DE102014010813A1

DE102014010813A1 - Frame for an electrolyzer, electrolysis cell module and electrolyzer

Info

Publication number: DE102014010813A1
Application number: DE102014010813.9A
Authority: DE
Inventors: Verena Staudenmayer; c/o Etogas GmbH Dragoni Mario
Original assignee: Etogas GmbH
Current assignee: Hitachi Zosen Innova AG
Priority date: 2014-07-23
Filing date: 2014-07-23
Publication date: 2016-01-28

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rahmen für eine Elektrolysevorrichtung, mit einem einen Aufnahmeraum für einen oder mehrere Elektrolysezellen-Bestandteile) umschließenden inneren Rand, einem äußeren Rand und einer von dem inneren Rand zu dem äußeren Rand reichenden, einstückig aus einem Strukturmaterial gebildeten Rahmenstruktur, in der eine Fluidführung für die bei der Elektrolyse zu- und abzuführenden Fluide angeordnet ist, sowie mit einer zwischen der Fluidführung und dem äußeren Rand angeordneten und in die Rahmenstruktur eingebetteten Verstärkung, die aus einem eine höhere Zugfestigkeit als das Strukturmaterial aufweisenden Verstärkungsmaterial gebildet ist.The invention relates to a frame for an electrolysis apparatus, comprising an inner edge enclosing a receiving space for one or more electrolytic cell constituents, an outer edge and a frame structure formed integrally from a structural material and extending from the inner edge to the outer edge Fluid guide is arranged for the fluids to be added and removed during the electrolysis, as well as with a between the fluid guide and the outer edge and embedded in the frame structure reinforcement formed of a higher tensile strength than the structural material having reinforcing material.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rahmen für eine Elektrolysevorrichtung, mit einem einen Aufnahmeraum für einen oder mehrere Elektrolysezellen-Bestandteil(e) umschließenden inneren Rand, einem äußeren Rand und einer von dem inneren Rand zu dem äußeren Rand reichenden, einstückig aus einem Strukturmaterial gebildeten Rahmenstruktur, in der eine Fluidführung für die bei der Elektrolyse zu- und abzuführenden Fluide angeordnet ist, sowie ein einen solchen Rahmen aufweisendes Elektrolysezellen-Modul und auch einen aus mehreren derartigen Elektrolysezellen-Modulen aufgebauten Elektrolyseur vom Stapel-Typ, insbesondere für die Erzeugung von Wasserstoff.The invention relates to a frame for an electrolysis device, comprising an inner edge enclosing a receiving space for one or more electrolytic cell constituents, an outer edge and a frame structure formed integrally from a structural material, from the inner edge to the outer edge a fluid guide is arranged for the fluids to be added and removed during the electrolysis, and an electrolysis cell module having such a frame, and also a stacked-type electrolyzer constructed of a plurality of such electrolysis cell modules, in particular for the generation of hydrogen.

Elektrolysevorrichtungen vom Stapel-Typ sind in der Technik gut bekannt. So offenbart beispielsweise die EP 0 212 240 B1 insbesondere in der dieser Anmeldung als 6 beigefügten 4 gut erkennbar mehrere zwischen einer geerdeten kathodenseitigen Endplatte 405 und einer anodenseitigen Endplatte 404 angeordneten Elektrolysezellen. Die alternierenden anodenseitigen Zellen-Halbräume A und kathodenseitigen Zellen-Halbräume C einer Elektrolysezelle sind durch jeweils eine Membran voneinander getrennt, und die Zellen untereinander durch eine für die auftretenden Fluide undurchdringliche Bipolarplatte getrennt. Dazu werden, wie besser in 5 der EP 0 212 240 B1 gezeigt ist, alternierend Bipolarelemente 501 und Trennelemente 502 aufeinander gestapelt. Die jeweiligen Rahmen dieser Halbzellen tragen zum einen die Bipolarplatte 504 (Bipolarelemente 501), zum anderen das Membran 505 (Trennelement 502). Im radial äußeren Bereich des Bipolarelements sind Ringdichtungen angeordnet, die zum jeweilig benachbarten Trennelement 502 abdichten. Diese Rahmen für die Bipolarelemente und die Rahmen für die Trennelemente können beispielsweise aus asbestfaserverstärktem spritzgegossenen Polypropylen gefertigt sein und werden in EP 0 212 240 B1 im Beispiel 1 im Testbetrieb bei einem Druck von 0,5 bar beschrieben. Für einen höheren Druck von 30 bar wird in dieser Schrift in Beispiel 4 vorgeschlagen, die Rahmen für die Bipolarelemente und die Rahmen für die Trennelemente aus Polyphenylensulfid (PTS) herzustellen, einem Material, das neben Widerstandsfähigkeit gegenüber den Fluidphasen in Elektrolysebedingungen eine hohe mechanische Widerstandsfähigkeit aufweist.Stack-type electrolyzers are well known in the art. For example, the EP 0 212 240 B1 in particular in this application as 6 attached 4 clearly recognizable several between a grounded cathode-side end plate 405 and an anode-side end plate 404 arranged electrolytic cells. The alternating anode-side cell half-spaces A and cathode-side cell half-spaces C of an electrolytic cell are separated by a respective membrane, and the cells are separated from one another by a bipolar plate which is impermeable to the fluids which occur. This will be how better in 5 of the EP 0 212 240 B1 is shown, alternating bipolar elements 501 and separators 502 stacked on top of each other. The respective frames of these half cells carry on the one hand the bipolar plate 504 (bipolar elements 501 ), on the other hand the membrane 505 (Separating element 502 ). In the radially outer region of the bipolar ring seals are arranged, the respective adjacent separating element 502 caulk. These frames for the bipolar elements and the frames for the separating elements may for example be made of asbestos fiber reinforced injection-molded polypropylene and are in EP 0 212 240 B1 described in Example 1 in test mode at a pressure of 0.5 bar. For a higher pressure of 30 bar, it is proposed in this document in Example 4 to produce the frames for the bipolar elements and the frames for the separators made of polyphenylene sulfide (PTS), a material which besides resistance to the fluid phases in electrolysis conditions has a high mechanical resistance ,

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, derartige Rahmen hinsichtlich der Anforderungen an die im Einsatz auftretenden Belastungen zu verbessern.The invention has for its object to improve such frames with respect to the requirements of the loads occurring in the field.

Diese Aufgabe wird von der Erfindung durch eine Weiterbildung des Rahmens der eingangs genannten Art gelöst, die im Wesentlichen gekennzeichnet ist durch eine zwischen der Fluidführung und dem äußeren Rand angeordnete und in die Rahmenstruktur eingebettete Verstärkung, die aus einem eine höhere Zugfestigkeit als das Strukturmaterial aufweisenden Verstärkungsmaterial gebildet ist.This object is achieved by the invention by a development of the frame of the type mentioned, which is essentially characterized by a between the fluid guide and the outer edge and embedded in the frame structure reinforcement consisting of a higher tensile strength than the structural material having reinforcing material is formed.

