CN118119736A - 用于利用压差电解生产高压氢气的pem电解单元和pem电解单元堆的框架 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于PEM电解单元和PEM电解单元堆的新型框架。本发明的主题是框架、PEM电解单元和堆叠式PEM电解装置，其包括根据本发明的框架、预组装部件和用于生产预组装部件和堆叠式PEM电解装置的方法。根据本发明的框架、PEM电解单元和堆叠式PEM电解装置适于结合使用薄质子交换膜来产生高压氢气。本发明基于新颖的框架和密封概念。本发明还涉及一种用于堆叠式PEM电解装置的盖。

Description

用于利用压差电解生产高压氢气的PEM电解单元和PEM电解单 元堆的框架

本发明涉及一种用于PEM电解单元和PEM电解单元堆的新型框架。本发明的目的是框架、PEM电解单元和PEM电解单元堆(＝堆叠型PEM电解装置)，包括根据本发明的框架、预组装模块、制造预组装模块的方法和制造PEM电解单元堆的方法。根据本发明的框架、根据本发明的PEM电解单元和根据本发明的PEM电解单元堆适用于通过压差电解结合使用薄质子交换膜来产生高压氢气。本发明基于一种新型框架和密封概念。本发明还涉及用于堆叠式PEM电解装置的盖。

质子交换膜(PEM)水电解是一种利用可再生能源发电制氢的极具吸引力的技术。这意味着，在可再生能源电力不足时，可以储存能量载体氢中的能量，从而为去碳化做出贡献。PEM电解的一个重要优势是能够在压力下生产氢气。在所有潜在应用中，氢气必须以压缩形式提供，这意味着PEM系统(如PEM电解单元和PEM电解单元堆)特别适合工业需求。为了节约能源，直接在压力下进行PEM电解是非常有利的，因为与随后的机械压缩相比，所需的额外能量更少。由于通常只使用氢气，因此可以在无压力的情况下更低成本地生产氧气，这被称为压差电解。至少30巴的压差是当今最先进的技术，尽管目前只有厚度至少约为120μm的PEM膜才能做到这一点。

为了利用现有电力生产出尽可能多的氢气，PEM电解单元的效率至关重要。能量损失的很大一部分是由欧姆阻抗造成的，特别是在PEM膜上的欧姆阻抗。PEM膜采用催化剂涂层膜(CCM)。使用较薄的PEM膜可显著降低膜阻抗。

PEM电解单元的典型结构如图1所示。

经典的PEM电解单元由催化剂涂层膜(CCM)组成，反应就在CCM上进行。在阳极和阴极一侧，多孔传输层(PTL)将水向CCM传输，而多孔传输层(PTL)则将生成的气体从CCM传输出去。双极板(BPP)在空间上将阳极和阴极分开。气体和水的流入和流出由传统金属或高强度塑料(PEEK)制成的框架保证。CCM和PTL组件插入该框架中。框架通过O形环或其他密封件(如平垫圈或注塑密封件)侧向密封，以防止气体流出PEM电解单元。

包括框架的PEM电解单元和PEM电解单元堆在现有技术中是已知的。

US 6,669,826 B1公开了如何通过对电解单元施加均匀的接触压力来实现PEM电解单元堆的密封。在此过程中，借助端板、中间支架、拉杆和预应力装置对子堆进行压紧，每个子堆由多个以双极排列方式串联布置的PEM电解单元组成。

US 6,852,441 B1公开了通过外围环绕电解单元堆的加固元件来稳定电解单元堆中PEM电解单元的框架。

EP 1 356 134 B1公开了用于PEM电解单元的框架，其中电解单元以双极排列方式紧凑堆叠，堆叠的框架由隔墙隔开。框架有两个相对的平面表面和一个开口，膜在开口处通过聚苯氧化物条上的热压粘合固定在框架内，孔用于电解液的入口，并作为生成气体的出口。气体和电解液由密封环密封，堆叠由每个框架凹单元中布置的密封环进行密封。为了保持堆叠中相邻框架之间密封环的完整性，使其不受内部压力的影响，PEM电解单元堆叠被封闭并压紧在由螺纹连接杆固定在一起的两块不锈钢板之间。

US 8,282,811 B2公开了用于在高压下产生氢气的电解单元，在膜电极组件和作为氢气分离器或氧气分离器的分离器之间安装了框架，框架上有用于水、氧气和氢气流动的开口。密封垫将框架与分离器密封起来，而膜则将框架的另一侧密封起来。相邻分离器之间的压力垫和压力垫周围的塑料歧管垫圈密封了堆叠中各个电解单元之间的开口。

US 7,507,493 B2公开了PEM电解单元，该电解单元包含带有密封件的双极板。密封件布置在框架和多孔气体扩散层的边缘之间。此外，电解单元在密封件和膜电极布置之间有一个保护元件，以保护质子交换膜。这应能使单元在持续高压、低特定阻抗和更好的蠕变保护条件下工作。

US 8,349,151 B2公开了一种在水电解单元中用作阳极框架和阴极框架的框架，其中阳极框架和阴极框架具有相同的结构，并包括一个通用电池框架，该通用电池框架具有一个中心开口和多个横向开口、其中配对的横向开口的组间隔约90或180度，并通过至少一个内部径向通道与中心开口流体连接或不连接，且通过阳极框架和阴极框架相对旋转90度，以便使得一系列电解单元通过开口流体互连。

EP 3 462 528 A1公开了一种用于产生高压氢气的电化学单元，该单元具有膜电极组件和在膜电极组件两侧具有平坦表面的流动结构，其中一个平坦表面大于另一个平坦表面，双极板、加强层和带有密封环的密封件布置在双极板和表面较小的流动结构旁边的电解质膜之间。

DE 10 2014 010 813 A1公开了一种用于高压制氢的堆叠式电解装置的框架，该框架包括一个布置在流体导向器和外缘之间并嵌入框架结构的集成加强件，以及一个径向布置在加强件和流体导向器之间用于接收密封件的凹单元。

EP 3 699 323 A1涉及电极堆(例如电解单元)的电极供应。

DE 25 33 728 A1涉及一种电解单元，该电解单元具有并排排列的双极电极和一个围住电解单元至少一个腔室的外框。

EP 3 770 303 A1涉及一种用于电化学反应器堆叠结构的电极填料单元，该单元具有一个双极板、两个电极板和两个位于双极板和电极板之间的电流传输结构。

WO 2020/039218 A1涉及一种用于电解水的堆叠式电解装置，该装置具有阴极板、阳极板、电解堆叠、端板和通道密封装置。

US202009906 A1涉及一种用于水电解单元的催化剂涂层膜。

传统的PEM电解单元通常会遇到以下困难：

1.密封紧密性问题：在PEM电解单元堆中，即堆叠式PEM电解装置中，许多PEM电解单元的框架相互堆叠，而框架和其他组件中使用的每种材料都有制造公差。因此，所使用的O形环或其他密封件在框架上的某些位置可能没有足够的接触压力。特别是当氢气是在压力或压差下产生时，使用已知的密封件很难或不可能达到严密的密封效果。

2.框架的机械稳定性：产生高压氢气时，塑料框架会发生变形(图2)。

3.PTL和框架1之间留有一个小间隙17。在压缩模式下，CCM13被压入该缝隙17。这将导致CCM13向间隙17内爬行24(即所谓的粘弹性行为)。如果框架1因机械稳定性低而变形(见第2点)，则会加剧这种效应，从而使间隙17变大(图2)。

4.框架包括用于供水和排气的通道。这些通道是在框架(即金属或塑料部分)上铣出来的，因此成本很高。

为了能够利用PEM电解技术在高压下生产工业用氢气，需要一种改进的PEM电解单元，这种电解单元可以在高压和压差下运行，而且没有上述缺点。

根据权利要求1至21，本发明解决了这一问题。

本发明的主题是用于堆叠式PEM电解装置23的PEM电解单元2的框架1，框架1包括具有平面第一表面的第一侧4和与第一侧4相对的具有平面第二表面的第二侧5，以及阳极框架8和阴极框架11，以及

其中，阳极框架包括第一侧4、与阳极框架的第一侧4相对的侧4”以及用于接收多孔传输层(PTL)阳极7的第一开口6，其中，第一开口6从第一侧4延伸至阳极框架的相对的侧4”，

其中阴极框架11包括第二侧5、与阴极框架的第二侧5相对的侧5”以及用于接收PTL阴极10的第二开口9，其中第二开口9从第二侧5延伸至阴极框架的相对的侧5”，

其中，与阳极框架的第一侧4相对的侧4”和与阴极框架的第二侧5相对的侧5”相邻布置，

其中，阳极框架8和阴极框架11相互连接，

其中，第一开口6和第二开口9相互连接，

其中，第一开口6比第二开口9大，阳极框架8和阴极框架11的布置使得，与阳极框架的第一侧4相对的侧4”和与阴极框架的第二侧5相对的侧5”在阳极框架8到阴极框架11的过渡处形成台阶12。

在本发明的框架1中，台阶12优选是阴极框架11的一部分。在本发明的框架1中，台阶12优选与第二开口9相邻。在本发明的框架1中，台阶12优选框住第二开口9。在本发明的框架1中，台阶12优选形成一个平面第三表面，其作为催化剂涂层膜(CCM)13的支撑表面。在本发明的框架1中，台阶12优选是阴极框架11的一部分，并形成一个平面第三表面，其作为膜13的支撑表面。在根据本发明的框架1中，台阶12优选是阴极框架11的一部分，它与第二开口9相邻，并框住第二开口9，形成一个平面第三表面，其作为催化剂涂层膜(CCM)13的支撑表面。

阳极框架8包括芯部21和由密封材料制成的密封材料涂层22。阳极框架8优选包括由金属或其他合适材料制成的芯部21，阳极框架8优选包括由密封材料制成的密封材料涂层22，其中密封材料优选是橡胶(＝带有橡胶涂层的芯部21)。阴极框架11包括芯部21和密封材料涂层22。阴极框架11优选包括由金属或其他合适材料制成的芯部21和由密封材料制成的密封材料涂层22，其中密封材料优选是橡胶(＝带有橡胶涂层的芯部21)。任何密封材料都可以作为金属制成的芯部21的涂层，例如橡胶，特别是乙丙橡胶(EPDM)。由密封材料制成的密封材料涂层22优选是作为PEM电解单元2或堆叠式PEM电解装置23的密封件或起密封作用。

本发明的主题是用于PEM电解单元2的框架1，该框架具有芯部21，芯部优选由金属制成，其中芯部21涂有密封材料，优选是橡胶，例如EPDM(图3a和3b)。阳极框架8的芯部21全部或部分涂有密封材料22，特别是密封件。阴极框架11的芯部21全部或部分涂有密封材料22，特别是密封件。任何密封材料都可用作密封件，例如橡胶，特别是三元乙丙橡胶(EPDM)。例如，密封件可以包括EPDM或由EPDM组成。

阳极框架8的芯部21优选由金属构成或由金属组成。阴极框架11的芯部21优选由金属组成或由金属构成。金属芯部21具有良好的机械稳定性。另外，也可以使用具有类似机械性能的其他材料来制作芯部21。例如，聚四氟乙烯(PTFE)，特别是增强聚四氟乙烯或分子增强聚四氟乙烯。由密封材料(优选是橡胶，例如乙丙橡胶(EPDM))制成的涂层22可产生密封效果，即密封材料起到密封作用。

