EP4399350A2 - Rahmen für pem elektrolysezellen und pem elektrolysezellen stapel zur erzeugung von hochdruck-wasserstoff mittels differenzdruckelektrolyse - Google Patents

Rahmen für pem elektrolysezellen und pem elektrolysezellen stapel zur erzeugung von hochdruck-wasserstoff mittels differenzdruckelektrolyse

Info

Publication number
EP4399350A2
EP4399350A2 EP22803176.1A EP22803176A EP4399350A2 EP 4399350 A2 EP4399350 A2 EP 4399350A2 EP 22803176 A EP22803176 A EP 22803176A EP 4399350 A2 EP4399350 A2 EP 4399350A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
frame
type
anode
opening
cathode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22803176.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Karl-Heinz Lentz
Elena BORGARDT
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Igas Energy GmbH
Original Assignee
Igas Energy GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from EP21202604.1A external-priority patent/EP4166691A1/de
Application filed by Igas Energy GmbH filed Critical Igas Energy GmbH
Publication of EP4399350A2 publication Critical patent/EP4399350A2/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/60—Constructional parts of cells
    • C25B9/63—Holders for electrodes; Positioning of the electrodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/052—Electrodes comprising one or more electrocatalytic coatings on a substrate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/073—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
    • C25B9/23—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms comprising ion-exchange membranes in or on which electrode material is embedded
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
    • C25B9/75—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type having bipolar electrodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
    • C25B9/77—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type having diaphragms
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Definitions

