EP4399351A2 - Rahmen für elektrochemische zellen und vorrichtungen vom stapeltyp - Google Patents

Rahmen für elektrochemische zellen und vorrichtungen vom stapeltyp

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EP4399351A2
EP4399351A2 EP22803178.7A EP22803178A EP4399351A2 EP 4399351 A2 EP4399351 A2 EP 4399351A2 EP 22803178 A EP22803178 A EP 22803178A EP 4399351 A2 EP4399351 A2 EP 4399351A2
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EP
European Patent Office
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frame
anode
type
cathode
opening
Prior art date
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Pending
Application number
EP22803178.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Karl-Heinz Lentz
Elena BORGARDT
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Igas Energy GmbH
Original Assignee
Igas Energy GmbH
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Publication date
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the subject of the invention is frames for electrochemical cells and stack-type devices for the electrochemical conversion or production of gases and liquids under pressure.
  • the invention relates to a new frame for electrochemical cells, stack-type devices and pre-assembled subassemblies comprising the frame according to the invention, methods of manufacturing the pre-assembled sub-assemblies and methods of manufacturing the stack-type devices.
  • the inventive frame, electrochemical cell and stack-type device are suitable for electrochemical conversion or generation of gases and liquids under pressure, e.g., electrolytic cells, fuel cells or electrochemical compression cells.
  • the invention is based on a new frame and sealing concept.
  • the invention further relates to a lid for a stack type device.
  • Electrochemical cells are able to generate electricity by converting substances or to form other substances by applying electricity.
  • the electrochemical cells have at least two electrodes, which act as electron conductors, and an electrolyte, which serves as an ion conductor.
  • the preferred electrolyte for the cell developed here is a solid electrolyte, e.g. an ion-conducting membrane.
  • a classical solid electrolyte electrochemical cell consists of an ion conducting membrane, which can be coated with catalyst and where the reaction takes place.
  • porous electrodes anode and cathode respectively
  • transport the gas or liquid towards and away from the electrolyte On the anode and cathode side, porous electrodes (anode and cathode respectively) transport the gas or liquid towards and away from the electrolyte.
  • the inflow and outflow of gas and liquids under pressure can be guaranteed by a frame made of classic metal or high-strength plastic (PEEK).
  • the electrodes (anode or cathode) are placed in this frame.
  • the frame is laterally sealed by O-rings or other gaskets such as flat gaskets or injected gaskets to prevent the gas or liquid from leaking out of the electrochemical cell.
  • the electrochemical cells can be connected in series, resulting in a cell stack. Then are the respective electrochemical cells separated from each other by a so-called bipolar plate.
  • Stack-type electrochemical cells and devices comprising frames are known in the art.
  • EP 3 699 323 A1 relates to the supply of electrodes in an electrode stack, for example an electrolyzer.
  • DE 25 33 728 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.
  • a small gap 17 remains between the electrode and frame 1.
  • the solid electrolyte, for example membrane 13, is pressed into this gap 17 in differential pressure operation.
  • the solid electrolyte, for example the membrane 13, is pressed or creeps 24 into the gap 17. This effect is intensified if the frame 1 is deformed due to low mechanical stability (cf. item 2), so that the gap 17 becomes larger ( Figure 2).
  • the frame often includes ducts for the inflow and outflow of liquids and gas. It is known in the prior art to mill the channels out of the frame, ie out of the metal or plastic part, which causes high costs.
  • an improved electrochemical cell In order to be able to generate gases or liquids under high pressure for industrial purposes by means of electrochemical cells or to be able to introduce gases or liquids under high pressure into the electrochemical cells, an improved electrochemical cell is required which can be operated under high pressure and which has the aforementioned does not have any disadvantages.
  • the invention relates to a frame 1 for an electrochemical cell 2 for a device of the stack type 23, the frame 1 having a first side of the frame 4 with a planar first surface and a second side of the frame 5 opposite the first side of the frame 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 of the frame 4, an opposite side of the first side of the frame 4 of the anode frame 4" and a first opening 6 for receiving the anode 7, the first Opening 6 extends from the first side of the frame 4 to the side of the anode frame 4" opposite the first side of the frame 4, the cathode frame 11 being the second side of the frame 5, a side of the cathode frame 5 opposite the second side of the frame 5 " and a second opening 9 for receiving the cathode 10, the second opening 9 extending from the second side of the frame 5 to the opposite side of the cathode frame 5" to the second side of the frame 5, with that of the first side
  • the step 12 is preferably part of the cathode frame 11.
  • the step 12 preferably adjoins the second opening 9.
  • the shoulder 12 preferably frames the second opening 9.
  • the shoulder 12 preferably forms a planar third surface as a support surface for the solid electrolyte, for example a membrane 13.
  • the shoulder 12 is preferably part of the cathode frame 11 and forms a planar third surface as a support surface for the solid electrolyte, for example a membrane 13.
  • the paragraph 12 is preferably part of the cathode frame 11, adjoins the second opening 9, frames the second opening 9 and forms a planar third Surface as a support surface for the solid electrolyte, for example a membrane 13.
  • an ion-conducting membrane can preferably be used as the membrane 13 .
  • the anode frame 8 comprises a core 21 and a coating of sealing material 22.
  • the anode frame 8 comprises a core 21 of metal or other suitable material and the core 21 is coated with a coating of sealing material 22.
  • the core 21 of the anode frame 8 is completely or partially coated with a coating of sealing material 22 .
  • the cathode frame 11 comprises a core 21 and a coating of sealing material 22.
  • the cathode frame 11 comprises a core 21, preferably made of metal or other suitable material and the core 21 is coated with a coating of sealing material 22.
  • the core 21 of the cathode frame 11 is completely or partially coated with a coating of sealing material 22 .
  • sealing material is suitable as a coating of sealing material 22, for example rubber, in particular ethylene-propylene-diene rubber (EPDM).
  • the coating of sealing material 22 can include EPDM or consist of EPDM.
  • the coating of sealing material 22 is preferably a seal or acts as a seal in an electrochemical cell 2 or in a stack-type device 23.
  • the subject matter of the invention is a frame 1 for an electrochemical 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).
  • the core 21 of the anode frame 8 is completely or partially coated with a coating of sealing material 22, in particular a seal.
  • the core 21 of the cathode frame 11 is completely or partially coated with a coating of sealing material 22, in particular a seal.
  • 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 metal core 21 offers good mechanical stability.
  • other materials with similar mechanical properties can be used for the core 21.
  • high-strength plastic PEEK
  • polytetrafluoroethylene PTFE
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • the coating of sealing material 22, preferably made of 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 a coating of sealing material 22 .
  • 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 included Coating of sealing material 22 coated, which are necessary to allow complete sealing of the electrolytic cell 2.
  • 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 .
  • an area of the surface of the core 21 of the cathode frame 11 from 0.5 cm to 2.5 cm, preferably from 1 cm to 2 cm, for example 1.5 cm, which directly surrounds the second opening 9 .
  • the metal offers good mechanical stability, whereas the coating of sealing material 22, preferably rubber, for example EPDM, creates the sealing effect. Because 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.
  • Another advantage of a stable core 21, for example made of metal and the coating of sealing material 22 is that the components such as anode 7 and cathode
  • the metal for the core 21 of the anode frame 8 and/or the cathode frame 11 can be, for example, high-grade steel, for example high-grade steel with a thickness of 0.01 to 1 mm, preferably 0.5 mm.
  • the coated core 21 of the anode frame 8, i.e. the core 21 and coating of sealing material 22 together and/or the coated core 21 of the cathode frame 11, i.e. the core 21 and coating of sealing material 22 together, can have a thickness of 1 to 5 mm, preferably 2 up 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 surrounding the core 21 of the anode frame 8 is preferably the same everywhere.
  • the layer thickness of the coating of sealing material 22 surrounding the core 21 of the cathode frame 11 is preferably the same throughout.
  • the core 21 of the anode frame 8 has areas that have a reduced layer thickness of the coating of sealing material 22” compared to the layer thickness of the coating of sealing material 22 (FIGS. 10b to 10d, FIG. 14, FIG. 16 and 17).
  • the core 21 of the cathode frame 11 has areas that have a reduced layer thickness of the coating of sealing material 22 ′′ compared to the layer thickness of the coating of sealing material 22 ′′.
  • the layer thickness of the coating made of sealing material 22 ′′ which 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 of sealing material 22 is 4 mm and the reduced layer thickness of the coating of sealing material 22” is 3 mm.
  • the layer thickness of the coating 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 made of sealing material is 22 and the reduced layer thickness of the coating of sealing material 22” 1 mm, 0.7 mm, 0.5 mm or less, for example 0.3 mm, 0.2 mm, 0.1 mm, 0.05 mm 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.
  • the 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).
  • paragraph 12 can be of different widths at different points.
  • the width of shoulder 12 and thus of the planar third surface for accommodating the solid electrolyte, for example a membrane 13, can have the same or different widths at different points.
  • 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. This allows areas to be created in which the layer thickness of the coating of 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 of sealing material 22, for example a circumferential rubber increase.
  • a circumferential increase 26" in the layer thickness of the coating of sealing material 22 can, for example, be a 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".
  • 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 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 can be saved in that the components 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 invention relates to frames 1 in which the coating of sealing material 22 of the anode frame 8 and/or the seal of the cathode frame 11 assumes other functions beyond the function of sealing.
  • 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 sealant material coating 22 includes one or more Type II channels 15.
  • a Type II channel 15 is configured as an area in the sealant material coating 22 that has a reduced sealant material coating layer thickness compared to the sealant material coating layer thickness 22 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 between two adjacent Type II channels 15 is, for example, an area in which the core 21 has a coating of sealing material 22 that does not have a reduced layer thickness.
  • the reduced layer thickness of the coating of sealing material 22" in the area in which individual type II channels 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 which may have a reduced layer thickness of the coating.
  • the core 21 has no sealing material 22 coating 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 solid electrolyte for example the membrane 13 is then only pressed against the anode 7 and mechanically supported on the anode 7. Indentation or creeping 24 of the solid electrolyte, for example the membrane 13, into the gap 17 between the frame 1, for example the anode frame 8 and the electrode, for example anode 7, can be prevented in this way.
  • the anode frame 8 is smaller and the cathode frame 11 is larger.
  • shoulder 12 is formed by anode frame 8 .
  • a differential pressure for example a differential pressure of 40 bar, i.e. when only the anode side of the electrochemical cell 2 is operated under pressure, or when only the anode sides of the stack-type devices 23 are operated under pressure, the media pressure does not increase the gap 17 between cathode frame 11 and cathode 10 presses.
  • the solid electrolyte, for example the membrane 13 is then only pressed against the cathode 10 and mechanically supported on the cathode 10. Indentation or creeping 24 of the solid electrolyte, for example the membrane 13, into the gap 17 between the frame 1, for example the cathode frame 11 and the electrode, for example cathode 11, 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 preferably comprises one or more type 1 channels 14 for transporting liquid and gas into and out of the frame 1 and out of the frame 1.
  • the type I channels 14 are preferably 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 11-15 for transporting liquid and gas into the first opening 6, for transporting liquid and gas out of the first opening 6, for transporting liquid and gas into the second opening 9, for Removal of liquid and gas from the second opening 9.
  • type II ducts 15 connect type I ducts 14 to the first opening 6.
  • type II ducts 15 connect type I ducts 14 to the second opening 9.
  • liquids and gases that are transported in and out differ.
  • the coating of sealing material 22 coating all or part of the anode frame 8 comprises one or more Type II 15 channels.
  • the core 21 of the anode frame 8 comprises one or more Type II 15 channels.
  • 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 type II channels 15 can be transferred into the seal 22 with the tool, for example as with a Stamps are stamped into the sealing material, preferably the rubber, for example EPDM.
  • the core 21 of the anode frame 8 or the core 21 of the cathode frame 11 is encased by vulcanization.
  • the anode frame 8 comprises on the surface of the first side of the frame 4 one or more type II ducts 15 which are connected to the type I duct 14 and which connect the type I duct 14 to the first opening 6 and which, when the frame 1 is installed in an electrochemical cell 2 or stack-type device 23, are arranged towards the BPP 16 and the side of the anode frame 4'' opposite the first side of the frame does not have type I1 15 channels.
  • the cathode frame 11 comprises on the surface of the second side of the frame 5 one or more type II 15 channels connected to a type I channel 14, connecting the type I channel 14 to the second opening 9 and the , when the frame 1 is installed in an electrochemical cell 2 or a device of the stack type 23, are arranged towards the BPP 16 and the side of the cathode frame 5'' opposite the second side of the frame has no channels type I1 15.
  • the frame 1 comprises one or more channels type 1 14 for the supply and removal of water and gas and one or more channels type II 15, the channel or channels 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 I1 15 channels, which are connected to the type 1 channel or channels 14 and the type I 14 channel or channels with the first opening 6 and which, when the frame 1 is installed in an electrochemical cell 2 or stack-type 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 15 channels.
  • the cathode frame 11 comprises on the surface of the second side 5 one or more type-II-15 channels connected to one or more type-1-14 channels and the type-1-14 channel(s) with the second opening 9 connect and which if the frame 1 in one electrochemical cell 2 or a stack type device 23, are arranged towards the BPP 16 and wherein 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 1 14 for the supply and removal of liquid and gas and at least two channels type II 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 of the frame 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 which, when the frame 1 is installed in an electrochemical cell 2 or in a stack-type device 23, are arranged towards the BPP 16 and wherein the side of the anode frame 4" opposite the first side of the frame has no type II channels 15.
  • the cathode frame 11 on the surface of the second side of the frame 5 comprises at least two Channels type I1 15 which are connected to at least two channels type I 14 and which connect the channels type I 14 to the second opening 9 and which, when the frame 1 is installed in an electrochemical cell 2 or a stack-type device 23, in direction to the BPP 16 and wherein the side of the cathode frame 5'' opposite the second side of the frame does not have type I1 15 channels.
  • several ducts type I1 15 arranged on the second side of the frame 5 connect a duct type 1 14 to the second opening 9.
  • the type II channels 15, which connect the type I channels 14 with the first opening 6 and the second opening 9, ie which connect the anode 7 and the cathode 10 with the type I channels 14 for the supply and removal of liquid and gas, 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 solid electrolyte, e.g. the membrane 13.
  • the solid electrolyte For example, the membrane 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 Solid electrolyte, for example the membrane 13 rests, does not include any type II channels 15, ie no channels in the immediate vicinity of the first opening 6 or the second opening 9 in the area in which the solid electrolyte, for example the membrane 13 is arranged and in the electrolysis one differential pressure of up to 40 bar.
  • the solid electrolyte, for example the membrane 13 lies on a smooth, flat 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, solid electrolyte, e.g. membrane 13 and BPP 16)
  • the cathode compartment (the cathode compartment is formed by cathode frame 11 , solid electrolyte, e.g. membrane 13 and BPP 16) and the whole electrochemical cell 2 too completely sealed at a differential pressure of up to 40 bar, so that no gas or liquid can escape.
  • 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 channels are type 11 15 between Channel type 1 14 and second opening 9 arranged in a fan shape on the second side of the frame 5.
  • the channels of frame 1 are designed such that liquid is distributed through Type I channels 14 within a stack type device 23 and liquid enters each individual electrochemical 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 1 channels 14 are preferably arranged at regular intervals along or parallel to the second opening 9 in the cathode frame 11 .
  • 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 device supply the stack type 23 with the inflowing medium (liquid, gas).
  • continuous type II channels 15 with preferably constant opening diameters of preferably 5 mm or less, particularly preferably ⁇ 2 mm, lead from each type I channel 14 or part of the type I channels 14 to the first openings 6 or to 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 uniform distribution of the channels type I 14 and type II 15 over the entire width of the frame 1 along the first opening 6 and along the second opening 9, respectively, for example along the entire width of the first side of the first opening 27 and along the entire width of the third side of the first opening 29 ( Figure 10a) leads to a particularly good distribution of the liquid over the entire active cell area ( first opening 6+second opening 9) of the electrochemical cell 2.
  • the electrochemical cell 2 has liquid flowing through it uniformly. Since a large part of the inflowing liquid 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 electrochemical reaction to be dissipated evenly. The removal of the heat of reaction is a critical parameter for an electrochemical cell 2 or stack-type device 23 .
