DE202022104298U1

DE202022104298U1 - Dichtlage, Separatorplatte und Elektrolyseur

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Publication number: DE202022104298U1
Application number: DE202022104298.5U
Authority: DE
Original assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Current assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Priority date: 2022-07-28
Filing date: 2022-07-28
Publication date: 2023-11-02
Anticipated expiration: 2032-07-29
Also published as: WO2024023099A2; WO2024023099A3

Abstract

Dichtlage zur Verwendung in einem Elektrolyseur mit einem Stapel aus elektrochemischen Zellen, der eine Separatorplatte mit einem Strömungsfeld aufweist,
wobei die Dichtlage mindestens eine Dichtsicke aufweist,
die im in dem Stapel eingebauten Zustand in Draufsicht auf die Dichtlage in sich geschlossen um das Strömungsfeld der Separatorplatte umläuft und eine vor der ersten Verpressung im Stapel bestimmte Ausgangssickenhöhe H₀ aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
dass nach einer erstmaligen einmaligen Verpressung der Dichtlage unter Nominalverspannung im zusammengebauten, betriebsfertigen Zustand des Stapels und anschließender Demontage des Stapels die in sich geschlossene Dichtsicke eine Sickenhöhe H aufweist mit H ≤ 0,3 H₀, vorteilhafterweise H ≤ 0,2 H₀, vorteilhafterweise H ≤ 0,1 H₀.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dichtlage zur Verwendung in einem Elektrolyseur, eine Separatorplatte hierfür und einen Elektrolyseur. Elektrolyseure erzeugen zum Beispiel Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser durch Anlegen eines Potentials und können gleichzeitig mindestens eines der erzeugten Gase verdichten.
Herkömmliche Elektrolyseure bestehen aus einem Stapel aus Einzelzellen, die jeweils eine Abfolge von Schichten mit einer Separatorplatte, im Folgenden stellvertretend für verschiedene Bauweisen von Einzelzellen auch Bipolarplatten genannt, zwei Gasdiffusionslagen (GDL) und einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) aufweisen. Dieser Stapel von elektrochemischen Zellen muss gegenüber dem Außenraum abgedichtet werden, da die Medien innerhalb der Zellen unter einem Überdruck gegenüber dem Außendruck geführt werden.
Hierzu weisen Elektrolyseure typischerweise für jede der einzelnen elektrochemischen Zellen, die übereinander zu einem Elektrolyseur gestapelt sind, einen am äußeren Rand der elektrochemische Zelle umlaufenden Zellrahmen auf. Die einzelnen Zellen im Stapel sind miteinander verpresst, beispielsweise mittels Schrauben zwischen zwei Endplatten.
Der Stapel aus elektrochemischen Zellen weist nun zwischen den einzelnen Zellrahmen bzw. zwischen den Zellrahmen und den zwischen den Zellrahmen angeordneten Separatorplatten oder Membran-Elektroden-Anordnungen längs des Außenumfangs jedoch nach innen beabstandet zum Außenumfang umlaufende Dichtelemente auf. Herkömmlicherweise werden hierfür Elastomer-Dichtungen, beispielsweise als in eine Nut eingelegte Ringdichtungen eingesetzt. Alternativ können auch angespritzte Elastomer-Dichtungen eingesetzt werden. Es ist auch bekannt, als Dichtung flächige Weichstoffdichtungen einzusetzen, die als Rahmendichtungen längs des Außenumfangsrandes des jeweiligen Zellrahmens umlaufen.
In einem Elektrolyseur ändert sich während des Betriebs der Druck der eingesetzten Medien, z.B. Wasser, sowie der Druck der erzeugten Gase, beispielsweise Wasserstoff und Sauerstoff. Daher wird im Folgenden mit dem zusammengebauten betriebsfertigen Zustand derjenige Zustand bezeichnet, an dem der Zellstapel des Elektrolyseurs unter Nominalverspannung zusammengebaut ist, jedoch noch keine Medien in den Zellstapel eingebracht sind. Dieser Zustand ist für jeden Zellstapel ein wohldefinierter Zustand, der bei der Entwicklung der Komponenten des Zellstapels für diesen Zellstapel bestimmt wird.