  • the invention relates to a new frame for a PEM electrolytic cell and for a PEM electrolytic cell stack.
  • the frame according to the invention, the PEM electrolytic cell according to the invention and the PEM electrolytic cell stack according to the invention are suitable for generating high-pressure hydrogen by means of differential pressure electrolysis in combination with the use of thin proton exchange membranes.
  • the invention is based on a new frame and sealing concept.
  • the invention further relates to a lid for a stack type PEM electrolyzer.
  • PEM Proton exchange membrane
  • PEM electrolysis is an attractive technology for producing hydrogen using electricity derived from renewable energy sources.
  • the energy can be stored in the energy carrier hydrogen for times when there is not enough electricity from renewable sources available, thereby contributing to decarbonization.
  • An important advantage of PEM electrolysis is the possibility of generating hydrogen under pressure. Hydrogen must be available in compressed form for all potential areas of application, which means that PEM systems (e.g. PEM electrolysis cells and PEM electrolysis cell stacks) serve the needs of industry to a particular extent. For reasons of energy saving, it is advantageous to operate the PEM electrolysis directly under pressure, since less additional energy is required than with subsequent mechanical compression.
  • differential pressure electrolysis Since usually only the hydrogen is used, the oxygen can be generated more cheaply without pressure, which is referred to as differential pressure electrolysis.
  • a differential pressure of at least 30 bar is state of the art today, although this is currently only possible using PEM membranes with a thickness of at least approx. 120 ⁇ m.
  • the efficiency in the PEM electrolysis cell is outstanding Meaning.
  • a significant proportion of the energy losses are caused by the ohmic resistances, especially at the PEM membrane.
  • a catalyst-coated membrane (CCM) is used as the PEM membrane.
  • the membrane resistance can be significantly reduced by using a thin PEM membrane.
  • a classic PEM electrolytic cell consists of a catalyst-coated membrane (CCM) on which the reaction takes place.
  • CCM catalyst-coated membrane
  • PTL porous transport layers
  • PTL porous transport layers
  • BPP bipolar plate
  • PEM electrolytic cells and PEM electrolytic cell stacks comprising frames are known in the prior art.
  • US Pat. No. 6,669,826 B1 discloses achieving the seal in a PEM electrolytic cell stack by uniform contact pressure on the electrolytic cells.
  • sub-stacks each containing a large number of PEM electrolytic cells arranged in series in a bipolar arrangement, are pressed together with the aid of end plates, intermediate supports, tie rods and prestressing means.
  • US Pat. No. 6,852,441 B1 discloses stabilizing the frames of the PEM electrolytic cells in an electrolytic cell stack by means of a reinforcing element that peripherally surrounds the electrolytic cell stack.
  • EP 1 356 134 B1 discloses frames for PEM electrolytic cells, wherein the electrolytic cells are stacked compactly in a bipolar arrangement and the stacked frames are separated by partitions.
  • the frames have two opposed planar surfaces and an opening in which the membrane is held in the frame by thermal compression bonding to polyphenylene oxide strips, holes for inlet of electrolyte and outlet for the generated gas.
  • the gas and Electrolyte sealing is provided by O-rings and sealing of the stack by an array of O-rings in grooves in each frame. To maintain the integrity of the sealing rings between adjacent frames in a stack against internal pressure, the PEM electrolytic cell stack is sandwiched between two stainless steel plates held together by threaded tie rods and pressed together.
  • US Pat. No. 8,282,811 B2 discloses electrolytic cells for generating hydrogen at high pressures, with frames which are arranged between the membrane electrode arrangement and separators which serve as hydrogen separators and oxygen separators, respectively, and which have openings for water, oxygen and hydrogen to flow through. Gaskets seal the frame on the separators while the membrane seals the frame on the opposite side. Pressure pads between adjacent separators and plastic manifold gaskets surrounding the pressure pads seal the openings between individual electrolytic cells in a stack.
  • US 7,507,493 B2 discloses PEM electrolytic cells containing sealed bipolar plates.
  • the gasket is positioned between the frame and an edge of the porous gas diffusion layer.
  • the electrolytic cells have a protective element between the seal and the membrane electrode arrangement to protect the proton exchange membrane. This should allow the cell to work at sustained high pressures, low specific resistances and improved creep protection.
  • US 8,349,151 B2 discloses a frame for use as an anode frame and as a cathode frame in a water electrolyser, the anode frame and cathode frame being of identical construction and comprising a universal cell frame having a central opening and a plurality of transverse openings, with mating sets of transverse openings being spaced about 90 or 180 degrees from each other and each being fluidly connected or unconnected to the central aperture by at least one internal radial passage, and wherein the anode frame and cathode frame are rotated 90 degrees relative to one another such that a row of electrolysers are fluidly connected through the apertures.
  • EP 3 462 528 A1 discloses an electrochemical cell for generating high-pressure hydrogen with a membrane electrode assembly and flow structures with flat surfaces on both sides of the membrane electrode assembly, one flat surface being larger than the other surface, with a bipolar plate next to the flow structure having the smaller surface , a reinforcement layer and a seal with a sealing ring are arranged between the bipolar plate and the electrolyte membrane.
  • DE 10 2014 010 813 A1 discloses a frame for a stack-type electrolyzer for high-pressure hydrogen production, the frame comprising an integrated reinforcement arranged between the fluid guide and the outer edge and embedded in the frame structure, and a radially intermediate reinforcement and fluid guide arranged recess for receiving a seal.
  • EP 3 699 323 A1 relates to the supply of electrodes in an electrode stack, for example an electrolyzer.
  • DE 25 33728 A1 relates to an electrolysis cell with bipolar electrodes arranged next to one another and an outer frame enclosing at least one chamber of the electrolysis cell.
  • EP 3 770 303 A1 relates to an electrode packaging unit for a stacked construction of an electrochemical reactor with a bipolar plate, two electrode plates and two current transfer structures arranged between the bipolar plate and the electrode plates.
  • WO 2020/039218 A1 relates to a stack type electrolysis device for the electrolysis of water with cathode plate, anode plate, electrolysis stack, end plates and channel seal assemblies.
  • US 202009906 A1 relates to a catalyst-coated membrane for a water electrolyzer.
  • a small gap 17 remains between the PTL and frame 1.
  • the CCM 13 is pressed into this gap 17 during printing operation.
  • the CCM 13 creeps 24 (so-called viscoelastic behavior) into the gap 17. This effect is intensified if the frame 1 is deformed due to low mechanical stability (see point 2), so that the gap 17 becomes larger ( Figure 2).
  • the frame includes ducts for supplying and removing water and gas.
  • the channels are milled out of the frame, i.e. out of the metal or plastic part, which causes high costs.
  • the invention relates to a frame 1 for a PEM electrolysis cell 2 for a PEM electrolysis device of the stack type 23, the frame 1 having a first side 4 with a planar first surface and a second side 5 opposite the first side 4 with a planar second surface and an anode frame 8 and a cathode frame 11, and wherein the anode frame comprises the first side 4, a side of the anode frame 4" opposite the first side 4" and a first opening 6 for receiving the porous transport layer (PTL) anode 7, the first opening 6 being from the first side 4 to the opposite side of the anode frame 4", the cathode frame 11 having the second side 5, a side of the cathode frame 5" opposite the second side 5, and a second opening 9 for Receiving the PTL cathode 10, the second opening 9 extending from the second side 5 to the opposite side of the cathode frame 5", the side of the anode frame 4" opposite the first side 4 and the side of the cathode frame opposite the second
  • the step 12 is preferably part of the cathode frame 11.
  • the step 12 preferably adjoins the second opening 9.
  • the step 12 preferably frames the second opening 9.
  • the step 12 preferably forms a planar third surface as a support surface for the catalyst-coated membrane (CCM) 13.
  • the step 12 is preferably part of the cathode frame 11 and forms a planar third surface as a support surface for membrane 13.
  • the shoulder 12 is preferably part of the cathode frame 11, which adjoins the second opening 9 and frames the second opening 9 and a planar third surface as a support surface for the catalyst-coated membrane (CCM) 13 forms.
  • the anode frame 8 comprises a core 21 and a coating of sealing material 22.
  • the cathode frame 11 comprises a core 21 and a coating of sealing material 22.
  • Any sealing material is suitable as a coating for a core 21 made of metal, for example rubber, in particular Ethylene Propylene Diene Rubber (EPDM).
  • the coating of sealing material 22 is preferably a seal or acts as a seal in a PEM electrolysis cell 2 or in a stack-type PEM electrolysis device 23.
  • the invention relates to a frame 1 for a PEM electrolytic cell 2 with a core 21, preferably made of metal, the core 21 being coated with a sealing material, preferably rubber, for example EPDM (FIGS. 3a and 3b).
  • a sealing material preferably rubber, for example EPDM (FIGS. 3a and 3b).
  • sealing material 22 of the anode frame 8 is completely or partially coated with sealing material 22, in particular a seal.
  • the core 21 of the cathode frame 11 is completely or partially coated with a sealing material 22, in particular a seal.
  • Any sealing material is suitable as a seal, for example rubber, in particular ethylene-propylene-diene rubber (EPDM).
  • EPDM ethylene-propylene-diene rubber
  • the seal can include EPDM or consist of EPDM.
  • the core 21 of the anode frame 8 preferably comprises or consists of metal.
  • the core 21 of the cathode frame 11 preferably comprises or consists of metal.
  • a core 21 made of metal offers good mechanical stability.
  • other materials with similar mechanical properties can be used for the core 21.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • the coating of sealing material 22, preferably rubber, for example ethylene propylene diene rubber (EPDM) produces the sealing effect, i.e. the sealing material acts as a seal.
  • the entire surface of the core 21 of the anode frame 8 is coated with a coating of sealing material 22 .
  • at least 90%, preferably at least 95% or more, of the surface of the core 21 of the anode frame 8 is coated with a coating of sealing material 22 .
  • the entire surface of the core 21 of the cathode frame 11 is coated with sealing material
  • At least 90%, preferably at least 95% or more of the surface of the core 21 of the cathode frame 11 is coated with a coating of sealing material 22 .
  • the sealing surface is very large.
  • less than 90% of the surface of the core 21 of the anode frame 8 is coated with a coating of sealing material 22 .
  • less than 90% of the surface of the core 21 of the cathode frame 11 is coated with coating of sealing material 22 .
  • the areas of the surface of the core 21 of the anode frame 8 and/or the core 21 of the cathode frame 11 are coated with coating of sealing material 22 that are necessary to enable the PEM electrolytic cell 2 to be completely sealed.
  • At least those areas of the surface of the core 21 of the anode frame 8 and/or the core 21 of the cathode frame 11 are preferably coated with a coating of sealing material 22 that surrounds the first opening 6 and/or the second opening 9 .
  • an area of the surface of the core 21 of the anode frame 8 from 0.5 cm to 2.5 cm, preferably from 1 cm to 2 cm, for example 1.5 cm, which directly surrounds the first opening 6 (see Figures 10b to 10d and Figure 14).
  • the metal offers good mechanical stability, whereas the coating of sealing material 22, preferably rubber, for example EPDM, produces the sealing effect.
  • sealing material 22 preferably rubber, for example EPDM
  • the fact that preferably all or at least 90%, for example at least 95% or more of the surface of the core 21 consists of metal of the anode frame 8 or that preferably all or at least 90%, for example at least 95% or more of the surface of the core 21 consists of Metal of the cathode frame 11 is coated with sealing material, preferably rubber, for example EPDM, the sealing surface is very large.
  • a stable core 21, for example made of metal and the coating of sealing material 22 is that the components such as the PTL anode 7 and PTL cathode 10 can be pressed into the frame 1, in particular into the anode frame 8 and the cathode frame 11 (press fit). and as a result, in the PEM electrolytic cell 2 or the PEM electrolytic device of the stacked type 23, in the case of electrolysis under high pressure or differential pressure, for example electrolysis which is carried out at a differential pressure of up to 40 bar, there is no deformation of the frame 1 and no Formation of a larger gap 17 between individual components inside the frame 1 and between individual components and the Frame 1, for example between PTL cathode 10 and frame 1 and/or between PTL anode 7 and frame 1 ( Figure 8).
  • the metal for the core 21 of the anode frame 8 and/or cathode frame 11 can be, for example, high-grade steel, for example high-grade steel with a thickness of 0.5 mm.
  • the coated core 21 of the anode frame 8, i.e. core 21 and coating of sealing material 22 together can have a thickness of 1 to 5 mm, preferably 2 to 3 mm, for example 2.2 mm.
  • the coated core 21 of the cathode frame 11, i.e. core 21 and coating of sealing material 22 together can have a thickness of 1 to 5 mm, preferably 2 to 3 mm, for example 2.2 mm.
  • Materials with comparable properties, such as highly reinforced plastic, for example PTFE, molecularly reinforced PTFE, are also suitable for the core 21 .
  • the coating of sealing material 22 has a layer thickness.
  • the layer thickness of the coating of sealing material 22 is, for example, 1 to 4.5 mm, for example 2 to 3 mm.
  • the layer thickness of the coating of sealing material 22 which surrounds the core 21 of the anode frame 8 is preferably the same everywhere.
  • the layer thickness of the coating of sealing material 22 which surrounds the core 21 of the cathode frame 11 is preferably the same everywhere.
  • the core 21 of the anode frame 8 has areas which, compared to the layer thickness of the coating of sealing material 22, have a reduced layer thickness of the coating of sealing material 22" ( Figure 10b to 10d, Figure 14).
  • the layer thickness of the coating made of sealing material 22" that is reduced in comparison to the layer thickness of the coating made of sealing material 22 is reduced by 1 mm compared to the layer thickness of the coating made of sealing material 22.
  • the layer thickness of the coating made of sealing material 22 is 4 mm and the reduced layer thickness of the coating made of sealing material 22" is 3 m.
  • the layer thickness of the coating made of sealing material 22 is 10 mm or less, preferably 5 mm, 3 mm, 2 mm or less 1.5 mm, 1 mm or less.
  • the reduced layer thickness of the coating of sealing material 22 is 9 mm or less, preferably 4 mm, 2.8 mm, 1.9 mm or less 1.45 mm, 0.95 mm or less.
  • the layer thickness difference between the layer thickness of the coating of sealing material 22 and the reduced layer thickness of the coating of sealing material 22" is 1 mm, 0.7 mm, 0.5 mm or less, for example 0.3 mm, 0.2 mm, 0, 1mm, 0.05mm or less.
  • the first opening 6 is at least 0.5 mm or 1 mm, for example 2 mm or more, 0.5 cm, preferably 1 cm, particularly preferably 1.5 cm or more larger than the second opening 9, with paragraph 12 , which is formed inside the cathode frame 11 by the larger first opening 6 and the smaller second opening 9, has the same width everywhere (Figure 7b, Figure 11).
  • paragraph 12 can be of different widths at different points.
  • the width of the shoulder 12 and thus the planar third surface for receiving the CCM 13 can have the same or different widths at different locations.
  • the anode frame 8 can, for example, have external dimensions of 20 to 70 cm by 20 to 70 cm, for example 50 cm by 50 cm or 35 cm by 35 cm.
  • the first opening 6 can, for example, have dimensions of 11 to 51 cm by 11 to 51 cm, for example 21 cm by 21 cm or 15 by 15 cm (FIG. 9b).
  • the cathode frame 11 can, for example, have external dimensions of 20 to 70 cm by 20 to 70 cm, for example 50 cm by 50 cm or 35 cm by 35 cm.
  • the second opening 9 can measure 10 to 50 cm by 10 to 50 cm, for example 20 cm by 20 cm or 14 cm by 14 cm (FIG. 9a).
  • the same external dimensions for anode frame 8 and cathode frame 11 are preferably selected.
  • the dimensions for the first opening 6 and the second opening 9 are chosen such that the first opening 9 is larger than the second opening 9, so that when the anode frame 8 and cathode frame 1 interact as frame 1, a step 12 is formed.
  • the person skilled in the art is familiar with different frame shapes in which the frame 1, the anode frame 8 and the cathode frame 11 can be designed, for example square, rectangular, round. Due to the fact that the shape of the frame 1 can be freely selected, the contact pressure in certain areas of the frame 1 can be adjusted by increasing or reducing the frame thickness, preferably by reducing the layer thickness of the coating of sealing material 22 .
  • the layer thickness of the coating of sealing agent 22 can be increased. As a result, areas can be created in which the layer thickness of the coating Sealing material 22 on the core 21 is thicker than in other areas of the anode frame 8 or cathode frame 11. The layer thickness of the coating of sealing agent 22 can be reduced.
  • the pressure on the active surface can be increased, for example, by a circumferential increase 26" in the layer thickness of the coating made of sealing material 22, for example a circumferential rubber increase.
  • a continuous increase 26" in the layer thickness of the coating made of sealing material 22 can, for example have a width of 1 mm.
  • the difference in the layer thickness between the coating of sealing material 22 and the circumferential elevation 26'' can be 1 mm, 0.5 mm, 0.1 mm, 0.05 mm, for example.
  • the subject matter of the invention is a frame 1, the coating of sealing material 22 in certain areas of the anode frame 8 and/or in certain areas of the cathode frame 11, for example to reduce the contact pressure, having a reduced layer thickness of the coating of sealing material 22 compared to the layer thickness of the coating of sealing material 22 " having.
  • the subject of the invention is a frame 1, wherein the coating of sealing material 22 in certain areas of the anode frame 8, for example to increase the sealing effect, has a circumferential elevation 26" that surrounds the first opening 6.
  • the subject of the invention is a frame 1, wherein the coating made of sealing material 22 in certain areas of the cathode frame 11, for example to increase the sealing effect, has a peripheral elevation 26'', which surrounds the second opening 9.
  • the first opening 6 can be formed by a first side 27, a second side 28, a third side 29 and a fourth side 30.
  • the second opening 9 can be formed by a first side 27", a second side 28", a third side 29", and a fourth side 30".
  • the components are installed as structures in the frame 1, the anode frame 8, the cathode frame 11, in particular the coating of sealing material 22 with which the core 21 of the anode frame 8 and the cathode frame 11 are coated.
  • the coating of sealing material 22 can be a rubber coating and can include a rubber lip 25 that is arranged, for example, in the area of the connections for individual voltage measurements.
  • the insulating film can be saved.
  • the subject matter of the invention is frames 1 in which the coating of sealing material 22 of the anode frame 8 and/or the coating of sealing material 22 of the cathode frame 11 assumes other functions beyond the sealing function.
  • the coating of sealing material 22 of the anode frame 8 and/or the cathode frame 11 includes appropriate features for this purpose, for example a rubber lip 25.
  • the sealing material coating 22 comprises one or more type II channels 15.
  • a type II channel 15 is configured as areas in the sealing material coating 22 which, compared to the layer thickness of the sealing material coating 22, have a reduced layer thickness of the sealing material coating 22".
  • a Type II channel 15 is therefore an indentation or recess in the coating of sealing material 22, which does not contribute to the sealing effect.
  • Adjacent individual Type II channels 15 are separated by ridges 26.
  • a ridge 26 is, for example, an area between two adjacent channels type II 15, in which the core 21 has a coating of sealing material 22, which has no reduced layer thickness.
  • the reduced layer thickness of the coating of sealing material 22" in the area in which individual channels type II 15 are arranged can be independent of the Reduced layer thickness of the coating of sealing material 22 "in other areas of the coating that surrounds the core 21 and possibly a have reduced layer thickness of the coating can be selected.
  • the core 21 does not have a coating of sealing material 22 in the one or more areas representing one or more Type II channels 15 .
  • the first opening 6, which frames the anode frame 8, and the second opening 9, which frames the cathode frame 11, are of different sizes (FIGS. 7b, 8, 9a and 9b).
  • the cathode frame 11 is smaller and the anode frame 8 is larger.
  • the hydrogen pressure of a PEM Electrolysis occurs in the cathode, does not press or can press the gap 17 between the anode frame 8 and the PTL anode 7 .
  • the CCM 13 is then only pressed against the PTL anode 7 and mechanically supported on the PTL anode 7 .
  • a creeping 24 of the CCM 13 into the gap 17 between frame 1, for example anode frame 8 and PTL anode 7 can be prevented in this way.
  • the frame 1 according to the invention comprises two different types of channels for transporting water and gas to and from it.
  • the frame 1 comprises one or more channels type I 14 for transporting water into the frame 1 and for transporting water and gas out of the frame 1.
  • the channels type I 14 are not directly connected to the first opening 6 in the anode frame 8 or the second opening 9 in the cathode frame 11.
  • the core 21 of the anode frame 8 comprises one or more Type I 14 channels.
  • the core 21 of the cathode frame 11 comprises one or more Type I 14 channels.
  • the frame 1 preferably comprises one or more channels type I1 15 for transporting water into the first opening 6 and for transporting water and oxygen out of the first opening 6 and for transporting hydrogen out of the second opening 9.
  • Channels type II preferably connect 15 channels Type I 14 with the first opening 6.
  • Type II channels 15 connect Type I channels 14 to the second opening 9.
  • the coating of sealing material 22 coating all or part of the anode frame 8 includes one or more Type II ducts 15.
  • the core 21 of the anode frame 8 includes one or more Type II ducts 15.
  • the coating of sealing material 22 coating all or part of the cathode frame 11 includes one or more Type II channels 15.
  • the core 21 of the cathode frame 11 includes one or more Type II channels 15.
  • An advantage of this embodiment is the manufacturing costs.
  • the type II channels 15 are not milled out of each anode frame 8 and each cathode frame 11, but are transferred once into a tool.
  • a suitable tool is, for example, the negative for the anode frame 8 or the negative for the cathode frame 11.
  • the arrangement of the type II channels 15, their diameter, their length and possibly other parameters are transferred to the tool.
  • the channels type II 15 can be transferred into the seal 22, for example as stamped with a stamp in the sealing material, preferably the rubber, for example EPDM.
  • the tool is used to vulcanize the core 21 of the anode frame 8 and the core 21 of the cathode frame 11.
  • the anode frame 8 comprises on the surface of the first side 4 one or more type II ducts 15 which are connected to one or more type 1 ducts 14 and which connect the type 1 duct(s) 14 to the first opening 6 and the , when the frame 1 is installed in a PEM electrolytic cell 2 or a PEM electrolytic device of the stacked type 23, are arranged towards the bipolar plate (BPP) 16 and the side of the anode frame 4" opposite the first side 4" has no channels type I1 15.
  • BPP bipolar plate
  • the cathode frame 11 comprises on the surface of the second side 5 one or more type II ducts 15 which are connected to one or more type I ducts 14 and which connect the type I duct(s) 14 to the second opening 9 and which , when the frame 1 is installed in a PEM electrolytic cell 2 or a stacked type PEM electrolytic device 23, toward Bipolar plate (BPP) 16 are arranged and wherein the second side 5 opposite side of the cathode frame 5 "has no channels type I1 15.
  • BPP Bipolar plate
  • the frame 1 comprises one or more channels Type I 14 for the supply and removal of water and gas and one or more channels Type II 15, the channel Type I 14 not having the first opening 6 in the anode frame 8 or the second opening 9 in the cathode frame 11 are connected.
  • the anode frame 8 comprises on the surface of the first side 4 one or more type II-15 channels which are connected to the type I channel 14 and which connect the type I channel 14 to the first opening 6 and which, when the frame 1 is installed in a PEM electrolytic cell 2 or a stack type PEM electrolytic device 23, are arranged towards the BPP 16 and wherein the side of the anode frame 4" opposite the first side 4 does not have channels type 11 15.
  • the cathode frame 11 comprises on the surface of the second side 5 a type II duct 15 which is connected to one or more type I ducts 14 and connects the type I duct 14 to the second opening 9 and which, when the frame 1 in a PEM electrolytic cell 2 or a stacked type PEM electrolytic device 23, are arranged towards the BPP 16 and the side of the cathode frame 5" opposite the second side 5 does not have type I1 15 channels.
  • the frame 1 comprises at least two channels type I 14 for the supply and removal of water and gas and at least two channels type I1 15, the channels type 1 14 not having the first opening 6 in the anode frame 8 or the second opening 9 are connected in the cathode frame 11.
  • the anode frame 8 comprises on the surface of the first side 4 at least two type II channels 15 which are connected to the at least two type I channels 14 and which connect the type I channels 14 to the first opening 6 and the , when the frame 1 is installed in a PEM electrolytic cell 2 or a stack type PEM electrolytic device 23, are arranged towards the BPP 16 and the side of the anode frame 4" opposite the first side 4 does not have type II channels 15.
  • the cathode frame 11 comprises on the surface of the second side 5 at least two type II ducts 15 which are connected to at least two type I ducts 14 and which connect the type I ducts 14 to the second opening 9 and which when the frame 1 is installed in a PEM electrolytic cell 2 or a stacked type PEM electrolytic device 23 , are arranged towards the BPP 16 and wherein the side of the cathode frame 5'' opposite the second side 5 has no type II channels 15.
  • several type II channels 15 arranged on the second side 5 of the cathode frame 11 connect one channel Type I 14 with the second opening 9.
  • the type II 15 channels, the type I 14 channels with the first opening 6 and the second opening 9, i.e. in a PEM electrolytic cell the PTL anode 7 and the PTL cathode 10 with the type 1 14 channels for transporting water in and out and gas connect are arranged in the anode frame 8 and/or in the cathode frame 11 so that they point towards the BPP 16, and not towards the CCM 13.
  • gas and water flow through the type I channels 14 during electrolysis will the CCM 13 is not affected by this, because the side of the anode frame 7 and the side of the cathode frame 11 on which the CCM 13 rests does not contain any type II ducts 15, i.e.
  • the CCM 13 rests on a smooth, level surface without channels and is therefore well supported even at a differential pressure of up to 40 bar.
  • the anode compartment (the anode compartment is formed by anode frame 7, CCM 13 and BPP 16)
  • the cathode compartment is formed by cathode frame 11, CCM 13 and BPP 16)
  • the entire PEM electrolytic cell 2 also at a differential pressure of up to 40 bar fully sealed so no gas or water can escape.
  • the frame 1 comprises from two to a thousand or more Type II 15 channels, for example at least a hundred Type II 15 channels, preferably at least two hundred Type II 15 channels, or more or less, for example 50 or less.
  • at least half of the Type I ducts 14 are connected to the first port 6 or the second port 9 by means of Type II ducts 15 .
  • at least two or more, e.g. four, 10 or more Type II channels 15 connect a Type I channel 14 to the first opening 6.
  • at least two or more, e.g. four, 10 or more Type II channels 15 connect a Type I channel 14 with the second opening 9.
  • the type II ducts 15 connected to the first opening 6 are arranged on the first side of the frame 4 side by side.
  • the distance between two adjacent channels type I1 15 is, for example, ⁇ 5 mm, ⁇ 3 mm, preferably ⁇ 2 mm or less.
  • the type II channels 15 are arranged in a fan shape between the type I channel 14 and the first opening 6 on the first side of the frame 4 .
  • the type II ducts 15 connected to the second opening 9 are arranged side by side on the second side of the frame 5.
  • the distance between two adjacent channels type I1 15 is, for example, ⁇ 5 mm, ⁇ 3 mm, preferably ⁇ 2 mm or less.
  • the type II ducts 15 are arranged in a fan shape between the type 1 duct 14 and the second opening 9 on the second side of the frame 5 .
  • the channels of the frame 1 are designed such that the liquid is distributed through the Type I channels 14 within a stack type PEM electrolyzer 23 and the liquid enters each individual PEM electrolytic cell 2 through Type II channels 15 .
  • the type I channels 14 are preferably arranged at regular intervals along or parallel to the first opening 6 in the anode frame 8 .
  • the type I channels 14 are preferably arranged at regular intervals along or parallel to the second opening 9 in the cathode frame 11 . For example, there are 20 or more or less, e.g. five Type 1 channels 14 on each side of a square first opening 6 or on each side of a square second opening 9, respectively.
  • the channels type I 14 are arranged so that they each have the same proportion and thus the same area of the first opening 6 and the second opening 9 of an electrochemical cell 2 or the first openings 6 and the second openings 9 of a PEM Supply water to stack type electrolyzer 23 .
  • continuous Type II channels 15 preferably also lead from each Type I channel 14 or a portion of the Type I channels 14 constant opening diameters of preferably 5 mm or less, particularly preferably ⁇ 2 mm to the first openings 6 and the second openings 9 out.
  • These type II channels 15 are arranged in a fan shape, for example, so that the type II channels 15 are evenly distributed over the first openings 6 and second openings 9 .
  • Other arrangements of the type II channels 15 in the area between the first opening 6 or the second opening and the type I channel 14 through the type II channels 15 are possible.
  • By limiting the width of the type II channels 15 to 5 mm or less, preferably two mm or less, sufficient contact pressure in the area of the type II channels 15 is transmitted to the opposite frame 1 .
  • the PEM electrolysis cell 2 has water flowing through it evenly. Since a large part of the inflowing water is used for cooling, an even distribution of the type II channels 15 leads to a homogeneous heat dissipation. This arrangement of the type II channels 15 allows the heat generated during the PEM electrolysis to be dissipated evenly. The dissipation of the heat of reaction is a critical parameter for a PEM electrolytic cell 2 or a stack-type PEM electrolytic device 23 .
  • PEM electrolysis devices of the stack type 23 with different designs and structures are included.
  • the outer channels type II 15 are adjusted accordingly, ie eg the channels type II 15, which are arranged on the edge of the array of channels type I1 15 on the first side of the frame 4, eg the channels type II 15, which are on the edge of Arrangement of the type II channels 15 in relation to the first side of the first opening 27 are arranged so that either a higher or a lower pressure loss of the water flowing through them compared to the other type II channels 15 of the frame 1, the electrochemical cell 2 , the preassembled component 20, the PEM electrolysis device of the stack type 23 arises. This can be achieved, for example, by reducing the opening cross section of the type II channels 15 .
  • the invention includes frame 1, PEM electrolysis cells 2, preassembled assemblies 20 and PEM electrolysis devices of the stack type 23, in which the individual channels type II 15 of the frame 1 in question, the electrochemical cell 2 in question, the preassembled assembly 20 in question, the PEM electrolysis device in question from Stack type 23 are arranged so that each type II channel 15 supplies an area of the same size of the active cell area with water.
  • the invention includes frame 1, PEM electrolysis cells 2, preassembled assemblies 20 and PEM electrolysis devices of the stack type 23, in which the individual channels type II 15 of the frame 1 in question, the PEM electrolysis cell 2 in question, the preassembled assembly 20 in question, the PEM electrolysis device in question from Stack type 23 are designed so that all channels type I1 15 can transport the same amount of water in the same time, ie all channels type I1 15 are the same. This can be achieved, for example, in that all type I1 15 channels have the same cross section through which water can flow.
  • the Type I1 channels 15 are arranged such that each Type I1 channel 15 supplies water to an equal portion of the active cell area. More preferably, the Type I1 channels 15 are arranged such that each Type I1 channel 15 supplies water to an equal sized area of the active cell area and all Type II channels 15 are equal. In this way, the entire active cell area can be evenly supplied with water.
  • the number, shape and arrangement of the Type I 14 channels and other parameters relating to the Type I 14 channels and the number, shape and arrangement of the Type II 15 channels and other parameters relating to the Type II 15 channels can be set, if required, e.g. be adjusted accordingly to the frame shape used.
  • the anode frame 8 and the cathode frame 11 are connected to one another via connecting elements.
  • Corresponding connecting elements are known to the person skilled in the art.
  • the anode frame 8 comprises one or more connecting elements, for example pins 19 and the cathode frame 11 one or more connecting elements, for example holes 18, the pin or pins 19 and the hole or holes 18 being arranged such that the hole(s) 18 in the cathode frame 11 is plugged onto the pin(s) 19 in the anode frame 8 and the anode frame 8 and cathode frame 11 can thereby be connected to one another.
  • the invention relates to a PEM electrolytic cell 2 for operation under a differential pressure of up to 40 bar to generate high-pressure hydrogen, comprising a PEM membrane electrode arrangement with a CCM 13, a PTL anode 7, a PTL cathode 10,
  • the PEM electrolytic cell 2 having a frame 1 comprises, wherein the first opening 6 in the anode frame 8 comprises the PTL anode 7 and the second opening 9 in the cathode frame 11 comprises the PTL cathode 10 and the CCM 13 between the side of the anode frame 4" opposite the first side 4" and that of the second side 5 is arranged on the opposite side of the cathode frame 5", with one side of the CCM 13 resting on the PTL anode 7 and the other side of the CCM 13 resting on the step 12 and the PTL cathode 10 ( Figure 7b and 7c).
  • the differential pressure does not act on the CCM 13 in the area of the gap 17 between the anode frame 8 and the PTL anode 7. This prevents the CCM 13 from creeping 24 into the gap 7 (FIGS. 8 and 8a).
