DE102024104248A1 - Electrochemical cell stack - Google Patents
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Abstract
Ein elektrochemischer Zellenstapel (1) umfasst mehrere Zellen (2), welche durch Bipolarplatten (5, 5') voneinander getrennt sind, wobei jede Zelle (2) aus zwei Halbzellen (3, 4) gebildet ist, zwischen welchen eine von einem Trägerrahmen (7) umgebene Membran (6) angeordnet ist, und wobei sich in jeder Halbzelle (3, 4) eine poröse Transportlage (10, 11) befindet. Der Trägerrahmen (7) beschreibt eine gestufte Form mit zwei aneinander angrenzenden Querschnittsbereichen (12, 13), wobei ein Rand (18) der Membran (6) in einer durch die Querschnittsbereiche (12, 13) gebildeten Stufe (17) liegt und sich die poröse Transportlage (10) einer Halbzelle (3) bis in die Stufe (17) hinein erstreckt, und wobei der Trägerrahmen (7) mindestens eine an den Trägerrahmen (7) angespritzte Dichtungsanordnung (15) aus einem elektrisch isolierenden Dichtmaterial umfasst, wobei die Dichtungsanordnung (15) drei Dichtbereiche (19, 20, 21) mit jeweils mindestens einer Dichtlippe (22, 22') umfasst, nämlich einen ersten Dichtbereich (19) und einen zweiten Dichtbereiche (20), welche dem der Membran (6) zugewandten schmaleren der beiden Querschnittsbereiche (12, 13) zuzurechnen sind und jeweils genau eine Bipolarplatte (5, 5') kontaktieren, sowie einen dritten Dichtbereich (21), welcher sich auf einer der Stufe (17) abgewandten Seite des Trägerrahmens (7) befindet und an eine zur Mediendurchleitung vorgesehene Öffnung (9) des Trägerrahmens (7) grenzt und hierbei beide Bipolarplatten (5, 5'), an denen der erste und der zweite Dichtbereich (19, 20) anliegen, kontaktiert.An electrochemical cell stack (1) comprises a plurality of cells (2) which are separated from one another by bipolar plates (5, 5'), each cell (2) being formed from two half-cells (3, 4) between which a membrane (6) surrounded by a support frame (7) is arranged, and each half-cell (3, 4) containing a porous transport layer (10, 11). The support frame (7) has a stepped shape with two adjacent cross-sectional areas (12, 13), wherein an edge (18) of the membrane (6) lies in a step (17) formed by the cross-sectional areas (12, 13) and the porous transport layer (10) of a half-cell (3) extends into the step (17), and wherein the support frame (7) comprises at least one sealing arrangement (15) made of an electrically insulating sealing material which is injection-molded onto the support frame (7), wherein the sealing arrangement (15) comprises three sealing areas (19, 20, 21) each with at least one sealing lip (22, 22'), namely a first sealing area (19) and a second sealing area (20), which are to be assigned to the narrower of the two cross-sectional areas (12, 13) facing the membrane (6) and each contact exactly one bipolar plate (5, 5'), as well as a third sealing area (21), which is located on a side of the support frame (7) facing away from the step (17) and borders on an opening (9) of the support frame (7) provided for the passage of media and in this case contacts both bipolar plates (5, 5') against which the first and the second sealing region (19, 20) rest.
Description
Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Zellenstapel umfassend eine Vielzahl elektrochemischer Zellen, welche durch Bipolarplatten voneinander getrennt sind, wobei jede elektrochemische Zelle aus zwei Halbzellen gebildet ist, zwischen welchen eine von einem Trägerrahmen umgebene Membran angeordnet ist, und wobei sich in jeder Halbzelle eine poröse Transportlage befindet. Der elektrochemische Zellenstapel ist insbesondere in Form eines Stapels an Elektrolysezellen zur Wasserstoffherstellung ausgebildet.The invention relates to an electrochemical cell stack comprising a plurality of electrochemical cells which are separated from one another by bipolar plates, wherein each electrochemical cell is formed from two half-cells between which a membrane surrounded by a support frame is arranged, and wherein a porous transport layer is located in each half-cell. The electrochemical cell stack is designed in particular in the form of a stack of electrolysis cells for hydrogen production.
Ein Elektrolysezellenstapel ist beispielsweise aus der
Die
Eine weitere Membranbaugruppe, welche innerhalb eines Brennstoffzellenstapels einen Anodenraum von einem Kathodenraum trennt, ist in der
Eine in der
Weitere Gestaltungsmöglichkeiten von Dichtungen in stapelförmigen Anordnungen elektrochemischer Zellen gehen zum Beispiel aus den Dokumenten
Die
Die
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber dem genannten Stand der Technik insbesondere unter fertigungs- und dichtungstechnischen Aspekten weiterentwickelten elektrochemischen Zellenstapel, beispielsweise in Form eines Stapels an Elektrolysezellen zur Wasserstoffgewinnung, anzugeben, wobei der Zellenstapel auch unter einem hohen Differenzdruck zwischen Kathodenseite und Anodenseite betreibbar sein soll.The invention is based on the object of developing an electrochemical cell stack which has been further developed compared to the above-mentioned prior art, particularly with regard to manufacturing and sealing aspects, for example in the form of a Stack of electrolysis cells for hydrogen production, whereby the cell stack should also be operable under a high differential pressure between the cathode side and the anode side.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen elektrochemischen Zellenstapel, insbesondere einen Stapel an Elektrolysezellen zur Wasserstoffherstellung, mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Der Zellenstapel umfasst in an sich bekannter Grundkonzeption eine Vielzahl elektrochemischer Zellen, welche durch Bipolarplatten voneinander getrennt sind, wobei jede elektrochemische Zelle aus zwei Halbzellen gebildet ist, zwischen welchen eine von einem Trägerrahmen umgebene Membran angeordnet ist, und wobei sich in jeder Halbzelle eine für Betriebsmedien des elektrochemischen Systems durchlässige poröse Transportlage befindet.This object is achieved according to the invention by an electrochemical cell stack, in particular a stack of electrolysis cells for hydrogen production, with the features of claim 1. The cell stack comprises, in a basic concept known per se, a plurality of electrochemical cells which are separated from one another by bipolar plates, wherein each electrochemical cell is formed from two half-cells, between which a membrane surrounded by a support frame is arranged, and wherein in each half-cell there is a porous transport layer permeable to operating media of the electrochemical system.