Durch die Erfindung wird somit ein Rahmen mit integrierter Verstärkung geschaffen, der u. a. auch für Elektrolyseure einsetzbar ist, die mit Elektrolyseverfahren vergleichsweise hohen Drucks gefahren werden, ohne dass weitergehende Stabilisierungsmaßnahmen zur Erhöhung der Druckfestigkeit des Rahmens erforderlich sind, und nimmt dafür die beim Herstellen der Rahmen zur Einbettung der Verstärkung verbundenen Komplikationen zum Erreichen einer verbesserten strukturellen Integrität in Kauf.The invention thus provides a frame with integrated gain, the u. a. Also, it can be used for electrolysers that are subjected to relatively high pressure electrolysis processes without the need for further stabilization measures to increase the pressure resistance of the frame, and therefore accept the complications associated with fabricating the reinforcement embedding frames to achieve improved structural integrity ,

Betrachtet man die im Wesentlichen senkrecht zur Stapelrichtung verlaufende Rahmenebene, in der der innere Rand liegt, so soll die Verstärkung den Bereich der Rahmenstruktur mit der Fluidführung vollumfänglich umgeben, um lokale Strukturschwächen des Rahmens zu vermeiden. Bevorzugt ist die Verstärkung als ringförmiger Verstärkungskörper ausgebildet, wie auch der Rahmen insgesamt ringförmig gebildet sein kann. Dies erhöht nochmals die durch den Verstärkungskörper verliehene erhöhte Festigkeit des Rahmens.If one considers the frame plane extending essentially perpendicular to the stacking direction, in which the inner edge lies, then the reinforcement should completely surround the region of the frame structure with the fluid guide in order to avoid local structural weaknesses of the frame. Preferably, the reinforcement is designed as an annular reinforcing body, as well as the frame may be formed in total annular. This again increases the increased strength of the frame imparted by the reinforcing body.

Eine Formung des Rahmens soll bevorzugt mit einem Gießverfahren erfolgen, entsprechend ist das Strukturmaterial aus einem gießbaren Material geformt. Insbesondere kann der Rahmen bevorzugt durch das Spritzgießverfahren hergestellt werden, entsprechend ist das Strukturmaterial des geformten Rahmens spritzgegossen. Auf diese Weise wird eine homogene Materialdichte und somit gleichmäßige Festigkeit des Rahmens erreicht.A shaping of the frame should preferably take place by means of a casting method, correspondingly the structural material is formed from a castable material. In particular, the frame may preferably be made by the injection molding method, accordingly, the structural material of the molded frame is injection-molded. In this way, a homogeneous material density and thus uniform strength of the frame is achieved.

Für das Erreichen einer erhöhten Grundfestigkeit des Strukturmaterials selbst kann dieses ein faserverstärkter, insbesondere glasfaserverstärkter Verbundwerkstoff sein, beispielsweise auf der Basis eines Kunststoffmaterials wie etwa PPE/PPO. Dabei wird es bevorzugt, dass ein (Glas)faseranteil von nicht mehr als 40 Vol.-%, bevorzugt nicht mehr als 30 Vol.-% herangezogen wird, um eine gute Formbarkeit des Rahmenmaterials während der Herstellung des Rahmens zu erreichen. In diesem Zusammenhang sind die Fasern insbesondere in Form von Kurzfasern oder gegebenenfalls auch Langfasern mit bevorzugter Länge unter 20 mm im Strukturmaterial enthalten. Es wird bevorzugt, wenn der Faseranteil wenigstens 5 Vol.-%, insbesondere wenigstens 10 Vol.-%, durchaus auch 20 Vol.-% oder mehr beträgt.For achieving an increased basic strength of the structural material itself, this may be a fiber-reinforced, in particular glass fiber reinforced composite material, for example based on a plastic material such as PPE / PPO. It is preferred that a (glass) fiber content of not more than 40 vol .-%, preferably not more than 30 vol .-% is used in order to achieve good formability of the frame material during the production of the frame. In this context, the fibers are contained in particular in the form of short fibers or optionally long fibers with a preferred length of less than 20 mm in the structural material. It is preferred if the fiber content is at least 5% by volume, in particular at least 10% by volume, and also 20% by volume or more.

Besonders bevorzugt ist die Verstärkung unlösbar in der Rahmenstruktur angeordnet. Darunter wird verstanden, dass eine Trennung von Verstärkung und Rahmenstruktur nur unter Zerstörung der Rahmenstruktur erfolgen kann. Insbesondere soll die Einbettung der Verstärkung aus ihrer Integration in die Rahmenstruktur während der Formung der Rahmenstruktur resultieren. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Verstärkung von der Rahmenstruktur in Stapelrichtung gesehen beidseitig umgeben ist, insbesondere im Wesentlichen vollständig von dem Rahmenmaterial umschlossen ist. Der Ausdruck „im Wesentlichen” in diesem Zusammenhang ist so zu verstehen, dass vergleichsweise kleine Bereiche, nämlich insbesondere diejenigen, an denen die Verstärkung während der Formung der Rahmenstruktur gehalten wird, nicht vom Rahmenmaterial umschlossen sind, sondern freiliegende Stellen darstellen. Das Verhältnis der Gesamtfläche der freiliegenden Stellen gegenüber der Gesamtoberfläche der Verstärkung soll dabei bevorzugt weniger als 20% betragen, insbesondere weniger als 10%, auch weniger als 5%.Particularly preferably, the reinforcement is arranged undetachably in the frame structure. By this is meant that a separation of Reinforcement and frame structure can only be done by destroying the frame structure. In particular, the embedding of the reinforcement should result from its integration into the frame structure during the formation of the frame structure. In particular, it is provided that the reinforcement is surrounded by the frame structure seen in the stacking direction on both sides, in particular is substantially completely enclosed by the frame material. The term "substantially" in this context is to be understood as meaning that relatively small areas, namely in particular those on which the reinforcement is held during the formation of the frame structure, are not enclosed by the frame material but represent exposed areas. The ratio of the total area of the exposed areas to the total surface of the reinforcement should preferably be less than 20%, in particular less than 10%, even less than 5%.

Die Belastbarkeit des Rahmens hinsichtlich der aufnehmbaren Zugspannung im Vergleich zu einem Rahmen ansonsten gleichen Rahmenaufbaus und gleicher Rahmengröße und auch sonst gleichartigen Rahmens, bei dem das Verstärkungsmaterial durch das Strukturmaterial ersetzt ist, ist um mehr als 100% erhöht, bevorzugt um mehr als 200%, insbesondere um mehr als 300%. Unter der aufnehmbaren Zugspannung wird dabei die maximal mögliche Zuspannung angesehen, bei deren Überschreitung Fließerscheinungen, d. h. ein Formverlust des Materials bzw. ein Bruch des Materials auftreten würde. Beispielsweise könnte bei einem vorgegebenen Druck, etwa 16 bar, im Einsatz des Rahmens in einem Elekrolyseur vom Stapel-Typ ohne den Verstärkungsring etwa 30% der maximal möglichen Zugspannung, die dieses Material aufnehmen kann, erreicht, während durch Einsatz des Verstärkungsrings nur etwas mehr als 5% der maximal möglichen Zugspannung erreicht werden. Auf diese Weise kann der erfindungsgemäße Rahmen ohne zusätzliche äußere Verstärkungen auch für Hochdruck-Elektrolyse-Verfahren zum Einsatz kommen, bei denen größere Zugspannungen auftreten als der das Verstärkungsmaterial mit dem Strukturmaterial ersetzende gedachte Vergleichsrahmen aufzunehmen in der Lage ist.The load capacity of the frame with respect to the absorbable tensile stress in comparison to a frame of otherwise identical frame structure and frame size and otherwise similar frame in which the reinforcing material is replaced by the structural material is increased by more than 100%, preferably by more than 200%, in particular by more than 300%. Under the absorbable tensile stress while the maximum possible tension is considered, when exceeded flow phenomena, d. H. a loss of shape of the material or a fracture of the material would occur. For example, at a given pressure, about 16 bar, in use of the frame in a stack type electrolyzer without the reinforcing ring, about 30% of the maximum possible tensile stress this material can accommodate would be achieved, whereas by using the reinforcing ring only slightly more than 5% of the maximum possible tension can be achieved. In this way, the frame according to the invention without additional external reinforcements can also be used for high-pressure electrolysis processes in which greater tensile stresses occur than the imaginary comparative frame which replaces the reinforcement material with the structural material.