  • the PEM electrolytic cell 2 according to the invention comprises a CCM 13 with a thickness of less than 80 ⁇ m, for example a CCM 13 with a thickness of 50 ⁇ m or less.
  • the special arrangement of the type II channels 15 ensures that water and gas is transported in and out completely, as well as the stability of the CCM 13 and complete sealing of the PEM electrolytic cell 2.
  • PEM electrolytic cells 2 can be produced with a thinner CCM 13 than is usual in the prior art.
  • these PEM electrolytic cells 2 can be operated in such a way that the hydrogen is accumulated to generate a differential pressure on the cathode side of up to 40 bar without the CCM 13 being damaged or the PEM electrolytic cell 2 becoming leaky.
  • the anode 7 is designed such that the BPP 16 is connected to the anode 7, this is referred to as BPP/anode 36 according to the invention.
  • BPP/anode 36 the use of BPP/anode 36 not only facilitates assembly but also reduces contact resistance between parts.
  • the anode 7 comprises at least one coarse distributor and at least one fine distributor for the process media, in particular the water.
  • the coarse distributor distributes the water efficiently over the entire cell area (i.e. the first opening and the second opening 6 + 9).
  • the fine distributor transports the water to the CCM 13, enables good electrical contact to the CCM 13 and at the same time supports the CCM 13 mechanically.
  • Expanded metal for example, can be used as a coarse distributor for the PTL anode 7 .
  • a plate made of sintered powder can be used as a fine distributor for the PTL anode 7 .
  • Coarse distributors and fine distributors for example expanded metal and sintered metal, can be connected to one another, for example by resistance welding, to produce a PTL anode 7.
  • the powder can be sintered directly onto the expanded metal.
  • the PTL anode 7 can be connected to the BPP 16.
  • BPP 16 is made of the same material as PTL anode 7.
  • BPP 16 and PTL anode 7 are made of titanium.
  • BPP 16 and PTL anode 7 comprise at least 80% of the same material, eg, titanium.
  • connection between the BPP 16 and the PTL anode 7 can be realized, for example, by resistance welding, preferably at a number of points.
  • the area of the BPP 16 corresponds to the outer surface of the frame 1
  • the area of the BPP/PTL anode 36 essentially corresponds to the outer surface of the frame 1.
  • the area of the PTL anode 7 in the BPP/PTL anode 36 is adapted so that it fills the first opening 6, or fits into the first opening 6. Instead of two parts (BPP 16 and PTL anode 7), only one part, the BPP/PTL anode 36, is required for assembly. So a part is saved.
  • the type I 14 channels on one side or two sides along the first opening 6 of the anode frame 8 can also be made significantly smaller than the type I 14 channels on other sides along the first opening of the anode frame 8 (see FIG. 10b).
  • the type I channels 14 can be significantly smaller on the cathode side than on the anode side (cf. FIGS. 10b to 10d).
  • channels type I 14 can, for example, be designed as a slot instead of a round hole. Different shapes and a corresponding adaptation are possible for the type I 14 channels.
  • the subject of the invention is a preassembled subassembly 20 for the manufacture of a stack-type electrolysis device 23, which comprises a frame 1 according to the invention.
  • the subject matter of the invention is, for example, a preassembled module 20 for producing a stack-type electrolyzer 23 comprising an anode frame 8, a cathode frame 11, a BPP 16, a PTL anode 7 and a PTL cathode 10, the anode frame 8 having a first side 4 of the frame 1 with a planar first surface, one of the first Side 4 opposite side of the anode frame 4" and a first opening 6 for receiving the PTL anode 7, wherein the first opening 6 extends from the first side 4 to the side of the anode frame 4" opposite the first side 4, and wherein the first opening 6 is surrounded by the anode frame 8, and the anode frame 8 comprises at least one connecting element for connection to the cathode frame 11, for example a pin 19, the cathode frame 11 having a second side
  • the PTL cathode 10 is inserted or pressed into the second opening 9 and framed by the cathode frame 11, the anode frame 8 and cathode frame 11 being connected via the connecting elements of the anode frame 8 and the cathode frame 11, for example the pin 19 of the anode frame 8 in the hole 18 of the cathode frame 11 and the anode frame 8 and cathode frame 11 are thereby connected to each other, the first opening 6 being larger than the second opening 9 and the anode frame 8 and the cathode frame 11 being arranged so that the first side 4 and the second side 5 form a shoulder 12 at the transition from anode frame 8 to cathode frame 11, shoulder 12 preferably being that part of cathode frame 11 which preferably adjoins second opening 9 and preferably frames second opening 9, and shoulder 12 preferably having a planar third Surface forms as a support surface for the CCM 13, the BPP 16 or the BPP 16 of the BPP/PT
  • the invention relates to a method for producing a preassembled assembly 20 which includes a frame 1 according to the invention.
  • the invention relates, for example, to a method for producing a preassembled assembly 20, comprising the method steps a) a core 21 is preferably produced from metal for the anode frame 8, the core 21 having a first side 4 with a planar first surface and one of the first side 4 opposite side of the anode frame 4", wherein the first side 4 and the side of the anode frame 4" opposite the first side 4 comprise a first opening 6, which extends from the first side 4 to the side of the anode frame 4 opposite the first side 4 "Extends and which is framed by the anode frame 8, and one, two or more channels type I 14 for the supply and removal of water and gas, the channel or channels type 1 14 not having the first opening 6 in the anode frame 8 is connected or are, and wherein the anode frame 8 at least one Connecting element for connection to the cathode frame 11, e.g.
  • a pin 19 comprises b) the surface of the core 21 for the anode frame 8 produced according to a) in whole or in part, for example at least 90% of the surface of the core 21 for the anode frame produced according to a). 8 is coated to produce a rubber coating as a coating of sealing material 22 by vulcanization with natural or synthetic rubber and then vulcanized, thereby producing a rubber coating, preferably an EPDM coating, on the entire surface or on parts of the surface of the core 21 creating in the rubber coating one, two or more type II 15 channels on the surface of the first side 4, which are connected to one, two or more type I 14 channels and which form or type 1 14 connect to the first opening 6 and which, when the anode frame 8 is installed in a PEM electrolytic cell 2 or a stacked-type PEM electrolytic device 23, are arranged toward the BPP 16 or the BPP side of the BPP/PTL anode 36 and wherein in Coating of rubber on the opposite side of the first side 4 of the anode frame 4 "no channels
  • a hole 18 includes, e) the surface of the core 21 for the cathode frame 11 produced according to d) in whole or in part, for example at least 90% of the surface of the core 21 for the cathode frame 11 produced according to d) to produce a rubber coating as a coating of sealing material 22 by means of vulcanization Natural or synthetic rubber is coated and then vulcanized and thereby a rubber coating, preferably an EPDM coating, is produced on the entire surface or on parts of the surface of the core 21, with the rubber coating having one, two or more channels type 11 15 are generated on the surface of the second side 5, which are connected to one, two or more type I ducts 14 and which connect the type 1 duct(s) 14 to the second opening 9 and which, when the cathode frame 11 installed in a PEM electrolytic cell 2 or a stacked type PEM electrolytic device 23, are arranged toward the BPP 16 or the BPP side of the BPP/PTL anode 36 and wherein in the coating of rubber of the opposite side of the second side
  • the invention also relates to a method for manufacturing a stack-type PEM electrolysis device 23 for operation under differential pressure for the production of high-pressure hydrogen, which comprises frames 1 according to the invention, preassembled components 20 according to the invention, electrochemical cells 2.
  • the invention relates, for example, to a method for producing a stack-type PEM electrolysis device 23 for operation under differential pressure to generate high-pressure hydrogen, comprising the method steps a) at least x preassembled assemblies 20 according to the invention and at least x+1 CCMs 13 are stacked alternately on top of one another, wherein a stack of preassembled assemblies 3 is generated, in the stack of preassembled assemblies 3 in each case a preassembled assembly 20 and a CCM 13 are stacked alternately one above the other and on which A CCM 13 is arranged on the top and bottom of the stack of preassembled assemblies 3 and a CCM 13 is arranged between two adjacent preassembled assemblies 20, and b) then on one side of the stack of preassembled assemblies 3 is a single anode,
  • one or more, preferably each, of the x+1 CCMs 13 in the stack-type PEM electrolysis device 23 has a thickness of less than 80 ⁇ m, where x is an integer and > 2 is. More preferably, a plurality, preferably each, of the x+1 CCMs 13 in the stack-type PEM electrolyzer 23 have a thickness of less than 50 ⁇ m or less, where x is an integer and >2.
  • the subject of the invention is a stack-type PEM electrolyser 23 to operate under differential pressure for the production of high-pressure hydrogen, comprising one or more frames 1 according to the invention.
  • the invention relates to a stack-type PEM electrolysis device 23 which comprises one or more preassembled assemblies 20 according to the invention.
  • the invention relates to a stack-type PEM electrolysis device 23 comprising one or more PEM electrolysis cells 2 according to the invention.
  • the invention relates, for example, to a stack-type PEM electrolysis device 23 for operation under differential pressure to produce high-pressure hydrogen, comprising x preassembled assemblies 20 according to the invention, x+1 CCMs 13, a single anode, a single cathode and two end plates 33, the x preassembled Modules 20 and the x+1 CCMs 13 are stacked alternately one above the other to form a stack of preassembled modules 3, in which stack of preassembled assemblies 3, a preassembled assembly 20 and a CCM 13 are stacked alternately one on top of the other, with a CCM 13 each being arranged on the top and bottom of the stack of preassembled assemblies 3 and a CCM 13 being arranged between two adjacent preassembled assemblies 20, and wherein on on one side of the stack of preassembled assemblies 3 a single anode, preferably a single PTL anode 7', is arranged parallel to an outer CCM 13 and on the other side of the stack of preassembled assemblies 3 a single cathode,
  • one or more, preferably each of the x+1 CCMs 13 in the stack-type PEM electrolysis device 23 has a thickness of less than 80 ⁇ m, preferably a thickness of less than 50 ⁇ m or less.
  • x is an integer and > 2.
  • an insulating plate 32 can be installed between the CCM 13 and the end plate 33 in each case. Insulating plates 32 at these points prevent, for example, the end plates 33 from being short-circuited when using screws, for example.
  • Corresponding components are known to the person skilled in the art. Those skilled in the art can adjust the manufacturing process accordingly.
  • the invention also relates to a stack-type PEM electrolysis device 23 for operation under differential pressure to generate high-pressure hydrogen, comprising x preassembled assemblies 20 according to the invention, x+1 CCMs 13, a single anode, preferably a single PTL anode 7', a single cathode, preferably a single PTL cathode 10 ', and two end plates 33, wherein the x preassembled assemblies 20 and the x + 1 CCMs 13 are stacked alternately on top of each other to form a stack of preassembled assemblies 3, wherein in the stack preassembled Assemblies 3 each have a preassembled assembly 20 and a CCM 13 stacked alternately on top of one another, with a CCM 13 each being arranged on the top and bottom of the stack of preassembled assemblies 3 and a CCM 13 being arranged between two adjacent preassembled assemblies 20, and with the one side of the stack of preassembled devices 3 a single anode is arranged in parallel with an outer CCM 13 and on the other
  • a half-cell anode comprises only the anode side of an electrochemical cell 2, not the cathode side of the electrochemical cell 2.
  • a half-cell anode comprises a single anode 7' and an anode frame 8.
  • a half-cell anode consists of a single anode 7' and an anode frame 8.
  • a half-cell anode completes an electrochemical cell 2 in a preassembled assembly 20 or stack of preassembled assemblies 3.
  • a cathode half-cell comprises only the cathode side of an electrochemical cell 2, not the anode side of the electrochemical cell 2.
  • a cathode half-cell comprises a single cathode 10' and a cathode frame 11.
  • a cathode half-cell consists of a single cathode 10' and a cathode frame 8.
  • a half-cell cathode completes an electrochemical cell 2 in a preassembled assembly 20 or stack of preassembled assemblies 3.
  • the stack-type PEM electrolysis device 23 comprises at least 2 or 3 or 5 or more, for example 10, 50, 100, 500, 1000 or more preassembled assemblies 20 according to the invention.
  • the stack-type PEM electrolysis device according to the invention preferably comprises 23 in addition to a number of x preassembled assemblies 20 according to the invention, where x is an integer and >2, a cathode frame 11, a CCM 13, an anode frame 8 and two end plates 33.
  • x is an integer and >2
  • a cathode frame 11 a CCM 13, an anode frame 8 and two end plates 33.
  • the first and last PEM electrolytic cells 2 are different from those in between.
  • a CCM 13 is placed on a cathode frame 11, on the CCM 13 x preassembled assemblies 20 and x CCMs 13 are stacked alternately, and thereon an anode frame 8.
  • the stack becomes a PEM between end plates 33 Stack-type electrolyzer 23, where x is an integer and >2.
  • one of the two end plates 33 is preferably an upper end plate 38, which is arranged on top in a stack-type PEM electrolyzer 23, for example.
  • one of the two end plates 33 is preferably a lower end plate 44, which is arranged at the bottom in a stacked-type PEM electrolyzer 23, for example.
  • the subject of the invention is a lid 37 for a stack type PEM electrolyzer 23.
  • the lid 37 according to the invention has a construction in which as much space as possible is made for water without making the entire end plate 33 unnecessarily thick.
  • the invention relates to a cover 37 for a PEM electrolysis device of the stack type 23, the end plate 33, for example the upper end plate 38 having at least one water connection for the introduction of the water 39, at least one Water connection for the drainage of the water 40 and at least two distributor covers 41, wherein the upper end plate 38 has at least two spaces for the distribution of water in the end plate 42 to create space for water, and each of the at least two distributor covers 41 space for the distribution of water in the distributor cover 43 and wherein at least one distributor cover 43 for introducing water into the stack-type PEM electrolyzer 23 is connected to at least one water connection for the introduction of water 39 and a space for the distribution of water in the end plate 42 and wherein at least another distribution cover 43 for discharging water from the stack type PEM electrolyzer 23 is connected to at least one water port for discharging water 40 and a space for distributing water in the end plate 42 .
  • the subject matter of the invention is a stack-type PEM electrolysis device 23 comprising the cover 37 according to the invention.
  • the invention relates to a stack-type PEM electrolysis device 23 according to the invention, which comprises the cover 37 according to the invention.
  • the end plates 33 or the upper end plate 38 and the lower end plate 44 must have a sufficient screw force or .
  • the coating of sealing material 22 then acts as a seal and completely seals the individual frames 1 , anode frame 8 and cathode frame 11 . If frames 1 with large frame areas are used, the pressing force that is necessary to clamp the end plates 33 so that they are completely sealed becomes even higher. For frame 1 with a large frame area, the contact pressure when the core 21 of the anode frame and the core 21 of the cathode frame are completely coated with a coating of sealing material 22 is particularly large, i.e.
  • a large frame area means z. B. 1600 cm 2 or more.
  • the entire frame area of the anode frame 8 is not necessary for the seal.
  • the entire frame surface of the cathode frame 11 is not necessary for the seal.
  • the layer thickness of the coating of sealing material 22 can be reduced in the areas of the surface of the core 21 that are not necessary for the seal.
  • the coating of sealing material 22 can be reduced in its layer thickness in the areas of the surface of the core 21 for the cathode frame 11 or the anode frame 8, which is not necessary for the seal, e.g. the area of the surface of the Core 21, which is not required for sealing, has a layer thickness of the coating of sealing material 22" reduced by 0.05 mm or more, for example 0.1 mm, preferably 0.2 mm or more, for example in the areas of the surface of the core 21, which is not necessary for the sealing of the active surface (first and second opening 6+9) and the type I and type II channels 14+15.
  • the area of the surface of the core 21 of the anode frame 8 and/or the cathode frame 11, in which the coating of sealing material 22 is not reduced in the layer thickness, is primarily subjected to pressure when the stack-type PEM electrolysis device 23 is braced ( Figures 1, 10 to 15 MPa).
  • the sealing area in which the coating of sealing material 22 on the surface of the core 21 has a non-reduced layer thickness can be defined, for example, in such a way that the area of the surface of the core 21 which is at a distance of 0.2 mm or more for example 0.5 mm or 1 mm or more, preferably 1.5 mm or 2 mm or more around the first inner opening 6 or the second inner opening 9 and around the type 1 14 and type II 15 channels ( Figure 10b, Figure 14).
  • the distance can vary.
  • the distance to the first opening 6, the second opening 9 to the arrangement of the channels type 1 14 to the channels type I1 15, in which the coating of sealing material 22 has a non-reduced layer thickness can be the same or different.
  • the coating of sealing material 22 in the area of the surface or in parts of the area of the surface of the core 21 of the anode frame 8 or the cathode frame 11, in which the coating of sealing material 22" has a reduced layer thickness the layer thickness be zero , ie in this area of the surface the core 21 cannot be coated with a coating of sealing material 22" in special embodiments.
  • the layer thickness of the coating of sealing material 22" in certain areas of the surface of the core 21 of the anode frame 8 or the cathode frame 11 the area that has to be pressed can be reduced, for example by 50%, compared to a coating of sealing material 22 that completely coated in the same layer thickness on the surface of the core 21. This also reduces the pressing force that is necessary to press the frame 1 in the stack-type PEM electrolysis device 23 by up to 50%.
  • the type II channels 15 are not milled out of each anode frame 8 and each cathode frame 11, but are transferred once into a tool.
  • One tool is the negative for the anode frame 8
  • another tool is the negative for the cathode frame 11.
  • the channels type 11 15 are transferred to the tool and inserted like a stamp into the coating of sealing material 22, preferably the rubber, for example EPDM.
  • the metal core 21 is coated with the sealing material, preferably rubber, for example EPDM, by vulcanization, with the channels type II 15 being simultaneously produced in the regions of the anode frame 8 and/or the cathode frame 11 desired according to the invention.
  • the molded parts or molded rubber parts produced by vulcanization of anode frame 8 and/or cathode frame 11 can be used directly and can be produced in large numbers at low cost. Alternative methods are known, such as injection molding or 3D printing.
  • the stack-type PEM electrolyzer 23 is preferably designed so that all components have a smooth and homogeneous surface, so that no voltage peaks occur on the CCM 13 .
  • PTL anodes 7 and/or PTL cathodes 10 with a pore diameter ⁇ 0.1 mm are used, for example.
  • PTL anode 7 and/or PTL cathode 10 PTLs with a so-called "microporous layer", ie a particularly homogeneous surface, can be used.
  • the stack type PEM electrolysis device 23 according to the invention is preferably used for the electrolysis of water in the temperature range from 10 to 95 degrees Celsius, preferably in the temperature range from 40 to 80 degrees Celsius, particularly preferably in the temperature range from 68 to 72 degrees Celsius.
  • the stack-type PEM electrolysis device 23 according to the invention also has the advantage that the temperature difference from one side of the stack to the other side of the stack is preferably at most 0 to 10 degrees Celsius, preferably at most 3 to 7 degrees Celsius, in particular at most 4 degrees Celsius.
  • the anode frame 8 and the cathode frame 11 can easily be joined together to form a preassembled assembly 20, since the seal and the anode frame 8 or the seal and the cathode frame 11 each consist of one component.
  • a BPP 16 which is connected to a PTL anode 7, ie a BPP/anode 36, is preferably used to produce a preassembled module 20.
  • FIG. For example, BPP 16 and PTL anode 7 are welded so that BPP 16 and PTL anode 7 are present as a BPP/PTL anode 36 component.
  • the anode frame 8 is first placed or pressed onto the anode 7 or the PTL anode 7 of the BPP/PTL anode 36.
  • the anode frame 8 can also have a second pin 19 as a means of connection to the BPP 16 or the BPP/PTL anode 36, which can be inserted into the BPP 16.
  • the BPP 16 or the BPP 16 of the BPP/PTL anode 36 includes a corresponding means for connection to the anode frame 8, preferably a hole 18.
  • the anode frame 8 with the inserted or pressed-in PTL anode 7 and the BPP 16 or The BPP/PTL anode 36 is reversed and the cathode frame 11 can be mounted on the other side of the anode frame 8 with means for Connection to the anode frame, preferably a hole 18 are also inserted and connected to the anode frame 8.
  • the PTL cathode 10 is then inserted or pressed into the cathode frame 11 (FIG. 6).
  • a preassembled module 20 is obtained. Preassembled module 20 can then be stacked alternately with CCMs 13, for example, using centering pins
  • Figure 1 Classic structure of a PEM electrolytic cell from the prior art with frame 1, catalyst-coated membrane (CCM) 13, bipolar plate (BPP) 16, PTL anode 7, PTL cathode 10 with gap 17 between frame 1 and PTL anode 7 and frame 1 and PTL cathode 10.
  • the frame 1 includes channels type I 14 for the supply and removal of water and gas.
  • Figure 2 Frame 1 according to Figure 1 with deformation of the frame 1 and formation of a larger gap 17 between frame 1 and PTL anode 7 and frame 1 and PTL cathode 10 and creeping 24 of the CCM 13 into the enlarged gap 17 between
  • FIG. 3a A part of the frame 1 according to the invention is shown, which comprises a core 21 which is coated with a coating of sealing material 22 and which comprises a channel type 11 15 in the coating of sealing material 22.
  • Figure 3b A part of the frame 1 according to the invention is shown.
  • the frame 1 comprises a core 21 which is coated with a coating of sealing material 22 and a part of a channel type II 15 in the coating of sealing material 22.
  • FIG. 4 The cathode frame 11 according to the invention shown here has a second opening 9 which is framed by a first side 27′, a second side 28′, a third side 29′ and a fourth side 30′ of the cathode frame 11.
  • the cathode frame 11 comprises two holes 18 as a connecting element for connection with the anode frame 8 and twenty channels type I 14.
  • the cathode frame 11 comprises several channels type II 15 on the second side 5 connecting the second opening 9 with ten channels type 1 14, where each channel type 1 14 is connected to the second opening 9 by means of several channels type II 15 .
  • FIG. 5 The anode frame 8 according to the invention shown here has a first opening 6 which is framed by a first side 27, a second side 28, a third side 29 and a fourth side 30 of the anode frame 8.
  • the anode frame 8 comprises two pins 19 as a connecting element for connection to the cathode frame 11 and in this specific example also twenty channels type I 14, which are arranged so that when anode frame 8 and cathode frame 11 are connected, with the twenty channels type I 14 of the cathode frame 11 for transporting water and gas to and from it.
  • the anode frame 8 comprises type II 15 channels on the first side 4 connecting the first opening 6 with ten type I 14 channels.
  • the anode frame 8 comprises a coating of sealing material 22, preferably rubber.
  • This anode frame 8 includes a lip made of sealing material, preferably a rubber lip 25.
  • FIG. 6 schematically shows the method for producing a preassembled module 20 with the method steps a) initial situation: PTL anode 7 and BPP 16 are connected (BPP/PTL anode 36); b) 1 . Step: the pins 19 of the anode frame 8 are inserted into the holes 19 of the BPP/PTL anode 36; c) 2nd step: turning the arrangement from b), the BPP 16 side of the BPP/PTL anode 36 is closed see; d) 3rd step: the cathode frame 11 is inserted into the arrangement, e) 4th step: the PTL cathode 10 is inserted into the second opening 9 .
  • FIG. 7 shows a preassembled module 20 in an exploded view. Shown are the parts that make up the preassembled assembly 20: cathode frame 11, anode frame 8, BPP/PTL anode 36, PTL cathode 10, and the assembly of cathode frame 11, anode frame 8, BPP/PTL anode 36, and PTL cathode 10 in FIG preassembled module 20. An order is also shown in which the individual parts are preferably assembled.
  • the type II channels 15 in the cathode frame 11 are arranged on the opposite side of the cathode frame 11 from the visible side. This is the second side of frame 5. They are not visible from this perspective. Their arrangement on the second side of the frame 5 is marked in light gray on the side of the cathode frame 5'' opposite the second side of the frame.
  • FIG. 7a shows a preassembled module 20 in plan view. All 4 parts belonging to the pre-assembled assembly 20 can be seen: cathode frame 11, anode frame 8, BPP/PTL anode (36) and PTL cathode 10.
  • the channels type 11 15 are all arranged towards the BPP/PTL anode 36 and are therefore not visible in the preassembled component 20 because they are arranged inside the preassembled assembly 20 .
  • FIG. 7b shows a preassembled module 20 in side view.
  • Anode frame 8 and cathode frame 11 are connected.
  • the anode frame 8 is the PTL anode
  • the PTL cathode 10 is inserted into the cathode frame 11 .
  • the BPP 16 is arranged between the anode frame 8 and the cathode frame 11 .
  • the BPP 16 is placed on the PTL cathode 10, the shelf 12 and the cathode frame 11 and lies with its other side on the PTL anode 7 and the anode frame 8 on.
  • FIG. 7c shows an enlarged section of a part of the preassembled assembly 20 from FIG. 7b, which clearly shows the step 12.
  • Figure 8 Shown is a section of a schematic structure of a PEM electrolysis device of the stack type 23 according to the invention, namely a stack of preassembled assemblies 3. The arrangement shows a stack with three PEM electrolysis cells 2. The arrows show the direction of the gas pressure in a high-pressure hydrogen electrolysis, the is carried out under a differential pressure of 40 bar.
  • FIG. 8a Enlarged detail of part of a PEM electrolytic cell 2 with shoulder 12. The arrows indicate the direction from which the increased pressure acts on the CCM 13 at differential pressure.
  • Figure 9a Exemplary dimensions for a cathode frame 11.
  • the Type II channels 15 connect the second opening 9 with the Type I channels 14 which are arranged along the second side of the second opening 28' and along the fourth side of the second opening 30' .
  • several channels type II 15 connect the second opening 9 to a channel type I 14.
  • the individual channels type II 15 are separated from one another by elevations 26.
  • Figure 9b Exemplary dimensions for an anode frame 8 matching the cathode frame 11 shown in Figure 9a.
  • Type II channels 15 connect the first opening 6 with type I channels 14 running along the first side of the first opening 27 and those running along the third Side of the first opening 29 are arranged. In this case, several channels of type II 15 connect the first opening 6 to a channel of type I 14. The individual channels of type I1 15 are separated from one another by elevations 26.
  • FIG. 10a An embodiment of an anode frame 8 is shown.
  • the anode frame 8 comprises type I ducts 14 and type II ducts 15, the type II ducts 14 being arranged on the first side of the frame 4 in a fan shape.
  • the anode frame 8 is square and comprises a square first opening 6 and twenty Type I channels 14, five of the Type I channels 14 being located in each of the four sides of the anode frame, ie the first side of the first opening 27 comprises five Type I channels 14, the second side of the first opening 28 includes five Type I channels 14, the third side of the first opening 29 includes five Type I channels 14, and the fourth side of the first opening 30 includes five Type I channels 14.
  • each of the five Type II channels 14 are connected to eight Type II channels 15 each.
  • Any type II channel 15 is connected to a type I channel 14 and to the first opening 6 .
  • the channels type 11-15 are arranged in a fan shape on the first side of the frame 4 and are arranged at regular intervals along the first side of the first opening 27 and the third side of the first opening 29.
  • FIG. 10b An anode frame 8 is shown.
  • the anode frame 8 comprises type I channels 14, with some of the type 1 channels 14 having a round shape and some of the type 1 channels 14 having an oval shape.
  • the anode frame 8 comprises a coating of sealing material 22 which is arranged on the core 21 (the core is not shown) of the anode frame 8 .
  • the coating of sealing material 22 has a layer thickness that is shown as a framed area.
  • the line surrounding the outlined area is a circumferential ridge 26 to increase the sealing effect around the active area 26".
  • the area of the anode frame 8 surrounding the Type I 14 and Type II 15 channels and the first opening 6 is coated with a coating of sealing material 22 in the layer thickness.
  • the layer thickness of the coating of sealing material 22 on the core 21 in this area of the anode frame 8 is 1.2 mm. .
  • the remaining part of the core 21 of the anode frame 6 (shown outside the border and labeled 22′) has a reduced layer thickness of the coating of sealing material 22′′ compared to the layer thickness of the coating of sealing material 22′′.
  • the reduced layer thickness of the coating of sealing material 22'' on the core 21 in this area of the anode frame 8 is 0.3 mm.
  • FIG. 10d shows a section of the anode frame 8 from FIG. 10c.
  • FIG. 10e A cathode frame 11 is shown.
  • the cathode frame 11 comprises type I channels 14, with some of the type I channels 14 having a round shape and some of the type I channels 14 having an oval shape.
  • the oval type I channels 14 are connected to the second opening 9 via type II channels 15 .
  • the cathode frame 11 includes a Rubber lip 25 for isolating the single voltage measurement.
  • An anode frame 8 could have an analogous arrangement.
  • FIG. 11 shows an embodiment of a preassembled module 20 (shown without PTL cathode 10 and without CCM 13) comprising cathode frame 11 and anode frame 8.
  • the shoulder 12 is formed by the different sizes of the first opening 6 and the second opening 9.
  • Type II channels 15 are arranged on part of the shoulder 12, which, because they are covered by the cathode frame 11, can only be partially seen.
  • Figure 12 shows a PEM electrolysis device of the stack type 23 according to the invention with stacks of PEM electrolysis cells 2, insulating plates 32, end plates 33, tie rods 34 and current collector plate 35.
  • FIG. 13 shows a preferred embodiment of the PTL anode 7, the BPP 16 being connected to the anode 7 to form a BPP/PTL anode 36.
  • FIG. 14 shows the pressure distribution in a PEM electrolytic cell 2 according to the invention with an anode frame 8 according to FIG. 10b.
  • the cell was tightened between two end plates 33 with a defined torque.
  • a pressure-sensitive foil which triggers differently at different pressures, was arranged between anode frame 8 and a matching cathode frame 11 .
  • the highest pressure of 10 to 15 MPa is in the area of the anode frame 8 where the core 21 is coated with coating of sealing material 22, ie eg along the first side of the first opening 27 and along the second side of the first opening 29 and in the area around the Type I 14 canals.
  • This area of the anode frame 8 has a layer thickness that is 0.2 mm thicker than the area with a reduced layer thickness of the coating with sealing material 22".
  • the area in which the type II channels 15 that connect the first opening 6 with the type I channels 14 The pressure in this area is only 1 to 2 MPa.
  • the area at the outer edge of the anode frame 8, where the core 21 has a layer thickness , which is reduced compared to the coating of sealing material 22 ( reduced layer thickness of the coating of sealing material 22").
  • Figure 15a shows the cover 37 according to the invention for a PEM electrolysis device of the stack type 23.
  • the cover 37 comprises an end plate 33, for example an upper end plate 38, which is connected to two distributor covers 41, one distributor cover 41 having a water connection for the inlet 39 and another Distributor cover 41 includes a water connection for the output 40.
  • Figure 15b shows the cover 37 for a stack type PEM electrolyzer 23 with a distributor cover 41 removed so that in the end plate 33 the space for water distribution in the end plate 42 and the channels type 1 14, which are connected to the space for water distribution in endplate 42 are visible.
  • FIG. 15c shows a distributor cover 41 for the cover 37 according to the invention for a stack-type PEM electrolysis device 23, with the space for water distribution in the distributor cover 43 being visible.
  • FIG. 15d shows a diagram with a simulation of how the water is distributed in the cover 37 according to the invention.
  • the diagram also shows the different flow velocities at different points on the cover 37 and in the area of the transition to the type I channels 14.
  • Figure 16 shows an anode frame 7 with an arrangement of the channels type I 14 and type II 15 as well as areas with a coating of sealing material 22 and areas with a coating of sealing material 22" with a reduced layer thickness.
  • the channels type II 15 connect part of the channels type I 14 with of the first opening 6. They are evenly spaced along the first side of the first opening 27 and along the third side of the first opening 29, so that each channel type II 15 in the same area of the first opening 6 and the active surface water initiates or discharges water and gas.
  • Figure 16a to c show enlarged sections of the anode frame from Figure 16.
  • Figure 17 shows a cathode frame 11 with an arrangement of the channels type I 14 and type II 15 as well as areas with a coating of sealing material 22 and areas with a coating of sealing material 22" with a reduced layer thickness.
  • the channels type II 15 connect part of the channels type I 14 with of the second opening 9. They are evenly spaced along the second side of the second opening 28' and along the fourth side of the second opening 30' so that each type II channel is 15 in the same area of the first opening 6 or the active surface introduces water or discharges water and gas.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen neuen Rahmen für eine PEM Elektrolysezelle und für einen PEM Elektrolysezellen Stapel. Gegenstand der Erfindung ist der Rahmen, eine PEM Elektrolysezelle und ein PEM Elektrolysevorrichtungen vom Stapeltyp, die den erfindungsgemäßen Rahmen umfassen, vorassemblierte Bauteile und Verfahren zur Herstellung der vorassemblierten Bauteile und PEM Elektrolysevorrichtungen vom Stapeltyp. Der erfindungsgemäße Rahmen, PEM Elektrolysezelle und PEM Elektrolysevorrichtungen vom Stapeltyp sind für die Erzeugung von Hochdruck-Wasserstoff in Kombination mit dem Einsatz von dünnen Protonenaustauschmembranen geeignet. Die Erfindung basiert auf einem neuen Rahmen- und Dichtungskonzept. Gegenstand der Erfindung ist auch ein Deckel für PEM Elektroylsevorrichtungen vom Stapeltyp.

