktur gegenüber dem Umfangsrand der zweiten Transportstruktur an einem Abschnitt einseitig, zweiseitig, dreiseitig, vierseitig oder allseitig bezüglich der Ebene versetzt eingerichtet sein. Bevorzugt ist wiederum ein Umfangsrand gegenüber dem anderen Umfangsrand konzentrisch eingerichtet, natürlich wiederum bevorzugt ohne mit ersterer deckungsgleich zu sein. Der betreffende Umfangsrand erstreckt sich dabei natürlich in Stapelrichtung.The same can apply to the transport structures of an individual membrane electrode unit. This means that an outer peripheral edge of the transport structure of a large-area side of the membrane electrode unit is offset relative to an outer peripheral edge of the transport structure of the other large-area side of this membrane electrode unit with respect to a plane of the membrane electrode unit. In this case, the peripheral edge of the first transport structure can be offset relative to the peripheral edge of the second transport structure on one side, two sides, three sides, four sides or all sides with respect to the plane. Preferably, one peripheral edge is again set up concentrically with the other peripheral edge, of course again preferably without being congruent with the former. The peripheral edge in question naturally extends in the stacking direction.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bei einem Elektrolysezellenstapel aufweisend eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Elektrodenraum-Ringdichtungen, eine Kathodenseite des Elektrolysezellenstapels gegenüber einer Anodenseite des Elektrolysezellenstapels mit einem Fluidüberdruck von gleich oder größer als: 20bar, 25bar, 30bar, 35bar oder 40bar betrieben. - Das erfindungsgemäße Elektrolyseuraggregat oder das erfindungsgemäße Elektrolyseursystem weist einen Elektrolysezellenstapel auf, wobei der Elektrolysezellenstapel eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Elektrodenraum-Ringdichtungen aufweist, als ein erfindungsgemäßer Elektrolysezellenstapel ausgebildet ist und/oder durch ein erfindungsgemäßes Verfahren betrieben wird. Hierbei kann das Elektrolyseuraggregat natürlich als ein Wasser-Elektrolyseuraggregat oder ein Kohlendioxid-Elektrolyseuraggregat und das Elektrolyseursystem als ein Wasser-Elektrolyseursystem oder ein Kohlendioxid-Elektrolyseursystem ausgebildet sein.In the method according to the invention, in an electrolysis cell stack having a plurality of electrode chamber ring seals according to the invention, a cathode side of the electrolysis cell stack is operated with a fluid overpressure of equal to or greater than: 20 bar, 25 bar, 30 bar, 35 bar or 40 bar relative to an anode side of the electrolysis cell stack. - The electrolyzer unit according to the invention or the electrolyzer system according to the invention has an electrolysis cell stack, wherein the electrolysis cell stack has a plurality of electrode chamber ring seals according to the invention, is designed as an electrolysis cell stack according to the invention and/or is operated by a method according to the invention. The electrolyzer unit can of course be designed as a water electrolyzer unit or a carbon dioxide electrolyzer unit and the electrolyzer system as a water electrolyzer system or a carbon dioxide electrolyzer system.

Kurzbeschreibung der FigurenShort description of the characters

Die Erfindung ist im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte schematische und nicht maßstabsgetreue Zeichnung näher erläutert. Bei der Erfindung kann ein Merkmal positiv, d. h. vorhanden, oder negativ, d. h. abwesend, ausgestaltet sein. In dieser Spezifikation ist ein negatives Merkmal als Merkmal nicht explizit erläutert, wenn nicht gemäß der Erfindung Wert daraufgelegt ist, dass es abwesend ist. D. h. die tatsächlich gemachte und nicht eine durch den Stand der Technik konstruierte Erfindung darin besteht, dieses Merkmal wegzulassen. Das Fehlen eines Merkmals (negatives Merkmal) in einem Ausführungsbeispiel zeigt, dass das Merkmal ggf. (Fachmann) optional ist. - In den lediglich beispielhaften Figuren (Fig.) der Zeichnung zeigen:

Die 1 in einem vereinfachten Blockschaltbild eine Ausführungsform eines Elektrolyseuraggregats mit einem elektrochemischen Elektrolysezellenstapel für ein Elektrolyseursystem,
die 2 bis 4 jeweils einen Ausschnitt aus einem geschnitten dargestellten Elektrolysezellenstapel mit Ausführungsformen erfindungsgemäßer Elektrodenraum-Ringdichtungen,
die 5 eine Seitenansicht auf einen Versteifungsrahmen (oben) einer Elektrodenraum-Ringdichtung sowie eine Draufsicht auf zwei übereinander gestapelte rechteckige Versteifungsrahmen (unten), und
die 6 eine Draufsicht auf einen Ausschnitt eines runden Versteifungsrahmens einer Elektrodenraum-Ringdichtung mit einer Umfangsteilung seiner äußeren Rahmenhalter.