  • stack type devices 23 of different design and construction.
  • It includes frames 1, electrochemical cells 2, preassembled assemblies 20 and devices of the stack type 23, in which the individual channels type I1 15 are adapted so that, compared to the other channels type II 15 of the frame 1 in question, the electrochemical cell 2 in question , the device in question of the stack type 23 are adapted so that a higher or lower pressure loss occurs during the flow of the liquid than in the other channels type II 15.
  • the outer channels type II 15 are adjusted accordingly, ie for example the channels type II 15, which are arranged on the edge of the array of channels type II 15 on the first side of the frame 4, for example the channels type I1 15, which are on the edge of Arrangement of the channels type II 15 are arranged in relation to the first side of the first opening 27 are adjusted so that either a higher or a lower pressure drop of the liquid flowing through compared to the other channels type II 15 of the frame 1, the electrochemical cell 2, the preassembled component 20, the 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, electrochemical cells 2, preassembled assemblies 20 and devices of the stack type 23, in which the individual channels type I1 15 of the relevant frame 1, the relevant electrochemical cell 2, the relevant preassembled assembly 20, the relevant device of the stack type 23 arranged in such a way that each channel type I1 15 supplies liquid to an equal area of the active cell area.
  • the invention includes frame 1, electrochemical cells 2, preassembled assemblies 20 and devices of the stack type 23, in which the individual channels type I1 15 of the relevant frame 1, the relevant electrochemical cell 2, the relevant preassembled assembly 20, the relevant device of the stack type 23 are designed so that all type II channels 15 can transport the same amount of liquid or gas in the same time, i.e. all type II channels 15 are equal.
  • the Type II channels 15 are arranged such that each Type II channel 15 supplies liquid or gas to an equal area of the active cell area. More preferably, the Type II 15 channels are arranged such that each Type II 15 channel supplies liquid or gas to an area of the same size of the active cell area and all Type II 15 channels are the same. In this way, the entire active cell area can be evenly supplied with liquid or gas.
  • the number, shape and arrangement of the Type I 14 channels and other parameters that affect the Type I 14 channels and the number, shape and arrangement of the Type II 15 channels and other parameters that can affect the Type II 15 channels, if required, e.g the frame shape used can be adjusted accordingly.
  • the anode frame 8 and the cathode frame 11 are connected to one another via connecting elements.
  • Appropriate Connecting elements are known to those 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 an electrochemical cell 2 for operation under differential pressure of up to 40 bar for the conversion or generation of gases and liquids under pressure, comprising a solid electrolyte, for example a membrane 13, anode 7, cathode 10, the electrochemical cell 2 having a frame according to the invention 1, wherein the first opening 6 in the anode frame 8 includes the anode 7 and the second opening 9 in the cathode frame 11 includes the cathode 10 and wherein the solid electrolyte, for example the membrane 13, is located between the side of the anode frame 4" opposite the first side of the frame 4".
  • a solid electrolyte for example a membrane 13, anode 7, cathode 10
  • the electrochemical cell 2 having a frame according to the invention 1, wherein the first opening 6 in the anode frame 8 includes the anode 7 and the second opening 9 in the cathode frame 11 includes the cathode 10 and wherein the solid electrolyte, for example the membrane 13, is located between the side of the anode frame
  • the electrochemical cell 2 according to the invention comprises a solid electrolyte, for example a membrane 13 with a thickness of less than 80 ⁇ m, for example a membrane 13 with a thickness of 50 ⁇ m or less, particularly preferably a membrane 13 with a thickness of less than 20 pm, for example 15 pm or less.
  • a solid electrolyte for example a membrane 13 with a thickness of less than 80 ⁇ m, for example a membrane 13 with a thickness of 50 ⁇ m or less, particularly preferably a membrane 13 with a thickness of less than 20 pm, for example 15 pm or less.
  • the electrochemical cell 2 according to the invention comprises a solid electrolyte, for example a membrane 13, preferably an ion-conducting membrane 13 with a thickness of less than 80 ⁇ m, for example an ion-conducting membrane 13 with a Thickness of 50 ⁇ m or less, particularly preferably an ion-conducting membrane 13 with a thickness of less than 20 ⁇ m, for example 15 ⁇ m or less.
  • a solid electrolyte for example a membrane 13, preferably an ion-conducting membrane 13 with a thickness of less than 80 ⁇ m, for example an ion-conducting membrane 13 with a Thickness of 50 ⁇ m or less, particularly preferably an ion-conducting membrane 13 with a thickness of less than 20 ⁇ m, for example 15 ⁇ m or less.
  • the solid electrolyte for example the membrane 13 ( Figure 7c and 8a)
  • the special arrangement of the type I1 15 channels ensures that liquid and gas are transported in and out completely, as well as the stability of the solid electrolyte, for example the membrane 13, and complete sealing of the electrochemical cell 2.
  • the frame 1 according to the invention therefore enables use of solid electrolytes, for example membranes 13 with a thickness of less than 80 ⁇ m, for example with a thickness of 50 ⁇ m, preferably with a thickness of less than 20 ⁇ m, for example 15 ⁇ m or less.
  • These solid electrolytes, for example membranes 13, are referred to as thin solid electrolytes or thin membranes 13.
  • electrochemical cells 2 can be produced with a thinner solid electrolyte, for example a thinner membrane 13 than is usual in the prior art.
  • these electrochemical cells 2 can be operated in such a way that the liquid or the gas is accumulated on one cell side up to a pressure of up to 40 bar without the solid electrolyte, for example a membrane 13, being damaged or the electrochemical 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 liquid.
  • the coarse distributor distributes the liquid efficiently over the entire cell area (ie the first opening and the second opening 6 + 9).
  • the fine distributor transports the liquid to the solid electrolyte, for example to the membrane 13, enables good electrical contact to the solid electrolyte, for example to the membrane 13 and at the same time supports the solid electrolyte, for example the membrane 13 mechanically.
  • Expanded metal for example, can be used as a coarse distributor for the anode 7 .
  • a plate made of sintered powder, for example, can be used as a fine distributor for the 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 an anode 7.
  • the powder can be sintered directly onto the expanded metal.
  • the anode 7 can be connected to the BPP 16.
  • BPP 16 is made of the same material as anode 7.
  • BPP 16 and anode 7 are made of titanium.
  • BPP 16 and anode 7 comprise at least 80% of the same material, such as titanium.
  • the connection between BPP 16 and anode 7 can be realized, for example, by resistance welding, preferably at several points.
  • the area of the BPP 16 corresponds to the outer surface of the frame 1 or the area of the BPP/anode 36 essentially corresponds to the outer surface of the frame 1.
  • the area of the anode 7 in the BPP/anode 36 is adapted in such a way that it fills the first opening 6 or fits into the first opening 6 .
  • the BPP/anode 36 is required for assembly. So a part is saved.
  • the type I channels 14 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 channels 14 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 1 14 channels.
  • the subject matter of the invention is a preassembled subassembly 20 for the production of a stack-type device 23, which comprises a frame 1 according to the invention.
  • the invention relates, for example, to a preassembled subassembly 20 for producing a stack-type device 23 comprising an anode frame 8, a cathode frame 11, a BPP 16, an anode 7 and a cathode 10, the anode frame 8 having a first side of the frame 4 with a planar first surface, a side of the anode frame 4" opposite the first side of the frame 4, and a first opening 6 for receiving the anode 7, the first opening 6 extending from the first side of the frame 4 to the side opposite the first side 4 of the frame of the anode frame 4", and wherein the first opening 6 is surrounded by the anode frame 8, and wherein 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 comprising
  • 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) for the anode frame 8, a core 21 is preferably made of metal, the core 21 having a first side of the frame 4 with a planar first surface and one of the first Side of the frame 4 opposite side of the anode frame 4 "comprises, wherein the first side of the frame 4 and the first side of the frame 4 opposite side of the anode frame 4 "a first opening 6, which extends from the first side of the frame 4 to the side of the anode frame 4” opposite to the first side of the frame 4 and which is framed by the anode frame 8, and the one, two or more channels type I 14 for transporting liquid and gas in and out, the type I channel(s) 14 not being connected to the first opening 6 in the anode frame 8, and the anode frame 8 having at least one connecting element for connecting to
  • a core 21 is preferably made of metal for the cathode frame 11, the core 21 having a second side of the frame 5 with a planar second surface and one of the second side of the frame 5 opposite side of the cathode frame 5'', wherein the second side of the frame 5 and the side of the cathode frame 5'' opposite the second side of the frame 5 comprise a second opening 9 extending from the second side of the frame 5 to that of the second side of the frame 5 opposite side of the Cathode frame 5” extends and which is framed by the cathode frame 11, and which comprises one, two or more type 1 14 channels for transporting liquid and gas in and out, the type I 14 channel or channels not having the second opening 9 are connected in the cathode frame 11, and wherein the cathode frame 11 comprises at least one connecting element for connection to the anode frame 8, e.g.
  • Cathode frame 11 is connected to the anode frame 8, for example by the cathode frame 11 being pushed onto the anode frame 8 and the BPP 16 or the BPP of the BPP/anode 36 being sandwiched between the first side of the frame 4 and the second side of the frame 5 is arranged and then the cathode 10 is inserted or pressed into the cathode frame 11 .
  • the subject of the invention is also a method of manufacturing a stack-type device 23 for the conversion or production of gases and liquids under pressure, comprising frames 1 according to the invention, preassembled components 20 according to the invention, electrochemical cells 2.
  • the subject of the invention is, for example, a method of manufacturing a stack-type device 23 for operation under Differential pressure for the conversion or generation of high-pressure liquid or high-pressure gas comprising the process steps, a) at least x preassembled assemblies 20 according to the invention and at least x+1 solid electrolytes, for example at least x+1 membranes 13 are stacked alternately on top of one another, with a stack of preassembled assemblies 3 is generated, with a preassembled module 20 and a solid electrolyte, for example a membrane 13, being stacked alternately on top of each other in the stack of preassembled modules 3 and with a solid electrolyte, for example a membrane 13 and between two adjacent preassembled assemblies 20 each have a solid electrolyte, for example a membrane 13, and b
  • each of the x+1 solid electrolytes for example each of the x+1 membranes 13 in the stack-type device 23 has a thickness of less than 80 ⁇ m, preferably a thickness of less than 50 ⁇ m or less, more preferably a thickness of less than 20 ⁇ m or less, for example 15 ⁇ m or less, and where x is an integer and >2.
  • the subject of the invention is a stack-type device 23 operating under differential pressure for converting or producing high-pressure liquid or gas, comprising one or more frames 1 according to the invention.
  • the invention relates to a device of the stack type 23, one or more includes preassembled modules 20 according to the invention.
  • the subject of the invention is a stack-type device 23 comprising one or more electrochemical cells 2 according to the invention.
  • the invention relates, for example, to a device of the stack type 23 for operation under differential pressure for converting or generating high-pressure liquid or high-pressure gas comprising x preassembled assemblies 20 according to the invention, x+1 solid electrolytes, for example each of the x+1 membranes 13, a single anode 7', a single cathode 10' and two end plates 33, the x preassembled assemblies 20 and the x+1 solid electrolytes, for example the x+1 membranes 13, being stacked alternately one above the other to form a stack of preassembled assemblies 3, the stack of preassembled assemblies 3 in each case a preassembled assembly 20 and a solid electrolyte, for example a membrane 13, are stacked alternately one on top of the other and on the top and bottom of the stack of preassembled assemblies 3 there is in each case a solid electrolyte, for example a membrane 13 and between two adjacent preassembled assemblies 20 in each case a solid electrolyte, a membrane 13, for example, is arranged, and on one side
  • one or more, preferably each of the x+1 solid electrolytes, for example each of the x+1 membranes 13 in the stack-type device 23, has a thickness of less than 80 ⁇ m, preferably a thickness of less than 50 ⁇ m or less, more preferably a thickness of less than 20 ⁇ m or less, for example 15 ⁇ m or less, and where x is an integer and >2.
  • the device of the stacked type 23 can include further components at the appropriate points and installed accordingly, for example an insulating plate 32 can be installed between the solid electrolyte, for example membrane 13 , and the end plate 33 . Insulating plates 32 at these points prevent, for example, the end plates 33 from being short-circuited, for example when using screws. 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 device of the stack type 23 for operation under differential pressure for converting or generating high-pressure liquid or high-pressure gas comprising x preassembled assemblies 20 according to the invention, x+1 solid electrolytes, for example membranes 13, a single anode 7', a single Cathode 10' and two end plates 33, the x preassembled assemblies 20 and the x+1 solid electrolytes, for example membranes 13, being stacked alternately on top of one another to form a stack of preassembled assemblies 3, with the stack of preassembled assemblies 3 each containing a preassembled assembly 20 and a solid electrolyte , for example a membrane 13 are stacked alternately one on top of the other and with one solid electrolyte each, for example a membrane 13, being arranged on the upper side and the underside of the stack of preassembled assemblies 3 and one solid electrolyte each, for example a membrane 13, being arranged between two adjacent preassembled assemblies 20, and with on one side of the stack of preassembled assemblies 3 a half
  • 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 T and an anode frame 8.
  • a half-cell anode consists of a single anode T and an anode frame 8.
  • a half-cell anode completes an electrochemical cell 2 in a preassembled assembly 20 or a 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 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 device 23 preferably comprises a number of x preassembled according to the invention Assemblies 20, where x is an integer and > 2, a cathode frame 11, a solid electrolyte, such as a membrane 13, an anode frame 8 and two end plates 33.
  • x is an integer and > 2
  • a cathode frame 11 a solid electrolyte, such as a membrane 13, an anode frame 8 and two end plates 33.
  • the inventive device of the stack type 23 are preferably the first or the bottom and the last or the uppermost electrochemical cell 2 differs from the electrochemical cells 2 lying in between.
  • a solid electrolyte for example a membrane 13 is arranged on a cathode frame 11, on the solid electrolyte, for example the membrane 13 x are preassembled Assemblies 20 and x solid electrolytes, for example membranes 13, are stacked alternately and an anode frame 8 on top of them.
  • one of the two end plates 33 is preferably an upper end plate 38, which is arranged on top in a stack-type device 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 stack-type device 23, for example.
  • This requires space that may not be available on the end plate 33, for example, because then the end plate 33 becomes too thick, and if the end plate 33 becomes too thick, the stack-type device 23 becomes too heavy.
  • the subject of the invention is a lid 37 for a stack-type device 23.
  • the lid 37 according to the invention has a construction in which as much liquid space is provided as possible without making the entire end plate 33 unnecessarily thick.
  • the subject matter of the invention is a cover 37 for a device of the stack type 23, the end plate 33, for example the upper end plate 38, comprising at least one connection for the introduction of liquid 39, at least one connection for the discharge of liquid 40 and at least two distributor covers 41, wherein the upper end plate 38 has at least two spaces for the distribution of liquid in the upper end plate 42 for creating space for liquid and wherein each of the at least two distributor caps 41 has space for the distribution of liquid in the distributor cap 43 and wherein at least one distributor cap 43 for Introduction of liquid into the device of the stack type 23 is connected to at least one connection for the introduction of liquid 39 and a space for the distribution of liquid in the end plate 42 and at least one further distributor cover 43 for the discharge of liquid from the device of the stack type 23 connected to at least one liquid discharge port 40 and a liquid distribution space in the end plate 42 .
  • the subject of the invention is a stack-type device 23 comprising the lid 37 according to the invention.
  • the subject of the invention is a device of the stacking type 23 according to the invention, comprising the lid 37 according to the invention.
  • the end plates 33 In order to completely seal the individual frames 1 of electrochemical cells 2 and the individual frames 1 of a stack-type device 23, in particular at high pressures or high differential pressures, the end plates 33 must be clamped with a sufficient screw force or contact pressure.
  • 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.
  • 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. with a large area of the coating of sealing material 22 on the first side of the frame 4 of the anode frame 8 and with a large first opening 6, ie with a long first side of the first opening 27 and possibly a long second side of the first opening 28.
  • a large frame area means, for example, 1600 cm 2 or more.
  • the entire frame area of the anode frame 8 is not necessary for the seal.
  • the entire frame area 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.
  • Corresponding anode frames 8 and cathode frames 11 comprise areas on the core 21 in which the coating of sealing material 22 has a layer thickness and areas on the core 21 in which the coating of sealing material 22" has a reduced compared to the layer thickness of the coating of sealing material 22 layer thickness (FIG. 10b, FIG.