在优选实施例中，阳极框架8的芯部21的整个表面都涂有密封材料涂层22。在更优选的实施例中，阳极框架8的芯部21的至少90％，优选是至少95％或更多的表面涂有密封材料涂层22。在优选实施例中，阴极框架11的芯部21的整个表面都涂有密封材料涂层22。在更优选的实施例中，阴极框架11的芯部21的至少90％，优选是至少95％或更多的表面涂有密封材料涂层22。在这些实施例中，密封表面非常大。

在替代实施例中，阳极框架8的芯部21表面有少于90％的面积涂有密封材料涂层22。在更多的替代实施例中，阴极框架11的核心21表面有少于90％的面积涂有密封材料涂层22。然而，在这些替代实施例中，阳极框架8的芯部21和/或阴极框架11的芯部21表面涂有密封材料涂层22的区域是PEM电解单元2完全密封所必需的。优选地，在这些替代实施例中，至少在阳极框架8的芯部21和/或阴极框架11的芯部21表面围绕第一开口6和/或第二开口9的区域涂有密封材料涂层22。例如，阳极框架8的芯部21表面0.5cm至2.5cm的区域，优选是1cm至2cm，例如1.5cm，直接环绕第一开口6(见图10b至10d和图14)。例如，阴极框架11的芯部21表面的面积从0.5cm到2.5cm，优选从1cm到2cm，例如1.5cm，直接围绕第二开口9。

金属具有良好的机械稳定性，而密封材料(优选是橡胶，例如EPDM)涂层22则具有密封效果。阳极框架8的金属制成的芯部21表面优选全部或至少90％，例如至少95％或更多，阴极框架11的金属制成的芯部21表面优选全部或至少90％，例如至少95％或更多都涂有密封材料，优选是橡胶，例如EPDM，这意味着密封表面非常大。

稳定的芯部21(例如由金属制成)和密封材料涂层22的另一个优点是，PTL阳极7和PTL阴极10等部件可以压入框架1，特别是压入阳极框架8和阴极框架11(压入配合)，因此，在PEM电解单元2或堆叠式PEM电解装置23中，在高压或压差条件下进行电解时，例如在高达40巴的压差条件下进行电解时，框架1不会变形，并且框架1内部的各个部件之间也不会形成较大的间隙17，例如PTL阴极10与框架1之间和/或PTL阳极7与框架1之间(图8)。

阳极框架8和/或阴极框架11的芯部21可以使用不锈钢，例如厚度为0.5mm的不锈钢。阳极框架8的涂层芯部21，即芯部21和密封材料涂层22一起的厚度可以是1至5mm，优选是2至3mm，例如2.2mm。阴极框架11的涂层芯部21，即芯部21和密封材料涂层22一起的厚度可以是1至5mm，优选是2至3mm，例如2.2mm。具有类似性能的材料，如高增强塑料，例如PTFE、分子增强的PTFE，也适用于芯部21。

密封材料涂层22有一层厚度。密封材料涂层22的厚度为1至4.5mm，例如2至3mm。优选地，阳极框架8的芯部21周围的密封材料涂层22的层厚各处相同。阴极框架11的的芯部21周围由密封材料涂层22厚度优选各处相同。在特定的实施例中，阳极框架8的芯部21有一些区域，这些区域的密封材料涂层22”的层厚相比于密封材料涂层22的层厚有所减少(图10b至10d，图14)。在特定的实施例中，阴极框架11的芯部21有一些区域，这些区域的密封材料涂层22”的层厚相比于密封材料涂层22的层厚有所减少。例如，与密封材料涂层22的层厚度相比，密封材料涂层22”的层厚度减少了1mm。例如，密封材料涂层22的层厚为4mm，密封材料涂层22”的减小的层厚为3mm。例如，密封材料涂层22的层厚为10mm或更小，优选为5mm、3mm、2mm或更少为1.5mm、1mm或更小。例如，密封材料涂层22的减小的厚度为9mm或更小，优选为4mm、2.8mm、1.9mm或更少为1.45mm、0.95mm或更小。例如，由密封材料涂层22的层厚与密封材料涂层22”的减小的层厚之差为1mm、0.7mm、0.5mm或更小，例如0.3mm、0.2mm、0.1mm、0.05mm或更小。

例如，第一开口6至少比第二开口9大0.5mm或1mm，例如2mm或更大，0.5cm，优选是1cm，特别优选是1.5cm或更大，其中，由较大的第一开口6和较小的第二开口9在阴极框架11内部形成的台阶12优选各处宽度相同(图7b，图11)。或者，台阶12也可以在不同的地方有不同的宽度。台阶12的宽度以及用于固定CCM13的平面第三表面的宽度可以相同，也可以不同。

例如，阳极框架8的外部尺寸可以是20-70cm×20-70cm，例如50cm×50cm或35cm×35cm。第一开口6的尺寸可以是11-51cm×11-51cm，例如21cm×21cm或15cm×15cm(图9b)。阴极框架11的外部尺寸可以是20-70cm×20-70cm，例如50cm×50cm或35cm×35cm。第二开口9的尺寸可以是10-50cm×10-50cm，例如20cm×20cm或14cm×14cm(图9a)。阳极框架8和阴极框架11的外部尺寸优选相同。选择第一开口6和第二开口9的尺寸，使得第一开口9大于第二开口9，这样当阳极框架8和阴极框架1作为框架1相互作用时，就会形成台阶12。

技术人员可以设计出各种形状的框架1、阳极框架8和阴极框架11，例如正方形、长方形和圆形。由于框架1的形状可以自由选择，因此可以通过增加或减少框架的厚度来调节框架1某些区域的接触压力，优选是通过减少密封材料涂层22的厚度。密封材料涂层22的厚度可以增加。这允许在某些区域内创建出涂层的层厚在芯部21上比阳极框架8或阴极框架11的其他区域更厚的区域。可以减小密封材料涂层22的厚度。因此，可以创建出在芯部21上的密封材料涂层22的层厚比阳极框架8或阴极框架11的其他区域更薄的区域。根据本发明，密封材料涂层22的层厚不同的区域可在框架1中承担不同的功能。

为了避免横向泄漏，可以通过在密封材料涂层22的层厚上增加环状凸起26”，例如增加圆周橡胶，来增加活动区的压力。例如，密封材料涂层22的层厚度的环状凸起26”的宽度可以是1mm。密封材料涂层22与环状凸起26”之间的层厚差可以是1mm、0.5mm、0.1mm、0.05mm等。

本发明的主题是一种框架1，其中在阳极框架8的某些区域和/或在阴极框架11的某些区域内，密封材料涂层22”与密封材料涂层22的层厚相比有所减小，例如，以减小接触压力。

本发明的主题是一种框架1，其中密封材料涂层22在阳极框架8的某些区域具有环绕第一开口6的环状凸起26”，例如为了增加密封效果。本发明的主题是一种框架1，其中在阴极框架11的某些区域，密封材料涂层22具有环绕第二开口9的环状凸起26”，例如，用于增加密封效果。

在方形的阳极框架8中，第一开口6可以由第一侧27、第二侧28、第三侧29和第四侧30形成。在方形的阴极框架11中，第二开口9可由第一侧27”、第二侧28”、第三侧29”和第四侧30”形成。

PEM电解单元2或堆叠式PEM电解装置23的其他部件可以通过将这些部件作为结构安装在框架1、阳极框架8和阴极框架11中来节省，特别是阳极框架8和阴极框架11的芯部21通过密封材料涂层22涂覆。例如，密封材料涂层22可以是橡胶涂层，包括橡胶唇25，例如，橡胶唇25安装在用于单个电压测量的连接区域。这样就可以节省绝缘箔。本发明涉及的框架1中，阳极框架8的密封材料涂层22和/或阴极框架11的密封材料涂层22除密封功能外，还具有其他功能。为此，阳极框架8和/或阴极框架11的密封材料涂层22包括相应的实施形式，例如橡胶唇25。

其他所需的部件可直接从密封材料涂层22上制造，从而减少了制造PEM电解单元2或堆叠式PEM电解装置23所需的单个部件的数量。这就大大减少了组装堆叠式PEM电解装置23所需的工作量。同样，在阳极框架8和/或阴极框架11中插入用于连接阳极框架8和阴极框架11的装置，例如销19和孔18，消除了对额外组装辅助工具的需求。

在优选实施例中，密封材料涂层22包括一个或多个II型通道15。II型通道15设计为密封材料涂层22中的区域，该区域与密封材料涂层22的层厚度相比，其层厚度有所减少。因此，II型通道15是由密封材料涂层22上的凹陷或凹单元，对密封效果不起作用。相邻的单个II型通道15之间由凸起26分隔。例如，凸起26是两个相邻II型通道15之间的区域，在该区域中，芯部21上的密封材料涂层22没有减薄的层厚度。在布置有单个II型通道15的区域中，密封材料涂层22”的减少层厚可以独立于围绕芯部21的涂层的其他区域中由密封材料22”制成的减少层厚选择，这些区域可能具有由密封材料制成的涂层的减少层厚。在特定的实施例中，芯部21在代表一个或多个II型通道15的一个或多个区域中没有密封材料涂层22。

在优选实施例中，由阳极框架8框定的第一开口6和由阴极框架11框定的第二开口9大小不同(图7b、8、9a和9b)。例如，阴极框架11较小，而阳极框架8较大。这就意味着，在压差条件下，例如压差为40巴时，即只有电化学单元2的阴极侧在压力下运行时，或只有堆叠式23的PEM电解装置的阴极侧在压力下运行时，PEM电解过程中在阴极产生的氢气压力不会或不能压在阳极框8和PTL阳极7之间的间隙17上。这样，CCM13只能压在PTL阳极7上，并以机械方式支撑在PTL阳极7上。这样就可以防止CCM13爬入框架1(例如阳极框架8和PTL阳极7)之间的间隙17。

在优选实施例中，根据本发明的框架1包括两种不同类型的通道，用于供水和排气。框架1优选包括一个或多个I型通道14，用于将水输送到框架1中，以及将水和气体输送出框架1。I型通道14优选不直接与阳极框架8的第一开口6或阴极框架11的第二开口9相连。阳极框架8的芯部21优选包括一个或多个I型通道14。阴极框架11的芯部21优选包括一个或多个I型通道14。I型通道14优选涂有密封材料涂层22。

此外，框架1优选还包括一个或多个II型通道15，用于将水输送到第一开口6中，以及将水和氧气输送出第一开口6，还用于将氢气输送出第二开口9。优选地，II型通道15将I型通道14与第一开口6连接起来。优选地，II型通道15将I型通道14与第二开口9连接起来。