Grundsätzlich ist die Materialwahl für das Verstärkungsmaterial keinen besonderen Einschränkungen unterworfen, solange die entsprechend hohe Zugfestigkeit vorhanden ist. Insbesondere können sie im Vergleich mit dem Rahmenmaterial in chemischer Hinsicht weniger widerstandsfähig gegenüber den bei der Elektrolyse auftretenden Fluiden sein. Bevorzugt kommt jedoch, wie auch bevorzugt für das Rahmenmaterial, ein Material auf Kunststoffbasis in Betracht. So kann das Verstärkungsmaterial bevorzugt ein faser-, insbesondere glasfaserverstärkter Verbundwerkstoff sein, dessen Faseranteil bevorzugt mehr als 40%, weiter bevorzugt mehr als 50%, insbesondere mehr als 60% beträgt. Die z. B. Glasfasern des Verstärkungsmaterials können dabei insbesondere in Form von gewickelten Glasfasern enthalten sein, die sich nochmals festigkeitserhöhend auswirken. Als Matrix kommt bevorzugt ein Epoxidharz zum Einsatz. Die Fasern können insbesondere Langfasern sein, durchaus mit Längen von 20 mm oder länger, auch 30 mm oder länger.Basically, the choice of material for the reinforcing material is not subject to any particular restrictions, as long as the correspondingly high tensile strength is present. In particular, they may be less chemically resistant to the fluids encountered in the electrolysis compared to the framework material. Preferably, however, as well as preferably for the frame material, a plastic-based material into consideration. Thus, the reinforcing material may preferably be a fiber, in particular glass fiber reinforced composite whose fiber content is preferably more than 40%, more preferably more than 50%, in particular more than 60%. The z. Example, glass fibers of the reinforcing material may be contained in particular in the form of wound glass fibers, which again increase the strength increase. The matrix used is preferably an epoxy resin. The fibers may in particular be long fibers, certainly with lengths of 20 mm or longer, also 30 mm or longer.

Es ist bevorzugt vorgesehen, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des Verstärkungsmaterials nicht größer ist als der des Strukturmaterials. Auf diese Weise werden Rahmenstrukturbereiche, in denen aufgrund der eingebetteten Verstärkung eine in Stapelrichtung geringere Materialstärke vorherrscht, wie auch im Bereich des äußeren Randes geringeren Belastungen unterworfen, wenn der Rahmen in Elektrolyseverfahren zum Einsatz kommt, bei denen Temperaturen von beispielsweise 60 bis 90°C herrschen.It is preferably provided that the thermal expansion coefficient of the reinforcing material is not greater than that of the structural material. In this way, frame structure areas in which a lower material thickness prevails in the stacking direction due to the embedded reinforcement, as well as in the region of the outer edge subjected to lower loads when the frame is used in electrolysis processes, in which temperatures of for example 60 to 90 ° C prevail ,

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Rahmens ist dessen Druckfestigkeit im Einsatz in einer Elektrolysevorrichtung vom Stapel-Typ gegenüber einem Druck von wenigstens 10 bar, bevorzugt wenigstens 20 bar, weiter bevorzugt wenigstens 80 bar, insbesondere wenigstens 120 bar, durchaus auch 200 bar oder mehr beständig. Diese Beständigkeit versteht sich als die durch den Rahmen selbst verliehene Beständigkeit ohne externe Verstärkungen irgendwelcher Art außerhalb des äußeren Randes.In a particularly preferred embodiment of the frame, its compressive strength when used in a batch type electrolyzer is resistant to pressures of at least 10 bar, preferably at least 20 bar, more preferably at least 80 bar, in particular at least 120 bar, even 200 bar or more , This resistance is understood to be the consistency imparted by the frame itself, with no external reinforcements of any kind outside the outer edge.

Der Querschnitt der Fläche des Aufnahmeraums, also die wirksame Fläche der jeweiligen Elektrolysezelle, beträgt zweckmäßig wenigstens 4000 cm², bevorzugt wenigstens 6000 cm², weiter bevorzugt wenigstens 8000 cm², insbesondere auch 10000 cm² oder mehr. Derart große Querschnittsflächen sind aufgrund einer insgesamt mittels der erfindungsgemäßen Verstärkung erreichbaren geringeren Rahmengröße dem Spritzgießverfahren noch zugänglich. In diesem Zusammenhang ist vorgesehen, dass ein radialer Abstand zwischen innerem und äußerem Rand kleiner ist als 0,8 m, bevorzugt kleiner als 0,6 m, insbesondere kleiner als 0,5 m.The cross section of the surface of the receiving space, ie the effective area of the respective electrolysis cell, is expediently at least 4000 cm ² , preferably at least 6000 cm ² , more preferably at least 8000 cm ² , in particular also 10000 cm ² or more. Such large cross-sectional areas are still accessible to the injection molding process due to a smaller overall frame size achievable by means of the reinforcement according to the invention. In this context, it is provided that a radial distance between the inner and outer edge is less than 0.8 m, preferably less than 0.6 m, in particular less than 0.5 m.

Weiter bevorzugt ist vorgesehen, dass ein Verhältnis aus radialem Abstand zwischen innerem und äußerem Rand und einer Querabmessung des Aufnahmeraums, insbesondere dessen Durchmesser, kleiner ist als 0,75, bevorzugt kleiner als 0,65, insbesondere kleiner als 0,55.More preferably, it is provided that a ratio of radial distance between the inner and outer edge and a transverse dimension of the receiving space, in particular its diameter, is less than 0.75, preferably less than 0.65, in particular less than 0.55.

Des Weiteren wird es bevorzugt, daß ein Verhältnis aus der axialen (Stapelrichtung) Abmessung des Verstärkungskörpers zu der der Rahmenstruktur, für welche beispielsweise Werte im Bereich von 10 mm bis 14 mm bevorzugt werden, im Bereich von 0,6 bis 0,9 liegt, bevorzugt im Bereich von 0,65 bis 0,85.Furthermore, it is preferable that a ratio of the axial (stacking direction) dimension of the reinforcing body to that of the frame structure for which, for example, values in the range of 10 mm to 14 mm are preferred ranges from 0.6 to 0.9, preferably in the range of 0.65 to 0.85.

Zweckmäßig weist der Rahmen eine radial zwischen der Verstärkung und der Fluidführung angeordnete Ausnehmung an einer Axialseite zur Aufnahme eines Dichtkörpers auf. Ein solcher Dichtkörper dichtet dann zwischen zwei beispielsweise gleichartigen Rahmen ab, die gestapelt und üblicherweise zusammengepresst, beispielsweise mittels Schraubbolzen, eine abgedichtete Struktur eines Elektrolyseurs vom Stapel-Typ ergeben. Des Weiteren können Ausnehmungen um Kanäle der Fluidführung dort vorgesehen werden, wo die Mündungen entsprechender Durchgangslöcher mit Mündungen zugeordneter Durchgangslöcher der Fluidstruktur benachbart anzuordnender Rahmen aufeinander stoßen. Suitably, the frame has a recess arranged radially between the reinforcement and the fluid guide on an axial side for receiving a sealing body. Such a sealing body then seals between two, for example, similar frames, which are stacked and usually pressed together, for example by means of bolts, resulting in a sealed structure of a stack-type electrolyzer. Furthermore, recesses may be provided around channels of the fluid guide where the mouths of corresponding through holes abut one another with mouths of associated through holes of the fluid structure adjacent to the frame to be arranged.