Erst nach Befüllen des Zellstapels mit den Reaktionsgasen und/oder Kühlfluid, entsteht ein Zustand, der im Folgenden als betriebsbereiter Zustand bezeichnet wird, in dem jedoch die auf eine Komponente des Zellstapels einwirkenden Kräfte verschieden sind von den Kräften unter Nominalverspannung im betriebsfertigen Zustand und auch im Verlauf des Betriebs des Zellstapels variieren können.
Eine Druckänderung („atmende Stacks“) im Betrieb darf jedoch nicht zu einer Leckage der außen um die jeweilige elektrochemische Zelle umlaufenden Dichtung führen. Daher muss dafür gesorgt werden, dass die Kraft der Verpressung des Stapels von elektrochemischen Zellen auch unter wechselnden Bedingungen hinreichend gleichbleibt. Hierfür wird herkömmlicherweise zusätzlich zu den elastomeren Dichtungen an den jeweiligen Enden des Stapels ein Federpaket eingesetzt, das zwischen den dem Stapel und den zu seiner Fixierung verwendeten Schrauben angeordnet ist. Diese Federpakete führen zu einer Vergleichmäßigung des Verpressungsdruckes des Stapels auch bei einer Längenänderung des Stapels aufgrund von Druck- und Temperaturänderungen innerhalb des Stapels.
Weiterhin sind im Stand der Technik metallische Rahmendichtungen bekannt, die als Dichtelemente umlaufende Sicken aufweisen. Um die benötigte konstante Verpresskraft zu gewährleisten, sind die Sicken derartiger Sickendichtungen so ausgelegt, dass ihre Verpressung innerhalb des elastischen Bereiches der Verpressungskennlinie der Sicken bleibt. Dadurch können die Sicken in einem weiten Bereich eine elastische Abdichtung gewährleisten. Derartige Sickendichtungen haben sich jedoch als untauglich erwiesen, um eine zuverlässige Abdichtung auch bei Elektrolyseuren zu gewährleisten, deren Druckverhältnisse sich während des Betriebs des Elektrolyseurs stark ändern.
Ausgehend von diesem Stand der Technik stellt sich daher der vorliegenden Erfindung die Aufgabe, eine Abdichtung von Elektrolyseuren zu ermöglichen, die auch im Betrieb des Elektrolyseurs eine zuverlässige Dichtwirkung gegenüber dem abgedichteten Bereich ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Dichtlage nach Anspruch 1, eine Separatorplatte nach Anspruch 10 und einen Elektrolyseur nach Anspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Dichtlage, der erfindungsgemä-ßen Separatorplatte und des erfindungsgemäßen Elektrolyseurs werden in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen gegeben.
Elektrolyseure weisen üblicherweise mindestens einen Zellstapel aus elektrochemischen Zellen auf. Die erfindungsgemäße Dichtlage zur Verwendung in einem derartigen Elektrolyseur weist nun mindestens eine Dichtsicke auf, die in sich geschlossen den abzudichtenden Bereich, hier beispielsweise das Strömungsfeld einer Separatorplatte des Elektrolyseurs, umläuft. Die Dichtsicke weist erfindungsgemäß vor der ersten Verpressung im Elektrolyseur, d. h., vor dem Zusammenbau des Stapels an elektrochemischen Zellen des Elektrolyseurs eine Ausgangssickenhöhe H₀ auf. Die Steifigkeit der Sicke ist nunmehr derart ausgelegt, dass nach einer erstmaligen einmaligen Verpressung der Dichtlage unter Nominalverspannung im zusammengebauten, betriebsfertigen Zustand des Stapels und anschließender Demontage des Stapels die Dichtsicke auf eine Sickenhöhe H verpresst ist, die ≤ 0,3 H₀, vorteilhafterweise ≤ 0,2 H₀, vorteilhafterweise ≤ 0,1 H₀ beträgt. Mit anderen Worten weist die Dichtlage eine Dichtsicke auf, die bei Verpressung der Dichtlage bei der Montage im Elektrolyseur plastisch verpresst wird und folglich nicht mehr im elastischen Bereich betrieben wird.
