AT527374B1 - Vorrichtung zur Durchführung eines elektrochemischen Verfahrens - Google Patents

Vorrichtung zur Durchführung eines elektrochemischen Verfahrens

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AT527374B1 ATA50554/2023A AT505542023A AT527374B1 AT 527374 B1 AT527374 B1 AT 527374B1 AT 505542023 A AT505542023 A AT 505542023A AT 527374 B1 AT527374 B1 AT 527374B1
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Baugruppe (20) für eine Vorrichtung (10) zur Durchführung eines elektrochemischen Verfahrens, umfassend eine Bipolarplatte (2) zur Begrenzung zweier benachbarter elektrochemischer Zellen (1), wobei der Randbereich (3) der Bipolarplatte (2) - vor-zugsweise entlang des gesamten Umfanges der Bipolarplatte (2) - in einer Um-mantelung (4) eingebettet ist, wobei vorzugsweise die Ummantelung (4) den Randbereich (3) der Bipolarplatte (2) beidseitig umschließt. Die Baugruppe zeichnet sich dadurch aus, dass im Randbereich (3) der Bipolarplatte (2) ein - vorzugsweise umlaufendes - Dichtelement (15), vorzugsweise in Form eines O-Ringes und/oder vorzugsweise aus Kunststoff oder Gummi, stirnseitig an der Bipolarplatte (2) anliegt und in der Ummantelung (4) eingebettet, vorzugsweise vollständig von der Ummantelung (4) eingeschlossen, ist.

Description

Ss N
Beschreibung
[0001] Die Erfindung betrifft eine Baugruppe für eine Vorrichtung zur Durchführung eines elektrochemischen Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1, eine Vorrichtung zur Durchführung eines elektrochemischen Verfahrens, insbesondere Elektrolysezellenvorrichtung und/oder Brennstoffzellenvorrichtung, gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 15, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung und/oder einer solchen Baugruppe.
[0002] Die DE 102010024316 A1 offenbart eine Dichtung für eine Bipolarplatte mit einem Dichtungsmaterial, das zur Abdichtung von Mediumflüssen in der Brennstoffzelle geeignet ist. Die Herstellung einer Baugruppe mit einer Bipolarplatte und einer Dichtung kann dadurch erfolgen, dass die Dichtung vorübergehend gedehnt und die Bipolarplatte währenddessen in die Dichtung eingeschoben wird. Alternativ kann die Dichtung an die Bipolarplatte angespritzt werden.
[0003] Die DE 102007042985 A1 offenbart eine Bipolarplatte für einen PEM-Elektrolyseur. Um die Dichtheit der Bipolarplatte zu gewährleisten, ist das leitfähige Element mit einem in der - dem leitfähigen Element zugewandten - Wandung der Bipolarplatte angeordneten Dichtring, der das leitfähige Element umläuft, abgedichtet.
[0004] Die WO 03033768 A2 offenbart einen Druckelektrolyseur mit einem Druckbehälter und einem in dem Druckbehälter angeordneten Elektrolysezellenblock mit in Form eines Stapels zusammengefassten Elektrolysezellen, wobei die Elektrolysezellen jeweilige Anoden und Kathoden enthalten. Die Anoden und Kathoden sind von einem entlang ihrem Umfang verlaufenden Dichtungselement umgeben, welches im Bereich der Anode bzw. der Kathode einen seitlichen Abschluss der Elektrolysezelle bildet und zwischen die Zellrahmen abdichtend eingefügt ist.
[0005] DE 102013220486 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen einer mehrteiligen, insbesondere mehrlagigen, Bipolarplatte für eine elektrochemische Vorrichtung. Dabei wird mindestens ein Dichtelement aus einem elastischen Material an einem ersten Teil der Bipolarplatte mittels eines Anspritzvorgangs erzeugt. Der erste Teil der Bipolarplatte mit dem daran erzeugten Dichtelement wird mit einem zweiten Teil der Bipolarplatte längs mindestens einer Verbindungslinie verbunden.
[0006] Die US 2019393518 A1 offenbart eine Dichtanordnung für eine Bipolarplatte einer Brennstoffzelle.
[0007] Die EP 0629015 A1 offenbart eine elekrochemische Zelle mit Membran. Eine Dichtung ist vorgesehen, um zu verhindern, dass Gase nach außen dringen oder sich innerhalb der Zelle vermischen.
[0008] Die AT524548B1 offenbart eine Elektrolysezelle zur Erzeugung von gasförmigem Wasserstoff, welche entlang einer Zellachse angeordnet zumindest eine Anionen-Austauschermembran, zumindest einen ersten Zellrahmen und zumindest einen zweiten Zellrahmen umfasst. Die Zellrahmen umgrenzen jeweils einen Innenbereich, der zur Aufnahme einer Membran-Elektrodeneinheit vorgesehen ist. Zwischen zwei Elektrolysezellen ist jeweils eine Bipolarplatte angeordnet, um die Spannungsversorgung der Membran-Elektrodeneinheit und somit den Prozess der Elektrolyse zu gewährleisten.
[0009] Vorrichtungen mit derselben oder ähnlicher sich wiederholender Stapelfolge: Bipolarplatte - Zellrahmen - Elektrode (Anode) - Membran - Elektrode (Kathode) - Zellrahmen - Bipolarplatte, usw. sind im Stand der Technik hinreichend bekannt.
[0010] Nachteilig an den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen ist insbesondere, dass die Fertigung aufwendig und damit kostenintensiv ist, das Problem unzureichender Dichtheit gegenüber Wasserstoff nicht zufriedenstellend gelöst ist und eine WMederverwendung einzelner Komponenten einer Elektrolysezellenvorrichtung nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand möglich ist.
[0011] Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine Vorrichtung bzw. Baugruppe zur Verfügung zu stellen, deren Herstellung
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einfacher und kostengünstiger erfolgen kann, die eine hohe Dichtheit gegenüber an dem Verfahren beteiligten Stoffen, insbesondere Wasserstoff, aufweist und eine einfache Mederverwendung zumindest jener/-n Komponente(n) erlaubt, welche durch die Reaktionen weniger beansprucht sind.
[0012] Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß den Ansprüchen gelöst.
[0013] Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung eines elektrochemischen Verfahrens, insbesondere Elektrolysezellenvorrichtung und/oder Brennstoffzellenvorrichtung, umfasst
- zumindest zwei in einer Stapelrichtung nacheinander angeordnete elektrochemische Zellen und
- zumindest eine Bipolarplatte zwischen zwei benachbarten elektrochemischen Zellen,
[0014] wobei die elektrochemischen Zellen jeweils durch zumindest eine Zellrahmenstruktur in Richtungen quer zur Stapelrichtung begrenzt sind, und wobei der Randbereich der Bipolarplatte - vorzugsweise entlang des gesamten Umfanges der Bipolarplatte - in einer Ummantelung eingebettet ist, wobei vorzugsweise die Ummantelung den Randbereich der Bipolarplatte beidseitig umschließt. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass im Randbereich der Bipolarplatte zumindest ein - vorzugsweise umlaufendes - Dichtelement, vorzugsweise in Form eines O- Ringes und/oder vorzugsweise aus Kunststoff oder Gummi, stirnseitig an der Bipolarplatte anliegt und in der Ummantelung eingebettet, vorzugsweise vollständig von der Ummantelung eingeschlossen, ist.