Die oben erwähnten, aus dem Halten der Verstärkung während der Formung der Rahmenstruktur resultierenden freiliegenden Stellen der Verstärkung liegen zweckmäßig radial außerhalb der der Abdichtung der Gesamtrahmen untereinander dienenden Ausnehmung.The above-mentioned, resulting from the holding of the reinforcement during the formation of the frame structure exposed areas of the reinforcement are expediently radially outside of the sealing of the overall frame with each other serving recess.

In bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Fluidführung abfuhrseitig wenigstens zwei, insbesondere genau zwei axiale, radial mit dem Aufnahmeraum kommunizierende Durchgangslöcher durch die Rahmenstruktur aufweist, und zufuhrseitig wenigstens zwei axiale, radial mit dem Aufnahmeraum kommunizierende Durchgangslöcher durch die Rahmenstruktur aufweist. Die Kommunikation der Durchgangslöcher mit dem Aufnahmeraum wird über Kanäle realisiert, die zusammen mit den Durchgangslöchern eine Mannigfaltigkeit der Rahmenstruktur bilden und sich in Radialrichtung zwischen dem inneren Rand der Rahmenstruktur und einem jeweiligen Durchgangsloch erstrecken, während sie sich auch in Umfangsrichtung noch in der Rahmenstruktur erstrecken können, also einen bezüglich des angekoppelten Durchgangslochs azimutal versetzte Mündung in den Aufnahmeraum aufweisen können, wie beispielsweise in 2 der EP 0 212 240 B1 dargestellt ist.In preferred embodiments, provision is made for the fluid guide to have at least two, in particular exactly two, axial through holes communicating radially with the receiving space through the frame structure, and at least two axial through holes communicating radially with the receiving space through the frame structure on the feed side. The communication of the through holes with the receiving space is realized through channels which, together with the through holes, form a manifold of the frame structure and extend radially between the inner edge of the frame structure and a respective through hole, while still extending circumferentially in the frame structure , So may have a respect to the coupled through-hole azimuthally offset mouth into the receiving space, such as in 2 of the EP 0 212 240 B1 is shown.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kommunizieren beide abfuhrseitigen Durchgangslöcher bezüglich der Stapelrichtung axial versetzt mit dem Aufnahmeraum, und zwei zufuhrseitige Durchgangslöcher ebenfalls axial versetzt mit dem Aufnahmeraum. D. h., der Rahmen ist dazu ausgelegt, beide Zellen/Halbräume einer Elektrolysezelle an die Fluidführung anzuschließen, mithin eine gemeinsame einstückige Rahmenstruktur für wenigstens eine, insbesondere genau eine Elektrolysezelle zu bilden, im Gegensatz zu den in der Technik bekannten Strukturen wie beispielsweise in der EP 0 212 240 B1 , in der jeweils einer Halbzelle ein eigener, separater Rahmen zugeordnet ist.In a particularly preferred embodiment, both discharge-side through holes communicate axially offset with respect to the stacking direction with the receiving space, and two feed side through holes also axially offset with the receiving space. D. h., The frame is designed to connect both cells / half spaces of an electrolytic cell to the fluid guide, thus forming a common one-piece frame structure for at least one, in particular exactly one electrolytic cell, in contrast to the known in the art structures such as in of the EP 0 212 240 B1 , in each of which a half cell is assigned a separate, separate frame.

Dieser Aspekt der Erfindung wird auch als eigenständig schutzwürdig offenbart und angesehen. Die Erfindung betrifft somit ebenfalls einen Rahmen für eine Elektrolysevorrichtung, mit einer einen Aufnahmeraum für alle zur Bildung wenigstens einer Elektrolysezelle erforderlichen Bestandteile umschließenden Rahmenstruktur, in der eine Fluidführung für die bei der Elektrolyse zu- und abzuführenden Fluide angeordnet ist, wobei die Fluidführung im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet ist, dass sie abfuhrseitig wenigstens zwei, insbesondere genau zwei axiale, jeweils mit dem Aufnahmeraum kommunzierende Durchgangslöcher durch die Rahmenstruktur aufweist, und zufuhrseitig wenigstens zwei axiale, jeweils mit dem Aufnahmeraum kommunizierende Durchgangslöcher durch die Rahmenstruktur aufweist.This aspect of the invention is also disclosed and considered to be worthy of protection on its own. The invention thus also relates to a frame for an electrolysis device, with a frame structure enclosing a receiving space for all components required for forming at least one electrolysis cell, in which a fluid guide is arranged for the fluids to be added and removed during the electrolysis, the fluid guide essentially being characterized characterized in that it has on the discharge side at least two, in particular exactly two axial, each communicating with the receiving space through holes through the frame structure, and the feed side at least two axial, each communicating with the receiving space through holes through the frame structure.

Des Weiteren ist vorgesehen, dass die Fluidführung ein drittes zufuhrseitiges axiales Durchgangsloch aufweisen kann, das nicht mit dem Aufnahmeraum kommuniziert. Dieses dient dazu, das Elektrolyt, beispielsweise eine KOH-Lauge, von einem axialen Ende zunächst durch die einzelnen Rahmen einzelner Elektrolysezellen-Module zur anderen axialen Endseite eines Elektrolyseurs vom Stapel-Typ zu leiten und dort im Wege einer axialen Richtungsumkehr in die beiden zufuhrseitigen, mit dem Aufnahmeraum kommunizierenden Durchgangslöcher zu leiten. Auf diese Weise ergibt sich ein geändertes Strömungsprofil, das einem bevorzugten Strömungsprofil mit Abführung und Zuführung an unterschiedlichen axialen Endseiten des Elektrolyseurs vom Stapel-Typ entspricht, obgleich Zu- und Abführung von der gleichen axialen Endseite her erfolgt.Furthermore, it is provided that the fluid guide can have a third supply-side axial through-hole, which does not communicate with the receiving space. This serves to guide the electrolyte, for example a KOH liquor, from one axial end initially through the individual frames of individual electrolysis cell modules to the other axial end side of a stack-type electrolyzer and there by means of an axial direction reversal into the two feed-side, to conduct with the receiving space communicating through holes. In this way results in a modified flow profile, which corresponds to a preferred flow profile with discharge and supply to different axial end sides of the stack-type electrolyzer, although supply and discharge takes place from the same axial end side ago.

Wie weiter oben bereits erläutert, ist nach einem Aspekt der Erfindung vorgesehen, dass der Rahmen zur Aufnahme aller für eine, insbesondere genau eine Elektrolysezelle erforderlichen Bestandteile vorgesehen ist. Insbesondere kann am inneren Rand des Rahmens ein Abstandhalter zur Trennung von Bipolarplatte und Membran vorgesehen sein, wozu der innere Rand im Axialschnitt gesehen insbesondere T-förmig ausgebildet sein kann.As already explained above, it is provided according to one aspect of the invention that the frame is provided for receiving all the components required for one, in particular exactly one electrolysis cell. In particular, at the inner edge of the frame, a spacer for the separation of bipolar plate and membrane may be provided, for which purpose the inner edge seen in axial section may be formed in particular T-shaped.