Description

Rahmen für PEM Elektrolysezellen und PEM Elektrolysezellen Stapel zur Erzeugung von Hochdruck-Wasserstoff mittels Differenzdruckelektrolyse
Die Erfindung betrifft einen neuen Rahmen für eine PEM Elektrolysezelle und für einen PEM Elektrolysezellen Stapel. Gegenstand der Erfindung ist der Rahmen, eine PEM Elektrolysezelle und ein PEM Elektrolysezellen Stapel (=PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp), die den erfindungsgemäßen Rahmen umfassen, vorassemblierte Baugruppen, Verfahren zur Herstellung der vorassemblierten Baugruppen und Verfahren zur Herstellung der PEM Elektrolysezellen Stapel. Der erfindungsgemäße Rahmen, die erfindungsgemäße PEM Elektrolysezelle und der erfindungsgemäße PEM Elektrolysezellen Stapel sind für die Erzeugung von Hochdruck-Wasserstoff mittels Differenzdruckelektrolyse in Kombination mit dem Einsatz von dünnen Protonenaustauschmembranen geeignet. Die Erfindung basiert auf einem neuen Rahmen- und Dichtungskonzept. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Deckel für eine PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp.
Die Protonenaustauschmembran (PEM)-Wasserelektrolyse ist eine attraktive Technologie zur Erzeugung von Wasserstoff mit Strom, der aus erneuerbaren Energiequellen stammt. Dadurch kann die Energie in dem Energieträger Wasserstoff für Zeiten, zu denen nicht genügend Strom aus erneuerbaren Quellen zur Verfügung steht, gespeichert werden und dadurch einen Beitrag zur Dekarbonisierung leisten. Ein wichtiger Vorteil der PEM Elektrolyse ist die Möglichkeit zur Erzeugung von Wasserstoff unter Druck. Für alle potenziellen Anwendungsgebiete muss Wasserstoff komprimiert vorliegen, wodurch PEM Systeme (z.B. PEM Elektrolysezellen und PEM Elektrolysezellenstapel) in besonderem Maße die Bedürfnisse der Industrie bedienen. Aus Gründen der Energieeinsparung ist es dabei vorteilhaft, die PEM Elektrolyse direkt unter Druck zu betreiben, da so weniger zusätzliche Energie aufgewandt werden muss als bei einer nachträglichen mechanischen Komprimierung. Da in der Regel nur der Wasserstoff genutzt wird, kann der Sauerstoff günstiger drucklos erzeugt werden, man spricht dann von Differenzdruckelektrolyse. Ein Differenzdruck von mindestens 30 bar ist heute Stand der Technik, wobei dies derzeit nur unter Verwendung von PEM Membranen mit einer Dicke von mindestens ca. 120 pm möglich ist.
Um mit dem zur Verfügung stehenden Strom möglichst viel Wasserstoff erzeugen zu können, ist der Wirkungsgrad in der PEM Elektrolysezelle von herausragender Bedeutung. Ein erheblicher Anteil der Energieverluste entsteht durch die ohmschen Widerstände, insbesondere an der PEM Membran. Als PEM Membran wird eine katalysatorbeschichtete Membran (CCM) verwendet. Der Membranwiderstand kann durch Verwendung einer dünnen PEM Membran erheblich verringert werden.
Der klassische Aufbau einer PEM Elektrolysezelle ist in Figur 1 dargestellt.
Eine klassische PEM Elektrolysezelle besteht aus einer katalysatorbeschichteten Membran (CCM), an der die Reaktion stattfindet. Auf der Anoden- und Kathodenseite transportieren poröse Transportschichten (PTL) das Wasser zur CCM hin bzw. transportieren poröse Transportschichten (PTL) das erzeugte Gas von der CCM weg. Die Bipolarplatte (BPP) trennt die Anoden- und Kathodenseite räumlich voneinander. Die Ein- bzw. Ausströmung von Gas und Wasser wird durch einen Rahmen aus klassischerweise Metall oder hochfesten Kunststoff (PEEK) gewährleistet. In diesen Rahmen werden die Komponenten CCM und PTL eingelegt. Der Rahmen wird durch O-Ringe oder andere Dichtungen wie Flachdichtungen oder eingespritzte Dichtungen seitlich abgedichtet, um zu verhindern, dass das Gas aus der PEM Elektrolysezelle ausströmt.
Im Stand der Technik sind PEM Elektrolysezellen und PEM Elektrolysezellen Stapel, die Rahmen umfassen, bekannt.
US 6,669,826 B1 offenbart die Abdichtung in einem PEM Elektrolysezellen Stapel durch gleichmäßigen Kontaktdruck auf die Elektrolysezellen zu erreichen. Dabei werden Unterstapel, die jeweils eine Vielzahl von PEM Elektrolysezellen, die in Reihe in einer bipolaren Anordnung angeordnet sind, mit Hilfe von Endplatten, Zwischenträgern, Zugstangen und Vorspannmitteln zusammengepresst.
US 6,852,441 B1 offenbart, die Rahmen der PEM Elektrolysezellen in einem Elektrolysezellen Stapel durch ein Verstärkungselement, dass den Elektrolysezellen Stapel peripher umgibt, zu stabilisieren.
EP 1 356 134 B1 offenbart Rahmen für PEM Elektrolysezellen, wobei die Elektrolysezellen in einer bipolaren Anordnung kompakt gestapelt werden und die gestapelten Rahmen durch Trennwände getrennt sind. Die Rahmen weisen zwei gegenüberliegende planare Oberflächen auf und eine Öffnung, in der die Membran durch thermisches Druckbonden auf Polyphenylenoxidstreifen im Rahmen gehalten wird, Löcher für den Einlass von Elektrolyt und als Auslass für das erzeugte Gas. Die Gas- und Elektrolytdichtung erfolgt durch Dichtungsringe und die Abdichtung des Stapels durch eine Anordnung von Dichtungsringen in Nuten in jedem Rahmen. Um die Intaktheit der Dichtungsringe zwischen benachbarten Rahmen in einem Stapel gegen den Innendruck zu wahren, ist der PEM Elektrolysezellen Stapel zwischen zwei Edelstahlplatten, die durch Verbindungsstäbe mit Gewinde zusammengehalten werden, eingeschlossen und zusammengepresst.
US 8,282,811 B2 offenbart Elektrolysezellen zur Erzeugung von Wasserstoff bei hohen Drücken, mit Rahmen, die zwischen Membranelektrodenanordnung und Separatoren, die als Wasserstoffabscheider bzw. Sauerstoffabscheider dienen, angeordnet sind und die Öffnungen zum Durchfluss von Wasser, Sauerstoff und Wasserstoff aufweisen. Dichtungen dichten den Rahmen an den Separatoren ab, während die Membran den Rahmen auf der gegenüberliegenden Seite abdichtet. Druckkissen zwischen benachbarten Separatoren und Kunststoffverteilerdichtungen, die die Druckkissen umgeben, dichten die Öffnungen zwischen den einzelnen Elektrolysezellen in einem Stapel ab.
US 7,507,493 B2 offenbart PEM Elektrolysezellen, die Bipolarplatten mit Dichtung enthalten. Die Dichtung ist zwischen Rahmen und einer Kante der porösen Gasdiffusionsschicht angeordnet. Zudem weisen die Elektrolysezellen ein Schutzelement zwischen Dichtung und Membranelektrodenanordnung zum Schutz der Protonenaustauschmembran auf. Dadurch soll die Zelle bei anhaltend hohen Drücken, niedrigen spezifischen Widerständen und verbessertem Kriechschutz arbeiten können.
US 8,349,151 B2 offenbart einen Rahmen zur Verwendung als Anodenrahmen und als Kathodenrahmen in einem Wasserelektrolyseur, wobei Anodenrahmen und Kathodenrahmen identisch aufgebaut sind und einen universellen Zellenrahmen mit einer zentralen Öffnung und eine Vielzahl von Queröffnungen umfassen, wobei zusammenpassende Sätze von Queröffnungen einen Abstand von etwa 90 oder 180 Grad voneinander aufweisen und jeweils durch mindestens einen inneren radialen Durchgang mit der zentralen Öffnung strömungstechnisch verbunden oder nicht verbunden sind und wobei Anodenrahmen und Kathodenrahmen um 90 Grad relativ zueinander gedreht sind, so dass eine Reihe von Elektrolyseuren durch die Öffnungen fluidisch miteinander verbunden sind. EP 3 462 528 A1 offenbart eine elektrochemische Zelle zur Erzeugung von Hochdruck- Wasserstoff mit Membranelektrodenanordnung und Strömungsstrukturen mit ebenen Oberflächen auf beiden Seiten der Membranelektrodenanordnung, wobei die eine ebene Oberfläche größer ist als die andere Oberfläche, wobei neben der Strömungsstruktur mit der kleineren Oberfläche eine Bipolarplatte, eine Verstärkungsschicht und eine Dichtung mit Dichtungsring zwischen Bipolarplatte und Elektrolytmembran angeordnet sind.
DE 10 2014 010 813 A1 offenbart einen Rahmen für eine Elektrolysevorrichtung vom Stapel-Typ zur Hochdruck-Wasserstofferzeugung, wobei der Rahmen eine integrierte Verstärkung, die zwischen der Fluidführung und dem äußeren Rand angeordnet und in die Rahmenstruktur eingebettet ist, umfasst und eine radial zwischen Verstärkung und Fluidführung angeordnete Aussparung zur Aufnahme einer Dichtung.
EP 3 699 323 A1 betrifft die Versorgung von Elektroden eines Elektrodenstapels, beispielsweise eines Elektrolyseurs.
DE 25 33728 A1 betrifft eine Elektrolysezelle mit nebeneinander angeordneten bipolaren Elektroden und einen wenigstens eine Kammer der Elektrolysezelle umschließenden Außenrahmen.
EP 3 770 303 A1 betrifft eine Elektrodenpackungseinheit für einen Stapelaufbau eines elektrochemischen Reaktors mit einer Bipolarplatte, zwei Elektrodenplatten und zwei Stromübertragungsstrukturen, die zwischen der Bipolarplatte und den Elektrodenplatten angeordnet sind.
WO 2020/039218 A1 betrifft eine Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp für die Elektrolyse von Wasser mit Kathodenplatte, Anodenplatte, Elektrolysestapel, Endplatten und Kanaldichtungsanordnungen.
US 202009906 A1 betrifft eine katalysatorbeschichtete Membran für einen Wasser- Elektrolyseur.
Schwierigkeiten, die bei klassischen PEM Elektrolysezellen typischerweise auftreten sind:
1 . Probleme bei der Dichtigkeit, da in einem PEM Elektrolysezellen Stapel, d.h. einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp, die Rahmen vieler PEM Elektrolysezellen aufeinandergestapelt werden und jedes in den Rahmen und den anderen Komponenten verwendete Material Fertigungstoleranzen aufweist. Dies kann dazu führen, dass für die O-Ringe oder andere verwendete Dichtungen weisen an einigen Stellen des Rahmens nicht genug Anpresskraft herrscht. Vor allem wenn der Wasserstoff unter Druck bzw. Differenzdruck erzeugt wird, ist die Dichtigkeit mit den bekannten Dichtungen schwer oder gar nicht zu realisieren.
2. Die mechanische Stabilität des Rahmens: Bei der Erzeugung von Hochdruck- Wasserstoff werden die Kunststoffrahmen verformt (Figur 2).
3. Zwischen PTL und Rahmen 1 verbleibt ein kleiner Spalt 17. In diesen Spalt 17 wird die CCM 13 im Druckbetrieb eingedrückt. Es kommt zu Kriechen 24 (sog. viskoelastisches Verhalten) der CCM 13 in den Spalt 17 Dieser Effekt wird verstärkt, wenn der Rahmen 1 aufgrund von geringer mechanischer Stabilität verformt wird (vergl. Pkt. 2), so dass der Spalt 17 größer wird (Figur 2).
4. Der Rahmen umfasst Kanäle zum An- und Abtransport von Wasser und Gas. Die Kanäle werden aus dem Rahmen, d.h. aus dem Metall- oder Kunststoffteil ausgefräst, was hohe Kosten verursacht.
Um Wasserstoff unter Hochdruck für industrielle Zwecke mittels PEM Elektrolyse erzeugen zu können, wird eine verbesserte PEM Elektrolysezelle benötigt, die unter Hochdruck und Differenzdruck betrieben werden kann und die die vorstehend genannten Nachteile nicht aufweist.
Die Aufgabe wird durch die Erfindung gemäß den Ansprüchen 1 bis 21 gelöst.
Gegenstand der Erfindung ist ein Rahmen 1 für eine PEM Elektrolysezelle 2 für eine PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23, wobei der Rahmen 1 eine erste Seite 4 mit planarer erster Oberfläche und eine der ersten Seite 4 gegenüber liegende zweite Seite 5 mit planarer zweiter Oberfläche und einen Anodenrahmen 8 und einen Kathodenrahmen 11 umfasst, und wobei der Anodenrahmen die erste Seite 4, eine der ersten Seite 4 gegenüberliegende Seite des Anodenrahmens 4" und eine erste Öffnung 6 zur Aufnahme der porösen Transportschicht (PTL) Anode 7 umfasst, wobei die erste Öffnung 6 sich von der ersten Seite 4 bis zur gegenüberliegenden Seite des Anodenrahmens 4" erstreckt, wobei der Kathodenrahmen 11 die zweite Seite 5, eine der zweiten Seite 5 gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens 5" und eine zweite Öffnung 9 zur Aufnahme der PTL Kathode 10 umfasst, wobei die zweite Öffnung 9 sich von der zweiten Seite 5 bis zur gegenüberliegenden Seite des Kathodenrahmens 5" erstreckt, wobei die der ersten Seite 4 gegenüberliegende Seite des Anodenrahmens 4" und die der zweiten Seite 5 gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens 5" nebeneinander angeordnet sind, wobei Anodenrahmen 8 und Kathodenrahmen 11 miteinander verbunden sind, wobei die erste Öffnung 6 und die zweite Öffnung 9 miteinander verbunden sind, wobei die erste Öffnung 6 größer ist als die zweite Öffnung 9 und wobei der Anodenrahmen 8 und der Kathodenrahmen 11 so angeordnet sind, dass die der ersten Seite 4 gegenüberliegende Seite des Anodenrahmens 4" und die der zweiten Seite 5 gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens 5", beim Übergang vom Anodenrahmen 8 zum Kathodenrahmen 11 einen Absatz 12 bilden.
Im erfindungsgemäßen Rahmen 1 ist vorzugsweise der Absatz 12 Teil des Kathodenrahmens 11. Im erfindungsgemäßen Rahmen 1 grenzt vorzugsweise der Absatz 12 an die zweite Öffnung 9 an. Im erfindungsgemäßen Rahmen 1 umrahmt vorzugsweise der Absatz 12 die zweite Öffnung 9. Im erfindungsgemäßen Rahmen 1 bildet vorzugsweise der Absatz 12 eine planare dritte Oberfläche als Auflagefläche für die Katalysator-beschichtete Membran (CCM) 13. Im erfindungsgemäßen Rahmen 1 ist vorzugsweise der Absatz 12 Teil des Kathodenrahmens 11 und bildet eine planare dritte Oberfläche als Auflagefläche für Membran 13. Im erfindungsgemäßen Rahmen 1 ist vorzugsweise der Absatz 12 Teil des Kathodenrahmens 11 , der an die zweite Öffnung 9 angrenzt und die zweite Öffnung 9 umrahmt und eine planare dritte Oberfläche als Auflagefläche für die Katalysator-beschichtete Membran (CCM) 13 bildet.
Der Anodenrahmen 8 umfasst einen Kem 21 und eine Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22. Vorzugsweise umfasst der Anodenrahmen 8 einen Kem 21 aus Metall oder einem anderen geeigneten Material und vorzugsweise umfasst der Anodenrahmen 8 eine Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22, wobei der Dichtwerkstoff vorzugsweise Gummi ist (= Kem 21 mit Beschichtung aus Gummi). Der Kathodenrahmen 11 umfasst einen Kem 21 und eine Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22. Vorzugsweise umfasst der Kathodenrahmen 11 einen Kem 21 aus Metall oder einem anderen geeigneten Material und eine Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22, wobei der Dichtwerkstoff vorzugsweise Gummi ist (= Kem 21 mit Beschichtung aus Gummi). Als Beschichtung für einen Kem 21 aus Metall ist jeder Dichtwerkstoff geeignet, beispielsweise Gummi, insbesondere Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM). Die Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 ist vorzugsweise eine Dichtung bzw. wirkt als Dichtung in einer PEM Elektrolysezelle 2 bzw. in einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23.
Gegenstand der Erfindung ist ein Rahmen 1 für eine PEM Elektrolysezelle 2 mit einem Kem 21, vorzugsweise aus Metall, wobei der Kern 21 mit einem Dichtwerkstoff, vorzugsweise Gummi, beispielsweise EPDM beschichtet ist (Figur 3a und 3b). Der Kem
21 des Anodenrahmens 8 ist ganz oder teilweise mit Dichtwerkstoff 22, insbesondere Dichtung, beschichtet. Der Kem 21 des Kathodenrahmens 11 ist ganz oder teilweise mit Dichtwerkstoff 22, insbesondere Dichtung, beschichtet. Als Dichtung ist jeder Dichtwerkstoff geeignet, beispielsweise Gummi, insbesondere Ethylen-Propylen-Dien- Kautschuk (EPDM). Beispielsweise kann die Dichtung EPDM umfassen oder aus EPDM bestehen.
Der Kem 21 des Anodenrahmens 8 umfasst oder besteht vorzugsweise aus Metall. Der Kem 21 des Kathodenrahmens 11 umfasst oder besteht vorzugsweise aus Metall. Ein Kem 21 aus Metall bietet eine gute mechanische Stabilität. Alternativ können andere Materialien mit ähnlichen mechanischen Eigenschaften für den Kem 21 verwendet werden. Beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE), insbesondere verstärktes PTFE oder molekular verstärktes PTFE. Die Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22, vorzugsweise Gummi, beispielsweise Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) erzeugt die Dichtwirkung, d.h. der Dichtwerkstoff wirkt als Dichtung.
In bevorzugten Ausführungsformen ist die gesamte Oberfläche des Kems 21 des Anodenrahmens 8 mit Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 beschichtet. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen sind mindestens 90 %, vorzugsweise mindestens 95 % oder mehr der Oberfläche des Kems 21 des Anodenrahmens 8 mit Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 beschichtet. In bevorzugten Ausführungsformen ist die gesamte Oberfläche des Kems 21 des Kathodenrahmens 11 mit Beschichtung aus Dichtwerkstoff
22 beschichtet. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen sind mindestens 90 %, vorzugsweise mindestens 95 % oder mehr der Oberfläche des Kems 21 des Kathodenrahmens 11 mit Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 beschichtet. In diesen Ausführungsformen ist die Dichtfläche sehr groß.
In alternativen Ausführungsformen sind weniger als 90 % Oberfläche des Kems 21 des Anodenrahmens 8 mit Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 beschichtet. In weiteren alternativen Ausführungsformen sind weniger als 90 % der Oberfläche des Kerns 21 des Kathodenrahmens 11 mit Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 beschichtet. In diesen alternativen Ausführungsformen sind jedoch die Bereiche der Oberfläche des Kerns 21 des Anodenrahmens 8 und/oder des Kerns 21 des Kathodenrahmens 11 mit Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 beschichtet, die notwendig sind, um eine vollständige Abdichtung der PEM Elektrolysezelle 2 zu ermöglichen. Vorzugsweise sind bei diesen alternativen Ausführungsformen mindestens die Bereiche der Oberfläche des Kems 21 des Anodenrahmens 8 und/oder des Kems 21 des Kathodenrahmens 11 mit Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 beschichtet, die die erste Öffnung 6 und/oder die die zweite Öffnung 9 umgeben. Beispielsweise ein Bereich der Oberfläche des Kems 21 des Anodenrahmens 8 von 0,5 cm bis 2,5 cm, vorzugsweise von 1 cm bis 2 cm, beispielsweise 1 ,5 cm, der die erste Öffnung 6 unmittelbar umgibt (vergl. Figur 10b bis 10d und Figur 14). Beispielsweise ein Bereich der Oberfläche des Kems 21 des Kathodenrahmens 11 von 0,5 cm bis 2,5 cm, vorzugsweise von 1 cm bis 2 cm, beispielsweise 1 ,5 cm, der die zweite Öffnung 9 unmittelbar umgibt.
Das Metall bietet eine gute mechanische Stabilität wohingegen die Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22, vorzugsweise Gummi, beispielsweise EPDM die Dichtwirkung erzeugt. Dadurch, dass vorzugsweise der gesamte oder mindestens 90 %, beispielsweise mindestens 95 % oder mehr der Oberfläche des Kems 21 aus Metall des Anodenrahmens 8 bzw. dass vorzugsweise der gesamte oder mindestens 90 %, beispielsweise mindestens 95 % oder mehr der Oberfläche des Kems 21 aus Metall des Kathodenrahmens 11 mit Dichtwerkstoff, vorzugsweise Gummi, beispielsweise EPDM beschichtet ist, ist die Dichtfläche sehr groß.
Ein weiterer Vorteil eines stabilen Kems 21 , beispielsweise aus Metall und der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 ist, dass die Komponenten wie PTL Anode 7 und PTL Kathode 10 in den Rahmen 1 , insbesondere in den Anodenrahmen 8 und den Kathodenrahmen 11 eingepresst werden können (Presspassung) und dadurch in der PEM Elektrolysezelle 2 bzw. dem PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 bei einer Elektrolyse unter Hochdruck bzw. Differenzdruck, beispielsweise einer Elektrolyse, die bei einem Differenzdruck von bis zu 40 bar durchgeführt wird, es zu keiner Verformung des Rahmens 1 und nicht zur Bildung eines größeren Spalts 17 zwischen einzelnen Komponente im Inneren des Rahmens 1 und zwischen einzelnen Komponente und dem Rahmen 1, z.B. zwischen PTL Kathode 10 und Rahmen 1 und / oder zwischen PTL Anode 7 und Rahmen 1, kommt (Figur 8).
Als Metall für den Kem 21 von Anodenrahmen 8 und / oder Kathodenrahmen 11 kann beispielsweise Edelstahl verwendet werden, beispielsweise Edelstahl mit einer Dicke von 0,5 mm. Der beschichte Kern 21 des Anodenrahmens 8, d.h. Kem 21 und Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 zusammen können beispielsweise eine Dicke von 1 bis 5 mm, vorzugsweise 2 bis 3 mm, beispielsweise 2,2 mm aufweisen. Der beschichtete Kem 21 des Kathodenrahmens 11, d.h. Kem 21 und Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 zusammen können beispielsweise eine Dicke von 1 bis 5 mm, vorzugsweise 2 bis 3 mm, beispielsweise 2,2 mm aufweisen. Für den Kem 21 sind auch hinsichtlich der Eigenschaften vergleichbare Materialien wie z.B. hochverstärkter Kunststoff, beispielsweise PTFE, molekular verstärkter PTFE geeignet.
Die Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 weist eine Schichtdicke auf. Die Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 beträgt beispielsweise 1 bis 4,5 mm, beispielsweise 2 bis 3 mm. Vorzugsweise ist die Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22, die den Kem 21 des Anodenrahmens 8 umgibt überall gleich. Vorzugsweise ist die Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22, die den Kem 21 des Kathodenrahmens 11 umgibt überall gleich. In besonderen Ausführungsformen weist der Kem 21 des Anodenrahmens 8 Bereiche auf, die im Vergleich zur Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 eine reduzierte Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22" aufweist (Figur 10b bis 10d, Figur 14). In besonderen Ausführungsformen weist der Kem 21 des Kathodenrahmens 11 Bereiche auf, die im Vergleich zur Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 eine reduzierte Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22" aufweist. Beispielsweise ist die im Vergleich zur Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 reduzierte Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22" um 1 mm gegenüber der Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 reduziert. Beispielsweise beträgt die Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 4 mm und die reduzierte Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22" 3 m. Beispielsweise beträgt die Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 10 mm oder weniger, vorzugsweise 5 mm, 3 mm, 2 mm oder weniger 1 ,5 mm, 1 mm oder weniger. Beispielsweise beträgt die reduzierte Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 9 mm oder weniger, vorzugsweise 4 mm, 2,8 mm, 1 ,9 mm oder weniger 1 ,45 mm, 0,95 mm oder weniger. Beispielsweis beträgt die Schichtdickendifferenz zwischen der Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 und der reduzierten Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22" 1 mm, 0,7 mm, 0,5 mm oder weniger, beispielsweise 0,3 mm, 0,2 mm, 0,1 mm, 0,05 mm oder weniger.
Beispielsweise ist die erste Öffnung 6 mindestens 0,5 mm oder 1 mm, beispielsweise 2 mm oder mehr, 0,5 cm, vorzugsweise 1 cm, besonders bevorzugt 1 ,5 cm oder mehr größer als die zweite Öffnung 9, wobei vorzugsweise der Absatz 12, der im Inneren des Kathodenrahmens 11 durch die größere erste Öffnung 6 und die kleinere zweite Öffnung 9 ausgebildet ist, überall die gleiche Breite hat (Figur 7b, Figur 11 ). Alternativ kann der Absatz 12, an verschiedenen Stellen unterschiedlich breit sein. Die Breite des Absatzes 12 und damit der planaren dritten Oberfläche zur Aufnahme der CCM 13 kann an unterschiedlichen Stellen die gleiche oder unterschiedliche Breite aufweisen.
Der Anodenrahmen 8 kann beispielsweise die Außenmaße 20 bis 70 cm mal 20 bis 70 cm haben, beispielsweise 50 cm mal 50 cm oder 35 cm mal 35 cm. Die erste Öffnung 6 kann beispielsweise die Maße 11 bis 51 cm mal 11 bis 51 cm haben, beispielsweise 21 cm mal 21 cm oder 15 mal 15 cm (Figur 9b). Der Kathodenrahmen 11 kann beispielsweise die Außenmaße 20 bis 70 cm mal 20 bis 70 cm haben, beispielsweise 50 cm mal 50 cm oder 35 cm mal 35 cm. Die zweite Öffnung 9 kann die Maße 10 bis 50 cm mal 10 bis 50 cm, beispielsweise 20 cm mal 20 cm oder 14 cm mal 14 cm (Figur 9a). Dabei werden vorzugsweise gleiche Außenmaße für Anodenrahmen 8 und Kathodenrahmen 11 gewählt. Die Maße für die erste Öffnung 6 und die zweite Öffnung 9 werden so gewählt, dass die erste Öffnung 9 größer ist, als die zweite Öffnung 9, damit wenn Anodenrahmen 8 und Kathodenrahmen 1 als Rahmen 1 Zusammenwirken, ein Absatz 12 ausgebildet wird,
Dem Fachmann sind unterschiedliche Rahmenform bekannt, in denen der Rahmen 1 , der Anodenrahmen 8 und der Kathodenrahmen 11 ausgeführt werden können, beispielsweise quadratisch, rechteckig, rund. Aufgrund der Tatsache, dass die Form des Rahmens 1 frei wählbar ist, kann der Anpressdruck in bestimmten Bereichen des Rahmens 1 durch Erhöhung oder Reduktion der Rahmendicke, vorzugsweise durch Reduktion der Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 eingestellt werden. Die Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwirkstoff 22 kann erhöht werden. Dadurch können Bereiche erzeugt werden, in denen die Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 auf dem Kern 21 dicker ist als in anderen Bereichen des Anodenrahmens 8 bzw. Kathodenrahmens 11. Die Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwirkstoff 22 kann reduziert werden. Dadurch können Bereiche erzeugt werden, in denen die Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 auf dem Kern 21 geringer ist als in anderen Bereichen des Anodenrahmens 8 bzw. Kathodenrahmens 11. Bereiche unterschiedlicher Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 können Funktionen im erfindungsgemäßen Rahmen 1 übernehmen.
Um Querundichtigkeiten zu vermeiden, kann der Druck auf die aktive Fläche beispielsweise durch eine umlaufende Erhöhung 26" der Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22, beispielsweise eine umlaufende Gummierhöhung erhöht werden. Eine um laufende Erhöhung 26" der Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22, kann beispielsweise eine Breite von 1 mm aufweisen. Die Differenz in der Schichtdicke zwischen Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 und der umlaufenden Erhöhung 26" kann beispielsweise 1 mm, 0,5 mm, 0,1 mm, 0,05 mm betragen.