[0015] Während der Randbereich der Bipolarplatte in der Ummantelung eingebettet ist, lässt die Ummantelung den inneren bzw. zentralen Bereich der Bipolarplatte frei bzw. unbedeckt. Die Ummantelung kann ein entlang des Umfangs der Bipolarplatte umlaufendes ring- oder rahmenförmiges Gebilde sein, welches vorzugsweise zusätzliche Strukturen, wie Durchbrüche für Fluidkanäle oder Befestigungsstrukturen, enthält. Die innere und/oder äußere Kontur der Ummantelung (Ring, Rahmen, etc.) kann beliebige Form annehmen: kreisförmig, oval, vieleckig, rechteckig, mit abgerundeten Ecken, usw. oder diverse Kombinationen bzw. Überlagerungen dieser Formen.
[0016] Die Bipolarplatte mit ihrer Ummantelung bilden eine kompakte bauliche Einheit, die sich durch einfache Handhabung während der Fertigung und WMederverwendbarkeit nach dem Austausch anderer - hohem Verschleiß unterliegenden - Komponenten, wie z.B. der (Anionen-Austausch-)Membran oder Elektroden auszeichnet. Die Ummantelung gewährleistet eine hohe Dichtheit gegenüber Gasen, insbesondere H>,, weil der Randbereich der Bipolarplatte in die Ummantelung eingebettet ist. Dadurch können pro Zelle mehrere Dichtstellen vermieden werden und sowohl die Dichtheit nach außen als auch die Dichtheit zwischen benachbarten Zellen erhöht werden.
[0017] Zudem kann die Ummantelung - als äußerer Bereich der baulichen Einheit - bevorzugt auch funktionale Strukturen enthalten, wie z.B. einen oder mehrere Fluidkanäle und/oder Befestigungsstrukturen. Wie weiter unten beschrieben kann die Ummantelung auch eine Zellrahmenstruktur für die Zelle ausbilden, eine oder mehrere Aufnahmen für Dichtungen und/oder die Membran aufweisen, einen Zugang (z.B. in Form eines Zugangskanals) für die elektrische Anbindung der Bipolarplatte (z.B. an eine Messeinrichtung) ausbilden, usw..
[0018] Die Bipolarplatte bildet eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Anode einer Zelle mit der Kathode ihrer Nachbarzelle. Die Bipolarplatte kann somit beidseitig mit Elektroden bestückt (eingepresst oder beschichtet oder geklebt) sein. Nach dem Ende des Lebenszyklus der Elektrode, kann diese von der Bipolarplatte entfernt und durch eine neue ersetzt werden. Während die Elektroden und/oder die Membran nach dem Ende eines Lebenszyklus zu ersetzen sind, kann die bauliche Einheit aus Bipolarplatte und Ummantelung als solche erhalten und wiederverwendet werden, wodurch die Erfindung auch eine ressourcenschonende Lösung darstellt.
[0019] Der Begriff Bipolarplatte wird in dieser Anmeldung breit gesehen. So wird unter Bipolarplatte in dieser Anmeldung auch jedes flächige oder wandförmige Gebilde (bzw. Abtrennung zwi-
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schen Zellen) verstanden, welches den elektrischen Kontakt zwischen aufeinanderfolgenden elektrochemischen Zellen herstellen kann. Insbesondere werden auch dünnwandige und/oder folienartige flächige Gebilde und somit auch (Bipolar-) Folien als unter den Begriff Bipolarplatte fallend betrachtet.
[0020] Die Bipolarplatte kann bevorzugter Weise auch dazu ausgebildet sein, die bei der Reaktion entstehenden Gase, insbesondere O2 und H2 aus der Reaktionszone zu leiten. Die Bipolarplatte kann sowohl plan, strukturiert oder in Verbindung mit einem porösen Einpress-, Druck- oder Sinterelement sein.
[0021] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Bipolarplatte aus elektrisch leitfähigem Material und die Ummantelung aus elektrisch isolierendem Material gebildet ist und/oder dass die Ummantelung aus Kunststoff, vorzugsweise Polysulfon (PSU) und/oder PoIyphenylensulfid (PPS) und/oder Polyethersulfon (PES) und/oder Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) gebildet ist. Die Herstellung der Ummantelung aus elektrisch isolierendem Material, insbesondere Kunststoff, hat den großen Vorteil, dass Fluidströme, welche im Randbereich der Bipolarplatte (z.B. im Bereich der Zellrahmenstruktur) geleitet werden nicht mit der Bipolarplatte selbst in Berührung kommen können. Dadurch wird die lokale Bildung von Gas - welche bei einer ausreichend Spannungsdifferenz - möglich ist, verhindert. Verunreinigungen des jeweiligen Produktgases sowie dadurch bedingte, nicht unwesentliche Effizienzverluste können durch diese Maßnahme verhindert werden. Kunststoffe können zudem leicht an die Bipolarplatte angeformt werden.
[0022] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der Randbereich der Bipolarplatte formschlüssig in der Ummantelung aufgenommen ist und/oder dass die Ummantelung stoffschlüssig mit dem Randbereich der Bipolarplatte verbunden ist. Sowohl eine formschlüssige als auch eine stoffsschlüssige Anbindung bieten neben mechanischer Stabilität einen hohen Dichtheitsgrad.
[0023] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Ummantelung ein Spritzgussteil ist, der vorzugsweise auf den Randbereich der Bipolarplatte gespritzt oder gegossen ist. Durch diese Maßnahme wird ein einfacher Herstellungsvorgang gewährleistet und mit den oben genannten Vorteilen, insbesondere Stabilität der Verbindung sowie Dichtheit kombiniert.
[0024] Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass im Randbereich der Bipolarplatte zumindest ein - vorzugsweise umlaufendes - Dichtelement, vorzugsweise in Form eines O-Ringes und/oder vorzugsweise aus Kunststoff oder Gummi, stirnseitig, an der Bipolarplatte anliegt und in der Ummantelung eingebettet, vorzugsweise vollständig von der Ummantelung eingeschlossen, ist, wobei vorzugsweise das Dichtelement in eine dafür vorgesehene Ausnehmung in der Bipolarplatte eingelegt, vorzugsweise eingepresst, ist. Durch dieses zwischen Bipolarplatte und Ummantelung eingebettete Dichtelement kann die Dichtheit effizient erhöht werden. Ein derartiges Dichtelement wird bevorzugt zur Abdichtung der an die Kathode grenzende Halbzelle eingesetzt.
[0025] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Ummantelung und die Zellrahmenstruktur eine monolithische Einheit bilden oder dass die Zellrahmenstruktur in der Ummantelung der Bipolarplatte eingebettet ist. Diese Maßnahme ist besonders vorteilhaft, da für die Zellrahmenstruktur - im Falle einer monolithischen Einheit mit der Ummantelung - keine gesonderte Komponente erforderlich, wodurch einerseits die Fertigung erheblich vereinfacht wird und andererseits die zu dichtenden Stellen verringert werden. Eine Einbettung der Zellrahmenstruktur in die Ummantelung führt ebenfalls zu einem höheren Dichtheitsgrad. In beiden Fällen bilden die Ummantelung und die Zellrahmenstruktur eine Einheit dar. Zusammen mit der Bipolarplatte bilden sie eine fertigungstechnisch einfach zu handhabende Baugruppe.
[0026] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Erstreckung der Ummantelung in einer Richtung, die sich senkrecht zur Ebene der Bipolarplatte erstreckt, zumindest doppelt so groß ist wie die Dicke der Bipolarplatte. Diese Maßnahme ist besonders dann
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von Vorteil, wenn die Ummantelung gleichzeitig auch weitere Strukturen wie die Zellrahmenstruktur ausbildet.
[0027] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass in der Ummantelung der Bipolarplatte eine - vorzugsweise umlaufende - Ausnehmung, vorzugsweise in Form einer Nut, ausgebildet ist, wobei in der Ausnehmung eine umlaufende Dichtung aufgenommen ist. Die Ausnehmung kann dabei z.B. um einen Fluidkanal verlaufen. Die Dichtung sorgt dafür, dass das Fluid nicht aus dem Fluidkanal in den Spalt zwischen der Ummantelung und einer angrenzenden Komponente, z.B. der Ummantelung einer nachfolgenden Bipolarplatte, tritt.
