DE102021118183A1

DE102021118183A1 - Verschweißter elektrochemischer Reaktor und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102021118183A1
Application number: DE102021118183.6A
Authority: DE
Inventors: Lukas WILHELM; Jens Burfeind; Christian Dötsch
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2021-07-14
Filing date: 2021-07-14
Publication date: 2023-01-19
Also published as: WO2023285553A1; EP4371169A1

Abstract

Beschrieben und dargestellt ist ein elektrochemischer Reaktor (1), insbesondere Brennstoffzelle, Elektrolyseur, Redox-Flow-Batterie, Akkumulator oder Batterie, mit einem Zellstack (Z) aus einer Mehrzahl von jeweils über wenigstens eine Bipolarplatte (3,4) getrennten und in einer Stapelrichtung (R) gestapelten Zellen (2), wobei die Zellen (2) jeweils zwei Elektroden (5,6), einen zwischen den beiden Elektroden (5,6) angeordneten, einen Elektrolyt (11) bereitstellenden Separator (10) aufweisen, wobei die Elektroden (5,6) und der Separator (10) der Zellen (2) jeweils in einem Innenraum (13) wenigstens eines Zellrahmens (12) aufgenommen sind und wobei die wenigstens einen Bipolarplatten (3,4) und die wenigstens einen Zellrahmen (12) jeweils wenigstens einen thermoplastischen Kunststoff aufweisen. Um eine einfachere und kostengünstigere Fertigung zu ermöglichen ist vorgesehen, dass der wenigstens eine Zellrahmen (12) wenigstens einer Zelle (2) flüssigkeitsdicht und jeweils wenigstens im Wesentlichen senkrecht zur Stapelrichtung (R) umlaufend mit wenigstens zwei in der Stapelrichtung (R) zu beiden Seiten an den wenigstens einen Zellrahmen (12) angrenzenden Bipolarplatten (3,4) thermisch verschweißt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Reaktor, insbesondere Brennstoffzelle, Elektrolyseur, Redox-Flow-Batterie, Akkumulator oder Batterie, mit einem Zellstack aus einer Mehrzahl von jeweils über wenigstens eine Bipolarplatte getrennten und in einer Stapelrichtung gestapelten Zellen, wobei die Zellen jeweils zwei Elektroden, einen zwischen den beiden Elektroden angeordneten, einen Elektrolyt bereitstellenden Separator aufweisen, wobei die Elektroden und der Separator der Zellen jeweils in einem Innenraum wenigstens eines Zellrahmens aufgenommen sind und wobei die wenigstens einen Bipolarplatten und die wenigstens einen Zellrahmen jeweils wenigstens einen thermoplastischen Kunststoff aufweisen. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines elektrochemischen Reaktors, insbesondere Brennstoffzelle, Elektrolyseur, Redox- Flow-Batterie, Akkumulator oder Batterie, bei dem wenigstens zwei Elektroden und ein einen Elektrolyt bereitstellender Separator in einen Innenraum wenigstens eines wenigstens einen thermoplastischen Kunststoff aufweisenden Zellrahmens eingebracht werden und bei dem an den von dem Separator wegweisenden Seiten der Elektroden jeweils wenigstens eine wenigstens einen thermoplastischen Kunststoff aufweisende Bipolarplatte vorgesehen wird.
Elektrochemische Reaktoren sind in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. In den elektrochemischen Reaktoren laufen Redoxreaktionen ab, wobei diese Reaktionen durch eine von außen angelegte Spannungsdifferenz getrieben werden können, wie dies etwa beim Laden eines Akkumulators oder einer Redox-Flow-Batterie sowie beim Betrieb eines Elektrolyseurs der Fall ist. In einem Elektrolyseur wird mit Hilfe eines elektrischen Stromes eine chemische Reaktion in Form einer Elektrolyse zur Erzeugung eines Produkts etwa in Form von Wasserstoff durchgeführt. Alternativ können die in dem elektrochemischen Reaktor ablaufenden Redoxreaktionen aber auch zum Erzeugen einer elektrischen Spannung genutzt werden. Dies ist beispielsweise bei einer Batterie, beim Entladen einer Redox-Flow-Batterie oder eines Akkumulators sowie beim Betrieb einer Brennstoffzelle der Fall.
Die elektrochemischen Reaktoren der genannten Art sind in der Regel aus einer Mehrzahl von elektrochemischen Zellen aufgebaut, in denen jeweils die entsprechende Redoxreaktion abläuft. Die einzelnen Zellen eines Akkumulators sind oft in einer Reihe angeordnet oder aufeinandergestapelt. Man spricht in diesem Zusammenhang daher auch von einem Zellstack. Zellstacks erlauben je nach Anwendung in einfacher Weise die Bereitstellung einer größeren Spannung oder eines größeren Produktstroms des herzustellenden Produkts. Entsprechende Zellstacks und deren Nutzungen sind seit langer Zeit und aus den unterschiedlichsten Anwendungen bekannt, weshalb hierauf nicht im Einzelnen eingegangen werden muss.
Die einzelnen elektrochemischen Zellen setzen sich aus Halbzellen zusammen, die Elektroden umfassen, welche durch einen Separator voneinander getrennt sind. Die Elektroden und der Separator einer Zelle sind in einen Innenraum integriert, der von wenigstens einem Zellrahmen bereitgestellt wird. Bedarfsweise kann eine Zelle auch mehrere Zellrahmen aufweisen, etwa einen Zellrahmen pro Halbzelle der elektrochemischen Zelle. Die Elektroden, der wenigstens eine Zellrahmen und der Separator werden wenigstens im Wesentlichen parallel zueinander vorgesehen. Es ergibt sich mithin eine Schichtung, die sich in einer sogenannten Stapelrichtung erstreckt. Zudem können die Zellrahmen und die Bipolarplatten zwar aus sehr unterschiedlichen Materialien gebildet werden, wobei allerdings aus Kosten- und Fertigungsgründen in einigen Fällen Zellrahmen und Bipolarplatten in Frage kommen, die wenigstens einen thermoplastischen Kunststoff umfassen. Um eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit der Biopolarplatten bereitstellen zu können, weisen die Bipolarplatten zusätzlich zu dem thermoplastischen Kunststoff vielfach noch einen elektrisch leitenden Füllstoff, etwa in Form feiner Partikel, wie beispielsweise Graphit auf.
Der Separator weist dabei einen Elektrolyten auf, wobei der Separator eine offenporig poröse Struktur aufweisen kann, in der ein flüssiger Elektrolyt aufgenommen sein kann oder durch die ein Elektrolyt hindurchströmt. Ersteres ist etwa bei nicht durchströmten Batterien der Fall, während letzteres typischerweise bei durchströmten Redox-Flow-Batterien der Fall ist. Im Falle von Redox-Flow-Batterien kann der Separator zwischen den beiden Elektroden einer Zelle zweiteilig aufgebaut sein, wobei die beiden Teile des Separators durch eine Membran, etwa aus einem Polymer, getrennt sein können, die einen Übertritt von Elektrolyt von einem Teil des Separators in den anderen Teil des Separators verhindert, einen Übertritt von Ladungsträgern in Form von Ionen jedoch ermöglicht. Vereinfacht können in einem solchen Fall die beiden Teile des Separators und die Membran als ein gemeinsamer Separator angesehen werden. Hierauf kommt es bei der vorliegenden Erfindung nämlich allenfalls bedingt an.
