DE102023212858A1

DE102023212858A1 - Electrode frame for an electrochemical cell stack

Info

Publication number: DE102023212858A1
Application number: DE102023212858.6A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Hoffmann; Konstantin Lindenthal
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2023-12-18
Filing date: 2023-12-18
Publication date: 2025-06-18
Also published as: CN223898316U

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Elektrodenrahmen (100) für einen elektrochemischen Zellenstapel, insbesondere einen Elektrolysezellenstapel oder einen Brennstoffzellenstapel, wobei der Elektrodenrahmen (100), zum radialen (Rr) Fluiddichten eines Elektrodenraums des sich in Axialrichtung (Ax) ersteckenden Zellenstapels, um seine Elektrodenraum-Durchgangsausnehmung (103) in Umfangsrichtung (Ur) umläuft, wobei der Elektrodenrahmen (100) einen außen umlaufenden Außenrahmen (120) und radial (Rr) darin einen Innenrahmen (110) mit der Elektrodenraum-Durchgangsausnehmung (103) umfasst, wobei ein repräsentatives Volumenelement des Außenrahmens (120) steifer als ein gleich großes repräsentatives Volumenelement des Innenrahmens (110) ausgebildet ist.

The invention relates to an electrode frame (100) for an electrochemical cell stack, in particular an electrolysis cell stack or a fuel cell stack, wherein the electrode frame (100) runs around its electrode space through-hole (103) in the circumferential direction (Ur) for the radial (Rr) fluid sealing of an electrode space of the cell stack extending in the axial direction (Ax), wherein the electrode frame (100) comprises an outer frame (120) running around the outside and an inner frame (110) with the electrode space through-hole (103) radially (Rr) therein, wherein a representative volume element of the outer frame (120) is designed to be stiffer than a representative volume element of the inner frame (110) of the same size.

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektrodenrahmen sowie eine Zelllage für einen elektrochemischen Zellenstapel. Ferner betrifft die Erfindung einen elektrochemischen Zellenstapel, ein elektrochemisches Aggregat und ein elektrochemisches System, insbesondere ein Elektrolyseursystem oder ein Brennstoffzellensystem.The invention relates to an electrode frame and a cell layer for an electrochemical cell stack. Furthermore, the invention relates to an electrochemical cell stack, an electrochemical assembly, and an electrochemical system, in particular an electrolyzer system or a fuel cell system.

Stand der TechnikState of the art

Bei der Elektrolyse (AEM-EL, PEM-EL, AEL etc.; siehe unten) durch ein Elektrolyseuraggregat z. B. eines Elektrolysesystems (stationär oder mobil) ggf. einer Elektrolyseanlage (stationär), erfolgt ein elektrochemisches Aufsplitten von Wassermolekülen mithilfe von elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff unter Bildung von Wärme. Hierbei umfasst das Elektrolyseuraggregat zumindest eine Membran-Elektroden-Einrichtung (Membran mit Transportschichten und jeweils dazwischen eingerichteten Elektroden) mit z. B. einer AEM (Anion Exchange Membrane), einer PEM (Proton Exchange Membrane) oder einem Diaphragma (AEL: alkalische Elektrolyse). In der Regel ist das Elektrolyseuraggregat mit einer Vielzahl von in einem Stapel angeordneter Membran-Elektroden-Einrichtungen und dazwischen angeordneter Bipolarplatten ausgebildet, dem sogenannten Elektrolysezellenstapel (Stack) mit einer Mehrzahl von Einzel-Elektrolysezellen (Einzelzellen).During electrolysis (AEM-EL, PEM-EL, AEL, etc.; see below) using an electrolyzer unit, e.g., an electrolysis system (stationary or mobile) or, if applicable, an electrolysis plant (stationary), water molecules are electrochemically split into hydrogen and oxygen using electrical energy, generating heat. The electrolyzer unit comprises at least one membrane electrode device (membrane with transport layers and electrodes arranged between them), e.g., an AEM (anion exchange membrane), a PEM (proton exchange membrane), or a diaphragm (AEL: alkaline electrolysis). Typically, the electrolyzer unit is configured with a plurality of membrane electrode devices arranged in a stack with bipolar plates arranged between them, the so-called electrolysis cell stack (stack) with a plurality of individual electrolysis cells (individual cells).

AufgabenstellungTask

Es sind ständig Bestrebungen im Gang, Elektrolyseuraggregate und auch Brennstoffzellenaggregate zu verbessern und in Bezug auf deren Materialen, Herstellungskosten und/oder Wartungskosten kostengünstig auszulegen. - Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte, insbesondere kostengünstige Zellstapellage für einen elektrochemischen Zellenstapel, insbesondere einen Elektrolysezellenstapel oder einen Brennstoffzellenstapel, anzugeben.Efforts are constantly underway to improve electrolyzer units and fuel cell units and to design them cost-effectively with regard to their materials, manufacturing costs, and/or maintenance costs. It is an object of the invention to provide an improved, particularly cost-effective cell stack layer for an electrochemical cell stack, in particular an electrolysis cell stack or a fuel cell stack.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die Aufgabe der Erfindung ist mittels eines Elektrodenrahmens sowie einer Zelllage für einen elektrochemischen Zellenstapel; mittels eines elektrochemischen Zellenstapels, insbesondere eines Elektrolysezellenstapels oder eines Brennstoffzellenstapels, für ein elektrochemisches Aggregat; mittels eines elektrochemischen Aggregats, insbesondere eine Elektrolyseuraggregats oder eines Brennstoffzellenaggregats; und eines elektrochemischen Systems, insbesondere eines Elektrolyseursystems oder Brennstoffzellensystems, 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 frame and a cell layer for an electrochemical cell stack; by means of an electrochemical cell stack, in particular an electrolysis cell stack or a fuel cell stack, for an electrochemical unit; by means of an electrochemical unit, in particular an electrolyzer unit or a fuel cell unit; and an electrochemical system, in particular an electrolyzer system or fuel cell system. Advantageous developments, additional features and/or advantages of the invention emerge from the dependent claims and the following description.

Ein Zellenstapel z. B. eines Elektrolyseurs umfasst eine Vielzahl aufeinander gestapelter elektrochemischer Einzelzellen, welche durch eine mechanische Verspannung zum Elektrolysezellenstapel fixiert werden. In jeder Einzelzelle ist jeweils ein Elektrodenrahmen für einen Anodenraum und einen Kathodenraum der Einzelzelle erforderlich. Die Aufgaben dieser Elektrodenrahmen sind: Führen von Medien (Wasser bzw. Lauge, Wasserstoff, Sauerstoff; 2-Phasen-Gemische davon), Abdichten (zwischen den Medienpfaden, zur Umwelt), Gewährleisten einer Druckfestigkeit des Elektrolysezellenstapels (bis über ca. 40 bar Betriebsdruck, ca. 68 bar Prüfdruck, bei Hochdruckelektrolyse bis über 100 bar), elektrische Isolierung einer betreffenden Einzelanode bzw. -kathode, Unterbinden eines physischen Kontakts von Wasserstoff mit Metall (Metalllegierung).A cell stack, for example, of an electrolyzer, comprises a multitude of stacked individual electrochemical cells, which are secured to the electrolysis cell stack by mechanical bracing. Each individual cell requires an electrode frame for an anode compartment and a cathode compartment of the individual cell. The functions of these electrode frames are: conducting media (water or alkali, hydrogen, oxygen; two-phase mixtures thereof), sealing (between the media paths, from the environment), ensuring the pressure resistance of the electrolysis cell stack (up to over approx. 40 bar operating pressure, approx. 68 bar test pressure, with high-pressure electrolysis up to over 100 bar), electrically insulating a respective individual anode or cathode, and preventing physical contact between hydrogen and metal (metal alloy).

Der erfindungsgemäße Elektrodenrahmen läuft zum radialen Fluiddichten eines Elektrodenraums des sich in Axialrichtung ersteckenden Zellenstapels um seine Elektrodenraum-Durchgangsausnehmung in Umfangsrichtung um, wobei der Elektrodenrahmen einen außen umlaufenden Außenrahmen und radial darin einen Innenrahmen mit der Elektrodenraum-Durchgangsausnehmung umfasst, wobei ein repräsentatives Volumenelement des Außenrahmens steifer als ein gleich großes repräsentatives Volumenelement des Innenrahmens ausgebildet ist. - Der Elektrolysezellenstapel kann z. B. als ein PEM-, ein AEM-, ein AEL- (alkalische Elektrolyse) oder ein CO₂-Elektrolysezellenstapel und der Brennstoffzellenstapel kann z. B. als ein PEM- oder ein AEM-Brennstoffzellenstapel ausgebildet sein. Hierbei kann der Elektrolysezellenstapel insbesondere für die Hochdruckelektrolyse ausgelegt sein.The electrode frame according to the invention runs in the circumferential direction around its electrode chamber passage recess for the radial fluid sealing of an electrode chamber of the cell stack extending in the axial direction, wherein the electrode frame comprises an outer frame running around the outside and an inner frame with the electrode chamber passage recess radially therein, wherein a representative volume element of the outer frame is designed to be stiffer than a representative volume element of the same size of the inner frame. - The electrolysis cell stack can be designed, for example, as a PEM, an AEM, an AEL (alkaline electrolysis) or a _CO2 electrolysis cell stack and the fuel cell stack can be designed, for example, as a PEM or an AEM fuel cell stack. In this case, the electrolysis cell stack can be designed in particular for high-pressure electrolysis.