Erfindungsgemäß beschreibt der Trägerrahmen im Querschnitt eine gestufte Form, wobei zwei aneinander grenzende, beispielsweise jeweils rechteckige, unterschiedlich breite Querschnittsbereiche des Trägerrahmens existieren. Allgemein wird auch von aneinander angrenzenden, unterschiedlich breiten Bereichen gesprochen. Die Breite dieser voneinander unterscheidbaren Bereiche ist dabei in der Ebene, in welcher der Trägerrahmen ebenso wie die Membran liegt, zu messen. Ein Rand der Membran liegt in einer durch die beiden Querschnittsbereiche gebildeten Stufe auf dem Trägerrahmen auf.According to the invention, the support frame has a stepped shape in cross-section, with two adjacent, for example rectangular, cross-sectional areas of different widths of the support frame. Generally, this is also referred to as adjacent, different-width areas. The width of these distinguishable areas is to be measured in the plane in which the support frame and the membrane lie. One edge of the membrane lies on the support frame in a step formed by the two cross-sectional areas.
Die poröse Transportlage einer der beiden Halbzellen der elektrochemischen Zelle ist als Druckkraft übertragendes Element ausgebildet und erstreckt sich, ausgehend von dem vom Trägerrahmen umschlossenen Aktivfeld der elektrochemischen Zelle, bis in die genannte Stufe hinein, das heißt über den inneren Rand des Trägerrahmens hinaus. Bei den betrachteten Druckkräften handelt es sich um Kräfte, die in Normalrichtung zu den zueinander parallelen Ebenen, in welchen die Trägerrahmen sowie die Bipolarplatten angeordnet sind, wirken.The porous transport layer of one of the two half-cells of the electrochemical cell is designed as a pressure force-transmitting element and extends from the active field of the electrochemical cell enclosed by the support frame into the step mentioned, i.e. beyond the inner edge of the support frame. The pressure forces considered are forces that act in the normal direction to the mutually parallel planes in which the support frames and the bipolar plates are arranged.
Der Trägerrahmen umfasst mindestens eine an den Trägerrahmen angespritzte Dichtungsanordnung aus einem elektrisch isolierenden Dichtmaterial, wobei die Dichtungsanordnung mindestens drei Dichtbereiche mit jeweils mindestens einer Dichtlippe, nämlich einen ersten Dichtbereich und einen zweiten dünnen Dichtbereich, welche dem der Membran zugewandten schmaleren Querschnittsbereich zuzurechnen sind. Die Dicke sämtlicher Dichtbereiche ist in der genannten Normalrichtung zu messen, das heißt orthogonal zu der Richtung, in welcher die Breite der verschiedenen Querschnittsbereiche des Trägerrahmens zu messen ist. Jeder der beiden genannten Dichtbereiche kontaktiert genau eine Bipolarplatte. Weiterhin existiert ein dritter Dichtbereich, welcher sich auf einer der Stufe abgewandten Seite des Trägerrahmens, das heißt auf der äußeren Seite des Trägerrahmens, befindet und an eine zur Mediendurchleitung vorgesehene Öffnung des Trägerrahmens, das heißt an einen Port, grenzt und hierbei beide Bipolarplatten, an denen der erste und der zweite Dichtbereich anliegen, kontaktiert.The support frame comprises at least one sealing arrangement made of an electrically insulating sealing material which is injection-molded onto the support frame, the sealing arrangement comprising at least three sealing areas, each with at least one sealing lip, namely a first sealing area and a second thin sealing area, which are to be assigned to the narrower cross-sectional area facing the membrane. The thickness of all sealing areas is to be measured in the normal direction mentioned, i.e. orthogonal to the direction in which the width of the various cross-sectional areas of the support frame is to be measured. Each of the two sealing areas mentioned contacts exactly one bipolar plate. There is also a third sealing area which is located on a side of the support frame facing away from the step, i.e. on the outer side of the support frame, and borders on an opening in the support frame provided for the passage of media, i.e. on a port, and in this case contacts both bipolar plates on which the first and second sealing areas rest.
Die mindestens drei Dichtbereiche stellen integrale Bestandteile des Trägerrahmens dar und sind, vom Aktivfeld der elektrochemischen Zelle aus betrachtet, von innen nach außen gestaffelt, wobei der erste Dichtbereich die Kathodenseite der elektrochemischen Zelle abschließt und die innerste, das heißt am geringsten von der Mitte des Aktivfeldes entfernte, Dichtung darstellt. Das Aktivfeld weist dementsprechend kathodenseitig einen kleineren Grundriss als anodenseitig auf. Auf dem ersten Dichtbereich liegt die Membran der elektrochemischen Zelle auf. Im Unterschied zu nicht beanspruchten Lösungen stützt sich die Membran an dieser Stelle nicht an einer weiteren Dichtung ab. Vielmehr befindet sich auf derjenigen Seite der Membran, welche dem kathodenseitigen ersten Dichtbereich direkt gegenüberliegt, ein Volumenabschnitt der anodenseitigen porösen Transportlage. Dieser Volumenabschnitt ist dem bereits erwähnten, zur Übertragung von Druckkräften geeigneten Element zuzurechnen. Von diesem Element, welches in Form einer porösen Transportlage vorliegt, sind die Druckkräfte weiter in die angrenzende Bipolarplatte übertragbar.The at least three sealing areas are integral components of the support frame and, viewed from the active field of the electrochemical cell, are staggered from the inside to the outside, with the first sealing area closing off the cathode side of the electrochemical cell and representing the innermost seal, i.e. the one furthest from the center of the active field. The active field accordingly has a smaller footprint on the cathode side than on the anode side. The membrane of the electrochemical cell rests on the first sealing area. In contrast to unclaimed solutions, the membrane is not supported by another seal at this point. Rather, on the side of the membrane that is directly opposite the cathode-side first sealing area, there is a volume section of the anode-side porous transport layer. This volume section is to be attributed to the element already mentioned that is suitable for transmitting pressure forces. From this element, which is in the form of a porous transport layer, the pressure forces can be transferred further into the adjacent bipolar plate.