The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments with reference to the attached schematic and not to scale drawing. In the invention, a feature can be designed positively, i.e. present, or negatively, i.e. absent. In this specification, a negative feature is not explicitly explained as a feature unless it is important according to the invention that it is absent. This means that the invention actually made and not one constructed by the prior art consists in omitting this feature. The absence of a feature (negative feature) in an exemplary embodiment shows that the feature may be optional (to a person skilled in the art). - In the purely exemplary figures (Fig.) of the drawing show:

The 1 in a simplified block diagram an embodiment of an electrolyzer unit with an electrochemical electrolysis cell stack for an electrolyzer system,
the 2 to 4 each shows a section of a sectioned electrolysis cell stack with embodiments of electrode chamber ring seals according to the invention,
the 5 a side view of a stiffening frame (top) of an electrode chamber ring seal and a top view of two rectangular stiffening frames stacked on top of each other (bottom), and
the 6 a plan view of a section of a round stiffening frame of an electrode chamber ring seal with a circumferential division of its outer frame holders.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Elektrolyseuraggregats 1 (vgl. die 1) mit einem Elektrolysezellenstapel 10 für einen Wasser-Elektrolyseur zur Umwandlung von Wasser in Wasserstoff (und Sauerstoff) näher erläutert. Die Erfindung ist auch auf andere Elektrolyseuraggregate 1, wie z. B. ein Elektrolyseuraggregat 1 mit einem Kohlendioxid-Elektrolyseur zur Umwandlung von Kohlendioxid und Wasser in Kohlenmonoxid und Wasserstoff, anwendbar (vgl. auch oben).The invention is described below using an electrolyzer unit 1 (see the 1 ) with an electrolysis cell stack 10 for a water electrolyzer for converting water into hydrogen (and oxygen) is explained in more detail. The invention is also applicable to other electrolyzer units 1, such as an electrolyzer unit 1 with a carbon dioxide electrolyzer for converting carbon dioxide and water into carbon monoxide and hydrogen (see also above).

In der Zeichnung sind nur diejenigen Abschnitte des Elektrolyseuraggregats 1 eines Elektrolyseursystems bspw. einer Elektrolyseuranlage dargestellt, welche für ein Verständnis der Erfindung notwendig sind. - Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher beschrieben und illustriert ist, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Ausführungsbeispiele eingeschränkt. Andere Variationen können hieraus abgeleitet werden ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.The drawing only shows those sections of the electrolyzer unit 1 of an electrolyzer system, for example an electrolyzer plant, which are necessary for understanding the invention. - Although the invention is described and illustrated in more detail by preferred embodiments, the invention is not limited by the disclosed embodiments. Other variations can be derived from this without departing from the scope of the invention.

Die 1 zeigt ein Elektrolyseuraggregat 1 gemäß einer allgemeinen Ausführungsform, mit wenigstens einer, insbesondere einer Vielzahl von zu einem Elektrolysezellenstapel 10 gebündelten elektrochemischen Einzelzellen 11 (Einzel-Elektrolysezelle 11), welche in einem bevorzugt fluiddichten Stapelgehäuse 16 untergebracht sind. Jede Einzelzelle 11 umfasst einen als Anodenraum 12 ausgebildeten Elektrodenraum 12 und einen als Kathodenraum 13 ausgebildeten Elektrodenraum 13, welche von einer Membran einer Membran-Elektroden-Einheit 15 räumlich und elektrisch voneinander getrennt sind.The 1 shows an electrolyzer unit 1 according to a general embodiment, with at least one, in particular a plurality of electrochemical individual cells 11 (individual electrolysis cell 11) bundled into an electrolysis cell stack 10, which are accommodated in a preferably fluid-tight stack housing 16. Each individual cell 11 comprises an electrode chamber 12 designed as an anode chamber 12 and an electrode chamber 13 designed as a cathode chamber 13, which are spatially and electrically separated from one another by a membrane of a membrane electrode unit 15.

Zwischen zwei direkt zueinander benachbarten Membran-Elektroden-Einheiten 15, 15 inkl. eines betreffenden Anodenraums 12 und eines jeweiligen Kathodenraums 13 ist eine Bipolarplatte 14 angeordnet, welche u. a. einer Hinführung/Abführung von Medien 3 / 4, 6 in einen Anodenraum 12 einer ersten Einzelzelle 11 bzw. einen Kathodenraum 13 einer direkt dazu benachbarten zweiten Einzelzelle 11 dient und darüber hinaus eine elektrisch leitende Verbindung zwischen diesen Einzelzellen 11, 11 realisiert. - Die Kathodenräume 13 und ggf. deren gemeinsamer Zuflussbereich bzw. deren eigentliche Elektroden bilden dabei eine Kathode 39 und die Anodenräume 12 und ggf. deren gemeinsamer Zuflussbereich bzw. deren eigentliche Elektroden bilden dabei eine Anode 29 des Elektrolysezellenstapel 10.A bipolar plate 14 is arranged between two directly adjacent membrane electrode units 15, 15 including a respective anode chamber 12 and a respective cathode chamber 13, which serves, among other things, to supply/discharge media 3/4, 6 into an anode chamber 12 of a first individual cell 11 or a cathode chamber 13 of a directly adjacent second individual cell 11 and also creates an electrically conductive connection between these individual cells 11, 11. - The cathode chambers 13 and, if applicable, their common inflow area or their actual electrodes form a cathode 39, and the anode chambers 12 and, if applicable, their common inflow area or their actual electrodes form an anode 29 of the electrolysis cell stack 10.