Im Rahmen dieser Spezifikation steht eine bzw. stehen sämtliche Radialrichtungen (insbesondere als Zusammensetzungen aus Breiten- und Querrichtungen des Zellenstapels) senkrecht auf einer axialen Stapelrichtung (Axialrichtung bzw. Hochrichtung) des Zellenstapels, dessen Elektrodenrahmen in Umfangsrichtung bevorzugt vollständig um die Axialrichtung umlaufen. - Das betreffende repräsentative Volumenelement ist natürlich ein mathematisches Objekt, also eine mathematische Volumenform, wobei gleich große Volumenelemente sowohl dasselbe Volumen als auch dieselbe Form besitzen. Und unter ,repräsentativ' ist zu verstehen, dass das Volumenelement ein für den Innenrahmen bzw. den Außenrahmen typisches und somit, bei hinreichender Kleinheit, im Wesentlichen beliebiges Volumenelement ausgebildet ist.Within the scope of this specification, one or all radial directions (in particular as combinations of the width and transverse directions of the cell stack) are perpendicular to an axial stacking direction (axial direction or vertical direction) of the cell stack, whose electrode frames preferably extend completely around the axial direction in the circumferential direction. - The representative volume element in question is naturally a mathematical object, i.e., a mathematical volume shape, with volume elements of equal size having both the same volume and the same shape. And "representative" is to be understood as meaning that the volume element is a volume element typical of the inner frame or the outer frame and thus, if sufficiently small, is essentially arbitrary.

Der Innenrahmen kann, bevorzugt im Gegensatz zum Außenrahmen, einer Medienführung durch den Elektrodenrahmen dienen. D. h. hierbei dient der Außenrahmen keiner Medienführung durch den Elektrodenrahmen. Ferner kann der Außenrahmen als ein radiales Drucklager für den Innenrahmen fungieren. - D. h. der Elektrodenrahmen ist derart ausgebildet, dass dessen Funktion der Medienführung einerseits im Wesentlichen oder ausschließlich auf den Innenrahmen, und dessen Funktion des Gewährleistens einer insbesondere radialen (Fluid-) Druckfestigkeit andererseits auf den Außenrahmen beschränkt ist.The inner frame, preferably in contrast to the outer frame, can serve as a media guide through the electrode frame. This means that the outer frame does not serve as a media guide through the electrode frame. Furthermore, the outer frame can function as a radial thrust bearing for the inner frame. This means that the electrode frame is designed such that its function of media guidance is essentially or exclusively limited to the inner frame, while its function of ensuring, in particular, radial (fluid) pressure resistance is limited to the outer frame.

Was eine axiale mechanische Druckfestigkeit des Elektrodenrahmens betrifft, so kann diese im Wesentlichen entweder vom Außenrahmen, vom Innenrahmen (vgl. die 6) oder von beiden innerhalb des Zellenstapels gewährleistet sein. Hierbei ist die Funktion der Medienführung von der Funktion des Gewährleistens einer (Fluid-)Druckfestigkeit im Elektrodenrahmen physisch im Wesentlichen getrennt, was für einen Zellenstapel Vorteile bringt (vgl. unten). Ferner übernimmt der Innenrahmen insbesondere die Funktion einer elektrischen Isolation innerhalb des Zellenstapels.As far as the axial mechanical compressive strength of the electrode frame is concerned, this can essentially be achieved either by the outer frame, the inner frame (cf. 6 ) or both within the cell stack. In this case, the function of media guidance is essentially physically separated from the function of ensuring (fluid) pressure resistance in the electrode frame, which offers advantages for a cell stack (see below). Furthermore, the inner frame primarily performs the function of electrical insulation within the cell stack.

Der Innenrahmen kann: Mediumdurchgangsausnehmungen, Mediumkanäle, Dichtungsausnehmungen und/oder Dichtungen aufweisen. Der Außenrahmen kann, einmal von ggf. vorhandenen Durchführungsausnehmungen für Spannbolzen, als ein massiver im Wesentlichen homogener Ring ausgebildet sein. Der Innenrahmen ist bevorzugt ebenfalls als ein im Wesentlichen homogener Ring ausgebildet. Der Außenrahmen kann keine: Mediumdurchgangsausnehmungen, Mediumkanäle, Dichtungsausnehmungen und/oder Dichtungen aufweisen. Innerhalb des Zellenstapels stehen einander betreffende Mediumdurchgangsausnehmungen und Mediumkanäle des Elektrodenrahmens in Fluidkommunikation.The inner frame can have: medium passage recesses, medium channels, sealing recesses, and/or seals. The outer frame can be designed as a solid, essentially homogeneous ring, apart from any existing through-holes for clamping bolts. The inner frame is preferably also designed as an essentially homogeneous ring. The outer frame can have no: medium passage recesses, medium channels, sealing recesses, and/or seals. Within the cell stack, the respective medium passage recesses and medium channels of the electrode frame are in fluid communication.

Der Elektrodenrahmen kann als ein in Umfangsrichtung geschlossener Ring ausgebildet sein. Hierbei kann eine Massendichte des Außenrahmens größer als eine Massendichte des Innenrahmen sein. Ein Material des Außenrahmens kann von einem Material des Innenrahmens unterschiedlich sein. Ferner kann der Außenrahmen ein Metall und/oder der Innenrahmen einen Kunststoff aufweisen. Das Metall kann insbesondere ein Stahl oder ein Edelstahl sein. Bevorzugt ist der Kunststoff des Innenrahmens ein thermoplastischer oder ein duroplastischer Kunststoff.The electrode frame can be configured as a circumferentially closed ring. In this case, a mass density of the outer frame can be greater than a mass density of the inner frame. A material of the outer frame can be different from a material of the inner frame. Furthermore, the outer frame can comprise a metal and/or the inner frame can comprise a plastic. The metal can, in particular, be steel or stainless steel. The plastic of the inner frame is preferably a thermoplastic or a thermosetting plastic.

Des Weiteren kann der Elektrodenrahmen einen hauptsächlich oder im Wesentlichen rechteckigen, quadratischen, elliptischen oder kreisförmigen Grundriss aufweisen. Weiterhin kann der Elektrodenrahmen genau einen Innenrahmen und genau einen Außenrahmen aufweisen. Ferner kann bzw. können der Innenrahmen und/oder der Außenrahmen einen hauptsächlich oder im Wesentlichen rechteckigen, umlaufenden Querschnitt aufweisen.Furthermore, the electrode frame can have a predominantly or substantially rectangular, square, elliptical, or circular outline. Furthermore, the electrode frame can have exactly one inner frame and exactly one outer frame. Furthermore, the inner frame and/or the outer frame can have a predominantly or substantially rectangular, circumferential cross-section.

Die beiden axialen Außenseiten des Außenrahmens und des Innenrahmens können jeweils im Wesentlichen in einer Ebene liegen. D. h. der Außenrahmen und der Innenrahmen besitzen im Wesentlichen die gleiche axiale Dicke. Ferner ist dabei der Innenrahmen in Axialrichtung und in Radialrichtung bevorzugt zentriert im Außenrahmen eingerichtet. Der Außenrahmen kann lediglich an einer Umfangsseite des Innenrahmens eingerichtet sein. Der Außenrahmen und der Innenrahmen können formschlüssig, stoffschlüssig oder kraftschlüssig miteinander verbunden sein. Eine radiale Erstreckung des Außenrahmens kann wenigstens ca.: 75%, 70%, 65%, 60%, 50%, 45%, 40%, 35%, 30%, 25%, 20% jeweils ±2% einer radialen Erstreckung des Innenrahmens betragen. Und eine axiale Dicke des Elektrodenrahmens kann ca.: 1,5mm, 1,75mm, 2mm, 2,25mm oder 2,5mm betragen.The two axial outer sides of the outer frame and the inner frame can each lie essentially in one plane. This means that the outer frame and the inner frame have essentially the same axial thickness. Furthermore, the inner frame is preferably centered in the outer frame in the axial direction and in the radial direction. The outer frame can be arranged only on one circumferential side of the inner frame. The outer frame and the inner frame can be connected to one another in a form-fitting, material-fitting, or force-fitting manner. A radial extent of the outer frame can be at least approximately: 75%, 70%, 65%, 60%, 50%, 45%, 40%, 35%, 30%, 25%, 20%, each ±2% of a radial extent of the inner frame. And an axial thickness of the electrode frame can be approx.: 1.5mm, 1.75mm, 2mm, 2.25mm or 2.5mm.