Zur Bestimmung der Eigenschaften der Dichtsicke ist es jedoch nicht zwingend notwendig, einen vollständigen Elektrolyseur herzustellen, sondern es genügt die erfindungsgemäße Dichtlage unter Nenndruck bzw. Nenn/Nominal-Spannkraft des Stapels des Elektrolyseurs zu verpressen. Idealerweise wird zur Bestimmung der Eigenschaften der Dichtsicke der Stapel elektrochemischer Zellen, der die erfindungsgemäße Dichtlage enthält, vollständig zusammengebaut, ohne Befüllung mit Gas unter Nennspannung verpresst und anschließend demontiert. Die Sickenhöhen werden dabei vorzugsweise unter Verwendung eines nicht beschichteten blanken Bleches der Dichtlage bestimmt, d.h. an einem Blech, an dem noch keine Beschichtung, insbesondere keine Beschichtung mit einem Elastomer, durchgeführt wurde. Alternativ können die Sickenhöhen H und H₀ jedoch auch an einer fertig beschichteten Dichtlage oder einer vollflächig gleichmäßig beschichteten Dichtlage bestimmt werden. Es hat sich weiterhin herausgestellt, dass die Dauer der erstmaligen Verpressung praktisch keinen Einfluss auf das Verhältnis der Sickenhöhen vor der Verpressung und nach der Verpressung hat.
Die erfindungsgemäße Sicke der erfindungsgemäßen Dichtlage wird folglich dauerhaft plastisch verpresst und kann anschließend nicht mehr, wie bei herkömmlichen Dichtsicken, in einem großen Bereich ausfedern. Dennoch hat sich herausgestellt, dass herkömmliche Dichtungen von Elektrolyseuren durch derartig plastisch verpresste Dichtsicken mit Vorteil ersetzt werden können.
Derartige plastisch verpresste Dichtsicken weisen beispielsweise eine Restsickenhöhe im unverpressten Zustand von weniger als 10 % der Materialstärke der Dichtlage auf. Typische Dichtlagen weisen beispielsweise ihrerseits Dicken im Bereich von 200 bis 300 µm auf, so dass die Restsickenhöhe lediglich bis zu 20 bis 30 µm beträgt.
Erfindungsgemäß handelt es sich nicht um ein herkömmliches, auf einer elastischen Wirkung beruhendes Dichtprinzip wie bei herkömmlichen Elastomer-dichtungen oder herkömmlichen Sickendichtungen.
Vorteilhafterweise ist die Höhe der Dichtsicke im unverpressten Zustand so ausgelegt, dass ihre Höhe niedriger ist als Prägungen, die beispielsweise in einem Fließbereich einer Separatorplatte eines Elektrolyseurs verwendet werden. Dadurch wird die Hauptkraft der Verspannung des Zellstapels zu einem Elektrolyseur in die Dichtsicke der Dichtlage eingebracht, beispielsweise über einen Zellrahmen. Die erfindungsgemäße Dichtsicke befindet sich folglich im Krafthauptschluss, während der Fließbereich der Separatorplatte sich im Kraftnebenschluss der Verspannung des Elektrolyseurs befindet.
Die erfindungsgemäße Dichtlage kann beispielsweise die Separatorplatte eines Elektrolyseurs sein oder auch der Zellrahmen einer elektrochemischen Zelle eines Elektrolyseurs. Weiterhin ist es möglich, eine separate Dichtlage vorzusehen, die die erfindungsgemäße Dichtsicke aufweist. Diese kann beispielsweise auch lediglich längs des Zellrahmens um den Außenumfang des Elektrolyseurs umlaufen. Wesentlich ist, dass die Abdichtung zwischen den einzelnen elektrochemischen Zellen gegenüber dem Außenraum mittels der erfindungsgemäßen Dichtsicke in einer als Dichtlage wirkenden Lage des Elektrolyseurs erfolgt.