Prinzipiell kann eine Membran-Elektroden-Einheit 15 des Elektrolysezellenstapels 10 eine AEM (Anion Exchange Membrane: Anionen-Austausch-Membran) oder eine PEM (Proton Exchange Membrane: Protonen-Austausch-Membran) in Form einer CCM (Catalyst Coated AEM/PEM: katalysatorbeschichtete Anionen- bzw. Protonen-Austausch-Membran) aufweisen. Des Weiteren weißt eine Membran-Elektroden-Einheit 15 bevorzugt Transportstrukturen (PTLs (Porous Transport Layers), Sintermetallelemente, Faserelemente, Flussfelder und/oder Strömungsstrukturen etc.) an ihren großflächigen Seiten auf. Die in der Zeichnung nicht explizit dargestellten Transportstrukturen der Membran-Elektroden-Einheiten 15 sind dabei in den Anodenräumen 12 und den Kathodenräumen 13 des Elektrolysezellenstapels 10 eingerichtet.In principle, a membrane electrode unit 15 of the electrolysis cell stack 10 can have an AEM (anion exchange membrane) or a PEM (proton exchange membrane) in the form of a CCM (catalyst coated AEM/PEM). Furthermore, a membrane electrode unit 15 preferably has transport structures (PTLs (porous transport layers), sintered metal elements, fiber elements, flow fields and/or flow structures, etc.) on its large-area sides. The transport structures of the membrane electrode units 15, which are not explicitly shown in the drawing, are set up in the anode compartments 12 and the cathode compartments 13 of the electrolysis cell stack 10.

Das Elektrolyseursystem umfasst neben dem Elektrolyseuraggregat 1 periphere Systemkomponenten, wie z. B. ein Steuergerät, welches eines der Elektrolyseuranalge selbst sein kann, etc. - Zum Versorgen des Elektrolysezellenstapels 10 mit Wasser 3 als einem Versorgungsmedium 3 weist das Elektrolyseuraggregat 1 eine Wasserversorgung 20 auf. Und zum Entnehmen der Medien 4, 6 des Elektrolysezellenstapels 10 weist das Elektrolyseuraggregat 1 eine Medienentnahme 30 auf.In addition to the electrolyzer unit 1, the electrolyzer system comprises peripheral system components, such as a control unit, which can be one of the electrolyzer system itself, etc. - To supply the electrolysis cell stack 10 with water 3 as a supply medium 3, the electrolyzer unit 1 has a water supply 20. And to remove the media 4, 6 from the electrolysis cell stack 10, the electrolyzer unit 1 has a media removal 30.

Die Wasserversorgung 20 umfasst insbesondere: ein Wasserreservoir 23 für das Wasser 3 (hinströmend), einen Versorgungspfad 21 (Mediumpfad 21) sowie eine Wasser-Fördereinrichtung 26 am/im Versorgungspfad 21. - Die Medienentnahme 30 weist wenigstens einen Entsorgungspfad 31 (Mediumpfad 31) für (KühlWasser 4 oder (Kühl-)Wasser mit Sauerstoff 4 zurück in das Wasserreservoir 23, ggf. mit einem Gasabscheider für Sauerstoff, und/oder in eine andere Richtung (gestrichelt dargestellt), z. B. in die Umgebung 2, auf.The water supply 20 comprises in particular: a water reservoir 23 for the water 3 (flowing in), a supply path 21 (medium path 21) and a water conveying device 26 on/in the supply path 21. - The media extraction 30 has at least one disposal path 31 (medium path 31) for (cooling water 4 or (cooling) water with oxygen 4 back into the water reservoir 23, if necessary with a gas separator for oxygen, and/or in another direction (shown in dashed lines), e.g. into the environment 2.

Ein Produktmedium 6 des Elektrolyseuraggregats 1, d. h. der produzierte Wasserstoff 6 wird durch einen Produktmediumpfad 32 (Mediumpfad 32) der Medienentnahme 30 hindurch abtransportiert. Hierbei kann im Produktmediumpfad 32 ein Wasserabscheider 33 mit einem Ventil 34 eingesetzt sein, um Wasser im Produktmediumpfad 32 abzuscheiden. Das im Wasserabscheider 33 abgeschiedene Wasser kann zurück in das Wasserreservoir 23 oder in eine andere Richtung, z. B. in die Umgebung 2, (gravitativ) gefördert werden. Der produzierte Wasserstoff 6 kann z. B. in einem Wasserstoffspeicher 40 gespeichert werden, wobei der Produktmediumpfad 32 direkt im Wasserstoffspeicher 40 münden kann. Ein anderweitiger Abtransport des Wasserstoffs 6 ist natürlich möglich.A product medium 6 of the electrolyzer unit 1, ie the hydrogen 6 produced, is transported away through a product medium path 32 (medium path 32) of the media removal 30. In this case, a water separator 33 with a valve 34 can be used in the product medium path 32 to separate water in the product medium path 32. The water separated in the water separator 33 can be conveyed back into the water reservoir 23 or in another direction, e.g. into the environment 2 (gravitationally). The hydrogen 6 produced can, e.g. be stored in a hydrogen storage tank. cher 40, whereby the product medium path 32 can flow directly into the hydrogen storage 40. Another way of transporting the hydrogen 6 away is of course possible.