[0028] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die elektrochemischen Zellen jeweils durch eine Membran, insbesondere eine Anionen-Austausch-Membran, in zwei Bereiche getrennt werden.
[0029] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der Randbereich der Membran - vorzugsweise entlang des gesamten Umfanges der Membran und vorzugweise beidseitig - mit einem Rahmen versehen ist, wobei vorzugsweise der Rahmen aus Dichtmaterial, insbesondere Gummi, und/oder aus einem steiferen Material als die Membran, gebildet ist. Die Membran bildet mit dem Rahmen eine bauliche Einheit. Der Rahmen, der vorzugsweise formstabiler ist als die Membran, erhöht die mechanische Stabilität dieser baulichen Einheit. Dies erleichtert die Bereitstellung und Handhabung während der Fertigung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Zudem kann der Rahmen als Dichtung zur angrenzenden Komponente, welche vorzugsweise die Bipolarplatte mit ihrer Ummantelung ist, dienen. In letzterem Fall ist der Rahmen bevorzugt aus Dichtmaterial gebildet und liegt im assemblierten Zustand an der Ummantelung, insbesondere in einer Ausnehmung der Ummantelung.
[0030] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der Rahmen mit dem Randbereich der Membran verklebt oder verschweißt ist. Dadurch ergibt sich eine besonders zuverlässige Verbindung. Denkbar wäre auch, dass Membran und Rahmen einstückig bzw. monolithisch ausgeführt sind.
[0031] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der Rahmen außerhalb der Kontur der Membran zumindest eine Dichtung ausbildet, welche einen in der Ummantelung ausgebildeten Abschnitt eines Fluidkanals umschließt.
[0032] Der Rahmen kann somit mehrere Funktionen in sich vereinen: Abdichten der (Halb-)Zelle, Abdichten eines Fluidkanals und Erhöhung der mechanischen Stabilität der Membran. Rahmen und Dichtung sind vorzugsweise monolithisch und aus Dichtungsmaterial gebildet. We bereits weiter oben erwähnt kann die Dichtung zumindest teilwiese in einer Ausnehmung bzw. Nut der Ummantelung untergebracht sein.
[0033] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass in der Ummantelung der Bipolarplatte eine sich in Stapelrichtung öffnende - vorzugsweise umlaufende - Ausnehmung, vorzugsweise in Form einer Nut, ausgebildet ist, und dass der Rahmen, mit dem der Randbereich der Membran versehen ist, in der Ausnehmung der Ummantelung - vorzugsweise formschlüssig - aufgenommen ist. Die Ausnehmung bzw. Nut läuft um den inneren Bereich der Bipolarplatte, also um jenen Bereich der Bipolarplatte, welcher nicht durch die Ummantelung abgedeckt ist. Die Zellen bzw. Halbzellen sind durch diese Maßnahme besonders gut abgedichtet. Außerdem wird der Fertigungsprozess durch diese Maßnahme vereinfacht, da die Ausnehmung eine exakt reproduzierbare Anordnung der Membran relativ zur Bipolarplatte ermöglicht.
[0034] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass eine Membran mit der Ummantelung - vorzugsweise stoffschlüssig, insbesondere durch Kleben und oder Schweißen, verbunden ist. Auch bei dieser Variante kann eine besonders hohe Dichtheit der Zelle erreicht werden.
[0035] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass in der Ummantelung - vorzugsweise in einem über den eingebetteten Randbereich der Bipolarplatte hinausgehenden Bereich - zumindest eine Befestigungsstruktur, insbesondere in Form eines Durchbruches oder einer Ausnehmung, zur Fixierung der Bipolarplatte innerhalb der Vorrichtung ausgebildet ist. Mit
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dieser Variante erhält die Ummantelung vorteilhafterweise eine weitere Funktion, nämlich die Schnittstelle zur Befestigung der Baugruppe innerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
[0036] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass in der Ummantelung der Bipolarplatte - vorzugsweise in einem über den eingebetteten Randbereich der Bipolarplatte hinausgehenden Bereich und/oder vorzugsweise im Bereich der Zellrahmenstruktur - zumindest ein Fluidkanal zum Zuführen eines Fluids in die und/oder Abführen eines Fluids aus der elektrochemischen Zelle ausgebildet ist. Auch mit dieser Maßnahme erhält die Ummantelung eine weitere Funktion, nämlich das Zu- und/oder Abführen von (insbesondere gasförmigen oder flüssigen) Fluiden, die als Ausgangsstoff (z.B. Wasser) zugeführt oder als Reaktionsprodukte (z.B. Sauerstoff und/oder H2) abgeführt werden. Aufgrund der Ummantelung können diese Fluide von der Bipolarplatte effizient ferngehalten werden, sodass es zu keinen parasitären Strömen oder unerwünschten Gasbildungen kommen kann.
[0037] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Vorrichtung zumindest zwei, in der Stapelrichtung nacheinander angeordnete und - vorzugsweise lösbar - miteinander verbundene Baugruppen, die - wie nachfolgend beschrieben - ausgebildet sein können, umfasst. Die Lösbarkeit der Baugruppen ist besonders vorteilhaft, da dies die Wiederverwendung von Komponenten bzw. ganzer Baugruppen (z.B. am Ende des Lebenszyklus der Membranen und/oder Elektroden) ermöglicht.
[0038] Das Ziel der Erfindung wird somit auch erreicht mit einer Baugruppe für eine Vorrichtung zur Durchführung eines elektrochemischen Verfahrens, umfassend eine Bipolarplatte zur Begrenzung zweier benachbarter elektrochemischer Zellen, wobei der Randbereich der Bipolarplatte vorzugsweise entlang des gesamten Umfanges der Bipolarplatte - in einer Ummantelung eingebettet ist, wobei vorzugsweise die Ummantelung den Randbereich der Bipolarplatte beidseitig umschließt. Die Baugruppe zeichnet sich dadurch aus, dass im Randbereich der Bipolarplatte ein - vorzugsweise umlaufendes - Dichtelement, vorzugsweise in Form eines O- Ringes und/oder vorzugsweise aus Kunststoff oder Gummi, stirnseitig an der Bipolarplatte anliegt und in der Ummantelung eingebettet, vorzugsweise vollständig von der Ummantelung eingeschlossen, ist.
[0039] Die Erfindung bezieht sich auch auf die Verwendung einer erfindungsgemäßen (bzw. gemäß einer der Ausführungsformen ausgebildeten) Baugruppe in einer erfindungsgemäßen (bzw. gemäß einer der Ausführungsformen ausgebildeten) Vorrichtung zur Durchführung eines elektrochemischen Verfahrens.
[0040] Eine Baugruppe dieser Art ist besonders vorteilhaft, weil sie einerseits aus Komponenten besteht, deren Lebensdauer wesentlich länger ist als die Lebensdauer anderer Komponenten, wie z.B. Membranen, Elektroden, etc., und daher Wiederverwendbarkeit gegeben ist, und andererseits aufgrund der Ummantelung besonders einfach handhabbar ist, wodurch wiederum der Fertigungsprozess effizienter gestaltet werden kann.
[0041] Die bereits oben beschriebenen Vorteile und Funktionen der Ausführungsformen gelten selbstverständlich auf für die Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Baugruppe. Um Wiederholungen zu vermeiden, werden hiermit diese auf nachfolgende Ausführungsformen übertragen.
[0042] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Bipolarplatte aus elektrisch leitfähigem Material und die Ummantelung aus elektrisch isolierendem Material gebildet ist und/oder dass die Ummantelung aus Kunststoff, vorzugsweise Polysulfon (PSU) und/oder PoIyphenylensulfid (PPS) und/oder Polyethersulfon (PES) und/oder Aecrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) gebildet ist.