Bei Zellstacks mit einem monopolaren Aufbau sind die einzelnen Zellen über inerte, elektrisch nicht leitende Materialen voneinander getrennt und lediglich über Leitungen elektrisch miteinander verbunden. Bei Akkumulatoren mit einem bipolaren Aufbau werden die Zellen über elektrisch leitende Bipolarplatten voneinander getrennt. Dabei befinden sich regelmäßig auf den gegenüberliegenden Seiten der Bipolarplatten jeweils eine Anode und eine Kathode angrenzender Zellen. Zudem sind die Anode und die Kathode typischerweise jeweils in direktem elektrisch leitenden Kontakt mit der wenigstens einen dazwischen angeordneten Bipolarplatte.
In einigen Fällen kann der Separator selbst den Elektrolyten bereitstellen, wie dies etwa im Falle einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle der Fall ist. In solchen Brennstoffzellen ist der Separator zweigeteilt, wobei ein Teil des Separators von einem wasserstoffhaltigen Gas und der andere Teil des Separators von einem sauerstoffhaltigen Gas durchströmt wird. Der Übergang der Gase von einem Teil des Separators in den anderen Teil des Separators wird von einer Membran verhindert, die jedoch den Übergang von Ladungsträgern erlaubt. Auch hier kann die Gesamtheit der beiden Teile des Separators und der Membran als der Separator zwischen den Elektroden verstanden werden. Auf den genauen Aufbau des Separators kommt es im Zusammenhang mit der Erfindung allenfalls bedingt an. Im Falle einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle besteht die Membran aus einem Feststoffpolymer. Es können bei anderen Brennstoffzellen aber auch andere Membrane vorgesehen oder ganz auf Membrane verzichtet werden.
Aber auch elektrochemische Reaktoren in Form von Brennstoffzellen kommen nicht ohne ein Fluid aus. Hierbei handelt es sich um Arbeitsfluide in Form von durch den Separator im Anodenraum und den Separator im Kathodenraum strömenden Wasserstoff bzw. Sauerstoff enthaltende Gase. Folglich ist bei den elektrochemischen Reaktoren darauf zu achten, dass es während des Betriebs zu keinem unerwünschten Austreten von Fluid, also beispielsweise einer Leckage, kommt. Dabei ist es zunächst einmal unerheblich, ob es sich bei dem Fluid um ein Elektrolyt oder um ein Arbeitsfluid handelt.
Vor diesem Hintergrund muss bei der Herstellung eines entsprechenden elektrochemischen Reaktors für dessen Dichtheit Sorge getragen werden. Dies lässt sich erreichen, indem der Zellstack zwischen zwei Endplatten verspannt wird. Dabei werden die Zellen und/oder die Einzelteile der Zellen gegeneinander gepresst, wobei zischen den Zellen und/oder den Einzelteilen der Zellen Dichtungen vorgesehen sein können. Dies ist einerseits aufwendig und andererseits müssen die Zellen und/oder die Einzelteile der Zellen hohen mechanischen Kräften standhalten. Um dies zu vermeiden, ist bereits vorgeschlagen worden, die Zellen und/oder Einzelteile von Zellen miteinander zu verschweißen, um kleinere und effizientere Zellstacks bereitstellen zu können. Zum Verschweißen bestimmter Komponenten der Zellstacks können Heizdrähte in den Zellstack eingebracht oder Laserstrahl- und Ultraschallschweißverfahren genutzt werden. Dies ist aber mit einem recht hohen Fertigungsaufwand verbunden.
Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, den elektrochemischen Reaktor und das Verfahren jeweils der eingangs genannten und zuvor näher erläuterten Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass elektrochemische Reaktoren einfacher und kostengünstiger gefertigt werden können.
Diese Aufgabe ist bei einem elektrochemischen Reaktor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass der wenigstens eine Zellrahmen wenigstens einer Zelle flüssigkeitsdicht und jeweils wenigstens im Wesentlichen senkrecht zur Stapelrichtung umlaufend mit wenigstens zwei in der Stapelrichtung zu beiden Seiten an den wenigstens einen Zellrahmen angrenzenden Bipolarplatten thermisch verschweißt ist.
Es ist also vorgesehen, die Bipolarplatten wenigstens einer Zelle mit wenigstens einem Zellrahmen der wenigstens einen Zelle thermisch zu verschweißen. Dabei wird durch das Verschweißen eine umlaufende Schweißnaht vorgesehen, und zwar in einer Ebene wenigstens im Wesentlichen senkrecht zur Stapelrichtung des wenigstens einen Zellrahmens und der wenigstens zwei Bipolarplatten. Zudem sorgt diese umlaufende Verschweißung zwischen dem wenigstens einen Zellrahmen und den wenigstens zwei Bipolarplatten zu einem flüssigkeitsdichten bzw. gasdichten Verschluss wenigstens einer Zelle. Wenn es sich bei der Zelle um eine solche handelt, die zum bestimmungsgemäßen Betrieb von einem Fluid durchströmt wird oder der zum bestimmungsgemäßen Betrieb ein Fluid zugeführt wird, ist die angesprochene Flüssigkeitsdichtheit in Bezug auf die entsprechende Verschweißung und nicht zwingend auf die Zelle als solche zu verstehen. Mit anderen Worten, es sollen unerwünschte Leckagen vermieden werden. Ein gewünschter Zustrom und/oder Abfluss von wenigstens einem Fluid sollte dadurch aber nicht blockiert werden. Bei dem wenigstens einen Fluid kann es sich um ein Arbeitsfluid oder Elektrolyt handeln.
Wenn zwischen benachbarten Bipolarplatten nur ein Zellrahmen vorgesehen ist, wird dieser Zellrahmen vorzugsweise mit den beiden Bipolarplatten umlaufend verschweißt sein. Wenn zwischen benachbarten Bipolarplatten mehrere Zellrahmen vorgesehen sind, ist jede der Bipolarplatten umlaufend mit einem anderen Zellrahmen verschweißt. Zudem bietet es sich dann an, wenn auch die aneinandergrenzenden Zellrahmen einer Zelle miteinander verschweißt sind. Zwingend erforderlich ist dies jedoch nicht. Ebenso ist es nicht zwingend erforderlich, dass die Biopolarplatten auf gegenüberliegenden Seiten der Bipolarplatten mit zwei Zellrahmen benachbarter Zellen verschweißt sind. Bevorzugt ist dies aber unter Umständen ebenso wie das Verschweißen zweier Bipolarplatten zwischen zwei angrenzenden Zellen, wobei die beiden Bipolarplatten dann wiederum mit jeweils einem Zellrahmen der benachbarten Zellen verschweißt sein können.