Ebenso wie die Membran erstreckt sich auch die zur Übertragung von Druckkräften ausgebildete anodenseitige poröse Transportlage bis in die Stufe hinein, welche von den beiden unterschiedlich breiten Querschnittsbereichen des Trägerrahmens gebildet ist. Ein streifenförmiger Randbereich der Membran ist damit in einem Bereich angeordnet, der kaum mehr für elektrochemische Reaktionen nutzbar ist. Die mechanische Unterstützung des Randbereichs der Membran durch einen in gleicher Weise streifenförmigen Bereich des Trägerrahmens trägt maßgeblich dazu bei, dass an der entsprechenden Stelle keine Undichtigkeiten auftreten können, etwa dadurch, dass die Membran an ihrem Rand in einen Spalt gedrückt wird. Vielmehr wird der streifenförmige Randbereich der Membran auch durch den anodenseitig herrschenden Druck gegen die Stufe gedrückt.Just like the membrane, the anode-side porous transport layer designed to transmit pressure forces also extends into the step, which is formed by the two cross-sectional areas of the support frame with different widths. A strip-shaped edge area of the membrane is thus arranged in an area that can hardly be used for electrochemical reactions. The mechanical support of the edge area of the membrane by a similarly strip-shaped area of the support frame makes a significant contribution to ensuring that no leaks can occur at the corresponding point, for example by the membrane being pressed into a gap at its edge. Rather, the strip-shaped edge area of the membrane is also pressed against the step by the pressure prevailing on the anode side.
Das Aktivfeld der elektrochemischen Zelle wird anodenseitig durch den weiter außen liegenden zweiten Dichtbereich begrenzt. Die anodenseitige poröse Transportlage kann sich bis zu diesem zweiten Dichtbereich erstrecken, wobei dieser zweite Dichtbereich zusammen mit weiteren Volumenabschnitten des Trägerrahmens zusätzlich zur Transportlage zur Übertragung von Druckkräften, welche zwischen den Bipolarplatten wirken, genutzt werden kann.The active field of the electrochemical cell is limited on the anode side by the second sealing area located further out. The anode-side porous transport layer can extend to this second sealing area, whereby this second sealing area together with further volume sections of the support frame in addition to the transport port layer can be used to transmit pressure forces acting between the bipolar plates.
Der dritte Dichtbereich umschließt die äußere Kante des Trägerrahmens auf der, der Stufe abgewandten Seite. Der dritte Bereich weist mindestens zwei Dichtlippen auf, welche gegen die im Querschnitt des Trägerrahmens oberhalb und die unterhalb des Trägerrahmens angeordnete Bipolarplatte anlaufen.The third sealing area encloses the outer edge of the support frame on the side facing away from the step. The third area has at least two sealing lips which run against the bipolar plate arranged above and below the support frame in the cross-section of the support frame.
Das Dichtmaterial ist aus einem elastomeren Werkstoff gebildet, der insbesondere bei einer Temperatur von 23°C ± 2 K eine Shore-A-Härte von 70-90 ShA aufweist. Die Shore-A-Härte wird angegeben bei Elastomeren, nach Messung mit einer Nadel mit abgestumpfter Spitze. Die Stirnfläche des Kegelstumpfs hat einen Durchmesser von 0,79 Millimetern, der Öffnungswinkel beträgt 35°. Auflagegewicht: 1 kg, Haltezeit: 15 s. Die Materialdicke sollte mindestens 6 mm betragen.The sealing material is made of an elastomeric material which has a Shore A hardness of 70-90 ShA, particularly at a temperature of 23°C ± 2 K. The Shore A hardness is specified for elastomers after measurement with a needle with a blunt tip. The front surface of the truncated cone has a diameter of 0.79 millimeters, the opening angle is 35°. Contact weight: 1 kg, holding time: 15 s. The material thickness should be at least 6 mm.
Als zur Bildung der verschiedenen Dichtbereiche geeignete Dichtmaterialien sind beispielhaft FKM (als Abkürzung verwendet für Fluorkautschuk-Mischung oder Fluorkarbon-Kautschuk) und EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk) zu nennen. Zur Anbringung des Dichtmaterials sind bekannte Technologien wie Spritzguss und EdgeBonding geeignet.Examples of sealing materials suitable for forming the various sealing areas are FKM (used as an abbreviation for fluororubber mixture or fluorocarbon rubber) and EPDM (ethylene-propylene-diene rubber). Well-known technologies such as injection molding and edge bonding are suitable for applying the sealing material.
Grundsätzlich ist die mindestens erforderliche Dichtungsüberdeckung, das heißt hier die Höhe einer Dichtlippe über dem restlichen Dichtbereich, eine Funktion bzw. das Resultat aus Materialhärte, Design, der Toleranzkette sowie den Systemanforderungen, also dem abzudichtenden Druck in einer Halbzelle. Die Dichtungsüberdeckung ist prinzipiell ein Vielfaches der Höhe etwaiger vorhandener Stützstrukturen, siehe unten.Basically, the minimum required seal coverage, i.e. the height of a sealing lip above the remaining sealing area, is a function or the result of material hardness, design, the tolerance chain and the system requirements, i.e. the pressure to be sealed in a half-cell. The seal coverage is basically a multiple of the height of any existing support structures, see below.