Des Weiteren wird von der Erfindung auch ein Elektrolysezellen-Modul für eine Elektrolysevorrichtung vom Stapel-Typ unter Schutz gestellt, die einen Rahmen mit einem vorangehend erläuterten Aufbau aufweist, und zudem bereits mit einer oder mehrerer Elektrolysezellen-Bestandteile, ausgewählt aus Elektroden, Bipolarplatte, Membran, Stromabnehmer ausgestattet ist. Der Grundaufbau einzelner dieser Komponenten ist dem Fachmann geläufig und wird an dieser Stelle nicht weitergehend erläutert. Vielmehr wird diesbezüglich auf die EP 0 212 240 B1 verwiesen, hinsichtlich der Stromaufnehmer insbesondere auf deren 6 und dazugehöriger Beschreibung, in der Stromaufnehmer als metallische Netzstruktur offenbart sind. Diese stellen zum einen eine elektrische Verbindung zwischen den beispielsweise in Null-Abstand-Konfiguration an der Membran angeordneten Elektroden dar und erlauben andererseits einen Durchgang der Elektrolyse-Produkte zu den abführseitigen, mit dem Aufnahmeraum kommunizierenden Durchgangslöchern der Fluidführung.Furthermore, the invention also provides an electrolysis cell module for a stack type electrolysis device which has a frame with a structure as explained above and moreover one or more electrolytic cell components selected from electrodes, bipolar plate, membrane , Pantograph is equipped. The basic structure of these individual components is familiar to the person skilled in the art and will not be explained further here. Rather, in this regard, the EP 0 212 240 B1 with regard to the current collector, in particular their 6 and associated description, in the current collector as metallic Network structure are disclosed. These represent, on the one hand, an electrical connection between the electrodes arranged, for example, in zero-clearance configuration on the membrane and, on the other hand, allow passage of the electrolysis products to the discharge-side through-holes of the fluid guide which communicate with the receiving space.

Gemäß dem oben erläuterten Aspekt wird somit von der Erfindung auch unabhängig von dem erläuterten Verstärkungskörper offenbart und unter Schutz gestellt ein Elektrolysezellen-Modul mit genau einer Bipolarplatte, einem ersten Stromaufnehmer, einer ersten Elektrode, einer Membran, einer zweiten Elektrode und einem zweiten Stromaufnehmer, insbesondere genau in dieser Reihenfolge von einer Axialseite zur anderen sowie einem Rahmen, das im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet ist, dass der Rahmen eine einen Aufnahmeraum für die vorgenannten Elektrolysezellenbestandteile umschließende und deren Halterung dienende, gemeinsame, einstückige, insbesondere spritzgegossene Rahmenstruktur aufweist.According to the aspect explained above, the invention thus also discloses and protects an electrolysis cell module with exactly one bipolar plate, a first current collector, a first electrode, a membrane, a second electrode and a second current collector, independently of the illustrated amplification body exactly in this order from one axial side to the other and a frame, which is characterized essentially in that the frame has a common, one-piece, in particular injection-molded frame structure enclosing a receiving space for the aforementioned electrolytic cell components and their support.

Des Weiteren wird von der Erfindung auch eine Elektrolysevorrichtung vom Stapel-Typ unter Schutz gestellt, mit wenigstens zwei, bevorzugt wenigstens 20, insbesondere wenigstens 60, durchaus auch wenigstens 120 axial zwischen zwei Endplatten eingespannten Elektrolysezellen-Modulen, von denen wenigstens eines einen Rahmen mit einem Aufbau nach einem der vorangehend erläuterten Aspekte aufweist.Furthermore, the invention also provides a stack-type electrolysis device under protection, comprising at least two, preferably at least 20, in particular at least 60, and also at least 120 electrolytic cell modules axially clamped between two end plates, of which at least one is a frame with a Structure according to one of the above-explained aspects.

Im Übrigen stellt die Erfindung noch unter Schutz eine Anlage zum Erzeugen und Weiterverarbeiten von Wasserstoff, mit einer Elektrolysevorrichtung des genannten Aufbaus, d. h. mit wenigstens einem Rahmen mit einem Aufbau nach einem der vorgenannten Aspekte, und einem mit seinem Eduktgas-Eingang an dem Wasserstoff-Ausgang der Elektrolysevorrichtung gekoppelten, den Wasserstoff und der Kohlenstoffzugabe, insbesondere in Form von Kohlendioxid, katalytischen methanisierenden Methanisierungsvorrichtung.Moreover, the invention still provides, under protection, a plant for producing and further processing hydrogen, with an electrolyzer of said construction, i. H. with at least one frame having a construction according to one of the aforementioned aspects, and a methanizing methanization device catalyzed by the hydrogen and the carbon addition, in particular in the form of carbon dioxide, coupled to its educt gas inlet at the hydrogen outlet of the electrolyzer.

Denn aufgrund des erfindungsgemäßen Rahmens erlaubt die Erfindung besonders zur anschließenden Methanisierung in großen Volumenströmen herstellbaren Wasserstoff, so dass der erfindungsgemäße Rahmen in einer derartigen Gesamtanlage besonders geeignet zum Einsatz kommen kann, insbesondere da der Wasserstoff der Methanisierungsvorrichtung bereits unter hohem Druck zur Verfügung gestellt werden kann, da der Rahmen mit der erfindungsgemäßen Verstärkung eine Wasserstoffherstellung unter entsprechend hohem Druck erlaubt.Because of the frame according to the invention, the invention allows hydrogen to be produced especially for the subsequent methanization in large volume flows, so that the frame according to the invention can be used particularly suitably in such an overall plant, in particular since the hydrogen of the methanation apparatus can already be made available under high pressure. since the frame with the reinforcement according to the invention allows hydrogen production under a correspondingly high pressure.

Des Weiteren wird die Erfindung auch in verfahrenstechnischer Hinsicht unter Schutz gestellt. So betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung eines Rahmens mit einem Aufbau nach einem der vorangehend erläuterten Aspekte, bei dem man in einer die Rahmenstruktur bestimmende Form die Verstärkung an der dafür vorgesehenen Stelle hält, und die Rahmenstruktur aus dem Strukturmaterial durch Spritzgießen unter Einbettung der Verstärkung formt.Furthermore, the invention is also made in procedural terms under protection. Thus, the invention also relates to a method for producing a frame with a structure according to one of the above-explained aspects, in which one holds in a frame structure determining the form of the reinforcement in the space provided, and the frame structure of the structural material by injection molding with embedding Reinforcement forms.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den oben erläuterten Vorteilen des damit hergestellten Rahmens.The advantages of the method according to the invention will become apparent from the above-explained advantages of the frame produced therewith.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren, von denenFurther details, features and advantages of the invention will become apparent from the following description with reference to the accompanying figures, of which

1A eine Axialschnittansicht eines Elektrolysezellen-Moduls zeigt, 1A shows an axial sectional view of an electrolytic cell module,

1B eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Elektrolysezellen-Moduls aus 1A zeigt, 1B an enlarged view of a portion of the electrolysis cell module 1A shows,

2A eine, in Stapelrichtung gesehen, Draufsicht auf den Rahmen des Elektrolysezellen-Moduls aus 1A zeigt, 2A a, seen in the stacking direction, top view of the frame of the electrolysis cell module 1A shows,

2B einen vergrößerten Abschnitt des Rahmens aus 2A mit der zufuhrseitigen Fluidführung zeigt, 2 B an enlarged portion of the frame 2A with the supply-side fluid guide shows,

3 eine schematische Ansicht der Fluidführung einer aus mehreren gestapelten Elektrolysezellen-Modulen gebildeten Elektrolysevorrichtung zeigt, 3 1 shows a schematic view of the fluid guide of an electrolysis device formed from a plurality of stacked electrolysis cell modules,

4 die mit dieser zufuhrseitigen Fluidführung erreichten Strömungswege zeigt, 4 shows the flow paths achieved with this feed side fluid guide,

5 eine Anlage mit Elektrolysevorrichtung und Methanisierungsvorrichtung zeigt, und 5 shows a plant with electrolyzer and methanizer, and

6 eine aus dem Stand der Technik bekannte Elektrolysevorrichtung im Axialschnitt zeigt. 6 shows an electrolytic device known from the prior art in axial section.