  • the coating of sealing material 22 in the areas of the surface of the core 21 for the cathode frame 11 and the anode frame 8, which is not for the seal is necessary to be reduced in its layer thickness, for example, the area of the surface of the core 21, which is not required for sealing, has a reduced layer thickness of 0.05 mm or more, for example 0.1 mm, preferably 0.2 mm or more Coating of sealing material 22", for example in the area 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 I1 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 device of the stack type 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 an unreduced layer thickness can be defined, for example, in such a way that the area of the surface of the core 21 that 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 channels type 1 14 and the channels type I1 15 ( Figure 10b, figure 14).
  • the distance can vary.
  • the distance to the first inner opening 6, the second inner opening 9, to the arrangement of the channels type I 14, to the channels type II 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 is zero , i.e. 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 For example, the area that has to be pressed can be reduced by 50% compared to a coating of sealing material 22 that completely coats the surface of the core 21 with the same layer thickness.
  • the device according to the invention is of the stack type 23 for electrolysis of liquid in the temperature range from 10 to 95 degrees Celsius, preferably in the temperature range from 40 to 80 degrees Celsius, particularly preferably at 68 to 72 degrees Celsius.
  • the stack-type 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 a maximum of 0 to 10 degrees Celsius, preferably a maximum of 3 to 7 degrees Celsius, in particular a maximum of 4 degrees Celsius.
  • 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 core 21 of the anode frame 8 or the core 21 of the cathode frame 11 is coated with the seal 22 by vulcanization and at the same time desired structures are produced in the seal 22, such as e.g. type II channels 15 on the first side of the frame 4 or the second side of the frame 5.
  • a gasket 22 made of rubber, for example EPDM is preferably used.
  • the core 21 is coated with a seal 22, and at the same time the type II channels 15 can be produced in the regions of the anode frame 8 and/or the cathode frame 11 that are 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 device 23 is preferably designed in such a way that all components have a smooth and homogeneous surface, so that no voltage peaks occur on the solid electrolyte, for example the membrane 13 .
  • the solid electrolyte for example the membrane 13
  • indentation or creeping 24 of the solid electrolyte, for example the membrane 13 into the pores of the anode 7 and/or or the cathode 10 for example anodes 7 and/or cathodes 10 with a pore diameter ⁇ 0.1 mm are used.
  • the anode frame 8 and the cathode frame 11 can easily be joined together to form a preassembled assembly 20, since the seal 22 and the anode frame 8 or the seal 22 and the cathode frame 11 each consist of one component.
  • BPP 16 and anode 7 are welded so that BPP 16 and anode 7 are present as a BPP/anode 36 component.
  • the anode frame 8 is first placed or pressed onto the anode 7 or the anode 7 of the BPP/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/anode 36 which can be inserted into the BPP 16 .
  • the BPP 16 or the BPP 16 of the BPP/anode 36 includes a corresponding means for connection to the anode frame 8, preferably a hole 18.
  • the cathode frame 11 can also be inserted and connected to the anode frame 8 on the other side of the anode frame 8 with means for connection to the anode frame, preferably a hole 18.
  • the cathode 10 is then inserted or pressed into the cathode frame 11 (FIG. 6).
  • a preassembled module 20 is obtained.
  • Preassembled assemblies 20 can then be stacked alternately with solid electrolytes, for example membranes 13, for example via centering pins, in order to produce a stack of preassembled assemblies 3 or a device of the stack type 23.
  • FIG 1 Classic structure of an electrochemical cell from the prior art with frame 1, solid electrolyte, for example membrane 13, bipolar plate (BPP) 16, anode 7, cathode 10 with gap 17 between frame 1 and anode 7 and frame 1 and cathode 10.
  • the frame 1 shown here includes channels type 1 14 for the supply and removal of water and gas.
  • Frame 1 according to FIG. 1 with deformation of frame 1 and formation of a larger gap 17 between frame 1 and anode 7 and frame 1 and cathode 10 and creeping 24 of the solid electrolyte, for example membrane 13, into the enlarged gap 17 between frame 1 and anode 7 and frame 1 and cathode 10.
  • 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.
  • FIG. 3b A part of the frame 1 according to the invention is shown.
  • the frame 1 comprises a core 21 coated with a coating of sealing material 22 and a portion of a type I1 channel 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 1 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, each type I duct 14 being connected to the second opening 9 by means of a plurality of type II ducts 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 arranged so that when anode frame 8 and cathode frame 11 are connected with the twenty channels type 1 14 of the cathode frame 11 can interact for the supply and removal of liquid and gas.
  • the anode frame 8 comprises type I1 15 channels on the first side 4 connecting the first opening 6 to ten type 1 14 channels.
  • the anode frame 8 includes 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: anode 7 and BPP 16 are connected (BPP/anode 36), b) 1 . Step: the pins 19 of the anode frame 8 are inserted into the holes 18 of the BPP/anode 36, c) 2nd step: turn over the arrangement from b), the BPP 16 side of the BPP/anode 36 can be seen; d) 3rd step: Cathode frame 11 will be inserted into the assembly. e) 4th step: Cathode 10 will be inserted into the second opening 9.
  • FIG. 7 shows a preassembled module 20 in an exploded view. Shown are the parts that comprise the preassembled assembly 20: cathode frame 11, anode frame 8, BPP/anode 36, cathode 10, and the assembly of cathode frame 11, anode frame 8, BPP/anode 36, and cathode 10 in the preassembled assembly 20. A sequence is also shown in which the individual parts are preferably assembled.
  • the type I1 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. Shown are the four parts that make up the preassembled assembly 20: cathode frame 11, anode frame 8, BPP/anode 36, and cathode 10.
  • the Type I1 15 channels are all in Arranged towards the BPP/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 7 is placed in the anode frame 8 and the cathode 10 is placed in 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 cathode 10, the step 12 and the cathode frame 11 and lies with its other side on the 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.
  • FIG. 8 shows a section of a schematic structure of a device of the stack type 23 according to the invention, namely a stack of preassembled assemblies 3. This arrangement shows a stack with three electrochemical cells 2.
  • FIG. The arrows show the direction of the gas pressure in a high-pressure liquid electrolysis carried out under a differential pressure of 40 bar.
  • FIG. 8a Enlarged detail of part of an electrochemical cell 2 with step 12.
  • the arrows indicate the direction from which the increased pressure acts on the solid electrolyte, for example the membrane 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 of type I1 15 connect the second opening
  • Figure 9b Exemplary dimensions for an anode frame 8 matching the cathode frame 11 shown in Figure 9a Opening 27 and which are arranged along the third side of the first opening 29.
  • several channels type I1 15 connect the first opening 6 with a channel type 1 14.
  • the individual channels 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 channels type I 14 and channels type II 15, the channels type II 14 being arranged on the first side of the frame 4 in a fan shape.
  • the anode frame 8 is square and includes a square first opening 6 and twenty Type 1 14 channels, five of the Type 1 14 channels being located in each of the four sides of the anode frame, i.e. the first side of the first opening 27 includes five Type 1 channels 14, the second side of the first opening 28 includes five Type 1 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 1 channels 14.
  • the five channels type I1 14 are each connected to eight channels type I1 15.
  • Each type II channel 15 is connected to a type I channel 14 and to the first opening 6 .
  • the Type II channels 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 includes a coating of sealing material 22 disposed on the core 21 (the core is not shown) of the anode frame 8 .
  • the coating of sealing material 22 has a defined layer thickness, which is shown as a bordered area.
  • the line surrounding the outlined area is a circumferential ridge 26 to increase sealing around the active area 26". is coated in the defined layer thickness with a coating of sealing material 22.
  • 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 compared to the defined layer thickness of the coating of sealing material 22 22" on.
  • 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 1 channels 14 having a round shape and some of the type 1 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.
  • Figure 1 1 shows an embodiment of a preassembled assembly 20 (shown without cathode 10 and without solid electrolyte, for example without membrane 13) comprising cathode frame 11 and anode frame 8. Due to the different size of the first opening 6 and the second opening 9, the paragraph 12 is formed. On a part of the step 12 channels type I1 15 are arranged which, because they are covered by the cathode frame 11, are only partially visible.
  • Figure 12 shows a device of the stack type 23 according to the invention with stacks of electrochemical cells 2, insulating plates 32, end plates 33, tie rods 34 and current collector plate 35.
  • Figure 13 shows a preferred embodiment of the anode 7, wherein the BPP 16 is connected to the anode 7 to form a BPP/anode 36.
  • FIG. 14 shows the pressure distribution in an electrochemical cell 2 with an anode frame 8 according to FIG. 10b.
  • the highest pressure of 10 to 15 MPa is in the area of the anode frame 8, in which the core 21 is coated with a coating of sealing material 22 in a defined layer thickness, i.e. e.g. 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 1 14 channels.
  • FIG. 15a shows the lid 37 according to the invention for a device of the stack type 23.
  • the lid 37 comprises an end plate 33, for example an upper end plate 38, which is connected to two distributor lids 41, one distributor lid 41 having a connection for the introduction of liquid 39 and another Distributor cover 41 includes a connection for the discharge of liquid 40.
  • Figure 15b shows the lid 37 for a stack-type device 23, with a distributor lid 41 removed, leaving in the end plate 33 the space for the distribution of liquid in the end plate 42 and the channels type 1 14 associated with the space for the Distribution of liquid in the end plate 42 are visible.
  • Figure 15c shows a distributor cap 41 for the inventive cap 37 for a stack type device 23, the space for water distribution in the distributor cap 43 being visible.
  • FIG. 15d shows a diagram with a simulation of how, for example, 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 1 14 channels.
  • Figure 16 shows an anode frame 7 with an arrangement of the type 1 14 and type II 15 channels 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 type II 15 channels connect part of the type 1 14 channels 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 I1 15 in the same area of the first opening 6 and the active surface liquid or gas or discharges liquid and gas.
  • FIG. 17 shows a cathode frame 11 with an arrangement of the channels type 1 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 Type II channels 15 connect part of the Type I channels 14 to 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 channel Type I1 15 introduces water into the same area of the first opening 6 or the active surface or derives water and gas.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen neuen Rahmen für eine elektrochemische Zelle und für eine Vorrichtung vom Stapeltyp. Gegenstand der Erfindung ist der Rahmen, elektrochemische Zellen, vorassemblierte Baugruppen und Vorrichtung vom Stapeltyp, die den erfindungsgemäßen Rahmen umfassen, sowie Verfahren zur Herstellung der vorassemblierten Baugruppen, elektrochemischen Zellen und Vorrichtungen vom Stapeltyp, die den erfindungsgemäßen Rahmen umfassen. Der erfindungsgemäße Rahmen, die elektrochemischen Zellen und Vorrichtungen vom Stapeltyp sind für die Umwandlung oder Erzeugung von Gasen und Flüssigkeiten unter Druck geeignet. Die Erfindung basiert auf einem neuen Rahmen- und Dichtungskonzept. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Deckel für eine Vorrichtung vom Stapeltyp.

Description

Rahmen für elektrochemische Zellen und Vorrichtungen vom Stapeltyp
Gegenstand der Erfindung sind Rahmen für elektrochemische Zellen und Vorrichtungen vom Stapeltyp für die elektrochemische Umwandlung oder Erzeugung von Gasen und Flüssigkeiten unter Druck. Die Erfindung betrifft einen neuen Rahmen für elektrochemische Zellen, Vorrichtungen vom Stapeltyp und vorassemblierte Baugruppen, die den erfindungsgemäßen Rahmen umfassen, Verfahren zur Herstellung der vorassemblierten Baugruppen und Verfahren zur Herstellung der Vorrichtungen vom Stapeltyp. Der erfindungsgemäße Rahmen, die erfindungsgemäße elektrochemische Zelle und die erfindungsgemäße Vorrichtung vom Stapeltyp sind für die elektrochemische Umwandlung oder Erzeugung von Gasen und Flüssigkeiten unter Druck geeignet z.B. Elektrolysezellen, Brennstoffzellen oder Zellen zur elektrochemischen Verdichtung. Die Erfindung basiert auf einem neuen Rahmen- und Dichtungskonzept. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Deckel für eine Vorrichtung vom Stapeltyp.
Elektrochemische Zellen sind dazu in der Lage, durch die Umwandlung von Stoffen Strom zu erzeugen oder durch das Anlegen von Strom andere Stoffe zu bilden. Die elektrochemischen Zellen verfügen dabei über mindestens zwei Elektroden, die als Elektronenleiter fungieren, sowie einem Elektrolyten, welcher als lonenleiter dient. Der bevorzugte Elektrolyt für die hier entwickelte Zelle ist ein Festkörperelektrolyt z.B. eine ionenleitende Membran.
Eine klassische elektrochemische Zelle mit Festkörperelektrolyt besteht aus einer ionenleitenden Membran, die mit Katalysator beschichtet werden kann, und an der die Reaktion stattfindet. Auf der Anoden- und Kathodenseite transportieren poröse Elektroden (Anode bzw. Kathode) das Gas oder die Flüssigkeit zum Elektrolyten hin bzw. vom Elektrolyten weg. Die Ein- bzw. Ausströmung von Gas und Flüssigkeiten unter Druck kann durch einen Rahmen aus klassischerweise Metall oder hochfesten Kunststoff (PEEK) gewährleistet werden. In diesen Rahmen werden die Elektroden (Anode bzw. Kathode) eingelegt. Der Rahmen wird durch O-Ringe oder andere Dichtungen wie Flachdichtungen oder eingespritzte Dichtungen seitlich abgedichtet, um zu verhindern, dass das Gas oder Flüssigkeit aus der elektrochemischen Zelle ausströmt. Um das Produkt zu erhöhen, können die elektrochemischen Zellen in Reihe geschaltet werden, sodass sich ein Zellstapel ergibt. Dann sind die jeweiligen elektrochemischen Zellen durch eine sogenannte Bipolarplatte voneinander getrennt. Vorrichtungen, die diese Anordnung umfassen, werden als Vorrichtungen vom Stapeltyp 23 bezeichnet.
Im Stand der Technik sind elektrochemische Zellen und Vorrichtungen vom Stapeltyp, die Rahmen umfassen, bekannt.
EP 3 699 323 A1 betrifft die Versorgung von Elektroden eines Elektrodenstapels, beispielsweise eines Elektrolyseurs.
DE 25 33 728 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.
Schwierigkeiten, die beim Betrieb einer klassischen elektrochemischen Zellen unter Druck typischerweise auftreten, sind:
1. Probleme bei der Dichtigkeit, da in einem Zellstapel, d.h. einer Vorrichtung vom Stapeltyp die Rahmen vieler elektrochemischer Zellen 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 an einigen Stellen des Rahmens nicht genug Anpresskraft herrscht. Vor allem, wenn die Gase oder Flüssigkeiten unter Druck stehen, ist die Dichtigkeit mit den bekannten Dichtungen schwer oder gar nicht zu realisieren.
2. Die mechanische Stabilität des Rahmens: Bei der Umwandlung oder Erzeugung von Gasen und Flüssigkeiten unter Druck werden die Kunststoffrahmen verformt (Figur 2).
3. Zwischen Elektrode und Rahmen 1 verbleibt ein kleiner Spalt 17. In diesen Spalt 17 wird der Festkörperelektrolyt, beispielsweise Membran 13 im Differenzdruckbetrieb eingedrückt. Es kommt zum Eindrücken oder Kriechen 24 des Festkörperelektrolyten, beispielsweise der Membran 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 oft Kanäle zum An- und Abtransport von Flüssigkeiten und Gas. Im Stand der Technik ist bekannt, die Kanäle aus dem Rahmen, d.h. aus dem Metalloder Kunststoffteil auszufräsen, was hohe Kosten verursacht.