Die genannte Aufgabe ist ferner nach Anspruch 8 gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines elektrochemischen Reaktors, insbesondere Brennstoffzelle, Elektrolyseur, Redox- Flow-Batterie, Akkumulator oder Batterie, vorzugsweise nach einem der Ansprüche 1 bis 7,

- bei dem wenigstens zwei Elektroden und ein einen Elektrolyt bereitstellender Separator in einen Innenraum wenigstens eines wenigstens einen thermoplastischen Kunststoff aufweisenden Zellrahmens eingebracht werden,
- bei dem an den von dem Separator wegweisenden Seiten der Elektroden jeweils wenigstens eine wenigstens einen thermoplastischen Kunststoff aufweisende Bipolarplatte vorgesehen wird und
- bei dem die Bipolarplatten und der wenigstens eine Zellrahmen flüssigkeitsdicht und jeweils wenigstens im Wesentlichen senkrecht zu der Stapelrichtung der Elektroden, der Biopolarplatten und des Separators umlaufend zu einer Zelle thermisch verschweißt werden.

Verfahrensmäßig werden zunächst wenigstens zwei Elektroden und ein Separator in einem von wenigstens einem Zellrahmen einer Zelle bereitgestellten Innenraum eingebracht. Dabei stellt auch hier der Separator den Elektrolyt bereit. Zu beiden voneinander wegeweisenden Seiten der Elektroden, also den Außenseiten der Zelle zugewandt, wird zudem jeweils eine Bipolarplatte vorgesehen, wobei die Bipolarplatten ebenso wie der wenigstens eine Zellrahmen der wenigstens einen Zelle einen thermoplastischen Kunststoff aufweisen. Der wenigstens eine Zellrahmen, die Elektroden, der Separator und die beiden Bipolarplatten sind dann wenigstens im Wesentlichen in zueinander parallelen Ebenen zueinander ausgerichtet. Der wenigstens eine Zellrahmen, die Elektroden, der Separator und die beiden Bipolarplatten bilden so eine Stapelrichtung, die wenigstens im Wesentlichen senkrecht zu diesen parallelen Ebenen ausgerichtet ist. Umlaufend um diese Stapelrichtung oder wenigstens im Wesentlichen in einer Ebene senkrecht zur Stapelrichtung werden die Bipolarplatten mit dem wenigstens einen Zellrahmen thermisch verschweißt. In dem verschweißten Bereich wird somit eine Zelle mit einer flüssigkeitsdichten Verbindung zwischen den Bipolarplatten und dem wenigstens einen Zellrahmen erhalten.
Nachfolgend werden der elektrochemische Reaktor und das Verfahren zu seiner Herstellung zur Vermeidung von unnötigen Wiederholungen und der besseren Verständlichkeit halber gemeinsam beschrieben, ohne jeweils im Einzelnen zwischen dem Reaktor und dem Verfahren zu unterscheiden. Für den Fachmann ergibt sich aus dem jeweiligen Kontext jedoch, welches Merkmal in Bezug auf den Reaktor und das Verfahren jeweils besonders bevorzugt sein wird.
Bei einer ersten besonders bevorzugten Ausgestaltung des elektrochemischen Reaktors sind die Zellrahmen wenigstens eines Moduls aus mehreren aneinander angrenzenden Zellen flüssigkeitsdicht und jeweils wenigstens im Wesentlichen senkrecht zur Stapelrichtung umlaufend verschweißt. Es ist dabei mehrfach zwischen zwei benachbarten Bipolarplatten wenigstens ein Zellrahmen vorgesehen, wobei die Bipolarplatten mit den angrenzenden Zellrahmen verschweißt werden, und zwar jeweils umlaufend in einer wenigstens im Wesentlichen senkrecht zur Stapelrichtung ausgerichteten Ebene. Hierbei ist der Begriff der Ebene aber nicht zwingend im Sinne einer vollständig ebenen Fläche zu verstehen. Die Ebene kann auch als eine Schicht mit einer nennenswerten Ausdehnung in der Stapelrichtung verstanden werden. Da in einer idealen Ausgestaltung aber tatsächlich wenigstens im Wesentlichen nahezu von einer Ebene im mathematischen Sinne gesprochen werden kann, wird vorliegend der Einfachheit halber und zum besseren Verständnis von einer Ebene gesprochen. Sofern zwei Bipolarplatten aneinandergrenzen, ohne dass zwischen den beiden Bipolarplatten ein Zellrahmen vorgesehen ist, können auch die Bipolarplatten durch das thermische Verschweißen miteinander verbunden werden. Auf die genannte Weise können mehrere Zellen einfach, zuverlässig und schnell zu einem flüssigkeitsdichten bzw. gasdichten, also leckagefreien, Modul aus mehreren aneinander angrenzenden Zellen verbunden werden.
Besonders zweckmäßig ist es in diesem Zusammenhang, hinsichtlich des Fertigungsaufwands, wenn die Zellrahmen des gesamten Zellstacks aus mehreren aneinander angrenzenden Zellen flüssigkeitsdicht und jeweils wenigstens im Wesentlichen senkrecht zur Stapelrichtung umlaufend thermisch mit angrenzenden Bipolarplatten verschweißt sind. Dann sind wiederholt zwei Bipolarplatten jeweils mit wenigstens einem dazwischen vorgesehenen Zellrahmen verschweißt. Die entsprechenden Bipolarplatten können dabei auf einander gegenüberliegenden Seiten mit dort jeweils angrenzenden Zellrahmen verschweißt sein. Es können im Verbindungsbereich zweier Zellen jeweils zwei Bipolarplatten aneinander anliegen. Dann werden diese aneinander anliegenden Bipolarplatten vorzugsweise jeweils miteinander verbunden. Auf diese Weise kann einfach, schnell und zuverlässig der gesamte Zellstack in einem einzigen Verfahrensschritt verschweißt werden, um so eine unerwünschte Leckage des Zellstacks zu vermeiden.
Unabhängig davon, ob die Zellrahmen und Bipolarplatten einzelner Zellen, einzelner Module von Zellstacks oder ganzer Zellstacks miteinander verschweißt sind, bietet es sich an, wenn die jeweiligen Zellrahmen und die jeweiligen Bipolarplatten durch Wärmekontaktsiegeln umlaufend miteinander thermisch verschweißt sind. Dies ist sehr einfach, sowie schnell und zuverlässig möglich. Aus diesen Gründen bietet es sich dann weiter an, wenn die jeweiligen Zellrahmen und die jeweiligen Bipolarplatten durch einen gleichzeitigen, umlaufenden Kontakt mit wenigstens einem Wärmekontaktsiegelwerkzeug umlaufend miteinander thermisch verschweißt sind. Andernfalls müssen unterschiedliche Seiten der jeweiligen Zellrahmen und jeweiligen Bipolarplatten nacheinander durch dasselbe Wärmekontaktsiegelwerkzeug oder unterschiedliche Wärmekontaktsiegelwerkzeuge verschweißt werden, um eine umlaufende Verschweißung der jeweiligen Zellrahmen und jeweiligen Bipolarplatten bereitstellen zu können. Es sind dann also mehrere Verschweißschritte erforderlich. Dies entfällt vorteilhafterweise bei einer gleichzeitigen umlaufenden Verschweißung der jeweiligen Zellrahmen und jeweiligen Bipolarplatten.