Je nach einer Ausführungsform des Elektrolyseuraggregats 1 kann eine Medienführung im Elektrolysezellenstapel 10 unterschiedlich ausgebildet sein. Hierbei ist es möglich, eine von einer elektrochemischen Funktion des Elektrolysezellenstapels 10 unterschiedliche Temperierung, insbesondere Wasserkühlung, vorzusehen oder die Temperierung zusammen mit der elektrochemischen Funktion des Elektrolysezellenstapel 10 zu realisieren.Depending on the embodiment of the electrolyzer unit 1, a media guide in the electrolysis cell stack 10 can be designed differently. In this case, it is possible to provide a temperature control that is different from an electrochemical function of the electrolysis cell stack 10, in particular water cooling, or to implement the temperature control together with the electrochemical function of the electrolysis cell stack 10.

Insbesondere ist es möglich, bei Membran-Elektroden-Einheiten 15 mit AEMs eine ggf. ausschließlich anodenseitige Zufuhr von Wasser 3 einzurichten (gepunkteter Pfeil bei der Anode 29). Hierbei kann das Wasser 3 direkt in die ,Anode' 29 strömen. Ferner ist es möglich, bei Membran-Elektroden-Einheiten 15 mit PEMs eine ggf. ausschließlich kathodenseitige 39 Zufuhr von Wasser 3 einzurichten (gepunkteter Pfeil bei der Kathode 39). Hierbei kann das Wasser 3 direkt in die ,Kathode' 39 strömen.In particular, it is possible to set up a supply of water 3 on the anode side of membrane electrode units 15 with AEMs (dotted arrow at the anode 29). The water 3 can flow directly into the 'anode' 29. Furthermore, it is possible to set up a supply of water 3 on the cathode side of membrane electrode units 15 with PEMs (dotted arrow at the cathode 39). The water 3 can flow directly into the 'cathode' 39.

Die Membranen der Membran-Elektroden-Einheiten 15 sollen bei einem PEM-Elektrolyseur nur Kationen, also in der Regel H⁺-Ionen, zur Kathode passieren lassen. Im Falle eines alkalischen AEM-Elektolyseurs, welcher anodenseitig und/oder kathodenseitig mit alkalischer Lösung, z. B. einer KOH-Lösung betrieben wird, passieren nur Anionen, also in der Regel OH^--Ionen, die Membranen in Richtung Anode. - Im Folgenden ist ein PEM-Elektrolyseur beispielhaft erläutert.In a PEM electrolyzer, the membranes of the membrane electrode units 15 should only allow cations, i.e. usually H ⁺ ions, to pass to the cathode. In the case of an alkaline AEM electrolyzer, which is operated on the anode side and/or cathode side with an alkaline solution, e.g. a KOH solution, only anions, i.e. usually OH ^- ions, pass through the membranes towards the anode. - A PEM electrolyzer is explained below as an example.

Bei einem PEM-Elektrolyseur wird den Anodenräumen 12 Wasser zugeführt sowie Wasser und Sauerstoff von dort abgeführt. Die Kathodenräume 13 beinhalten vorzugsweise mehrheitlich den gebildeten Wasserstoff. Insbesondere weisen die Kathodenräume 13 einen höheren Druck, z. B. in einer Größenordnung von ca. 25bar bis ca. 30bar und ggf. darüber auf. Dieser Druck ist höher als ein Druck, welcher auf die Anodenräume 12 wirkt und dort in einer Größenordnung von ca. 1 bar bis. ca. 5bar liegt. - Die Elektrodenräume 12, 13 müssen im Elektrolysezellenstapel 10 gegeneinander abgedichtet sein. Das Abdichten kann durch Dichtungsplatten, flächig aufgetragene Dichtmasse oder durch Dichtschnüre in Form von O-Ringen erfolgen.In a PEM electrolyzer, water is supplied to the anode chambers 12 and water and oxygen are removed from there. The cathode chambers 13 preferably contain the majority of the hydrogen formed. In particular, the cathode chambers 13 have a higher pressure, e.g. in the order of approx. 25 bar to approx. 30 bar and possibly more. This pressure is higher than a pressure that acts on the anode chambers 12 and there is in the order of approx. 1 bar to approx. 5 bar. - The electrode chambers 12, 13 must be sealed against each other in the electrolysis cell stack 10. Sealing can be achieved using sealing plates, sealing compound applied over the surface or sealing cords in the form of O-rings.