Der Innenrahmen kann im Gegensatz zum Außenrahmen als ein bevorzugt ausschließlicher Dichtungsträger insbesondere für den eigentlichen Zellenstapel dienen. Dies betrifft z. B. das radiale Dichten eines Elektrodenraums in Umfangsrichtung (auf beiden großflächigen Seiten) und/oder das Dichten betreffender Mediumdurchgangsausnehmungen (auf keiner, einer oder beiden großflächigen Seiten) in deren betreffender Umfangsrichtungen. Für eine betreffende Dichtung kann der Innenrahmen eine Dichtungsnut oder eine Dichtungsausnehmung aufweisen, in welche die betreffende Dichtung bevorzugt eingespritzt oder bevorzugt eingelegt ist. Hierbei kann eine betreffende Dichtung insbesondere ein Elastomer aufweisen.In contrast to the outer frame, the inner frame can preferably serve as a seal carrier, particularly for the actual cell stack. This applies, for example, to the radial sealing of an electrode chamber in the circumferential direction (on both large-area sides) and/or the sealing of relevant medium passage recesses (on none, one, or both large-area sides) in their respective circumferential directions. For a respective seal, the inner frame can have a sealing groove or a sealing recess, into which the respective seal is preferably injection-molded or preferably inserted. In this case, a respective seal can, in particular, comprise an elastomer.

In Umfangsrichtung zwischen dem Außenrahmen und dem Innenrahmen kann ein Formschluss eingerichtet sein. Hierbei können eine innere Fixiervorrichtung des Außenrahmens und eine äußere Fixiervorrichtung des Innenrahmens zur gegenseitigen axialen Fixierung der Rahmen des Elektrodenrahmens ineinander eingreifen. Ferner kann die Fixiervorrichtung des Außenrahmens als ein innerer Vorsprung und die Fixiervorrichtung des Innenraums als eine äußeren Ausnehmung ausgebildet sein. Der Formschluss kann z. B. durch Einspritzen (Urformen des Formschlusses) oder ein Einsetzen (Rastverbindung) des Innenrahmens in den Außenrahmen eingerichtet werden.A positive connection can be established in the circumferential direction between the outer frame and the inner frame. An inner fixing device of the outer frame and an outer fixing device of the inner frame can engage with each other for mutual axial fixing of the frames of the electrode frame. Furthermore, the fixing device of the outer frame can be designed as an inner projection, and the fixing device of the inner space can be designed as an outer recess. The positive connection can be established, for example, by injection molding (primary forming of the positive connection) or inserting (snap-in connection) the inner frame into the outer frame.

Der Innenrahmen, insbesondere ein Innenrahmen eines Kathodenrahmens, kann eine großflächige Membranausnehmung zur Aufnahme einer Membran aufweisen. Hierbei ist es bevorzugt, dass die Ausnehmung axial derart weit in den Innenrahmen hineingehend eingerichtet ist, dass bei einer gegebenen Membran, diese mit ihrer äußeren Oberfläche plan mit einem radial äußeren Abschnitt des Innenrahmens abschließt. Hierbei bedeckt die Membran natürlich die gesamte Elektrodenraum-Durchgangsausnehmung des Innenrahmens bzw. des Elektrodenrahmens.The inner frame, in particular an inner frame of a cathode frame, can have a large-area membrane recess for receiving a membrane. In this case, it is preferred that The recess extends axially into the inner frame to such an extent that, for a given diaphragm, its outer surface is flush with a radially outer portion of the inner frame. The diaphragm naturally covers the entire electrode chamber through-hole of the inner frame or the electrode frame.

Der Innenrahmen kann an/in einer ersten großflächigen Seite wenigstens eine Positioniereinrichtung für eine Membran einer elektrochemischen Einzelzelle des Zellenstapels aufweisen. Hierbei kann die Positioniereinrichtung insbesondere als ein Vorsprung am Innenrahmen ausgebildet sein. Ferner kann der Innenrahmen an/in einer zweiten großflächigen Seite wenigstens eine Positioniereinrichtung für eine Bipolarplatte des Zellenstapels aufweisen. Hierbei kann die Positioniereinrichtung z. B. als ein Vorsprung am oder eine Ausnehmung im Innenrahmen ausgebildet sein.The inner frame can have at least one positioning device for a membrane of an individual electrochemical cell of the cell stack on/in a first large-area side. In this case, the positioning device can be designed, in particular, as a projection on the inner frame. Furthermore, the inner frame can have at least one positioning device for a bipolar plate of the cell stack on/in a second large-area side. In this case, the positioning device can be designed, for example, as a projection on or a recess in the inner frame.

Der Außenrahmen kann als ein Stanzteil und der Innenrahmen als ein Spritzgussteil ausgebildet sein. Hierbei kann der Innenrahmen in den Außenrahmen eingesetzt oder eingespritzt werden, wobei im zweiten Fall auch der Elektrodenrahmen als ein Spritzgussteil mit dem Außenrahmen als einem Spritzgussform-Einlegeteil ausgebildet ist. Der Außenrahmen kann Durchführungsausnehmungen für Spannbolzen des Zellenstapels aufweisen.The outer frame can be formed as a stamped part and the inner frame as an injection-molded part. The inner frame can be inserted into the outer frame or injected into it. In the latter case, the electrode frame is also formed as an injection-molded part with the outer frame as an injection-molded insert. The outer frame can have through-holes for clamping bolts of the cell stack.

Der Außenrahmen und/oder der Innenrahmen kann stofflich einstückig oder integral ausgebildet sein. - Unter einer stofflich (adhäsiv) einstückigen Ausbildung ist eine Ausbildung des betreffenden Rahmens verstanden, bei welcher dessen Einzelteile stoffschlüssig aneinander festgelegt (Spritzgießen, Kleben, Laminieren etc.) sind und der betreffende Rahmen bevorzugt nicht ohne Beschädigung eines seiner Einzelteile, in Einzelteile separierbar ist. Der Zusammenhalt des betreffenden Rahmens kann dabei ferner mittels eines Kraft- und/oder Formschlusses erzeugt sein (nicht bei integraler Ausbildung).The outer frame and/or the inner frame can be constructed as a single piece or integrally. A single piece (adhesive) construction refers to a construction of the frame in question in which its individual parts are firmly bonded to one another (injection molding, gluing, lamination, etc.) and the frame in question preferably cannot be separated into individual parts without damaging one of its individual parts. The cohesion of the frame in question can also be achieved by means of a force-fit and/or form-fit connection (not in the case of an integral construction).

Und unter einer integralen Ausbildung ist eine Ausbildung des betreffenden Rahmens verstanden, bei welcher es nur ein einziges, nur unter dessen Zerstörung teilbares Bauteil gibt. Der betreffende Rahmen ist aus einem einzigen Ursprungsstück und/oder einer einzigen Ursprungsmasse (Metallschmelze bzw. Kunststoffschmelze) gefertigt, das seinerseits bzw. die ihrerseits gezwungenermaßen integral ist. Ein innerer Zusammenhalt erfolgt (ausschließlich) mittels Adhäsion und/oder Kohäsion. - Der betreffende Rahmen, insbesondere der Außenrahmen, kann in sämtlichen Ausführungsformen zusätzlich eine Laminierung, Beschichtung, integrale Abscheidung etc. aufweisen.An integral design is understood to mean a design of the frame in question in which there is only a single component that can only be separated by destruction. The frame in question is made from a single original piece and/or a single original mass (molten metal or molten plastic), which in turn is necessarily integral. Internal cohesion is achieved (exclusively) by adhesion and/or cohesion. - The frame in question, in particular the outer frame, can additionally have lamination, coating, integral deposition, etc. in all embodiments.

Die erfindungsgemäße Zelllage weist wenigstens einen Elektrodenrahmen und eine in dessen Elektrodenraum-Durchgangsausnehmung eingerichtete Fluidtransportstruktur auf, wobei der wenigstens eine Elektrodenrahmen erfindungsgemäß ausgebildet ist. - Die Zelllage kann ferner eine Membran (vgl. unten), insbesondere eine Membran-Elektroden-Einheit, umfassen. Hierbei ist es natürlich möglich, dass die Membran und wenigstens eine Fluidtransportstruktur (vgl. unten) der Zelllage eine Membran-Elektroden-Einrichtung bilden, wobei eine Elektrode an einer Fluidtransportstruktur bzw. der Membran vorgesehen sein kann. Die Membran kann zwischen zwei Elektrodenrahmen eingerichtet sein, wobei eine oder zwei Fluidtransportstrukturen an der Membran ansitzen können. Des Weiteren kann die Zelllage eine Polarplatte, insbesondere eine Bipolarplatte, umfassen.The cell layer according to the invention has at least one electrode frame and a fluid transport structure arranged in the electrode space through-hole thereof, wherein the at least one electrode frame is designed according to the invention. The cell layer can further comprise a membrane (see below), in particular a membrane-electrode unit. It is of course possible here for the membrane and at least one fluid transport structure (see below) of the cell layer to form a membrane-electrode device, wherein an electrode can be provided on a fluid transport structure or the membrane. The membrane can be arranged between two electrode frames, wherein one or two fluid transport structures can be attached to the membrane. Furthermore, the cell layer can comprise a polar plate, in particular a bipolar plate.