Um eine zuverlässige und flüssigkeitsdichte Verbindung zwischen den jeweiligen Zellrahmen und jeweiligen Bipolarplatten zu erhalten, ist es besonders zweckmäßig, wenn die jeweiligen Zellrahmen und die jeweiligen Bipolarplatten beim Verschweißen miteinander jeweils wenigstens teilweise aufgeschmolzen worden sind. Die angrenzenden Bipolarplatten und Zellrahmen gehen so eine innige stoffschlüssige Verbindung ein.
Eine zuverlässige und flüssigkeitsdichte Verbindung zwischen den jeweiligen Zellrahmen und jeweiligen Bipolarplatten kann alternativ oder zusätzlich auch erhalten werden, wenn die jeweiligen Zellrahmen und die jeweiligen Bipolarplatten wenigstens einen gemeinsamen Kunststoff aufweisen. Wenn die Bipolarplatten wenigstens einen Kunststoff aufweisen, der auch in dem wenigstens einen Zellrahmen vorgesehen ist, kommt es zu einem innigen stoffschlüssigen Kontakt wenigstens des wenigstens einen gleichen Kunststoffs des jeweiligen wenigstens einen Zellrahmens und der jeweiligen Bipolarplatten.
Wenn wenigstens die mit den angrenzenden Zellrahmen verschweißten Bipolarplatten mit ihren umlaufenden Rändern bis an die Mantelfläche das Zellstacks heranreichen, sind die Bipolarplatten einfach von außen zugänglich. Auf diese Weise können beispielsweise die Einzelspannungen der einzelnen Zellen des Zellstacks erfasst und überwacht werden. Unabhängig davon kann so auch bedarfsweise die Wärmeabfuhr aus dem Zellstack verbessert werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Ränder der Bipolarplatten thermisch mit Kühlelementen verbunden sind.
Alternativ kann die Mantelfläche des Zellstacks wenigstens abschnittsweise durch die mit den jeweiligen Bipolarplatten thermisch verschweißten jeweiligen Zellrahmen gebildet sein. Dann wird die Gefahr einer unerwünschten Leckage weiter vermindert, weil die Bipolarplatten dann umlaufend von den angrenzenden Zellrahmen umschlossen sein können. Derselbe Effekt lässt sich alternativ oder zusätzlich dadurch erreichen, dass die Zellrahmen gegenüber den Bipolarplatten vorstehen, mit denen die Zellrahmen verschweißt sind. Dabei stehen die Zellrahmen der Einfachheit halber insbesondere umlaufend zu den Bipolarplatten und/oder den Zellrahmen gegenüber den Bipolarplatten nach außen vor.
Um möglichst kleine und effiziente Zellstacks bereitstellen zu können, bietet es sich an, wenn die umlaufende, durch das thermische Verschweißen bereitgestellte Schweißnaht zwischen den Zellrahmen und den Bipolarplatten eine Dicke senkrecht zur Stapelrichtung von weniger als 3 mm, weniger als 2 mm oder weniger als 1 mm aufweist. In der Stapelrichtung kann die Schweißnaht eine Erstreckung aufweisen, die wenigstens im Wesentlichen der Erstreckung der Zelle, des Moduls eines Zellstacks oder des Zellstacks selbst entspricht.
Bei einer ersten besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden jeweils mehrfach wenigstens zwei Elektroden und ein einen Elektrolyt bereitstellender Separator in einen Innenraum wenigstens eines Zellrahmens eingebracht, wobei der Zellrahmen wenigstens einen thermoplastischen Kunststoff aufweist. Dabei werden die Grundlagen für den Aufbau von mehreren elektrochemischen Zellen gelegt. Zum Vervollständigen der Zellen werden jeweils an den jeweils von dem Separator wegweisenden Seiten der Elektroden Bipolarplatten vorgesehen, wobei an jeder der Seiten wenigstens eine Bipolarplatte vorgesehen wird. Dieses Anbringen der Bipolarplatten wird mehrfach durchgeführt, um die mehreren Zellen mit Bipolarplatten auszurüsten. Zudem weisen auch diese mehreren Bipolarplatten jeweils wenigstens einen thermoplastischen Kunststoff auf. Anschließend werden bei diesem Ausführungsbeispiel des Verfahrens die jeweiligen Bipolarplatten und die jeweiligen Zellrahmen untereinander flüssigkeitsdicht und jeweils wenigstens im Wesentlichen senkrecht zu der Stapelrichtung der Elektroden, der Biopolarplatten und des Separators umlaufend verschweißt. Auf diese Weise wird ein Modul umfassend eine Mehrzahl von in der Stapelrichtung aufeinanderfolgenden Zellen erzeugt, und zwar durch thermisches Verschweißen von Bipolarplatten und Zellrahmen. Für den Fall, dass bei benachbarten Zellen jeweils zu angrenzenden Zellen gehörende Bipolarplatten aneinander angrenzen, können auch Bipolarplatten untereinander thermisch verschweißt werden. Die Biolarplatten können aber auch so mit den Zellrahmen gestapelt werden, dass eine Bipolarplatte stets mit wenigstens einem Zellrahmen, die Bipolarplatten aber nicht miteinander verschweißt werden. Jede Zelle für sich ist dann vorzugsweise leckagefrei.
Zur Vervollständigung des elektrochemischen Reaktors können einfach und flexibel mehrere derart hergestellte Module zu einem Zellstack gestapelt und zwischen gegenüberliegende Endplatten positioniert werden. Alternativ oder zusätzlich kann zwischen wenigstens zweier derart hergestellter Module des Zellstacks eine Kühlplatte zur Kühlung des Zellstacks vorgesehen werden. Die Kühlplatte kann dabei bevorzugt Kühlrippen auf weisen und/oder von einem Kühlmedium durchströmt werden, um Wärme aus dem Zellstack abzuführen. Die Kühlplatte kann gleichzeitig als Bipolarplatte dienen und/oder mit wenigstens einer angrenzenden Bipolarplatte verschweißt sein.
Um ein Verspannen von Modulen entbehrlich werden zu lassen, können die Module eines Zellstacks und bedarfsweise noch etwaig vorgesehene Kühlplatten untereinander zu einem gemeinsamen Zellstack thermisch verschweißt werden. Auf diese Weise wird die Herstellung des Zellstacks vereinfacht und werden die Herstellungskosten gesenkt.