In den 1 und 2 ist der Aufbau eines Rahmens 1 für ein Elektrolysezellen-Modul gezeigt. Er ist ringförmig gestaltet und umschließt mit seinem inneren Rand 4 einen Raum 10, in dem die in 1A dargestellten funktionalen Komponenten einer Elektrolysezelle einsetzbar sind. In diesem Ausführungsbeispiel sind in der Reihenfolge von links nach rechts in 1A zur Bildung eines Elektrolysezellen-Moduls eingesetzt eine Bipolarplatte 11, ein Stromabnehmer 12, eine Elektrode 13, eine Membran 14, eine Elektrode 15 und einen Stromabnehmer 16. Die Membran 15 ist räumlich von der Bipolarplatte 11 (und auch von einer nicht dargestellten Bipolarplatte 11 eines nächsten Moduls) beabstandet. Die Elektroden 13, 15 liegen in Nullabstandskonfiguration an der Membran 15 an und sind über die Stromabnehmer 12, 16 elektrisch an die Bipolarplatten 11 (11') gekoppelt. Es ist unmittelbar erkennbar, dass bei Kopplung mehrerer dieser Anordnungen in Reihe die typische Struktur eines Elektrolyseurs vom Stapel-Typ entsteht, bei dem die einzelnen Elektrolysezellen in Reihe geschaltet sind. Durch Beschichtung der Elektroden 13, 15, beispielsweise mit einer Rutheniumoxidschicht, kann die elektrochemische Aktivität der Elektrode erhöht und damit der Wirkungsgrad der Elektrolyse verbessert werden, ggf. genügt aus Kostengründen die Beschichtung auf der Wasserstoffseite (Kathode).In the 1 and 2 is the structure of a frame 1 for an electrolytic cell module shown. It is ring-shaped and encloses with its inner edge 4 a room 10 in which the in 1A shown functional components of an electrolytic cell can be used. In this embodiment, in the order from left to right in FIG 1A to form an electrolytic cell module used a bipolar plate 11 , a pantograph 12 , an electrode 13 , a membrane 14 , an electrode 15 and a pantograph 16 , The membrane 15 is spatially from the bipolar plate 11 (And also from a bipolar plate, not shown 11 a next module). The electrodes 13 . 15 are in zero clearance configuration at the diaphragm 15 and are about the pantographs 12 . 16 electrically to the bipolar plates 11 ( 11 ' ) coupled. It will be readily apparent that when a number of these arrangements are coupled in series, the typical structure of a stack type electrolyzer is established in which the individual electrolysis cells are connected in series. By coating the electrodes 13 . 15 , For example, with a Rutheniumoxidschicht, the electrochemical activity of the electrode can be increased and thus the efficiency of the electrolysis can be improved, possibly sufficient for cost reasons, the coating on the hydrogen side (cathode).

Der in 1A dargestellte Rahmen 1 mit diesen eingesetzten Komponenten stellt somit eine vollständige Elektrolysezelle dar, bei der alle Komponenten in einem einzigen Rahmen 1 enthalten sind und nicht etwa auf zwei Rahmen aufgeteilt sind, wie in dem in 6 gezeigten Elektrolyseur.The in 1A illustrated frame 1 with these components used thus represents a complete electrolysis cell, in which all components in a single frame 1 are not divided into two frames, as in the 6 shown electrolyzer.

Die Rahmenstruktur 6 des Rahmens 1 reicht bis zum äußeren Rand 2 des Rahmens 1 und ist aus einem Material hergestellt, das gegenüber den bei der Elektrolyse auftretenden chemischen Angriffen widerstandsfähig ist. Beispielsweise könnte hier ein Kunststoff auf der Basis von PPE/PPO herangezogen werden, das lose kurze Glasfaserstücke beinhaltet, also ein glasfaserverstärkter Verbundwerkstoff mit Glasfaseranteil zwischen 20 und 30%. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die einstückige Rahmenstruktur 6 in einem Spritzgussverfahren hergestellt.The frame structure 6 of the frame 1 extends to the outer edge 2 of the frame 1 and is made of a material that is resistant to the chemical attack that occurs during electrolysis. For example, a plastic based on PPE / PPO could be used here, which contains loosely short pieces of glass fiber, ie a glass fiber reinforced composite material with glass fiber content between 20 and 30%. In the illustrated embodiment, the one-piece frame structure 6 produced in an injection molding process.

Wie am besten aus 2A, B zu erkennen ist, umfasst die Rahmenstruktur 6 des Rahmens 1 zwischen dem inneren Rand 4 und einer Ringnut 9 zur Aufnahme eines zum Rahmen eines nächsten Moduls abdichtenden Dichtungskörpers eine Fluidführung 20, über die zufuhrseitig die Zellhalbräume mit dem Elektrolyt versorgt werden, während abfuhrseitig die Elektrolyseprodukte abgeführt werden, für das Ausführungsbeispiel des zur Elektrolyse von Wasser einzusetzenden Elektrolyseurs Wasserstoff und Sauerstoff. Abführseitig weist die Fluidführung 20 somit ein Durchgangsloch 21 auf, das durch einen nicht dargestellten Kanal mit dem Innenraum 10 mit einem Halbraum der in dem Aufnahmeraum gebildeten Zellstruktur verbunden ist, und ein Durchgangsloch 22, das mit dem anderen Halbraum verbunden ist, also in 1A links und rechts der Membran 15. Diese Verbindungskanäle zur Kommunikation mit dem Aufnahmeraum 10 können beispielsweise kurze, radial verlaufende Verbindungen sein, es können jedoch auch wie in EP 0 212 240 B1 offenbarte Kanalstrukturen herangezogen werden, bei denen der Kanal überwiegend in Umfangsrichtung verläuft und beispielsweise erst um etwa 90° versetzt in den Aufnahmeraum 10 mündet.How best 2A , B, includes the frame structure 6 of the frame 1 between the inner edge 4 and an annular groove 9 for receiving a sealing member sealing the frame of a next module, a fluid guide 20 in which the cell hemispheres are supplied with the electrolyte on the feed side, while the electrolysis products are removed on the discharge side, hydrogen and oxygen are used for the embodiment of the electrolyzer for the electrolysis of water. The discharge side has the fluid guide 20 thus a through hole 21 on, through a channel, not shown, with the interior 10 is connected to a half space of the cell structure formed in the receiving space, and a through hole 22 , which is connected to the other half-space, ie in 1A left and right of the membrane 15 , These connection channels for communication with the recording room 10 may be, for example, short, radially extending connections, but it can also as in EP 0 212 240 B1 revealed channel structures are used, in which the channel extends predominantly in the circumferential direction and, for example, only offset by about 90 ° in the receiving space 10 empties.