[0043] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der Randbereich der Bipolarplatte formschlüssig in der Ummantelung aufgenommen ist und/oder dass die Ummantelung stoffschlüssig mit dem Randbereich der Bipolarplatte verbunden ist.
[0044] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Ummantelung ein Spritzgussteil ist, der vorzugsweise auf den Randbereich der Bipolarplatte gespritzt oder gegossen ist.
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[0045] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Baugruppe zumindest eine Zellrahmenstruktur zur Begrenzung einer elektrochemischen Zelle umfasst, wobei die Ummantelung und die Zellrahmenstruktur eine monolithische Einheit bilden oder die Zellrahmenstruktur in der Ummantelung der Bipolarplatte eingebettet ist.
[0046] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Erstreckung der monolithischen Einheit in Stapelrichtung zumindest doppelt so groß ist wie die Dicke der Bipolarplatte.
[0047] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass in der Ummantelung der Bipolarplatte eine - vorzugsweise umlaufende - Ausnehmung, vorzugsweise in Form einer Nut, ausgebildet ist, wobei in der Ausnehmung eine umlaufende Dichtung aufgenommen ist.
[0048] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Baugruppe zumindest eine Membran, insbesondere eine Anionen-Austausch-Membran, zur Trennung einer elektrochemischen Zelle in zwei Bereiche umfasst.
[0049] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der Randbereich der Membran - vorzugsweise entlang des gesamten Umfanges der Membran und vorzugweise beidseitig - mit einem Rahmen versehen ist, wobei vorzugsweise der Rahmen aus Dichtmaterial, insbesondere Gummi, und/oder aus einem steiferen Material als die Membran, gebildet ist.
[0050] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der Rahmen mit dem Randbereich der Membran stoffschlüssig verbunden ist, insbesondere verklebt oder verschweißt.
[0051] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass in der Ummantelung der Bipolarplatte eine sich stirnseitig öffnende - vorzugsweise umlaufende - Ausnehmung, vorzugsweise in Form einer Nut, ausgebildet ist, und dass der Rahmen, mit dem der Randbereich der Membran versehen ist, in der Ausnehmung der Ummantelung - vorzugsweise formschlüssig - aufgenommen ist.
[0052] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Membran mit der Ummantelung - vorzugsweise stoffschlüssig, insbesondere durch Kleben und oder Schweißen, verbunden ist.
[0053] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass in der Ummantelung - vorzugsweise in einem über den eingebetteten Randbereich der Bipolarplatte hinausgehenden Bereich - zumindest eine Befestigungsstruktur, insbesondere in Form eines Durchbruches oder einer Ausnehmung, zur Fixierung der Bipolarplatte innerhalb der Vorrichtung ausgebildet ist.
[0054] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass in der Ummantelung der Bipolarplatte - vorzugsweise in einem über den eingebetteten Randbereich der Bipolarplatte hinausgehenden Bereich und/oder vorzugsweise im Bereich der Zellrahmenstruktur - zumindest ein Fluidkanal zum Zuführen eines Fluids in die und/oder Abführen eines Fluids aus der elektrochemischen Zelle ausgebildet ist.
[0055] Das Ziel der Erfindung wird auch erreicht mit einem Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und/oder einer erfindungsgemäßen Baugruppe, dadurch gekennzeichnet, dass der Randbereich der Bipolarplatte mit einer Ummantelung versehen wird, sodass der Randbereich - vorzugsweise entlang des gesamten Umfanges der Bipolarplatte - in der Ummantelung eingebettet ist.
[0056] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass - vor dem Versehen des Randbereiches der Bipolarplatte mit einer Ummantelung - im Randbereich der Bipolarplatte zumindest ein, vorzugsweise umlaufendes, Dichtelement (z.B. aus Kunststoff oder Gummi und/oder in Form eines O-Ringes), vorzugsweise stirnseitig, an die Bipolarplatte angelegt wird. Dies kann z.B. dadurch erfolgen, dass das Dichtelement in eine dafür vorgesehene Ausnehmung in der Bipolarplatte eingelegt, vorzugsweise eingepresst, wird. Beim Versehen des Randbereiches der Bipolarplatte mit einer Ummantelung wird dieses Dichtelement ebenfalls in die Ummantelung eingebettet, vorzugsweise vollständig von der Ummantelung eingeschlossen. Dadurch wird ein besonders hoher Dichtigkeitsgrad erreicht.
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[0057] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass das Versehen des Randbereiches der Bipolarplatte mit einer Ummantelung derart erfolgt, dass der Randbereich vorzugsweise mit Kunststoffmaterial - umspritzt wird.
[0058] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass das Versehen des Randbereiches der Bipolarplatte mit einer Ummantelung derart erfolgt, dass der Randbereich der Bipolarplatte an zumindest zwei, vorzugsweise zumindest drei, Elemente angelegt wird, und die Elemente durch ein Fügeverfahren miteinander verbunden werden, wobei vorzugsweise das Fügeverfahren ein stoffschlüssiges Fügeverfahren, vorzugsweise Kleben oder Schweißen, insbesondere Ultraschallschweißen, ist. In dieser Variante werden „Ummantelungs“-Elemente - vorzugsweise von beiden Seiten - an die Bipolarplatte angelegt, bevor diese Elemente dann miteinander verbunden werden. Auf diese Weise kann die Bipolarplatte unverlierbar mit der Ummantelung verbunden sein bzw. in dieser untergebracht sein.
[0059] Eine bevorzugte Weiterbildung sieht, insbesondere für die "geschweißte" Variante, vor, dass an der Bipolarplatte, vorzugsweise (kathoden-)stirnseitig, ein umlaufendes Dichtelement eingelegt und beim Schweißvorgang mit eingepresst wird.
[0060] Eine bevorzugte Ausführungsform ist gekennzeichnet durch die Schritte: (a) Bereitstellen einer Membran zur Trennung einer elektrochemischen Zelle in zwei Bereiche; und (b) Verbinden - vorzugsweise lösbares Verbinden - der Membran mit der Ummantelung der Bipolarplatte. Wie bereits erwähnt ist eine lösbare Verbindung besonders vorteilhaft, da die Membran eine verschleißanfällige Komponente darstellt, hingegen Bipolarplatte mit Ummantelung wiederverwertbar sind.
[0061] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass in der Ummantelung der Bipolarplatte eine sich stirnseitig öffnende - vorzugsweise umlaufende - Ausnehmung, vorzugsweise in Form einer Nut, ausgebildet ist, und dass der Randbereich der in Schritt (a) bereitgestellten Membran - vorzugsweise entlang des gesamten Umfanges der Membran und vorzugweise beidseitig - mit einem Rahmen versehen ist, wobei vorzugsweise der Rahmen aus Dichtmaterial, insbesondere Gummi, und/oder aus einem steiferen Material als die Membran, gebildet ist, und dass in Schritt (b) der Rahmen, mit dem der Randbereich der Membran versehen ist, in die Ausnehmung der Ummantelung eingelegt wird.
[0062] Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei dem Bau-gruppen zur Bildung der elektrochemischen Zellen in eine Aufnahme zum Aufnehmen und Halten der Baugruppen eingebaut werden,
gekennzeichnet durch die Schritte:
- Bereitstellung von erfindungsgemäßen Baugruppen außerhalb der Aufnahme und - Einbau der bereitgestellten Baugruppen in die Aufnahme,
[0063] wobei vorzugsweise zumindest zwei der bereitgestellten Baugruppen vor ihrem Einbau in die Aufnahme - vorzugsweise lösbar - miteinander verbunden werden.