在优选实施例中，密封材料涂层22涂覆了全部或部分阳极框架8，并包括一个或多个II型通道15。在其他实施例中，阳极框架8的芯部21包括一个或多个II型通道15。在优选的实施例中，密封材料涂层22涂覆了全部或部分阴极框架11，并包括一个或多个II型通道15。在其他实施例中，阴极框架11的芯部21包括一个或多个II型通道15。这种实施方式的优点是制造成本低。在优选的实施方案中，II型通道15并不是从每个阳极框架8和每个阴极框架11中铣削出来的，而是一次性转移到工具中。例如，阳极框架8的负模或阴极框架11的负模就是合适的工具。例如，II型通道15的排列、直径、长度和其他参数(如适用)都会转移到工具中。工具可用于将II型通道15转移到密封件22中，例如，就像用印章将它们印到密封材料(优选是橡胶，例如EPDM)中一样。借助工具对阳极框架8的芯部21或阴极框架11的芯部21进行硫化。

在优选的实施方案中，阳极框架8在第一侧4的表面上包括一个或多个II型通道15，这些通道与一个或多个I型通道14相连，并将I型通道14与第一开口6相连，当框架1安装在PEM电解单元2或叠层式PEM电解装置23中时，这些通道朝向双极板(BPP)16的方向布置，其中阳极框架的与第一侧4相对的侧4”没有II型通道15。

在优选实施例中，阴极框架11在第二侧5的表面上包括一个或多个II型通道15，这些通道与一个或多个I型通道14相连，并将I型通道14与第二开口9相连，当框架1安装在PEM电解单元2或堆叠式PEM电解装置23中时，这些通道朝向双极板(BPP)16的方向布置，其中阴极框架的与第二侧5相对的侧5”没有II型通道15。

在优选实施例中，根据本发明的框架1包括一个或多个用于供水和排气的I型通道14和一个或多个II型通道15，其中I型通道14不与阳极框架8中的第一开口6或阴极框架11中的第二开口9连接。在框架1的优选实施例中，阳极框架8在第一侧4的表面上包括一个或多个II型通道15，这些通道与I型通道14相连，并将I型通道14与第一开口6相连，当框架1安装在PEM电解单元2或堆叠式PEM电解装置23中时，这些通道沿BPP16的方向布置，其中阳极框架的与第一侧4相对的侧4”不包括II型通道15。在框架1的优选实施例中，阴极框架11在第二侧5的表面上包括II型通道15，该通道与一个或多个I型通道14相连，并将I型通道14与第二开口9相连，当框架1安装在PEM电解单元2或堆叠式23的PEM电解装置中时，这些通道沿BPP16的方向布置，其中阴极框架的与第二侧5相对的侧5”没有II型通道15。

在优选实施例中，根据本发明的框架1包括至少两个用于供水和排气的I型通道14和至少两个II型通道15，其中I型通道14不与阳极框架8的第一开口6或阴极框架11的第二开口9相连。在框架1的优选实施例中，阳极框架8在第一侧4的表面上包括至少两个II型通道15，这些通道与至少两个I型通道14相连，并且将I型通道14与第一开口6相连，当框架1安装在PEM电解单元2或堆叠式23的PEM电解装置中时，这些通道朝向BPP16的方向布置，其中阳极框架的与第一侧4相对的侧4”不包括II型通道15。优选地，在阳极框架7的第一侧4上布置多个II型通道15，将I型通道14与第一开口6连接起来。在框架1的优选实施例中，阴极框架11在第二侧5的表面上包括至少两个II型通道15，它们与至少两个I型通道14相连，并将I型通道14与第二开口9相连，当框架1安装在PEM电解单元2或堆叠式23的PEM电解装置中时，这些通道沿BPP16方向布置，其中阴极框架的与第二侧5相对的侧5”不包括任何II型通道15。优选地，在阴极框架11的第二侧5上布置多个II型通道15，将I型通道14与第二开口9连接起来。

将I型通道14与第一开口6和第二开口9连接起来的II型通道15，即在PEM电解单元中将PTL阳极7和PTL阴极10与用于供应和排除水和气体的I型通道14连接起来的II型通道15，在阳极框架8和/或阴极框架11中以这样的方式布置，即它们指向BPP16的方向，而不是指向CCM13的方向。在电解过程中，如果气体和水流过I型通道14，CCM13不会受到影响，因为CCM13所处的阳极框架7侧和阴极框架11侧不包括任何II型通道15，即在第一开口6或第二开口9的紧邻区域内没有任何通道，而CCM13就布置在该区域内，并在电解过程中暴露在高达40巴的压差下。CCM13位于光滑平整的表面上，没有通道，因此即使在高达40巴的压差下也能得到很好地支撑。同时，阳极室(阳极室由阳极框架7、CCM13和BPP16构成)、阴极室(阴极室由阴极框架11、CCM13和BPP16构成)和整个PEM电解单元2完全密封，即使在高达40巴的压差下也不会有气体或水泄漏。

在示例性实施例中，框架1包括两到一千个或更多II型通道15，例如至少一百个II型通道15，优选至少两百个II型通道15，或更多或更少，例如50个II型通道15或更少。优选至少有一半的I型通道14通过II型通道15与第一开口6或第二开口9相连。

优选地，至少有两个或更多，例如四个、10个或更多的II型通道15将I型通道14连接到第一开口6。优选地，至少有两个或两个以上，例如四个、10个或10个以上的II型通道15将I型通道14连接到第二开口9。

例如，与第一开口6相连的II型通道15在框架4的第一侧相邻排列。相邻两个II型通道15之间的距离例如≤5mm，≤3mm，优选≤2mm或更小。例如，I型通道14和第一开口6之间的II型通道15在框架4的第一侧以扇形方式排列。

例如，与第二开口9相连的II型通道15在框架5的第二侧相邻排列。相邻两个II型通道15之间的距离例如≤5mm，≤3mm，优选≤2mm或更小。例如，I型通道14和第二开口9之间的II型通道15在框架5的第二侧以扇形方式排列。

框架1的通道设计成使得液体通过I型通道14分布在堆叠式PEM电解装置23内，并通过II型通道15进入每个单独的PEM电解单元2。I型通道14优选沿或平行于阳极框架8中的第一个开口6有规律地间隔排列。I型通道14优选沿阴极框架11的第二开口9或平行于第二开口9有规律地间隔排列。例如，在方形的第一开口6的每一侧或方形的第二开口9的每一侧有20个或更多或更少的I型通道14，例如5个I型通道14。

在特别优选的实施方案中，I型通道14的布置方式是，它们分别向电化学单元2的第一开口6和第二开口9或堆叠式PEM电解装置23的第一开口6和第二开口9的相同部分、相同面积供水。

在特别优选的实施例中，连续的II型通道15，具有优选恒定的开口直径，优选在5mm或以下，特别是小于2mm，其从每个I型通道14或I型通道14的一部分通向第一开口6或第二开口9。例如，这些II型通道15呈扇形布置，使II型通道15均匀分布在第一开口6或第二开口9上。也可以在第一开口6或第二开口与穿过II型通道15的I型通道14之间的区域对II型通道15进行其他布置。通过将II型通道15的宽度限制在5mm或更小，优选是2mm或更小，可以在II型通道15的区域内将足够的接触压力传递到对面的框架1。

I型通道14和II型通道15沿第一开口6或第二开口9在框架1的整个宽度上均匀分布，例如沿第一开口27的第一侧的整个宽度和沿第一开口29的第三侧的整个宽度(图10a)，这使得水在电化学单元2的整个活性电池区(＝第一开口6+第二开口9)的分布特别均匀。水均匀地流经PEM电解单元2。由于大部分流入的水用于冷却，因此II型通道15的均匀分布可实现均匀散热。II型通道15的这种布置方式可使PEM电解过程中产生的热量均匀散失。对于PEM电解单元2或堆叠式的PEM电解装置23来说，反应热的散失是一个关键参数。

根据本发明，包括具有不同设计和结构的堆叠式PEM电解装置23。

本发明涵盖的框架1、PEM电解单元2、预组装模块20和堆叠式PEM电解装置23包括能够使得单独的II型通道15，与相应的框架1、相应的电化学单元2、相应的堆叠式PEM电解装置23的其他II型通道15相比，可提供更高或更低的水流压降。例如，外侧的II型通道15可进行相应调整，即例如，位于框架的第一侧4的II型通道15排列边缘的II型通道15，例如，相对于第一开口27第一侧的II型通道15排列边缘的II型通道15，与框架1、电化学单元2、预组装模块20、叠层式PEM电解装置23的其他II型通道15相比，其产生的水流压力损失较高或较低。例如，可以通过减小II型通道15的开口横截面来实现这一点。举例来说，如果I型通道14中的压力损失不均匀，而II型通道15是均匀的，那么在与I型通道14相连的、水流通过的压力更高的II型通道15中，某些活动单元区域(活动单元区域＝第一开口6+第二开口9)的水体积流量会更高。如果不对II型通道15进行调整，活性单元区的冷却可能会变得更加不均匀，例如，由于水流的原因。这可以通过调整II型通道15来弥补。例如，可以调整相关II型通道15的横截面，例如缩小横截面，以补偿I型通道14中水压的差异。优选地，在整个活性细胞区域内产生均匀或一致的水压。通过单独调整的II型通道15，例如具有不同开口横截面的通道，可以补偿I型通道14中不同的压力损失，并使流经所有II型通道15的水流均匀。

本发明涵盖框架1、PEM电解单元2、预组装模块20和堆叠式PEM电解装置23，其中相应的框架1、相应的电化学单元2、相应的预组装模块20、相应的堆叠式PEM电解装置23的单独的II型通道15是这样布置的：每个II型通道15向与活性单元区相同大小的区域供水。

本发明包括框架1、PEM电解单元2、预组装模块20和堆叠式PEM电解装置23，其中相应的框架1、相应的PEM电解单元2、相应的预组装模块20和堆叠式PEM电解装置23的相应的II型通道15的设计使所有II型通道15都能在同一时间输送相同数量的水，即所有II型通道15都是相同的。例如，可以通过所有II型通道15具有相同的横截面来实现这一点。II型通道15的布置方式优选能使每个II型通道15都能向与活性细胞区域大小相同的区域供水。特别优选的是，II型通道15的布置方式是，每个II型通道15都向活性单元区域中面积相同的区域供水，且所有II型通道15都相同。这样，整个活性单元区就能均匀地得到水供应。

I型通道14的数量、形状和排列方式以及与I型通道14有关的其他参数，以及II型通道15的数量、形状和排列方式以及与II型通道15有关的其他参数，可根据需要进行调整，例如，根据所使用的框架形状进行调整。

在本发明的框架1中，阳极框架8和阴极框架11通过连接元件相互连接。相应的连接元件为本领域技术人员所熟知。在框架1的优选实施例中，阳极框架8包括一个或多个连接元件，例如插销19，阴极框架11包括一个或多个连接元件，例如孔18，其中插销19和孔18的布置方式使得阴极框架11中的孔18可以插到阳极框架8中的插销19上，从而使阳极框架8和阴极框架11相互连接。

本发明的主题是一种PEM电解单元2，用于在高达40巴的压差下运行，以产生高压氢气，该PEM电解单元2包括带有CCM13的PEM膜电极布置、PTL阳极7、PTL阴极10，其中PEM电解单元2包括根据本发明的框架1、其中阳极框架8中的第一开口6包括PTL阳极7，阴极框架11中的第二开口9包括PTL阴极10，CCM13布置在阳极框架的与第一侧4相对的侧4”和阴极框架的与第二侧5相对的侧5”之间，其中CCM13的一侧靠在PTL阳极7上，CCM13的另一侧靠在台阶12和PTL阴极10上(图7b和7c)。当PEM电解单元2在压差下运行时，压差不会作用到阳极框架8和PTL阳极7之间的间隙17上的CCM13区域。这就防止了CCM13爬入24间隙7(图8和8a)。