Der erfindungsgemäße elektrochemische Zellenstapel weist eine Vielzahl von elektrochemischen Einzelzellen auf, wobei Elektrodenrahmen des Zellenstapels und/oder Zelllagen des Zellenstapels erfindungsgemäß ausgebildet sind. - Hierbei kann eine jeweilige Membran des Zellenstapels zwischen den einander betreffenden Innenrahmen zweier Elektrodenrahmen einer Einzelzelle eingerichtet sein. Die Membran kann als eine Membran in Alleinstellung, eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA, ggf. mit nur einer einzigen Katalysatorschicht), eine katalysatorbeschichtete Membran (CCM, ebenfalls mit ggf. nur einer einzigen Katalysatorschicht), als Teil einer Membran-Elektroden-Einrichtung etc. ausgebildet sein. Eine jeweilige Bipolarplatte des Zellenstapels kann lediglich zwischen zwei einander betreffenden Innenrahmen zweier Elektrodenrahmen zweier direkt benachbarter Einzelzellen eingerichtet sein.The electrochemical cell stack according to the invention comprises a plurality of individual electrochemical cells, wherein electrode frames of the cell stack and/or cell layers of the cell stack are designed according to the invention. - In this case, a respective membrane of the cell stack can be arranged between the mutually related inner frames of two electrode frames of an individual cell. The membrane can be designed as a stand-alone membrane, a membrane electrode assembly (MEA, optionally with only a single catalyst layer), a catalyst-coated membrane (CCM, also optionally with only a single catalyst layer), as part of a membrane electrode device, etc. A respective bipolar plate of the cell stack can be arranged only between two mutually related inner frames of two electrode frames of two directly adjacent individual cells.

Ein wesentlicher axialer mechanischer Kraftfluss innerhalb des eigentlichen Zellenstapels kann im Wesentlichen abseits der Außenrahmen der Elektrodenrahmen im eigentlichen Zellenstapel eingerichtet sein. D. h. der eigentliche Zellenstapel ist im Wesentlichen radial innerhalb seiner Außenrahmen über seine Innenrahmen, seine Bipolarplatten, ggf. seine Membranen, ggf. seine Fluidtransportstrukturen mechanisch zusammengespannt. D. h. einmal von Spannmitteln (Spannbolzen, Muttern, Durchführungsausnehmungen etc.), Kollektorplatten, Isolierplatten, Endplatten etc. abgesehen, wird eine axiale Druckkraft im Zellenstapel lediglich über diese Bestandteile des Zellenstapels jenseits dessen Außenrahmen übertragen.A significant axial mechanical force flow within the actual cell stack can be established essentially away from the outer frames of the electrode frames in the actual cell stack. This means that the actual cell stack is mechanically clamped together essentially radially within its outer frames via its inner frames, its bipolar plates, possibly its membranes, and possibly its fluid transport structures. This means that, apart from clamping devices (clamping bolts, nuts, feedthrough recesses, etc.), collector plates, insulating plates, end plates, etc., an axial compressive force in the cell stack is transmitted only via these components of the cell stack beyond its outer frame.

Die Außenrahmen der Elektrodenrahmen können dabei im Wesentlichen lediglich die radialen Fluiddrücke aus dem eigentlichen Zellenstapel aufnehmen. D. h. die Außenrahmen dienen in diesem Fall im Wesentlichen lediglich einer radialen Fluiddruckfestigkeit der Elektrodenrahmen; sie dienen also als umfängliche Drucklager für die Innenrahmen und nicht zum Vermitteln einer Axialkraft innerhalb des Zellenstapels. Hierbei können die Spannbolzen durch die Durchführungsausnehmungen in den Außenrahmen hindurchgeführt sein. - Das erfindungsgemäße elektrochemische Aggregat bzw. das erfindungsgemäße elektrochemische System weist wenigstens einen elektrochemischen Zellenstapel und ein Steuergerät zum Ansteuern und/oder Einregeln eines Betriebs des Zellenstapels auf, wobei Elektrodenrahmen des Zellenstapels, Zelllagen des Zellenstapels und/oder der Zellenstapel erfindungsgemäß ausgebildet ist bzw. sind.The outer frames of the electrode frames can essentially only absorb the radial fluid pressures from the actual cell stack. This means that in this case, the outer frames essentially only serve to provide radial fluid pressure. compressive strength of the electrode frames; they therefore serve as circumferential thrust bearings for the inner frames and not for transmitting an axial force within the cell stack. The clamping bolts can be guided through the feedthrough recesses into the outer frame. - The electrochemical unit or the electrochemical system according to the invention has at least one electrochemical cell stack and a control unit for controlling and/or regulating the operation of the cell stack, wherein the electrode frame of the cell stack, cell layers of the cell stack, and/or the cell stack is/are designed according to the invention.

Bei einer Kunststoffumspritzung als eine Alternative zur Erfindung ist diese in einer erforderlichen Größendimension sehr herausfordernd und kostenintensiv, da eine große thermale Diskrepanz zwischen Metall und Kunststoff zu einem hohen Risiko einer Rissbildung bei und nach der Herstellung führt. Gemäß der Erfindung können diese Qualitätsrisiken vermieden werden. Eine Abstützung von Dichtungen an einer dünnwandigen Kunststoffumspritzung kann vermieden werden. Ferner kann in Ausführungsformen eine Vermeidung von Kunststoff in einer Kraftlinie einer mechanischen Vorspannung des Zellenstapels realisiert sein. Radial innen offene Metallbereiche und somit deren Korrosion aufgrund von insbesondere aufbereitetem Wasser bzw. Lauge und/oder Wasserstoff können vermieden werden.Plastic overmolding as an alternative to the invention is very challenging and cost-intensive in the required size dimension, since a large thermal discrepancy between metal and plastic leads to a high risk of cracking during and after production. According to the invention, these quality risks can be avoided. Supporting seals on a thin-walled plastic overmolding can be avoided. Furthermore, in embodiments, it is possible to avoid plastic in a force line of a mechanical prestressing of the cell stack. Radially inwardly open metal areas and thus their corrosion due in particular to treated water or alkali and/or hydrogen can be avoided.

Kurzbeschreibung der FigurenShort description of the characters

Die Erfindung ist im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte schematische 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 Ausführungsformen eines Elektrolyseuraggregats für die AEM-EL, PEM-EL, AEL etc., mit einem elektrochemischen Elektrolysezellenstapel für ein Elektrolysesystem,
die 2 in einer zweidimensionalen Draufsicht, eine Ausführungsform auf einen erfindungsgemäßen Elektrodenrahmen für einen Elektrolysezellenstapel, mit einen Innenrahmen und einen Außenrahmen,
die 3 und 4 in zweidimensionalen Draufsichten jeweils eine zweiseitig weggebrochen dargestellte Detailansicht ggü. der 1, welche jeweils eine weitere Ausführungsformen des Elektrodenrahmens zeigt,
die 5 in einem radial innen (links) weggebrochenen, axial-radialen Halbschnitt eine weitere Ausführungsform des Elektrodenrahmens mit seinem Innenrahmen und seinem Außenrahmen, und
die 6 in einer stark schematisierten Darstellung einen allseitig weggebrochenen und vergleichsweise kleinen Ausschnitt aus einem Elektrolysezellenstapel.

The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments with reference to the attached schematic drawing. In the invention, a feature can be configured 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 for the invention to be 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 indicates that the feature may be optional (to a person skilled in the art). - In the merely exemplary figures (Fig.) of the drawing:

The 1 in a simplified block diagram embodiments of an electrolyzer unit for the AEM-EL, PEM-EL, AEL etc., with an electrochemical electrolysis cell stack for an electrolysis system,
the 2 in a two-dimensional plan view, an embodiment of an electrode frame according to the invention for an electrolysis cell stack, with an inner frame and an outer frame,
the 3 and 4 in two-dimensional top views, a detailed view shown broken away from two sides compared to the 1 , each showing a further embodiment of the electrode frame,
the 5 in a radially inner (left) broken away, axial-radial half-section, a further embodiment of the electrode frame with its inner frame and its outer frame, and
the 6 in a highly schematic representation a comparatively small section of an electrolysis cell stack that has been broken away on all sides.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Elektrodenrahmens 100 (vgl. die 2 bis 6) für einen Elektrolysezellenstapel 10 eines Elektrolyseuraggregats 1 (vgl. die 1) mit wenigstens einem Elektrolysezellenstapel 10 für eine Elektrolyse (EL) eines Versorgungsmediums 3 in Wasserstoff 6 und Sauerstoff näher erläutert. Die Erfindung ist dabei auf eine Vielzahl von Elektrolysesysteme mit einem oder einer Mehrzahl von Elektrolyseuraggregaten 1 anwendbar, wobei ein Elektrolyseuraggregat 1 z. B. für eine AEM-Elektrolyse (AEM-EL), eine PEM-Elektrolyse (PEM-EL), eine alkalische Elektrolyse (AEL) etc. ausgebildet sein kann. - Ferner ist die Erfindung auf Brennstoffzellenstapel, insbesondere einen PEM-Brennstoffzellenstapel oder einen AEM- Brennstoffzellenstapel anwendbar; d. h. die Zeichnung ist analog auf einen Brennstoffzellenstapel übertragbar.The invention is described below with reference to an electrode frame 100 (cf. 2 to 6 ) for an electrolysis cell stack 10 of an electrolyzer unit 1 (cf. the 1 ) with at least one electrolysis cell stack 10 for electrolysis (EL) of a supply medium 3 into hydrogen 6 and oxygen is explained in more detail. The invention is applicable to a large number of electrolysis systems with one or a plurality of electrolyzer units 1, wherein an electrolyzer unit 1 can be designed, for example, for AEM electrolysis (AEM-EL), PEM electrolysis (PEM-EL), alkaline electrolysis (AEL), etc. - Furthermore, the invention is applicable to fuel cell stacks, in particular a PEM fuel cell stack or an AEM fuel cell stack; ie the drawing is analogously transferable to a fuel cell stack.