[0064] Der modulartige Aufbau der Vorrichtung ermöglich ein einfaches Herstellungsverfahren, insbesondere wenn die Baugruppen (z.B. Bipolarplatte mit Ummantelung) vorgefertigt sind und mit entsprechenden Schnittstellen für die benachbarten Komponenten (z.B. Membran vorzugsweise mit Rahmen aus Dichtmaterial) ausgestattet sind.
[0065] Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
[0066] Es zeigen jeweils in stark vereinfachter, schematischer Darstellung:
[0067] Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung eines elektrochemischen Verfahrens, insbesondere Elektrolysezellenvorrichtung und/oder Brennstoffzellenvorrichtung;
[0068] Fig. 2 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Baugruppe umfassend eine Bipolarplatte mit Ummantelung;
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[0069] Fig. 3 einen Schnitt durch eine Baugruppe aus Bipolarplatte und Ummantelung; [0070] Fig. 4 einen Schnitt durch eine Membran-Rahmen-Einheit;
[0071] Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines Zellstapels aus erfindungsgemäßen Baugruppen;
[0072] Fig. 6 in schematischer Darstellung die Fertigung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung durch Einbringen von Baugruppen in eine Aufnahme.
[0073] Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind diese Lageangaben bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.
[0074] Die Ausführungsbeispiele zeigen mögliche Ausführungsvarianten, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass die Erfindung nicht auf die speziell dargestellten Ausführungsvarianten derselben eingeschränkt ist, sondern vielmehr auch diverse Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich sind und diese Variationsmöglichkeit aufgrund der Lehre zum technischen Handeln durch gegenständliche Erfindung im Können des auf diesem technischen Gebiet tätigen Fachmannes liegt.
[0075] Der Schutzbereich ist durch die Ansprüche bestimmt. Die Beschreibung und die Zeichnungen sind jedoch zur Auslegung der Ansprüche heranzuziehen. Einzelmerkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispielen können für sich eigenständige erfinderische Lösungen darstellen. Die den eigenständigen erfinderischen Lösungen zugrundeliegende Aufgabe kann der Beschreibung entnommen werden.
[0076] Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus Elemente teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert dargestellt wurden.
[0077] Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform einer Vorrichtung 10 zur Durchführung eines elektrochemischen Verfahrens. Diese kann eine Elektrolysezellenvorrichtung und/oder Brennstoffzellenvorrichtung sein und somit zur Umwandlung elektrischer Energie in chemische Energie oder zur Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie ausgelegt sein (und kann damit auch als Energieumwandlungsvorrichtung bezeichnet werden). Die Erfindung eignet sich besonders zur Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse aus Wasser. Die Energieumwandlungsvorrichtung wird manchmal auch einfach als Elektrolysezelle bzw. Brennstoffzelle oder als Elektrolysebzw. Brennstoffzellenstapel bezeichnet.
[0078] Die in Fig. 2 dargestellte Energieumwandlungsvorrichtung 10 umfasst in einer Stapelrichtung S nacheinander angeordnete elektrochemische Zellen 1, die jeweils durch zumindest eine Zellrahmenstruktur 5 in Richtungen quer zur Stapelrichtung S begrenzt sind.
[0079] Um Zweigleisigkeiten zu vermeiden sei an dieser Stelle ausdrücklich erwähnt, dass sich die nachfolgend beschriebenen Merkmale und Merkmalskombinationen sowohl auf die Vorrichtung 10 als auch auf Baugruppen 20 - wenn die Vorrichtung 10 aus solchen Baugruppen 20 zusammengesetzt ist - beziehen kann. Im Zusammenhang mit der Vorrichtung 10 wird in den Ansprüchen als Begrifflichkeit die Stapelrichtung S verwendet, während im Zusammenhang mit der Baugruppe 20 die Erstreckung senkrecht zur Ebene der Bipolarplatte 2 verwendet wird.
[0080] In der dargestellten Ausführungsform ist die Vorrichtung 10 aus Baugruppen 20 zusammengesetzt, wobei eine solche Baugruppe 20 eine Bipolarplatte 2 umfasst, die zwei benachbarte elektrochemische Zellen 1 voneinander trennt. Me auch aus Fig. 2 ersichtlich, ist der Randbereich 3 der Bipolarplatte 2 - vorzugsweise entlang des gesamten Umfanges der Bipolarplatte 2 in einer Ummantelung 4 eingebettet. Die Ummantelung 4 kann den Randbereich 3 der Bipolar-
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platte 2 beidseitig umschließen. In der Ummantelung 4 integriert könnte z.B. eine elektrische Leitung (z.B. in Form eines Drahtes oder Fähnchens) verlaufen, welche die Bipolarplatte mit einer Messvorrichtung oder einem Potential elektrisch verbindet.
[0081] Die Bipolarplatte 2 ist üblicherweise aus elektrisch leitfähigem Material gebildet, um die Anode für die eine angrenzende Zelle mit der Kathode für die andere angrenzende Zelle auf demselben Potential zu halten. In Fig. 2 ist die eine Elektrode (Anode) mit dem Bezugszeichen 14 und die andere Elektrode (Kathode) mit dem Bezugszeichen 15 bezeichnet. Die Ummantelung 4 hingegen ist bevorzugt aus aus elektrisch isolierendem Material gebildet. Die Ummantelung kann insbesondere aus Kunststoff, vorzugsweise Polysulfon (PSU) und/oder Polyphenylensulfid (PPS) und/oder Polyethersulfon (PES) und/oder Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) gebildet sein.
[0082] Wie aus der bevorzugten Ausführungsform der Fig. 3 ersichtlich kann der Randbereich 3 der Bipolarplatte 2 formschlüssig in der Ummantelung 4 aufgenommen sein. Zudem kann die Ummantelung 4 stoffschlüssig mit dem Randbereich 3 der Bipolarplatte 2 verbunden sein. Besonders bevorzugt ist, wenn die Ummantelung monolithisch ausgebildet ist, z.B. als Spritzgussteil, der vorzugsweise auf den Randbereich 3 der Bipolarplatte 2 gespritzt oder gegossen ist.
[0083] Eine besonders bevorzugte Ausführung ist darin zu sehen, dass im Randbereich 3 der Bipolarplatte 2 ein - vorzugsweise umlaufendes - Dichtelement 15, vorzugsweise in Form eines O-Ringes und/oder vorzugsweise aus Kunststoff oder Gummi, vorzugsweise stirnseitig, an der Bipolarplatte 2 anliegt. Das Dichtelement 15 ist - wie in Fig. 3 gezeigt - in der Ummantelung 4 eingebettet, vorzugsweise vollständig von der Ummantelung 4 eingeschlossen. Das Dichtelement 15 kann in eine dafür vorgesehene Ausnehmung in der Bipolarplatte 2 eingelegt, vorzugsweise eingepresst, sein.
[0084] Die Zellrahmenstruktur 5 kann Bestandteil der Ummantelung sein und vorzugsweise mit dieser eine monolithische Einheit bilden. Alternativ könnte die Zellrahmenstruktur 5 ursprünglich als gesonderter Bauteil vorliegen und - bei der Assemblierung oder davor - in die Ummantelung 4 der Bipolarplatte 2 eingebettet werden. In beiden Fällen ist es bevorzugt, wenn die Erstreckung der Ummantelung 4 in Stapelrichtung S zumindest doppelt so groß ist wie die Dicke der Bipolarplatte 2.
[0085] Wie aus Fig. 3 und 4 ersichtlich kann in der Ummantelung 4 der Bipolarplatte 2 eine vorzugsweise umlaufende - Ausnehmung 6, vorzugsweise in Form einer Nut, ausgebildet sein, wobei in der Ausnehmung 6 eine umlaufende Dichtung 13 aufgenommen ist. Diese Dichtung kann z.B. einen in der Ummantelung als Durch-bruch ausgebildeten Fluidkanal umschließen.