在优选实施例中，根据本发明的PEM电解单元2包括厚度小于80μm的CCM13，例如厚度为50μm或更小厚度的CCM13。

在根据本发明制造的PEM电解单元2中，密封材料涂层22(例如橡胶涂层，优选是阳极框架8的EPDM涂层)，密封材料涂层22(例如橡胶涂层，优选是阴极框架11的EPDM涂层)和台阶12与CCM13相互作用(图7c和8a)，将PEM电解单元2以及阳极室和阴极室完全密封，而不会使CCM13的爬行24进入阳极框架8和PTL阳极7之间的间隙17。II型通道15的特殊布置完全确保了水和气体的供应和排出，以及CCM13的稳定性和PEM电解单元2的完全密封。因此，根据本发明的框架1可以使用厚度小于80μm，例如50μm或厚度更小的CCM13(＝薄CCM13)。使用本发明的框架1，可以制造出比现有技术中通常情况下更薄的CCM13的PEM电解单元2。此外，这些PEM电解单元2的运行方式可以使氢气累积到阴极侧产生高达40巴的压差，而不会损坏CCM13或导致PEM电解单元2泄漏。

在优选的实施例中，阳极7被设计成BPP16与阳极7连接，根据本发明，这被称为BPP/阳极36。BPP/阳极36的使用不仅便于组装，还能降低各个部件之间的接触阻抗。在优选的实施方案中，阳极7包括至少一个粗分配器和至少一个细分配器，用于分配过程介质，特别是水。粗分配器将水有效地分配到整个单元区域(即第一开口和第二开口6+9)。细分配器将水输送到CCM13，实现与CCM13的良好电接触，同时对CCM13起机械支撑作用。例如，膨胀金属可用作PTL阳极7的粗分配器。例如，烧结粉末制成的板可用作PTL阳极7的细分配器。粗分配器和细分配器，例如膨胀金属和烧结金属，可以通过电阻焊接等方式连接在一起，以生产PTL阳极7。或者，也可将粉末直接烧结在膨胀金属上，制成PTL阳极7。PTL阳极7可以连接到BPP16。BPP16优选由与PTL阳极7相同的材料组成。在特别优选的实施方案中，BPP16和PTL阳极7由钛组成。在另一种优选实施方案中，BPP16和PTL阳极7至少由80％的相同材料组成，例如钛。BPP16和PTL阳极7之间的连接可以通过电阻焊接等方式实现，优选在几个点上进行焊接。在BPP/PTL阳极36中，BPP16的表面与框架1的外表面相对应，或者BPP/PTL阳极36的表面基本上与框架1的外表面相对应。BPP/PTL阳极36中PTL阳极7的表面经过调整，使其填满第一开口6或适于第一开口6。装配时不需要两个部件(BPP16和PTL阳极7)，而只需要一个部件，即BPP/PTL阳极36。这意味着节省了一个部件。

根据通过电极输送的是水还是气体，沿阳极框架8的第一开口6的一侧或两侧的I型通道14也可以明显小于沿阳极框架8的第一开口的其他侧的I型通道14(见图10b)。例如，阴极侧的I型通道14可以明显小于阳极侧的I型通道14(见图10b至10d)。为了节省空间并确保框架1的机械稳定性，I型通道14可以设计成单元状而不是圆孔状。I型通道14可以有不同的形状和相应的调整。

本发明的目的是一种预组装子模块20，用于制造堆叠式23电解装置，该装置包括根据本发明设计的框架1。例如，本发明的目的是一种用于生产堆叠式23电解装置的预组装模块20，该装置包括阳极框架8、阴极框架11、BPP16、PTL阳极7和PTL阴极10，

其中，阳极框架8包括具有平面第一表面的框架1的第一侧4、与阳极框架的第一侧4相对的侧4”和用于接收PTL阳极7的第一开口6，其中，第一开口6从第一侧4延伸到阳极框架的与第一侧4的相对的侧4”，并且第一开口6被阳极框架8包围，阳极框架8包括至少一个用于连接阴极框架11的连接元件，例如一个销19，

其中，阴极框架11包括框架1的第二侧5，第二侧5具有平面，阴极框架的与第一侧5相对的侧5”以及用于接收PTL阴极10的第二开口9、其中，第二开口9从第二侧5延伸到阴极框架的与第二侧5的相对的侧5”，并被阴极框架10包围，阴极框架11包括至少一个用于连接阳极框架8的连接元件，例如用于接收阳极框架8的销19的孔18，

其中，BPP16布置在框架1的第一侧4和框架1的第二侧5之间，BPP16可以是BPP/PTL阳极36的一部分，其中，阳极框架8包括芯部21，芯部21例如由金属构成或包括金属，以及密封材料涂层22，例如由橡胶制成的涂层，优选是由EPDM制成的涂层，以及其中芯部21全部或部分涂有密封材料涂层22，其中BPP16优选与PTL阳极7连接，形成BPP/PTL阳极36，PTL阳极7或BPP/PTL阳极36被插入或压入第一开口6，并且PTL阳极7被阳极框架8框住，

阴极框架10包括芯部21，芯部21例如由金属或金属组成，以及密封材料涂层22，例如橡胶涂层，优选是EPDM涂层，其中芯部21全部或部分涂有密封材料涂层22，PTL阴极10被插入或压入第二开口9并被阴极框架11框住，

其中，阳极框架8和阴极框架11通过阳极框架8和阴极框架11的连接元件连接，例如，阳极框架8的销19插入阴极框架11的孔18中，阳极框架8和阴极框架11因此相互连接，

其中，第一开口6比第二开口9大，阳极框架8和阴极框架11的布置使得第一侧4和第二侧5在从阳极框架8到阴极框架11的过渡处形成台阶12，其中，台阶12优选是阴极框架11的部分，该部分优选与第二开口9相邻，并优选框住第二开口9，其中，台阶12优选形成平面第三表面，其作为CCM13的支撑表面，其中，BPP16或BPP/PTL阳极36的BPP16一侧靠在PTL阳极7和阳极框架8上，另一侧靠在PTL阴极10、阴极框架11和台阶12上。预组装模块20优选包括本申请中所述的用于供水和排气的I型通道14和II型通道15，它们可按所述方式布置。

本发明的主题是一种用于制造预组装模块20的方法，该模块包括根据本发明的框架1。例如，本发明的主题是制造预组装模块20的方法，包括方法步骤：

a)为阳极框架8制作芯部21，芯部21优选由金属制成，芯部21包括具有平面第一表面的第一侧4和与阳极框架的第一侧4相对的侧4”，第一侧4和与阳极框架的第一侧4相对的侧4”包括第一开口6，第一开口6从第一侧4延伸到与阳极框架的第一侧4相对的侧4”，并由阳极框架8框住，并包括一个或多个I型通道14，用于供应和移除水和气体，其中一个或多个I型通道14不与阳极框架8中的第一开口6连接，并且阳极框架8包括至少一个用于与阴极框架11连接的连接元件，例如销19，

b)根据a)为阳极框架8生产的芯子21的表面全部或部分，例如根据a)为阳极框架8生产的芯子21的至少90％的表面(其用于生产橡胶制成的涂层，作为通过硫化制成的密封材料涂层22)，使用天然橡胶或合成橡胶涂覆，然后进行硫化，由此在芯子21的整个表面或部分表面上生产橡胶制成的涂层，最好是EPDM制成的涂层，其中在橡胶制成的涂层中，第一侧4的表面上形成了一个或多个II型通道15，所述一个或多个II型通道15与一个或多个I型通道14相连，并将I型通道14与第一开口6连接起来，而且当阳极框架8安装在PEM电解单元2或堆叠式PEM电解装置23中时，所述一个或多个II型通道15沿BPP16的方向或BPP/PTL阳极36的BPP侧的方向布置，其中，在橡胶制成的涂层中，与阳极框架的第一侧4的相对的侧4”中未形成II型通道15，

c)将PTL阳极7和BPP16或BPP/PTL阳极36放入或压入根据a)和b)生产的阳极框架8中，

d)为阴极框架11制作芯21，芯21最好由金属制成，芯21包括具有平面第二表面的第二侧5和与阴极框架5”的第二侧5相对的侧5”，第二侧5和与阴极框架的第二侧5相对的侧5”包括第二开口9，第二开口9从第二侧5延伸到与阴极框架的第二侧5相对的侧5”，并被阴极框架11框住，并包括一个或多个I型通道14，用于供应和移除水和气体，其中这些I型通道14不与阴极框架11中的第二开口9连接，并且阴极框架11包括至少一个用于连接阳极框架8的连接元件，例如孔18，

e)根据d)生产的用于阴极框架11的芯21的表面全部或部分，例如根据d)生产的用于阴极框架11的芯21的至少90％的表面(其用于生产橡胶制成的涂层作为通过硫化制成的密封材料涂层22)，使用天然或合成橡胶涂覆，然后进行硫化，由此在芯21的整个表面或部分表面上生产橡胶制成的涂层，优选是EPDM制成的涂层，其中在橡胶制成的涂层中，第二侧5的表面上形成了一个或多个II型通道15，所述一个或多个II型通道15与一个或多个I型通道14相连，并将I型通道14与第二开口9连接起来，而且当阴极框架11安装在PEM电解单元2或堆叠式PEM电解装置23中时，所述一个或多个II型通道15沿BPP16的方向或BPP/PTL阳极36的BPP侧的方向布置，其中，在橡胶制成的涂层中，与阴极框架的第二侧5的相对的侧5”中未形成II型通道15，

f)将根据d)和e)生产的阴极框架11与阳极框架8连接起来，例如，将阴极框架11插到阳极框架8上，将BPP16设置在第一侧4和第二侧5之间，然后将PTL阴极10插入或压入阴极框架11。

本发明的主题是一种制造用于在压差下运行以产生高压氢气的堆叠式PEM电解装置23的方法，其包括根据本发明的框架1、根据本发明的预组装模块20、电化学单元2。本发明的主题是，例如，一种制造用于在压差下运行以产生高压氢气的堆叠式PEM电解装置23的方法，包括以下方法步骤，

a)根据本发明的至少x个预组装模块20和至少x+1个CCM13一上一下交替堆叠，其中产生预组装模块的堆叠3，在预组装模块的堆叠3中，一个预组装模块20和一个CCM13一上一下交替堆叠，在预组装模块的堆叠3的顶部和底部分别布置有一个CCM13，每两个相邻的预组装模块20之间布置有一个CCM13，以及

b)然后，单个阳极(优选是单个PTL阳极7')与外部的CCM13平行布置在预组装模块的堆叠3的一侧，单个阴极(优选是单个PTL阴极10')与外部的CCM13平行布置在预组装模块的堆叠3的另一侧，

c)端板33平行于单个阳极并平行于单个阴极布置，然后将产生的堆叠压紧在两块端板33之间，形成堆叠式PEM电解装置23，其中x为整数且≥2。

在根据本发明的堆叠式PEM电解装置23的制造方法的优选实施例中，堆叠式PEM电解装置23中的x+1个CCM13中的一个或多个，优选每个，其厚度小于80μm，其中x为整数且≥2。特别优选的是，堆叠式PEM电解装置23中的x+1个CCM13中的多个(优选每个)的厚度小于50μm或更小，其中x为整数且≥2。