Um Gase oder Flüssigkeiten unter Hochdruck für industrielle Zwecke mittels elektrochemischer Zellen erzeugen zu können bzw. um Gase oder Flüssigkeiten unter hohem Druck in die elektrochemischen Zellen einführen zu können, wird eine verbesserte elektrochemische Zelle benötigt, die unter Hochdruck 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 elektrochemische Zelle 2 für eine Vorrichtung vom Stapeltyp 23, wobei der Rahmen 1 eine erste Seite des Rahmens 4 mit planarer erster Oberfläche und eine der ersten Seite des Rahmens 4 gegenüberliegende zweite Seite des Rahmens 5 mit planarer zweiter Oberfläche und einen Anodenrahmen 8 und einen Kathodenrahmen 11 umfasst, und wobei der Anodenrahmen die erste Seite des Rahmens 4, eine der ersten Seite des Rahmens 4 gegenüberliegende Seite des Anodenrahmens 4” und eine erste Öffnung 6 zur Aufnahme der Anode 7 umfasst, wobei die erste Öffnung 6 sich von der ersten Seite des Rahmens 4 bis zu der der ersten Seite des Rahmens 4 gegenüberliegenden Seite des Anodenrahmens 4” erstreckt, wobei der Kathodenrahmen 11 die zweite Seite des Rahmens 5, eine der zweiten Seite des Rahmens 5 gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens 5" und eine zweite Öffnung 9 zur Aufnahme der Kathode 10 umfasst, wobei die zweite Öffnung 9 sich von der zweiten Seite des Rahmens 5 bis zu der der zweiten Seite des Rahmens 5 gegenüberliegenden Seite des Kathodenrahmens 5” erstreckt, wobei 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'' 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 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 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 den Festkörperelektrolyt, beispielsweise eine Membran 13. Im erfindungsgemäßen Rahmen 1 ist vorzugsweise der Absatz 12 Teil des Kathodenrahmens 11 und bildet eine planare dritte Oberfläche als Auflagefläche für den Festkörperelektrolyt, beispielsweise eine Membran 13. Im erfindungsgemäßen Rahmen 1 ist vorzugsweise der Absatz 12 Teil des Kathodenrahmens 11 , grenzt an die zweite Öffnung 9 an, umrahmt die zweite Öffnung 9 und bildet eine planare dritte Oberfläche als Auflagefläche für den Festkörperelektrolyt, beispielsweise eine Membran 13.
Erfindungsgemäß kann als Membran 13 vorzugsweise eine ionenleitende Membran verwendet werden.
Der Anodenrahmen 8 umfasst einen Kern 21 und eine Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22. Vorzugsweise umfasst der Anodenrahmen 8 einen Kern 21 aus Metall oder einem anderen geeigneten Material umfasst und wobei der Kern 21 mit Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 beschichtet ist. Der Kern 21 des Anodenrahmens 8 ist ganz oder teilweise mit Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 beschichtet. Der Kathodenrahmen 11 umfasst einen Kern 21 und eine Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22. Vorzugsweise umfasst der Kathodenrahmen 11 einen Kern 21 , vorzugsweise aus Metall oder einem anderen geeigneten Material und wobei der Kern 21 mit Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 beschichtet ist. Der Kern 21 des Kathodenrahmens 11 ist ganz oder teilweise mit Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 beschichtet. Als Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 ist jeder Dichtwerkstoff geeignet, beispielsweise Gummi, insbesondere Ethylen- Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM). Beispielsweise kann die Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 EPDM umfassen oder aus EPDM bestehen. Die Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 ist vorzugsweise eine Dichtung bzw. wirkt als Dichtung in einer elektrochemischen Zelle 2 bzw. in einer Vorrichtung vom Stapeltyp 23. Gegenstand der Erfindung ist ein Rahmen 1 für eine elektrochemische Zelle 2 mit einem Kern 21 , vorzugsweise aus Metall, wobei der Kern 21 mit einem Dichtwerkstoff, vorzugsweise Gummi, beispielsweise EPDM beschichtet ist (Figur 3a und 3b). Der Kern 21 des Anodenrahmens 8 ist ganz oder teilweise mit Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22, insbesondere Dichtung, beschichtet. Der Kern 21 des Kathodenrahmens 11 ist ganz oder teilweise mit Beschichtung aus 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 Kern 21 des Anodenrahmens 8 umfasst oder besteht vorzugsweise aus Metall. Der Kern 21 des Kathodenrahmens 11 umfasst oder besteht vorzugsweise aus Metall. Ein Kern 21 aus Metall bietet eine gute mechanische Stabilität. Alternativ können andere Materialien mit ähnlichen mechanischen Eigenschaften für den Kern 21 verwendet werden. Beispielsweise hochfester Kunststoff (PEEK), Polytetrafluorethylen (PTFE), insbesondere verstärktes PTFE oder molekular verstärktes PTFE. Die Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22, vorzugsweise aus Gummi, beispielsweise aus Ethylen-Propylen-Dien- Kautschuk (EPDM) erzeugt die Dichtwirkung, d.h. der Dichtwerkstoff wirkt als Dichtung.
In bevorzugten Ausführungsformen ist die gesamte Oberfläche des Kerns 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 Kerns 21 des Anodenrahmens 8 mit Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 beschichtet. In bevorzugten Ausführungsformen ist die gesamte Oberfläche des Kerns 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 Kerns 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 Kerns 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 elektrolytischen Zelle 2 zu ermöglichen. Vorzugsweise sind bei diesen alternativen Ausführungsformen mindestens 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 die erste Öffnung 6 und/oder die die zweite Öffnung 9 umgeben. Beispielsweise ein Bereich der Oberfläche des Kerns 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. Beispielsweise ein Bereich der Oberfläche des Kerns 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 Kerns 21 aus Metall des Anodenrahmens 8 bzw. dass vorzugsweise der gesamte oder mindestens 90 %, beispielsweise mindestens 95 % oder mehr der Oberfläche des Kerns 21 aus Metall des Kathodenrahmens 11 mit Dichtwerkstoff, vorzugsweise Gummi, beispielsweise EPDM beschichtet ist, ist die Dichtfläche sehr groß.
Ein weiterer Vorteil eines stabilen Kerns 21 , beispielsweise aus Metall und der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 ist, dass die Komponenten wie Anode 7 und Kathode
10 in den Rahmen 1 , insbesondere in den Anodenrahmen 8 und den Kathodenrahmen
11 eingepresst werden können (Presspassung). Dadurch kommt es in der elektrochemischen Zelle 2 bzw. der Vorrichtung vom Stapeltyp 23 bei der Umwandlung von Stoffen unter Erzeugung von Strom oder bei der Umwandlung von Stoffen unter Einsatz von Strom unter Hochdruck oder unter Differenzdruck, beispielsweise einer Elektrolyse, die bei einem Differenzdruck von bis zu 40 bar durchgeführt wird, zu keiner Verformung des Rahmens 1 bzw. der Rahmen 1. Die Bildung eines größeren Spalts 17 zwischen einzelnen Komponenten im Inneren des Rahmens 1 in der elektrochemischen Zelle 2 bzw. der Rahmen 1 , die eine Vorrichtung vom Stapeltyp 23 umfasst, und zwischen einzelnen Komponenten und dem Rahmen 1 bzw. den Rahmen 1. Es kommt z.B. nicht zur Bildung eines größeren Spalts 17 zwischen Kathode 10 und Rahmen 1 und / oder zwischen Anode 7 und Rahmen 1 (Figur 8). Als Metall für den Kern 21 von Anodenrahmen 8 und / oder Kathodenrahmen 11 kann beispielsweise Edelstahl verwendet werden, beispielsweise Edelstahl mit einer Dicke von 0,01 bis 1 mm, vorzugsweise 0,5 mm. Der beschichte Kern 21 des Anodenrahmens 8, d.h. Kern 21 und Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 zusammen und / oder der beschichtete Kern 21 des Kathodenrahmens 11 , d.h. Kern 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 Kern 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 Kern 21 des Anodenrahmens 8 umgibt, überall gleich. Vorzugsweise ist die Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22, die den Kern 21 des Kathodenrahmens 11 umgibt, überall gleich. In besonderen Ausführungsformen weist der Kern 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, Figur 16 und 17). In besonderen Ausführungsformen weist der Kern 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 mm. 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. Vorzugsweise weist 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 auf (Figur 7b). Alternativ kann der Absatz 12, an verschiedenen Stellen unterschiedlich breit sein. Die Breite des Absatzes 12 und damit der planaren dritten Oberfläche zur Aufnahme des Festkörperelektrolyten beispielsweise einer Membran 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 1 1 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 umlaufende 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 elektrochemischen Zelle 2 oder einer Vorrichtung 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 Kern 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 Dichtung 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 elektrochemische Zelle 2 bzw. eine Vorrichtung vom Stapeltyp 23 herzustellen, reduziert wird. Dies reduziert den Aufwand bei der Montage einer Vorrichtung vom Stapeltyp 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 Bereich 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 zwischen zwei benachbarten Kanälen Typ II 15 ist beispielsweise ein Bereich, 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 ist 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 Vorrichtungen vom Stapeltyp 23 unter Druck betrieben werden, der Flüssigkeitsdruck bzw. der Gasdruck (je nachdem, welches Medium unter Druck steht, ist es Gas oder Flüssigkeit), nicht auf den Spalt 17 zwischen Anodenrahmen 8 und Anode 7 drückt. Der Festkörperelektrolyt, beispielsweise die Membran 13 wird dann nur gegen die Anode 7 gedrückt und an der Anode 7 mechanisch abgestützt. Ein Eindrücken oder Kriechen 24 des Festkörperelektrolyten, beispielsweise der Membran 13 in den Spalt 17 zwischen Rahmen 1 , beispielsweise den Anodenrahmen 8 und die Elektrode, beispielsweise Anode 7 kann auf diese Weise verhindert werden.
In alternativen Ausführungsformen des Rahmens 1 , der elektrochemischen Zelle 2, der Vorrichtung vom Stapeltyp 23, ist der Anodenrahmen 8 kleiner und der Kathodenrahmen 11 größer. In diesen alternativen Ausführungsformen wird der Absatz 12 vom Anodenrahmen 8 gebildet. Das führt dazu, dass bei Differenzdruck, beispielsweise einem Differenzdruck von 40 bar, d.h. wenn nur die Anodenseite der elektrochemischen Zelle 2 unter Druck betrieben wird, bzw. wenn nur die Anodenseiten der Vorrichtungen vom Stapeltyp 23 unter Druck betrieben werden, der Mediendruck, nicht auf den Spalt 17 zwischen Kathodenrahmen 11 und Kathode 10 drückt. Der Festkörperelektrolyt, beispielsweise die Membran 13 wird dann nur gegen die Kathode 10 gedrückt und an der Kathode 10 mechanisch abgestützt. Ein Eindrücken oder Kriechen 24 des Festkörperelektrolyten, beispielsweise der Membran 13 in den Spalt 17 zwischen Rahmen 1 , beispielsweise den Kathodenrahmen 11 und die Elektrode, beispielsweise Kathode 11 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 1 14 zum An- und Abtransport von Flüssigkeit und Gas in den Rahmen 1 bzw. 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 Kern 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 11 15 zum Antransport von Flüssigkeit und Gas in die erste Öffnung 6, zum Abtransport von Flüssigkeit und Gas aus der ersten Öffnung 6, zum Antransport von Flüssigkeit und Gas in die zweite Öffnung 9, zum Abtransport von Flüssigkeit und Gas 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.
Je nach Anwendung unterscheiden sich die an- und abtransportieren Flüssigkeiten und Gase.
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 Kern 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 Kern 21 des Anodenrahmens 8 bzw. der Kern 21 des Kathodenrahmens 11 ummantelt.
In bevorzugten Ausführungsformen des Rahmens 1 umfasst der Anodenrahmen 8 auf der Oberfläche der ersten Seite des Rahmens 4 einen oder mehrere Kanäle Typ II 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 elektrochemischen Zelle 2 oder einer Vorrichtung vom Stapeltyp 23 eingebaut ist, in Richtung zur BPP 16 angeordnet sind und wobei die der ersten Seite des Rahmens gegenüberliegende Seite des Anodenrahmens 4” keine Kanäle Typ I1 15 aufweist.
In bevorzugten Ausführungsformen des Rahmens 1 umfasst der Kathodenrahmen 11 auf der Oberfläche der zweiten Seite des Rahmens 5 einen oder mehrere Kanäle Typ 11 15, die mit einem Kanal Typ I 14 verbunden sind und den Kanal Typ I 14 mit der zweiten Öffnung 9 verbinden und die, wenn der Rahmen 1 in einer elektrochemischen Zelle 2 oder einer Vorrichtung vom Stapeltyp 23 eingebaut ist, in Richtung zur BPP 16 angeordnet sind und wobei die der zweiten Seite des Rahmens gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens 5'' keine Kanäle Typ I1 15 aufweist.
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst der erfindungsgemäße Rahmen 1 einen oder mehrere Kanäle Typ 1 14 zum An- und Abtransport von Wasser und Gas und einen oder mehrere Kanäle Typ II 15, wobei der oder die Kanäle 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 I1 15, die mit dem oder den Kanälen Typ 1 14 verbunden sind und die den oder die Kanäle Typ I 14 mit der ersten Öffnung 6 verbinden und die, wenn der Rahmen 1 in einer elektrochemischen Zelle 2 oder einer Vorrichtung 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. In bevorzugten Ausführungsformen des Rahmens 1 umfasst der Kathodenrahmen 11 auf der Oberfläche der zweiten Seite 5 einen oder mehrere Kanäle Typ 11 15, der oder die mit einem oder mehreren Kanälen Typ 1 14 verbunden ist und den oder die Kanäle Typ 1 14 mit der zweiten Öffnung 9 verbinden und die, wenn der Rahmen 1 in einer elektrochemischen Zelle 2 oder einer Vorrichtung 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 1 14 zum An- und Abtransport von Flüssigkeit und Gas und mindestens zwei Kanäle Typ 11 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 des Rahmens 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 elektrochemischen Zelle 2 oder einer Vorrichtung vom Stapeltyp 23 eingebaut ist, in Richtung zur BPP 16 angeordnet sind und wobei die der ersten Seite des Rahmens gegenüberliegende Seite des Anodenrahmens 4" keine Kanäle Typ II 15 aufweist. Vorzugsweise verbinden mehrere Kanäle Typ 11 15, die auf der ersten Seite des Rahmens 4 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 des Rahmens 5 mindestens zwei Kanäle Typ I1 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 elektrochemischen Zelle 2 oder einer Vorrichtung vom Stapeltyp 23 eingebaut ist, in Richtung zur BPP 16 angeordnet sind und wobei die der zweiten Seite des Rahmens gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens 5” keine Kanäle Typ I1 15 aufweist. Vorzugsweise verbinden mehrere Kanäle Typ I1 15, die auf der zweiten Seite des Rahmens 5 angeordnet sind, einen Kanal Typ 1 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 verbinden, d.h. die die Anode 7 und die Kathode 10 mit den Kanälen Typ I 14 zum An- und Abtransport von Flüssigkeit 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 zum Festkörperelektrolyten, beispielsweise zur Membran 13. Wenn Gas oder Flüssigkeit durch die Kanäle Typ I 14 strömen, wird der Festkörperelektrolyt, beispielsweise die Membran 13 dadurch nicht beeinträchtigt, denn die Seite des Anodenrahmens 7 und die Seite des Kathodenrahmens 11 , auf der der Festkörperelektrolyt, beispielsweise die Membran 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 der Festkörperelektrolyt, beispielsweise die Membran 13 angeordnet und bei der Elektrolyse einem Differenzdruck von bis zu 40 bar ausgesetzt ist. Der Festkörperelektrolyt, beispielsweise die Membran 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, Festkörperelektrolyt, beispielsweise Membran 13 und BPP 16), der Kathodenraum (der Kathodenraum wird gebildet von Kathodenrahmen 11 , Festkörperelektrolyt, beispielsweise Membran 13 und BPP 16) und die ganze elektrochemische Zelle 2 auch bei einem Differenzdruck von bis zu 40 bar vollständig abgedichtet, so dass kein Gas oder Flüssigkeit 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 II 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 11 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 Vorrichtung vom Stapeltyp 23 verteilt wird und die Flüssigkeit durch Kanäle Typ II 15 in jede einzelne elektrochemische Zelle 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 1 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 Vorrichtung vom Stapeltyp 23 mit dem einströmenden Medium (Flüssigkeit, Gas) 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 II 15 sind möglich. Durch die Beschränkung der Breite der Kanäle Typ I1 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 der Flüssigkeit über die gesamte aktive Zellfläche (= erste Öffnung 6 + zweite Öffnung 9) der elektrochemischen Zelle 2. Die elektrochemische Zelle 2 wird gleichmäßig von Flüssigkeit durchströmt. Da ein Großteil der einströmenden Flüssigkeit 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 elektrochemischen Reaktion erzeugte Wärme gleichmäßig abgeführt werden. Die Abführung der Reaktionswärme ist für eine elektrochemische Zelle 2 bzw. eine Vorrichtung vom Stapeltyp 23 ein kritischer Parameter.