[0086] Die elektrochemischen Zellen 1 sind in der dargestellten Ausführungsform jeweils durch eine Membran 7, insbesondere eine Anionen-Austausch-Membran, in zwei Bereiche getrennt. Der Randbereich der Membran 7 kann - vorzugsweise entlang des gesamten Umfanges der Membran 7 und vorzugweise beidseitig - mit einem Rahmen 8 versehen sein. Der Rahmen kann aus Dichtmaterial, insbesondere Gummi, und/oder aus einem steiferen Material als die Membran 7, gebildet sein. Dabei kann der Rahmen 8 mit dem Randbereich der Membran 7 verklebt oder verschweißt sein.
[0087] Wie aus den Fig. 1, 3 und 5 ersichtlich kann in der Ummantelung 4 der Bipolarplatte 2 eine sich in Stapelrichtung S öffnende - vorzugsweise umlaufende - Ausnehmung 6, vorzugsweise in Form einer Nut, ausgebildet sein. Dabei kann der Rahmen 8, mit dem der Randbereich der Membran 7 versehen ist, in der Ausnehmung 6 der Ummantelung 4 - vorzugsweise formschlüssig - aufgenommen sein.
[0088] Alternativ oder zusätzlich könnte die Membran 7 mit der Ummantelung 4 - vorzugsweise stoffschlüssig, insbesondere durch Kleben und oder Schweißen, - verbunden sein.
[0089] Aus Fig. 1 ist ersichtlich, dass in der Ummantelung 4 - vorzugsweise in einem über den eingebetteten Randbereich 3 der Bipolarplatte 2 hinausgehenden Bereich - zumindest eine Befestigungsstruktur 9, insbesondere in Form eines Durchbruches oder einer Ausnehmung, zur Fixierung der Bipolarplatte 2 innerhalb der Vorrichtung 10 ausgebildet sein kann.
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[0090] Wie bereits erwähnt kann in der Ummantelung 4 der Bipolarplatte 2 - vorzugsweise in einem über den in der Ummantelung 4 eingebetteten Randbereich 3 der Bipolarplatte 2 hinausgehenden Bereich und/oder vorzugsweise im Bereich der Zellrahmenstruktur 5 - zumindest ein Fluidkanal 11 zum Zuführen eines Fluids in die und/oder Abführen eines Fluids aus der elektrochemischen Zelle 1 ausgebildet sein.
[0091] Aus Fig. 2 und 6 ist ersichtlich, dass die Vorrichtung 10 zumindest zwei, in der Stapelrichtung S nacheinander angeordnete und - vorzugsweise lösbar - miteinander verbundene Baugruppen 20 umfassen kann. Dadurch wird ein sogenannter Zellstapel gebildet. Z.B. können die Baugruppen 20 als Stapel geklemmt und somit gegeneinander gedrückt werden, wodurch auch die Membranen 7 gegebenenfalls mit ihmem Rahmen 8 zwischen den Ummantelungen 4 zweier benachbarter Bipolarplatten 2 eingeklemmt werden.
[0092] Schließlich zeigt Fig. 3 auch schematisch ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung 10 und/oder einer Baugruppe 20. Dabei wird der Randbereich 3 der Bipolarplatte 2 mit einer Ummantelung 4 versehen, sodass der Randbereich 3 - vorzugsweise entlang des gesamten Umfanges der Bipolarplatte 2 - in der Ummantelung 4 eingebettet ist.
[0093] Das Versehen des Randbereiches 3 der Bipolarplatte 2 mit einer Ummantelung 4 erfolgt hier derart, dass der Randbereich 3 der Bipolarplatte 2 an zumindest zwei, vorzugsweise zumindest drei, (z.B. plattenförmige) Elemente 4a, 4b, 4c angelegt wird, und die Elemente 4a, 4b, 4c durch ein Fügeverfahren miteinander verbunden werden. Das Fügeverfahren kann z.B. ein stoffschlüssiges Fügeverfahren, vorzugsweise Kleben oder Schweißen, insbesondere Ultraschallschweißen, sein. Selbstverständlich wäre es auch denkbar nur zwei (oder auch mehr als drei) solcher Elemente zur Herstellung der Ummantelung zu verwenden.
[0094] Vor dem Versehen des Randbereiches 3 der Bipolarplatte 2 mit einer Ummantelung 4 kann - im Randbereich 3 der Bipolarplatte 2 zumindest ein, vorzugsweise umlaufendes, Dichtelement 15, vorzugsweise in Form eines O-Ringes und/oder vorzugsweise aus Kunststoff oder Gummi, vorzugsweise stirnseitig, an die Bipolarplatte 2 angelegt, vorzugsweise in eine dafür vorgesehene Ausnehmung in der Bipolarplatte (2) eingelegt, vorzugsweise eingepresst, werden. Beim Versehen des Randbereiches 3 der Bipolarplatte 2 mit einer Ummantelung 4 wird das Dichtelement 15 (siehe Fig. 3) ebenfalls in die Ummantelung 4 mit eingebettet, vorzugsweise vollständig von der Ummantelung 4 eingeschlossen.
[0095] In einer alternativen Variante kann das Versehen des Randbereiches 3 der Bipolarplatte 2 mit einer Ummantelung 4 derart erfolgen, dass der Randbereich 3 - vorzugsweise mit Kunststoffmaterial - umspritzt wird.
[0096] Anschließend kann die Baugruppe 20 erweitert werden durch die Schritte: (a) Bereitstellen einer Membran 7 zur Trennung einer elektrochemischen Zelle 1 in zwei Bereiche; und (b) Verbinden - vorzugsweise lösbares Verbinden - der Membran 7 mit der Ummantelung 4 der Bipolarplatte 2.
[0097] Dabei kann - wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt - in der Ummantelung 4 der Bipolarplatte 2 eine sich stirnseitig Öffnende - vorzugsweise umlaufende - Ausnehmung 6, vorzugsweise in Form einer Nut, ausgebildet sein. Der Randbereich der in Schritt (a) bereitgestellten Membran 7 wird dann - vorzugsweise entlang des gesamten Umfanges der Membran 7 und vorzugweise beidseitig - mit einem Rahmen 8 versehen (Fig. 4), wobei vorzugsweise der Rahmen 8 aus Dichtmaterial, insbesondere Gummi, und/oder aus einem steiferen Material als die Membran 7, gebildet ist. In einem weiteren Schritt (b) wird der Rahmen 8, mit dem der Randbereich der Membran 7 versehen ist, in die Ausnehmung 6 der Ummantelung 4 eingelegt (siehe auch Fig. 5)
[0098] Fig. 6 zeigt schließlich, dass einzelne Baugruppen 20 zur Bildung der elektrochemischen Zellen 1 in eine Aufnahme 12 zum Aufnehmen und Halten der Baugruppen 20 eingebaut werden. Dies erfolgt durch die Schritte:
[0099] - Bereitstellung von Baugruppen 20, die nach einer der oben beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet sind, außerhalb der Aufnahme 12 und
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[00100] - Einbau der bereitgestellten Baugruppen 20 in die Aufnahme 12,
wobei vorzugsweise zumindest zwei der bereitgestellten Baugruppen 20 vor ihrem Einbau in die Aufnahme 20 - vorzugsweise lösbar - miteinander verbunden werden. Die Aufnahme 12 kann z.B. ein Gehäuse und/oder eine Halterung sein.