Vorzugsweise weisen sowohl der erste Dichtbereich als auch der dritte Dichtbereich an ihren dem Trägerrahmen abgewandten Enden jeweils mindestens zwei parallel zur Ebene der Membran verlaufende ringförmige Dichtlippen auf und der zweite Dichtbereich mindestens eine parallel zur Ebene der Membran ringförmig verlaufende Dichtlippe auf. Mögliche Ausbildungen der Dichtlippen sind in den
Ein Dichtbereich wird bevorzugt - im Querschnitt durch die Rahmenanordnung gesehen- nahezu so hoch wie breit ausgebildet. Der Dichtbereich ähnelt damit einem O-Ring. Die Dichtfunktion des zweiten Dichtbereichs beruht primär auf einer axialen Verpressung der Dichtlippe(n). Die Dichtfunktion des ersten und dritten Dichtbereichs beruht primär auf einer axialen Verpressung der Dichtlippen und einer der durch das abzudichtende Medium beaufschlagten, primär horizontal auf den Dichtbereich wirkendende Druckaktivierung, welche aufgrund der vorzugsweise geringen Kompressibilität des Dichtmaterials zu einer zusätzlichen axialen Dichtkraft an den Dichtlippen führt.A sealing area is preferably designed to be almost as high as it is wide - seen in cross-section through the frame arrangement. The sealing area is therefore similar to an O-ring. The sealing function of the second sealing area is based primarily on axial compression of the sealing lip(s). The sealing function of the first and third sealing areas is based primarily on axial compression of the sealing lips and pressure activation, which is applied by the medium to be sealed and acts primarily horizontally on the sealing area, which leads to an additional axial sealing force on the sealing lips due to the preferably low compressibility of the sealing material.
Die verschiedenen Dichtbereiche sind allgemein aus vorzugsweise inkompressiblen Substanzen, insbesondere Elastomeren, aufgebaut. Hierdurch entstehen Wechselwirkungen zwischen in verschiedenen Richtungen wirkenden Belastungen, beispielsweise horizontalen, in der Ebene des Trägerrahmens auftretenden Kräften und vertikalen, in Längsrichtung des Stacks, das heißt Zellenstapels, wirkenden Kräften. Durch solche Wechselwirkungen wird die Dichtwirkung des Trägerrahmens verstärkt. Insgesamt stellt der Trägerrahmen ein hochintegriertes Bauteil dar, welches in ein kompaktes, montagefreundliches, robustes Zellendesign eingebettet ist. Aufgrund der Integration verschiedener Funktionen in den Trägerrahmen und die damit minimierte Anzahl einzelner Bauteile ist die Thematik von Montagetoleranzen zu einem großen Teil prinzipbedingt eliminiert.The various sealing areas are generally made of preferably incompressible substances, in particular elastomers. This creates interactions between loads acting in different directions, for example horizontal forces occurring in the plane of the support frame and vertical forces acting in the longitudinal direction of the stack, i.e. the cell stack. Such interactions increase the sealing effect of the support frame. Overall, the support frame is a highly integrated component that is embedded in a compact, easy-to-assemble, robust cell design. Due to the integration of various functions in the support frame and the resulting minimized number of individual components, the issue of assembly tolerances is largely eliminated in principle.
Der in der Draufsicht die mindestens drei gegeneinander versetzten Dichtbereiche aufweisende Trägerrahmen eignet sich beispielsweise für die Verwendung in einem Elektrolyseur, welche mit einer Druckdifferenz zwischen der Kathoden- und der Anodenseite in der Größen von 100 bar betrieben wird. Ein besonderer Vorteil liegt in dieser Anwendung darin, dass gesonderte Apparaturen zur Verdichtung des Wasserstoffs, um diesen in ein Leitungsnetz einspeisen oder direkt einem Verbraucher zuführen zu können, zu einem wesentlichen Anteil oder sogar vollständig entfallen können.The support frame, which has at least three offset sealing areas in plan view, is suitable for use in an electrolyzer, for example, which is operated with a pressure difference of 100 bar between the cathode and anode sides. A particular advantage of this application is that separate equipment for compressing the hydrogen in order to feed it into a pipeline network or to supply it directly to a consumer can be largely or even completely eliminated.
Abgesehen von den Dichtbereichen sind grundsätzlich metallische oder nichtmetallische Werkstoffe zur Fertigung des Trägerrahmens geeignet. Sofern ein Kern des Trägerrahmens aus Metall gefertigt ist, kann eine auf dem Kern befindliche Substanz für eine elektrische Isolation zwischen den beiden Bipolarplatten, welche den Trägerrahmen zwischen sich einschließen, sorgen.Apart from the sealing areas, metallic or non-metallic materials are generally suitable for manufacturing the support frame. If a core of the support frame is made of metal, a substance located on the core can provide electrical insulation between the two bipolar plates that enclose the support frame between them.
Es hat sich bewährt, wenn mindestens ein elektrisch isolierender Bereich vorhanden ist, der den dritten Dichtbereich mit dem zweiten Dichtbereich und/oder den zweiten Dichtbereich mit den ersten Dichtbereich verbindet. Dabei besitzt der mindestens eine elektrisch isolierende Bereich keinerlei Dichtfunktion, sondern dient lediglich einer elektrischen Isolation. Derartiges kann auf der Anodenseite, der Kathodenseite oder beiden Seiten des Trägerrahmens erforderlich sein.It has proven to be useful if there is at least one electrically insulating area that connects the third sealing area with the second sealing area and/or the second sealing area with the first sealing area. The at least one electrically insulating area has no sealing function whatsoever, but merely serves as electrical insulation. This may be required on the anode side, the cathode side, or both sides of the support frame.