Gegenstand der Erfindung ist ein Rahmen 1 wobei die Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 in bestimmten Bereichen des Anodenrahmens 8 und / oder in bestimmten Bereichen des Kathodenrahmens 11 beispielsweise zur Reduzierung des Anpressdrucks eine im Vergleich zur Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 reduzierte Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22" aufweist.
Gegenstand der Erfindung ist ein Rahmen 1 , wobei die Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 in bestimmten Bereichen des Anodenrahmens 8 beispielsweise zur Erhöhung der Dichtwirkung eine umlaufende Erhöhung 26" aufweist, die die erste Öffnung 6 umgibt. Gegenstand der Erfindung ist ein Rahmen 1 , wobei die Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 in bestimmten Bereichen des Kathodenrahmens 11 beispielsweise zur Erhöhung der Dichtwirkung eine umlaufende Erhöhung 26" aufweist, die die zweite Öffnung 9 umgibt.
In einem viereckigen Anodenrahmen 8 kann die erste Öffnung 6 von einer ersten Seite 27, einer zweiten Seite 28, einer dritten Seite 29 und einer vierten Seite 30 gebildet werden. In einem viereckigen Kathodenrahmen 11 kann die zweite Öffnung 9 von einer ersten Seite 27", einer zweiten Seite 28", einer dritten Seite 29" und einer vierten Seite 30" gebildet werden.
Weitere Bauteile, die Bestandteil einer PEM Elektrolysezelle 2 oder einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 sind, können dadurch eingespart werden, dass die Bauteile als Strukturen in den Rahmen 1, den Anodenrahmen 8, den Kathodenrahmen 11 , insbesondere die Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22, mit der der Kem 21 des Anodenrahmens 8 und des Kathodenrahmens 11 beschichtet sind, eingebaut werden. Beispielsweise kann die Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 eine Beschichtung aus Gummi sein und eine Gummilippe 25 umfassen, die beispielsweise im Bereich der Anschlüsse für Einzelspannungsmessungen angeordnet ist. Dadurch kann die Isolierfolie eingespart werden. Gegenstand der Erfindung sind Rahmen 1 , bei denen die Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 des Anodenrahmens 8 und / oder die Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 des Kathodenrahmens 11 über die Funktion der Abdichtung hinaus weitere Funktionen übernimmt. Die Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 des Anodenrahmens 8 und / oder des Kathodenrahmens 11 umfasst zu diesem Zweck entsprechende Ausprägungen, beispielsweise eine Gummilippe 25.
Weitere benötigte Teile können direkt aus der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 mitgefertigt werden, so dass die Anzahl der Einzelteile, die benötigt werden, um eine PEM Elektrolysezelle 2 bzw. eine PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 herzustellen, reduziert wird. Dies reduziert den Aufwand bei der Montage einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyps 23 erheblich. Ebenso entfällt durch das Einbringen von Mitteln zur Verbindung von Anodenrahmen 8 und Kathodenrahmen 11 in den Anodenrahmen 8 und / oder den Kathodenrahmen 11 , beispielsweise Stift 19 und Loch 18 eine zusätzliche Assemblierhilfe.
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst die Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 einen oder mehrere Kanäle Typ II 15. Ein Kanal Typ II 15 ist als Bereiche in der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 ausgestaltet, der im Vergleich zur Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 eine reduzierte Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22" aufweist. Ein Kanal Typ II 15 ist deshalb eine Vertiefung bzw. Aussparung in der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22, die nicht zur Dichtwirkung beiträgt. Benachbarte einzelne Kanäle Typ 11 15 sind durch Erhöhungen 26 getrennt. Eine Erhöhung 26 ist beispielsweise ein Bereich zwischen zwei benachbarten Kanälen Typ II 15, in der der Kern 21 eine Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 aufweist, die keine reduzierte Schichtdicke hat. Die reduzierte Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22" in dem Bereich in dem einzelne Kanäle Typ II 15 angeordnet sind, kann unabhängig von der reduzierten Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22" in anderen Bereichen der Beschichtung, die den Kern 21 umgibt und die ggf. eine reduzierte Schichtdicke der Beschichtung aufweisen, ausgewählt werden. In besonderen Ausführungsformen weist der Kern 21 in dem einem oder den mehreren Bereichen, die einen oder mehrere Kanäle Typ II 15 darstellen, keine Beschichtung mit Dichtwerkstoff 22 auf.
In bevorzugten Ausführungsformen sind die erste Öffnung 6, die der Anodenrahmen 8 umrahmt und die zweite Öffnung 9, die der Kathodenrahmen 11 umrahmt, unterschiedlich groß (Figur 7b, 8, 9a und 9b). Zum Beispiel ist der Kathodenrahmen 11 kleiner und der Anodenrahmen 8 größer. Das führt dazu, dass bei Differenzdruck, beispielsweise einem Differenzdruck von 40 bar, d.h. wenn nur die Kathodenseite der elektrochemischen Zelle 2 unter Druck betrieben wird bzw. wenn nur die Kathodenseiten der PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 unter Druck betrieben werden der Wasserstoffdruck der bei einer PEM Elektrolyse in der Kathode entsteht, nicht auf den Spalt 17 zwischen Anodenrahmen 8 und PTL Anode 7 drückt bzw. drücken kann. Die CCM 13 wird dann nur gegen die PTL Anode 7 gedrückt und an der PTL Anode 7 mechanisch abgestützt. Ein Kriechen 24 der CCM 13 in den Spalt 17 zwischen Rahmen 1 , beispielsweise Anodenrahmen 8 und PTL Anode 7 kann auf diese Weise verhindert werden.
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst der erfindungsgemäße Rahmen 1 zwei unterschiedliche Typen Kanäle zum An- und Abtransport von Wasser und Gas. Vorzugsweise umfasst der Rahmen 1 einen oder mehrere Kanäle Typ I 14 zum Antransport von Wasser in den Rahmen 1 und zum Abtransport von Wasser und Gas aus dem Rahmen 1. Vorzugsweise sind die Kanäle Typ I 14 sind nicht direkt mit der ersten Öffnung 6 im Anodenrahmen 8 oder der zweiten Öffnung 9 im Kathodenrahmen 11 verbunden. Vorzugsweise umfasst der Kern 21 des Anodenrahmens 8 einen oder mehrere Kanäle Typ I 14. Vorzugsweise umfasst der Kem 21 des Kathodenrahmens 11 einen oder mehrere Kanäle Typ I 14. Vorzugsweise sind die Kanäle Typ I 14 mit Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 beschichtet.
Weiterhin umfasst der Rahmen 1 vorzugsweise einen oder mehrere Kanäle Typ I1 15 zum Antransport von Wasser in die erste Öffnung 6 und zum Abtransport von Wasser und Sauerstoff aus der ersten Öffnung 6 und zum Abtransport von Wasserstoff aus der zweiten Öffnung 9. Vorzugsweise verbinden Kanäle Typ II 15 Kanäle Typ I 14 mit der ersten Öffnung 6. Vorzugsweise verbinden Kanäle Typ II 15 Kanäle Typ I 14 mit der zweiten Öffnung 9.
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst die Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 mit der der ganze oder Teile des Anodenrahmens 8 beschichtet sind, einen oder mehrere Kanäle Typ II 15. In anderen Ausführungsformen umfasst der Kem 21 des Anodenrahmens 8 einen oder mehrere Kanäle Typ II 15. In bevorzugten Ausführungsformen umfasst die Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 mit der der ganze oder Teile des Kathodenrahmens 11 beschichtet sind, einen oder mehrere Kanäle Typ II 15. In anderen Ausführungsformen umfasst der Kern 21 des Kathodenrahmens 11 einen oder mehrere Kanäle Typ II 15. Ein Vorteil dieser Ausführungsform sind die Herstellungskosten. In bevorzugten Ausführungsformen werden die Kanäle Typ II 15 nicht aus jedem Anodenrahmen 8 und jedem Kathodenrahmen 11 ausgefräst, sondern einmalig in ein Werkzeug überführt. Ein geeignetes Werkzeug ist beispielsweise das Negativ zum Anodenrahmen 8, bzw. das Negativ zum Kathodenrahmen 11. Beispielsweise wird die Anordnung der Kanäle Typ II 15, ihr Durchmesser, ihre Länge und ggf. weitere Parameter in das Werkzeug überführt. Mit dem Werkzeug können die Kanäle Typ II 15 in die Dichtung 22 überführt werden, beispielsweise wie mit einem Stempel in den Dichtwerkstoff, vorzugsweise das Gummi, beispielsweise EPDM eingestempelt werden. Mit Hilfe des Werkzeugs wird durch Vulkanisation der Kem 21 des Anodenrahmens 8 bzw. der Kem 21 des Kathodenrahmens 11.
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst der Anodenrahmen 8 auf der Oberfläche der ersten Seite 4 einen oder mehrere Kanäle Typ II 15, die mit einem oder mehreren Kanälen Typ 1 14 verbunden sind und den bzw. die Kanäle Typ 1 14 mit der ersten Öffnung 6 verbinden und die, wenn der Rahmen 1 in einer PEM Elektrolysezelle 2 oder einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 eingebaut ist, in Richtung zur Bipolarplatte (BPP) 16 angeordnet sind und wobei die der ersten Seite 4 gegenüberliegende Seite des Anodenrahmens 4" keine Kanäle Typ I1 15 aufweist.
In bevorzugten Ausführungsformen umfasste der Kathodenrahmen 11 auf der Oberfläche der zweiten Seite 5 einen oder mehrere Kanäle Typ 11 15, die mit einem oder mehreren Kanälen Typ I 14 verbunden sind und den bzw. die Kanäle Typ I 14 mit der zweiten Öffnung 9 verbinden und die, wenn der Rahmen 1 in einer PEM Elektrolysezelle 2 oder einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 eingebaut ist, in Richtung zur Bipolarplatte (BPP) 16 angeordnet sind und wobei die der zweiten Seite 5 gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens 5" keine Kanäle Typ I1 15 aufweist.
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst der erfindungsgemäße Rahmen 1 einen oder mehrere Kanäle Typ I 14 zum An- und Abtransport von Wasser und Gas und einen oder mehrere Kanäle Typ II 15, wobei der Kanal Typ I 14 nicht mit der ersten Öffnung 6 im Anodenrahmen 8 oder der zweiten Öffnung 9 im Kathodenrahmen 11 verbunden sind. In bevorzugten Ausführungsformen des Rahmens 1 umfasst der Anodenrahmen 8 auf der Oberfläche der ersten Seite 4 einen oder mehrere Kanäle Typ 11 15, die mit dem Kanal Typ I 14 verbunden sind und die den Kanal Typ I 14 mit der ersten Öffnung 6 verbinden und die, wenn der Rahmen 1 in einer PEM Elektrolysezelle 2 oder einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 eingebaut ist, in Richtung zur BPP 16 angeordnet sind und wobei die der ersten Seite 4 gegenüberliegende Seite des Anodenrahmens 4" keine Kanäle Typ 11 15 aufweist. In bevorzugten Ausführungsformen des Rahmens 1 umfasst der Kathodenrahmen 11 auf der Oberfläche der zweiten Seite 5 einen Kanal Typ II 15, der mit einem oder mehreren Kanälen Typ I 14 verbunden ist und den Kanal Typ I 14 mit der zweiten Öffnung 9 verbinden und die, wenn der Rahmen 1 in einer PEM Elektrolysezelle 2 oder einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 eingebaut ist, in Richtung zur BPP 16 angeordnet sind und wobei die der zweiten Seite 5 gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens 5" keine Kanäle Typ I1 15 aufweist.
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst der erfindungsgemäße Rahmen 1 mindestens zwei Kanäle Typ I 14 zum An- und Abtransport von Wasser und Gas und mindestens zwei Kanäle Typ I1 15, wobei die Kanäle Typ 1 14 nicht mit der ersten Öffnung 6 im Anodenrahmen 8 oder der zweiten Öffnung 9 im Kathodenrahmen 11 verbunden sind. In bevorzugten Ausführungsformen des Rahmens 1 umfasst der Anodenrahmen 8 auf der Oberfläche der ersten Seite 4 mindestens zwei Kanäle Typ II 15, die mit den mindestens zwei Kanälen Typ I 14 verbunden sind und die die Kanäle Typ I 14 mit der ersten Öffnung 6 verbinden und die, wenn der Rahmen 1 in einer PEM Elektrolysezelle 2 oder einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 eingebaut ist, in Richtung zur BPP 16 angeordnet sind und wobei die der ersten Seite 4 gegenüberliegende Seite des Anodenrahmens 4" keine Kanäle Typ II 15 aufweist. Vorzugsweise verbinden mehrere Kanäle Typ I1 15, die auf der ersten Seite 4 des Anodenrahmens 7 angeordnet sind, einen Kanal Typ I 14 mit der ersten Öffnung 6. In bevorzugten Ausführungsformen des Rahmens 1 umfasst der Kathodenrahmen 11 auf der Oberfläche der zweiten Seite 5 mindestens zwei Kanäle Typ II 15, die mit mindestens zwei Kanälen Typ I 14 verbunden sind und die Kanäle Typ I 14 mit der zweiten Öffnung 9 verbinden und die, wenn der Rahmen 1 in einer PEM Elektrolysezelle 2 oder einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 eingebaut ist, in Richtung zur BPP 16 angeordnet sind und wobei die der zweiten Seite 5 gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens 5" keine Kanäle Typ II 15 aufweist. Vorzugsweise verbinden mehrere Kanäle Typ I1 15, die auf der zweiten Seite 5 des Kathodenrahmens 11 angeordnet sind, einen Kanal Typ I 14 mit der zweiten Öffnung 9.
Die Kanäle Typ II 15, die die Kanäle Typ I 14 mit der ersten Öffnung 6 und der zweiten Öffnung 9, d.h. in einer PEM Elektrolysezelle die PTL Anode 7 und die PTL Kathode 10 mit den Kanälen Typ 1 14 zum An- und Abtransport von Wasser und Gas verbinden, sind im Anodenrahmen 8 und / oder im Kathodenrahmen 11 so angeordnet, dass sie in Richtung zur BPP 16 zeigen, und nicht in Richtung zur CCM 13. Wenn während der Elektrolyse Gas und Wasser durch die Kanäle Typ I 14 strömen, wird die CCM 13 dadurch nicht beeinträchtigt, denn die Seite des Anodenrahmens 7 und die Seite des Kathodenrahmens 11 , auf der die CCM 13 aufliegt, umfasst keine Kanäle Typ II 15, d.h. keine Kanäle in der unmittelbaren Umgebung der ersten Öffnung 6 oder der zweiten Öffnung 9 in dem Bereich, in dem die CCM 13 angeordnet und bei der Elektrolyse einem Differenzdruck von bis zu 40 bar ausgesetzt ist. Die CCM 13 liegt auf einer glatten ebenen Fläche ohne Kanäle auf und ist dadurch auch bei einem Differenzdruck von bis zu 40 bar gut abgestützt. Gleichzeitig ist der Anodenraum (der Anodenraum wird gebildet von Anodenrahmen 7, CCM 13 und BPP 16), der Kathodenraum (der Kathodenraum wird gebildet von Kathodenrahmen 11 , CCM 13 und BPP 16) und die ganze PEM Elektrolysezelle 2 auch bei einem Differenzdruck von bis zu 40 bar vollständig abgedichtet, so dass kein Gas oder Wasser entweichen kann.
In beispielhaften Ausführungsformen umfasst der Rahmen 1 zwei bis tausend oder mehr Kanäle vom Typ II 15, beispielsweise mindestens hundert Kanäle vom Typ II 15, vorzugsweise mindestens zweihundert Kanäle vom Typ 11 15, oder mehr oder weniger, beispielsweise 50 oder weniger. Vorzugsweise ist mindestens die Hälfte der Kanäle Typ I 14 der mit der ersten Öffnung 6 oder der zweiten Öffnung 9 mittels Kanälen Typ II 15 verbunden. Vorzugsweise verbinden mindestens zwei oder mehr, beispielsweise vier, 10 oder mehr Kanäle Typ 11 15 einen Kanal Typ 1 14 mit der ersten Öffnung 6. Vorzugsweise verbinden mindestens zwei oder mehr, beispielsweise vier, 10 oder mehr Kanäle Typ II 15 einen Kanal Typ I 14 mit der zweiten Öffnung 9.
Beispielsweise sind die Kanäle Typ II 15, die mit der ersten Öffnung 6 verbunden sind, auf der ersten Seite des Rahmens 4 nebeneinander angeordnet. Dabei beträgt der Abstand zwischen zwei benachbarten Kanälen Typ I1 15 beispielsweise < 5 mm, < 3 mm, vorzugsweise < 2 mm oder weniger. Beispielsweise sind die Kanäle Typ II 15 zwischen Kanal Typ I 14 und erster Öffnung 6 fächerförmig auf der ersten Seite des Rahmens 4 angeordnet.
Beispielsweise sind die Kanäle Typ II 15, die mit der zweiten Öffnung 9 verbunden sind, auf der zweiten Seite des Rahmens 5 nebeneinander angeordnet sind. Dabei beträgt der Abstand zwischen zwei benachbarten Kanälen Typ I1 15 beispielsweise < 5 mm, < 3 mm, vorzugsweise < 2 mm oder weniger. Beispielsweise sind die Kanäle Typ II 15 zwischen Kanal Typ 1 14 und zweiter Öffnung 9 fächerförmig auf der zweiten Seite des Rahmens 5 angeordnet.
Die Kanäle des Rahmens 1 sind so gestaltet, dass die Flüssigkeit durch die Kanäle Typ I 14 innerhalb einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 verteilt wird und die Flüssigkeit durch Kanäle Typ II 15 in jede einzelne PEM Elektrolysezelle 2 gelangt. Die Kanäle Typ I 14 sind dabei vorzugsweise in regelmäßigen Abständen entlang bzw. parallel zu der ersten Öffnung 6 im Anodenrahmen 8 angeordnet. Die Kanäle Typ I 14 sind dabei vorzugsweise in regelmäßigen Abständen entlang bzw. parallel zu der zweiten Öffnung 9 im Kathodenrahmen 11 angeordnet. Beispielsweise befinden sich jeweils 20 oder mehr oder weniger, z.B. fünf Kanäle Typ 1 14 an jeder Seite einer viereckigen ersten Öffnung 6 bzw. an jeder Seite einer viereckigen zweiten Öffnung 9.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen sind die Kanäle Typ I 14 dabei so angeordnet, dass sie jeweils den gleichen Anteil und somit dieselbe Fläche der ersten Öffnung 6 und der zweiten Öffnung 9 einer elektrochemischen Zelle 2 bzw. die ersten Öffnungen 6 und der zweiten Öffnungen 9 einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 mit Wasser versorgen.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen führen von jedem Kanal Typ I 14 oder einem Teil der Kanäle Typ I 14 durchgehende Kanäle Typ II 15 mit vorzugsweise konstanten Öffnungsdurchmessern von vorzugsweise 5 mm oder weniger, besonders bevorzugt < 2 mm zu den ersten Öffnungen 6 bzw. zu den zweiten Öffnungen 9 hin. Diese Kanäle Typ II 15 sind beispielsweise fächerförmig angeordnet, sodass die Kanäle Typ II 15 gleichmäßig über die ersten Öffnungen 6 bzw. zweiten Öffnungen 9 verteilt werden. Andere Anordnungen der Kanäle Typ II 15 im Bereich zwischen der ersten Öffnung 6 bzw. der zweiten Öffnung und dem Kanal Typ I 14, der durch die Kanäle Typ 11 15 sind möglich. Durch die Beschränkung der Breit der Kanäle Typ 11 15 auf 5 mm oder weniger, vorzugsweise zwei mm oder weniger wird ausreichend Anpressdruck im Bereich der Kanäle Typ II 15 auf den gegenüberliegenden Rahmen 1 übertragen.
Die gleichmäßige Verteilung der Kanäle Typ I 14 und Typ II 15 über die gesamte Breite des Rahmens 1 entlang der ersten Öffnung 6 bzw. entlang der zweiten Öffnung 9, beispielsweise entlang der gesamten Breite der ersten Seite der ersten Öffnung 27 und entlang der gesamten Breite der dritten Seite der ersten Öffnung 29 (Figur 10a) führt zu einer besonders guten Verteilung des Wassers über die gesamte aktive Zellfläche (= erste Öffnung 6 + zweite Öffnung 9) der elektrochemischen Zelle 2. Die PEM Elektrolysezelle 2 wird gleichmäßig von Wasser durchströmt. Da ein Großteil des einströmenden Wassers zur Kühlung verwendet wird, führt eine gleichmäßige Verteilung der Kanäle Typ II 15 zu einem homogenen Wärmeaustrag. Durch diese Anordnung der Kanäle Typ II 15 kann die bei der PEM Elektrolyse erzeugte Wärme gleichmäßig abgeführt werden. Die Abführung der Reaktionswärme ist für eine PEM Elektrolysezelle 2 bzw. eine PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 ein kritischer Parameter.
Erfindungsgemäß umfasst sind PEM Elektolysevorrichtungen vom Stapeltyp 23 mit unterschiedlichem Design und Aufbau.
Umfasst sind Rahmen 1 , PEM Elektrolysezellen 2, vorassemblierte Baugruppen 20 und PEM Elektrolysevorrichtungen vom Stapeltyp 23, bei denen die einzelnen Kanäle Typ II 15 so angepasst sind, dass im Vergleich zu den übrigen Kanälen Typ II 15 des betreffenden Rahmens 1, der betreffenden elektrochemischen Zelle 2, der betreffenden PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 ein höherer oder geringerer Druckverlust beim Durchfluss des Wassers als bei den übrigen Kanälen Typ II 15 erfolgt. Beispielsweise sind die außen liegenden Kanäle Typ II 15 entsprechend angepasst, d.h. z.B. die Kanäle Typ 11 15, die am Rand der Anordnung der Kanäle Typ I1 15 auf der ersten Seite des Rahmens 4 angeordnet sind, z.B. die Kanäle Typ II 15, die am Rand der Anordnung der Kanäle Typ II 15 in Bezug auf die erste Seite der ersten Öffnung 27 angeordnet sind so angepasst werden, dass entweder ein höherer oder ein geringerer Druckverlust des durchströmenden Wassers im Vergleich zu den übrigen Kanälen Typ II 15 des Rahmens 1 , der elektrochemischen Zelle 2, des vorassemblierten Bauteils 20, der PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 entsteht. Dies kann beispielsweise durch Reduktion des Öffnungsquerschnitts der Kanäle Typ II 15 erreicht werden. Das ist beispielsweise notwendig, wenn der Druckverlust in den Kanälen Typ I 14 nicht gleichmäßig ist, und bei gleichmäßigen Kanälen Typ II 15, dann bestimmte Bereiche der aktiven Zellfläche (aktive Zellfläche = erste Öffnung 6 + zweite Öffnung 9) mit einem höheren Volumenstrom Wasser, der durch die betreffenden Kanäle Typ I1 15, die mit den Kanälen Typ I 14, in denen das strömende Wasser einen höheren Druck aufweist, verbunden sind, strömt. Ohne eine Anpassung der Kanäle Typ 11 15 könnte dann z.B. die Kühlung in der aktiven Zellfläche durch das durchströmende Wasser ungleichmäßiger werden. Das kann durch eine Anpassung der Kanäle Typ 11 15 ausgeglichen werden. Die Querschnitte der betreffenden Kanäle Typ II 15 können beispielsweise angepasst werden, beispielsweise verringert werden, um die Unterschiede im Wasserdruck in den Kanälen Typ 1 14 auszugleichen. Vorzugsweise wird ein gleichmäßiger bzw. homogener Wasserdruck über die gesamte aktive Zellfläche erzeugt. Mit Kanälen Typ II 15, die z.B. individuell angepasst sind, die z.B. unterschiedliche Öffnungsquerschnitte aufweisen, kann der unterschiedliche Druckverlust in den Kanälen Typ I 14 ausgeglichen und der Durchfluss durch alle Kanäle Typ 11 15 homogenisiert werden.
Erfindungsgemäß umfasst sind Rahmen 1 , PEM Elektrolysezellen 2, vorassemblierte Baugruppen 20 und PEM Elektrolysevorrichtungen vom Stapeltyp 23, bei denen die einzelnen Kanäle Typ II 15 des betreffenden Rahmens 1, der betreffenden elektrochemischen Zelle 2, der betreffenden vorassemblierten Baugruppe 20, der betreffenden PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 so angeordnet sind, dass jeder Kanal Typ II 15 einen Bereich gleicher Größe der aktiven Zellfläche mit Wasser versorgt.
Erfindungsgemäß umfasst sind Rahmen 1 , PEM Elektrolysezellen 2, vorassemblierte Baugruppen 20 und PEM Elektrolysevorrichtungen vom Stapeltyp 23, bei denen die einzelnen Kanäle Typ II 15 des betreffenden Rahmens 1, der betreffenden PEM Elektrolysezelle 2, der betreffenden vorassemblierten Baugruppe 20, der betreffenden PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 so ausgestaltet sind, dass alle Kanäle Typ I1 15 die gleiche Menge Wasser in der gleiche Zeit transportieren können, d.h. alle Kanäle Typ I1 15 gleich sind. Das kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass alle Kanäle Typ I1 15 den gleichen Querschnitt, der von Wasser durchströmt werden kann, aufweisen. Vorzugsweise sind die Kanäle Typ I1 15 so angeordnet, dass jeder Kanal Typ I1 15 einen Bereich gleicher Größe der aktiven Zellfläche mit Wasser versorgt. Besonders bevorzugt sind die Kanäle Typ I1 15 so angeordnet, dass jeder Kanal Typ I1 15 einen Bereich gleicher Größe der aktiven Zellfläche mit Wasser versorgt und alle Kanäle Typ II 15 gleich sind. Auf diese Weise kann die gesamte aktive Zellfläche gleichmäßig mit Wasser versorgt werden.
Die Anzahl, Form und Anordnung der Kanäle Typ I 14 sowie weitere Parameter, die die Kanäle Typ I 14 betreffen und die Anzahl, Form und Anordnung der Kanäle Typ II 15 sowie weitere Parameter, die die Kanäle Typ 11 15 betreffen, können bei Bedarf z.B. an die verwendete Rahmenform entsprechend angepasst werden.
In dem erfindungsgemäßen Rahmen 1 sind Anodenrahmen 8 und Kathodenrahmen 11 miteinander über Verbindungselemente verbunden. Entsprechende Verbindungselemente sind dem Fachmann bekannt. In bevorzugten Ausführungsformen des Rahmens 1 umfasst der Anodenrahmen 8 ein oder mehrere Verbindungselemente, beispielsweise Stifte 19 und der Kathodenrahmen 11 ein oder mehrere Verbindungselemente, beispielsweise Löcher 18, wobei der bzw. die Stifte 19 und das bzw. die Löcher 18 so angeordnet sind, dass das bzw. die Löcher 18 im Kathodenrahmen 11 auf den bzw. die Stifte 19 im Anodenrahmen 8 gesteckt werden und Anodenrahmen 8 und Kathodenrahmen 11 dadurch miteinander verbunden werden können.
Gegenstand der Erfindung ist eine PEM Elektrolysezelle 2 zum Betrieb unter Differenzdruck von bis zu 40 bar zur Erzeugung von Hochdruck-Wasserstoff umfassend eine PEM Membranelektrodenanordnung mit CCM 13, eine PTL Anode 7, eine PTL Kathode 10, wobei die PEM Elektrolysezelle 2 einen erfindungsgemäßen Rahmen 1 umfasst, wobei die erste Öffnung 6 im Anodenrahmen 8 die PTL Anode 7 umfasst und die zweite Öffnung 9 im Kathodenrahmen 11 die PTL Kathode 10 umfasst und wobei die CCM 13 zwischen der der ersten Seite 4 gegenüberliegenden Seite des Anodenrahmens 4" und der der zweiten Seite 5 gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens 5" angeordnet ist, wobei die eine Seite der CCM 13 auf der PTL Anode 7 aufliegt und die andere Seite der CCM 13 auf dem Absatz 12 und der PTL Kathode 10 aufliegt (Figur 7b und 7c). Bei einem Betrieb der PEM Elektrolysezelle 2 unter Differenzdruck wirkt der Differenzdruck nicht im Bereich des Spalts 17 zwischen Anodenrahmen 8 und PTL Anode 7 auf die CCM 13. Ein Kriechen 24 der CCM 13 in den Spalt 7 wird dadurch verhindert (Figur 8 und 8a).
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst die erfindungsgemäße PEM Elektrolysezelle 2 eine CCM 13 mit einer Dicke von weniger als 80 pm, beispielsweise eine CCM 13 mit einer Dicke von 50 pm oder weniger.