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BEZUGSZEICHENLISTE
1 elektrochemische Zelle
2 Bipolarplatte
3 Randbereich der Bipolarplatte 4 Ummantelung
4a Element für die Ummantelung 4b Element für die Ummantelung 4c Element für die Ummantelung 5 Zellrahmenstruktur
6 Aufnahme
7 Membran
8 Rahmen
9 — Befestigungsstruktur
10 Vorrichtung zur Durchführung eines elektrochemischen Verfah-
rens 11 Fluidkanal 12 Aufnahme 13 Dichtung
14 Elektrode (Anode) 15 Elektrode (Kathode) 16 Dichtelement
20 Baugruppe
S Stapelrichtung

Claims (36)

x bes AT 527 374 B1 2025-12-15 Ss N Patentansprüche
1. Baugruppe (20) für eine Vorrichtung (10) zur Durchführung eines
elektrochemischen Verfahrens, umfassend eine Bipolarplatte (2) zur Begrenzung zweier benachbarter elektrochemischer Zellen (1),
wobei der Randbereich (3) der Bipolarplatte (2) - vorzugsweise entlang des gesamten Umfanges der Bipolarplatte (2) - in einer Ummantelung (4) eingebettet ist, wobei vorzugsweise die Ummantelung (4) den Randbereich der Bipolarplatte (2) beidseitig umschließt, dadurch gekennzeichnet, dass im Randbereich (3) der Bipolarplatte (2) ein - vorzugsweise umlaufendes - Dichtelement (15), vorzugsweise in Form eines O-Ringes und/oder vorzugsweise aus Kunststoff oder Gummi, stirnseitig an der Bipolarplatte (2) anliegt und in der Ummantelung (4) eingebettet, vorzugsweise vollständig von der Ummantelung (4) eingeschlossen, ist.
2. Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (2) aus elektrisch leitfähigem Material und die Ummantelung (4) aus elektrisch isolierendem Material gebildet ist und/oder dass die Ummantelung (4) aus Kunststoff, vorzugsweise Polysulfon oder Polyphenylensulfid oder Polyethersulfon oder Acrylnitril-Butadien-Styrol gebildet ist.
3. Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Randbereich (3) der Bipolarplatte (2) formschlüssig in der Ummantelung (4) aufgenommen ist und/oder dass die Ummantelung (4) stoffschlüssig mit dem Randbereich (3) der Bipolarplatte (2) verbunden ist und/oder dass die Ummantelung (4) ein Spritzgussteil ist, der vorzugsweise auf den Randbereich (3) der Bipolarplatte (2) gespritzt oder gegossen ist.
4. Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (15) in eine dafür vorgesehene Ausnehmung in der Bipolarplatte (2) eingelegt, vorZzugsweise eingepresst, ist.
5. Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Baugruppe (20) zumindest eine Zellrahmenstruktur (5) zur Begrenzung einer elektrochemischen Zelle (1) umfasst, wobei die Ummantelung (4) und die Zellrahmenstruktur (5) eine monolithische Einheit bilden oder die Zellrahmenstruktur (5) in der Ummantelung (4) der Bipolarplatte (2) eingebettet ist.
6. Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erstreckung der Ummantelung (4) in einer Richtung, die sich senkrecht zur Ebene der Bipolarplatte (2) erstreckt, zumindest doppelt so groß ist wie die Dicke der Bipolarplatte (2).
7. Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ummantelung (4) der Bipolarplatte (2) eine - vorzugsweise umlaufende - Ausnehmung (6), vorzugsweise in Form einer Nut, ausgebildet ist, wobei in der Ausnehmung (6) eine umlaufende Dichtung aufgenommen ist.
8. Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Baugruppe (20) zumindest eine Membran (7), insbesondere eine Anionen-Austausch-Membran, zur Trennung einer elektrochemischen Zelle (1) in zwei Bereiche umfasst.
9. Baugruppe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Randbereich der Membran (7) - vorzugsweise entlang des gesamten Umfanges der Membran (7) und vorzugweise beidseitig - mit einem Rahmen (8) versehen ist, wobei vorzugsweise der Rahmen (8) aus Dichtmaterial, insbesondere Gummi, und/oder aus einem steiferen Material als die Membran, gebildet ist und/oder mit dem Randbereich der Membran (7) stoffschlüssig verbunden ist, Insbesondere verklebt oder verschweißt, wobei vorzugsweise der Rahmen (8) an der Ummantelung (4) der Bipolarplatte (2) dichtend anliegt.
10. Baugruppe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (8) außerhalb der Kontur der Membran (7) zumindest eine Dichtung (13) ausbildet, welche einen in der Ummantelung (4) ausgebildeten Abschnitt eines Fluidkanals (11) umschließt.
11. Baugruppe nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ummantelung (4) der Bipolarplatte (2) eine sich stirnseitig Öffnende - vorzugsweise umlaufende - Ausneh-
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mung (6), vorzugsweise in Form einer Nut, ausgebildet ist, und dass der Rahmen (8), mit dem der Randbereich der Membran (7) versehen ist, in der Ausnehmung (6) der Ummantelung (4) - vorzugsweise formschlüssig - aufgenommen ist.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (7) mit der Ummantelung (4) - vorzugsweise stoffschlüssig, insbesondere durch Kleben und oder Schweißen, - verbunden ist.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ummantelung (4) - vorzugsweise in einem über den eingebetteten Randbereich der Bipolarplatte (2) hinausgehenden Bereich - zumindest eine Befestigungsstruktur (9), insbesondere in Form eines Durchbruches oder einer Ausnehmung, zur Fixierung der Bipolarplatte innerhalb einer Vorrichtung zur Durchführung eines elektrochemischen Verfahrens ausgebildet ist.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ummantelung (4) der Bipolarplatte (2) - vorzugsweise in einem über den in der Ummantelung (4) eingebetteten Randbereich (3) der Bipolarplatte (2) hinausgehenden Bereich und/oder vorzugsweise im Bereich der Zellrahmenstruktur (5) - zumindest ein Fluidkanal (11) zum Zuführen eines Fluids in die und/oder Abführen eines Fluids aus der elektrochemischen Zelle ausgebildet ist.
Vorrichtung (10) zur Durchführung eines elektrochemischen Verfahrens, insbesondere Elektrolysezellenvorrichtung und/oder Brennstoffzellenvorrichtung, umfassend
- zumindest zwei in einer Stapelrichtung (S) nacheinander angeordnete elektrochemische Zellen (1) und
- zumindest eine Bipolarplatte (2) zwischen zwei benachbarten elektrochemischen Zellen (1), wobei die elektrochemischen Zellen (1) jeweils durch zumindest eine Zellrahmenstruktur (5) in Richtungen quer zur Stapelrichtung (S) begrenzt sind,
wobei der Randbereich (3) der Bipolarplatte (2) - vorzugsweise entlang des gesamten Umfanges der Bipolarplatte (2) - in einer Ummantelung (4) eingebettet ist, wobei vorzugsweise die Ummantelung (4) den Randbereich (3) der Bipolarplatte (2) beidseitig umschließt, dadurch gekennzeichnet, dass im Randbereich (3) der Bipolarplatte (2) zumindest ein vorzugsweise umlaufendes - Dichtelement (15), vorzugsweise in Form eines O-Ringes und/oder vorzugsweise aus Kunststoff oder Gummi, stirnseitig an der Bipolarplatte (2) anliegt und in der Ummantelung (4) eingebettet, vorzugsweise vollständig von der Ummantelung (4) eingeschlossen, ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (2) aus elektrisch leitfähigem Material und die Ummantelung (4) aus elektrisch isolierendem Material gebildet ist und/oder dass die Ummantelung (4) aus Kunststoff, vorzugsweise Polysulfon oder Polyphenylensulfid oder Polyethersulfon oder Acrylnitril-Butadien-Styrol gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Randbereich (3) der Bipolarplatte (2) formschlüssig in der Ummantelung (4) aufgenommen ist und/oder dass die Ummantelung (4) stoffschlüssig mit dem Randbereich (3) der Bipolarplatte (2) verbunden ist und/oder dass die Ummantelung (4) ein Spritzgussteil ist, der vorzugsweise auf den Randbereich (3) der Bipolarplatte (2) gespritzt oder gegossen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (15) in eine dafür vorgesehene Ausnehmung in der Bipolarplatte (2) eingelegt, vorZzugsweise eingepresst, ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung (4) und die Zellrahmenstruktur (5) eine monolithische Einheit bilden oder dass die Zellrahmenstruktur (5) in der Ummantelung (4) der Bipolarplatte (2) eingebettet ist.