Der mindestens eine elektrisch isolierende Bereich ist bevorzugt aus dem elektrisch isolierenden Dichtmaterial gebildet, aus welchem die Dichtungsanordnung hergestellt ist. Der elektrisch isolierende Bereich kann im Zuge der Bildung der Dichtungsanordnung mit gebildet werden. Dieser elektrisch isolierende Bereich kann sowohl bei einem Trägerrahmen mit metallischem Kern als auch bei einem komplett aus nichtmetallischen Werkstoffen gefertigten Trägerrahmen verwirklicht sein. Bevorzugt wird der mindestens eine elektrisch isolierende Bereich aber auf einem Trägerrahmen aus elektrisch leitfähigem Material angeordnet, um Kosten zu reduzieren.The at least one electrically insulating region is preferably made of the electrically insulating the sealing material from which the sealing arrangement is made. The electrically insulating region can be formed during the formation of the sealing arrangement. This electrically insulating region can be implemented both in a support frame with a metallic core and in a support frame made entirely of non-metallic materials. Preferably, however, the at least one electrically insulating region is arranged on a support frame made of electrically conductive material in order to reduce costs.
Gemäß einer möglichen Weiterbildung wird eine elastische Abstützung im elektrisch isolierenden Bereich, welcher bevorzugt wesentlich breiter als jeder der Dichtbereiche ist, durch elastische Stützstrukturen, wie beispielsweise elastische Noppen, Stege, Rillen oder auch Druckfedern unterstützt. Die Stützstrukturen können aus beliebigen metallischen und/oder nichtmetallischen Werkstoffen gefertigt sein.According to a possible further development, an elastic support in the electrically insulating area, which is preferably significantly wider than each of the sealing areas, is supported by elastic support structures, such as elastic knobs, webs, grooves or compression springs. The support structures can be made of any metallic and/or non-metallic materials.
Die elastische Nachgiebigkeit der Stützstrukturen kann insbesondere für eine Montage mit einem sogenannten SoftStop genutzt werden. Hierbei geht man davon aus, dass der Trägerrahmen einschließlich des elektrisch isolierenden Bereichs eine weichere Feder darstellt als die im Aktivfeld vorliegende Anordnung, welche zusätzlich zur Membran insbesondere die porösen Transportlagen in beiden Halbzellen umfasst.The elastic flexibility of the support structures can be used in particular for assembly with a so-called SoftStop. Here, it is assumed that the support frame including the electrically insulating area represents a softer spring than the arrangement in the active field, which in addition to the membrane in particular includes the porous transport layers in both half-cells.
Ein HardStop-Konzept ist dagegen mit einem Trägerrahmen realisierbar, welcher keinen elektrisch isolierenden Bereich aus einem elastischen Material wie dem Dichtmaterial aufweist. In einem solchen Fall können die benachbarten Bipolarplatten unmittelbar auf dem kaum nachgiebigen Kern des Trägerrahmens aufliegen, sofern der Kern aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt ist. Ansonsten kann eine elektrische Isolation durch eine elektrisch isolierende Beschichtung, welche sich auf mindestens einer an einer Bipolarplatte anliegenden Seite des Trägerrahmens befindet, als elektrisch isolierender Bereich hergestellt sein. Als elektrisch isolierende Beschichtungen eigenen sich hierbei beispielsweise keramische Beschichtungen, wie aus Al2O3 und/oder SiO2, oder auch polymere Beschichtungen.A HardStop concept, on the other hand, can be implemented with a support frame that does not have an electrically insulating area made of an elastic material such as the sealing material. In such a case, the adjacent bipolar plates can rest directly on the barely flexible core of the support frame, provided the core is made of an electrically insulating material. Otherwise, electrical insulation can be created by an electrically insulating coating that is located on at least one side of the support frame that is adjacent to a bipolar plate, as an electrically insulating area. Suitable electrically insulating coatings here include ceramic coatings such as Al 2 O 3 and/or SiO 2 , or polymer coatings.
Sofern ein Kernelement des Trägerrahmens als Metallteil, insbesondere Blechteil, ausgebildet ist, kommt eine ein- oder mehrlagige Gestaltung dieses Kernelements in Betracht. Im Fall einer zweilagigen Ausführung kann eine der beiden Blechlagen des Kernelements im Bereich ihrer Stirnseite die Stufe mit einer darunter angeordneten, längeren Blechlage bilden. Die Blechlagen können zum Beispiel durch Schweißung miteinander verbunden sein.If a core element of the support frame is designed as a metal part, in particular a sheet metal part, a single or multi-layer design of this core element is possible. In the case of a two-layer design, one of the two sheet metal layers of the core element can form the step with a longer sheet metal layer arranged underneath it in the area of its front side. The sheet metal layers can be connected to one another by welding, for example.