Ein Zellstack aus einer Mehrzahl separater Zellen und/oder aus wenigstens einem Modul kann alternativ oder zusätzlich zwischen gegenüberliegende Endplatten positioniert werden, um den elektrochemischen Reaktor zu vervollständigen. Dabei können bevorzugt zwischen den Endplatten und den angrenzenden Zellen oder dem wenigstens einen angrenzenden Modul jeweils eine Ableiterplatte vorgesehen werden. An diese Ableiterplatten kann dann ein äußerer Stromkreis angeschlossen werden, um an den elektrochemischen Reaktor eine äußere Spannung anzulegen oder an dem elektrochemischen Reaktor eine Spannung abzugreifen und einem Verbraucher zuzuführen.
Wenn die Endplatten, vorzugsweise über die Ableiterplatten, mit den jeweils angrenzenden Zellen oder Modulen verschweißt werden, kann eine Verspannung des elektrochemischen Reaktors entfallen und werden die Bauteile des elektrochemischen Reaktors nicht mit den entsprechenden Klemmkräften belastet. Dies ist nicht nur dienlich für die Langlebigkeit des Zellstacks, sondern auch für eine Reduzierung der H erstellungskosten.
Besonders bevorzugt ist es, wenn wenigstens ein Vorgang des thermischen Verschweißens im Wege des Wärmekontaktsiegels mit wenigstens einem beheizten Wärmekontaktsiegelwerkzeug durchgeführt wird. Dies ist einfach und zugleich sehr zuverlässig. Dabei können die Herstellungskosten weiter gesenkt werden, wenn das Verschweißen, insbesondere in einem einzigen Arbeitsschritt, durch einen gleichzeitigen, umlaufenden Kontakt mit dem wenigstens einen Wärmekontaktsiegelwerkzeug durchgeführt wird.
Wenn der thermoplastische Kunststoff der mit den Bipolarplatten verschweißten Zellrahmen und der thermoplastische Kunststoff der mit den Zellrahmen verschweißten Bipolarplatten beim thermischen Verschweißen miteinander wenigstens teilweise aufgeschmolzen werden, kann eine besonders zuverlässige und langlebige Verbindung zwischen den Bipolarplatten und den Zellrahmen bereitgestellt werden. Dies gilt alternativ oder zusätzlich auch, wenn wenigstens ein Kunststoff des wenigstens einen Zellrahmens auch in den Bipolarplatten enthalten ist. Der identische Kunststoff verbindet sich dann zuverlässig zu einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem wenigstens einen Zellrahmen und den Bipolarplatten.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

1 einen erfindungsgemäßen elektrochemischen Reaktor in einer schematischen Schnittansicht quer zur Stapelrichtung der Zellen des Akkumulators,
2A-C ein erstes erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines elektrochemischen Reaktors in einer schematischen Schnittansicht und
3A-C ein zweites erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines elektrochemischen Reaktors in einer schematischen Schnittansicht

In der 1 ist ein elektrochemischer Reaktor 1 mit einem bipolaren Aufbau in einer Schnittansicht von der Seite dargestellt. Dabei umfasst der Akkumulator 1 einen Stapel (Zellstack Z) von einzelnen Zellen 2, die in einer Stapelrichtung R nebeneinander angeordnet sind. Zwischen den einzelnen Zellen 2 sind jeweils Bipolarplatten 3,4 vorgesehen, die an einer Seite an einer negativen Elektrode 5 einer Zelle 2 anliegen und an der gegenüberliegenden Seite an einer positiven Elektrode 6 einer angrenzenden Zelle 2 anliegen. Dabei kann eine Bipolarplatte 4 bedarfsweise als eine Kühlplatte ausgebildet sein, welche Kühlrippen zum Abführen von im Akkumulator 1 entstehender Wärme aufweist. Auf die Bipolarplatten 4 in Form von Kühlplatten kann bedarfsweise aber auch verzichtet werden. An den beiden gegenüberliegenden Enden des elektrochemischen Reaktors 1 ist jeweils eine Endplatte 7,8 mit innenliegenden, elektrisch leitfähigen Ableiterplatten 9 vorgesehen, wobei an der Ableiterplatte 9 der linken Endplatte 7 eine negative Elektrode 5 anliegt und an der Ableiterplatte 9 der rechten Endplatte 8 eine positive Elektrode 6 anliegt. Die Ableiterplatten 9 sind an nicht dargestellte elektrische Leitungen angeschlossen, über die der elektrochemische Reaktor 1 je nach seiner Art beispielsweise entladen und wieder geladen werden kann.
Eine jede Zelle 2 umfasst zwei Elektroden 5,6 die über einen zwischen den Elektroden 5,6 angeordneten Separator 10 voneinander getrennt sind. Der Separator 10 stellt einen Elektrolyten 11 bereit, der je nach dem elektrochemischen Reaktor 1 als separate flüssige und/oder gasförmige Phase in dem Separator 10 aufgenommen sein kann oder einen Bestandteil des Separators 10 bilden kann. Zudem sind um die Elektroden 5,6 und den Separator 10 herum Zellrahmen 12 angeordnet, die bei dem links dargestellten Abschnitt des elektrochemischen Reaktors 1 mit den jeweils angrenzenden Bipolarplatten 3,4 thermisch zu einer flüssigkeitsdichten bzw. gasdichten Zelle 2 verschweißt worden sind. Die Zellrahmen 12 bilden somit einen Innenraum zur Aufnahme der Elektroden 5,6 und des Separators 10.
Ja nach der Art des elektrochemischen Reaktors 1 müssen den Zellen 2 wenigstens ein flüssiger Elektrolyt 11 und/oder wenigstens ein flüssiges und/oder gasförmiges Arbeitsmedium zugeführt werden. In einem solchen Fall versteht es sich, dass die durch thermisches Verschweißen bereitgestellte stoffschlüssige Verbindung zwischen den Zellrahmen 12 und den Bipolarplatten 3,4 flüssigkeitsdicht oder gasdicht ausgeführt ist, um eine unbeabsichtigte Leckage zu vermeiden. Den Zellen 2 kann dann aber auf andere Weise wenigstens ein flüssiger Elektrolyt 11 und/oder wenigstens ein flüssiges und/oder gasförmiges Arbeitsmedium zugeführt werden. Dies ist aus dem Stand der Technik für die jeweiligen Arten der elektrochemischen Reaktoren 1 bekannt und beschrieben, so dass hierauf nicht weiter eingegangen werden braucht.