In der Zeichnung sind nur diejenigen Abschnitte eines Elektrolyseuraggregats 1 eines Elektrolysesystems (nicht dargestellt) bspw. einer Elektrolyseanlage (nicht dargestellt) dargestellt, welche für ein Verständnis der Erfindung notwendig sind. - Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher beschrieben und illustriert ist, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Ausführungsbeispiele eingeschränkt. Andere Variationen können hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.The drawing shows only those sections of an electrolyzer unit 1 of an electrolysis system (not shown), for example, an electrolysis plant (not shown), which are necessary for understanding the invention. Although the invention is described and illustrated in detail using preferred embodiments, the invention is not limited to the disclosed embodiments. Other variations can be derived therefrom 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 durch mechanische Verspannung zwischen Endplatten 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 140 (vgl. 6) einer Membran-Elektroden-Einrichtung 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 by mechanical bracing between end plates. Each individual cell 11 comprises an electrode chamber 12 designed as an anode chamber 12 and an electrode chamber 13 designed as a cathode space 13 formed electrode space 13, which is surrounded by a membrane 140 (cf. 6 ) of a membrane electrode device 15 are spatially and electrically separated from each other.

Eine Membran-Elektroden-Einrichtung 15 weist eine Membran 140, zwei Elektroden und bevorzugt zwei Fluidtransportstrukturen 130 auf, wobei wenigstens eine Elektrode an der Membran 140 und/oder wenigstens eine Elektrode unmittelbar gegenüberliegend zur Membran 140 an einer Fluidtransportstruktur 130 vorgesehen ist. Natürlich können auch beide Elektroden an der Membran 140 (Membran-Elektroden-Einheit (MEA: Membrane Electrode Assembly)) bzw. an den Fluidtransportstrukturen 130 vorgesehen sein. Die Membran 140 bzw. die Membran-Elektroden-Einheit inkl. der daran vorgesehenen Fluidtransportstrukturen 130 ist an einer Bipolarplatte 14 dichtend zur Anlage bringbar.A membrane electrode device 15 comprises a membrane 140, two electrodes, and preferably two fluid transport structures 130, wherein at least one electrode is provided on the membrane 140 and/or at least one electrode is provided directly opposite the membrane 140 on a fluid transport structure 130. Of course, both electrodes can also be provided on the membrane 140 (membrane electrode assembly (MEA)) or on the fluid transport structures 130. The membrane 140 or the membrane electrode assembly, including the fluid transport structures 130 provided thereon, can be brought into sealing contact with a bipolar plate 14.

Die Membran-Elektroden-Einrichtung 15 kann eine AEM oder eine PEM, z. B. in Form einer CCM (Catalyst Coated AEM/PEM als MEA), oder ein Diaphragma aufweisen. Eine Fluidtransportstruktur 130 an einer großflächigen Seite der Membran-Elektroden-Einrichtung 15 kann eine Transportlage, eine PTL (Porous Transport Layer), eine GDL (Gas Diffusion Layer), ein Sintermetallelement, ein Faserelement, eine Strömungsstruktur und/oder ein Flussfeld etc. aufweisen. Die in der 1 nicht explizit dargestellten Fluidtransportstrukturen 130 sind in den Anodenräumen 12 und den Kathodenräumen 13 des Elektrolysezellenstapels 10 vorgesehen oder eingerichtet.The membrane electrode device 15 may comprise an AEM or a PEM, e.g., in the form of a CCM (Catalyst Coated AEM/PEM as MEA), or a diaphragm. A fluid transport structure 130 on a large-area side of the membrane electrode device 15 may comprise a transport layer, a PTL (Porous Transport Layer), a GDL (Gas Diffusion Layer), a sintered metal element, a fiber element, a flow structure, and/or a flow field, etc. The 1 Fluid transport structures 130, not explicitly shown, are provided or arranged in the anode compartments 12 and the cathode compartments 13 of the electrolysis cell stack 10.

Zwischen zwei direkt zueinander benachbarten Membran-Elektroden-Einrichtungen 15 inkl. eines betreffenden Anodenraums 12 und eines jeweiligen Kathodenraums 13 ist eine Bipolarplatte 14 angeordnet. Eine Bipolarplatte 14 dient u. a. einer Durchführung und ggf. einer Hinführung/Abführung von Medien 3, 4 (Entsorgungsmedium mit Sauerstoff), 6 für einen bzw. von einem Anodenraum 12 einer ersten Einzelzelle 11, und für einen bzw. von einem Kathodenraum 13 einer direkt dazu benachbarten zweiten Einzelzelle 11 und realisiert darüber hinaus eine elektrisch leitende Verbindung zwischen diesen beiden Einzelzellen 11. Neben einer Durchführung kann eine eigentliche Hinführung/Abführung von Medien 3, 4, 6 von einem betreffenden Elektrodenrahmen 100 (vgl. unten) im Anodenraum 12 der ersten Einzelzelle und im Kathodenraum 13 der zweiten Einzelzelle 13 realisiert sein.A bipolar plate 14 is arranged between two directly adjacent membrane electrode devices 15, including a respective anode compartment 12 and a respective cathode compartment 13. A bipolar plate 14 serves, among other things, as a feedthrough and, if necessary, a supply/discharge of media 3, 4 (disposal medium with oxygen), 6 for or from an anode compartment 12 of a first individual cell 11, and for or from a cathode compartment 13 of a directly adjacent second individual cell 11, and furthermore realizes an electrically conductive connection between these two individual cells 11. In addition to a feedthrough, an actual supply/discharge of media 3, 4, 6 from a respective electrode frame 100 (see below) can be realized in the anode compartment 12 of the first individual cell and in the cathode compartment 13 of the second individual cell 13.

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 Elektrolysezellenstapels 10. - Das Elektrolysesystem und natürlich auch die Elektrolyseanlage (vgl. oben) umfasst neben dem Elektrolyseuraggregat 1 periphere Systemkomponenten, wie z. B.: ein Steuergerät, eine Aufbereitungseinrichtung 60 zum Erzeugen von frischem Versorgungsmedium 3, einen Wasserstoffspeicher 40, ggf. einen Sauerstoffspeicher 50 etc.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. - The electrolysis system and, of course, also the electrolysis plant (see above) comprises, in addition to the electrolyzer unit 1, peripheral system components, such as: a control unit, a processing device 60 for generating fresh supply medium 3, a hydrogen storage unit 40, if applicable, an oxygen storage unit 50, etc.

Zum Versorgen des Elektrolysezellenstapels 10 mit dem Versorgungsmedium 3 weist das Elektrolyseuraggregat 1 eine Mediumversorgung 20 auf. Und zum Entnehmen der Medien 4, 6 des Elektrolysezellenstapels 10 weist das Elektrolyseuraggregat 1 eine Medienentnahme 30 auf. - Die Mediumversorgung 20 umfasst insbesondere ein Mediumreservoir 23 für das Versorgungsmedium 3 (hinströmend), einen Versorgungspfad 21 (Mediumpfad 21) sowie eine Fördereinrichtung 26, insbesondere eine Pumpe 26, am/im Versorgungspfad 21 für das Versorgungsmedium 3.To supply the electrolysis cell stack 10 with the supply medium 3, the electrolyzer unit 1 has a medium supply 20. And to remove the media 4, 6 from the electrolysis cell stack 10, the electrolyzer unit 1 has a media removal 30. The medium supply 20 comprises, in particular, a medium reservoir 23 for the supply medium 3 (flowing in), a supply path 21 (medium path 21), and a conveying device 26, in particular a pump 26, on/in the supply path 21 for the supply medium 3.