Die jeweilige Fig. der 2 bis 4 zeigt einen Ausschnitt des Elektrolysezellenstapels 10 mit seinen alternierend eingerichteten Bipolarplatten 14 und Membran-Elektroden-Einheiten 15, wobei zwischen einer jeden Bipolarplatten 14 und einer jeden Membran-Elektroden-Einheit 15 ein Elektrodenraum 12, 13 eingerichtet ist. Jeder Elektrodenraum 12, 13 ist in Stapelrichtung Sr des Elektrolysezellenstapels 10 von einer Bipolarplatte 14 und einer unmittelbar dazu benachbarten Membran-Elektroden-Einheiten 15 begrenzt und fluidgedichtet. Ferner ist jeder Elektrodenraum 12, 13 ,radial' nach außen hin von erfindungsgemäßen, in Umfangsrichtung Ur vollständig umlaufenden Elektrodenraum-Ringdichtungen 100 zwischen der betreffenden Bipolarplatte 14 und der unmittelbar dazu benachbarten Membran-Elektroden-Einheit 15 fluidgedichtet. Die jeweilige Elektrodenraum-Ringdichtungen 100 ist dabei an ihrem Umfang geschlossen ausgebildet.The respective figure of the 2 to 4 shows a section of the electrolysis cell stack 10 with its alternately arranged bipolar plates 14 and membrane electrode units 15, with an electrode chamber 12, 13 being arranged between each bipolar plate 14 and each membrane electrode unit 15. Each electrode chamber 12, 13 is delimited in the stacking direction Sr of the electrolysis cell stack 10 by a bipolar plate 14 and a membrane electrode unit 15 immediately adjacent thereto and is fluid-sealed. Furthermore, each electrode chamber 12, 13 is fluid-sealed 'radially' outwards by electrode chamber ring seals 100 according to the invention, which run completely around the circumference Ur between the relevant bipolar plate 14 and the membrane electrode unit 15 immediately adjacent thereto. The respective electrode chamber ring seals 100 are designed to be closed on their circumference.

Eine Elektrodenraum-Ringdichtung 100 ist wenigstens zweiteilig aufgebaut, wobei in eine fluiddichtende eigentliche Ringdichtung 110 ein Versteifungsrahmen 120 teilweise eingebettet ist. Der Versteifungsrahmen 120 weist einen (inneren) Rahmenkern 122 (vgl. auch oben) auf, welcher wenigstens teilweise in die Ringdichtung 110 eingebettet ist. Ferner weist der Versteifungsrahmen 120 ,radial' außen an der Ringdichtung 110 wenigstens einen (äußeren) Rahmenhalter 124 (vgl. auch oben) auf, welcher dem Versteifungsrahmen 120 eine wesentliche Steifheit gibt und derart der biegeschlaffen Ringdichtung 110 eine wesentliche Formstabilität verleiht.An electrode chamber ring seal 100 is constructed in at least two parts, with a stiffening frame 120 being partially embedded in a fluid-tight ring seal 110. The stiffening frame 120 has an (inner) frame core 122 (see also above), which is at least partially embedded in the ring seal 110. Furthermore, the stiffening frame 120 has at least one (outer) frame holder 124 (see also above) 'radially' on the outside of the ring seal 110, which gives the stiffening frame 120 a significant stiffness and thus provides the flexible ring seal 110 with significant dimensional stability.

Der Rahmenhalter 124 erstreckt sich vom Rahmenkern 122 ausgehend aus der Ringdichtung 110 heraus. Außen an der Ringdichtung 110 kann sich der Rahmenhalter 124 in Stapelrichtung Sr außen an seiner Ringdichtung 110 entlang und ggf. darüber hinaus erstrecken. Hierbei geht der Rahmenkern 122 über einen Übergangsbereich 123 in den Rahmenhalter 124 über. Hierbei ist der Übergangsbereich 123 insbesondere als ein Knick, eine Biegung etc. im Versteifungsrahmen 120 eingerichtet. - In einem Querschnitt weist hier der Versteifungsrahmen 120 eine L-Form auf, wobei ein Schenkel des ,L' von einem Querschnitt des Rahmenkerns 122 und der andere Schenkel des ,L' von einem Querschnitt des Rahmenhalters 124 gebildet ist. Der Übergangsbereich 123 ist dabei durch den Übergang vom einen in den anderen Schenkel des ,L' verdeutlicht.The frame holder 124 extends from the frame core 122 out of the ring seal 110. On the outside of the ring seal 110, the frame holder 124 can extend in the stacking direction Sr along the outside of its ring seal 110 and possibly beyond. The frame core 122 merges into the frame holder 124 via a transition region 123. The transition region 123 is designed in particular as a kink, a bend, etc. in the stiffening frame 120. - In a cross section, the stiffening frame 120 has an L-shape, with one leg of the 'L' being formed by a cross section of the frame core 122 and the other leg of the 'L' being formed by a cross section of the frame holder 124. The transition region 123 is illustrated by the transition from one leg of the 'L' to the other.

Der Rahmenhalter 124 kann in einem Elektrolysezellenstapel 10 lediglich an seiner Ringdichtung 110 ansitzen (nicht dargestellt). Ferner kann sich der Rahmenhalter 124 in einen Außenbereich einer zu seiner Ringdichtung 110 im Wesentlichen direkt benachbarten Ringdichtung 100 (vgl. 3) hineinerstrecken, oder auch über diese benachbarte Ringdichtung 100 hinaus in einen Außenbereich einer sich an diese Ringdichtung 100 im Wesentlichen unmittelbar anschließende weitere Ringdichtung 100 (vgl. 2). Dies kann ggf. fortgesetzt sein.The frame holder 124 can only be seated on its ring seal 110 in an electrolysis cell stack 10 (not shown). Furthermore, the frame holder 124 can be located in an outer region of a ring seal 100 that is essentially directly adjacent to its ring seal 110 (cf. 3 ), or also beyond this adjacent ring seal 100 into an outer region of a further ring seal 100 which is essentially immediately adjacent to this ring seal 100 (cf. 2 ). This may be continued.