Bei einer Fertigung des Trägerrahmens aus Blech, insbesondere Stahlblech, bietet eine dreidimensionale Strukturierung des Blechs Vorteile hinsichtlich der mechanischen Stabilität bei gleichzeitig sparsamem Materialeinsatz. Beispielsweise beschreibt der aus Blech durch umformende Verfahren gefertigte Metallkern des Trägerrahmens einen dreidimensional umgeformten Querschnitt. Hierbei können in das Blech eingebrachte Sicken insbesondere in Längsrichtung des Rahmens verlaufen. Nach der Formung des Blechs, welches das Kernelement des Trägerrahmens darstellt, kann das Blech in einem einzigen Arbeitsschritt mit einem Elastomer, welches sämtliche Dichtbereiche bildet, umspritzt werden. Gleichzeitig können elektrisch isolierende Bereiche angespritzt werden.When the support frame is made from sheet metal, particularly steel sheet metal, a three-dimensional structuring of the sheet metal offers advantages in terms of mechanical stability while at the same time using materials economically. For example, the metal core of the support frame, made from sheet metal using a forming process, describes a three-dimensionally formed cross-section. In this case, beads introduced into the sheet metal can run in the longitudinal direction of the frame in particular. After the sheet metal, which is the core element of the support frame, has been formed, the sheet metal can be overmolded in a single work step with an elastomer that forms all the sealing areas. At the same time, electrically insulating areas can be molded on.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung liegt der erste Dichtbereich zwischen einer der beiden Bipolarplatten, die den Trägerrahmen sandwichartig umschließen, und einer geschichteten Anordnung, die zur Aufnahme von Druckkräften vorgesehen ist. Die genannte Anordnung ist aus der Membran der elektrochemischen Zelle, der Druckkraft übertragenden porösen Transportlage der anodenseitigen Halbzelle, der zweiten Bipolarplatte und einem Kühlfeldrahmen, welcher mechanisch stärker als umgebende Elemente belastbar ist, gebildet. Trotz geringer Höhe der elektrochemischen Zellen ist damit ein stabiler Aufbau des gesamten Zellenstapels mit hochwirksamen Abdichtungen sowohl innerhalb der Zellen als auch nach außen realisierbar.According to one possible embodiment, the first sealing area is located between one of the two bipolar plates that sandwich the support frame and a layered arrangement that is designed to absorb compressive forces. The arrangement mentioned is made up of the membrane of the electrochemical cell, the porous transport layer of the anode-side half-cell that transmits compressive force, the second bipolar plate and a cooling field frame that can withstand greater mechanical loads than surrounding elements. Despite the low height of the electrochemical cells, a stable structure of the entire cell stack with highly effective seals both inside the cells and to the outside can thus be achieved.
Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
-
1 ausschnittsweise ein erstes Ausführungsbeispiel eines elektrochemischen Zellenstapels im Querschnitt gesehen, -
2 einen Ausschnitt aus der Anordnung nach1 , -
3 einen Trägerrahmen des Zellenstapels nach1 in Draufsicht, -
4 - 10 Ausschnitte weiterer elektrochemischer Zellenstapel im Querschnitt gesehen, -
11 einen weiteren Ausschnitt aus einem elektrochemischer Zellenstapel im Querschnitt gesehen, und -
12 - 13 mögliche Dichtlippen für die Dichtbereiche im Querschnitt gesehen.
-
1 a first embodiment of an electrochemical cell stack seen in cross section, -
2 an excerpt from the arrangement according to1 , -
3 a support frame of the cell stack1 in plan view, -
4 - 10 Sections of further electrochemical cell stacks seen in cross section, -
11 another section of an electrochemical cell stack seen in cross section, and -
12 - 13 possible sealing lips for the sealing areas seen in cross section.
Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämtliche Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.The following explanations refer to all embodiments, unless otherwise stated. Parts that correspond to one another or have essentially the same effect are identified with the same reference symbols in all figures.
Bei einem insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneten elektrochemischen Zellenstapel handelt es sich um einen Elektrolyseur zur Herstellung von Wasserstoff. Der Zellenstapel 1 umfasst eine Vielzahl elektrochemischer Zellen 2, das heißt Elektrolysezellen, welche jeweils aus einer ersten Halbzelle 3 und einer zweiten Halbzelle 4 aufgebaut sind. Bipolarplatten 5, 5' trennen eine Halbzelle 3 einer ersten elektrochemischen Zelle 2 von einer Halbzelle 4 einer weiteren elektrochemischen Zelle 2. Die beiden Halbzellen 3, 4 einer jeden elektrochemischen Zelle 2 sind durch eine Membran 6 voneinander getrennt. Die Membran 6 befindet sich in einem Trägerrahmen 7, welcher sandwichartig zwischen zwei zueinander parallelen Bipolarplatten 5, 5' positioniert ist. An electrochemical cell stack, identified overall by the reference number 1, is an electrolyzer for producing hydrogen. The cell stack 1 comprises a plurality of electrochemical cells 2, i.e. electrolysis cells, each of which is made up of a first half cell 3 and a second half cell 4. Bipolar plates 5, 5' separate a half cell 3 of a first electrochemical cell 2 from a half cell 4 of a further electrochemical cell 2. The two half cells 3, 4 of each electrochemical cell 2 are separated from one another by a membrane 6. The membrane 6 is located in a support frame 7, which is positioned like a sandwich between two bipolar plates 5, 5' that are parallel to one another.
Der Grundriss des Trägerrahmens 7 geht aus
Der in den Ausführungsbeispielen betrachtete Abschnitt des Trägerrahmens 7 grenzt einerseits an einen Port 9 und andererseits an beide Halbzellen 3, 4 ein und derselben elektrochemischen Zelle 2. In dem genannten Abschnitt existieren zwei voneinander unterscheidbare, unterschiedlich breite Querschnittsbereiche 12, 13. Der Trägerrahmen 7 umfasst ein ein- oder mehrteiliges Kernelement 14, welches Raum in mindestens einem der Querschnittsbereiche 12, 13 einnimmt, sowie eine insgesamt mit 15 bezeichnete Dichtungsanordnung. Die Dichtungsanordnung 15 ist ebenso wie das Kernelement 14 einem Rahmenabschnitt 16 zuzurechnen.The section of the support frame 7 considered in the exemplary embodiments borders on one hand on a port 9 and on the other hand on both half-cells 3, 4 of one and the same electrochemical cell 2. In said section there are two cross-sectional areas 12, 13 that can be distinguished from one another and have different widths. The support frame 7 comprises a single-part or multi-part core element 14, which takes up space in at least one of the cross-sectional areas 12, 13, as well as a sealing arrangement designated overall by 15. The sealing arrangement 15, like the core element 14, is assigned to a frame section 16.