Die Medienentnahme 30 weist wenigstens einen anodenseitigen Entsorgungspfad 31 (Mediumpfad 31) für das Entsorgungsmedium 4 inkl. Sauerstoff zurück in das Wasserreservoir 23, ggf. mit einem Gasabscheider für den produzierten Sauerstoff, und/oder in eine andere Richtung (gestrichelt dargestellt), z. B. in die Umgebung 2, auf. Zweiteres kann insbesondere dann realisiert sein, wenn eine Kühlung des Elektrolysezellenstapels 10 unabhängig vom Versorgungsmedium 3 erfolgt.The media removal 30 has at least one anode-side disposal path 31 (medium path 31) for the disposal medium 4, including oxygen, back into the water reservoir 23, optionally with a gas separator for the produced oxygen, and/or in another direction (shown in dashed lines), e.g., into the environment 2. The latter can be realized in particular if the electrolysis cell stack 10 is cooled independently of the supply medium 3.

Ferner ist ein eigentliches Produktgas 6 des Elektrolyseuraggregats 1, d. h. der produzierte Wasserstoff 6, durch einen kathodenseitigen Produktmediumpfad 32 (Mediumpfad 32) der Medienentnahme 30 hindurch abtransportierbar. Hierbei kann im Produktmediumpfad 32 ein Gas/Flüssig-Separator 33 mit einem Ventil 34 eingerichtet sein. Das im Gas/Flüssig-Separator 34 abgeschiedene Medium kann zurück in das Mediumreservoir oder in eine andere Richtung, z. B. in die Umgebung 2, ggf. gravitativ, gefördert werden. Der produzierte Wasserstoff 6 kann z. B. in einem Wasserstoffspeicher 40 (Sammelbehälter 40, Vorratstank 40 etc.) gespeichert werden, wobei der Produktmediumpfad 32 direkt im Wasserstoffspeicher 40 münden kann. Ein anderweitiger Abtransport des Wasserstoffs 6 ist natürlich anwendbar.Furthermore, an actual product gas 6 of the electrolyzer unit 1, i.e., the produced hydrogen 6, can be transported away through a cathode-side product medium path 32 (medium path 32) of the medium removal 30. A gas/liquid separator 33 with a valve 34 can be installed in the product medium path 32. The medium separated in the gas/liquid separator 34 can be conveyed back into the medium reservoir or in another direction, e.g., into the environment 2, possibly by gravity. The produced hydrogen 6 can be stored, for example, in a hydrogen storage device 40 (collection container 40, storage tank 40, etc.), whereby the product medium path 32 can flow directly into the hydrogen storage device 40. Another method of transporting the hydrogen 6 is, of course, applicable.

Je nach einer Ausführungsform des Elektrolyseuraggregats 1 kann eine Medienführung innerhalb des Elektrolysezellenstapels 10 unterschiedlich ausgebildet sein. Hierbei ist es möglich, eine von einer elektrochemischen Funktion des Elektrolysezellenstapels 10 unterschiedliche Temperierung, insbesondere Kühlung, vorzusehen und/oder die Temperierung bzw. Kühlung bevorzugt zusammen mit der elektrochemischen Funktion des Elektrolysezellenstapels 10 über das Versorgungsmedium 3 für die Elektrolyse zu realisieren.Depending on the embodiment of the electrolyzer unit 1, a media guide within the electrolysis cell stack 10 can be designed differently. In this case, it is possible to provide a temperature control, in particular cooling, that is different from an electrochemical function of the electrolysis cell stack 10 and/or to provide the temperature control or cooling preferably together with the electrochemical function of the electrolysis cell len stack 10 via the supply medium 3 for the electrolysis.

Bei Membran-Elektroden-Einrichtungen 15 mit AEMs ist es möglich, neben einer anoden- und kathodenseitigen, eine ggf. ausschließlich anodenseitige (gepunkteter Pfeil bei der Anode 29) Zufuhr des Versorgungsmediums 3 ggf. auch als Kühlmedium einzurichten. Ferner ist es möglich, bei Membran-Elektroden-Einrichtungen 15 mit PEMs, neben einer ausschließlich anodenseitigen, eine ggf. ausschließlich kathodenseitige 39 Zufuhr von Versorgungsmedium 3 ggf. auch als Kühlmedium einzurichten (gepunkteter Pfeil bei der Kathode 39). Bei der AEL kann neben einer anoden- und kathodenseitigen, eine ggf. ausschließlich anodenseitige (gepunkteter Pfeil bei der Anode 29) Zufuhr des Versorgungsmediums 3 ggf. auch als Kühlmedium eingerichtet sein.In membrane electrode devices 15 with AEMs, it is possible to set up a supply of the supply medium 3 on both the anode and cathode sides, if necessary also as a cooling medium (dotted arrow at anode 29). Furthermore, in membrane electrode devices 15 with PEMs, it is possible to set up a supply of the supply medium 3 on both the anode and cathode sides, if necessary also as a cooling medium (dotted arrow at cathode 39). In the AEL, in addition to a supply of the supply medium 3 on both the anode and cathode sides, if necessary also as a cooling medium (dotted arrow at anode 29).

Insbesondere die 2 bis 5 zeigen Ausführungsformen von Elektrodenrahmen 100 zum Begrenzen von Elektrodenräumen 12, 13 in Elektrolysezellenstapeln 10, wobei in einer großflächigen und zentralen Elektrodenraum-Durchgangsausnehmung 103 des jeweiligen Elektrodenrahmens 100 eine Fluidtransportstruktur 130 (vgl. 5 und oben) einrichtbar ist. Hierfür sind Lageangaben, also eine Axialrichtung Ar (axial), eine Radialrichtung Rr (radial) sowie eine Umfangsrichtung Ur des Zellenstapels 10, des Elektrodenrahmens 100 etc., auf welche sich diese Spezifikation bezieht, lediglich in der 2 eingezeichnet.In particular, the 2 to 5 show embodiments of electrode frames 100 for delimiting electrode spaces 12, 13 in electrolysis cell stacks 10, wherein a fluid transport structure 130 (cf. 5 and top). For this purpose, positional information, i.e. an axial direction Ar (axial), a radial direction Rr (radial) and a circumferential direction Ur of the cell stack 10, the electrode frame 100, etc., to which this specification refers, are only given in the 2 marked.

Der Elektrodenrahmen selbst, also der globale Elektrodenrahmen 100, ist mittels zweier Rahmen 110, 120 ausgebildet, wobei der eine Rahmen 110 als ein Innenrahmen 110 radial Rr vollständig innerhalb des anderen Rahmens 120 als ein Außenrahmen 120 eingerichtet ist. Hierbei ist der Außenrahmen 120 aus einem anderen Material als der Innenrahmen 110 ausgebildet. Insbesondere ist der Außenrahmen 120 wesentlich aus einem Metall, bevorzugt einem Stahl oder einem Edelstahl, und der Innenrahmen 110 wesentlich aus einem Kunststoff, bevorzugt einem thermoplastischen oder ein duroplastischen Kunststoff, ausgebildet.The electrode frame itself, i.e., the global electrode frame 100, is formed by two frames 110, 120, wherein one frame 110, as an inner frame 110, is arranged radially Rr completely within the other frame 120, as an outer frame 120. The outer frame 120 is formed from a different material than the inner frame 110. In particular, the outer frame 120 is formed essentially from a metal, preferably steel or stainless steel, and the inner frame 110 is formed essentially from a plastic, preferably a thermoplastic or a thermosetting plastic.

Hierbei ist der Innenrahmen 110 derart konzipiert und ausgebildet, dass dieser: im Wesentlichen einer Medienführung im Elektrolysezellenstapel 10 dient, als ein Träger für die z. B. darin eingespritzten oder eingelegten Dichtungen 117 zum radialen Rr Dichten des betreffenden Elektrodenraums 12, 13 fungiert, einem Klemmen und/oder Positionieren (vgl. oben) einer Membran 140 in dessen Membranausnehmung 111 (vgl. 6 und oben) dient, einem Positionieren einer Fluidtransportstruktur 140 in der Elektrodenraum-Durchgangsausnehmung 103 dient und/oder einem Positionieren (vgl. oben) einer Bipolarplatte 14 des Zellenstapels 10 dient.The inner frame 110 is designed and constructed in such a way that it: essentially serves as a media guide in the electrolysis cell stack 10, acts as a carrier for the seals 117, for example, injected or inserted therein, for radially sealing the respective electrode chamber 12, 13, clamping and/or positioning (cf. above) of a membrane 140 in its membrane recess 111 (cf. 6 and above), serves to position a fluid transport structure 140 in the electrode space through-hole 103 and/or serves to position (cf. above) a bipolar plate 14 of the cell stack 10.