Bei dem links dargestellten Abschnitt des elektrochemischen Reaktors 1 sind die Zellen 2 so aufeinander gestapelt, dass die Bipolarplatten 3,4 angrenzender Zellen 2 aneinander anliegen. Mit anderen Worten sind zwischen zwei Zellrahmen 12 jeweils zwei Bipolarplatten 3,4 vorgesehen. Die Zellen 2, also die angrenzenden Bipolarplatten 3,4, des links dargestellten Abschnitts des elektrochemischen Reaktors 1 können beispielsweise jeweils miteinander verschweißt sein oder durch eine nicht dargestellte, äußere Klemmvorrichtung miteinander verspannt sein. Im Falle des Verspannens reicht es aus, wenn die Zellen 2 bzw. die angrenzenden Bipolarplatten 3,4 aneinander anliegen. Eine zusätzliche Verbindung der Zellen 2 untereinander ist dann entbehrlich. Ein Verschweißen der Zellen 2 wäre hierbei trotzdem grundsätzlich bevorzugt, weil dann die äußere Klemmvorrichtung entfallen kann. Das Verschweißen der Zellen 2 untereinander kann beispielsweise erfolgen, indem die angrenzenden Zellrahmen 12 und/oder die angrenzenden Bipolarplatten 3,4 der angrenzenden Zellen 2 miteinander verschweißt werden.
Bei dem rechts dargestellten Abschnitt des elektrochemischen Reaktors 1 sind die Zellen 2 auf eine andere Weise miteinander gestapelt und miteinander verbunden. Dabei können die links und rechts dargestellten Abschnitte des elektrochemischen Reaktors 1 in einem einzigen elektrochemischen Reaktor 1 miteinander kombiniert werden. Regelmäßig wird es aber bevorzugt sein, wenn der elektrochemische Reaktor 1 entweder wie links dargestellt oder wie rechts dargestellt aufgebaut ist.
Bei dem rechts dargestellten Abschnitt des elektrochemischen Reaktors 1 sind immer mehrere Zellen 2 des Akkumulators 1 in der Stapelrichtung R gestapelt und zu einem Modul M verbunden, das jeweils für sich flüssigkeitsdicht bzw. gasdicht verschlossen ist. Die entsprechende Dichtheit bezogen auf Flüssigkeiten oder Gase wird wie zuvor bereits diskutiert nicht zwingend als absolute Dichtheit der Module M in Bezug auf Flüssigkeiten oder Gase verstanden. Ob beispielsweise flüssige Elektrolyte 11 und/oder flüssige und/oder gasförmige Arbeitsfluide in die Zellen 2 und wieder heraus gelangen können, hängt von der Art des elektrochemischen Reaktors 1 ab. Es kommt aber trotzdem an den verschweißten Bereichen der Module M nicht zu einer unbeabsichtigten Leckage von Flüssigkeit oder Gasen.
Bei den einzelnen Modulen M sind die Zellen 2 prinzipiell wie in dem links dargestellten Abschnitt des elektrochemischen Reaktors 1 aufgebaut. Im Unterschied dazu ist aber zwischen den angrenzenden Zellrahmen 12 der angrenzenden Zellen 2 jeweils lediglich eine Bipolarplatte 3 vorgesehen, die jeweils mit den beiden an die Bipolarplatte 3 angrenzenden Zellrahmen 12 umlaufend verschweißt worden ist. Nur an den Stellen, an denen zwei Module M aufeinandergestapelt sind, sind zwei aneinandergrenzende Bipolarplatten 3 vorgesehen, die jeweils angrenzenden Zellen 2 der angrenzenden Module M abschließen. Es kann auch vorgesehen sein, dass in wenigstens einem Modul M zwischen zwei Zellen 2 des Moduls M eine Bipolarplatte 4 in Form einer Kühlplatte vorgesehen ist. Einfacher in der Herstellung kann es aber bedarfsweise sein, wenn eine Bipolarplatte 4 in Form einer Kühlplatte zwischen zwei Modulen M vorgesehen ist, wobei die Bipolarplatte 4 in Form einer Kühlplatte dann zwischen zwei andere endständige Bipolarplatten 3 der angrenzenden Module M oder als eine der endständigen Bipolarplatten 3,4 der angrenzenden Module M vorgesehen sein kann. Die so gebildeten Module M können bedarfsweise der Reihe nach zu einem Zellstack Z des elektrochemischen Reaktors 1 gestapelt werden, wobei zwischen zwei Modulen M jeweils wenigstens zwei Bipolarplatten 3,4 in Anlage aneinander gelangen können. Die äußeren Bipolarplatten 3 der äußeren Module M können dann an Ableiterplatten 9 in Anlage gelangen, an die sich dann die Endplatten 7,8 des Akkumulators 1 anschließen.
Die Module M eines elektrochemischen Reaktors 1 können, wie dies bereits für die Zellen 2 beschrieben worden ist, durch mechanisches Verspannen über eine äußere Klemmvorrichtung gegeneinander gehalten werden. Es kann aber auch vorgesehen sein, die angrenzenden Bipolarplatten 3,4 und/oder die angrenzenden Zellrahmen 12 der angrenzenden Module M thermisch miteinander zu verschweißen. Bedarfsweise kann auch der gesamte Zellstack Z eines elektrochemischen Reaktors 1 aus einem solchen Modul M gebildet sein. Es ist dann nicht erforderlich, mehrere Module M aufeinanderzustapeln. Es kann dann allerdings erforderlich sein, das eine Modul M mit einer größeren Anzahl an Zellen 2 auszubilden.
Unabhängig davon, ob eine Zelle 2 ein Teil eines Moduls M bildet oder nicht, ist es bevorzugt aber nicht zwingend, wenn die Zellen 2 einen einzigen Zellrahmen 12 aufweisen. Denkbar ist es aber auch, dass die Zellen 2 eine Mehrzahl von in der Stapelrichtung R nebeneinander angeordneten Zellrahmen 12 aufweisen. Beispielsweise kann jede Halbzelle einem anderen Zellrahmen 12 zugeordnet sein. Die mehreren Zellrahmen 12 der jeweiligen Zellen 2 können dabei in direkter Anlage aneinander sein. Zwingend ist aber auch dies nicht. Beispielsweise können die Zellrahmen 12 über den Separator 3,4 voneinander beabstandet sein.
Es können also bedarfsweise angrenzende Paare einer Bipolarplatte 3,4 und eines Zellrahmens 12 verschweißt sein. Es kann aber auch eine Bipolarplatte 3,4 mit zwei angrenzenden Zellrahmen 12 oder sowohl mit einem angrenzenden Zellrahmen 12 als auch mit einer an der gegenüberliegenden Seite angrenzenden Bipolarplatte 3,4 verschweißt sein.
Der Einfachheit halber sind die Separatoren 10 als ein Bauteil dargestellt. Je nach der Art des elektrochemischen Reaktors 1 können die Separatoren 10 aber separate Teile aufweisen, die den gegenüberliegenden Elektroden 5,6 zugeordnet und bedarfsweise zusätzlich durch eine semipermeable Membran voneinander getrennt sind.