Erfindungsgemäß umfasst sind Vorrichtungen vom Stapeltyp 23 mit unterschiedlichem Design und Aufbau.
Umfasst sind Rahmen 1 , elektrochemische Zellen 2, vorassemblierte Baugruppen 20 und Vorrichtungen vom Stapeltyp 23, bei denen die einzelnen Kanäle Typ I1 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 Vorrichtung vom Stapeltyp 23 so angepasst sind, dass ein höherer oder geringerer Druckverlust beim Durchfluss der Flüssigkeit 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 II 15, die am Rand der Anordnung der Kanäle Typ II 15 auf der ersten Seite des Rahmens 4 angeordnet sind, z.B. die Kanäle Typ I1 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 der durchströmenden Flüssigkeit im Vergleich zu den übrigen Kanälen Typ II 15 des Rahmens 1 , der elektrochemischen Zelle 2, des vorassemblierten Bauteils 20, der Vorrichtung 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 1 14 nicht gleichmäßig ist, und bei gleichmäßigen Kanälen Typ II 15, dann bestimmte Bereiche der aktiven Zellfläche (= erste Öffnung 6 + zweite Öffnung 9) mit einem höheren Volumenstrom Flüssigkeit, die durch die betreffenden Kanäle Typ II 15, die mit den Kanälen Typ I 14, in denen die strömende Flüssigkeit einen höheren Druck aufweist, verbunden sind, strömt. Ohne eine Anpassung der Kanäle Typ II 15 könnte dann z.B. die Kühlung in der aktiven Zellfläche durch die durchströmende Flüssigkeit 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 Flüssigkeitsdruck in den Kanälen Typ I 14 auszugleichen. Vorzugsweise wird ein gleichmäßiger bzw. homogener Flüssigkeitsdruck 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 , elektrochemische Zellen 2, vorassemblierte Baugruppen 20 und Vorrichtungen vom Stapeltyp 23, bei denen die einzelnen Kanäle Typ I1 15 des betreffenden Rahmens 1, der betreffenden elektrochemischen Zelle 2, der betreffenden vorassemblierten Baugruppe 20, der betreffenden Vorrichtung vom Stapeltyp 23 so angeordnet sind, dass jeder Kanal Typ I1 15 einen Bereich gleicher Größe der aktiven Zellfläche mit Flüssigkeit versorgt.
Erfindungsgemäß umfasst sind Rahmen 1 , elektrochemische Zellen 2, vorassemblierte Baugruppen 20 und Vorrichtungen vom Stapeltyp 23, bei denen die einzelnen Kanäle Typ I1 15 des betreffenden Rahmens 1, der betreffenden elektrochemischen Zelle 2, der betreffenden vorassemblierten Baugruppe 20, der betreffenden Vorrichtung vom Stapeltyp 23 so ausgestaltet sind, dass alle Kanäle Typ II 15 die gleiche Menge Flüssigkeit oder Gas 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 11 15 den gleichen Querschnitt, der von Flüssigkeit oder Gas durchströmt werden kann, aufweisen. Vorzugsweise sind die Kanäle Typ I1 15 so angeordnet, dass jeder Kanal Typ II 15 einen Bereich gleicher Größe der aktiven Zellfläche mit Flüssigkeit oder Gas versorgt. Besonders bevorzugt sind die Kanäle Typ I1 15 so angeordnet, dass jeder Kanal Typ II 15 einen Bereich gleicher Größe der aktiven Zellfläche mit Flüssigkeit oder Gas versorgt und alle Kanäle Typ 11 15 gleich sind. Auf diese Weise kann die gesamte aktive Zellfläche gleichmäßig mit Flüssigkeit oder Gas 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 II 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 elektrochemische Zelle 2 zum Betrieb unter Differenzdruck von bis zu 40 bar zur Umwandlung oder Erzeugung von Gasen und Flüssigkeiten unter Druck umfassend einen Festkörperelektrolyten, beispielsweise eine Membran 13, Anode 7, Kathode 10, wobei die elektrochemische Zelle 2 einen erfindungsgemäßen Rahmen 1 umfasst, wobei die erste Öffnung 6 im Anodenrahmen 8 die Anode 7 umfasst und die zweite Öffnung 9 im Kathodenrahmen 11 die Kathode 10 umfasst und wobei der Festkörperelektrolyt, beispielsweise die Membran 13 zwischen der der ersten Seite des Rahmens 4 gegenüberliegenden Seite des Anodenrahmens 4” und der der zweiten Seite des Rahmens 5 gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens 5" angeordnet ist, wobei die eine Seite des Festkörperelektrolyten, beispielsweise der Membran 13 auf der Anode 7 aufliegt und die andere Seite des Festkörperelektrolyten, beispielsweise der Membran 13 auf dem Absatz 12 und der Kathode 10 aufliegt (Figur 7b und 7c). Bei einem Betrieb der elektrolytischen Zelle 2 unter Differenzdruck wirkt der Differenzdruck nicht im Bereich des Spalts 17 zwischen Anodenrahmen 8 und Anode 7 auf den Festkörperelektrolyten, beispielsweise die Membran 13. Ein Eindrücken oder Kriechen 24 des Festkörperelektrolyten, beispielsweise der Membran 13 in den Spalt 7 wird dadurch verhindert (Figur 8 und 8a).
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst die erfindungsgemäße elektrochemische Zelle 2 einen Festkörperelektrolyten, beispielsweise eine Membran 13 mit einer Dicke von weniger als 80 pm, beispielsweise eine Membran 13 mit einer Dicke von 50 pm oder weniger, besonders bevorzugt eine Membran 13 mit einer Dicke von weniger als 20 pm, beispielsweise 15 pm oder weniger. In besonders bevorzugten Ausführungsformen umfasst die erfindungsgemäße elektrochemische Zelle 2 einen Festkörperelektrolyten, beispielsweise eine Membran 13, vorzugsweise eine ionenleitende Membran 13 mit einer Dicke von weniger als 80 pm, beispielsweise eine ionenleitende Membran 13 mit einer Dicke von 50 pm oder weniger, besonders bevorzugt eine ionenleitende Membran 13 mit einer Dicke von weniger als 20 pm, beispielsweise 15 pm oder weniger.
In der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle 2 wirken die Beschichtungen aus Dichtwerkstoff 22, beispielsweise die Beschichtung aus Gummi, vorzugsweise die Beschichtung aus EPDM des Kerns 21 des Anodenrahmens 8, die Beschichtungen aus Dichtwerkstoff 22, beispielsweise die Beschichtung aus Gummi, vorzugsweise die Beschichtung aus EPDM des Kerns 21 des Kathodenrahmens 11 und der Absatz 12 mit dem Festkörperelektrolyt, beispielsweise der Membran 13 zusammen (Figur 7c und 8a) und dichten die elektrochemische Zelle 2 und den Anodenraum und den Kathodenraum vollständig ab, ohne dass ein Eindrücken oder Kriechen 24 des Festkörperelektrolyten, beispielsweise der Membran 13 in den Spalt 17 zwischen Anodenrahmen 8 und Anode 7 erfolgt. Durch die besondere Anordnung der Kanäle Typ I1 15 wird sowohl der An- und Abtransport von Flüssigkeit und Gas vollständig gewährleistet als auch die Stabilität des Festkörperelektrolyten, beispielsweise der Membran 13 und eine vollständige Abdichtung der elektrochemischen Zelle 2. Der erfindungsgemäße Rahmen 1 ermöglicht deshalb die Verwendung von Festkörperelektrolyten, beispielsweise Membranen 13 mit einer Dicke von weniger als 80 pm, beispielsweise mit einer Dicke von 50 pm, vorzugsweise mit einer Dicke von weniger als 20 pm, beispielsweise 15 pm oder weniger. Diese Festkörperelektrolyten, beispielsweise Membranen 13 werden als dünne Festkörperelektrolyten bzw. dünne Membranen 13 bezeichnet. Mit dem erfindungsgemäßen Rahmen 1 können elektrochemische Zellen 2 mit einem dünneren Festkörperelektrolyten, beispielsweise einer dünneren Membranen 13 als im Stand der Technik üblich, hergestellt werden. Zusätzlich können diese elektrochemischen Zellen 2 so betrieben werden, dass die Flüssigkeit bzw. das Gas auf einer Zellseite bis zu 40 bar Druck aufgestaut wird, ohne dass der Festkörperelektrolyt, beispielsweise eine Membran 13 beschädigt wird oder die elektrochemische Zelle 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 die Flüssigkeit. Der Grobverteiler verteilt die Flüssigkeit effizient über die gesamte Zellfläche (d.h. die erste Öffnung und die zweite Öffnung 6 + 9). Der Feinverteiler transportiert die Flüssigkeit zum Festkörperelektrolyten, beispielsweise zur Membran 13, ermöglicht einen guten elektrischen Kontakt zum Festkörperelektrolyten, beispielsweise zur Membran 13 und stützt gleichzeitig den Festkörperelektrolyten, beispielsweise die Membran 13 mechanisch ab. Als Grobverteiler für die Anode 7 kann beispielsweise ein Streckmetall verwendet werden. Als Feinverteiler für die 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 Anode 7. Alternativ kann zur Herstellung einer Anode 7 das Pulver direkt auf dem Streckmetall aufgesintert werden. Die Anode 7 kann mit der BPP 16 verbunden werden. Vorzugsweise besteht die BPP 16 aus dem gleichen Material wie die Anode 7. In besonders bevorzugten Ausführungsformen bestehen BPP 16 und Anode 7 aus Titan. In alternativen bevorzugten Ausführungsformen umfassen BPP 16 und Anode 7 mindestens 80 % gleiches Material, z.B. Titan. Die Verbindung zwischen BPP 16 und Anode 7 kann beispielsweise durch Widerstandsschweißen vorzugsweise an mehreren Punkten realisiert werden. In der BPP/Anode 36 entspricht die Fläche der BPP 16 der Außenfläche des Rahmens 1 bzw. entspricht die Fläche der BPP/Anode 36 im Wesentlichen der Außenfläche des Rahmens 1. Die Fläche der Anode 7 in der BPP/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 Anode 7), wird für Assemblierung nur ein Teil, die BPP/Anode 36 benötigt. Es wird also ein Teil eingespart.
Je nachdem ob über die Elektrode Flüssigkeit oder Gas transportiert wird, können die Kanäle Typ I 14 auf einer Seite oder zwei Seiten entlang 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 1 14 sind unterschiedliche Formen und eine entsprechende Anpassung möglich. Gegenstand der Erfindung ist eine vorassemblierte Baugruppe 20 zur Herstellung einer Vorrichtung vom Stapeltyp 23, die einen erfindungsgemäßen Rahmen 1 umfasst. Gegenstand der Erfindung ist beispielsweise eine vorassemblierte Baugruppe 20 zur Herstellung einer Vorrichtung vom Stapeltyp 23 umfassend einen Anodenrahmen 8, einen Kathodenrahmen 11 , eine BPP 16, eine Anode 7 und eine Kathode 10, wobei der Anodenrahmen 8 eine erste Seite des Rahmens 4 mit planarer erster Oberfläche, eine der ersten Seite des Rahmens 4 gegenüberliegende Seite des Anodenrahmes 4” und eine erste Öffnung 6 zur Aufnahme der Anode 7 umfasst, wobei die erste Öffnung 6 sich von der ersten Seite des Rahmens 4 bis zur der ersten Seite 4 des Rahmens 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 des Rahmens 5 mit planarer zweiter Oberfläche, eine der zweiten Seite des Rahmens 5 gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens 5'' und eine zweite Öffnung 9 zur Aufnahme der Kathode 10 umfasst, wobei die zweite Öffnung 9 sich von der zweiten Seite des Rahmens 5 bis zur der zweiten Seite des Rahmens 5 gegenüberliegenden Seite des Kathodenrahmens 5" erstreckt und von dem Kathodenrahmen 11 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 des Rahmens 4 und der zweiten Seite des Rahmens 5 die BPP 16 angeordnet ist, wobei die BPP 16 Teil einer BPP/Anode 36 sein kann, wobei der Anodenrahmen 8 einen Kern 21 , umfasst und eine Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22, wobei der Kern 21 ganz oder teilweise mit Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 beschichtet ist und wobei beispielsweise der Kern 21 Metall umfasst oder aus Metall besteht und die Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 beispielsweise Dichtwerkstoff umfasst oder aus Dichtwerkstoff besteht, beispielsweise Gummi, vorzugsweise EPDM, und wobei vorzugsweise die BPP 16 mit der Anode 7 zu einer BPP/Anode 36 verbunden ist und die Anode 7 oder die BPP/Anode 36 in die erste Öffnung 6 eingelegt oder eingepresst ist und die Anode 7 von dem Anodenrahmen 8 eingerahmt ist, der Kathodenrahmen 10 einen Kern 21 umfasst und eine Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22, wobei der Kern 21 ganz oder teilweise mit Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 beschichtet ist und wobei beispielsweise der Kern 21 Metall umfasst oder aus Metall besteht und die Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 beispielsweise Dichtwerkstoff umfasst oder aus Dichtwerkstoff besteht, beispielsweise Gummi, vorzugsweise EPDM, und wobei die Kathode 10 in die zweite Öffnung 9 eingelegt oder eingepresst und von dem Kathodenrahmen 11 eingerahmt ist, wobei Anodenrahmen 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 Anodenrahmen 8 und Kathodenrahmen 11 dadurch miteinander verbunden sind, wobei die erste Öffnung 6 größer ist als die zweite Öffnung 9 und wobei Anodenrahmen 8 und Kathodenrahmen 11 so angeordnet sind, dass die erste Seite des Rahmens 4 und die zweite Seite des Rahmens 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 den Festkörperelektrolyten, beispielsweise die Membran 13 bildet, wobei die BPP 16 bzw. die BPP 16 der BPP/Anode 36 auf der einen Seite auf der Anode 7 und dem Anodenrahmen 8 aufliegt und auf der anderen Seite auf der 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 II 15 zum an- und Abtransport von Flüssigkeit 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 Kern 21 vorzugsweise aus Metall hergestellt wird, wobei der Kern 21 eine erste Seite des Rahmens 4 mit planarer erster Oberfläche und eine der ersten Seite des Rahmens 4 gegenüberliegende Seite des Anodenrahmens 4” umfasst, wobei die erste Seite des Rahmens 4 und die der ersten Seite des Rahmens 4 gegenüberliegende Seite des Anodenrahmens 4” eine erste Öffnung 6 umfassen, die sich von der ersten Seite des Rahmens 4 bis zur der der ersten Seite des Rahmens 4 gegenüberliegenden Seite des Anodenrahmens 4” erstreckt und die von dem Anodenrahmen 8 eingerahmt ist, und die einen, zwei oder mehrere Kanäle Typ I 14 zum An- und Abtransport von Flüssigkeit und Gas umfassen, wobei der bzw. die Kanäle Typ I 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 Kerns 21 für den Anodenrahmen 8 ganz oder teilweise, beispielsweise mindestens 90 % der Oberfläche des gemäß a) hergestellten Kerns 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 ganze Oberfläche oder auf Teilen der Oberfläche des Kerns 21 eine Beschichtung aus Gummi, vorzugsweise eine Beschichtung aus EPDM erzeugt wird, wobei in der Beschichtung aus Gummi ein, zwei oder mehrere Kanäle Typ II
15 auf der Oberfläche der ersten Seite des Rahmens 4 erzeugt werden, die mit einem, zwei 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 elektrochemischen Zelle 2 oder einer Vorrichtung vom Stapeltyp 23 eingebaut ist, in Richtung zur BPP 16 bzw. zur BPP-Seite der BPP/Anode 36 angeordnet sind und wobei auf der Oberfläche der der ersten Seite des Rahmens 4 gegenüberliegenden Seite des Anodenrahmens 4” keine Kanäle Typ I1 15 erzeugt werden, c) in den gemäß a) und b) hergestellten Anodenrahmen 8 die Anode 7 und die BPP
16 bzw. eine BPP/Anode 36 gelegt oder eingepresst werden, d) für den Kathodenrahmen 11 ein Kern 21 vorzugsweise aus Metall hergestellt wird, wobei der Kern 21 eine zweite Seite des Rahmens 5 mit planarer zweiter Oberfläche und eine der zweiten Seite des Rahmens 5 gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens 5'' umfasst, wobei die zweite Seite des Rahmens 5 und die der zweiten Seite des Rahmens 5 gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens 5” eine zweite Öffnung 9 umfassen, die sich von der zweiten Seite des Rahmens 5 bis zu der der zweiten Seite des Rahmens 5 gegenüberliegenden Seite des Kathodenrahmens 5” erstreckt und die von dem Kathodenrahmen 11 eingerahmt ist, und die einen, zwei oder mehrere Kanäle Typ 1 14 zum An- und Abtransport von Flüssigkeit 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 a) hergestellten Kerns 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 Kerns 21 eine Beschichtung aus Gummi erzeugt wird, vorzugsweise eine Beschichtung aus EPDM erzeugt wird, wobei in der Beschichtung aus Gummi ein, zwei oder mehrere Kanäle Typ II 15 auf der Oberfläche der zweiten Seite des Rahmens 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 elektrochemischen Zelle 2 oder einer Vorrichtung vom Stapeltyp 23 eingebaut ist, in Richtung zur BPP 16 bzw. zur BPP- Seite der BPP/Anode 36 angeordnet sind und wobei auf der Oberfläche der der zweiten Seite des Rahmens 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 bzw. die BPP der BPP/Anode 36 zwischen der erste Seite des Rahmens 4 und der zweiten Seite des Rahmens 5 angeordnet ist und dann die Kathode 10 in den Kathodenrahmen 11 eingelegt oder eingepresst wird.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung vom Stapeltyp 23 zur Umwandlung oder Erzeugung von Gasen und Flüssigkeiten unter Druck, die erfindungsgemäße Rahmen 1, erfindungsgemäße vorassemblierte Bauteile 20, elektrochemische Zellen 2 umfasst. Gegenstand der Erfindung ist beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung vom Stapeltyp 23 zum Betrieb unter Differenzdruck zur Umwandlung oder Erzeugung von Hochdruck-Flüssigkeit oder Hochdruck-Gas umfassend die Verfahrensschritte, a) mindestens x erfindungsgemäße vorassemblierte Baugruppen 20 und mindestens x+1 Festkörperelektrolyten, beispielsweise mindestens x+1 Membranen 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 ein Festkörperelektrolyt, beispielsweise eine Membran 13 abwechselnd übereinander gestapelt sind und wobei auf der Oberseite und der Unterseite des Stapels vorassemblierter Baugruppen 3 jeweils ein Festkörperelektrolyt, beispielsweise eine Membran 13 und zwischen zwei benachbarten vorassemblierten Baugruppen 20 jeweils ein Festkörperelektrolyt, beispielsweise eine Membran 13 angeordnet ist, und wobei b) dann auf der einen Seite des Stapels vorassemblierter Baugruppen 3 eine einzelne Anode parallel zu einem äußeren Festkörperelektrolyt, beispielsweise einer Membran 13 angeordnet wird und auf der anderen Seite des Stapels vorassemblierter Baugruppen 3 eine einzelne Kathode parallel zu einem äußeren Festkörperelektrolyt, beispielsweise einer Membran 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 Vorrichtung vom Stapeltyp 23 zusammengepresst wird, wobei x eine ganze Zahl und > 2 ist.