本发明的主题是一种在压差下运行以产生高压氢气的堆叠式PEM电解装置23，根据本发明，该装置包括一个或多个框架1。本发明的主题是根据本发明的堆叠式PEM电解装置23，其包括一个或多个预组装模块20。本发明的主题是堆叠式PEM电解装置23，其包括一个或多个根据本发明的PEM电解单元2。

例如，本发明的主题是一种用于在压差下运行以产生高压氢气的堆叠式PEM电解装置23，该装置包括x个根据本发明的预组装模块20、x+1个CCM13、一个阳极、一个阴极和两个端板33，其中x个预组装模块20和x+1个CCM13交替堆叠，形成预组装模块的堆叠3，其中，一个预组装模块20和一个CCM13在预组装模块的堆叠3中交替叠放，在预组装模块的堆叠3的顶部和底部分别布置有一个CCM13，每两个相邻的预组装模块20之间布置有一个CCM13，其中，单个阳极(优选是单个PTL阳极7')与外层的CCM13平行布置在预组装模块的堆叠3的一侧，单个阴极(优选是单个PTL阴极10')与外层的CCM13平行布置在预组装模块的堆叠3的另一侧，

其中，一块端板33与单阳极平行布置，一块端板33与单阴极平行布置，生成的堆叠在两块端板33之间压紧，形成堆叠式PEM电解装置23，其中x为整数且≥2。

在根据本发明的堆叠式PEM电解装置23的优选实施例中，堆叠式PEM电解装置23中的x+1个CCM13中的一个或多个(优选每个)的厚度小于80μm，优选厚度小于50μm或厚度更小，其中x为整数且≥2。

根据需要，还可在堆叠式PEM电解装置23的适当位置安装其他组件，例如在CCM13和端板33之间安装绝缘板32。这些位置上的绝缘板32可防止端板33短路，例如在使用螺钉时。相应的组件是本领域技术人员已知的。熟练人员可以相应地调整制造方法。

本发明的主题是一种在压差下运行以产生高压氢气的堆叠式PEM电解装置23，该装置包括x个根据本发明预组装的模块20、x+1个CCM13、一个阳极(优选是一个PTL阳极7')、一个阴极(优选是一个PTL阴极10')和两个端板33，x个预组装模块20和x+1个CCM13彼此交替堆叠以形成预组装模块的堆叠3，其中，在预组装模块的堆叠3中，在每种情况下，一个预组装模块20和一个CCM13交替堆叠，在每种情况下，在预组装模块的堆叠3的顶部和底部分别布置有一个CCM13，在每种情况下，每两个相邻的预组装模块20之间布置有一个CCM13，其中，单个阳极与外层的CCM13平行布置在预组装模块的堆叠3的一侧，单个阴极与外层的CCM13平行布置在预组装模块的堆叠3的另一侧，

其中，端板33分别平行于单个阳极和平行于单个阴极布置，生成的堆叠被压紧在两个端板33之间，以形成堆叠式PEM电解装置23，其中x为整数且≥2。

半单元阳极只包括电化学单元2的阳极侧，而不包括电化学单元2的阴极侧。在优选实施例中，半单元阳极包括单个阳极7'和阳极框架8。在优选实施例中，半单元阳极由单个阳极7'和阳极框架8组成。半单元阳极在一个预组装模块20或预组装模块的堆叠3中完成一个电化学单元2。

半单元阴极只包括电化学单元2的阴极一侧，而不包括电化学单元2的阳极一侧。在优选实施例中，半单元阴极包括一个阴极10'和一个阴极框架11。在优选实施例中，半单元阴极由单个阴极10'和阴极框架8组成。半单元阴极在预组装模块20或预组装模块的堆叠3中完成电化学单元2。

在优选实施例中，堆叠式PEM电解装置23包括至少2个或3个或5个或更多，例如10个、50个、100个、500个、1000个或更多根据本发明预组装模块20。优选地，根据本发明的堆叠式PEM电解装置23除了根据本发明的x个预组装模块20(其中x为整数且≥2)外，还包括一个阴极框架11、一个CCM13、一个阳极框架8和两个端板33。根据本发明，在堆叠式PEM电解装置23中，第一个和最后一个PEM电解单元2优选不同于位于两者之间的PEM电解单元。例如，为了生产堆叠式PEM电解装置23，在阴极框架11上布置一个CCM13，在CCM13上交替堆叠x个预组装模块20和x个CCM13，并在其上堆叠阳极框架8。堆叠在端板33之间压紧，形成堆叠式PEM电解装置23，其中x为整数且≥2。

在堆叠式PEM电解装置23中，两个端板33中的一个优选是上端板38，例如，在堆叠式PEM电解装置23中，上端板38布置在顶部。在堆叠式PEM电解装置23中，两块端板33中优选有一块是下端板44，例如，在堆叠式PEM电解装置23中，下端板44布置在底部。

堆叠式PEM电解装置23在电解模式下作为流动反应器运行。水被持续注入堆叠式PEM电解装置23，并从堆叠式PEM电解装置23的电解单元中排出。水必须从堆叠式PEM电解装置23的进水口(＝进水接口)39分配到I型通道14。同时，还必须将水从I型通道14输送到排水口40。这就需要端板33上可能没有的空间，例如，端板33就会变得太厚，如果端板33太厚，堆叠式PEM电解装置23就会变得太重。

本发明的主题是用于堆叠式PEM电解装置23的盖37。根据本发明，盖37的结构是在不使整个端板33不必要地变厚的情况下为水创造尽可能多的空间。

本发明的主题是用于堆叠式PEM电解装置23的盖37，其中端板33，例如上端板38，包括至少一个用于引入水的水接口39、至少一个用于排放水的排水口40和至少两个分配盖41，其中用于创造水空间的上端板38在端板42中具有至少两个用于分配水的空间，其中至少两个分配盖41中的每一个在分配盖43中都具有用于分配水的空间，其中至少一个用于将水引入堆叠式PEM电解装置23的分配盖43与至少一个用于引入水的水接口39和端板42中的水分配空间相连接，其中至少用于将水从堆叠式PEM电解装置23中排出的另一个分配盖43与至少一个用于排出水的排水口40和端板42中的水分配空间相连接。

本发明的主题是一种堆叠式PEM电解装置23，其包括根据本发明的盖37。本发明的主题是一种根据本发明的堆叠式PEM电解装置23，其包括根据本发明的盖37。

为了完全密封电化学单元2的单个框架1和堆叠式PEM电解装置23的单个框架1，特别是在高压或高压差情况下，必须用足够的螺栓力或接触压力支撑端板33(或上端板38和下端板44)。然后，由密封材料涂层22起到密封作用，将单个框架1、阳极框架8和阴极框架11完全密封。如果框架1的框架表面较大，则夹紧端板33使其完全密封所需的接触压力会更大。对于框架面积较大的框架1，如果阳极框架的芯部21和阴极框架的芯部21完全涂有密封材料涂层22，接触压力就会特别大，即阳极框架8的第一面4上密封材料涂层22面积大，第一开口6大，即第一开口27的第一侧长，第一开口28的第二侧也可能长。例如，大的框架面积指的是1600平方cm或更大。在优选实施例中，并非整个阳极框架8的框架表面都需要密封。在某些实施例中，并非整个阴极框架11的框架表面都需要用于密封。为了减小接触压力，可以在芯部21表面不需要密封的区域减小密封材料22涂层的厚度。相应的阳极框架8或阴极框架11包含芯部21上的区域，在这些区域中，由密封材料涂层22具有一定的层厚度，以及与由密封材料涂层22的层厚度相比，由密封材料22”制成的涂层具有减少的层厚度的区域(图10b、图14)，例如在芯部21表面不需要密封的区域，密封材料22”涂层的层厚为0.05mm或更厚，例如0.1mm，优选是0.2mm或更厚，比在需要密封活动区域(活动区域＝第一开口和第二开口6+9)和I型通道及II型通道14+15的芯部21表面区域的由密封材料涂层22的层厚度小。为了减小接触压力，可以在阴极框架11或阳极框架8的芯部21表面上减小由密封材料涂层22厚度，这些区域对密封并无必要，例如在不需要密封的芯部21表面区域，密封材料22”的涂层厚度减少0.05mm或更多，例如0.1mm，优选是0.2mm或更多，例如在不需要密封活动区域(第一开口和第二开口6+9)以及I型通道和II型通道14+15的芯部21表面区域。

阳极框架8和/或阴极框架11的芯部21表面上由密封材料涂层22厚度未减小的区域，在堆叠式PEM电解装置23被夹紧时主要承受压力(图1，10至15MPa)。芯部21表面由密封材料涂层22具有未减薄的层厚度的密封区域可定义为，例如，芯部21表面的区域，该区域围绕第一内开口6或第二内开口9以及I型通道14和II型通道15的距离为0.2mm或以上，例如0.5mm或1mm或以上，优选为1.5mm或2mm或以上(图10b，图14)。距离可以不同。到第一开口6、第二开口9、I型通道14的布置、II型通道15的区域，在这些区域内，由密封材料涂层22未减少层厚度，距离可以相同或不同。在特定的实施例中，由密封材料涂层22在阳极框架8或阴极框架11的芯部21的表面区域或部分表面区域的层厚度可以为零，其中由密封材料涂层22”具有减小的层厚度，即在特定的实施例中，在这一表面区域，芯部21没有涂覆由密封材料涂层22”。通过减小阳极框架8或阴极框架11的芯部21表面某些区域的密封材料涂层22”的层厚，与以相同层厚完全覆盖芯部21表面的密封材料涂层22相比，需要压紧的面积例如可以减少50％。这样，在堆叠式PEM电解装置23中压紧框架1所需的接触压力也可减少50％。

本发明有利实施例的另一个优点是制造成本低。II型通道15不是从每个阳极框架8和每个阴极框架11中铣削出来的，而是一次性转移到一个工具中。一个工具是阳极框架8的负模，另一个工具是阴极框架11的负模。II型通道15被转移到工具中，并像印章一样插入由密封材料22(优选是橡胶，例如EPDM)制成的涂层中。在工具的帮助下，金属芯部21与密封材料(优选是橡胶，例如EPDM)通过硫化进行涂层，根据本发明，在阳极框架8和/或阴极框架11的所需区域同时产生II型通道15。通过阳极框架8和/或阴极框架11硫化生产的模制件或橡胶模制件可直接使用，并能以低成本大量生产。其他工艺也是已知的，例如注塑成型或3D打印。

优选地，堆叠式PEM电解装置23设计成所有部件都具有光滑且均匀的表面，从而避免在CCM13上产生电压峰值。为了防止CCM13在气体压力下爬入24PTL阳极7和/或PTL阴极10的孔隙中，例如使用孔隙直径小于0.1mm的PTL阳极7和/或PTL阴极10。例如，具有所谓"微孔层"(即表面特别均匀)的PTL可用作PTL阳极7和/或PTL阴极10。