Je nach einer Form der Elektrodenraum-Ringdichtung 100 können die Rahmenhalter 124 einseitig, zweiseitig, dreiseitig, vierseitig etc. am Versteifungsrahmen 120 vorgesehen sein. Bei einem quadratischen oder rechteckigen Versteifungsrahmen 120 können die Rahmenhalter 124 insbesondere zweiseitig (vgl. die 5) oder vierseitig vorgesehen sein. Sind hierbei die Rahmenhalter 124 zweiseitig vorgesehen, so sind sie, in Richtung einer Ebene des Versteifungsrahmens 120 betrachtet, auf einander gegenüber liegenden Seiten des Versteifungsrahmens 120 eingerichtet. Bei einer Elektrodenraum-Ringdichtung 100 mit einem kreisförmigen oder elliptischen Grundriss können die Rahmenhalter 124 teilweise oder vollständig umlaufend am Versteifungsrahmen 120 vorgesehen sein.Depending on the shape of the electrode chamber ring seal 100, the frame holders 124 can be provided on one side, two sides, three sides, four sides, etc. on the stiffening frame 120. In the case of a square or rectangular stiffening frame 120, the frame holders 124 can in particular be provided on two sides (cf. the 5 ) or four-sided. If the frame holders 124 are provided on two sides, they are arranged on opposite sides of the stiffening frame 120, viewed in the direction of a plane of the stiffening frame 120. In the case of an electrode chamber ring seal 100 with a circular or elliptical outline, the frame holders 124 can be provided partially or completely circumferentially on the stiffening frame 120.

Die Rahmenhalter 124 können jeweils bevorzugt im Wesentlichen rechtwinklig von einer Ebene des Versteifungsrahmens 120 in Stapelrichtung Sr einseitig oder zweiseitig abstehen (vgl. 5 oben). Und je nach einer Ausführungsform können die Rahmenhalter 124 gleich lang oder unterschiedlich lang ausgebildet sein. - Bevorzugt ist es, dass die Elektrodenraum-Ringdichtungen 100 derart ausgebildet sind, dass diese einfach ineinander gestapelt werden können, wobei die Elektrodenraum-Ringdichtungen 100 bevorzugt im Wesentlichen identisch ausgebildet sind (vgl. die 5 unten und 6). Hierdurch kann eine richtige Montage sichergestellt werden.The frame holders 124 can each preferably protrude substantially at right angles from a plane of the stiffening frame 120 in the stacking direction Sr on one side or on both sides (cf. 5 above). And depending on an embodiment, the frame holders 124 can be of the same length or of different lengths. - It is preferred that the electrode chamber ring seals 100 are designed in such a way that they can be easily stacked into one another, wherein the electrode chamber ring seals 100 are preferably designed essentially identically (cf. the 5 below and 6 This will ensure correct installation.

Eine hierfür mögliche Ausführungsform zeigt die 5 unten. Hierbei sind die Rahmenhalter 124 zweiseitig einander gegenüberliegend am rechteckigen Versteifungsrahmen 120 vorgesehen, wobei die Rahmenhalter 124 von einer Ebene des Versteifungsrahmens 120 einseitig wegstehen. Hierbei stehen einander im Wesentlichen diametral gegenüberstehende äußere Rahmenhalter 124 auf Lücke.A possible embodiment is shown in the 5 below. The frame holders 124 are provided on two sides opposite one another on the rectangular stiffening frame 120, with the frame holders 124 projecting away from a plane of the stiffening frame 120 on one side. In this case, outer frame holders 124 which are essentially diametrically opposed to one another are spaced apart.

Die Versteifungsrahmen 120, also die Elektrodenraum-Ringdichtungen 100, 100, ... sind dabei derart ausgebildet, dass auf eine erste Elektrodenraum-Ringdichtung 100 (z. B. in der 5 durchgezogen dargestellt) eine identische zweite Elektrodenraum-Ringdichtung 100 (z. B. in der 5 gestrichelt dargestellt) gesteckt werden kann, wobei die zweite Elektrodenraum-Ringdichtung 100 gegenüber der ersten Elektrodenraum-Ringdichtung 100 um 180° (Umfangsrichtung Ur) in einer Ebene der Elektrodenraum-Ringdichtung 100 gedreht montiert wird. - Dies lässt sich natürlich auf die vier Seiten des Versteifungsrahmens 120 oder vielseitige Versteifungsrahmen 120 anwenden; d. h. der Winkel ist prinzipiell beliebig. Bevorzugt sind hierbei die Rahmenhalter 124 alle gleich lang. The stiffening frames 120, i.e. the electrode chamber ring seals 100, 100, ... are designed such that a first electrode chamber ring seal 100 (e.g. in the 5 shown in solid lines) an identical second electrode chamber ring seal 100 (e.g. in the 5 shown in dashed lines), the second electrode chamber ring seal 100 being mounted rotated by 180° (circumferential direction Ur) relative to the first electrode chamber ring seal 100 in a plane of the electrode chamber ring seal 100. - This can of course be applied to the four sides of the stiffening frame 120 or versatile stiffening frames 120; ie the angle is in principle arbitrary. Preferably, the frame holders 124 are all the same length.