Die in der Ebene des Trägerrahmens 7 zu messende Breite des Rahmenabschnitts 16 ist mit BR bezeichnet. Die in allen Fällen geringere Breite des Kernelements 14 trägt die Bezeichnung BK. Die mit HR bezeichnete Höhe des Trägerrahmens 7 gibt zusammen mit weiteren Elementen des Zellenstapels 1 den Abstand zwischen zwei benachbarten Bipolarplatten 5, 5' vor. Die Summe aus der Dicke des Querschnittsbereichs 13 und der Dicke des elektrisch isolierenden Bereichs 27ergibt hier die Höhe HR des Rahmenabschnitts 16. Auch in diesen Fällen beziehen sich die Angaben „unten“ und „oben“ lediglich auf die Figuren und implizieren keine Aussage über die tatsächliche Einbaulage der Komponenten 5, 5', 6, 16 im Zellenstapel 1.The width of the frame section 16, which is to be measured in the plane of the support frame 7, is designated BR. The width of the core element 14, which is smaller in all cases, is designated BK. The height of the support frame 7, designated HR, together with other elements of the cell stack 1, specifies the distance between two adjacent bipolar plates 5, 5'. The sum of the thickness of the cross-sectional area 13 and the thickness of the electrically insulating area 27 results in the height HR of the frame section 16. In these cases too, the information "bottom" and "top" refers only to the figures and does not imply any statement about the actual installation position of the components 5, 5', 6, 16 in the cell stack 1.
Zwischen dem Querschnittsbereich 12 und dem Querschnittsbereich 13 ist auf derjenigen Seite des Rahmenabschnitts 16, welche dem Aktivfeld 8 zugewandt ist, eine Stufe 17 gebildet. Ein mit 18 bezeichneter Rand der Membran 6 liegt in dieser Stufe 17, wobei er wegen des Vorhandenseins der Dichtungsanordnung 15 vom Kernelement 14 zumindest geringfügig beabstandet bleibt. Die Dichtungsanordnung 15 umfasst drei voneinander unterscheidbare Dichtbereiche 19, 20, 21. Hierbei sind ein erster Dichtbereich 19 und ein zweiter Dichtbereich 20 von dritten Dichtbereich 21 unterscheidbar. Die Dicke des ersten Dichtbereichs 19 und des zweiten Dichtbereichs 20 entspricht jeweils der Höhe einer Halbzelle 3, 4. Der dritte Dichtbereich 21 füllt die gesamte Zellenhöhe aus. Während der letztgenannte dritte Dichtbereich 21 zum Port 9 hin abdichtet, dichten die beiden Dichtbereiche 19, 20 das Aktivfeld 8 ab. Sämtliche Dichtbereiche 19, 20, 21 stellen integrale Bestandteile des Trägerrahmens 7 dar. In den Ausführungsbeispielen weist jeder Dichtbereich 19, 20, 21 mindestens eine Dichtlippe 22 auf. Die im Schnittbild dargestellten Dichtlippen 22 verlaufen dabei in der Draufsicht auf die Membrane 6 jeweils ringförmig.A step 17 is formed between the cross-sectional area 12 and the cross-sectional area 13 on the side of the frame section 16 which faces the active field 8. An edge of the membrane 6, designated 18, lies in this step 17, remaining at least slightly spaced from the core element 14 due to the presence of the sealing arrangement 15. The sealing arrangement 15 comprises three sealing areas 19, 20, 21 which can be distinguished from one another. A first sealing area 19 and a second sealing area 20 can be distinguished from a third sealing area 21. The thickness of the first sealing area 19 and the second sealing area 20 corresponds to the height of a half-cell 3, 4. The third sealing area 21 fills the entire cell height. While the latter third sealing area 21 seals towards the port 9, the two sealing areas 19, 20 seal the active field 8. All sealing areas 19, 20, 21 are integral components of the support frame 7. In the exemplary embodiments, each sealing area 19, 20, 21 has at least one sealing lip 22. The sealing lips 22 shown in the sectional view each run in a ring shape in the plan view of the membrane 6.
In allen skizzierten Anordnungen weist der erste Dichtbereich 19 zwei Dichtlippen 22 auf, welche auf der unteren Bipolarplatte 5' aufliegen, sowie zwei weitere Dichtlippen 22, auf welchen die Membran 6 aufliegt. Die insgesamt vier Dichtlippen 22 sind der beim Betrieb des Zellenstapels 1 wirkenden Druckbeaufschlagung entgegengerichtet, was die Dichtwirkung mit zunehmendem Druck verstärkt. Damit trägt die Form der Dichtlippen 22 zum Effekt einer Selbstabdichtung bei.In all the arrangements outlined, the first sealing area 19 has two sealing lips 22 which rest on the lower bipolar plate 5', as well as two further sealing lips 22 on which the membrane 6 rests. The total of four sealing lips 22 are directed against the pressure applied during operation of the cell stack 1, which increases the sealing effect with increasing pressure. The shape of the sealing lips 22 thus contributes to the self-sealing effect.
Die oberhalb der Membran 6 befindliche poröse Transportlage 10 stellt ein kraftübertragendes Element dar, welches zusammen mit dem ersten Dichtbereich 19 Kräfte F, das heißt Druckkräfte, zwischen den parallel zueinander angeordneten Bipolarplatten 5, 5' überträgt. Im Ausführungsbeispiel nach den
Der zweite Dichtbereich 20 weist in den Ausführungsbeispielen lediglich eine einzige, an der Bipolarplatte 5 anliegende Dichtlippe 22 auf. Vom Aktivfeld 8 aus gesehen, ist der zweite Dichtbereich 20 gegenüber dem ersten Dichtbereich 19 nach außen, das heißt in Richtung zum Port 9, versetzt. Der unmittelbar an den Port 9 grenzende dritte Dichtbereich 21 weist in den skizzierten Beispielen genau zwei Dichtlippen 22 auf, wobei jede dieser Dichtlippen 22 eine der Bipolarplatten 5, 5' kontaktiert, zwischen welchen der Trägerrahmen 7 angeordnet ist.In the embodiments, the second sealing region 20 has only a single, Bipolar plate 5 has a sealing lip 22. Viewed from the active field 8, the second sealing region 20 is offset outwards from the first sealing region 19, i.e. in the direction of the port 9. The third sealing region 21, which is immediately adjacent to the port 9, has exactly two sealing lips 22 in the examples outlined, with each of these sealing lips 22 contacting one of the bipolar plates 5, 5', between which the support frame 7 is arranged.