Die erfindungsgemäße plastische verformte Dichtsicke kann zusätzlich mit einer im elastischen Bereich betriebenen Dichtsicke in einer benachbarten Lage kombiniert werden, so dass die einwirkenden Verspannungskräfte auf die übereinander angeordneten plastisch verformte erfindungsgemäße Dichtsicke und die elastische Sicke einwirken.
Die erfindungsgemäße Dichtsicke kann in die Dichtlage beispielsweise durch Prägeverfahren eingebracht werden, wobei sich hierfür Prägeverfahren wie beispielsweise Hubprägen, Rollprägen, Flachprägen, Impulsprägen oder auch hydraulisches Umformen anbieten.
Besonders vorteilhaft besteht die erfindungsgemäße Dichtlage aus einem metallischen Material, beispielsweise einem Metallblech. Für dieses eignen sich insbesondere Stähle, beispielsweise federharte und/oder weiche Stähle wie Edelstahl und dergleichen.
Im Unterschied zu herkömmlichen Dichtmitteln weist die erfindungsgemäße Dichtsicke vorteilhafterweise nach einer erstmaligen und einmaligen plastischen Verpressung unter Nominaldruck des Elektrolyseurs eine Höhe von lediglich 2 µm bis 60 µm, vorteilhafterweise 3 µm bis 20 µm, vorteilhafterweise 5 µm bis 10 µm, ausschließlich oder einschließlich der Wertebereichsgrenzen, auf. Als Ausgangssickenhöhe H₀ wird vorteilhafterweise eine Höhe zwischen 100 µm und 500 µm, vorteilhafterweise 200 µm und 300 µm verwendet, jeweils ebenfalls einschließlich oder ausschließlich der Bereichsgrenzen.
Auch die Wahl dieser vorteilhaften Höhenbereiche für H₀ und H zeigt, dass die erfindungsgemäße Dichtsicke in der erfindungsgemäßen Dichtlage unter Nominalbetriebsbedingungen des Elektrolyseurs plastisch verpresst ist und nur noch einen geringen Federweg aufweist. Tatsächlich wird die Dichtsicke im eingebauten Zustand der Dichtlage im Elektrolyseur typischerweise auf Höhe 0 oder nahezu 0 verpresst. Die geringen Federwege, die beispielhaft für die vorteilhafte Sickenhöhe H ausgewiesen wurde, ermöglichen dennoch eine sichere Abdichtung des Stapels elektrochemischer Zellen gegenüber dem Außenbereich.
Als Lagendicke für die Dichtlage werden bekannte Lagendicken D verwendet mit D vorteilhafterweise zwischen 100 µm und 500 µm, vorteilhafterweise zwischen 200 µm und 300 µm, jeweils einschließlich oder ausschließlich der Bereichsgrenzen.
Die Dichtlage kann vollflächig oder auch nur bereichsweise, beispielsweise nur im Bereich der erfindungsgemäßen Dichtsicken, beschichtet werden. Mittels einer derartigen Beschichtung kann die Mikroabdichtung verbessert werden. Es ist jedoch auch möglich, ein Gegenbauteil zu der erfindungsgemäßen Dichtlage vollflächig oder bereichsweise, insbesondere in dem der erfindungsgemäßen Dichtsicke gegenüberliegenden Bereich zu beschichten, beispielsweise mit einem Elastomer.
Die erfindungsgemäße Dichtlage kann Teil einer erfindungsgemäßen Separatorplatte sein oder selbst die Separatorplatte bilden.