In bevorzugten Ausführungsformen eines Verfahrens zur Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vom Stapeltyp 23 weist eine oder weisen mehrere, vorzugsweise jede der x+1 Festkörperelektrolyten, beispielsweise jede der x+1 Membranen 13 in der Vorrichtung vom Stapeltyp 23 eine Dicke von weniger als 80 pm aufweist, vorzugsweise eine Dicke von weniger als 50 pm oder weniger, besonders bevorzugt eine Dicke von weniger als 20 pm oder weniger, beispielsweise 15 pm oder weniger, und wobei x eine ganze Zahl und > 2 ist.
Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung vom Stapeltyp 23 zum Betrieb unter Differenzdruck zur Umwandlung oder zur Erzeugung von Hochdruck-Flüssigkeit oder Hochdruck-Gas, die einen oder mehrere erfindungsgemäße Rahmen 1 umfasst. Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung vom Stapeltyp 23, die eine oder mehrere erfindungsgemäße vorassemblierte Baugruppen 20 umfasst. Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung vom Stapeltyp 23, die eine oder mehrere erfindungsgemäße elektrochemische Zellen 2 umfasst.
Gegenstand der Erfindung ist beispielsweise eine Vorrichtung vom Stapeltyp 23 zum Betrieb unter Differenzdruck zur Umwandlung oder Erzeugung von Hochdruck- Flüssigkeit oder Hochdruck-Gas umfassend x erfindungsgemäße vorassemblierte Baugruppen 20, x+1 Festkörperelektrolyten, beispielsweise jede der x+1 Membranen 13, eine einzelne Anode 7', eine einzelne Kathode 10' und zwei Endplatten 33, wobei die x vorassemblierten Baugruppen 20 und die x+1 Festkörperelektrolyten, beispielsweise die x+1 Membranen 13 abwechselnd übereinander zu einem Stapel vorassemblierter Baugruppen 3 gestapelt sind, wobei in dem Stapel vorassemblierter Baugruppen 3 jeweils eine vorassemblierte Baugruppe 20 und ein Festkörperelektrolyt, beispielsweise eine Membran 13 abwechselnd übereinander gestapelt sind und wobei auf der Oberseite und der Unterseite des Stapels vorassemblierter Baugruppen 3 jeweils ein Festkörperelektrolyt, beispielsweise eine Membran 13 und zwischen zwei benachbarten vorassemblierten Baugruppen 20 jeweils ein Festkörperelektrolyt, beispielsweise eine Membran 13 angeordnet ist, und wobei auf der einen Seite des Stapels vorassemblierter Baugruppen 3 eine einzelne Anode 7' parallel zu einem äußeren Festkörperelektrolyten, beispielsweise einer Membran 13 angeordnet ist und auf der anderen Seite des Stapels vorassemblierter Baugruppen 3 eine einzelne Kathode 10' parallel zu einem äußeren Festkörperelektrolyten, beispielsweise einer Membran 13 angeordnet ist, wobei parallel zu der einzelnen Anode T und parallel zu der einzelnen Kathode 10' jeweils eine Endplatte 33 angeordnet ist und der erzeugte Stapel zwischen den zwei Endplatten 33 zu einer Vorrichtung vom Stapeltyp 23 zusammengepresst wird, wobei x eine ganze Zahl und > 2 ist.
In bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung vom Stapeltyp 23 weist eine oder weisen mehrere, vorzugsweise jede der x+1 Festkörperelektrolyten, beispielsweise jede der x+1 Membranen 13 in der Vorrichtung vom Stapeltyp 23 eine Dicke von weniger als 80 pm auf, vorzugsweise eine Dicke von weniger als 50 pm oder weniger auf, besonders bevorzugt eine Dicke von weniger als 20 pm oder weniger, beispielsweise 15 pm oder weniger, und wobei x eine ganze Zahl und > 2 ist. In die Vorrichtung vom Stapeltyp 23 können je nach Bedarf weitere Komponenten an den entsprechenden Stellen umfassen und entsprechend eingebaut werden, beispielsweise kann zwischen Festkörperelektrolyt, beispielsweise Membran 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 Vorrichtung vom Stapeltyp 23 zum Betrieb unter Differenzdruck zur Umwandlung oder Erzeugung von Hochdruck-Flüssigkeit oder Hochdruck-Gas umfassend x erfindungsgemäße vorassemblierte Baugruppen 20, x+1 Festkörperelektrolyten, beispielsweise Membranen 13, eine einzelne Anode 7', eine einzelne Kathode 10' und zwei Endplatten 33, wobei die x vorassemblierten Baugruppen 20 und die x+1 Festkörperelektrolyten, beispielsweise Membranen 13 abwechselnd übereinander zu einem Stapel vorassemblierter Baugruppen 3 gestapelt sind, wobei in dem Stapel vorassemblierter Baugruppen 3 jeweils eine vorassemblierte Baugruppe 20 und ein Festkörperelektrolyt, beispielsweise eine Membran 13 abwechselnd übereinander gestapelt sind und wobei auf der Oberseite und der Unterseite des Stapels vorassemblierter Baugruppen 3 jeweils ein Festkörperelektrolyt, beispielsweise eine Membran 13 und zwischen zwei benachbarten vorassemblierten Baugruppen 20 jeweils ein Festkörperelektrolyt, beispielsweise eine Membran 13 angeordnet ist, und wobei auf der einen Seite des Stapels vorassemblierter Baugruppen 3 eine Halbzelle Anode parallel zu einem äußeren Festkörperelektrolyten, beispielsweise einer Membran 13 angeordnet ist und auf der anderen Seite des Stapels vorassemblierter Baugruppen 3 eine Halbzelle Kathode parallel zu einem äußeren Festkörperelektrolyten, beispielsweise einer Membran 13 angeordnet ist, wobei parallel zu der Halbzelle Anode 7' und parallel zu der Halbzelle Kathode jeweils eine Endplatte 33 angeordnet ist und der erzeugte Stapel zwischen den zwei Endplatten 33 zu einer Vorrichtung 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 T und einen Anodenrahmen 8. In bevorzugten Ausführungsformen besteht eine Halbzelle Anode aus einer einzelnen Anode T 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 Vorrichtung 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 Vorrichtung vom Stapeltyp 23 neben einer Anzahl von x erfindungsgemäßen vorassemblierten Baugruppen 20, wobei x eine ganze Zahl und > 2 ist, einen Kathodenrahmen 11 , einen Festkörperelektrolyten, beispielsweise eine Membran 13, einen Anodenrahmen 8 und zwei Endplatten 33. In der erfindungsgemäßen Vorrichtung vom Stapeltyp 23 sind vorzugsweise die erste bzw. die unterste und die letzte bzw. die oberste elektrochemische Zelle 2 anders als die dazwischen liegenden elektrochemischen Zellen 2. Beispielsweise wird zur Herstellung einer Vorrichtung vom Stapeltyp 23 auf einem Kathodenrahmen 11 ein Festkörperelektrolyt, beispielsweise eine Membran 13 angeordnet, auf dem Festkörperelektrolyten, beispielsweise der Membran 13 werden x vorassemblierte Baugruppen 20 und x Festkörperelektrolyten, beispielsweise Membranen 13 abwechselnd gestapelt, und darauf ein Anodenrahmen 8. Der Stapel wird zwischen Endpatten 33 zu einer Vorrichtung vom Stapeltyp 23 verpresst, wobei x eine ganze Zahl und > 2 ist.
In der Vorrichtung vom Stapeltyp 23 ist vorzugsweise eine der beiden Endplatten 33 eine obere Endplatte 38, die beispielsweise in einer Vorrichtung vom Stapeltyp 23 oben angeordnet ist. In der Vorrichtung vom Stapeltyp 23 ist vorzugsweise eine der beiden Endplatten 33 eine untere Endplatte 44, die beispielsweise in einer Vorrichtung vom Stapeltyp 23 unten angeordnet ist. Eine Vorrichtung vom Stapeltyp 23 wird im Betrieb vorzugsweise als Durchflussreaktor betrieben. Dabei wird Flüssigkeit und/oder Gas kontinuierlich in die Vorrichtung vom Stapeltyp 23 eingeleitet und Flüssigkeit und/oder Gas kontinuierlich aus der Vorrichtung vom Stapeltyp 23 abgeleitet. Flüssigkeit muss von dem Anschluss zur Einleitung der Flüssigkeit (= Anschluss Eingang) 39 der Vorrichtung vom Stapeltyp 23 auf die Kanäle Typ 1 14, verteilt werden. Gleichzeitig muss Flüssigkeit aus den Kanälen Typ 1 14 zu dem Anschluss für die Ableitung der Flüssigkeit (= Anschluss 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 Vorrichtung vom Stapeltyp 23 zu schwer wird.
Gegenstand der Erfindung ist ein Deckel 37 für eine Vorrichtung vom Stapeltyp 23. Der erfindungsgemäße Deckel 37 weist eine Konstruktion auf, in der möglichst viel Raum für Flüssigkeit geschaffen wird, ohne die gesamte Endplatte 33 unnötig dick zu machen.
Gegenstand der Erfindung ist ein Deckel 37 für eine Vorrichtung vom Stapeltyp 23, wobei die Endplatte 33, beispielsweise die obere Endplatte 38 mindestens einen Anschluss für die Einleitung von Flüssigkeit 39, mindestens einen Anschluss für die Ableitung von Flüssigkeit 40 und mindestens zwei Verteilerdeckel 41 umfasst, wobei die obere Endplatte 38 zur Schaffung von Raum für Flüssigkeit mindestens zwei Räume für die Verteilung von Flüssigkeit in der oberen Endplatte 42 aufweist und wobei jeder der mindestens zwei Verteilerdeckel 41 Raum für die Verteilung von Flüssigkeit im Verteilerdeckel 43 aufweist und wobei mindestens ein Verteilerdeckel 43 zur Einleitung von Flüssigkeit in die Vorrichtung vom Stapeltyp 23 mit mindestens einem Anschluss für die Einleitung von Flüssigkeit 39 und einem Raum für die Verteilung von Flüssigkeit in der Endplatte 42 verbunden ist und wobei mindestens ein weiterer Verteilerdeckel 43 zur Ableitung von Flüssigkeit aus der Vorrichtung vom Stapeltyp 23 mit mindestens einem Anschluss für die Ableitung von Flüssigkeit 40 und einem Raum für Verteilung von Flüssigkeit in der Endplatte 42 verbunden ist.
Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung vom Stapeltyp 23, die den erfindungsgemäßen Deckel 37 umfasst. Gegenstand der Erfindung ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung vom Stapeltyp 23, die den erfindungsgemäßen Deckel 37 umfasst. Um die einzelnen Rahmen 1 elektrochemischer Zellen 2 und die einzelnen Rahmen 1 einer Vorrichtung vom Stapeltyp 23 vollständig abzudichten, insbesondere bei hohen Drücken bzw. hohen Differenzdrücken, müssen die Endplatten 33 mit einer ausreichenden Sch rauben kraft 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 Kern 21 des Anodenrahmens und der Kern 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 des Rahmens 4 des Anodenrahmens 8 und bei großer erste 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 bedeutet. 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 Kerns 21 , der 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 Kern 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 Kerns 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 Kerns 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 Kerns 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 Kerns 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 dem Bereich der Oberfläche des Kerns 21 , die für die Abdichtung der aktiven Fläche (erste und zweite Öffnung 6+9) und der Kanäle Typ I und Typ I1 14 + 15 nicht notwendig ist.
Der Bereich der Oberfläche des Kerns 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 Vorrichtung 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 Kerns 21 eine nichtreduzierte Schichtdicke hat, kann beispielsweise so definiert werden, dass der Bereich der Oberfläche des Kerns 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 inneren Öffnung 6, der zweite inneren Öffnung 9, zu der Anordnung der Kanäle Typ I 14, zu den Kanälen Typ II 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 Kern 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 Vorrichtung vom Stapeltyp 23 zu verpressen, um bis zu 50 %. Vorzugsweise wird die erfindungsgemäße Vorrichtung vom Stapeltyp 23 zur Elektrolyse von Flüssigkeit im Temperaturbereich von 10 bis 95 Grad Celsius, vorzugsweise im Temperaturbereich von 40 bis 80 Grad Celsius, besonders bevorzugt bei 68 bis 72 Grad Celsius verwendet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 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.