Zur Medienführung weist der Innenrahmen 110, vgl. insbesondre die 2, Mediumdurchgangsausnehmungen 112 für das Versorgungsmedium 3, das Entsorgungsmedium 4 (inkl. Sauerstoff) und das Produktgas 6 (inkl. einem zu entsorgenden Versorgungsmedium 3) auf. Je nach einer Seite des Innenrahmens 110, also ob es sich um eine Membranseite oder eine Bipolarplattenseite handelt, und/oder je nach einer Art des Innenrahmens 110, also ob es sich um einen Anoden-Innenrahmen 110 oder einen Kathoden-Innenrahmen 110 handelt, erstrecken sich Mediumkanäle 113 ausgehend von Mediumdurchgangsausnehmungen 112 zur Elektrodenraum-Durchgangsausnehmung 103 bzw. vice versa.For media guidance, the inner frame 110, see in particular the 2 , medium passage recesses 112 for the supply medium 3, the disposal medium 4 (including oxygen), and the product gas 6 (including a supply medium 3 to be disposed of). Depending on the side of the inner frame 110, i.e., whether it is a membrane side or a bipolar plate side, and/or depending on the type of inner frame 110, i.e., whether it is an anode inner frame 110 or a cathode inner frame 110, medium channels 113 extend from the medium passage recesses 112 to the electrode chamber passage recess 103, or vice versa.

Die Mediumkanäle 113, auch als Delta Channels 113 bezeichnet, sind z. B. als Nuten 113 in einer betreffenden großflächigen Seite des Innenrahmens 110 eingerichtet. Im Elektrolysezellenstapel 10 sind solche nutenförmigen Medienkanäle 113 von Bipolarplatten 14 und/oder Membranen 140 an ihren Umfängen geschlossen. Andere Formen der Mediumkanäle 113, wie z. B. Bohrungen, sind natürlich ggf. anwendbar. Im Elektrolysezellenstapel 10 stehen betreffende Mediumdurchgangsausnehmungen 112, welche zu den sogenannten Schornsteinen 112 des Elektrolysezellenstapels 10 gehören, über jeweilige Mediumkanäle 113 in einer Fluidkommunikation mit der betreffenden Elektrodenraum-Durchgangsausnehmung 103.The medium channels 113, also referred to as delta channels 113, are configured, for example, as grooves 113 in a respective large-area side of the inner frame 110. In the electrolysis cell stack 10, such groove-shaped media channels 113 are closed at their peripheries by bipolar plates 14 and/or membranes 140. Other forms of the medium channels 113, such as bores, are of course applicable if necessary. In the electrolysis cell stack 10, the respective medium passage recesses 112, which belong to the so-called chimneys 112 of the electrolysis cell stack 10, are in fluid communication with the respective electrode chamber passage recess 103 via respective medium channels 113.

Zum radialen Rr Dichten (vgl. die 2 und 5) einer oder einer Mehrzahl von Mediumdurchgangsausnehmungen 112 in deren Umfangsrichtung weist der Innenrahmen 110 wiederum je nach einer Seite, also ob es sich um eine Membranseite oder eine Bipolarplattenseite handelt, und/oder wiederum je nach einer Art des Innenrahmens 110, also ob es sich um einen Anoden-Innenrahmen 110 oder einen Kathoden-Innenrahmen 110 handelt, entsprechende Dichtungen 117 auf. Und zum radialen Rr Dichten des betreffenden Elektrodenraums 12, 13 im Elektrolysezellenstapel 10, weist der Innenrahmen 110 auf beiden großflächigen Seiten jeweils außen um seine Elektrodenraum-Durchgangsausnehmung 103 vollständig herumlaufend, wenigstens eine Dichtung 117 auf.For radial Rr densities (cf. the 2 and 5 ) one or a plurality of medium passage recesses 112 in their circumferential direction, the inner frame 110 again has corresponding seals 117 depending on one side, i.e. whether it is a membrane side or a bipolar plate side, and/or again depending on a type of inner frame 110, i.e. whether it is an anode inner frame 110 or a cathode inner frame 110. And for the radial Rr sealing of the respective electrode chamber 12, 13 in the electrolysis cell stack 10, the inner frame 110 has at least one seal 117 on both large-area sides, each running completely around its electrode chamber passage recess 103.

Eine betreffende Dichtung 117 kann dabei in einer im Innenrahmen 110 eingerichteten Dichtungsausnehmung 116 eingerichtet sein, wobei die Dichtungsausnehmung 116 bevorzugt derart ausgehend von einer Oberfläche des Innenrahmens 110 in diesen hineingehend eingerichtet ist, dass diese sich selbst trifft und somit einen Umfang schließt. Solch eine z. B. als eine Dichtungsnut 116 umfänglich geschlossene Dichtungsausnehmung 116 läuft z. B. um eine oder eine Mehrzahl von Mediumdurchgangsausnehmungen 112 herum. Hierbei führen natürlich keine Mediumkanäle 113 zu diesen Mediumdurchgangsausnehmungen 112.A respective seal 117 can be arranged in a sealing recess 116 arranged in the inner frame 110, wherein the sealing recess 116 is preferably arranged in such a way that it extends from a surface of the inner frame 110 into the latter that it meets itself and thus closes a circumference. Such a sealing recess 116, which is circumferentially closed, for example, as a sealing groove 116, runs, for example, around one or a plurality of medium passage recesses 112. Of course, no medium channels 113 lead to these medium passage recesses 112.

Ferner ist der Außenrahmen 120 derart konzipiert und ausgebildet, dass dieser im Wesentlichen als ein Drucklager für den Innenrahmen 110 fungiert. D. h. ein Fluidinnendruck in einem betreffenden Elektrodenraum 12, 13 des Innenrahmens 110 aufgrund eines Betriebs des Elektrolysezellenstapels 10, wird dabei vom Außenrahmen 120 aufgenommen, welcher den Innenrahmen 110 formstabil in seinem radialen Innenbereich hält. Hierbei kann sich z. B. des Innenrahmen 110 elastisch verformen.Furthermore, the outer frame 120 is designed and configured such that it essentially functions as a thrust bearing for the inner frame 110. This means that an internal fluid pressure in a respective electrode chamber 12, 13 of the inner frame 110 due to operation of the electrolytic cell stack 10 is absorbed by the outer frame 120, which holds the inner frame 110 dimensionally stable in its radial inner region. In this case, the inner frame 110 can, for example, deform elastically.

Je nach Ausführungsformen der Elektrodenrahmen 100 eines Elektrolysezellenstapels 10 bzw. des Elektrolysezellenstapels 10 können die Elektrodenrahmen 100 derart ausgebildet sein, dass der Elektrolysezellenstapel 10 lediglich über die Innenrahmen 110 (vgl. 6), lediglich über die Außenrahmen 120, oder sowohl über die Innenrahmen 110 als auch die Außenrahmen 120 mechanisch axial Ar im Wesentlichen zusammenspannbar bzw. zusammengespannt ist.Depending on the embodiments of the electrode frames 100 of an electrolysis cell stack 10 or of the electrolysis cell stack 10, the electrode frames 100 can be designed such that the electrolysis cell stack 10 is only connected via the inner frames 110 (cf. 6 ), only via the outer frames 120, or via both the inner frames 110 and the outer frames 120, is essentially clamped together or clamped together mechanically axially Ar.

Eine bevorzugt formschlüssige Verbindung zwischen einer radialen Außenseite des Innenrahmens 110 und einer radialen Innenseite des Außenrahmens 120 dient bevorzugt einer gegenseitigen axialen Ar Befestigung. Hierbei kann die formschlüssige Verbindung einfach in zwei aneinander liegenden Seiten (vgl. 5) bestehen oder durch eine spezielle Ausformung einander betreffender Radialseiten ausgestaltet sein. Hierbei können z. B. eine als ein radialer Rr Vorsprung 124 oder eine radiale Rr Ausnehmung ausgebildete Fixiervorrichtung 124 des Außenrahmens 120, und eine als eine radiale Rr Ausnehmung 114 oder ein radialer Rr Vorsprung ausgebildete Fixiervorrichtung 124 des Innenrahmens 110 den Formschluss bilden (vgl. 6).A preferably positive connection between a radial outer side of the inner frame 110 and a radial inner side of the outer frame 120 preferably serves for mutual axial fastening. In this case, the positive connection can simply be formed in two adjacent sides (cf. 5 ) or be designed by a special shaping of mutually related radial sides. For example, a fixing device 124 of the outer frame 120 designed as a radial Rr projection 124 or a radial Rr recess, and a fixing device 124 of the inner frame 110 designed as a radial Rr recess 114 or a radial Rr projection can form the positive connection (cf. 6 ).

Der Außenrahmen 120 kann als ein massiver, insbesondere geschlossener Ring ausgebildet sein. Hierbei kann der Außenrahmen 120 Durchführungsausnehmungen 122 für Spannbolzen 150 des Elektrolysezellenstapels 10 aufweisen (vgl. 4). Alternativ (vgl. 3) können die Spannbolzen 150 des Elektrolysezellenstapels 10 radial Rr außerhalb der Außenrahmens 120 eingerichtet sein, sodass dieser keine Durchführungsausnehmungen 122 für Spannbolzen 150 benötigt. Ferner kann der Außenrahmen 120 z. B. deutlich gerundete, äußere Eckbereiche (vgl. 3) besitzen, oder dessen Eckbereiche zeigen einen gut erkennbaren Winkel, insbesondere einen rechten Winkel (vgl. 4).The outer frame 120 can be designed as a solid, in particular closed ring. The outer frame 120 can have through-holes 122 for clamping bolts 150 of the electrolysis cell stack 10 (see FIG. 4 ). Alternatively (cf. 3 ), the clamping bolts 150 of the electrolysis cell stack 10 can be arranged radially Rr outside the outer frame 120, so that it does not require any through-holes 122 for clamping bolts 150. Furthermore, the outer frame 120 can, for example, have clearly rounded outer corner areas (cf. 3 ), or whose corner areas show a clearly recognizable angle, in particular a right angle (cf. 4 ).