Typische Separatorplatten sind einlagig, so dass diese Lage zugleich auch als erfindungsgemäße Dichtlage ausgestaltet sein kann. Weiterhin sind typische Separatorplatten auch zweilagig ausgeführt, wobei in diesem Falle die erfindungsgemäße Dichtlage hinzukommen kann oder eine oder beide der zweilagigen Separatorplatten als erfindungsgemäße Dichtlage ausgebildet sein können.
Typische Separatorplatten weisen einen Fließbereich auf, in dem in die Separatorplatten Flusskanäle eingeprägt sind, die der Führung der Medien, beispielsweise des erzeugten Wasserstoffs und des erzeugten Sauerstoffs dienen. Erfindungsgemäß wird dieser Fließbereich von der erfindungsgemäßen Dichtsicke abdichtend umschlossen.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin auch einen Elektrolyseur mit einer wie oben beschriebenen erfindungsgemäßen Dichtlage, wobei eine, mehrere oder jede der elektrochemischen Zellen des Elektrolyseurs eine derartige Dichtlage aufweisen können. Die Dichtlage kann hier zusätzlich zu einer Separatorplatte nach der obigen Beschreibung oder auch als Separatorplatte selbst ausgebildet sein. Die Dichtlage kann auch weiterhin als Zellrahmen ausgebildet sein, der am Außenumfangsrand der Separatorplatten des Elektrolyseurs um die Separatorplatten umläuft.
Erfindungsgemäß kann der Elektrolyseur auch eine weitere metallische Lage aufweisen, die nicht die erfindungsgemäße Dichtlage ist. In Aufsicht auf den Elektrolyseur in Stapelrichtung des Elektrolyseurs kann die weitere metallische Lage eine weitere Dichtsicke, beispielsweise auch eine nicht plastisch verpresste, sondern im elastischen Bereich betriebene Dichtsicke, aufweisen. Diese kann über der erfindungsgemäßen Dichtsicke in der erfindungsgemäßen Dichtlage angeordnet sein, beispielsweise derart, dass die Sickendächer der weiteren Sicke und der erfindungsgemäßen Dichtsicke aufeinander zu liegen kommen. Alternativ können auch die Füße dieser Sicken aufeinander zu liegen kommen und die Sickendächer der beiden Lagen voneinander abgewandt sein, d. h. einen im Wesentlichen entgegengesetzten Verlauf aufweisen.
Im Folgenden werden Beispiele erfindungsgemäßer Dichtlagen und elektrochemischer Zellen sowie erfindungsgemäßer Elektrolyseure gegeben. Dabei werden für gleiche und ähnliche Elemente gleiche und ähnliche Bezugszeichen verwendet und daher ggf. nicht wiederholt beschrieben. Die nachfolgenden Beispiele enthalten neben den wesentlichen Merkmalen der vorliegenden Erfindung jeweils eine Vielzahl von optionalen Merkmalen, die einzeln oder auch in Kombination die vorliegende Erfindung weiterbilden können. Dabei können auch Kombinationen von optionalen Merkmalen verschiedener Beispiele miteinander durchgeführt werden.
Es zeigen:

1 ein Verpressungsdiagramm unterschiedlicher Dichtsysteme;
2 ein Verpressungsdiagramm für eine metallische Dichtsicke;
3 in den Teilfiguren A und B zwei verschiedene Kombinationen einer erfindungsgemäßen Dichtlage mit einem Zellrahmen;
4 in den Teilfiguren A und B Elemente einer elektrochemischen Zelle in ihrem Aufbau mit einer erfindungsgemäßen Dichtlage;
5 eine erfindungsgemäße Dichtlage mit Zellrahmen;
6 in den Teilfiguren A und B zwei erfindungsgemäße Dichtlagen mit Zellrahmen;
7 eine erfindungsgemäße Dichtlage mit Zellrahmen;
8 eine Ansicht einer Abfolge von elektrochemischen Zellen eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs im Ausschnitt im unverpressten Zustand;
9 eine weitere Ansicht der Abfolge von elektrochemischen Zellen des erfindungsgemäßen Elektrolyseurs im Ausschnitt im unverpressten Zustand
10 die Abfolge aus 8 im verpressten Zustand;
11 eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts aus 10;
12 eine Abfolge von elektrochemischen Zellen eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs im unverpressten Zustand;
13 eine andere Ansicht der Abfolge von elektrochemischen Zellen des erfindungsgemäßen Elektrolyseurs im unverpressten Zustand;
14 die Abfolge von elektrochemischen Zellen in 12 im verpressten Zustand; und
15 die Abfolge von elektrochemischen Zellen in 13 im verpressten Zustand.