Gleiches gilt für die Kommunikationsverbindung des Durchgangslochs 22 mit dem Aufnahmeraum 10.The same applies to the communication connection of the through-hole 22 with the recording room 10 ,

Zufuhrseitig weist die Fluidführung 20 ein Durchgangsloch 23 auf, das mit dem anodenseitigen Zellenhalbraum kommuniziert, und ein Durchgangsloch 24, das mit dem kathodenseitigen Zellenhalbraum kommuniziert. Desweiteren ist noch ein drittes Durchgangsloch 25 vorgesehen, das nicht mit dem Innenraum 10 kommuniziert, so dass durch eine zur Bildung eines Elektrolyseurs vom Stapel-Typ vorgenommene Reihenkopplung der mit diesem Rahmen gebildeten Elektrolysezellen-Module, bei der die jeweiligen Durchgangslöcher 21 bis 25 auf den nicht dargestellten Durchgangslöchern 21' bis 25' eines weiteren Moduls zu liegen kommen, eine anodische Mannigfaltigkeit (23, 23' ... nebst jeweiliger Kommunikation mit Aufnahmeraum 10, 10', ...) und kathodische Mannigfaltigkeit (24, 24', ... mit jeweiliger Verbindung zum Aufnahmeraum 10, 10', ...) bildet, die an einem Ende des Elektrolyseurs mit der durch die Hauptmannigfaltigkeit 25, 25', ... gebildeten Elektrolytzuführung verbunden sind, so dass sich der dargestellte Elektrolyt- und Materialfluss ergibt.Supply side, the fluid guide 20 a through hole 23 which communicates with the anode side cell half space and a through hole 24 that communicates with the cathode-side cell half-space. Furthermore, there is a third through hole 25 provided that does not match the interior 10 communicates, so that by a series coupling made for the formation of a stack-type electrolyzer, the electrolytic cell modules formed with this frame, in which the respective through-holes 21 to 25 on the through holes, not shown 21 ' to 25 ' another module, an anodic manifold ( 23 . 23 ' ... along with communication with the recording room 10 . 10 ' , ...) and cathodic manifold ( 24 . 24 ' , ... with respective connection to the recording room 10 . 10 ' , ...), which at one end of the electrolyzer with that by the Hauptmannigfaltigkeit 25 . 25 ' , ... formed electrolyte supply, so that the electrolyte and material flow shown results.

Der Ausgang für die Produktgase Wasserstoff und Sauerstoff befindet sich beispielsweise wie auch der Elektrolyteingang in diesem Ausführungsbeispiel an der Kathode des Elektrolyseurs, die geerdet sein kann, zur Vermeidung von Kurzschlüssen an den Verbindungen zum Elektrolyseur. Indem das Elektrolyt nun durch die Hauptmannigfaltigkeit 25, 25' zunächst durch die Rahmen aller Elektrolysezell-Module hindurchgeführt wird und erst am anodenseitigen Ende des Katalysators in die anodische Mannigfaltigkeit 23, 23',... und kathodische Mannigfaltigkeit 24, 24', ... umgeleitet wird, ergibt sich die in 4 gezeigte Situation, als ob die Elektrolytzuführung von der anderen Seite her erfolgen würde (Z-Verteilung). Die Materialflusswege für die einzelnen Elektrolysezellen haben im Wesentlichen die gleiche Länge, es ergibt sich ein homogeneres Strömungsbild.The output for the product gases hydrogen and oxygen is, for example, as well as the electrolyte inlet in this embodiment at the cathode of the electrolyzer, which may be grounded, to avoid short circuits at the connections to the electrolyzer. The electrolyte now passes through the main manifold 25 . 25 ' is first passed through the frame of all electrolysis cell modules and only at the anode-side end of the catalyst in the anodic manifold 23 . 23 ' , ... and cathodic manifold 24 . 24 ' , ... is redirected, the results in 4 shown situation, as if the electrolyte supply would be done from the other side (Z-distribution). The material flow paths for the individual electrolysis cells have substantially the same length, resulting in a more homogeneous flow pattern.

Der Rahmen mit der Rahmenstruktur 6 ist aufgrund des nahe des äußeren Randes 2 in die Rahmenstruktur 6 eingebetteten Verstärkungsrings 8 auch für einen Einsatz geeignet, bei dem die Elektrolyse unter einem sehr hohen Druck durchgeführt wird. So sorgt der strukturelle Verbund des Rahmens 1 mit der einstückigen Rahmenstruktur 6 und dem strukturell integrierten Verstärkungsring 8 dafür, dass in diesem Ausführungsbeispiel die Festigkeit des Rahmens 1 deutlich erhöht ist. Wäre beispielsweise bei einem Druck von z. B. 16 bar bei einem ansonsten gleichen Rahmen anstelle des Verstärkungsrings das Strukturmaterial enthalten, wäre der Rahmen mit knapp 30% der maximal möglichen Zugspannung belastet, die der Rahmen aufnehmen kann. Aufgrund des Verstärkungsrings wird dagegen eine Belastung von nur etwas über 5% der maximal möglichen Zugspannung erreicht. Letztlich können auf diese Weise vergleichsweise niedrige Rahmendimensionen bei noch hoher Innenfläche zum Einsatz kommen, die für eine Druckfestigkeit und somit für unter hohem Druck betriebene Verfahren möglich sind, die ohne den Verstärkungsring bereits zu einem Bersten des Rahmens 1 führen würden.The frame with the frame structure 6 is due to the near the outer edge 2 in the frame structure 6 embedded reinforcing ring 8th also suitable for use in which the electrolysis is carried out under a very high pressure. This is how the structural composite of the frame provides 1 with the one-piece frame structure 6 and the structurally integrated reinforcing ring 8th for that in this embodiment, the strength of the frame 1 is significantly increased. If, for example, at a pressure of z. B. 16 bar in an otherwise same frame instead of the reinforcing ring containing the structural material, the frame would be charged with almost 30% of the maximum possible tension that can accommodate the frame. Due to the reinforcing ring, however, a load of just over 5% of the maximum possible tension reached. Ultimately, in this way comparatively low frame dimensions can be used with a still high inner surface, which are possible for pressure resistance and thus for processes operated under high pressure, without the reinforcing ring already causing the frame to burst 1 would lead.

In diesem Ausführungsbeispiel ist der Verstärkungsring aus einem glasfaserverstärkten Verbundwerkstoff auf Basis von einem Epoxidharz gebildet, mit einem Glasfaseranteil von etwa 70%. Zudem weist der Verstärkungsring die Glasfasern in Form von gewickelten Glasfasern auf, wodurch sich die Widerstandsfähigkeit des Rahmens 1 gegen die auftretenden Zugspannungen nochmals erhöht. Die Zugfestigkeit des Verstärkungsrings ist dadurch mehr als doppelt so hoch wie die der Rahmenstruktur.In this embodiment, the reinforcing ring is formed of a glass fiber reinforced composite based on an epoxy resin, with a glass fiber content of about 70%. In addition, the reinforcing ring on the glass fibers in the form of wound glass fibers, which increases the resistance of the frame 1 increased again against the tensile stresses occurring. The tensile strength of the reinforcing ring is thereby more than twice as high as that of the frame structure.

Bei der Herstellung des Rahmens 1 kommt eine Spritzgussform zum Einsatz, die ein Negativ der Rahmenstruktur bildet. In diese wird der Verstärkungsring etwa von Hand oder auch maschinell von einem Roboter eingesetzt, und in der Form durch geeignete Haltearme oder Stützarme in Position gehalten, bevor der eigentliche Spritzgussvorgang beginnt. Aufgrund des Haltens oder Stützens des Verstärkungsrings entstehen somit kleinflächige Bereiche des Verstärkungsrings, die nicht vom Strukturmaterial umschlossen sind, sondern freigelegt sind. Diese lassen sich aber zum einen niedrig halten, weniger als 5% der Oberfläche des Verstärkungsrings, zum anderen liegen diese Stellen insbesondere außerhalb der Anordnung der Dichtung 9, also in einem Bereich, in dem eine Belastung durch die Lauge oder die Gase nicht mehr auftritt.In the production of the frame 1 an injection mold is used, which forms a negative of the frame structure. Into this, the reinforcing ring is inserted approximately manually or mechanically by a robot, and held in position by suitable support arms or support arms in position before the actual injection molding operation begins. Due to the holding or supporting the reinforcing ring thus small areas of the reinforcing ring, which are not enclosed by the structural material, but are exposed. On the one hand, however, these can be kept low, less than 5% of the surface of the reinforcing ring, and on the other hand, these points lie, in particular, outside the arrangement of the seal 9 that is, in an area in which a load of the liquor or gases no longer occurs.