Die 6 zeigt ausschnittsweise einen Elektrolysezellenstapel 10, wobei gut zu erkennen ist, dass der eigentliche Elektrolysezellenstapel 10 über die Innenrahmen 110 und nicht die Außenrahmen 120 seiner Elektrodenrahmen 100 zusammengespannt ist. Die axiale Ar Zusammenspannung erfolgt mittels der Spannbolzen 150, welche den eigentlichen Elektrolysezellenstapel 10 über axial Ar äußere Platten 160 zusammenspannen. Diese Platten 160 wirken dabei lediglich auf die Innenrahmen 110 ohne auch auf die Außenrahmen 120 direkt einzuwirken. Axiale Ar Kräfte auf und/oder zwischen Außenrahmen 120 stammen aus den Innenrahmen 110. Axiale Ar Kräfte auf und/oder zwischen Innenrahmen 110 stammen aus den Platten 160, den Spannbolzen 150 und einer Schließkraft der Spannbolzen 150.The 6 shows a section of an electrolysis cell stack 10, wherein it is clearly visible that the actual electrolysis cell stack 10 is clamped together via the inner frames 110 and not the outer frames 120 of its electrode frames 100. The axial Ar clamping is achieved by means of the clamping bolts 150, which clamp the actual electrolysis cell stack 10 together via axial Ar outer plates 160. These plates 160 act only on the inner frames 110 without directly acting on the outer frames 120. Axial Ar forces on and/or between the outer frames 120 originate from the inner frames 110. Axial Ar forces on and/or between the inner frames 110 originate from the plates 160, the clamping bolts 150, and a closing force of the clamping bolts 150.

Ferner zeigt die 6 Umweltabdichtungen 170, welche in Axialrichtung Ax ebenfalls zwischen den Innenrahmen 110 und nicht den Außenrahmen 120 der Elektrodenrahmen 100 sitzen. Es ist natürlich möglich, die Umweltabdichtungen 170 zwischen den Außenrahmen 120 einzurichten. Darüber hinaus zeigt die 6 einen durch Durchführungsausnehmungen 122 der Außenrahmen 120 mit einem Spiel hindurchgeführten Spannbolzen 150. Die Durchführungsausnehmungen 122 in den Außenrahmen 120 sind bevorzugt derart dimensioniert und im Elektrolysezellenstapel 10 eingerichtet, dass in Axialrichtung Ar fluchtende Durchführungsausnehmungen 122 einem Spannbolzen 150 eine nur geringe Gegenkraft beim Hindurchstecken aufprägen.Furthermore, the 6 Environmental seals 170, which in the axial direction Ax are also located between the inner frames 110 and not the outer frames 120 of the electrode frames 100. It is of course possible to install the environmental seals 170 between the outer frames 120. In addition, the 6 a clamping bolt 150 guided through feedthrough recesses 122 of the outer frame 120 with a clearance. The feedthrough recesses 122 in the outer frame 120 are preferably dimensioned and arranged in the electrolytic cell stack 10 such that feedthrough recesses 122 aligned in the axial direction Ar impose only a slight counterforce on a clamping bolt 150 when it is inserted through.

Claims

Electrode frame (100) for an electrochemical cell stack (10), in particular an electrolysis cell stack (10) or a fuel cell stack, wherein the electrode frame (100) runs around its electrode space through-hole (103) in the circumferential direction (Ur) for the radial (Rr) fluid sealing of an electrode space (12, 13) of the cell stack (10) extending in the axial direction (Ax), characterized in that the electrode frame (100) comprises an outer frame (120) running around the outside and an inner frame (110) with the electrode space through-hole (103) radially (Rr) therein, wherein a representative volume element of the outer frame (120) is designed to be stiffer than a representative volume element of the same size of the inner frame (110).

Electrode frame (100) according to the preceding claim, characterized in that the inner frame (110), in contrast to the outer frame (120), serves to guide media through the electrode frame (100), and/or the outer frame (120) functions as a radial (Rr) thrust bearing for the inner frame (110).

Electrode frame (100) according to one of the preceding claims, characterized in that: • the inner frame (110): has medium passage recesses (112), medium channels (113), sealing recesses (116) and/or seals (117), • the outer frame (120), apart from any existing through-holes (122) for clamping bolts (150), is designed as a solid, substantially homogeneous ring, and/or • the outer frame (120) has no: medium passage recesses (112), medium channels (113), sealing recesses (116) and/or seals (117).

Electrode frame (100) according to one of the preceding claims, characterized in that : • the electrode frame (100) is designed as a ring closed in the circumferential direction (Ur), • a material of the outer frame (120) is different from a material of the inner frame (110), and/or • the outer frame (120) comprises a metal and/or the inner frame (110) comprises a plastic.

Electrode frame (100) according to one of the preceding claims, characterized in that : • the two axial (Ar) outer sides of the outer frame (120) and the inner frame (110) each lie substantially in one plane, • the outer frame (120) is only arranged on one circumferential side of the inner frame (110), and/or • the outer frame (120) and the inner frame (110) are connected to one another in a form-fitting, material-fitting or force-fitting manner.

Electrode frame (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the inner frame (110), in contrast to the outer frame (120), serves as a preferably exclusive seal carrier, in particular for the actual cell stack (10), and/or for a respective seal (117), the inner frame (110) has a sealing groove (116) or a sealing recess into which the respective seal (117) is injected or inserted.

Electrode frame (100) according to one of the preceding claims, characterized in that a positive connection is established in the circumferential direction (Ur) between the outer frame (120) and the inner frame (110), wherein a) and a fixing device of the inner frame (110) engage with one another for the mutual axial (Ar) fixing of the frames (110, 120) of the electrode frame (100), and/or the fixing device (124) of the outer frame (120) is designed as an inner projection (124) and the fixing device (114) of the inner space (110) is designed as an outer recess (114).

Electrode frame (100) according to one of the preceding claims, characterized in that : • the inner frame (110), in particular an inner frame (110) of a cathode frame (100), has a large-area membrane recess (111) for receiving a membrane (140), • the inner frame (110) has at least one positioning device for a membrane (140) of an individual electrochemical cell (110) of the cell stack (10) on/in a first large-area side, • the inner frame (110) has at least one positioning device for a bipolar plate (14) of the cell stack (10) on/in a second large-area side.

Electrode frame (100) according to one of the preceding claims, characterized in that : • the outer frame (120) is designed as a stamped part and the inner frame (110) as an injection-molded part, • the outer frame (120) has feedthrough recesses (122) for clamping bolts (150) of the cell stack (10), and/or • the outer frame (120) and/or the inner frame (110) is formed in one piece or integrally.

Cell layer for an electrochemical cell stack (10), in particular an electrolysis cell stack (10) or a fuel cell stack, with at least one electrode frame (100) and a fluid transport structure (130) arranged in its electrode space through-hole (103), characterized in that the at least one electrode frame (100) is designed according to one of the preceding claims.

Electrochemical cell stack (10), in particular electrolysis cell stack (10) or fuel cell stack, for an electrochemical unit (1), in particular an electrolyzer unit (1) or a fuel cell unit, with a plurality of electrochemical individual cells (11), characterized in that electrode frames (100) of the cell stack (10) are designed according to one of the preceding claims and/or cell layers of the cell stack (10) are designed according to the preceding claim.

Electrochemical cell stack (10) according to the preceding claim, characterized in that : • a respective membrane (140) between the the relevant inner frame (110) of two electrode frames (100) of an individual cell (11) is arranged, • a respective bipolar plate (14) is arranged only between the relevant inner frames (110) of two electrode frames (100) of two directly adjacent individual cells (11), • a substantial axial (Ar) mechanical force flow within the actual cell stack (10) is arranged substantially away from the outer frames (120) of the electrode frames (100) in the actual cell stack (10), and/or • the outer frames (120) of the electrode frames (100) of the cell stack (10) substantially only absorb the radial (Rr) fluid pressures from the actual cell stack (10).

Electrochemical unit (1), in particular electrolyzer unit (1) or fuel cell unit, or electrochemical system, in particular electrolyzer system or fuel cell system, with at least one electrochemical cell stack (10) and a control unit for controlling and/or regulating operation of the cell stack (10), characterized in that electrode frames (100) of the cell stack (10) are designed according to one of the preceding claims, cell layers of the cell stack (10) are designed according to one of the preceding claims and/or the cell stack (10) is designed according to the preceding claim.