Ein weiterer Vorteil vorteilhafter Ausführungsform der Erfindung 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 Kern 21 des Anodenrahmens 8 bzw. der Kern 21 des Kathodenrahmens 11 mit der Dichtung 22 beschichtet und gleichzeitig gewünschte Strukturen in der Dichtung 22 erzeugt, wie z.B. Kanäle Typ II 15 auf der ersten Seite des Rahmens 4 bzw. der zweiten Seite des Rahmens 5. Für dieses Verfahren zur Herstellung des Rahmens 1 , wird vorzugsweise eine Dichtung 22 aus Gummi, beispielsweise EPDM, verwendet. In dieser Ausführungsform wird der Kern 21 mit Dichtung 22 beschichtet, wobei gleichzeitig die Kanäle Typ II 15 in den erfindungsgemäß gewünschten Bereichen des Anodenrahmens 8 und / oder des Kathodenrahmens 11 erzeugt werden können. 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 Vorrichtung vom Stapeltyp 23 wird vorzugsweise so ausgeführt werden, dass alle Komponenten eine glatte und homogene Oberfläche aufweisen, sodass keine Spannungsspitzen auf dem Festkörperelektrolyten, beispielsweise der Membran 13 auftreten. Um bei Mediendruck ein Eindrücken oder Kriechen 24 des Festkörperelektrolyten, beispielsweise der Membran 13 in die Poren der Anode 7 und / oder der Kathode 10 zu verhindern, werden beispielsweise Anoden 7 und / oder Kathoden 10 mit einem Porendurchmesser < 0,1 mm verwendet.
Der Anodenrahmen 8 und der Kathodenrahmen 11 können einfach zu einer vorassemblierten Baugruppe 20 zusammengefügt werden, da Dichtung 22 und Anodenrahmen 8 bzw. Dichtung 22 und Kathodenrahmen 11 jeweils aus einem Bauteil bestehen. Vorzugsweise wird zur Herstellung einer vorassemblierten Baugruppe 20 eine BPP 16, die mit einer Anode 7 verbunden ist, d.h. eine BPP/Anode 36 verwendet. Beispielsweise sind BPP 16 und Anode 7 verschweißt, so dass BPP 16 und Anode 7 als ein Bauteil BPP/Anode 36 vorliegen. Zur Herstellung der vorassemblierten Baugruppe 20 wird der Anodenrahmen 8 zunächst auf die Anode 7 bzw. die Anode 7 der BPP/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/Anode 36 aufweisen, der in die BPP 16 eingesteckt werden kann. Dazu umfasst die BPP 16 bzw. die BPP 16 der BPP/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 Anode 7 und der BPP 16 bzw. der BPP/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 Kathode 10 in den Kathodenrahmen 11 eingelegt bzw. eingepresst (Figur 6). Es wird eine vorassemblierte Baugruppe 20 erhalten. Vorassemblierte Baugruppen 20 können dann beispielsweise über Zentrierstifte abwechselnd mit Festkörperelektrolyten, beispielsweise Membranen 13, gestapelt werden, um Stapel vorassemblierter Baugruppen 3 bzw. Vorrichtung vom Stapeltyp 23 herzustellen.
Bezugszeichenliste
Beschreibung der Figuren:
Figur 1 : Klassischer Aufbau einer elektrochemischen Zelle aus dem Stand der Technik mit Rahmen 1, Festkörperelektrolyt, beispielsweise Membran 13, Bipolarplatte (BPP) 16, Anode 7, Kathode 10 mit Spalt 17 zwischen Rahmen 1 und Anode 7 und Rahmen 1 und Kathode 10. Der hier dargestellte Rahmen 1 umfasst Kanäle Typ 1 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 Anode 7 und Rahmen 1 und Kathode 10 und Kriechen 24 des Festkörperelektrolyt, beispielsweise Membran 13 in den vergrößerten Spalt 17 zwischen Rahmen 1 und Anode 7 und Rahmen 1 und Kathode 10.
Figur 3a: Gezeigt ist ein Teil des erfindungsgemäßen Rahmens 1 , der einen Kern 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 Kern 21 der mit einer Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 beschichtet ist und einen Teil eines Kanals Typ I1 15 in der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22.
Figur 4: Der hier dargestellte erfindungsgemäßer Kathodenrahmen 11 weist eine zweite Öffnung 9 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 8 und zwanzig Kanäle Typ 1 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 I1 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 1 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 1 14 des Kathodenrahmens 11 zum an- und Abtransport von Flüssigkeit und Gas Zusammenwirken können. Der Anodenrahmen 8 umfasst Kanäle Typ I1 15 auf der ersten Seite 4, die die erste Öffnung 6 mit zehn Kanälen Typ 1 14 verbinden. Auf der der ersten Seite des Rahmens 4 gegenüberliegenden Seite des Anodenrahmens 4” gibt es keine Kanäle Typ I1 15, die die Kanäle Typ 1 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: Anode 7 und BPP 16 sind verbunden (BPP/Anode 36), b) 1 . Schritt: die Stifte 19 des Anodenrahmens 8 werden in die Löcher 18 der BPP/Anode 36 eingesteckt, c) 2. Schritt: Umdrehen der Anordnung aus b), es ist die BPP 16 Seite der BPP/Anode 36 zu sehen; d) 3. Schritt: Kathodenrahmen 11 wird in die Anordnung einstecken, e) 4. Schritt: Kathode 10 wird in die zweite Öffnung 9 einlegen.
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/Anode 36, Kathode 10 und die Anordnung von Kathodenrahmen 11 , Anodenrahmen 8, BPP/Anode 36, und Kathode 10 in der vorassemblierten Baugruppe 20. Dabei ist auch eine Reihenfolge gezeigt, in der die einzelnen Teile vorzugsweise zusammengesetzt werden. Die Kanäle Typ I1 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 die vier Teile, die zu der vorassemblierten Baugruppe 20 gehören: Kathodenrahmen 11 , Anodenrahmen 8, BPP/Anode 36 und Kathode 10. Die Kanäle Typ I1 15 sind alle in Richtung zur BPP/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 I1 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 Anode 7 eingelegt, in den Kathodenrahmen 11 ist die 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 Kathode 10, dem Absatz 12 und dem Kathodenrahmen 11 angeordnet und liegt mit ihrer anderen Seite auf der 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 Vorrichtung vom Stapeltyp 23, nämlich ein Stapel vorassemblierter Baugruppen 3. Diese Anordnung zeigt einen Stapel mit drei elektrochemischen Zellen 2 zeigt. Die Pfeile zeigen die Richtung des Gasdrucks bei einer Hochdruck-Flüssigkeitselektrolyse, die unter Differenzdruck von 40 bar durchgeführt wird.
Figur 8a: Vergrößerter Ausschnitt eines Teils einer elektrochemischen Zelle 2 mit dem Absatz 12. Die Pfeile zeigen die Richtung an, aus der der erhöhte Druck bei Differenzdruck auf den Festkörperelektrolyten, beispielsweise die Membran 13 wirkt.
Figur 9a: Beispielhafte Abmessungen für einen Kathodenrahmen 11. Die Kanäle Typ II 15 verbinden die zweite Öffnung 9 mit den Kanälen Typ 1 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 I1 15 die zweite Öffnung
9 mit einem Kanal Typ 1 14. Die einzelnen Kanäle Typ I1 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 I1 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 I1 15 die erste Öffnung 6 mit einem Kanal Typ 1 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 1 14 und Kanäle Typ I1 15, wobei die Kanäle Typ II 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 1 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 1 14, die zweite Seite der ersten Öffnung 28 umfasst fünf Kanäle Typ 1 14, die dritte Seite der ersten Öffnung 29 umfasst fünf Kanäle Typ I 14 und die die vierte Seite der ersten Öffnung 30 umfasst fünf Kanäle Typ 1 14. In zwei sich gegenüber liegenden Seiten des Anodenrahmens 8 sind die jeweils fünf Kanäle Typ I1 14 mit jeweils acht Kanälen Typ I1 15 verbunden. Jeder Kanal Typ II 15 ist mit einem Kanal Typ 1 14 und mit der ersten Öffnung 6 verbunden. Dabei sind die Kanäle Typ II 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 Kern 21 (der Kern ist nicht dargestellt) des Anodenrahmens 8 angeordnet ist. Die Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 weist eine definierte 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 1 14 und die Kanäle Typ I1 15 und die erste Öffnung 6 umgibt ist mit Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 in der definierten Schichtdicke beschichtet. Der übrige Teil des Kerns 21 des Anodenrahmens 6 (dargestellt außerhalb der Umrandung und mit 22' beschriftet) weist eine im Vergleich zur definierten Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 reduzierte Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22" auf. 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 I1 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 I 14, wobei ein Teil der Kanäle Typ 1 14 eine runde und ein Teil der Kanäle Typ 1 14 eine ovale Form aufweist. Die ovalen Kanäle Typ 1 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 1 1 zeigt eine Ausführungsform einer vorassemblierten Baugruppe 20 (dargestellt ohne Kathode 10 und ohne Festkörperelektrolyt, beispielsweise ohne Membran 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 I1 15 angeordnet, die, weil sie durch den Kathodenrahmen 11 verdeckt sind, nur teilweise zu sehen sind.
Figur 12 zeigt eine erfindungsgemäßen Vorrichtung vom Stapeltyp 23 mit Stapeln von elektrochemische Zellen 2, Isolierplatten 32, Endplatten 33, Zuganker 34 und Stromabnehmerplatte 35.
Figur 13 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Anode 7, wobei die BPP 16 mit der Anode 7 zu eine BPP/Anode 36 verbunden ist.
Figur 14 zeigt die Druckverteilung in einer elektrochemischen Zelle 2 mit einem Anodenrahmen 8 nach Figur 10b. Der höchste Druck von 10 bis 15 MPa ist im Bereich des Anodenrahmens 8, in dem der Kern 21 mit Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 in definierte Schichtdicke 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 1 14 herum. Hiervon ausgenommen ist der Bereich, in dem die Kanäle Typ I1 15 die die erste Öffnung 6 mit den Kanälen Typ 1 14 verbinden und die Erhöhungen 26 angeordnet sind. 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 Kern 21 mit einer im Vergleich zur Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22 definierter Schichtdicke reduzierten Schichtdicke beschichtet ist (= Beschichtung aus Dichtwerkstoff 22" mit reduzierte Schichtdicke).
Figur 15a zeigt den erfindungsgemäßen Deckel 37 für eine Vorrichtung 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 Anschluss für Einleitung von Flüssigkeit 39 und ein weiterer Verteilerdeckel 41 einen Anschluss für die Ableitung von Flüssigkeit 40 umfasst.
Figur 15b zeigt den Deckel 37 für eine Vorrichtung vom Stapeltyp 23, wobei ein Verteilerdeckel 41 entfernt ist, so dass in der Endplatte 33 der Raum für die Verteilung von Flüssigkeit in der Endplatte 42 und die Kanäle Typ 1 14, die mit dem Raum für die Verteilung von Flüssigkeit in der Endplatte 42 verbunden sind, sichtbar sind.
Figur 15c zeigt einen Verteilerdeckel 41 für den erfindungsgemäßen Deckel 37 für eine Vorrichtung vom Stapeltyp 23, wobei der Raum für Wasserverteilung im Verteilerdeckel 43 sichtbar ist.
Figur 15d zeigt ein Diagramm mit einer Simulation, wie sich beispielsweise Wasser 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 1 14.
Figur 16 zeigt einen Anodenrahmen 7 mit Anordnung der Kanäle Typ 1 14 und Typ 11 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 1 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 I1 15 in den gleichen Bereich der ersten Öffnung 6 bzw. der aktiven Fläche Flüssigkeit bzw. Gas einleitet bzw. Flüssigkeit 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 1 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 1 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 I1 15 in den gleichen Bereich der ersten Öffnung 6 bzw. der aktiven Fläche Wasser einleitet bzw. Wasser und Gas ableitet.

Claims

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Patentansprüche
1. Rahmen (1) für eine elektrochemische Zelle (2) für eine Vorrichtung vom Stapeltyp (23), wobei der Rahmen (1) eine erste Seite des Rahmens (4) mit planarer erster Oberfläche und eine der ersten Seite (4) gegenüber liegende zweite Seite des Rahmens (5) mit planarer zweiter Oberfläche und einen Anodenrahmen (8) und einen Kathodenrahmen (11) umfasst, und wobei der Anodenrahmen die erste Seite des Rahmens (4), eine der ersten Seite des Rahmens (4) gegenüberliegende Seite des Anodenrahmens (4”) und eine erste Öffnung (6) zur Aufnahme der Anode (7) umfasst, wobei die erste Öffnung (6) sich von der ersten Seite des Rahmens (4) bis zur gegenüberliegenden Seite des Anodenrahmens (4”) erstreckt, wobei der Kathodenrahmen (11) die zweite Seite des Rahmens (5), eine der zweiten Seite des Rahmens (5) gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens (5”) und eine zweite Öffnung (9) zur Aufnahme der Kathode (10) umfasst, wobei die zweite Öffnung (9) sich von der zweiten Seite des Rahmens (5) bis zur gegenüberliegenden Seite des Kathodenrahmens (5") erstreckt, wobei 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”) nebeneinander angeordnet sind, wobei Anodenrahmen (8) und Kathodenrahmen (11) miteinander verbunden sind, wobei die erste Öffnung (6) und die zweite Öffnung (11) 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 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) bilden, und wobei der Absatz (12) eine planare dritte Oberfläche als Auflagefläche für einen Festkörperelektrolyten, beispielsweise eine Membran 44
(13) bildet, und wobei der Anodenrahmen (8) einen Kern (21) und eine Beschichtung aus Dichtwerkstoff (22) umfasst und wobei der 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 An- und Abtransport von Flüssigkeit und Gas und umfassend einen oder mehrere Kanäle Typ II (15) zum An- und Abtransport von Flüssigkeit und Gas, 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 und wobei Kanäle Typ II (15) Kanäle Typ I (14) mit der ersten Öffnung (6) und der zweiten Öffnung (9) verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenrahmen (8) auf der Oberfläche der ersten Seite des Rahmens (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 elektrochemischen Zelle (2) oder einer Vorrichtung vom Stapeltyp (23) eingebaut ist, in Richtung zur Bipolarplatte (BPP) (16) angeordnet sind und wobei die der ersten Seite des Rahmens (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 An- und Abtransport von Flüssigkeit und Gas und umfassend einen oder mehrere Kanäle Typ II (15) zum An- und Abtransport von Flüssigkeit und Gas, wobei Kanäle Typ I (14) nicht mit der ersten Öffnung (6) im Anodenrahmen (8) oder der zweiten Öffnung (9) im Kathodenrahmen (11) verbunden sind und wobei Kanäle Typ II (15) Kanäle Typ I (14) mit der zweiten Öffnung (9) und der ersten Öffnung (6) verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenrahmen (11) auf der Oberfläche der zweiten Seite des Rahmens (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 elektrochemischen Zelle (2) oder einer Vorrichtung vom Stapeltyp (23) eingebaut ist, in Richtung zur Bipolarplatte (BPP) (16) angeordnet sind und wobei die der zweiten Seite des Rahmens (5) gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens (5”) keine Kanäle Typ II (15) aufweist. 45 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 Flüssigkeit 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 an der dritten Seite der ersten Öffnung (29) gleich ist und wobei gegebenenfalls der Abstand zwischen benachbarten Kanälen Typ II (15) an der zweiten Seite der zweiten Öffnung (28') und an 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 Kern (21) des Anodenrahmens (8) aus Metall ist und der Kern 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) des Anodenrahmens (8) reduzierte Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwerkstoff (22”) aufweist und / oder ein Teil der Beschichtung aus Dichtwerkstoff (22) des Kathodenrahmens (11) zur Reduzierung des Anpressdrucks eine im Vergleich zur Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwerkstoff (22) des Kathodenrahmens (11) reduzierte Schichtdicke der Beschichtung aus Dichtwerkstoff (22”) aufweist. Rahmen (1) nach Anspruch 9, wobei ein Teil der Beschichtung aus Dichtwerkstoff (22) des Anodenrahmens (8) zur Erhöhung der Dichtwirkung eine umlaufende Erhöhung 26” aufweist, die die erste Öffnung 6 umgibt und / oder wobei ein Teil der Beschichtung aus Dichtwerkstoff (22) des Kathodenrahmens (11) zur Erhöhung der Dichtwirkung eine umlaufende Erhöhung 26” aufweist, die die zweite Öffnung 9 umgibt. 1. Rahmen (1) nach einem der vergehenden 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. Elektrochemische Zelle (2) zum Betrieb unter Differenzdruck von bis zu 40 bar und zur Umwandlung oder Erzeugung von Hochdruck-Flüssigkeit oder Hochdruck-Gas umfassend einen Festkörperelektrolyt, beispielsweise eine Membran (13), eine Anode (7), eine Kathode (10), dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Zelle (2) einen Rahmen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 umfasst, wobei die erste Öffnung (6) im Anodenrahmen (8) die Anode (7) umfasst und die zweite Öffnung (9) im Kathodenrahmen (11) die Kathode (10) umfasst und wobei der Festkörperelektrolyt, beispielsweise die Membran (13) zwischen der der ersten Seite des Rahmens gegenüberliegenden Seite des Anodenrahmens (4”) und der der zweiten Seite des Rahmens gegenüberliegenden Seite des Kathodenrahmens (5”) angeordnet ist, wobei die eine Seite des Festkörperelektrolyten, beispielsweise der Membran (13) auf der Anode (7) aufliegt und die andere Seite des Festkörperelektrolyten, beispielsweise der Membran (13) auf dem Absatz (12) und der Kathode (10) aufliegt.