Die Anordnung kann bei Rechteckgeometrie um 180° (5) und bei quadratischen Geometrien des Versteifungsrahmens 120 kann eine Verdrehung der Versteifungsrahmen 120, 120, ... bzw. der Elektrodenraum-Ringdichtungen 100, 100, ... in 90°-Schritten erfolgen. Bei runden (elliptischen, kreisrunden) Geometrien beträgt eine Stufung α/2 mit α (in Grad) als einer Umfangsteilung (Zwischenraum zwischen zwei Rahmenhaltern 124) des Versteifungsrahmens 120 (vgl. 6). - Andere Ausführungsformen sind natürlich möglich.The arrangement can be rotated by 180° ( 5 ) and with square geometries of the stiffening frame 120, the stiffening frames 120, 120, ... or the electrode chamber ring seals 100, 100, ... can be rotated in 90° increments. With round (elliptical, circular) geometries, the increment is α/2 with α (in degrees) as a circumferential pitch (space between two frame holders 124) of the stiffening frame 120 (cf. 6 ). - Other embodiments are of course possible.

Ferner zeigt die 4 Zentrierbunde 111 betreffender Ringdichtungen 110 für die Bipolarplatten 14 des Elektrolysezellenstapels 10. Die Zentrierbunde 111 verhindern einen elektrischen Kontakt der jeweiligen Bipolarplatte 14 mit einem betreffenden Rahmenhalter 124. Zentrierbunde können analog auch für Membran-Elektroden-Einheiten 15 vorgesehen sein. - Bei sämtlichen Ausführungsformen der Erfindung können Elektrodenraum-Ringdichtungen (100) angewendet sein, welche keine Rahmenhalter 124 aufweisen. Hierbei ist lediglich der (innere) Rahmenkern 122 wenigstens teilweise in die betreffende Ringdichtung 110 eingebettet.Furthermore, the 4 Centering collars 111 of the respective ring seals 110 for the bipolar plates 14 of the electrolysis cell stack 10. The centering collars 111 prevent electrical contact between the respective bipolar plate 14 and a respective frame holder 124. Centering collars can also be provided analogously for membrane electrode units 15. - In all embodiments of the invention, electrode chamber ring seals (100) can be used which do not have frame holders 124. In this case, only the (inner) frame core 122 is at least partially embedded in the respective ring seal 110.

Des Weiteren zeigen die 2 bis 4 einen Versatz 130 der Elektrodenraum-Ringdichtungen 100, 100 bezüglich einer Bipolarplatte 14, was analog auf die betreffenden Transportstrukturen zweier im Wesentlichen unmittelbar zueinander benachbarter Membran-Elektroden-Einheit 15 zutrifft. Des Weiteren zeigen diese Fig. einen Versatz 132 der Elektrodenraum-Ringdichtungen 100, 100 bezüglich einer Membran-Elektroden-Einheit 15, was analog auf die betreffenden Transportstrukturen eine einzigen Membran-Elektroden-Einheit 15 zutrifft.Furthermore, the 2 to 4 an offset 130 of the electrode chamber ring seals 100, 100 with respect to a bipolar plate 14, which analogously applies to the respective transport structures of two essentially directly adjacent membrane electrode units 15. Furthermore, these figures show an offset 132 of the electrode chamber ring seals 100, 100 with respect to a membrane electrode unit 15, which analogously applies to the respective transport structures of a single membrane electrode unit 15.

Claims

Electrode chamber ring seal (100) for an electrolysis cell stack (10), in particular of a water electrolyzer or a carbon dioxide electrolyzer, with a fluid-tight, flexible ring seal (110) which runs essentially completely in a circumferential direction (Ur) of the electrode chamber ring seal (100), characterized in that a stiffening frame (120) running in the circumferential direction (Ur) is only partially embedded in the ring seal (110), wherein the stiffening frame (120) has at least one frame holder (124) on the outside of the ring seal (110).

Electrode chamber ring seal (100) according to the preceding claim, characterized in that the stiffening frame (120) has a frame core (122) running around in the circumferential direction (Ur), wherein: • the frame core (122) is at least partially or is formed completely circumferentially, • the frame core (122) has a flat, in particular a substantially elongated-rectangular cross-section, and/or • the frame core (122) is at least partially or substantially completely embedded in the ring seal (110).

Electrode chamber ring seal (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the outer frame holder (124): • extends from the frame core (122) out of the ring seal (110), • extends along the outside of its ring seal (110) in the stacking direction (Sr) of the electrolysis cell stack (10), and/or • extends beyond its ring seal (110) in the stacking direction (Sr).

Electrode chamber ring seal (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the outer frame holder (124) is designed such that: • it protrudes from a plane of its frame core (122) at an angle, in particular at a right angle, • it sits on the outside of the ring seal (110) of its electrode chamber ring seal (100), and/or • it can be seated on at least one ring seal (110) of an adjacent electrode chamber ring seal (100).