In der erfindungsgemäßen PEM Elektrolysezelle 2 wirken die Beschichtungen aus Dichtwerkstoff 22, beispielsweise die Beschichtung aus Gummi, vorzugsweise die Beschichtung aus EPDM des Anodenrahmens 8, die Beschichtungen aus Dichtwerkstoff 22, beispielsweise die Beschichtung aus Gummi, vorzugsweise die Beschichtung aus EPDM des Kathodenrahmens 11 und der Absatz 12 mit der CCM 13 zusammen (Figur 7c und 8a) und dichten die PEM Elektrolysezelle 2 und den Anodenraum und den Kathodenraum vollständig ab, ohne dass ein Kriechen 24 der CCM 13 in den Spalt 17 zwischen Anodenrahmen 8 und PTL Anode 7 erfolgt. Durch die besondere Anordnung der Kanäle Typ II 15 wird sowohl der An- und Abtransport von Wasser und Gas vollständig gewährleistet als auch die Stabilität der CCM 13 und eine vollständige Abdichtung der PEM Elektrolysezelle 2. Der erfindungsgemäße Rahmen 1 ermöglicht deshalb die Verwendung von CCMs 13 mit einer Dicke von weniger als 80 pm, beispielsweise mit einer Dicke von 50 pm oder weniger (= dünne CCM 13). Mit dem erfindungsgemäßen Rahmen 1 können PEM Elektrolysezellen 2 mit einer dünneren CCM 13 als im Stand der Technik üblich, hergestellt werden. Zusätzlich können diese PEM Elektrolysezellen 2 so betrieben werden, dass der Wasserstoff zur Erzeugung eines Differenzdrucks auf der Kathodenseite bis zu 40 bar aufgestaut wird, ohne dass die CCM 13 beschädigt wird oder die PEM Elektrolysezelle 2 undicht wird.
In bevorzugten Ausführungsformen ist die Anode 7 ist so ausgeführt, dass die BPP 16 mit der Anode 7 verbunden ist, dies wird erfindungsgemäß als BPP/Anode 36 bezeichnet. Die Verwendung von BPP/Anode 36 erleichtert nicht nur die Assemblierung, sondern reduziert auch die Kontaktwiderstände zwischen den Einzelteilen. In bevorzugten Ausführungsformen umfasst die Anode 7 mindestens einen Grobverteiler und mindestens einem Feinverteiler für die Prozessmedien, insbesondere das Wasser. Der Grobverteiler verteilt das Wasser effizient über die gesamte Zellfläche (d.h. die erste Öffnung und die zweite Öffnung 6 + 9). Der Feinverteiler transportiert das Wasser zur CCM 13, ermöglicht einen guten elektrischen Kontakt zur CCM 13 und stützt gleichzeitig die CCM 13 mechanisch ab. Als Grobverteiler für die PTL Anode 7 kann beispielsweise ein Streckmetall verwendet werden. Als Feinverteiler für die PTL Anode 7 kann beispielsweise eine Platte aus gesintertem Pulver verwendet werden. Grobverteiler und Feinverteiler, beispielsweise Streckmetall und Sintermetall können beispielsweise durch Widerstandsschweißen miteinander verbunden werden zur Herstellung einer PTL Anode 7. Alternativ kann zur Herstellung einer PTL Anode 7 das Pulver direkt auf dem Streckmetall aufgesintert werden. Die PTL Anode 7 kann mit der BPP 16 verbunden werden. Vorzugsweise besteht die BPP 16 aus dem gleichen Material wie die PTL Anode 7. In besonders bevorzugten Ausführungsformen bestehen BPP 16 und PTL Anode 7 aus Titan. In alternativen bevorzugten Ausführungsformen umfassen BPP 16 und PTL Anode 7 mindestens 80 % gleiches Material, z.B. Titan. Die Verbindung zwischen BPP 16 und PTL Anode 7 kann beispielsweise durch Widerstandsschweißen vorzugsweise an mehreren Punkten realisiert werden. In der BPP/PTL Anode 36 entspricht die Fläche der BPP 16 der Außenfläche des Rahmens 1 bzw. entspricht die Fläche der BPP/PTL Anode 36 im Wesentlichen der Außenfläche des Rahmens 1. Die Fläche der PTL Anode 7 in der BPP/PTL Anode 36 ist so angepasst, dass sie die erste Öffnung 6 ausfüllt, bzw. in die erste Öffnung 6 passt. Anstatt von zwei Teilen (BPP 16 und PTL Anode 7), wird für Assemblierung nur ein Teil, die BPP/PTL Anode 36 benötigt. Es wird also ein Teil eingespart.
Je nachdem ob über die Elektrode Wasser oder Gas transportiert wird, können die Kanäle Typ I 14 auf einer Seite oder zwei Seitenentlang der ersten Öffnung 6 des Anodenrahmens 8 auch deutlich kleiner gestaltet werden als die Kanäle Typ I 14 auf anderen Seiten entlang der ersten Öffnung des Anodenrahmens 8 (vergl. Figur 10b). Beispielsweise können die Kanäle Typ I 14 auf der Kathodenseite deutlich kleiner sein, als auf der Anodenseite (vergl. Figur 10 b bis 10 d). Um Platz zu sparen und die mechanische Stabilität des Rahmens 1 zu gewährleisten, können Kanäle Typ I 14 beispielsweise als Schlitz statt als Rundloch ausgeführt werden. Für die Kanäle Typ I 14 sind unterschiedliche Formen und eine entsprechende Anpassung möglich.
Gegenstand der Erfindung ist eine vorassemblierte Baugruppe 20 zur Herstellung einer Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23, die einen erfindungsgemäßen Rahmen 1 umfasst. Gegenstand der Erfindung ist beispielsweise eine vorassemblierte Baugruppe 20 zur Herstellung einer Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 umfassend einen Anodenrahmen 8, einen Kathodenrahmen 11 , eine BPP 16, eine PTL Anode 7 und eine PTL Kathode 10, wobei der Anodenrahmen 8 eine erste Seite 4 des Rahmens 1 mit planarer erster Oberfläche, eine der ersten Seite 4 gegenüberliegende Seite des Anodenrahmes 4" und eine erste Öffnung 6 zur Aufnahme der PTL Anode 7 umfasst, wobei die erste Öffnung 6 sich von der ersten Seite 4 bis zu der der ersten Seite 4 gegenüberliegenden Seite des Anodenrahmens 4" erstreckt, und wobei die erste Öffnung 6 von dem Anodenrahmen 8 umgeben ist, und wobei der Anodenrahmen 8 mindestens ein Verbindungselement zur Verbindung mit dem Kathodenrahmen 11 , beispielsweise einen Stift 19, umfasst, wobei der Kathodenrahmen 11 eine zweite Seite 5 des Rahmens 1 mit planarer zweiter Oberfläche, eine der zweiten Seite 5 gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens 5" und eine zweite Öffnung 9 zur Aufnahme der PTL Kathode 10 umfasst, wobei die zweite Öffnung 9 sich von der zweiten Seite 5 bis zu der der zweiten Seite 5 gegenüberliegenden Seite des Kathodenrahmens 5" erstreckt und von dem Kathodenrahmen 10 umgeben ist, und wobei der Kathodenrahmen 11 mindestens ein Verbindungselement zur Verbindung mit dem Anodenrahmen 8, beispielsweise ein Loch 18 zur Aufnahme des Stiftes 19 des Anodenrahmens 8, umfasst, wobei zwischen der ersten Seite 4 des Rahmes 1 und der zweiten Seite 5 des Rahmens 1 die BPP 16 angeordnet ist, wobei die BPP 16 Teil einer BPP/PTL Anode 36 sein kann, wobei der Anodenrahmen 8 einen Kem 21, der beispielsweise aus Metall besteht oder Metall umfasst, und eine Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22, beispielsweise eine Beschichtung aus Gummi, vorzugsweise eine Beschichtung aus EPDM umfasst, und wobei der Kem 21 ganz oder teilweise mit Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 beschichtet ist, und wobei vorzugsweise die BPP 16 mit der PTL Anode 7 zu einer BPP/PTL Anode 36 verbunden ist und die PTL Anode 7 oder die BPP/PTL Anode 36 in die erste Öffnung 6 eingelegt oder eingepresst ist und die PTL Anode 7 von dem Anodenrahmen 8 eingerahmt ist, der Kathodenrahmen 10 einen Kem 21, der beispielsweise aus Metall besteht oder Metall umfasst, und eine Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22, beispielsweise eine Beschichtung aus Gummi, vorzugsweise eine Beschichtung aus EPDM umfasst, und wobei der Kem
21 ganz oder teilweise mit Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 beschichtet ist, und wobei die PTL Kathode 10 in die zweite Öffnung 9 eingelegt oder eingepresst und von dem Kathodenrahmen 11 eingerahmt ist, wobei Anodenrahmens 8 und Kathodenrahmen 11 über die Verbindungselemente des Anodenrahmens 8 und des Kathodenrahmens 11 verbunden werden, beispielsweise der Stift 19 des Anodenrahmens 8 in dem Loch 18 des Kathodenrahmens 11 steckt und der Anodenrahmen 8 und Kathodenrahmen 11 dadurch miteinander verbunden sind, wobei die erste Öffnung 6 größer ist als die zweite Öffnung 9 und wobei der Anodenrahmen 8 und der Kathodenrahmen 11 so angeordnet sind, dass die erste Seite 4 und die zweite Seite 5 beim Übergang vom Anodenrahmen 8 zum Kathodenrahmen 11 einen Absatz 12 bilden, wobei vorzugsweise der Absatz 12 der Teil des Kathodenrahmens 11 ist, der vorzugsweise an die zweite Öffnung 9 angrenzt und vorzugsweise die zweite Öffnung 9 einrahmt und wobei der Absatz 12 vorzugsweise eine planare dritte Oberfläche als Auflagefläche für die CCM 13 bildet, wobei die BPP 16 bzw. die BPP 16 der BPP/PTL Anode 36 auf der einen Seite auf der PTL Anode 7 und dem Anodenrahmen 8 aufliegt und auf der anderen Seite auf der PTL Kathode 10, dem Kathodenrahmen 11 und dem Absatz 12 aufliegt. Die vorassemblierte Baugruppe 20 umfasst vorzugsweise die in dieser Anmeldung beschriebenen Kanäle Typ I 14 und Typ I1 15 zum an- und Abtransport von Wasser und Gas, die wie beschrieben angeordnet sein können.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer vorassemblierten Baugruppe 20, die einen erfindungsgemäßen Rahmen 1 umfasst. Gegenstand der Erfindung ist beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung einer vorassemblierten Baugruppe 20, umfassend die Verfahrensschritte a) für den Anodenrahmen 8 ein Kem 21 vorzugsweise aus Metall hergestellt wird, wobei der Kern 21 eine erste Seite 4 mit planarer erster Oberfläche und eine der ersten Seite 4 gegenüberliegende Seite des Anodenrahmens 4" umfasst, wobei die erste Seite 4 und die der ersten Seite 4 gegenüberliegende Seite des Anodenrahmens 4" eine erste Öffnung 6 umfassen, die sich von der ersten Seite 4 bis zu der der ersten Seite 4 gegenüberliegenden Seite des Anodenrahmens 4" erstreckt und die von dem Anodenrahmen 8 eingerahmt ist, und einen, zwei oder mehrere Kanäle Typ I 14 zum An- und Abtransport von Wasser und Gas umfasst, wobei der bzw. die Kanäle Typ 1 14 nicht mit der ersten Öffnung 6 im Anodenrahmen 8 verbunden ist bzw. sind, und wobei der Anodenrahmen 8 mindestens ein Verbindungselement zur Verbindung mit dem Kathodenrahmen 11, z.B. einen Stift 19, umfasst, b) die Oberfläche des gemäß a) hergestellten Kems 21 für den Anodenrahmen 8 ganz oder teilweise, beispielsweise mindestens 90 % der Oberfläche des gemäß a) hergestellten Kems 21 für den Anodenrahmen 8 zur Erzeugung einer Beschichtung aus Gummi als Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 mittels Vulkanisierung mit Natur- oder Synthesekautschuk beschichtet und anschließend vulkanisiert wird und dadurch auf der ganzen Oberfläche oder auf Teilen der Oberfläche des a Kems 21 eine Beschichtung aus Gummi, vorzugsweise eine Beschichtung aus EPDM erzeugt wird, wobei in der Beschichtung aus Gummi ein, zwei oder mehrere Kanäle Typ 11 15 auf der Oberfläche der ersten Seite 4 erzeugt werden, die mit einem, zwei oder mehreren Kanälen Typ I 14 verbunden sind und die den bzw. die Kanäle Typ 1 14 mit der ersten Öffnung 6 verbinden und die, wenn der Anodenrahmen 8 in einer PEM Elektrolysezelle 2 oder einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 eingebaut ist, in Richtung zur BPP 16 bzw. zur BPP-Seite der BPP/PTL Anode 36 angeordnet sind und wobei in Beschichtung aus Gummi auf der der ersten Seite 4 gegenüberliegenden Seite des Anodenrahmens 4" keine Kanäle Typ II 15 erzeugt werden, c) in den gemäß a) und b) hergestellten Anodenrahmen 8 die PTL Anode 7 und die BPP 16 bzw. eine BPP/PTL Anode 36 gelegt oder eingepresst werden, d) für den Kathodenrahmen 11 ein Kem 21 vorzugsweise aus Metall hergestellt wird, wobei der Kem 21 eine zweite Seite 5 mit planarer zweiter Oberfläche und eine der zweiten Seite 5 gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens 5" umfasst, wobei die zweite Seite 5 und die der zweiten Seite 5 gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens 5" eine zweite Öffnung 9 umfassen, die sich von der zweiten Seite 5 bis zu der der zweiten Seite 5 gegenüberliegenden Seite des Kathodenrahmens 5" erstreckt und die von dem Kathodenrahmen 11 eingerahmt ist, und einen, zwei oder mehrere Kanäle Typ I 14 zum An- und Abtransport von Wasser und Gas umfasst, wobei der bzw. die Kanäle Typ I 14 nicht mit der zweiten Öffnung 9 im Kathodenrahmen 11 verbunden sind, und wobei der Kathodenrahmen 11 mindestens ein Verbindungselement zur Verbindung mit dem Anodenrahmen 8, z.B. ein Loch 18, umfasst, e) die Oberfläche des gemäß d) hergestellten Kerns 21 für den Kathodenrahmen 11 ganz oder teilweise, beispielsweise mindestens 90 % der Oberfläche des gemäß d) hergestellten Kerns 21 für den Kathodenrahmen 11 zur Erzeugung einer Beschichtung aus Gummi als Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 mittels Vulkanisierung mit Natur- oder Synthesekautschuk beschichtet und anschließend vulkanisiert wird und dadurch auf der ganzen Oberfläche oder auf Teilen der Oberfläche des Kems 21 eine Beschichtung aus Gummi, vorzugsweise eine Beschichtung aus EPDM erzeugt wird, wobei in der Beschichtung aus Gummi ein, zwei oder mehrere Kanäle Typ 11 15 auf der Oberfläche der zweiten Seite 5 erzeugt werden, die mit einem, zwei oder mehreren Kanälen Typ I 14 verbunden sind und der bzw. die den bzw. die Kanäle Typ 1 14 mit der zweiten Öffnung 9 verbinden und die, wenn der Kathodenrahmen 11 in einer PEM Elektrolysezelle 2 oder einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 eingebaut ist, in Richtung zur BPP 16 bzw. zur BPP-Seite der BPP/PTL Anode 36 angeordnet sind und wobei in der Beschichtung aus Gummi der der zweiten Seite 5 gegenüberliegenden Seite des Kathodenrahmens 5" keine Kanäle Typ 11 15 erzeugt werden, f) der gemäß d) und e) hergestellte Kathodenrahmen 11 mit dem Anodenrahmen 8 verbunden wird, beispielsweise dadurch, dass der Kathodenrahmen 11 auf den Anodenrahmen 8 aufgesteckt wird und wobei die BPP 16 zwischen der erste Seite 4 und der zweiten Seite 5 angeordnet ist und dann die PTL Kathode 10 in den Kathodenrahmen 11 eingelegt oder eingepresst wird.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 zum Betrieb unter Differenzdruck zur Erzeugung von Hochdruck-Wasserstoff, die erfindungsgemäße Rahmen 1, erfindungsgemäße vorassemblierte Bauteile 20, elektrochemische Zellen 2 umfasst. Gegenstand der Erfindung ist beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 zum Betrieb unter Differenzdruck zur Erzeugung von Hochdruck-Wasserstoff umfassend die Verfahrensschritte, a) mindestens x erfindungsgemäße vorassemblierte Baugruppen 20 und mindestens x+1 CCMs 13 werden abwechselnd übereinander gestapelt, wobei ein Stapel vorassemblierter Baugruppen 3 erzeugt wird, wobei in dem Stapel vorassemblierter Baugruppen 3 jeweils eine vorassemblierte Baugruppe 20 und eine CCM 13 abwechselnd übereinander gestapelt sind und wobei auf der Oberseite und der Unterseite des Stapels vorassemblierter Baugruppen 3 jeweils eine CCM 13 und zwischen zwei benachbarten vorassemblierten Baugruppen 20 jeweils eine CCM 13 angeordnet ist, und wobei b) dann auf der einen Seite des Stapels vorassemblierter Baugruppen 3 eine einzelne Anode, vorzugsweise eine einzelne PTL Anode 7', parallel zu einer äußeren CCM 13 angeordnet wird und auf der anderen Seite des Stapels vorassemblierter Baugruppen 3 eine einzelne Kathode, vorzugsweise eine einzelne PTL Kathode 10', parallel zu einer äußeren CCM 13 angeordnet wird, c) parallel zu der einzelnen Anode und parallel zu der einzelnen Kathode jeweils eine Endplatte 33 angeordnet und der erzeugte Stapel dann zwischen den zwei Endplatten 33 zu einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 zusammengepresst wird, wobei x eine ganze Zahl und > 2 ist.
In bevorzugten Ausführungsformen eines Verfahrens zur Herstellung der erfindungsgemäßen PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 weist eine oder weisen mehrere, vorzugsweise jede der x+1 CCMs 13 in der PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 eine Dicke von weniger als 80 pm auf, wobei x eine ganze Zahl und > 2 ist. Besonders bevorzugt weisen mehrere, vorzugsweise jede der x+1 CCMs 13 in der PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 eine Dicke von weniger als 50 pm oder weniger auf, wobei x eine ganze Zahl und > 2 ist.
Gegenstand der Erfindung ist eine PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 zum Betrieb unter Differenzdruck zur Erzeugung von Hochdruck-Wasserstoff, die einen oder mehrere erfindungsgemäße Rahmen 1 umfasst. Gegenstand der Erfindung ist eine PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23, die eine oder mehrere erfindungsgemäße vorassemblierte Baugruppen 20 umfasst. Gegenstand der Erfindung ist eine PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23, die eine oder mehrere erfindungsgemäße PEM Elektrolysezellen 2 umfasst.
Gegenstand der Erfindung ist beispielsweise eine PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 zum Betrieb unter Differenzdruck zur Erzeugung von Hochdruck- Wasserstoff umfassend x erfindungsgemäße vorassemblierte Baugruppen 20, x+1 CCMs 13, eine einzelne Anode, eine einzelne Kathode und zwei Endplatten 33, wobei die x vorassemblierten Baugruppen 20 und die x+1 CCMs 13 abwechselnd übereinander zu einem Stapel vorassemblierter Baugruppen 3 gestapelt sind, wobei in dem Stapel vorassemblierter Baugruppen 3 jeweils eine vorassemblierte Baugruppe 20 und eine CCM 13 abwechselnd übereinander gestapelt sind und wobei auf der Oberseite und der Unterseite des Stapels vorassemblierter Baugruppen 3 jeweils eine CCM 13 und zwischen zwei benachbarten vorassemblierten Baugruppen 20 jeweils eine CCM 13 angeordnet ist, und wobei auf der einen Seite des Stapels vorassemblierter Baugruppen 3 eine einzelne Anode, vorzugsweise eine einzelne PTL Anode 7', parallel zu einer äußeren CCM 13 angeordnet ist und auf der anderen Seite des Stapels vorassemblierter Baugruppen 3 eine einzelne Kathode, vorzugsweise eine einzelne PTL Kathode 10', parallel zu einer äußeren CCM 13 angeordnet ist, wobei parallel zu der einzelnen Anode und parallel zu der einzelnen Kathode jeweils eine Endplatte 33 angeordnet ist und der erzeugte Stapel zwischen den zwei Endplatten 33 zu einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 zusammengepresst wird, wobei x eine ganze Zahl und > 2 ist.
In bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 weist eine oder mehrere, vorzugsweise jede der x+1 CCMs 13 in der PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 eine Dicke von weniger als 80 pm, vorzugsweise eine Dicke von weniger als 50 pm oder weniger aufweist, wobei x eine ganze Zahl und > 2 ist.
In die PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 können je nach Bedarf weitere Komponenten an den entsprechenden Stellen eingebaut werden, beispielsweise kann zwischen CCM 13 und Endplatte 33 jeweils eine Isolierplatte 32 eingebaut werden. Isolierplatten 32 an diesen Stellen verhindern beispielsweise, dass die Endplatten 33 z.B. bei der Verwendung von Schrauben nicht kurzgeschlossen werden. Entsprechende Komponenten sind dem Fachmann bekannt. Der Fachmann kann das Herstellungsverfahren entsprechend anpassen.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 zum Betrieb unter Differenzdruck zur Erzeugung von Hochdruck-Wasserstoff umfassend x erfindungsgemäße vorassemblierte Baugruppen 20, x+1 CCMs 13, eine einzelne Anode, vorzugsweise eine einzelne PTL Anode 7', eine einzelne Kathode, vorzugsweise eine einzelne PTL Kathode 10', und zwei Endplatten 33, wobei die x vorassemblierten Baugruppen 20 und die x+1 CCMs 13 abwechselnd übereinander zu einem Stapel vorassemblierter Baugruppen 3 gestapelt sind, wobei in dem Stapel vorassemblierter Baugruppen 3 jeweils eine vorassemblierte Baugruppe 20 und eine CCM 13 abwechselnd übereinander gestapelt sind und wobei auf der Oberseite und der Unterseite des Stapels vorassemblierter Baugruppen 3 jeweils eine CCM 13 und zwischen zwei benachbarten vorassemblierten Baugruppen 20 jeweils eine CCM 13 angeordnet ist, und wobei auf der einen Seite des Stapels vorassemblierter Baugruppen 3 eine einzelne Anode parallel zu einer äußeren CCM 13 angeordnet ist und auf der anderen Seite des Stapels vorassemblierter Baugruppen 3 eine einzelne Kathode parallel zu einer äußeren CCM 13 angeordnet ist, wobei parallel zu der einzelnen Anode und parallel zu der einzelnen Kathode jeweils eine Endplatte 33 angeordnet ist und der erzeugte Stapel zwischen den zwei Endplatten 33 zu einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 zusammengepresst wird, wobei x eine ganze Zahl und > 2 ist.
Eine Halbzelle Anode umfasst nur die Anodenseite einer elektrochemischen Zelle 2, nicht die Kathodenseite der elektrochemischen Zelle 2. In bevorzugten Ausführungsformen umfasst eine Halbzelle Anode eine einzelne Anode 7' und einen Anodenrahmen 8. In bevorzugten Ausführungsformen besteht eine Halbzelle Anode aus einer einzelnen Anode 7' und einem Anodenrahmen 8. Eine Halbzelle Anode vervollständigt eine elektrochemische Zelle 2 in einer vorassemblierten Baugruppe 20 oder einem Stapel vorassemblierter Baugruppen 3.
Eine Halbzelle Kathode umfasst nur die Kathodenseite einer elektrochemischen Zelle 2, nicht die Anodenseite der elektrochemischen Zelle 2. In bevorzugten Ausführungsformen umfasst eine Halbzelle Kathode eine einzelne Kathode 10' und einen Kathodenrahmen 11. In bevorzugten Ausführungsformen besteht eine Halbzelle Kathode aus einer einzelnen Kathode 10' und einem Kathodenrahmen 8. Eine Halbzelle Kathode vervollständigt eine elektrochemische Zelle 2 in einer vorassemblierten Baugruppe 20 oder einem Stapel vorassemblierter Baugruppen 3.
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst die PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 mindestens 2 oder 3 oder 5 oder mehr, beispielsweise 10, 50, 100, 500, 1000 oder mehr erfindungsgemäße vorassemblierte Baugruppen 20. Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 neben einer Anzahl von x erfindungsgemäßen vorassemblierten Baugruppen 20, wobei x eine ganze Zahl und > 2 ist, einen Kathodenrahmen 11 , eine CCM 13, einen Anodenrahmen 8 und zwei Endplatten 33. In der erfindungsgemäßen PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 sind vorzugsweise die erste und die letzte PEM Elektrolysezelle 2 anders als die dazwischen liegenden. Beispielsweise wird zur Herstellung einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 auf einem Kathodenrahmen 11 eine CCM 13 angeordnet, auf der CCM 13 werden x vorassemblierte Baugruppen 20 und x CCMs 13 abwechselnd gestapelt, und darauf ein Anodenrahmen 8. Der Stapel wird zwischen Endpatten 33 zu einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 verpresst, wobei x eine ganze Zahl und > 2 ist.
In der PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 ist vorzugsweise eine der beiden Endplatten 33 eine obere Endplatte 38, die beispielsweise in einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 oben angeordnet ist. In der PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 ist vorzugsweise eine der beiden Endplatten 33 eine untere Endplatte 44, die beispielsweise in einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 unten angeordnet ist.
Eine PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 wird im Elektrolysebetrieb als Durchflussreaktor betrieben. Dabei wird Wasser kontinuierlich in die PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 eingeleitet und Wasser aus der PEM Elektrolysezelle vom Stapeltyp 23 abgeleitet. Wasser muss von dem Wasseranschluss zur Einleitung des Wassers (= Wasseranschluss Eingang) 39 der PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 auf die Kanäle Typ I 14, verteilt werden. Gleichzeitig muss Wasser aus den Kanälen Typ I 14 zu dem Wasseranschluss für die Ableitung des Wassers (= Wasseranschluss Ausgang) 40 geleitet werden. Dafür wird Platz benötigt, den man ggf. auf der Endplatte 33 nicht zur Verfügung hat, beispielsweise, weil dann die Endplatte 33 zu dick wird und wenn die Endplatte 33 zu dick wird, die PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 zu schwer wird.
Gegenstand der Erfindung ist ein Deckel 37 für eine PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23. Der erfindungsgemäße Deckel 37 weist eine Konstruktion auf, in der möglichst viel Raum für Wasser geschaffen wird, ohne die gesamte Endplatte 33 unnötig dick zu machen.
Gegenstand der Erfindung ist ein Deckel 37 für eine PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23, wobei die Endplatte 33, beispielsweise die obere Endplatte 38 mindestens einen Wasseranschluss für die Einleitung des Wassers 39, mindestens einen Wasseranschluss für die Ableitung des Wassers 40 und mindestens zwei Verteilerdeckel 41 umfasst, wobei die obere Endplatte 38 zur Schaffung von Raum für Wasser mindestens zwei Räume für die Verteilung von Wasser in der Endplatte 42 aufweist und wobei jeder der mindestens zwei Verteilerdeckel 41 Raum für die Verteilung von Wasser im Verteilerdeckel 43 aufweist und wobei mindestens ein Verteilerdeckel 43 zur Einleitung von Wasser in die PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 mit mindestens einem Wasseranschluss für die Einleitung von Wasser 39 und einem Raum für die Verteilung von Wasser in der Endplatte 42 verbunden ist und wobei mindestens ein weiterer Verteilerdeckel 43 zur Ableitung von Wasser aus der PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 mit mindestens einem Wasseranschluss für die Ableitung von Wasser 40 und einem Raum für die Verteilung von Wasser in der Endplatte 42 verbunden ist.
Gegenstand der Erfindung ist eine PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23, die den erfindungsgemäßen Deckel 37 umfasst. Gegenstand der Erfindung ist eine erfindungsgemäße PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23, die den erfindungsgemäßen Deckel 37 umfasst.