优选地，根据本发明的堆叠式PEM电解装置23用于在10至95摄氏度的温度范围内，优选在40至80摄氏度的温度范围内，特别优选在68至72摄氏度的温度范围内电解水。根据本发明，堆叠式PEM电解装置23还具有以下优点：从堆叠一侧到堆叠的另一侧的温差优选最大为0至10摄氏度，更优选最大为3至7摄氏度，特别优选最大为4摄氏度。

由于密封和阳极框架8或密封和阴极框架11各由一个部件组成，因此阳极框架8和阴极框架11可以很容易地连接在一起，形成一个预组装模块20。优选地，使用与PTL阳极7连接的BPP16，即BPP/阳极36，来生产预组装模块20。例如，将BPP16和PTL阳极7焊接在一起，使BPP16和PTL阳极7作为一个组件BPP/PTL阳极36出现。为了生产预组装模块20，首先将阳极框架8插入或压到BPP/PTL阳极36的阳极7或PTL阳极7上。例如，除了作为与阴极框架11连接的第一销19之外，阳极框架8还可以具有作为与BPP16或BPP/PTL阳极36连接的第二销19，该销可以插入BPP16中。为此，BPP16或BPP/PTL阳极36的BPP16包括一个与阳极框架8连接的相应装置，优选是一个孔18。然后，将带有插入或压入的PTL阳极7和BPP16或BPP/PTL阳极36的阳极框架8翻转过来，阴极框架11也可以插入阳极框架8的另一侧，并带有与阳极框架连接的装置，优选是孔18，从而与阳极框架8连接。然后将PTL阴极10插入或压入阴极框架11中(图6)。这样就得到了一个预组装模块20。然后，预组装模块20可以通过定心销与CCM13交替堆叠，以便生产预组装模块的堆叠3或堆叠式PEM电解装置23。

附图标记

附图：

图1：现有技术的PEM电解单元的经典结构，其包括框架1、催化剂涂层膜(CCM)13、双极板(BPP)16、PTL阳极7、PTL阴极10，框架1和PTL阳极7之间以及框架1和PTL阴极10之间的间隙17。框架1包括用于供水和排气的I型通道14。

图2：根据图1中的框架1，示出了框架1的变形，在框架1和PTL阳极7以及框架1和PTL阴极10之间形成更大的间隙17，CCM13爬入框架1和PTL阳极7以及框架1和PTL阴极10之间扩大的间隙17中。

图3a：示出了根据本发明制作的框架1的一部分，其包括一个涂有密封材料22涂层的芯部21，在密封材料22涂层上有一个II型通道15。

图3b：图中展示了本发明框架1的一部分。框架1包括一个涂有密封材料22涂层的芯部21和密封材料22涂层中的II型通道15的一部分。

图4：示出了根据本发明的阴极框架11具有第二开口9，该开口由阴极框架11的第一侧27'、第二侧28'、第三侧29'和第四侧30'框住。阴极框架11包括两个孔18作为连接阳极框架8的连接元件，以及20个I型通道14。阴极框架11的第二侧5包括多个II型通道15，它们将第二开口9与十个I型通道14连接起来，每个I型通道14通过多个II型通道15与第二开口9连接。在与阴极框架的第二侧5相对的侧5”，没有连接I型通道14和第二开口9的II型通道15。

图5：示出了根据本发明设计的阳极框架8有一个第一开口6，它由阳极框架8的第一侧27、第二侧28、第三侧29和第四侧30围成。阳极框架8包括两个销19，作为与阴极框架11连接的连接元件，在这个具体的例子中，还包括二十个I型通道14，这些通道的布置方式是，当阳极框架8和阴极框架11连接时，它们可以与阴极框架11的二十个I型通道14相互作用，以供应和排除水和气体。阳极框架8的第一面4包括II型通道15，它将第一开口6与十个I型通道14连接起来。在与阳极框架的第一侧4相对的侧4”，没有连接I型通道14与第一开口6的II型通道15。阳极框架8包括由密封材料22(优选是橡胶)制成的涂层。阳极框架8包括密封材料制成的唇边，优选是橡胶唇边25。

图6示意性地图示了制造预组装模块20的方法，其工艺步骤如下：a)初始位置：PTL阳极7和BPP16连接(BPP/PTL阳极36)；b)第一步：将阳极框架8的销19插入BPP/PTL阳极36的孔19中；c)第二步：翻转b)中的布置，可以看到BPP/PTL阳极36的BPP16侧；d)第三步：将阴极框架11插入布置中。

图7：显示了预组装模块20的剖视图。从图中可以看到预组装模块20的各个部件：阴极框架11、阳极框架8、BPP/PTL阳极36、PTL阴极10以及阴极框架11、阳极框架8、BPP/PTL阳极36和PTL阴极10在预组装模块20中的排列。图中还显示了各个部件的优选组装顺序。阴极框架11中的II型通道15位于阴极框架11的可见侧的对面侧。这是框架的第二侧5。从这个视角看不到它们。它们在与阴极框架的第二侧相对的侧5”以浅灰色标记。

图7a：显示了一个预组装模块20的平面图。可以看到属于预组装模块20的所有4个部件：阴极框架11、阳极框架8、BPP/PTL阳极(36)和PTL阴极10。II型通道15全部沿BPP/PTL阳极36的方向布置，因此在预组装模块20中看不到，因为它们布置在预组装模块20内部。II型通道15在模块20内部的布置以浅灰色显示在阴极框架11的可见侧(＝与阴极框架的第二侧相对的侧＝5”)。

图7b：显示预组装模块20的侧视图。阳极框架8和阴极框架11连接在一起。PTL阳极7插入阳极框架8，PTL阴极10插入阴极框架11。BPP16位于阳极框8和阴极框11之间。由于第一开口6比第二开口9大，因此阳极框架8和阴极框架11形成一个台阶12。BPP16位于PTL阴极10、台阶12和阴极框架11上，另一侧位于PTL阳极7和阳极框架8上。

图7c：示出了图7b中预组装模块20部分的放大剖面图，清晰地显示了台阶12。

图8：示出了根据本发明设计的堆叠式PEM电解装置的结构示意图，即预组装模块的堆叠3。图中显示的是带有三个PEM电解单元2的堆叠。箭头表示高压氢电解过程中气体压力的方向，高压氢电解是在40巴的压差下进行的。

图8a：示出了带有台阶12的PEM电解单元2部分的放大剖面图。箭头表示在压差作用下，增大的压力作用于CCM13的方向。

图9a：阴极框架11的示例尺寸。II型通道15将第二开口9与I型通道14连接起来，该I型通道14沿着第二开口28'的第二侧和第二开口30'的第四侧布置。在每种情况下，都有多个II型通道15将第二开口9与I型通道14连接起来。各个II型通道15之间由凸起26分开。

图9b：与图9a所示阴极框架11相匹配的阳极框架8的示例尺寸。II型通道15将第一开口6与I型通道14连接起来，该I型通道14沿着第一开口的第一侧27和第一开口的第三侧29布置。在每种情况下，都有多个II型通道15将第一开口6与I型通道14连接起来。各个II型通道15之间由凸起26分开。

图10a：所示为阳极框架8的一个实施例。阳极框架8包括I型通道14和II型通道15，其中II型通道14呈扇形方式布置在框架的第一侧4。在本实施例中，阳极框架8是四边形的，包括一个四边形的第一开口6和二十个I型通道14，其中五个I型通道14分别布置在阳极框架的四侧上，即第一开口的第一侧27包括五个I型通道14，第一开口的第二侧28包括五个I型通道14，第一开口的第三侧29包括五个I型通道14，第一开口的第四侧30包括五个I型通道14。在阳极框架8的两个相对的侧，五个I型通道14分别与八个II型通道15相连。每个II型通道15与一个I型通道14和第一开口6相连。II型通道15呈扇形方式布置在框架的第一侧4，并沿第一开口27的第一侧和第一开口29的第三侧均匀分布。

图10b：所示为阳极框架8。阳极框架8包括I型通道14，其中I型通道14的一部分呈圆形，另一部分呈椭圆形。阳极框架8包括由密封材料涂层22，该涂层布置在阳极框架8的芯部21上(芯部未示出)。由密封材料涂层22有一层厚度，显示为边界区域。环绕边界区域的线条为环状凸起26，以增加活动区域26”周围的密封效果。阳极框架8上围绕I型通道14和II型通道15以及第一开口6的区域涂有一层厚度的密封材料22涂层。在阳极框架8的这一区域，芯部21上密封材料22涂层的厚度为1.2mm。阳极框架6的芯部21的其余部分(在边框外，标有22')的密封材料涂层22”的层厚比密封材料涂层22的层厚要小。在阳极框架8的这一区域，芯部21上密封材料22”涂层的减薄的层厚度为0.3mm。

图10c：阳极框架8的斜侧视图。图中显示了II型通道15，它被设计成密封材料22涂层上的凹陷，在阳极框架8的这一区域，密封材料22涂层具有确定的层厚。相邻的II型通道15之间由凸起隔开(＝由密封材料涂层22具有确定的厚度的区域)。

图10d显示了图10c中阳极框架8的剖面图。

图10e：图中显示了一个阴极框架11。阴极框架11包括I型通道14，其中一些I型通道14呈圆形，另一些I型通道14呈椭圆形。椭圆形的I型通道14通过II型通道15与第二开口9相连。阴极框架11包括一个橡胶唇25，用于隔离单电压测量。阳极框架8也有类似的布置。

图11显示了预组装模块20的一个实施例(图中未显示PTL阴极10，也未显示CCM13)，该模块由阴极框架11和阳极框架8组成。台阶12由不同尺寸的第一开口6和第二开口9构成。在台阶12的一部分上布置了II型通道15，由于被阴极框架11遮挡，所以只能看到一部分的II型通道15。

图12显示的是根据本发明设计的堆叠式PEM电解装置23，其中包括PEM电解单元2的堆叠、绝缘板32、端板33、拉杆34和集流板35。

图13显示PTL阳极7的一个优选实施例，其中BPP16与阳极7连接，形成BPP/PTL阳极36。

图14显示了根据本发明的PEM电解单元2在如图10b所示的阳极框架8中的压力分布。电解单元在两个端板33之间以定义的扭矩紧固。代替使用CCM13，在阳极框架8和与之匹配的阴极框架11之间，放置了一块压敏箔，它在不同压力下的触发方式不同。通过对压敏箔的评估，可以确定阳极框架8的哪个区域压力最大。在阳极框架8的芯部21涂有由密封材料涂层22的区域，即，例如，沿第一开口27的第一侧和沿第一开口29的第二侧以及I型通道14周围的区域，压力最高，为10至15MPa。阳极框架8的这一区域的涂层厚度比密封材料涂层22”厚度减少的区域厚0.2mm。连接第一开口6和I型通道14的II型通道15以及凸起26所处的区域不包括在内。在这一区域，压力仅为1至2MPa。在阳极框架8的外边缘区域，芯部21的涂层厚度与密封材料涂层22相比有所减薄(＝密封材料涂层22”的减薄层厚度)，该区域的压力更低，为0.1至0.5MPa。