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20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Erstreckung der Ummantelung (4) in Stapelrichtung (S) zumindest doppelt so groß ist wie die Dicke der Bipolarplatte (2).
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ummantelung (4) der Bipolarplatte (2) eine - vorzugsweise umlaufende - Ausnehmung (6), vorzugsweise in Form einer Nut, ausgebildet ist, wobei in der Ausnehmung (6) eine umlaufende Dichtung (13) aufgenommen ist.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemischen Zellen (1) jeweils durch eine Membran (7), insbesondere eine Anionen-Austausch-Membran, in zwei Bereiche getrennt werden.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Randbereich der Membran (7) - vorzugsweise entlang des gesamten Umfanges der Membran (7) und vorzugweise beidseitig - mit einem Rahmen (8) versehen ist, wobei vorzugsweise der Rahmen (8) aus Dichtmaterial, insbesondere Gummi, und/oder aus einem steiferen Material als die Membran (7), gebildet ist und/oder mit dem Randbereich der Membran (7) verklebt oder verschweißt ist, wobei vorzugsweise der Rahmen (8) an der Ummantelung (4) der Bipolarplatte (2) dichtend anliegt.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (8) außerhalb der Kontur der Membran (7) zumindest eine Dichtung (13) ausbildet, welche einen in der Ummantelung (4) ausgebildeten Abschnitt eines Fluidkanals (11) umschließt.
25. Vorrichtung nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ummantelung (4) der Bipolarplatte (2) eine sich in Stapelrichtung ($) öffnende - vorzugsweise umlaufende - Ausnehmung (6), vorzugsweise in Form einer Nut, ausgebildet ist, und dass der Rahmen (8), mit dem der Randbereich der Membran (7) versehen ist, in der Ausnehmung (6) der Ummantelung (4) - vorzugsweise formschlüssig - aufgenommen ist.
26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass eine Membran (7) mit der Ummantelung (4) - vorzugsweise stoffschlüssig, insbesondere durch Kleben und oder Schweißen, - verbunden ist.
27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ummantelung (4) - vorzugsweise in einem über den eingebetteten Randbereich (3) der Bipolarplatte (2) hinausgehenden Bereich - zumindest eine Befestigungsstruktur (9), insbesondere in Form eines Durchbruches oder einer Ausnehmung, zur Fixierung der Bipolarplatte (2) innerhalb der Vorrichtung (10) ausgebildet ist.
28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ummantelung (4) der Bipolarplatte (2) - vorzugsweise in einem über den in der Ummantelung (4) eingebetteten Randbereich (3) der Bipolarplatte (2) hinausgehenden Bereich und/oder vorzugsweise im Bereich der Zellrahmenstruktur (5) - zumindest ein Fluidkanal (11) zum Zuführen eines Fluids in die und/oder Abführen eines Fluids aus der elektrochemischen Zelle (1) ausgebildet ist.
29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) zumindest zwei, in der Stapelrichtung (S) nacheinander angeordnete und - vorzugsweise lösbar - miteinander verbundene Baugruppen (20), die jeweils nach einem der Ansprüche 1 bis 14 ausgebildet sind, umfasst.
30. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 15 bis 29 und/oder einer Baugruppe (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Randbereich (3) der Bipolarplatte (2) mit einer Ummantelung (4) versehen wird, sodass der Randbereich (3) - vorzugsweise entlang des gesamten Umfanges der Bipolarplatte (2) - in der Ummantelung (4) eingebettet ist.
31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass das Versehen des Randbereiches (3) der Bipolarplatte (2) mit einer Ummantelung (4) derart erfolgt, dass der Randbe-
reich (3) - vorzugsweise mit Kunststoffmaterial - umspritzt wird.
32. Verfahren nach Anspruch 30 oder 31, dadurch gekennzeichnet, dass das Versehen des Randbereiches (3) der Bipolarplatte (2) mit einer Ummantelung (4) derart erfolgt, dass der Randbereich (3) der Bipolarplatte (2) an zumindest zwei, vorzugsweise zumindest drei, Elemente (4a, 4b, 4c) angelegt wird, und die Elemente (4a, 4b, 4c) durch ein Fügeverfahren miteinander verbunden werden, wobei vorzugsweise das Fügeverfahren ein stoffschlüssiges Fügeverfahren, vorzugsweise Kleben oder Schweißen, insbesondere Ultraschallschweißen, ist.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass - vor dem Versehen des Randbereiches (3) der Bipolarplatte (2) mit einer Ummantelung (4) - im Randbereich (3) der Bipolarplatte (2) zumindest ein, vorzugsweise umlaufendes, Dichtelement (15), vorzugsweise in Form eines O- Ringes und/oder vorzugsweise aus Kunststoff oder Gummi, vorzugsweise stirnseitig, an die Bipolarplatte (2) angelegt, vorzugsweise in eine dafür vorgesehene Ausnehmung in der Bipolarplatte (2) eingelegt, vorzugsweise eingepresst, wird, und dass beim Versehen des Randbereiches (3) der Bipolarplatte (2) mit einer Ummantelung (4) das Dichtelement (15) ebenfalls in die Ummantelung (4) eingebettet, vorzugsweise vollständig von der Ummantelung (4) eingeschlossen wird.
34. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 33, gekennzeichnet durch die Schritte: (a) Bereitstellen einer Membran (7) zur Trennung einer elektrochemischen Zelle (1) in zwei Bereiche; und (b) Verbinden - vorzugsweise lösbares Verbinden - der Membran (7) mit der Ummantelung (4) der Bipolarplatte (2).
35. Verfahren nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ummantelung (4) der Bipolarplatte (2) eine sich stirnseitig öffnende - vorzugsweise umlaufende - Ausnehmung (6), vorzugsweise in Form einer Nut, ausgebildet ist, und dass der Randbereich der in Schritt (a) bereitgestellten Membran (7) - vorzugsweise entlang des gesamten Umfanges der Membran (7) und vorzugweise beidseitig - mit einem Rahmen (8) versehen ist, wobei vorzugsweise der Rahmen (8) aus Dichtmaterial, insbesondere Gummi, und/oder aus einem steiferen Material als die Membran (7), gebildet ist, und dass in Schritt (b) der Rahmen (8), mit dem der Randbereich der Membran (7) versehen ist, in die Ausnehmung (6) der Ummantelung (4) eingelegt wird.
36. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 35 zur Herstellung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 29, bei dem Baugruppen (20) zur Bildung der elektrochemischen Zellen (1) in eine Aufnahme (12) zum Aufnehmen und Halten der Baugruppen (20) eingebaut werden, gekennzeichnet durch die Schritte:
- Bereitstellung von Baugruppen (20), die nach einem der Ansprüche 1 bis 14 ausgebildet sind, außerhalb der Aufnahme (12) und
- Einbau der bereitgestellten Baugruppen (20) in die Aufnahme (12), wobei vorzugsweise zumindest zwei der bereitgestellten Baugruppen (20) vor ihrem Einbau in die Aufnahme (20) - vorzugsweise lösbar - miteinander verbunden werden.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
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