In den Ausführungsbeispielen nach den
Gemäß den
Die elektrisch isolierenden Bereiche 27, 27' sind gemäß den
Gemäß
Dem gesamten Trägerrahmen 7 wird damit eine elastische Nachgiebigkeit in Normalrichtung der Ebene, in welcher der Trägerrahmen 7 liegt, verliehen.The entire support frame 7 is thus given an elastic flexibility in the normal direction of the plane in which the support frame 7 lies.
Im Ausführungsbeispiel nach den
Eine solche Baueinheit aus Kernelement 14 und Dichtungsanordnung 15 ist auch in der Bauform nach
Der Trägerrahmen 7 nach
Im Ausführungsbeispiel nach
Dementsprechend wird im Fall von
Im Fall von
Im Ausführungsbeispiel nach
Auch im Ausführungsbeispiel nach
Im Ausführungsbeispiel nach
Gemäß
Die
- zwei Dichtlippen 22 mit jeweils dreieckiger Grundform;
- vier Dichtlippen 22 mit jeweils dreieckiger Grundform;
- zwei Dichtlippen 22 mit jeweils rundlicher Grundform;
- vier Dichtlippen 22 mit jeweils stufenartiger, abgeflachter Grundform;
- vier Dichtlippen 22, zwei mit jeweils dreieckiger Grundform, zwei mit rundlicher Grundform.
- two sealing lips 22, each with a triangular basic shape;
- four sealing lips 22, each with a triangular basic shape;
- two sealing lips 22, each with a rounded basic shape;
- four sealing lips 22, each with a step-like, flattened basic shape;
- four sealing lips 22, two with a triangular basic shape, two with a rounded basic shape.
Dabei sind derartige Grundformen beliebig kombinierbar und die Anzahl der Dichtlippen 22 variierbar. Die für den dritten Dichtbereich 21 dargestellten Dichtlippen-Ausführungen sind auch für den ersten Dichtbereich 19 einsetzbar.Such basic shapes can be combined as desired and the number of sealing lips 22 can be varied. The sealing lip designs shown for the third sealing area 21 can also be used for the first sealing area 19.
- zwei Dichtlippen 22', eine mit rundlicher Grundform und eine mit dreieckiger Grundform;
- zwei Dichtlippen 22' mit jeweils stufenartiger, abgeflachter Grundform;
- eine Dichtlippe 22' mit rundlicher Grundform;
- zwei Dichtlippen 22' mit jeweils dreieckiger Grundform;
- eine Dichtlippe 22' mit dreieckiger Grundform.
- two sealing lips 22', one with a rounded basic shape and one with a triangular basic shape;
- two sealing lips 22' each with a step-like, flattened basic shape;
- a sealing lip 22' with a rounded basic shape;
- two sealing lips 22' each with a triangular basic shape;
- a sealing lip 22' with a triangular basic shape.
Dabei sind derartige Grundformen beliebig kombinierbar und die Anzahl der Dichtlippen 22' variierbar.Such basic shapes can be combined as desired and the number of sealing lips 22' can be varied.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- elektrochemischer Zellenstapelelectrochemical cell stack
- 22
- elektrochemische Zelle, Elektrolysezelleelectrochemical cell, electrolysis cell
- 33
- HalbzelleHalf cell
- 44
- HalbzelleHalf cell
- 5, 5'5, 5'
- BipolarplatteBipolar plate
- 66
- Membranmembrane
- 77
- TrägerrahmenSupport frame
- 88
- AktivfeldActive field
- 99
- Öffnung, Portopening, port
- 1010
- poröse Transportlage, anodenseitigporous transport layer, anode side
- 1111
- poröse Transportlage, kathodenseitigporous transport layer, cathode side
- 1212
- QuerschnittsbereichCross-sectional area
- 1313
- QuerschnittsbereichCross-sectional area
- 1414
- KernelementCore element
- 1515
- Dichtungsanordnung aus DichtmaterialSealing arrangement made of sealing material
- 1616
- RahmenabschnittFrame section
- 1717
- StufeLevel
- 1818
- Rand der MembranEdge of the membrane
- 1919
- erster Dichtbereich am Aktivfeld mit Dichtlippen 22first sealing area on the active field with sealing lips 22
- 2020
- zweiter Dichtbereich am Aktivfeld mit einseitiger Dichtlippe 22'second sealing area on the active field with one-sided sealing lip 22'
- 2121
- dritter Dichtbereich, an den Port 9 grenzendthird sealing area, adjacent to port 9
- 2222
- DichtlippeSealing lip
- 22'22'
- DichtlippeSealing lip
- 2323
- KühlfeldrahmenCooling field frame
- 2424
- PrägeelementEmbossing element
- 2525
- PrägestrukturEmbossed structure
- 2626
- PrägeelementEmbossing element
- 27, 27'27, 27'
- Elektrisch isolierender Bereich (ohne Dichtfunktion)Electrically insulating area (without sealing function)
- 2828
- RandleisteSidebar
- 2929
- Bandband
- 3030
- StützstrukturenSupport structures
- 3131
- elektrisch isolierende Beschichtungelectrically insulating coating
- 3232
- NutGroove
- 3333
- ZahnTooth
- 3434
- ZahnstrukturTooth structure
- 3535
- BlechstreifenSheet metal strips
- 3636
- Blechstreifen Sheet metal strips
- BRBR
- Breite des RahmenelementesWidth of the frame element
- BKBK
- Breite des KernelementsWidth of the core element
- FF
- DruckraftPressure force
- HRHR
- Höhe des TrägerrahmensHeight of the support frame
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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