13. Elektrochemische Zelle (2) nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörperelektrolyt, beispielsweise die Membran (13) eine Dicke von 48 weniger als 80 pm, beispielsweise eine Dicke von weniger als 50 pm, vorzugsweise eine Dicke von weniger als 20 pm oder weniger aufweist. Vorassemblierte Baugruppe (20) zur Herstellung einer Vorrichtung vom Stapeltyp (23) für die elektrochemische Umwandlung oder Erzeugung von Gasen und Flüssigkeiten unter Druck umfassend einen Anodenrahmen (8), einen Kathodenrahmen (11), eine BPP (16), eine Anode (7) und eine Kathode (10), wobei der Anodenrahmen (8) eine erste Seite eines Rahmens (4) mit planarer erster Oberfläche, eine der ersten Seite des Rahmens (4) gegenüberliegende Seite des Anodenrahmes (4”) und eine erste Öffnung (6) zur Aufnahme der Anode (7) umfasst, wobei die erste Öffnung (6) sich von der ersten Seite des Rahmens (4) bis zur der ersten Seite des Rahmens (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 des Rahmens (5) mit planarer zweiter Oberfläche, eine der zweiten Seite des Rahmens (5) gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens (5”) und eine zweite Öffnung (9) zur Aufnahme der Kathode (10) umfasst, wobei die zweite Öffnung (9) sich von der zweiten Seite des Rahmens (5) bis zur der zweiten Seite des Rahmens (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 des Rahmens (4) und der zweiten Seite des Rahmens (5) die BPP (16) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenrahmen (8) einen Kern (21) umfasst, vorzugsweise aus Metall oder Kunststoff, und eine Beschichtung aus Dichtwerkstoff (22) und wobei die Beschichtung aus Dichtwerkstoff (22) vorzugsweise eine Beschichtung aus Gummi ist, und 49 wobei die BPP (16) mit der Anode (7) zu einer BPP/Anode (36) verbunden ist und die BPP/ Anode (36) in die erste Öffnung (6) eingelegt oder eingepresst und von dem Anodenrahmen (8) eingerahmt ist, der Kathodenrahmen (10) einen Kern (21) umfasst, vorzugsweise aus Metall oder Kunststoff, und eine Beschichtung aus Dichtwerkstoff (22), vorzugsweise eine Beschichtung aus Gummi, und wobei die Kathode (10) in die zweite Öffnung (9) eingelegt oder eingepresst und von dem Kathodenrahmen (11) eingerahmt ist, wobei das Verbindungselement des Anodenrahmens (8) mit dem Verbindungselement des Kathodenrahmens (11) verbunden wird, vorzugsweise der mindestens einen Stift (19) in dem mindestens ein 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 des Rahmens (4) und die zweite Seite des Rahmens (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 den Festkörperelektrolyten, beispielsweise die Membran (13) bildet, wobei die BPP (16) auf der einen Seite auf der Anode (7) und dem Anodenrahmen (8) aufliegt und auf der anderen Seite auf der Kathode (10), dem Kathodenrahmen (11) und dem Absatz (12) aufliegt. Verfahren zur Herstellung einer vorassemblierten Baugruppe (20) für eine Vorrichtung vom Stapeltyp (23) für die elektrochemische Umwandlung oder Erzeugung von Gasen und Flüssigkeiten unter Druck, umfassend die Verfahrensschritte a) für den Anodenrahmen (8) ein Kern (21) aus Metall hergestellt wird, wobei der Kern (21) eine erste Seite eines Rahmens (4) mit planarer erster Oberfläche und eine der ersten Seite des Rahmens (4) gegenüberliegende Seite des Anodenrahmens (4") umfasst, wobei die erste Seite des Rahmens (4) und die der ersten Seite des Rahmens (4) gegenüberliegende Seite des Anodenrahmens (4”) eine erste Öffnung (6) umfassen, die sich von der ersten Seite des Rahmens (4) bis zur der der ersten Seite des Rahmens (4) gegenüberliegenden Seite des Anodenrahmens (4") 50 erstreckt und die von dem Anodenrahmen (8) eingerahmt ist, und in dem Anodenrahmen (8) ein oder mehrere Kanäle Typ I (14) zum An- und Abtransport von Flüssigkeit und Gas erzeugt werden, wobei die Kanäle Typ
I (14) nicht mit der ersten Öffnung (6) im Anodenrahmen (8) verbunden sind, und wobei an mindestens einer Stelle des Anodenrahmens (8) mindestens ein Verbindungselement, vorzugsweise mindestens ein Stift (19), zur Verbindung mit dem Kathodenrahmen (11) erzeugt wird, b) die ganze oder ein Teil der Oberfläche des gemäß a) hergestellten Kerns (21) aus Metall für den Anodenrahmen (8), vorzugsweise mindestens 90 % der Oberfläche des gemäß a) hergestellten Kerns (21) zur Erzeugung einer Beschichtung aus Gummi mittels Vulkanisierung, ganz oder teilweise mit Natur- oder Synthesekautschuk beschichtet und anschließend vulkanisiert wird und dadurch auf dem Kern (21) eine Beschichtung aus Gummi 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 elektrochemischen Zelle (2) oder einer Vorrichtung vom Stapeltyp (23) eingebaut ist, in Richtung zur BPP (16) angeordnet sind und wobei in der Beschichtung aus Gummi auf der der ersten Seite des Rahmens (4) gegenüberliegenden Seite des Anodenrahmens (4") keine Kanäle Typ II (15) erzeugt werden, c) in den gemäß a) und b) hergestellten Anodenrahmen (8) eine Anode (7), vorzugsweise eine Anode (7) die mit einer BPP (16) zu einer BPP/Anode (36) verbunden ist, gelegt oder eingepresst wird, d) für den Kathodenrahmen (11) ein Kern (21) aus Metall hergestellt wird, wobei der Kern (21) eine zweite Seite des Rahmens (5) mit planarer zweiter Oberfläche und eine der zweiten Seite des Rahmens (5) gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens (5") umfasst, wobei die zweite Seite (5) und die der zweiten Seite des Rahmens (5) gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens (5”) eine zweite Öffnung (9) umfassen, die sich von der zweiten Seite des Rahmens (5) bis zur gegenüberliegenden Seite des Kathodenrahmens (5") erstreckt und die 51 von dem Kathodenrahmen (11) eingerahmt ist, und wobei in dem Kathodenrahmen (11) ein oder mehrere Kanäle Typ I (14) zum An- und Abtransport von Flüssigkeit und Gas erzeugt werden, und wobei die Kanäle Typ I (14) nicht mit der zweiten Öffnung (9) im Kathodenrahmen (11) verbunden sind, und wobei in dem Kathodenrahmen (11) mindestens ein Verbindungselement, beispielsweise mindestens ein Loch (18), zur Verbindung mit dem Anodenrahmen (8) erzeugt wird, e) die ganze oder ein Teil der Oberfläche des gemäß d) hergestellten Kerns (21 ) aus Metall für den Kathodenrahmen (11 ), vorzugsweise mindestens 90 % der Oberfläche des gemäß d) hergestellten Kerns (21) zur Erzeugung einer Beschichtung aus Gummi mittels Vulkanisierung, ganz oder teilweise mit Natur- oder Synthesekautschuk beschichtet und anschließend vulkanisiert wird und dadurch auf dem Kern (21) eine Beschichtung aus Gummi erzeugt wird, wobei in der Beschichtung aus Gummi ein oder mehrere Kanäle Typ II (15) auf der Oberfläche der zweiten Seite des Rahmens (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 elektrochemischen Zelle (2) oder einer Vorrichtung vom Stapeltyp (23) eingebaut ist, in Richtung zur BPP (16) angeordnet sind und wobei die Kanäle Typ II (15) in der Beschichtung aus Gummi in Richtung zur BPP (16) angeordnet sind und wobei in der Beschichtung aus Gummi auf der der zweiten Seite des Rahmens (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 des Rahmens (4) und 52 der zweiten Seite des Rahmens (5) angeordnet ist, und die Kathode (10) in den Kathodenrahmen (11) eingelegt oder eingepresst wird. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung vom Stapeltyp (23) zum Betrieb unter Differenzdruck zur Umwandlung oder Erzeugung von Hochdruck- Flüssigkeit oder Hochdruck-Gas umfassend die Verfahrensschritte, a) mindestens x vorassemblierte Baugruppen (20) nach Anspruch 14 oder erhältlich nach Anspruch 15 und mindestens x+1 Festkörperelektrolyten, beispielsweise mindestens x+1 Membranen (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 ein Festkörperelektrolyt, beispielsweise eine Membran (13) abwechselnd übereinander gestapelt sind und wobei auf der Oberseite und der Unterseite des Stapels vorassemblierter Baugruppen (3) jeweils ein Festkörperelektrolyt, beispielsweise eine Membran (13) und zwischen zwei benachbarten vorassemblierten Baugruppen (20) jeweils ein Festkörperelektrolyt, beispielsweise eine Membran (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 einem äußeren Festkörperelektrolyten, beispielsweise einer äußeren Membran (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 einem äußeren Festkörperelektrolyten, beispielsweise einer äußeren Membran (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. Vorrichtung vom Stapeltyp (23) zum Betrieb unter Differenzdruck zur Umwandlung oder Erzeugung von Hochdruck-Flüssigkeit oder Hochdruck-Gas 53 umfassend x vorassemblierte Baugruppen (20) nach Anspruch 14 oder erhältlich nach Anspruch 15, x+1 Festkörperelektrolyten, beispielsweise x+1 Membranen (13), eine einzelne Anode (7') oder eine Halbzelle Anode, eine einzelne Kathode (10') oder eine Halbzelle Kathode und zwei Endplatten (33), wobei die x vorassemblierten Baugruppen (20) und die x+1 Festkörperelektrolyten, beispielsweise die x+1 Membranen (13) abwechselnd übereinander zu einem Stapel vorassemblierter Baugruppen (3) gestapelt sind, wobei in dem Stapel vorassemblierter Baugruppen (3) jeweils eine vorassemblierte Baugruppe (20) und ein Festkörperelektrolyt, beispielsweise eine Membran (13) abwechselnd übereinander gestapelt sind und wobei auf der Oberseite und der Unterseite des Stapels vorassemblierter Baugruppen (3) jeweils ein Festkörperelektrolyt, beispielsweise eine Membran (13) und zwischen zwei benachbarten vorassemblierten Baugruppen (20) jeweils ein Festkörperelektrolyt, beispielsweise eine Membran (13) angeordnet ist, und wobei auf der einen Seite des Stapels vorassemblierter Baugruppen (3) eine einzelne Anode (7') oder eine Halbzelle Anode parallel zu einem äußeren Festkörperelektrolyten, beispielsweise zu einer äußeren Membran (13) angeordnet ist und auf der anderen Seite des Stapels vorassemblierter Baugruppen (3) eine einzelne Kathode (10') oder eine Halbzelle Kathode parallel zu einem äußeren Festkörperelektrolyten, beispielsweise zu einer äußeren Membran (13) angeordnet ist, wobei parallel zu der einzelnen Anode (7') oder der Halbzelle Anode und parallel zu der einzelnen Kathode (10') oder der Halbzelle Kathode jeweils eine Endplatte (33) angeordnet ist und der erzeugte Stapel zwischen den zwei Endplatten (33) zu einer Vorrichtung vom Stapeltyp (23) zusammengepresst wird, wobei x eine ganze Zahl und > 2 ist. Vorrichtung vom Stapeltyp (23) zum Betrieb unter Differenzdruck zur Erzeugung von Hochdruck-Flüssigkeit oder Hochdruck-Gas umfassend x+1 elektrochemische Zellen (2) nach Anspruch 12 oder 13, umfassend x+1 Festkörperelektrolyten, beispielsweise x+1 Membranen (13) und x-1 BPPs (16), eine obere Endplatte (38) und eine untere Endplatte (44), 54 wobei die x+1 elektrochemischen Zellen (2) und die x-1 BPPs (16) abwechselnd übereinander gestapelt sind, wobei in dem Stapel jeweils eine elektrochemische Zelle (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 elektrochemische Zellen (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 Vorrichtung vom Stapeltyp (23) zusammengepresst wird, wobei x eine ganze Zahl und > 2 ist. Vorrichtung vom Stapeltyp (23) nach einem der Ansprüche 17 oder 18 oder erhältlich nach Anspruch 16, wobei jede der x+1 Festkörperelektrolyten, beispielsweise jede der x+1 Membranen (13) in der Vorrichtung vom Stapeltyp (23) eine Dicke von weniger als 50 pm aufweist, vorzugsweise eine Dicke von 20 pm oder weniger. Vorrichtung vom Stapeltyp (23) nach einem der Ansprüche 17 bis 19 oder erhältlich nach Anspruch 16 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 Endplatte (33), vorzugsweise die obere Endplatte (38) mindestens einen Anschluss für die Einleitung der Flüssigkeit (39), mindestens einen Anschluss für die Ableitung der Flüssigkeit (40) und mindestens zwei Verteilerdeckel (41) umfasst, wobei die mindestens eine Endplatte (33) zur Schaffung von Raum für Flüssigkeit mindestens zwei Räume für die Verteilung von Flüssigkeit in der mindestens einen Endplatte (33) aufweist und wobei jeder der mindestens zwei Verteilerdeckel (41) Raum für die Verteilung von Flüssigkeit im Verteilerdeckel (43) aufweist und wobei mindestens ein Verteilerdeckel (43) zur Einleitung von Flüssigkeit in die Vorrichtung vom Stapeltyp (23) mit mindestens einem Anschluss für die Einleitung von Flüssigkeit (39) und einem Raum für die Verteilung von Flüssigkeit in der Endplatte (42) verbunden ist und wobei mindestens ein weiterer Verteilerdeckel 55
(43) zur Ableitung von Flüssigkeit aus der Vorrichtung vom Stapeltyp (23) mit mindestens einem Anschluss für die Ableitung von Flüssigkeit (40) und einem Raum für die Verteilung in der Endplatte (42) verbunden ist. Deckel 37 für eine Vorrichtung vom Stapeltyp 23 nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei eine Endplatte (33), beispielsweise die obere Endplatte (38) mindestens einen Anschluss für die Einleitung der Flüssigkeit (39) in die Vorrichtung vom Stapeltyp (23), mindestens einen Anschluss für die Ableitung der Flüssigkeit (40) aus der Vorrichtung vom Stapeltyp (23) und mindestens zwei Verteilerdeckel (41) umfasst, wobei die Endplatte (33) zur Schaffung von Raum für Flüssigkeit mindestens zwei Räume für die Verteilung von Flüssigkeit in der Endplatte (33) aufweist und wobei jeder der mindestens zwei Verteilerdeckel (41) Raum für die Verteilung von Flüssigkeit im Verteilerdeckel (43) aufweist und wobei mindestens ein Verteilerdeckel (43) zur Einleitung von Flüssigkeit in die Vorrichtung vom Stapeltyp (23) mit mindestens einem Anschluss für die Einleitung von Flüssigkeit (39) und einem Raum für die Verteilung von Flüssigkeit in der Endplatte (33) verbunden ist und wobei mindestens ein weiterer Verteilerdeckel (43) zur Ableitung von Flüssigkeit aus der Vorrichtung vom Stapeltyp (23) mit mindestens einem Anschluss für die Ableitung von Flüssigkeit (40) und einem Raum für Verteilung von Flüssigkeit in der Endplatte (33) verbunden ist.
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