Um die einzelnen Rahmen 1 elektrochemischer Zellen 2 und die einzelnen Rahmen 1 einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 vollständig abzudichten, insbesondere bei hohen Drücken bzw. hohen Differenzdrücken, müssen die Endplatten 33 bzw die obere Endplatte 38 und die untere Endplatte 44 mit einer ausreichenden Schraubenkraft bzw. Anpresskraft verspannt werden. Die Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 wirkt dann als Dichtung und dichtet die einzelnen Rahmen 1 , Anodenrahmen 8 und Kathodenrahmen 11 vollständig ab. Werden dabei Rahmen 1 mit großer Rahmenflächen verwendet, wird die Anpresskraft, die notwendig ist, um die Endplatten 33 so zu verspannen, dass sie vollständig abgedichtet sind, noch höher. Für Rahmen 1 mit großer Rahmenfläche ist die Anpresskraft, wenn der Kem 21 des Anodenrahmens und der Kem 21 des Kathodenrahmens vollständig mit Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 beschichtet sind, besonders groß, d.h. bei großer Fläche der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 auf der ersten Seite 4 des Anodenrahmens 8, und bei großer erster Öffnung 6, d.h. bei langer erster Seite der ersten Öffnung 27 und ggf. langer zweiter Seite der ersten Öffnung 28. Eine große Rahmenfläche bedeutet z. B. 1600 cm2 oder mehr. In bevorzugten Ausführungsformen ist nicht die gesamte Rahmenfläche des Anodenrahmens 8 für die Dichtung notwendig. In bestimmten Ausführungsformen ist nicht die gesamte Rahmenfläche des Kathodenrahmens 11 für die Dichtung notwendig. Um die Anpresskraft zu reduzieren, kann die Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 in den Bereichen der Oberfläche des Kems 21 die nicht für die Dichtung notwendig ist, reduziert werden. Entsprechende Anodenrahmen 8 bzw. Kathodenrahmen 11 umfassen Bereiche auf dem Kern 21, in denen die Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 eine Schichtdicke hat und Bereiche auf dem Kem 21, in denen die Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22" eine im Vergleich zur Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 reduzierte Schichtdicke aufweist (Figur 10b, Figur 14) z.B. ist die Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22" in dem Bereich der Oberfläche des Kems 21, der nicht zum Dichten benötigt wird, um 0,05 mm oder mehr, beispielsweise 0,1 mm, vorzugsweise 0,2 mm oder mehr geringer als die Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 in dem Bereich der Oberfläche des Kems 21, die für die Abdichtung der aktiven Fläche (aktive Fläche = erste und zweite Öffnung 6+9) und der Kanäle Typ I und Typ II 14 + 15 notwendig ist. Um die Anpresskraft zu reduzieren, kann die Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 in den Bereichen der Oberfläche des Kems 21 für den Kathodenrahmen 11 bzw. des Anodenrahmens 8, der nicht für die Dichtung notwendig ist, in seiner Schichtdicke reduziert werden z.B. weist der Bereich der Oberfläche des Kems 21, der nicht zum Dichten benötigt wird, eine um 0,05 mm oder mehr, beispielsweise 0,1 mm, vorzugsweise 0,2 mm oder mehr reduzierte Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22" auf, beispielsweise in den Bereichen der Oberfläche des Kems 21, die für die Abdichtung der aktiven Fläche (erste und zweite Öffnung 6+9) und der Kanäle Typ I und Typ 11 14 + 15 nicht notwendig ist.
Der Bereich der Oberfläche des Kems 21 des Anodenrahmens 8 und/oder des Kathodenrahmens 11, in dem die Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 nicht in der Schichtdicke reduziert ist, wird beim Verspannen der PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 primär mit Druck beaufschlagt (Figur 1 , 10 bis 15 MPa). Der Dichtbereich, in dem die Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 auf der Oberfläche des Kems 21 eine nicht-reduzierte Schichtdicke hat, kann beispielsweise so definiert werden, dass der Bereich der Oberfläche des Kems 21, der in einem Abstand von 0,2 mm oder mehr, beispielsweise 0,5 mm oder 1 mm oder mehr, vorzugsweise 1 ,5 mm oder 2 mm oder mehr um die erste innere Öffnung 6 bzw. die zweite innere Öffnung 9 und um die Kanäle Typ 1 14 und die Kanäle Typ I1 15 herum angeordnet ist (Figur 10b, Figur 14). Dabei kann der Abstand variieren. Der Abstand zu der ersten Öffnung 6, der zweiten Öffnung 9, zu der Anordnung der Kanäle Typ 1 14, zu den Kanälen Typ I1 15, in denen die Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 eine nicht-reduzierte Schichtdicke hat, kann gleich oder unterschiedlich sein. In besonderen Ausführungsformen kann die Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 in dem Bereich der Oberfläche oder in Teilen des Bereichs der Oberfläche des Kerns 21 des Anodenrahmens 8 bzw. des Kathodenrahmens 11, in dem die Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22" eine reduzierte Schichtdicke hat, die Schichtdicke Null sein, d.h. in diesem Bereich der Oberfläche kann in besonderen Ausführungsformen der Kem 21 nicht mit Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22" beschichtet sein. Durch die Reduzierung der Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22" in bestimmten Bereichen der Oberfläche des Kerns 21 des Anodenrahmens 8 bzw. des Kathodenrahmens 11 kann die Fläche, die verpresst werden muss, beispielsweise um 50 % im Vergleich zu einer Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22, die die Oberfläche des Kerns 21 in gleicher Schichtdicke vollständig beschichtet, reduziert werden. Dadurch reduziert sich auch die Anpresskraft, die notwendig ist, um die Rahmen 1 in der PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 zu verpressen, um bis zu 50 %.
Ein weiterer Vorteil vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind die Herstellungskosten. Die Kanäle Typ II 15 werden nicht aus jedem Anodenrahmen 8 und jedem Kathodenrahmen 11 ausgefräst, sondern einmalig in ein Werkzeug überführt. Ein Werkzeug ist das Negativ zum Anodenrahmen 8, ein weiteres Werkzeug ist das Negativ zum Kathodenrahmen 11. Die Kanäle Typ 11 15 werden in das Werkzeug überführt und wie ein Stempel quasi in die Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22, vorzugsweise das Gummi, beispielsweise EPDM eingebracht. Mit Hilfe des Werkzeugs wird durch Vulkanisation der Kern aus Metall 21 mit dem Dichtwerkstoff, vorzugsweise Gummi, beispielsweise EPDM, beschichtet, wobei gleichzeitig die Kanäle Typ II 15 in den erfindungsgemäß gewünschten Bereichen des Anodenrahmens 8 und / oder des Kathodenrahmens 11 erzeugt werden. Die durch Vulkanisation von Anodenrahmen 8 und / oder Kathodenrahmen 11 erzeugten Formteile bzw. Gummiformteile lassen sich direkt verwenden und können in großer Stückzahl kostengünstig hergestellt werden. Alternative Verfahren sind bekannt, beispielsweise Spritzguss oder 3D-Druck. Die PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 wird vorzugsweise so ausgeführt werden, dass alle Komponenten eine glatte und homogene Oberfläche aufweisen, sodass keine Spannungsspitzen auf der CCM 13 auftreten. Um bei Gasdruck ein Kriechen 24 der CCM 13 in die Poren der PTL Anode 7 und / oder der PTL Kathode 10 zu verhindern, werden beispielsweise PTL Anoden 7 und / oder PTL Kathoden 10 mit einem Porendurchmesser < 0,1 mm verwendet. Beispielsweise können als PTL Anode 7 und / oder PTL Kathode 10 PTLs mit einer sogenannten .Mikroporous Layer', also einer besonders homogenen Oberfläche, verwendet werden.
Vorzugsweise wird die erfindungsgemäße PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 zur Elektrolyse von Wasser im Temperaturbereich von 10 bis 95 Grad Celsius, vorzugsweise im Temperaturbereich von 40 bis 80 Grad Celsius, besonders bevorzugt im Temperaturbereich von 68 bis 72 Grad Celsius verwendet. Die erfindungsgemäße PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 hat zudem den Vorteil, dass die Temperaturdifferenz von der einen Seite des Stapels bis zur anderen Seite des Stapels vorzugsweise maximal 0 bis 10 Grad Celsius, vorzugsweise maximal 3 bis 7 Grad Celsius, insbesondere maximal 4 Grad Celsius beträgt.
Der Anodenrahmen 8 und der Kathodenrahmen 11 können einfach zu einer vorassemblierten Baugruppe 20 zusammengefügt werden, da Dichtung und Anodenrahmen 8 bzw. Dichtung und Kathodenrahmen 11 jeweils aus einem Bauteil bestehen. Vorzugsweise wird zur Herstellung einer vorassemblierten Baugruppe 20 eine BPP 16, die mit einer PTL Anode 7 verbunden ist, d.h. eine BPP/Anode 36 verwendet. Beispielsweise sind BPP 16 und PTL Anode 7 verschweißt, so dass BPP 16 und PTL Anode 7 als ein Bauteil BPP/PTL Anode 36 vorliegen. Zur Herstellung der vorassemblierten Baugruppe 20 wird der Anodenrahmen 8 zunächst auf die Anode 7 bzw. die PTL Anode 7 der BPP/PTL Anode 36 eingelegt bzw. eingepresst. Beispielsweise kann der Anodenrahmen 8 neben einem ersten Stift 19 als Mittel zur Verbindung mit dem Kathodenrahmen 11 zusätzlich einen zweiten Stift 19 als Mittel zur Verbindung mit der BPP 16 bzw. der BPP/PTL Anode 36 aufweisen, der in die BPP 16 eingesteckt werden kann. Dazu umfasst die BPP 16 bzw. die BPP 16 der BPP/PTL Anode 36 ein entsprechendes Mittel zur Verbindung mit dem Anodenrahmen 8, vorzugsweise ein Loch 18. Anschließend wird der Anodenrahmen 8 mit der eingelegten bzw. eingepressten PTL Anode 7 und der BPP 16 bzw. der BPP/PTL Anode 36 umgedreht und der Kathodenrahmen 11 kann auf der anderen Seite des Anodenrahmens 8 mit Mitteln zur Verbindung mit dem Anodenrahmen, vorzugsweise einem Loch 18 ebenfalls eingesteckt und mit dem Anodenrahmen 8 verbunden werden. Anschließend wird die PTL Kathode 10 in den Kathodenrahmen 11 eingelegt bzw. eingepresst (Figur 6). Es wird eine vorassemblierte Baugruppe 20 erhalten. Vorassemblierte Baugruppe 20 können dann beispielsweise über Zentnerstifte abwechselnd mit CCMs 13 gestapelt werden, um
Stapel vorassemblierter Baugruppen 3 bzw. PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 herzustellen.
Bezugszeichen
Figuren:
Figur 1 : Klassischer Aufbau einer PEM Elektrolysezelle aus dem Stand der Technik mit Rahmen 1, katalysatorbeschichteter Membran (CCM) 13, Bipolarplatte (BPP) 16, PTL Anode 7, PTL Kathode 10 mit Spalt 17 zwischen Rahmen 1 und PTL Anode 7 und Rahmen 1 und PTL Kathode 10. Der Rahmen 1 umfasst Kanäle Typ I 14 zum An- und Abtransport von Wasser und Gas.
Figur 2: Rahmen 1 gemäß Figur 1 mit Verformung des Rahmens 1 und Bildung eines größeren Spalts 17 zwischen Rahmen 1 und PTL Anode 7 und Rahmen 1 und PTL Kathode 10 und Kriechen 24 der CCM 13 in den vergrößerten Spalt 17 zwischen
Rahmen 1 und PTL Anode 7 und Rahmen 1 und PTL Kathode 10.
Figur 3a: Gezeigt ist ein Teil des erfindungsgemäßen Rahmens 1, der einen Kem 21 umfasst, der mit einer Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 beschichtet ist und der in der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 einen Kanal Typ 11 15 umfasst. Figur 3b: Gezeigt ist ein Teil des erfindungsgemäßen Rahmens 1. Der Rahmen 1 umfasst einen Kem 21 der mit einer Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 beschichtet ist und einen Teil eines Kanals Typ II 15 in der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22.
Figur 4: Der hier dargestellte erfindungsgemäßer Kathodenrahmen 11 weist eine zweite Öffnung9 auf, die von einer ersten Seite 27', einer zweiten Seite 28', einer dritten Seite 29' und einer vierten Seite 30' des Kathodenrahmens 11 eingerahmt ist. Der Kathodenrahmen 11 umfasst zwei Löcher 18 als Verbindungselement zur Verbindung mit dem Anodenrahmen 8und zwanzig Kanäle Typ I 14. Der Kathodenrahmen 11 umfasst mehrere Kanäle Typ 11 15 auf der zweiten Seite 5, die die zweite Öffnung 9 mit zehn Kanälen Typ 1 14 verbinden, wobei jeder Kanal Typ 1 14 mittels mehrerer Kanäle Typ 11 15 mit der zweiten Öffnung 9 verbunden ist. Auf der der zweiten Seite 5 gegenüberliegenden Seite des Kathodenrahmens 5" gibt es keine Kanäle Typ I1 15, die die Kanäle Typ I 14 mit der zweiten Öffnung 9 verbinden.
Figur 5: Der hier dargestellte erfindungsgemäße Anodenrahmen 8 weist eine erste Öffnung 6 auf, die von einer ersten Seite 27, einer zweiten Seite 28, einer dritten Seite 29 und einer vierten Seite 30 des Anodenrahmens 8 eingerahmt ist. Der Anodenrahmen 8 umfasst zwei Stifte 19 als Verbindungselement zur Verbindung mit dem Kathodenrahmen 11 und in diesem konkreten Beispiel ebenfalls zwanzig Kanäle Typ I 14, die so angeordnet sind, dass sie, wenn Anodenrahmen 8 und Kathodenrahmen 11 verbunden sind, mit den zwanzig Kanälen Typ I 14 des Kathodenrahmens 11 zum an- und Abtransport von Wasser und Gas Zusammenwirken können. Der Anodenrahmen 8 umfasst Kanäle Typ 11 15 auf der ersten Seite 4, die die erste Öffnung 6 mit zehn Kanälen Typ I 14 verbinden. Auf der der ersten Seite des Rahmens 4 gegenüberliegenden Seite des Anodenrahmens 4" gibt es keine Kanäle Typ II 15, die die Kanäle Typ I 14 mit der ersten Öffnung 6 verbinden. Der Anodenrahmen 8 umfasst eine Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22, vorzugsweise Gummi. Dieser Anodenrahmen 8 umfasst eine Lippe aus Dichtwerkstoff, vorzugsweise eine Gummilippe 25.
Figur 6 zeigt schematisch das Verfahren zur Herstellung einer vorassemblierten Baugruppe 20 mit den Verfahrensschritten a) Ausgangslage: PTL Anode 7 und BPP 16 sind verbunden (BPP/PTL Anode 36); b) 1 . Schritt: die Stifte 19 des Anodenrahmens 8 werden in die Löcher 19 der der BPP/PTL Anode 36 eingesteckt; c) 2. Schritt: Umdrehen der Anordnung aus b), es ist die BPP 16 -Seite der BPP/PTL Anode 36 zu sehen; d) 3. Schritt: der Kathodenrahmen 11 wird in die Anordnung eingesteckt, e) 4. Schritt: die PTL Kathode 10 wird in die zweite Öffnung 9 eingelegt.
Figur 7: zeigt eine vorassemblierte Baugruppe 20 in der Explosionsdarstellung. Zu sehen sind die Teile, die die vorassemblierte Baugruppe 20 umfasst: Kathodenrahmen 11, Anodenrahmen 8, BPP/PTL Anode 36, PTL Kathode 10 und die Anordnung von Kathodenrahmen 11, Anodenrahmen 8, BPP/PTL Anode 36, und PTL Kathode 10 in der vorassemblierten Baugruppe 20. Dabei ist auch eine Reihenfolge gezeigt, in der die einzelnen Teile vorzugsweise zusammengesetzt werden. Die Kanäle Typ II 15 im Kathodenrahmen 11 sind auf der der sichtbaren Seite des Kathodenrahmens 11 gegenüberliegenden Seite angeordnet. Das ist die zweite Seite des Rahmens 5. Sie sind aus dieser Perspektive nicht sichtbar. Ihre Anordnung auf der zweiten Seite des Rahmens 5 ist auf der der zweiten Seite des Rahmens gegenüberliegenden Seite des Kathodenrahmens 5" hellgrau markiert.
Figur 7a: zeigt eine vorassemblierte Baugruppe 20 in der Draufsicht. Zu sehen sind alle 4 Teile, die zu der vorassemblierten Baugruppe 20 gehören: Kathodenrahmen 11, Anodenrahmen 8, BPP/PTL Anode (36) und PTL Kathode 10. Die Kanäle Typ 11 15 sind alle in Richtung zur BPP/PTL Anode 36 angeordnet und sind deshalb in dem vorassemblierten Bauteil 20 nicht sichtbar, weil sie im Inneren der vorassemblierten Baugruppe 20 angeordnet sind. Die Anordnung der Kanäle Typ II 15 im Inneren der Baugruppe 20 ist hellgrau auf der sichtbaren Seite des Kathodenrahmens 11 (= die der zweiten Seite des Rahmens gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens = 5") dargestellt.
Figur 7b: zeigt eine vorassemblierte Baugruppe 20 in der Seitenansicht. Anodenrahmen 8 und Kathodenrahmen 11 sind verbunden. In den Anodenrahmen 8 ist die PTL Anode
7 eingelegt, in den Kathodenrahmen 11 ist die PTL Kathode 10 eingelegt. Zwischen Anodenrahmen 8 und Kathodenrahmen 11 ist die BPP 16 angeordnet. Anodenrahmen
8 und Kathodenrahmen 11 bilden einen Absatz 12, weil die erste Öffnung 6 größer ist als die zweite Öffnung 9. Die BPP 16 ist auf der PTL Kathode 10, dem Absatz 12 und dem Kathodenrahmen 11 angeordnet und liegt mit ihrer anderen Seite auf der PTL Anode 7 und dem Anodenrahmen 8 auf.
Figur 7c: zeigt einen vergrößerten Ausschnitt eines Teils der vorassemblierten Baugruppe 20 aus Figur 7b, der den Absatz 12 deutlich zeigt. Figur 8: Gezeigt ist ein Ausschnitt eines schematischen Aufbaus einer erfindungsgemäßen PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23, nämlich ein Stapel vorassemblierter Baugruppen 3. Die Anordnung zeigt einen Stapel mit drei PEM Elektrolysezellen 2. Die Pfeile zeigen die Richtung des Gasdrucks bei einer Hochdruck- Wasserstoffelektrolyse, die unter Differenzdruck von 40 bar durchgeführt wird.
Figur 8a: Vergrößerter Ausschnitt eines Teils einer PEM Elektrolysezelle 2 mit dem Absatz 12. Die Pfeile zeigen die Richtung an, aus der der erhöhte Druck bei Differenzdruck auf die CCM 13 wirkt.
Figur 9a: Beispielhafte Abmessungen für einen Kathodenrahmen 11. Die Kanäle Typ II 15 verbinden die zweite Öffnung 9 mit den Kanälen Typ I 14, die entlang der zweiten Seite der zweiten Öffnung 28' und die entlang der vierten Seite der zweiten Öffnung 30' angeordnet sind. Dabei verbinden jeweils mehrere Kanäle Typ 11 15 die zweite Öffnung 9 mit einem Kanal Typ I 14. Die einzelnen Kanäle Typ II 15 sind durch Erhöhungen 26 voneinander getrennt.
Figur 9b: Beispielhafte Abmessungen für einen zu dem in Figur 9a dargestellten Kathodenrahmen 11 passenden Anodenrahmen 8. Die Kanäle Typ II 15 verbinden die erste Öffnung 6 mit den Kanälen Typ 1 14, die entlang der ersten Seite der ersten Öffnung 27 und die entlang der dritten Seite der ersten Öffnung 29 angeordnet sind. Dabei verbinden jeweils mehrere Kanäle Typ II 15 die erste Öffnung 6 mit einem Kanal Typ I 14. Die einzelnen Kanäle Typ I1 15 sind durch Erhöhungen 26 voneinander getrennt.
Figur 10a: Gezeigt ist eine Ausführungsform eines Anodenrahmens 8. Der Anodenrahmen 8 umfasst Kanäle Typ I 14 und Kanäle Typ II 15, wobei die Kanäle Typ 11 14 auf der ersten Seite des Rahmens 4 fächerförmig angeordnet sind. In dieser Ausführungsform ist der Anodenrahmen 8 viereckig und umfasst eine viereckige erste Öffnung 6 und zwanzig Kanäle Typ I 14, wobei in jeder der vier Seiten des Anodenrahmens jeweils fünf der Kanäle Typ 1 14 angeordnet sind, d.h. die erste Seite der ersten Öffnung 27 umfasst fünf Kanäle Typ I 14, die zweite Seite der ersten Öffnung 28 umfasst fünf Kanäle Typ I 14, die dritte Seite der ersten Öffnung 29 umfasst fünf Kanäle Typ 1 14 und die die vierte Seite der ersten Öffnung 30 umfasst fünf Kanäle Typ I 14. In zwei sich gegenüber liegenden Seiten des Anodenrahmens 8 sind die jeweils fünf Kanäle Typ II 14 mit jeweils acht Kanälen Typ II 15 verbunden. Jeder Kanal Typ II 15 ist mit einem Kanal Typ I 14 und mit der ersten Öffnung 6 verbunden. Dabei sind die Kanäle Typ 11 15 fächerförmig auf der ersten Seite des Rahmens 4 angeordnet und in gleichmäßigen Abständen entlang der ersten Seite der ersten Öffnung 27 und der dritten Seite der ersten Öffnung 29 angeordnet.
Figur 10b: Gezeigt ist ein Anodenrahmen 8. Der Anodenrahmen 8 umfasst Kanäle Typ I 14, wobei ein Teil der Kanäle Typ 1 14 eine rund und ein Teil der Kanäle Typ 1 14 eine ovale Form aufweist. Der Anodenrahmen 8 umfasst eine Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22, die auf dem Kem 21 (der Kern ist nicht dargestellt) des Anodenrahmens 8 angeordnet ist. Die Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 weist eine Schichtdicke auf, der als umrandeter Bereich dargestellt ist. Die Linie, die den umrandete Bereich umgibt, ist eine umlaufende Erhöhung 26 zur Erhöhung der Dichtwirkung um die aktive Fläche herum 26". Der Bereich des Anodenrahmens 8, der die Kanäle Typ I 14 und die Kanäle Typ II 15 und die erste Öffnung 6 umgibt ist mit Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 in der Schichtdicke beschichtet. Die Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 auf dem Kern 21 in diesem Bereich des Anodenrahmens 8 beträgt 1 ,2 mm. . Der übrige Teil des Kems 21 des Anodenrahmens 6 (dargestellt außerhalb der Umrandung und mit 22' beschriftet) weist eine im Vergleich zur Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 reduzierte Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22" auf. Die reduzierte Schichtdicke der der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22" auf dem Kem 21 in diesem Bereich des Anodenrahmens 8 beträgt 0,3 mm.
Figur 10c: Gezeigt ist der Anodenrahmen 8 in einer schrägen Seitenansicht. Dadurch sind die Kanäle Typ I1 15 sichtbar, die als Vertiefungen in der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22, der in diesem Bereich des Anodenrahmens 8 eine definierte Schichtdicke aufweist, ausgeführt sind. Einzelne benachbarte Kanäle Typ 11 15 sind durch Erhöhungen (= Bereich mit Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 in definierter Schichtdicke) getrennt.
Figur 10d zeigt einen Ausschnitt des Anodenrahmens 8 aus Figur 10c.
Figur 10e: Gezeigt ist ein Kathodenrahmen 11. Der Kathodenrahmen 11 umfasst Kanäle Typ 1 14, wobei ein Teil der Kanäle Typ I 14 eine runde und ein Teil der Kanäle Typ I 14 eine ovale Form aufweist. Die ovalen Kanäle Typ I 14 sind über Kanäle Typ II 15 mit der zweiten Öffnung 9 verbunden. Der Kathodenrahmen 11 umfasst eine Gummilippe 25 für die Isolierung der Einzelspannungsmessung. Eine analoge Anordnung könnte ein Anodenrahmen 8 aufweisen.
Figur 11 zeigt eine Ausführungsform einer vorassemblierten Baugruppe 20 (dargestellt ohne PTL Kathode 10 und ohne CCM 13) umfassend Kathodenrahmen 11 und Anodenrahmen 8. Durch die unterschiedliche Größe der ersten Öffnung 6 und der zweiten Öffnung 9 wird der Absatz 12 gebildet. Auf einem Teil des Absatz 12 sind Kanäle Typ II 15 angeordnet, die, weil sie durch den Kathodenrahmen 11 verdeckt sind, nur teilweise zu sehen sind.
Figur 12 zeigt eine erfindungsgemäßen PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 mit Stapeln von PEM Elektrolysezellen 2, Isolierplatten 32, Endplatten 33, Zuganker 34 und Stromabnehmerplatte 35.
Figur 13 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der PTL Anode 7, wobei die BPP 16 mit der Anode 7 zu eine BPP/PTL Anode 36 verbunden ist.
Figur 14 zeigt die Druckverteilung in einer erfindungsgemäßen PEM Elektrolysezelle 2 mit einem Anodenrahmen 8 nach Figur 10b. Die Zelle wurde zwischen zwei Endplatten 33 mit einem definierten Drehmoment angezogen. Zwischen Anodenrahmen 8 und einem hierzu passenden Kathodenrahmen 11, wurde anstatt der CCM 13, eine drucksensitive Folie, die bei unterschiedlichen Drücken unterschiedlich auslöst, angeordnet. Durch die Auswertung der drucksensitiven Folie wurde bestimmt, in welchem Bereich des Anodenrahmens 8 welcher Druck herrscht. Der höchste Druck von 10 bis 15 MPa ist im Bereich des Anodenrahmens 8, in dem der Kem 21 mit Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 beschichtet ist, d.h. z.B. entlang der ersten Seite der ersten Öffnung 27 und entlang der zweiten Seite der ersten Öffnung 29 und in dem Bereich um die Kanäle Typ I 14 herum. Dieser Bereich des Anodenrahmens 8 weist eine um 0,2 mm dickere Schichtdicke auf als der Bereich mit reduzierter Schichtdicke der Beschichtung mit Dichtwerkstoff 22", Der Bereich, in dem die Kanäle Typ II 15 die die erste Öffnung 6 mit den Kanälen Typ I 14 verbinden und die Erhöhungen 26 angeordnet sind, ist hiervon ausgenommen. In diesem Bereich beträgt der Druck nur 1 bis 2 MPa. Einen noch geringeren Druck von 0.1 bis 0.5 MPa weist der Bereich am äußeren Rand des Anodenrahmens 8 auf, wo der Kem 21 mit einer Schichtdicke, die im Vergleich zur Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 reduziertet ist, beschichtet ist (= reduzierte Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22"). Figur 15a zeigt den erfindungsgemäßen Deckel 37 für eine PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23. Der Deckel 37 umfasst eine Endplatte 33, beispielsweise eine obere Endplatte 38, die mit zwei Verteilerdeckeln 41 verbunden ist, wobei ein Verteilerdeckel 41 einen Wasseranschluss für den Eingang 39 und ein weiterer Verteilerdeckel 41 einen Wasseranschluss für den Ausgang 40 umfasst.
Figur 15b zeigt den Deckel 37 für eine PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23, wobei ein Verteilerdeckel 41 entfernt ist, so dass in der Endplatte 33 der Raum für die Wasserverteilung in der Endplatte 42 und die Kanäle Typ 1 14, die mit dem Raum für die Wasserverteilung in der Endplatte 42 verbunden sind, sichtbar sind.
Figur 15c zeigt einen Verteilerdeckel 41 für den erfindungsgemäßen Deckel 37 für eine PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23, wobei der Raum für Wasserverteilung im Verteilerdeckel 43 sichtbar ist.
Figur 15d zeigt ein Diagramm mit einer Simulation, wie sich das Wasserverteilung in dem erfindungsgemäßen Deckel 37 verteilt. Das Diagramm zeigt auch die unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten an verschieden Stellen des Deckels 37 und im Bereich des Übergangs zu den Kanälen Typ I 14.
Figur 16 zeigt einen Anodenrahmen 7 mit Anordnung der Kanäle Typ I 14 und Typ II 15 sowie Bereichen mit Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 und Bereichen mit Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22" mit reduzierter Schichtdicke. Die Kanäle Typ II 15 verbinden einen Teil der Kanäle Typ I 14 mit der ersten Öffnung 6. Sie sind entlang der ersten Seite der ersten Öffnung 27 und entlang der dritten Seite der ersten Öffnung 29 in gleichmäßige Abständen angeordnet, so dass jeder Kanal Typ II 15 in den gleichen Bereich der ersten Öffnung 6 bzw. der aktiven Fläche Wasser einleitet bzw. Wasser und Gas ableitet.
Figur 16a bis c zeigen vergrößerte Ausschnitte des Anodenrahmens aus Figur 16.
Figur 17 zeigt einen Kathodenrahmen 11 mit Anordnung der Kanäle Typ I 14 und Typ II 15 sowie Bereichen mit Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 und Bereichen mit Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22" mit reduzierter Schichtdicke. Die Kanäle Typ II 15 verbinden einen Teil der Kanäle Typ I 14 mit der zweiten Öffnung 9. Sie sind entlang der zweiten Seite der zweiten Öffnung 28' und entlang der vierten Seite der zweiten Öffnung 30' in gleichmäßige Abständen angeordnet, so dass jeder Kanal Typ II 15 in den gleichen Bereich der ersten Öffnung 6 bzw. der aktiven Fläche Wasser einleitet bzw. Wasser und Gas ableitet.