图15a显示了根据本发明用于堆叠式PEM电解装置23的盖37。盖37包括一个端板33，例如一个上端板38，它与两个分配盖41相连，其中一个分配盖41包括输入水的水接口39，另一个分配盖41包括输出水的排水口40。

图15b显示了用于堆叠式PEM电解装置23的盖37，盖上的分配盖41已被取下，因此在端板33中可以看到端板42中的配水空间以及与端板42中的配水空间相连的I型通道14。

图15c显示了根据本发明用于堆叠式PEM电解装置23的盖37的分配盖41，其中可见分配盖43中的配水空间。

图15d是根据本发明绘制的模拟水在盖37中分布的示意图。图中还显示了盖37不同位置和I型通道14过渡区域的不同流速。

图16显示了一个阳极框架7，其上排列着I型通道14和II型通道15，以及涂有密封材料涂层22的区域和涂有密封材料涂层22”且涂层厚度减小的区域。II型通道15将I型通道14的一部分与第一开口6连接起来。它们沿着第一开口27的第一侧和第一开口29的第三侧以一定的间隔排列，因此每个II型通道15都能将水或水和气体引入第一开口6的同一区域或活动区域。

图16a至16c显示了图16中阳极框架的放大部分。

图17显示了一个阴极框架11，其上布置有I型通道14和II型通道15，以及带有密封材料涂层22的区域和带有密封材料涂层22”且涂层厚度减小的区域。II型通道15将I型通道14的一部分与第二开口9连接起来。它们沿着第二开口28'的第二侧和第二开口30'的第四侧以一定的间隔排列，因此每个II型通道15都将水或水和气体引入第一开口6的同一区域或活动区域。

Claims (21)

1.用于堆叠式PEM电解装置(23)的PEM电解单元(2)的框架(1)，所述框架(1)包括第一侧(4)、第二侧(5)、阳极框架(8)和阴极框架(11)，所述第一侧(4)具有平面第一表面，所述第二侧(5)与第一侧(4)相对且具有平面第二表面，以及

其中，阳极框架包括第一侧(4)、与阳极框架的第一侧(4)相对的侧(4”)以及用于接收多孔传输层(PTL)阳极(7)的第一开口(6)，其中，第一开口(6)从第一侧(4)延伸至阳极框架的相对的侧(4”)，

其中，阴极框架(11)包括第二侧(5)、与阴极框架的第二侧(5)相对的侧(5”)以及用于接收PTL阴极(10)的第二开口(9)，其中，第二开口(9)从第二侧(5)延伸至阴极框架的相对的侧(5”)，

其中，与阳极框架的第一侧(4)相对的侧(4”)和与阴极框架的第二侧(5)相对的侧(5”)相邻设置，

其中，阳极框架(8)和阴极框架(11)相互连接，

其中，第一开口(6)和第二开口(9)相互连接，

其特征在于，第一开口(6)大于第二开口(9)，其中阳极框架(8)和阴极框架(11)的布置使得与阳极框架的第一侧(4)相对的侧(4”)和与阴极框架的第二侧(5)相对的侧(5”)在从阳极框架(8)到阴极框架(11)的过渡处形成台阶(12)，其中，台阶(12)形成平面第三表面，所述平面第三表面作为催化剂涂层膜(CCM)(13)的支撑表面，并且其中，阳极框架(8)包括芯部(21')和密封材料涂层(22)，以及其中，阴极框架(11)包括芯部(21”)和密封材料涂层(22)。

2.根据权利要求1所述的框架(1)，其包括一个或多个I型通道(14)和包括一个或多个II型通道(15)，所述I型通道(14)用于将水输送到框架(1)内，以及将水和气体输送出框架(1)，所述II型通道(15)用于将水输送到第一开口(6)内，以及将水和氧气输送出第一开口(6)，其中，I型通道(14)不与阳极框架(8)的第一开口(6)或阴极框架(11)的第二开口(9)相连，其特征在于，阳极框架(8)在第一侧(4)的表面上包括一个或多个II型通道(15)，所述一个或多个II型通道(15)与一个或多个I型通道(14)相连，并将I型通道(14)与第一开口(6)相连，而且当框架(1)安装在PEM电解单元(2)或堆叠式PEM电解装置(23)中时，所述一个或多个II型通道(15)沿双极板(BPP)(16)的方向布置，其中，与阳极框架的第一侧(4)相对的侧(4”)不包括II型通道(15)。

3.根据权利要求1或2所述的框架(1)，其包括一个或多个I型通道(14)和包括一个或多个II型通道(15)，所述I型通道(14)用于将水输送进框架(1)和将水和气体输送出框架(1)，所述II型通道(15)用于将氢气输送出第二开口(9)，其中I型通道(14)不与阳极框架(8)的第一开口(6)或阴极框架(11)的第二开口(9)相连，其特征在于，阴极框架(11)在第二侧(5)的表面上包括一个或多个II型通道(15)，所述一个或多个II型通道(15)与一个或多个I型通道(14)相连，并将I型通道(14)与第二开口(9)相连，而且当框架(1)安装在PEM电解单元(2)或堆叠式PEM电解装置(23)中时，所述一个或多个II型通道(15)沿双极板(BPP)(16)的方向布置，并且其中，与阴极框架的第二侧(5)相对的侧(5”)不包括II型通道(15)。

4.根据权利要求2或3任一项所述的框架(1)，其中，第一开口(6)由第一侧(27)、第二侧(28)、第三侧(29)和第四侧(30)形成，并且其中，为了使水流均匀地通过第一开口(6)，并不断地从第一开口(6)中排除反应热，每个与第一开口(6)相连的I型通道(14)通过至少两个II型通道(15)与第一开口(6)相连，以及

II型通道(15)在框架的第一侧(4)彼此相邻布置，且在第一开口的第一侧(27)相邻的两个II型通道(15)之间的距离≤3mm，且在第一开口的第三侧(29)相邻的两个II型通道(15)之间的距离≤3mm。

5.根据权利要求2至4任一项所述的框架(1)，其中，第二开口(9)由第一侧(27')、第二侧(28')、第三侧(29')和第四侧(30')形成，为了使水流均匀地通过第二开口(9)，并持续地从第二开口(9)排出反应热，每个与第二开口(9)连通的I型通道(14)通过至少两个II型通道(15)与第二开口(9)连通，以及

II型通道(15)在框架的第二侧(5)彼此相邻布置，且在第二开口的第二侧(28')相邻两个II型通道(15)之间的距离≤3mm，且在第二开口的第四侧(30')相邻两个II型通道(15)之间的距离≤3mm。

6.根据权利要求4和5中任一项所述的框架(1)，其中，第一开口的第一侧(27)处的相邻的II型通道(15)和第一开口的第三侧(29)处的相邻的II型通道(15)之间的距离相等，并且其中，可选地，第二开口的第二侧(28')处的相邻的II型通道(15)和第二开口的第四侧(30')处的相邻的II型通道(15)之间的距离相等。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的框架(1)，其中，在第一开口的第一侧(27)和通过所述至少两个II型通道(15)连接到第一开口(6)的I型通道(14)之间的至少两个II型通道(15)以扇形方式布置，并且在第一开口的第三侧(29)和通过所述至少两个II型通道(15)连接到第一开口(6)的I型通道(14)之间的至少两个II型通道(15)以扇形方式布置，并且其中，可选地，在第二开口的第二侧(28')和通过所述至少两个II型通道(15)连接到第二开口(9)的I型通道(14)之间的至少两个II型通道(15)以扇形方式布置，以及可选地，在第二开口的第四侧(30')和通过所述至少两个II型通道(15)连接到第二开口(9)的I型通道(14)之间的至少两个II型通道(15)以扇形方式布置。

8.根据前述权利要求任一项所述的框架(1)，其中，阳极框架(8)的芯部(21)由金属制成，并且阴极框架(11)的芯部(21)由金属制成，并且其中，阳极框架(8)包括的密封材料涂层(22)是橡胶制成的涂层，并且阴极框架(11)包括的密封材料涂层(22)是橡胶制成的涂层。

9.根据前述权利要求任一项所述的框架(1)，其中，为了降低接触压力，阳极框架(8)的密封材料涂层(22)的一部分，所述一部分的密封材料涂层(22”)的层厚度与密封材料涂层(22)的层厚度相比有所减小，和/或其中，为了降低接触压力，阴极框架(11)的密封材料涂层(22)的一部分，所述一部分的密封材料涂层(22”)的层厚度与密封材料涂层(22)的层厚度相比有所减小。

10.根据权利要求9所述的框架(1)，其中，阳极框架(8)的密封材料涂层(22)的一部分具有环状凸起26”，以增加密封效果，其中，环状凸起26”包围第一开口6，和/或其中，阴极框架(11)的密封材料涂层(22)的一部分具有环状凸起26”，以增加密封效果，其中，环状凸起26”包围第二开口9。

11.根据前述权利要求中任一项所述的框架(1)，其中，阳极框架(8)包括一个或多个用于与阴极框架(11)连接的连接元件，例如一个或多个销(19)，而阴极框架(11)包括一个或多个用于与阳极框架(8)连接的连接元件，例如一个或多个孔(18)，其中，连接元件的布置使得阳极框架(8)和阴极框架(11)能够相互连接，例如，销(19)和孔(18)的布置使得阴极框架(11)中的孔(18)能够连接到阳极框架(8)中的销(19)，从而使得阳极框架(8)和阴极框架(11)能够相互连接。

12.用于在高达40巴的压差下运行以产生高压氢气的PEM电解单元(2)，其包括CCM(13)、PTL阳极(7)、PTL阴极(10)，其特征在于，PEM电解单元(2)包括根据权利要求1至11任一项所述的框架(1)，

其中，阳极框架(8)的第一开口(6)包括PTL阳极(7)，阴极框架(11)的第二开口(9)包括PTL阴极(10)，CCM(13)布置在与阳极框架的第一侧(4)相对的侧(4”)和与阴极框架(5”)的第二侧(5)相对的侧(5”)之间，其中，CCM(13)的一侧靠在PTL阳极(7)上，并且CCM(13)的另一侧靠在台阶(12)和PTL阴极(10)上。

13.根据权利要求12所述的PEM电解单元(2)，其特征在于，CCM(13)的厚度小于80μm，例如厚度为50μm或厚度更小。

14.用于制造堆叠式电解装置(23)的预组装模块(20)，其包括阳极框架(8)、阴极框架(11)、BPP(16)、PTL阳极(7)和PTL阴极(10)，

其中，阳极框架(8)包括具有平面第一表面的第一侧(4)、与阳极框架的第一侧(4)相对的侧(4”)和用于接收PTL阳极(7)的第一开口(6)，其中，第一开口(6)从第一侧(4)延伸到与阳极框架的第一侧(4)相对的侧(4”)，其中，第一开口(6)由阳极框架(8)包围，且阳极框架(8)包括至少一个用于与阴极框架(11)连接的连接元件，优选为销(19)，

其中，阴极框架(11)包括具有平面第二表面的第二侧(5)、与阴极框架的第二侧(5)相对的侧(5”)以及用于接收PTL阴极(10)的第二开口(9)，其中，第二开口(9)从第二侧(5)延伸到与阴极框架的第二侧(5)相对的侧(5”)，并由阴极框架(10)包围，阴极框架(11)包括至少一个用于与阳极框架(8)连接的连接元件，优选为用于接收销(19)的孔(18)，