In den 2A-C sind die Schritte einer möglichen Art der Herstellung eines Moduls M eines Zellstacks Z schematisch dargestellt. Zunächst werden in der Stapelrichtung R die Elektroden 5,6, die Bipolarplatten 3, die Separatoren 10 und die Zellrahmen 12 gestapelt. Dabei werden die Elektroden 5,6 und die Separatoren 10 in einem Innenraum 13 des jeweiligen Zellrahmens 12 aufgenommen. In dem in der 2A dargestellten Ausführungsbeispiel stehen die Zellrahmen 12 gegenüber den zwischen den Zellrahmen 12 vorgesehenen Bipolarplatten 3 umlaufend nach außen vor. Dies wäre nicht zwingend erforderlich, kann aber grundsätzlich die Gefahr von Kurzschlüssen zwischen den einzelnen Zellen 2 oder Bipolarplatten 3 verringern. Die Bipolarplatten 3 sind dann nämlich durch die Zellrahmen voneinander getrennt. Gleichzeitig in hohem Maße dichte Zellstacks Z erzielt werden. In einem solchen Falle sind die Bipolarplatten 3 aber nicht ohne Weiteres von außen zugänglich, um beispielsweise Potentialdifferenzen zwischen den Bipolarplatten 3 zu ermitteln, da die Bipolarplatten 3 von außen von den Zellrahmen 12 verdeckt sind. Nachdem die Einzelteile des Moduls M eines Zellstacks Z gestapelt worden sind, erfolgt ein Fügeprozess, bei dem die Zellrahmen 12 und die Bipolarplatten 3 umlaufend miteinander verschweißt werden.
Wie dies in der 2B dargestellt ist, werden von außen vier beheizte Platten 14 eines Wärmekontaktsiegelwerkzeugs 15 gleichzeitig an den Stapel eines Moduls M eines Zellstacks Z herangefahren und mit dem Stapel in Kontakt gebracht. Dabei schmelzen oder erweichen die umlaufenden Ränder der Zellrahmen 12 und der Bipolarplatten 3 wenigstens teilweise und gehen im Wege des Wärmekontaktsiegels eine stoffschlüssige Verbindung ein. Andernfalls könnte es zu Leckagen, also zu einem Übertritt von Elektrolyt von einer Zelle zu einer angrenzenden Zelle, kommen, was beispielsweise zu einem Elektrolytungleichgewicht oder gar zu einem Austrocknen von einzelnen Zellen führen kann. Nachdem die beheizten Platten 14 des Wärmekontaktsiegelwerkzeugs 15 wieder entfernt worden sind, sind die Zellrahmen 12 und die Bipolarplatten 3 des Moduls M durch eine Schweißnaht 16 eines Zellstacks Z miteinander verschweißt. Die Schweißnaht 16 ist dabei wenige Millimeter stark und erstreckt sich umlaufend und wenigstens im Wesentlichen über die gesamte Längserstreckung des Moduls M in der Stapelrichtung R. Mit anderen Worten ist die Mantelfläche 17 des Moduls M wenigstens im Wesentlichen über dessen gesamte Höhe aufgeschmolzen oder erweicht und anschließend wieder erstarrt.
In den 3A-C sind die Schritte einer anderen möglichen Art der Herstellung eines Moduls M eines Zellstacks Z schematisch dargestellt. Der wesentliche Unterschied zwischen dem Verfahren gemäß 2A-C liegt dabei darin, dass die beheizten Platten 14 des Wärmekontaktsiegelwerkzeugs 15 nicht eben sind, sondern stattdessen Rippen 18 aufweisen. Der Abstand der Rippen 18 entspricht dabei wenigstens im Wesentlichen dem Abstand der über wenigstens einen Zellrahmen 12 beabstandeten Bipolarplatten 3. Wie dies in der 3B dargestellt ist, werden die beheizten Platten 14 des Wärmekontaktsiegelwerkzeugs 15 im Wege des Wärmekontaktsiegelns umlaufend so in Kontakt mit dem Stapel aus Zellrahmen 12, Separatoren 10, Elektroden 5,6 und Bipolarplatten 3 gebracht, dass die Rippen 17 den Bipolarplatten 3 zugeordnet sind. Die Bipolarplatten 3 und die Zellrahmen 12 schmelzen dabei teilweise auf oder erweichen umlaufend, so dass die Bipolarplatten 3 mit den Zellrahmen 12 verschweißt werden und mithin eine stoffschlüssige Verbindung im Sinne einer Schweißnaht 16 bilden.
Wie dies in der 3C dargestellt ist, reichen die Bipolarplatten 3 dabei allerdings anders als nach dem Verschweißen in dem Ausführungsbeispiel gemäß 2C bis an die Mantelfläche 17 des Moduls M heran. Mithin kann von außen ein elektrischer Kontakt mit den Bipolarplatten 3 hergestellt werden, um etwa die jeweiligen Potentiale der Bipolarplatten 3 zu erfassen. Grundsätzlich wäre es aber auch möglich, dass sich die Bipolarplatten 3 des Ausführungsbeispiels gemäß 2A-C soweit nach außen erstrecken, wie die Zellrahmen 12. Dann könnte ein Verschweißen mit ebenen beheizten Platten 14 des Wärmekontaktsiegelwerkzeugs 15 erfolgen, so dass die Bipolarplatten 3 von außen zugänglich bleiben.
Bezugszeichenliste

1: elektrochemischer Reaktor
2: Zelle
3: Bipolarplatte
4: Bipolarplatte
5: Elektrode
6: Elektrode
7: Endplatte
8: Endplatte
9: Ableiterplatte
10: Separator
11: Elektrolyt
12: Zellrahmen
13: Innenraum
14: beheizte Platte
15: Wärmekontaktsiegelwerkzeug
16: Schweißnaht
17: Mantelfläche
18: Rippe
M: Modul
R: Stapelrichtung
Z: Zellstack

Claims

Elektrochemischer Reaktor (1), insbesondere Brennstoffzelle, Elektrolyseur, Redox-Flow-Batterie, Akkumulator oder Batterie, mit einem Zellstack (Z) aus einer Mehrzahl von jeweils über wenigstens eine Bipolarplatte (3,4) getrennten und in einer Stapelrichtung (R) gestapelten Zellen (2), wobei die Zellen (2) jeweils zwei Elektroden (5,6), einen zwischen den beiden Elektroden (5,6) angeordneten, einen Elektrolyt (11) bereitstellenden Separator (10) aufweisen, wobei die Elektroden (5,6) und der Separator (10) der Zellen (2) jeweils in einem Innenraum (13) wenigstens eines Zellrahmens (12) aufgenommen sind und wobei die wenigstens einen Bipolarplatten (3,4) und die wenigstens einen Zellrahmen (12) jeweils wenigstens einen thermoplastischen Kunststoff aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Zellrahmen (12) wenigstens einer Zelle (2) flüssigkeitsdicht und jeweils wenigstens im Wesentlichen senkrecht zur Stapelrichtung (R) umlaufend mit wenigstens zwei in der Stapelrichtung (R) zu beiden Seiten an den wenigstens einen Zellrahmen (12) angrenzenden Bipolarplatten (3,4) thermisch verschweißt ist.