Claims

44
Patentansprüche
1. Rahmen (1) für eine PEM Elektrolysezelle (2) für eine PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp (23), wobei der Rahmen (1) eine erste Seite (4) mit planarer erster Oberfläche und eine der ersten Seite (4) gegenüber liegende zweite Seite (5) mit planarer zweiter Oberfläche und einen Anodenrahmen (8) und einen Kathodenrahmen (11) umfasst, und wobei der Anodenrahmen die erste Seite (4), eine der ersten Seite (4) gegenüberliegende Seite des Anodenrahmens (4") und eine erste Öffnung (6) zur Aufnahme der porösen Transportschicht (PTL) Anode (7) umfasst, wobei die erste Öffnung (6) sich von der ersten Seite (4) bis zur gegenüberliegenden Seite des Anodenrahmens (4") erstreckt, wobei der Kathodenrahmen (11) die zweite Seite (5), eine der zweiten Seite (5) gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens (5") und eine zweite Öffnung (9) zur Aufnahme der PTL Kathode (10) umfasst, wobei die zweite Öffnung (9) sich von der zweiten Seite (5) bis zur gegenüberliegenden Seite des Kathodenrahmens (5") erstreckt, wobei die der ersten Seite (4) gegenüberliegende Seite des Anodenrahmens (4") und die der zweiten Seite (5) gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens (5") nebeneinander angeordnet sind, wobei Anodenrahmen (8) und Kathodenrahmen (11) miteinander verbunden sind, wobei die erste Öffnung (6) und die zweite Öffnung (9) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Öffnung (6) größer ist als die zweite Öffnung (9) und wobei der Anodenrahmen (8) und der Kathodenrahmen (11) so angeordnet sind, dass die der ersten Seite (4) gegenüberliegende Seite des Anodenrahmens (4") und die der zweiten Seite (5) gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens (5"), beim Übergang vom Anodenrahmen (8) zum Kathodenrahmen (11) einen Absatz (12) bilden und wobei der Absatz (12) eine planare dritte Oberfläche als Auflagefläche für die Katalysator-beschichtete Membran (CCM) (13) bildet, und wobei der Anodenrahmen (8) einen Kern (21 ') und eine Beschichtung aus Dichtwerkstoff (22) umfasst und wobei der 45
Kathodenrahmen (11) einen Kern (21") und eine Beschichtung aus Dichtwerkstoff, (22) umfasst. Rahmen (1) nach Anspruch 1 umfassend einen oder mehrere Kanäle Typ I (14) zum Antransport von Wasser in den Rahmen (1) und zum Abtransport von Wasser und Gas aus dem Rahmen (1) und umfassend einen oder mehrere Kanäle Typ II (15) zum Antransport von Wasser in die erste Öffnung (6) und zum Abtransport von Wasser und Sauerstoff aus der ersten Öffnung (6), wobei die Kanäle Typ I (14) nicht mit der ersten Öffnung (6) im Anodenrahmen (8) oder der zweiten Öffnung (9) im Kathodenrahmen (11) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenrahmen (8) auf der Oberfläche der ersten Seite (4) einen oder mehrere Kanäle Typ II (15) umfasst, die mit einem oder mehreren Kanälen Typ I (14) verbunden sind und den bzw. die Kanäle Typ I (14) mit der ersten Öffnung (6) verbinden und die, wenn der Rahmen (1) in einer PEM Elektrolysezelle (2) oder einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp (23) eingebaut ist, in Richtung zur Bipolarplatte (BPP) (16) angeordnet sind und wobei die der ersten Seite (4) gegenüberliegende Seite des Anodenrahmens (4") keine Kanäle Typ II (15) aufweist. Rahmen (1) nach Anspruch 1 oder 2 umfassend einen oder mehrere Kanäle Typ I (14) zum Antransport von Wasser in den Rahmen (1) und zum Abtransport von Wasser und Gas aus dem Rahmen (1) und umfassend einen oder mehrere Kanäle Typ II (15) zum Abtransport von Wasserstoff aus der zweiten Öffnung (9), wobei die Kanäle Typ I (14) nicht mit der ersten Öffnung (6) im Anodenrahmen (8) oder der zweiten Öffnung (9) im Kathodenrahmen (11 ) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenrahmen (11 ) auf der Oberfläche der zweiten Seite (5) einen oder mehrere Kanäle Typ II (15) umfasst, die mit einem oder mehreren Kanälen Typ I (14) verbunden sind und den bzw. die Kanäle Typ I (14) mit der zweiten Öffnung (9) verbinden und die, wenn der Rahmen (1) in einer PEM Elektrolysezelle (2) oder einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp (23) eingebaut ist, in Richtung zur Bipolarplatte (BPP) (16) angeordnet sind und wobei die der zweiten Seite (5) gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens (5") keine Kanäle Typ II (15) aufweist. 46 Rahmen (1) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei die erste Öffnung (6) von einer ersten Seite (27), einer zweiten Seite (28), einer dritten Seite (29) und einer vierten Seite (30) gebildet wird, und wobei zur gleichmäßigen Durchströmung der ersten Öffnung (6) mit Wasser und zum konstanten Abtransport der Reaktionswärme aus der ersten Öffnung (6) jeder Kanal Typ
I (14), der mit der ersten Öffnung (6) verbunden ist, mit der ersten Öffnung (6) mittels mindestens zwei Kanälen Typ II (15) verbunden ist und die Kanäle Typ II (15) auf der ersten Seite des Rahmens (4) nebeneinander angeordnet sind, und der Abstand zwischen zwei benachbarten Kanälen Typ
II (15) an der ersten Seite der ersten Öffnung (27) < 3 mm beträgt und der Abstand zwischen zwei benachbarten Kanälen Typ II (15) an der dritten Seite der ersten Öffnung (29) < 3 mm beträgt. Rahmen (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die zweite Öffnung (9) von einer ersten Seite (27'), einer zweiten Seite (28'), einer dritten Seite (29') und einer vierten Seite (30') gebildet wird, und wobei zur gleichmäßigen Durchströmung der zweiten Öffnung (9) mit Wasser und zum konstanten Abtransport der Reaktionswärme aus der zweiten Öffnung (9) jeder Kanal Typ
I (14), der mit der zweiten Öffnung (9) verbunden ist, mit der zweiten Öffnung (9) mittels mindestens zwei Kanälen Typ II (15) verbunden ist und die Kanäle Typ II (15) auf der zweiten Seite des Rahmens (5) nebeneinander angeordnet sind, und der Abstand zwischen zwei benachbarten Kanälen Typ
II (15) an der zweiten Seite der zweiten Öffnung (28') < 3 mm beträgt und der Abstand zwischen zwei benachbarten Kanälen Typ II (15) an der vierten Seite der zweiten Öffnung (30') < 3 mm beträgt. Rahmen (1 ) nach einem der Ansprüche 4 und 5, wobei der Abstand zwischen benachbarten Kanälen Typ II (15) an der ersten Seite der ersten Öffnung (27) und der dritten Seite der ersten Öffnung (29) gleich ist und wobei gegebenenfalls der Abstand zwischen benachbarten Kanälen Typ II (15) der zweiten Seite der zweiten Öffnung (28') und der vierten Seite der zweiten Öffnung (30') gleich ist. Rahmen (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die mindestens zwei Kanäle Typ II (15) zwischen der ersten Seite der ersten Öffnung (27) und dem Kanal Typ I (14), der mittels dieser mindestens zwei Kanäle Typ II (15) mit der ersten Öffnung (6) verbunden ist, fächerförmig angeordnet sind und die mindestens zwei Kanäle Typ II (15) zwischen der dritten Seite der ersten Öffnung (29) und dem Kanal Typ I (14), der mittels dieser mindestens zwei Kanäle Typ II (15) mit der ersten Öffnung (6) verbunden ist, fächerförmig angeordnet sind und wobei gegebenenfalls die mindestens zwei Kanäle Typ II (15) zwischen der zweiten Seite der zweiten Öffnung (28') und dem Kanal Typ I (14), der mittels dieser mindestens zwei Kanäle Typ II (15) mit der zweiten Öffnung (9) verbunden ist, fächerförmig angeordnet sind und die mindestens zwei Kanäle Typ II (15) zwischen der vierten Seite der zweiten Öffnung (30') und dem Kanal Typ I (14), der mittels dieser mindestens zwei Kanäle Typ II (15) mit der zweiten Öffnung (9) verbunden ist, fächerförmig angeordnet sind. Rahmen (1 ) nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei der Kem (21 ) des Anodenrahmens (8) aus Metall ist und der Kem (21) des Kathodenrahmens (11) aus Metall ist und wobei die Beschichtung aus Dichtwerkstoff (22), die der Anodenrahmen (8) umfasst, eine Beschichtung aus Gummi ist und wobei die Beschichtung aus Dichtwerkstoff (22), die der Kathodenrahmen (11) umfasst, eine Beschichtung aus Gummi ist. Rahmen (1) nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei ein Teil der Beschichtung aus Dichtwerkstoff (22) des Anodenrahmens (8) zur Reduzierung des Anpressdrucks eine im Vergleich zur Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwerkstoff (22) reduzierte Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwerkstoff (22") aufweist und / oder wobei ein Teil der Beschichtung aus Dichtwerkstoff (22) des Kathodenrahmens (11) zur Reduzierung des Anpressdrucks eine im Vergleich zur Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwerkstoff (22) reduzierte Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwerkstoff (22") aufweist. Rahmen (1 ) nach Anspruch 9, wobei die Beschichtung aus Dichtwerkstoff (22) in einem Teil des Anodenrahmens (8) zur Erhöhung der Dichtwirkung eine umlaufende Erhöhung 26" aufweist, wobei die umlaufende Erhöhung 26" die erste Öffnung 6 umgibt und / oder wobei die Beschichtung aus Dichtwerkstoff (22) in einem Teil des Kathodenrahmens (11) zur Erhöhung der Dichtwirkung eine umlaufende Erhöhung 26" aufweist, wobei die umlaufende Erhöhung 26" die zweite Öffnung 9 umgibt.
11. Rahmen (1) nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei der Anodenrahmen (8) ein oder mehrere Verbindungselemente zur Verbindung mit dem Kathodenrahmen (11) umfasst, beispielsweise ein oder mehrere Stifte (19) und der Kathodenrahmen (11) ein oder mehrere Verbindungselemente zur Verbindung mit dem Anodenrahmen (8) umfasst, beispielsweise ein oder mehrere Löcher (18), wobei die Verbindungselemente so angeordnet sind, dass Anodenrahmen (8) und Kathodenrahmen (11) miteinander verbunden werden können, beispielsweise der bzw. die Stifte (19) und das bzw. die Löcher (18) so angeordnet sind, dass das bzw. die Löcher (18) im Kathodenrahmen (11) auf den bzw. die Stifte (19) im Anodenrahmen (8) gesteckt werden und Anodenrahmen (8) und Kathodenrahmen (11) dadurch miteinander verbunden werden können.
12. PEM Elektrolysezelle (2) zum Betrieb unter Differenzdruck von bis zu 40 bar zur Erzeugung von Hochdruck-Wasserstoff umfassend eine CCM (13), eine PTL Anode (7), eine PTL Kathode (10), dadurch gekennzeichnet, dass die PEM Elektrolysezelle (2) einen Rahmen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 umfasst, wobei die erste Öffnung (6) im Anodenrahmen (8) die PTL Anode (7) umfasst und die zweite Öffnung (9) im Kathodenrahmen (11) die PTL Kathode (10) umfasst und wobei die CCM (13) zwischen der der ersten Seite (4) gegenüberliegenden Seite des Anodenrahmens (4") und der der zweiten Seite (5) gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens (5") angeordnet ist, wobei die eine Seite der CCM (13) auf der PTL Anode (7) aufliegt und die andere Seite der CCM (13) auf dem Absatz (12) und der PTL Kathode (10) aufliegt.
13. PEM Elektrolysezelle (2) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die CCM (13) eine Dicke von weniger als 80 pm aufweist, beispielsweise eine Dicke von 50 pm oder weniger aufweist.
14. Vorassemblierte Baugruppe (20) zur Herstellung einer Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp (23) umfassend einen Anodenrahmen (8), einen 49
Kathodenrahmen (11), eine BPP (16), eine PTL Anode (7) und eine PTL Kathode (10), wobei der Anodenrahmen (8) eine erste Seite (4) mit planarer erster Oberfläche, eine der ersten Seite (4) gegenüberliegende Seite des Anodenrahmes (4") und eine erste Öffnung (6) zur Aufnahme der PTL Anode (7) umfasst, wobei die erste Öffnung (6) sich von der ersten Seite (4) bis zur der ersten Seite (4) gegenüberliegenden Seite des Anodenrahmens (4") erstreckt, und wobei die erste Öffnung (6) von dem Anodenrahmen (8) eingerahmt ist, und wobei der Anodenrahmen (8) mindestens ein Verbindungselement, vorzugsweise einen Stift (19), zur Verbindung mit dem Kathodenrahmen (11) umfasst, wobei der Kathodenrahmen (11) eine zweite Seite (5) mit planarer zweiter Oberfläche, eine der zweiten Seite (5) gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens (5") und eine zweite Öffnung (9) zur Aufnahme der PTL Kathode (10) umfasst, wobei die zweite Öffnung (9) sich von der zweiten Seite (5) bis zur der zweiten Seite (5) gegenüberliegenden Seite des Kathodenrahmens (5") erstreckt und von dem Kathodenrahmen (10) eingerahmt ist, und wobei der Kathodenrahmen (11) mindestens ein Verbindungselement, vorzugsweise ein Loch (18) zur Aufnahme des Stiftes (19), zur Verbindung mit dem Anodenrahmen (8) umfasst, wobei zwischen der ersten Seite (4) und der zweiten Seite (5) die BPP (16) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenrahmen (8) einen Kern (21) umfasst und eine Beschichtung aus Dichtwerkstoff (22), vorzugsweise eine Beschichtung aus Gummi, und wobei vorzugsweise die BPP (16) mit der PTL Anode (7) zu einer BPP/PTL Anode (36) verbunden ist und die PTL Anode (7) in die erste Öffnung (6) eingelegt oder eingepresst ist und von dem Anodenrahmen (8) eingerahmt ist, der Kathodenrahmen (10) einen Kem (21) umfasst und eine Beschichtung aus einem Dichtwerkstoff (22), vorzugsweise eine Beschichtung aus Gummi, und wobei die PTL Kathode (10) in die zweite Öffnung (9) eingelegt oder eingepresst ist und von dem Kathodenrahmen (11) eingerahmt ist, 50 wobei das Verbindungselement des Anodenrahmens (8) mit dem Verbindungselement des Kathodenrahmens (11) verbunden ist, vorzugsweise der mindestens eine Stift (19) in dem mindestens einen Loch (18) steckt und der Anodenrahmen (8) und Kathodenrahmen (11) dadurch miteinander verbunden sind, wobei die erste Öffnung (6) größer ist als die zweite Öffnung (9) und wobei der Anodenrahmen (8) und der Kathodenrahmen (11) so angeordnet sind, dass die erste Seite (4) und die zweite Seite (5) beim Übergang vom Anodenrahmen (8) zum Kathodenrahmen (11) einen Absatz (12) bilden und wobei der Absatz (12) eine planare dritte Oberfläche als Auflagefläche für die CCM (13) bildet, wobei die BPP (16) auf der einen Seite auf der PTL Anode (7) und dem Anodenrahmen (8) aufliegt und auf der anderen Seite auf der PTL Kathode (10), dem Kathodenrahmen (11) und dem Absatz (12) aufliegt. Verfahren zur Herstellung einer vorassemblierten Baugruppe (20), umfassend die Verfahrensschritte a) für den Anodenrahmen (8) ein Kem (21) aus Metall hergestellt wird, wobei der Kem (21) eine erste Seite (4) mit planarer erster Oberfläche und eine der ersten Seite (4) gegenüberliegende Seite des Anodenrahmens (4") umfasst, wobei die erste Seite (4) und die der ersten Seite (4) gegenüberliegende Seite des Anodenrahmens (4") eine erste Öffnung (6) umfassen, die sich von der ersten Seite (4) bis zu der der ersten Seite (4) gegenüberliegenden Seite des Anodenrahmens (4") erstreckt und die von dem Anodenrahmen (8) eingerahmt ist, und wobei der Anodenrahmen (8) einen oder mehrere Kanäle Typ I (14) zum An- und Abtransport von Wasser und Gas erzeugt werden, wobei die Kanäle Typ I (14) nicht mit der ersten Öffnung (6) im Anodenrahmen (8) verbunden sind, und wobei der Anodenrahmen (8) mindestens ein Verbindungselement, vorzugsweise mindestens einen Stift (19), zur Verbindung mit dem Kathodenrahmen (11) umfasst, b) die die ganze oder eine Teil der Oberfläche des gemäß a) hergestellten Kems (21) aus Metall, vorzugsweise mindestens 90 % der Oberfläche des gemäß a) hergestellten Kems (21) aus Metall für den Anodenrahmen (8) zur Erzeugung einer Beschichtung aus Gummi mittels Vulkanisierung, ganz 51 oder teilweise mit Natur- oder Synthesekautschuk beschichtet und anschließend vulkanisiert wird und dadurch auf dem Kem (21) aus Metall eine Beschichtung aus Gummi als Dichtwerkstoff (22) erzeugt wird, wobei in der Beschichtung aus Gummi ein oder mehrere Kanäle Typ II (15) auf der Oberfläche der ersten Seite (4) erzeugt werden, die mit einem oder mehreren Kanälen Typ I (14) verbunden sind und die den bzw. die Kanäle Typ I (14) mit der ersten Öffnung (6) verbinden und die, wenn der Anodenrahmen (8) in einer PEM Elektrolysezelle (2) oder einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp (23) eingebaut ist, in Richtung zur BPP (16) angeordnet sind und wobei in der Beschichtung aus Gummi auf der der ersten Seite (4) gegenüberliegenden Seite des Anodenrahmens (4") keine Kanäle Typ II (15') erzeugt werden, c) in den gemäß a) und b) hergestellten Anodenrahmen (8) die PTL Anode (7) gelegt oder eingepresst wird, wobei die PTL Anode (7) vorzugsweise mit einer BPP (16) zu einer BPP/PTL Anode (36) verbunden ist, d) für den Kathodenrahmen (11) ein Kern (21) aus Metall hergestellt wird, wobei der Kem (21) aus Metall eine zweite Seite (5) mit planarer zweiter Oberfläche und eine der zweiten Seite (5) gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens (5") umfasst, wobei die zweite Seite (5) und die der zweiten Seite (5) gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens (5") eine zweite Öffnung (9) umfassen, die sich von der zweiten Seite (5) bis zu der der zweiten Seite (5) gegenüberliegenden Seite des Kathodenrahmens (5") erstreckt und die von dem Kathodenrahmen (11) eingerahmt ist, und wobei der Kathodenrahmen (11) einen oder mehrere Kanäle Typ I (14) zum An- und Abtransport von Wasser und Gas umfasst, wobei die Kanäle Typ I (14) nicht mit der zweiten Öffnung (9) im Kathodenrahmen (11) verbunden sind, und wobei der Kathodenrahmen (11) mindestens ein Verbindungselement, vorzugsweise mindestens ein Loch (18), zur Verbindung mit dem Anodenrahmen (8) umfasst, e) die ganze oder eine Teil der Oberfläche des gemäß d) hergestellten Kems 21 aus Metall, vorzugsweise mindestens 90 % der Oberfläche des gemäß d) hergestellten Kems (21) aus Metall für den Kathodenrahmen (11) zur Erzeugung einer Beschichtung aus Gummi mittels Vulkanisierung, ganz 52 oder teilweise mit Natur- oder Synthesekautschuk beschichtet und anschließend vulkanisiert wird und dadurch auf dem Kem (21) aus Metall eine Beschichtung aus Gummi als Dichtwerkstoff (22) erzeugt wird, wobei in der Beschichtung aus Gummi ein oder mehrere Kanäle Typ II (15") auf der Oberfläche der zweiten Seite (5) erzeugt werden, die mit einem oder mehreren Kanälen Typ I (14) verbunden sind und die den bzw. die Kanäle Typ I (14) mit der zweiten Öffnung (9) verbinden und die, wenn der Kathodenrahmen (11) in einer PEM Elektrolysezelle (2) oder einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp (23) eingebaut ist, in Richtung zur BPP (16) angeordnet sind und wobei in der Beschichtung aus Gummi in der der zweiten Seite (5) gegenüberliegenden Seite des Kathodenrahmens (5") keine Kanäle Typ II (15") erzeugt werden, f) der gemäß d) und e) hergestellte Kathodenrahmen (11) mittels des mindestens einen Verbindungselementes des Kathodenrahmens (11) vorzugsweise des mindestens einen Lochs (19) mit dem gemäß a) bis c) hergestellten Anodenrahmen (8) mittels des mindestens einen Verbindungselements des Anodenrahmens (8), vorzugsweise des mindestens einen Stifts (18), verbunden wird, vorzugsweise das mindestens eine Loch (19) auf den mindestens einen Stift (18) gesteckt und dadurch der Kathodenrahmen (11) mit dem Anodenrahmen (8) verbunden wird, wobei die BPP (16) zwischen der erste Seite (4) und der zweiten Seite (5) angeordnet ist, und die PTL Kathode (10) in den Kathodenrahmen (11) eingelegt oder eingepresst wird, wobei die erste Öffnung (6) größer ist als die zweite Öffnung (9) und wobei der Anodenrahmen (8) und der Kathodenrahmen (11) so angeordnet sind, dass die der ersten Seite des Rahmens (4) gegenüberliegende Seite des Anodenrahmens (4") und die der zweiten Seite des Rahmens (5) gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens (5"), beim Übergang vom Anodenrahmen (8) zum Kathodenrahmen (11) einen Absatz (12) bildet. Verfahren zur Herstellung einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp (23) zum Betrieb unter Differenzdruck zur Erzeugung von Hochdruck- Wasserstoff umfassend die Verfahrensschritte, 53 a) mindestens x vorassemblierte Baugruppen (20) nach Anspruch 14 oder herstellbar nach Anspruch 15 und mindestens x+1 CCMs (13) werden abwechselnd übereinander gestapelt, wobei ein Stapel vorassemblierter Baugruppen (3) erzeugt wird, wobei in dem Stapel vorassemblierter Baugruppen (3) jeweils eine vorassemblierte Baugruppe (20) und eine CCM (13) abwechselnd übereinander gestapelt sind und wobei auf der Oberseite und der Unterseite des Stapels vorassemblierter Baugruppen (3) jeweils eine CCM (13) und zwischen zwei benachbarten vorassemblierten Baugruppen (20) jeweils eine CCM (13) angeordnet ist, und wobei b) auf der einen Seite des Stapels vorassemblierter Baugruppen (3) eine Halbzelle Anode, vorzugsweise eine einzelne Anode (7') und ein Anodenrahmen (8) parallel zu einer äußeren CCM (13) angeordnet wird und auf der anderen Seite des Stapels vorassemblierter Baugruppen (3) eine Halbzelle Kathode, vorzugsweise eine einzelne Kathode (10') und ein Kathodenrahmen (11) parallel zu einer äußeren CCM (13) angeordnet wird, c) parallel zu der Halbzelle Anode und parallel zu der Halbzelle Kathode jeweils eine Endplatte (33) angeordnet und der erzeugte Stapel dann zwischen den zwei Endplatten (33) zu einer Vorrichtung vom Stapeltyp (23) zusammengepresst wird, wobei x eine ganze Zahl und > 2 ist. PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp (23) zum Betrieb unter Differenzdruck zur Erzeugung von Hochdruck-Wasserstoff umfassend x vorassemblierte Baugruppen (20) nach Anspruch 14 oder herstellbar nach Anspruch 15, x+1 CCMs (13), eine einzelne Anode, eine einzelne Kathode und zwei Endplatten (33), wobei die x vorassemblierten Baugruppen (20) und die x+1 CCMs (13) abwechselnd übereinander zu einem Stapel vorassemblierter Baugruppen (3) gestapelt sind, wobei in dem Stapel vorassemblierter Baugruppen (3) jeweils eine vorassemblierte Baugruppe (20) und eine CCM (13) abwechselnd übereinander gestapelt sind und wobei auf der Oberseite und der Unterseite des Stapels vorassemblierter Baugruppen (3) jeweils eine CCM (13) und zwischen zwei benachbarten vorassemblierten Baugruppen (20) jeweils eine CCM (13) angeordnet ist, und wobei auf der einen Seite des Stapels vorassemblierter Baugruppen (3) eine einzelne Anode parallel zu 54 einer äußeren CCM (13) angeordnet ist und auf der anderen Seite des Stapels vorassemblierter Baugruppen (3) eine einzelne Kathode parallel zu einer äußeren CCM (13) angeordnet ist, wobei parallel zu der einzelnen Anode und parallel zu der einzelnen Kathode jeweils eine Endplatte (33) angeordnet ist und der erzeugte Stapel zwischen den zwei Endplatten (33) zu einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp (23) zusammengepresst wird, wobei x eine ganze Zahl und > 2 ist. Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp (23) zum Betrieb unter Differenzdruck zur Erzeugung von Hochdruck-Wasserstoff umfassend x+1 PEM Elektrolysezellen (2) nach Anspruch 12 oder 13, umfassend x+1 CCMs (13) und x-1 BPPs (16), eine obere Endplatte (38) und eine untere Endplatte (44), wobei die x+1 PEM Elektrolysezellen (2) und die x-1 BPPs (16) abwechselnd übereinander gestapelt sind, wobei in dem Stapel jeweils eine PEM Elektrolysezelle (2) und eine BPP (16) abwechselnd übereinander gestapelt sind und wobei auf der Oberseite und der Unterseite des Stapels jeweils eine BPP (16) und zwischen zwei benachbarten PEM Elektrolysezellen (2) jeweils eine BPP (16) angeordnet ist, und wobei parallel zu der BPP (16) auf der Oberseite des Stapels eine obere Endplatte (38) und parallel zu der BPP (16) auf der Unterseite des Stapels eine untere Endplatte (44) angeordnet ist und der erzeugte Stapel zwischen der oberen Endplatte (38) und der unteren Endplatte (44) zu einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp (23) zusammengepresst wird, wobei x eine ganze Zahl und > 2 ist. PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp (23) nach einem der Ansprüche 17 oder 18 oder herstellbar nach Anspruch 16, wobei jede der x+1 CCMs (13) in der PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp (23) eine Dicke von weniger als 80 pm aufweist, vorzugsweise eine Dicke von 50 pm oder weniger aufweist. PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp (23) nach einem der Ansprüche 17 bis 19 umfassend zwei Endplatten (33), wobei vorzugsweise eine obere Endplatte (38) auf der Oberseite des Stapels und eine untere Endplatte (44) auf der Unterseite des Stapels angeordnet ist, wobei mindestens eine 55
Endplatte (33), vorzugsweise die obere Endplatte (38) mindestens einen Wasseranschluss für die Einleitung des Wassers (39), mindestens einen Wasseranschluss für die Ableitung des Wassers (40) und mindestens zwei Verteilerdeckel (41) umfasst, wobei die mindestens eine Endplatte (33) zur Schaffung von Raum für Wasser mindestens zwei Räume für die Verteilung von Wasser in der mindestens einen Endplatte (33) aufweist und wobei jeder der mindestens zwei Verteilerdeckel (41) Raum für die Wasserverteilung im Verteilerdeckel (43) aufweist und wobei mindestens ein Verteilerdeckel (43) zur Einleitung von Wasser in die PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp (23) mit mindestens einem Wasseranschluss für die Einleitung von Wasser (39) und einem Raum für Wasserverteilung in der Endplatte (42) verbunden ist und wobei mindestens ein weiterer Verteilerdeckel (43) zur Ableitung von Wasser aus der PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp (23) mit mindestens einem Wasseranschluss für die Ableitung von Wasser (40) und einem Raum für Wasserverteilung in der Endplatte (42) verbunden ist. Deckel 37 für eine PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei eine Endplatte (33), beispielsweise die obere Endplatte (38) mindestens einen Wasseranschluss für die Einleitung des Wassers (39) in die PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp (23), mindestens einen Wasseranschluss für die Ableitung des Wassers (40) aus der PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp (23) und mindestens zwei Verteilerdeckel (41) umfasst, wobei die Endplatte (33) zur Schaffung von Raum für Wasser mindestens zwei Räume für Wasserverteilung in der Endplatte (33) aufweist und wobei jeder der mindestens zwei Verteilerdeckel (41 ) Raum für die Wasserverteilung im Verteilerdeckel (43) aufweist und wobei mindestens ein Verteilerdeckel (43) zur Einleitung von Wasser in die PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp (23) mit mindestens einem Wasseranschluss für die Einleitung von Wasser (39) und einem Raum für Wasserverteilung in der Endplatte (33) verbunden ist und wobei mindestens ein weiterer Verteilerdeckel (43) zur Ableitung von Wasser aus der PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp (23) mit mindestens einem Wasseranschluss für die Ableitung von Wasser (40) und einem Raum für Wasserverteilung in der Endplatte (33) verbunden ist.
EP22803176.1A 2021-10-14 2022-10-12 Rahmen für pem elektrolysezellen und pem elektrolysezellen stapel zur erzeugung von hochdruck-wasserstoff mittels differenzdruckelektrolyse Pending EP4399350A2 (de)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP21202604.1A EP4166691A1 (de) 2021-10-14 2021-10-14 Rahmen für pem elektrolysezellen und pem elektrolysezellen stapel zur erzeugung von hochdruck-wasserstoff mittels differenzdruckelektrolyse
EP22162623 2022-03-17
EP22170344 2022-04-27
PCT/EP2022/078404 WO2023062081A2 (de) 2021-10-14 2022-10-12 Rahmen für pem elektrolysezellen und pem elektrolysezellen stapel zur erzeugung von hochdruck-wasserstoff mittels differenzdruckelektrolyse

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4399350A2 true EP4399350A2 (de) 2024-07-17

Family

ID=84359468

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP22803176.1A Pending EP4399350A2 (de) 2021-10-14 2022-10-12 Rahmen für pem elektrolysezellen und pem elektrolysezellen stapel zur erzeugung von hochdruck-wasserstoff mittels differenzdruckelektrolyse

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20250243590A1 (de)
EP (1) EP4399350A2 (de)
JP (1) JP2024536518A (de)
KR (1) KR20240089587A (de)
CA (1) CA3233829A1 (de)
WO (1) WO2023062081A2 (de)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022214441A1 (de) 2022-12-29 2024-07-04 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Membran-Elektroden-Anordnung für eine Elektrolysezelle, Membranstruktur, Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung und Verfahren zum Herstellen einer Membranstruktur
DE102023201501A1 (de) * 2023-02-21 2024-08-22 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Elektrochemische Zelle einer Stapelanordnung eines PEM-Elektrolyseurs oder eines AEM-Elektrolyseurs oder einer PEM-Brennstoffzelle
DE102023201532A1 (de) 2023-02-21 2024-08-22 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Rahmenstruktur und Membran-Elektroden-Anordnung für eine Elektrolysezelle
DE102023201518A1 (de) 2023-02-21 2024-08-22 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Elektrodenraum-Ringdichtung für einen Elektrolysezellenstapel
BE1031574B1 (fr) * 2023-04-28 2024-12-10 John Cockerill Hydrogen Belgium Plaque bipolaire multifonction, cellule électrolytique et électrolyseur en comportant
CN118028844B (zh) * 2023-06-29 2024-11-08 广东卡沃罗氢科技有限公司 Pem电解槽及其中间水道板
DE102023210455A1 (de) * 2023-10-24 2025-04-24 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Stoffschluss für Mehrschichtkomponenten bei elektrochemischen Zellen und Verfahren zur Herstellung
WO2025131229A1 (en) * 2023-12-18 2025-06-26 Robert Bosch Gmbh Frame-like holding plate for an electrolysis cell, electrolysis cell and electrolysis cell stack
DE102024205520A1 (de) * 2024-06-14 2025-12-18 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Elektrochemisches Trennen von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff
AT528134B1 (de) * 2024-09-09 2025-10-15 Hycenta Res Gmbh Vorrichtung zur elektrochemischen Kompression mit PEM und AEM

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2280432A1 (fr) * 1974-07-29 1976-02-27 Rhone Poulenc Ind Cellule d'electrolyse a elements bipolaires pour l'electrolyse notamment de solutions de sels alcalins
JPS53146272A (en) * 1977-05-27 1978-12-20 Tokuyama Soda Co Ltd Holder for ion exchange membrane
CA2333859A1 (en) 2001-02-01 2002-08-01 Donald W. Kirk Electrochemical cell stacks
US6669826B1 (en) 2001-04-11 2003-12-30 Giner Electrochemical Systems, Llc Compact proton exchange membrane (PEM) electrochemical cell stack
US8282811B2 (en) 2001-08-29 2012-10-09 Giner Electrochemical Systems, Llc Method and system for producing high-pressure hydrogen
US6852441B2 (en) 2001-12-17 2005-02-08 Giner Electrochemical Systems, Llc Reinforcement of multiple electrochemical cell frames for high-pressure operation
JP3827647B2 (ja) * 2003-03-24 2006-09-27 三井化学株式会社 ガス拡散電極を備えたイオン交換膜電解槽
US7507493B2 (en) 2005-05-31 2009-03-24 Froton Energy Systems, Inc. Electrochemical cell having protection against creep
US8349151B2 (en) 2008-12-23 2013-01-08 Giner Electrochemical Systems, Llc Universal cell frame for high-pressure water electrolyzer and electrolyzer including the same
EP2878028B1 (de) 2012-07-24 2018-02-21 Nuvera Fuel Cells, LLC Anordnung von fluidverteilerstrukturen in mit hohem differentialdruck beaufschlagten elektrochemischen zellen
DE102014010813B4 (de) 2014-07-23 2025-11-20 Kanadevia lnova AG Rahmen für eine Elektrolysevorrichtung, Elektrolysezellen-Modul und Elektrolysevorrichtung
DK178317B1 (en) * 2014-09-05 2015-11-30 Greenhydrogen Dk Aps Electrolyser Stack Divided into Sub-stacks
DE202015106197U1 (de) * 2015-11-16 2017-02-17 Reinz-Dichtungs-Gmbh Separatorplatte für ein elektrochemisches System und elektrochemisches System
GB201621963D0 (en) * 2016-12-22 2017-02-08 Johnson Matthey Plc Catalyst-coated membrane having a laminate structure
CN207079283U (zh) * 2017-05-23 2018-03-09 叶发琦 一种高性能的氢氧发生器
NO343985B1 (en) * 2017-07-03 2019-08-05 Sintef Tto As Polymer electrolyte membrane (PEM) water electrolyser cell, stack and system and a method for producing hydrogen in said PEM water electrolyser system
US20210054514A1 (en) * 2018-03-27 2021-02-25 Tokuyama Corporation Separator membrane-gasket-protecting member assembly, electrolysis element, and electrolysis vessel
US10946695B2 (en) 2018-07-05 2021-03-16 Caterpillar Inc. Flexible, dual purpose wheel speed harness and breather line
WO2020039218A1 (en) * 2018-08-20 2020-02-27 Thalesnano Energy Zrt. Modular electrolyzer cell to generate gaseous hydrogen at high pressure and with high purity
EP3699323A1 (de) * 2019-02-20 2020-08-26 Hymeth ApS Elektrodensystem
CN210215563U (zh) * 2019-04-19 2020-03-31 吕志超 一种高压水电解槽
DK3770303T3 (da) * 2019-07-26 2022-09-26 Zentrum Fuer Sonnenenergie Und Wasserstoff Forschung Baden Wuerttemberg Elektrodepakningsenhed til en stabelstruktur for en elektrokemisk reaktor
CN113481525B (zh) * 2021-06-08 2022-11-15 中国空间技术研究院 电化学反应器及电化学反应系统
JP2024536919A (ja) * 2021-10-14 2024-10-08 アイガス エナジー ゲー・エム・ベー・ハー 電気化学セルおよびスタック型デバイス用フレーム

Also Published As

Publication number Publication date
KR20240089587A (ko) 2024-06-20
JP2024536518A (ja) 2024-10-04
WO2023062081A2 (de) 2023-04-20
WO2023062081A3 (de) 2023-07-06
US20250243590A1 (en) 2025-07-31
CA3233829A1 (en) 2023-04-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP4399350A2 (de) Rahmen für pem elektrolysezellen und pem elektrolysezellen stapel zur erzeugung von hochdruck-wasserstoff mittels differenzdruckelektrolyse
DE102009006413B4 (de) Bipolarplatte mit einer Wulstdichtung sowie Brennstoffzelle mit solch einer Bipolarplatte
EP0774794B1 (de) Brennstoffzelle mit Polymerelektrolyt und integrierte Dichtung
DE102008029628B4 (de) Brennstoffzellenstapel mit Bipolarplatten-Diffusionsmedienanordnung mit niedrigem elektrischen Widerstand und Verfahren zu seiner Herstellung
EP4399351A2 (de) Rahmen für elektrochemische zellen und vorrichtungen vom stapeltyp
DE102011118817A1 (de) Brennstoffzellen-separatorplatte
EP4166691A1 (de) Rahmen für pem elektrolysezellen und pem elektrolysezellen stapel zur erzeugung von hochdruck-wasserstoff mittels differenzdruckelektrolyse
DE10207743A1 (de) Elektrode für eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, Trennwand hierfür sowie Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle und Elektrizitätserzeugungssystem unter Verwendung derselben
DE10340215A1 (de) Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle und bipolare Platte
DE102014005930A1 (de) Hybride Bipolarplatten-Anordnung für Brennstoffzellen
DE102017101377A1 (de) Robuste brennstoffzellenstapel-abdichtungskonstruktionen mit dünnen elastomerischen dichtungen
DE102016202010A1 (de) Bipolarplatte mit asymmetrischen Dichtungsabschnitten, sowie Brennstoffzellenstapel mit einer solchen
DE102014009814A1 (de) Poröse Einsätze für eine verbesserte Kühlmittelverteilung in Bipolarplatten-Anordnungen für Brennstoffzellen
DE112007000638T5 (de) Brennstoffzelle und Verfahren zum Herstellen derselben
DE102005056341B4 (de) Brennstoffzelle
DE112005001970B4 (de) Separatorplattenanordnung
DE102009040551A1 (de) Profil einer Randkonstruktion eines Unterdichtungsfensters
DE102023207174A1 (de) Separatorplatte für ein elektrochemisches System
EP3476000B1 (de) Vorrichtung zur energieumwandlung, insbesondere brennstoffzelle oder elektrolyseur
DE10301052B4 (de) Bipolarplatteneinheit, elektrochemische Zelle und Mittel zum Abdichten
DE112016004572B4 (de) Brennstoffbatteriestapel
DE102004017501C5 (de) Brennstoffzelle, Brennstoffzellenstapel, Verfahren zu deren Herstellung sowie Verwendung der Brennstoffzelle
DE60306916T3 (de) Elektrochemischer generator mit einer bipolarplatte, welche eine vielzahl von der verteilung der gase dienenden löcher aufweist
EP4705542A1 (de) Elektrochemischer zellenstapel und verfahren zum betrieb eines elektrochemischen zellenstapels
DE102023204882A1 (de) Bipolarplatte für ein elektrochemisches System und Anordnung derartiger Bipolarplatten

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20240411

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC ME MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)