其中，BPP(16)布置在第一侧(4)和第二侧(5)之间，

其特征在于，阳极框架(8)包括芯部(21)和密封材料涂层(22)，优选为橡胶涂层，其中，优选地，BPP(16)与PTL阳极(7)连接以形成BPP/PTL阳极(36)，并且PTL阳极(7)被插入或压入第一开口(6)并由阳极框架(8)包围，阴极框架(10)包括芯部(21)和密封材料涂层(22)，优选为橡胶涂层，其中PTL阴极(10)被插入或压入第二开口(9)并由阴极框架(11)包围，

其中，阳极框架(8)的连接元件与阴极框架(11)的连接元件相连，优选至少一个销(19)插入至少一个孔(18)中，使得阳极框架(8)和阴极框架(11)彼此相连，其中，第一开口(6)大于第二开口(9)，阳极框架(8)和阴极框架(11)的布置使得第一侧(4)和第二侧(5)在阳极框架(8)到阴极框架(11)的过渡处形成台阶(12)，所述台阶(12)形成平面第三表面，所述平面第三表面作为CCM(13)的支撑表面，其中，BPP(16)的一侧靠在PTL阳极(7)和阳极框架(8)上，并且BPP(16)的另一侧靠在PTL阴极(10)、阴极框架(11)和台阶(12)上。

15.一种制造预组装模块(20)的方法，包括以下步骤：

a)为阳极框架(8)制作由金属制成的芯部(21)，其中芯部(21)包括具有平面第一表面的第一侧(4)和与阳极框架的第一侧(4)相对的侧(4”)，其中，第一侧(4)和与阳极框架的第一侧(4)相对的侧(4”)包括第一开口(6)，所述第一开口(6)从阳极框架的第一侧(4)延伸到与阳极框架的第一侧(4)相对的侧(4”)，并由阳极框架(8)包围，且在阳极框架(8)中，设置了一个或多个用于供水和排气的I型通道(14)，其中，所述I型通道(14)未与阳极框架(8)中的第一开口(6)连接，且阳极框架(8)包括至少一个用于与阴极框架(11)连接的连接元件，优选为至少一个销(19)，

b)根据a)生产的由金属制成的芯部(21)的全部或部分的表面，优选地根据a)生产的阳极框架(8)的由金属制成的芯部(21)的至少90％的表面，通过硫化过程形成橡胶制成的涂层，所述表面全部或部分地涂上天然橡胶或合成橡胶并随后硫化，从而在由金属制成的芯部(21)上形成由橡胶制成的涂层作为密封材料涂层(22)，其中，在由橡胶制成的涂层中，第一侧(4)的表面上形成了一个或多个II型通道(15)，所述一个或多个II型通道(15)与一个或多个I型通道(14)相连，并将I型通道(14)与第一开口(6)连接，而且当阳极框架(8)安装在PEM电解单元(2)或堆叠式PEM电解装置(23)中时，所述一个或多个II型通道(15)沿BPP(16)的方向布置，其中，在由橡胶制成的涂层中，在与阳极框架的第一侧(4)相对的侧(4”)中未形成II型通道(15')，

c)将PTL阳极(7)放入或压入按照a)和b)生产的阳极框架(8)，优选地，所述PTL阳极(7)与BPP(16)连接，以形成BPP/PTL阳极(36)，

d)为阴极框架(11)制作由金属制成的芯部(21)，其中，由金属制成的芯部(21)包括具有平面第二表面的第二侧(5)和与阴极框架的第二侧(5)相对的侧(5”)，第二侧(5)和与阴极框架的第二侧(5)相对的侧(5”)包括第二开口(9)，所述第二开口(9)从第二侧(5)延伸至阴极框架的与第二侧(5)相对的侧(5”)，并由阴极框架(11)包围，其中，在阴极框架(11)中设置了一个或多个用于供水和排气的I型通道(14)，其中，I型通道(14)未与阴极框架(11)中的第二开口(9)连接，其中，阴极框架(11)包括至少一个用于与阳极框架(8)连接的连接元件，优选为至少一个孔(18)，

e)根据d)生产的用于阴极框架(11)的由金属制成的芯部(21)的全部或部分的表面，优选至少90％的表面，通过硫化形成橡胶涂层，所述表面全部或部分地涂覆天然橡胶或合成橡胶，随后进行硫化，从而在由金属制成的芯部(21)上形成由橡胶制成的涂层作为密封材料涂层(22)，其中，在由橡胶制成的涂层中，第二侧(5)的表面上形成一个或多个II型通道(15”)，所述一个或多个II型通道(15”)与一个或多个I型通道(14)相连，并将I型通道(14)与第二开口(9)连接起来，并且当阴极框架(11)安装在PEM电解单元(2)或堆叠式PEM电解装置(23)中时，所述一个或多个II型通道(15”)沿BPP(16)的方向布置，并且在由橡胶制成的涂层中，在与阴极框架的第二侧(5)相对的侧(5”)中未形成II型通道(15”)，

f)通过阴极框架(11)的至少一个连接元件，优选至少一个孔(19)，将根据d)和e)生产的阴极框架(11)与根据a)至c)生产的阳极框架(8)连接，优选地至少一个销(18)、优选地将至少一个孔(19)套在至少一个销(18)上，从而将阴极框架(11)连接到阳极框架(8)，

其中，BPP(16)布置在第一侧(4)和第二侧(5)之间，并且PTL阴极(10)插入或压入阴极框架(11)、其中，第一开口(6)大于第二开口(9)，并且其中，阳极框架(8)和阴极框架(11)的布置使得与阳极框架的第一侧(4)相对的侧(4”)和与阴极框架的第二侧(5)相对的侧(5”)在阳极框架(8)到阴极框架(11)的过渡处形成台阶(12)。

16.一种制造用于在压差下运行以生产高压氢气的堆叠式PEM电解装置(23)的方法，所述方法包括以下步骤：

a)将根据权利要求14所述的至少x个预组装模块(20)或根据权利要求15所述生产的预组装模块(20)和至少x+1个CCM(13)上下堆叠在一起，从而生产出预组装模块的堆叠(3)，其中，在预组装模块的堆叠(3)中，一个预组装模块(20)和一个CCM(13)上下彼此堆叠，并且其中，且在预组装模块的堆叠(3)的顶部侧和底部侧分别布置有一个CCM(13)，每两个相邻的预组装模块(20)之间布置有一个CCM(13)，以及

b)半单元阳极，优选单个阳极(7')和阳极框架(8)与外部的CCM(13)平行布置在预组装模块的堆叠(3)的一侧，以及半单元阴极，优选单个阴极(10')和阴极框架(11)与外部的CCM(13)平行布置在预组装模块的堆叠(3)的另一侧，

c)端板(33)平行于半单元阳极和半单元阴极布置，然后在两个端板(33)之间压紧产生的堆叠，以形成堆叠式装置(23)，

其中，x为整数且≥2。

17.用于在压差下运行以产生高压氢气的堆叠式PEM电解装置(23)，其包括根据权利要求14所述的x个预组装模块(20)或根据权利要求15所述生产的x个预组装模块(20)、x+1个CCM(13)、单个阳极、单个阴极和两个端板(33)，其中，x个预组装模块(20)和x+1个CCM(13)上下堆叠，以形成预组装模块的堆叠(3)，其中，在预组装模块的堆叠(3)中，一个预组装模块(20)和一个CCM(13)上下交替堆叠，且在预组装模块的堆叠(3)的顶部侧和底部侧分别布置有一个CCM(13)，每两个相邻的预组装模块(20)之间布置有一个CCM(13)，其中，单个阳极与外部的CCM(13)平行布置在预组装模块的堆叠(3)的一侧，单个阴极与外部的CCM(13)平行布置在预组装模块的堆叠(3)的另一侧，

其中，端板(33)分别平行于单个阳极和单个阴极布置，并且在两个端板(33)之间压紧生成的堆叠，以形成堆叠式PEM电解装置(23)，其中，x为整数且≥2。

18.用于在压差下运行以产生高压氢气的堆叠式电解装置(23)，其包括x+1个根据权利要求12或13所述的PEM电解单元(2)，包括x+1个CCM(13)和x-1个BPP(16)、上端板(38)和下端板(44)，其中x+1个PEM电解单元(2)和x-1个BPP(16)上下交替堆叠，其中，在堆叠中，一个PEM电解单元(2)和一个BPP(16)上下交替堆叠，且在堆叠的顶部侧和底部侧分别布置有一个BPP(16)，每两个相邻的PEM电解单元(2)之间也布置有一个BPP(16)，并且其中，上端板(38)平行于堆叠上侧的BPP(16)布置，下端板(44)平行于堆叠下侧的BPP(16)布置，并且产生的堆叠在上端板(38)和下端板(44)之间被压紧，以形成堆叠式PEM电解装置(23)，

其中，x为整数且≥2。

19.根据权利要求17或18中任一项所述的堆叠式PEM电解装置(23)或根据权利要求16所述的生产的堆叠式PEM电解装置(23)，其中，堆叠式PEM电解装置(23)中的x+1个CCM(13)中的每个CCM(13)的厚度小于80μm，优选厚度为50μm或厚度更小。

20.根据权利要求17至19任一项所述的堆叠式PEM电解装置(23)，其包括两个端板(33)，其中，优选地，上端板(38)布置在堆叠的上侧，下端板(44)布置在堆叠的下侧，其中，至少一个端板(33)，优选上端板(38)，包括至少一个用于引入水的水接口(39)、至少一个用于排放水的排水口(40)和至少两个分配盖(41)，其中，至少一个用于提供水空间的端板(33)在至少一个端板(33)中具有至少两个用于分配水的空间，并且其中，至少两个分配盖(41)中的每一个在分配盖(43)中都具有用于分配水的空间，并且其中，至少一个用于将水引入堆叠式PEM电解装置(23)的分配盖(43)与至少一个用于引入水的水接口(39)和端板(42)中用于分配水的空间相连，并且其中，至少一个用于将水从堆叠式PEM电解装置(23)中排出的另外的分配盖(43)与至少一个用于将水排出的排水口(40)和端板(42)中用于分配水的空间相连。

21.用于根据权利要求17至19中任一项所述的堆叠式PEM电解装置23的盖37，其中，端板(33)，例如上端板(38)包括至少一个用于将水引入堆叠式PEM电解装置(23)的水接口(39)、至少一个用于将水从堆叠式PEM电解装置(23)中排出的排水口(40)，以及至少两个分配盖(41)，其中，端板(33)中至少有两个用于分配水的空间，以提供水的空间，其中，至少两个分配盖(41)中的每个分配盖(43)中都有用于分配水的空间，其中，至少一个用于将水引入堆叠式(23)的PEM电解装置的分配盖(43)具有至少一个用于引入水的水接口(39)和一个用于在端板(33)中分配水的空间，并且其中，用于从堆叠式PEM电解装置(23)中排出水的至少另一分配盖(43)与至少一个用于排出水的排水口(40)和端板(33)中用于分配水的空间相连接。