Electrode chamber ring seal (100) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one outer frame holder (124) is designed to protrude from the electrode chamber ring seal (100) in a single stacking direction (Sr) such that at least one adjacent bipolar plate (14) and/or at least one adjacent membrane electrode unit (15) can be at least partially centered, and/or at least one ring seal (110) of an adjacent electrode chamber ring seal (100) can be at least partially centered.

Electrode chamber ring seal (100) according to one of the preceding claims, characterized in that at least two outer frame holders (124) are designed to protrude from the electrode chamber ring seal (100) in both stacking directions (Sr) such that at least one bipolar plate (14) adjacent on the one hand and one membrane electrode unit (15) adjacent on the other hand can be partially centered, and/or at least one ring seal (110) of an electrode chamber ring seal (100) adjacent on the one hand and at least one ring seal (110) of an electrode chamber ring seal (100) adjacent on the other hand can be partially centered.

Electrode chamber ring seal (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the stiffening frame (120) has a plurality of frame holders (124), wherein: • the frame holders (124) are arranged on opposite sides in the stiffening frame (120) and the frame holders (124) are perpendicular to a plane of the stiffening frame (120), • the frame holders (124) are arranged in the circumferential direction (Ur) on two sides, three sides, four sides, five sides, six sides, seven sides, eight sides or completely around the stiffening frame (120), • the frame holders (124) protrude from the stiffening frame (120) in the circumferential direction (Ur) alternately in one stacking direction (Sr) and the other stacking direction (Sr), and/or • the stiffening frame (120) is designed in a crown shape with a plurality of frame holders.

Electrode chamber ring seal (100) according to one of the preceding claims, characterized in that viewed in a main extension direction of the stiffening frame (120) parallel to the plane of the stiffening frame (120): • essentially diametrically opposed outer frame holders (124) are spaced apart, • one frame holder (124) extends in one stacking direction (Sr) and an essentially diametrically opposed frame holder (124) extends in the other stacking direction (Sr), and/or • no frame holders (124) are directed at the stiffening frame (120) on opposite sides.

Electrode chamber ring seal (100) according to one of the preceding claims, characterized in that: • the stiffening frame (120) is made of a plastic or a metal, • the frame core (122) with the at least one outer frame holder (124) is integrally formed as the stiffening frame (120), and/or • the ring seal (110) has an outer centering collar (111) for a bipolar plate (14) or a membrane electrode unit (15).

Electrolysis cell stack (10) for a water electrolyzer or a carbon dioxide electrolyzer of an electrolyzer unit (1), with a plurality of bipolar plates (14) and a plurality of membrane electrode units (15), which alternate with one another in an actual electrolysis cell stack of the electrolysis cell stack (10), as well as a plurality of electrode chamber ring seals (100) arranged between them, characterized in that Electrode chamber ring seals (100) of the actual cell stack are designed according to one of the preceding claims.

Electrolysis cell stack (10) according to the preceding claim, characterized in that: • the outer frame holders (124) on the outside of the actual electrolysis cell stack (10) do not run in a ring around the actual electrolysis cell stack (10), • the frame holders (124) of a circumference of the actual electrolysis cell stack (10) are arranged alternately with respect to a circumferential plane of the electrolysis cell stack (10) which is perpendicular to the stacking direction (Sr), and/or • with a circumferential pitch of the outer frame holders (124) of a stiffening frame (120) of α, electrode chamber ring seals (100, 100) which are essentially immediately adjacent to one another in the stacking direction (Sr) are arranged in the electrolysis cell stack (10) offset by α/2.

Electrolysis cell stack (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the bipolar plates (120) and/or the membrane electrode units (15) each have two electrode chamber ring seals (100, 100) on their two large-area sides, wherein: • inner boundary surfaces of the electrode chamber ring seals (100, 100) each have an offset (130, 132) with respect to a common plane of these two sides, • at least a section of an inner peripheral edge of a first electrode chamber ring seal (100) is offset inwards with respect to a substantially immediately adjacent section of an inner peripheral edge of a second electrode chamber ring seal (100), and/or • an inner complete peripheral edge of a first electrode chamber ring seal (100) is arranged concentrically with respect to an inner complete peripheral edge of a second electrode chamber ring seal (100).

Method for operating an electrolysis cell stack (10), in particular for a water electrolyzer or a carbon dioxide electrolyzer, wherein the electrolysis cell stack (10) has a plurality of electrode chamber ring seals (100) according to one of the preceding claims, characterized in that a cathode side of the electrolysis cell stack (10) is operated with a fluid overpressure of equal to or greater than: 20 bar, 25 bar, 30 bar, 35 bar or 40 bar relative to an anode side of the electrolysis cell stack (10).

Electrolyzer unit (1) or electrolyzer system, characterized in that the electrolyzer unit (1) or the electrolyzer system comprises an electrolysis cell stack (10) which comprises a plurality of electrode chamber ring seals (100) according to one of the preceding claims, as an electrolysis cell stack (10) according to Claim 10 and/or by a method according to Claim 11 is operated.