Der thermische Ausdehnungskoeffizient des Verstärkungsrings ist bei diesem Ausführungsbeispiel jedenfalls geringer als die des umgebenden Strukturmaterials, so dass der Außenbereich des Rahmens 1, in dem der Verstärkungsring 8 aufgenommen ist und der entsprechend nur noch dünnwandigeres Strukturmaterial aufweist, nicht strukturell beschädigt wird. In diesem Ausführungsbeispiel erstreckt sich in Axialrichtung gesehen der Verstärkungsring über einen Abschnitt von etwa 80% der Rahmenbreite und sorgt für eine ausreichende Erhöhung der Druckfestigkeit des Rahmens 1.In any case, the coefficient of thermal expansion of the reinforcing ring in this embodiment is lower than that of the surrounding structural material, so that the outside area of the frame 1 in which the reinforcing ring 8th is received and the corresponding has only thinner-walled structural material is not structurally damaged. In this embodiment, seen in the axial direction, the reinforcing ring extends over a portion of about 80% of the frame width and provides for a sufficient increase in the compressive strength of the frame 1 ,

In 5 ist noch eine Anlage 1000 schematisch dargestellt, in der eine Elektrolysevorrichtung 100 mit den erfindungsgemäß gestalteten Rahmen seiner Elektrolysezellen-Module zum Einsatz kommt. Der Elektrolyseur 100 bezieht elektrische Energie aus dem elektrischen Versorgungsnetz 400 und ist mit seinem Wasserstoff-Ausgang an den Eduktgaseingang einer Methanisierungseinrichtung 200 angekoppelt, in welcher der zugeführte Wasserstoff und ebenfalls aus einer Kohlendioxid-Quelle 300 zugeführtes Kohlendioxid katalytisch methanisiert wird.In 5 is still a plant 1000 schematically illustrated, in which an electrolysis device 100 is used with the inventively designed frame of its electrolysis cell modules. The electrolyzer 100 draws electrical energy from the electrical supply network 400 and with its hydrogen output to the educt gas inlet of a methanizer 200 coupled, in which the supplied hydrogen and also from a carbon dioxide source 300 supplied carbon dioxide is catalytically methanized.

Die Erfindung ist nicht auf die in der obigen Figurenbeschreibung beschriebenen Ausgestaltungen eingeschränkt. Vielmehr können die in den nachstehenden Ansprüchen und der obigen Beschreibung angeführten Merkmale einzeln und in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.The invention is not limited to the embodiments described in the above description of the figures. Rather, the features set forth in the following claims and description may be used individually and in combination to practice the invention in its various embodiments.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 0212240 B1 [0002, 0002, 0002, 0019, 0020, 0024, 0043]

Claims

Frame ( 1 ) for an electrolysis device, having a receiving space ( 10 ) for one or more electrolytic cell constituents) ( 11 . 12 . 13 . 14 . 15 . 16 ) surrounding inner edge ( 4 ), an outer edge ( 2 ) and one of the inner edge to the outer edge reaching, integrally formed from a structural material frame structure ( 6 ), in which a fluid guide ( 20 ) is arranged for the fluids to be added and removed during the electrolysis, characterized by a between the fluid guide ( 20 ) and the outer edge ( 2 ) and embedded in the frame structure ( 8th ) formed of a reinforcing material having a higher tensile strength than the structural material.

Frame according to Claim 1, in which the reinforcement is in the form of an annular reinforcing body ( 8th ) is formed, in particular, the frame is annular.

Frame according to claim 1 or 2, wherein the structural material is molded from a castable material, in particular injection molded.

Frame according to one of the preceding claims, wherein the structural material is a fiber-reinforced composite material, in particular a fiber content of not more than 40 vol .-%, preferably not more than 30 vol .-%, wherein the fibers are contained in particular in the form of short fibers.

Frame according to one of the preceding claims, in which the reinforcement is arranged inseparably in the frame structure and in particular the embedding of the reinforcement results from the integration into the frame structure during the formation of the frame structure.

Frame according to one of the preceding claims, wherein the load capacity of the frame with respect to the tensile stress is increased by more than 100%, preferably by more, compared to a frame in which the reinforcing material is replaced by the structural material with an otherwise identical frame structure and frame size than 200%, in particular more than 300%.

Frame according to one of the preceding claims, wherein the reinforcing material is a fiber-reinforced composite, with a fiber content of preferably more than 40 vol .-%, more preferably more than 50 vol .-%, in particular more than 60 vol .-%, in particular wound glass fibers are provided.

Frame according to one of the preceding claims, wherein the thermal expansion coefficient of the reinforcing material is not greater than that of the structural material.

Frame according to one of the preceding claims, having a compressive strength when used in a stack-type electrolyzer against a pressure of at least 10 bar, preferably at least 20 bar, more preferably at least 80 bar, in particular at least 120 bar, certainly also at least 200 bar.

Frame according to one of the preceding claims, wherein the receiving space ( 10 ) in cross section has an area of at least 4000 cm ² , preferably at least 6000 cm ² , more preferably at least 8000 cm ² , in particular also at least 10,000 cm ² .

Frame according to one of the preceding claims, wherein a radial distance between the inner and outer edge is less than 0.8 m, preferably less than 0.6 m, in particular less than 0.5 m.

Frame according to one of the preceding claims, wherein a ratio of the radial distance between the inner and outer edge and a transverse dimension of the receiving space, in particular its diameter, is less than 0.75, preferably less than 0.65, in particular less than 0.55.

Frame according to one of the preceding claims, with a radially arranged between the reinforcement and the fluid guide recess ( 9 ) on an axial side for receiving a sealing body.

A frame according to claim 13, wherein exposed portions of the reinforcement resulting from its retention during formation of the frame structure lie radially outward of the recess.

Frame according to one of the preceding claims, wherein the fluid guide ( 20 ) on the discharge side at least two, in particular exactly two axial, radially communicating with the receiving space through holes ( 21 . 22 ) through the frame structure, and on the feed side at least two axial, radially communicating with the receiving space through holes ( 23 . 24 ) through the frame structure.

Frame according to claim 15, wherein the fluid guide comprises a third feed-side axial through-hole (11). 25 ) without radial communication with the receiving space.

Frame according to one of the preceding claims, which is provided for receiving all necessary for a, in particular exactly one electrolytic cell components, and in particular on inner edge has a spacer for the separation of bipolar plate and membrane, for which purpose the inner edge seen in axial section is formed in particular T-shaped.

Electrolysis cell module for a stack-type electrolyzer, with a frame according to any one of the preceding claims, and one or more electrolytic cell components selected from electrodes, bipolar plate, membrane, current collector.

Electrolysis cell module according to claim 18 with exactly one bipolar plate, a first current collector, a first electrode, a membrane, a second electrode and a second current collector, in particular in exactly this order from one axial side to the other, wherein the electrodes are provided in particular in zero clearance configuration.

Electrolysis apparatus of the stack type, comprising at least two, preferably at least 20, more preferably at least 60, in particular at least 120 axially clamped between two end plates electrolytic cell modules according to claim 18 or 19.

Plant for the production and further processing of hydrogen, with an electrolysis apparatus according to claim 20, and with its input gas inlet to the hydrogen outlet of the electrolysis device coupled, the hydrogen with carbon addition, in particular in the form of carbon dioxide, catalytically methanizing methanation device.

Method of producing a frame according to one of Claims 1 to 17, in which, in a frame-defining form, the reinforcement is held in place, and the frame structure is formed from the structural material by injection molding, embedding the reinforcement.