Elektrochemischer Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellrahmen (12) wenigstens eines Moduls (M) aus mehreren aneinander angrenzenden Zellen (2) flüssigkeitsdicht und jeweils wenigstens im Wesentlichen senkrecht zur Stapelrichtung (R) umlaufend jeweils mit wenigstens zwei in der Stapelrichtung (R) zu beiden Seiten an die jeweiligen Zellrahmen (12) angrenzenden Bipolarplatten (3,4) thermisch verschweißt sind.
Elektrochemischer Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellrahmen (12) des gesamten Zellstacks (Z) aus mehreren aneinander angrenzenden Zellen (2) flüssigkeitsdicht und jeweils wenigstens im Wesentlichen senkrecht zur Stapelrichtung (R) umlaufend jeweils mit wenigstens zwei in der Stapelrichtung (R) zu beiden Seiten an die jeweiligen Zellrahmen (12) angrenzenden Bipolarplatten (3,4) thermisch verschweißt sind.
Elektrochemischer Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Zellrahmen (12) und die jeweiligen Bipolarplatten (3,4) durch Wärmekontaktsiegeln umlaufend miteinander thermisch verschweißt sind und dass, vorzugsweise, die jeweiligen Zellrahmen (12) und die jeweiligen Bipolarplatten (3,4) durch einen gleichzeitigen, umlaufenden Kontakt mit wenigstens einem Wärmekontaktsiegelwerkzeug (15) umlaufend miteinander thermisch verschweißt sind.
Elektrochemischer Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Zellrahmen (12) und die jeweiligen Bipolarplatten (3,4) beim Verschweißen miteinander jeweils wenigstens teilweise aufgeschmolzen worden sind und/oder dass die jeweiligen Zellrahmen (12) und die jeweiligen Bipolarplatten (3,4) wenigstens einen gemeinsamen Kunststoff aufweisen.
Elektrochemischer Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die mit Zellrahmen (12) verschweißten Bipolarplatten (3,4) mit ihren umlaufenden Rändern bis an die Mantelfläche (17) das Zellstacks (Z) heranreichen oder dass die Mantelfläche (17) des Zellstacks (Z) wenigstens abschnittsweise durch die mit den jeweiligen Bipolarplatten (3,4) thermisch verschweißten jeweiligen Zellrahmen (12) gebildet ist oder die Zellrahmen (12) umlaufend nach außen gegenüber den mit den Zellrahmen (12) verschweißten Bipolarplatten (3) vorstehen.
Elektrochemischer Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die umlaufende Schweißnaht (16) zwischen den Zellrahmen (12) und den Bipolarplatten (3,4) eine Dicke senkrecht zur Stapelrichtung von weniger als 3 mm, weniger als 2 mm oder weniger als 1 mm aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines elektrochemischen Reaktors (1), insbesondere Brennstoffzelle, Elektrolyseur, Redox- Flow-Batterie, Akkumulator oder Batterie, vorzugsweise nach einem der Ansprüche 1 bis 7, - bei dem wenigstens zwei Elektroden (5,6) und ein einen Elektrolyt (11) bereitstellender Separator (10) in einen Innenraum (13) wenigstens eines wenigstens einen thermoplastischen Kunststoff aufweisenden Zellrahmens (12) eingebracht werden, - bei dem an den von dem Separator (10) wegweisenden Seiten der Elektroden (5,6) jeweils wenigstens eine wenigstens einen thermoplastischen Kunststoff aufweisende Bipolarplatte (3,4) vorgesehen wird und - bei dem die Bipolarplatten (3,4) und der wenigstens eine Zellrahmen (12) flüssigkeitsdicht und jeweils wenigstens im Wesentlichen senkrecht zu der Stapelrichtung (R) der Elektroden (5,6), der Biopolarplatten (3,4) und des Separators (10) umlaufend zu einer Zelle (2) thermisch verschweißt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, - bei dem jeweils mehrfach wenigstens zwei Elektroden (5,6) und ein einen Elektrolyt (11) bereitstellender Separator (10) in einen Innenraum (13) wenigstens eines wenigstens einen thermoplastischen Kunststoff aufweisenden Zellrahmens (12) eingebracht werden, - bei dem jeweils mehrfach an den jeweils von dem Separator (10) wegweisenden Seiten der Elektroden (5,6) jeweils wenigstens eine wenigstens einen thermoplastischen Kunststoff aufweisende Bipolarplatte (3,4) vorgesehen wird und - bei dem die Bipolarplatten (3,4) und die Zellrahmen (12) untereinander flüssigkeitsdicht und jeweils wenigstens im Wesentlichen senkrecht zu der Stapelrichtung (R) der Elektroden (5,6), der Biopolarplatten (3,4) und des Separators (10) umlaufend zu einem Modul (M) aus mehreren aufeinandergestapelten Zellen (2) thermisch verschweißt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, - bei dem mehrere Module (M) zu einem Zellstack (Z) gestapelt und zwischen gegenüberliegende Endplatten (7,8) positioniert werden und - bei dem, vorzugsweise, zwischen wenigstens zwei Modulen (M) des Zellstacks (Z) eine Bipolarplatte (4) in Form einer Kühlplatte zur Kühlung des Zellstacks (Z) vorgesehen wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Module (M) des Zellstacks, vorzugsweise über die wenigstens eine Kühlplatte,_untereinander zu einem Zellstack thermisch verschweißt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, - bei dem ein Zellstack (12) aus einer Mehrzahl separater Zellen (2) und/oder aus wenigstens einem Modul (M) zwischen gegenüberliegende Endplatten positioniert (7,8) wird und - bei dem, vorzugsweise, zwischen den Endplatten (7,8) und den angrenzenden Zellen (2) oder dem wenigstens einen angrenzenden Modul (M) jeweils eine Ableiterplatte (9) vorgesehen wird.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Endplatten (7,8), vorzugsweise über die Ableiterplatten (9), mit den jeweils angrenzenden Zellen (2) oder Modulen (M) verschweißt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, bei dem der wenigstens eine Vorgang des thermischen Verschweißens im Wege des Wärmekontaktsiegelns mit wenigstens einem beheizten Wärmekontaktsiegelwerkzeug (15) durchgeführt wird und bei dem, vorzugsweise, das Verschweißen durch einen gleichzeitigen, umlaufenden Kontakt mit dem wenigstens einen Wärmekontaktsiegelwerkzeug (15) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, bei dem der thermoplastische Kunststoff der mit den Bipolarplatten (3,4) versschweißten Zellrahmen (12) und der thermoplastische Kunststoff der mit den Zellrahmen (12) verschweißten Bipolarplatten (3,4) beim thermischen Verschweißen miteinander wenigstens teilweise aufgeschmolzen werden.