Die 1 bis 7 zeigen die Erfindung jeweils anhand noch unverpresster Anordnungen von Zellrahmen, Dichtlagen, Separatorplatten etc..
1 zeigt ein Verpressungsdiagramm für drei Dichtsysteme nach dem Stand derTechnik. Die durchgezogene Linie zeigt eine Dichtung mit einer metallischen Sicke, die beschichtet ist, die gepunktete Linie eine Flachdichtung aus Elastomer und die strichlierte Linie ein Dichtprofil aus Elastomer. In 1 ist dargestellt, wie die Dicke der Sicke abnimmt in Abhängigkeit von der Presskraft, mit der die jeweilige Dichtung verpresst wird.
2 zeigt ein Verpressungsdiagramm einer Sicke in einer metallischen Lage. Auf der x-Achse ist die Sickenhöhe bzw. deren Verpressung und auf der y-Achse ist die aufgewendete Verpresskraft aufgetragen. Mit zunehmender Verpresskraft wird die Sicke in ihrer Höhe reduziert (rechte Seite des Diagramms). Erfolgt die Verpressung mit einer geringen Kraft, so wird die Sicke wie im mit A bezeichneten Bereich verpresst. Bei Entlastung kehrt die Sicke jeweils wieder auf eine vorgegebene Höhe zurück bzw. bewegt sich innerhalb eines vorgegebenen Höhenbereichs. A bezeichnet den Bereich, in dem die Sicke in elastischer Weise ein- und ausfedert.
Bei sehr starker Verpressung, sogenannter plastischer Verpressung mit sehr hoher Presskraft, wird die Sicke auf eine sehr geringe Höhe verpresst. Auch bei Entlastung kehrt die Sicke nicht annähernd zu ihrer Ausgangshöhe zurück, sondern federt lediglich noch geringfügig aus. Der in dem Diagramm mit B bezeichnete Bereich zeigt eine derartige plastische, dauerhaft verformte Verpressung einer Sicke mit hoher Presskraft. Insbesondere ist in der 2 dargestellt, dass bei hinreichender Presskraft die Dichtsicke auf eine Höhe 0 verpresst wird. Eine derart verpresste Dichtsicke federt bei Entlastung nur noch geringfügig zurück.
Die vorliegende Erfindung setzt nun abweichend vom Stand der Technik, bei dem üblicherweise Dichtsicken mit einer Verpressung im elastischen Bereich A zur Abdichtung eingesetzt werden, eine Dichtsicke ein, die plastisch, d.h. wie im Bereich B dargestellt, verpresst wurde.
3 zeigt in den Teilfiguren A und B zwei Beispiele erfindungsgemäßer Dichtlagen 1.
Dichtlage 1 in 3A weist eine metallische erste Lage 20 auf, die zugleich als Separatorplatte oder als eine Lage einer mehrlagigen Separatorplatte in einem Elektrolyseur ausgebildet ist. Benachbart zu der Dichtlage 1, 20 ist ein Zellrahmen 3 angeordnet, der um den Fließbereich 13 der Separatorplatte 20 längs ihres Außenumfangs umlaufend ausgebildet ist. Der Zellrahmen 3 schließt einen Bereich 9 ein, der unter anderem einen Fließbereich 13 mit Fließkanälen 14 in Form von Kanalsicken 15 sowie Fließkanälen 14' in Form von Kanalsicken 15' aufweist. In diesen Fließkanälen 14 und 14' können beispielsweise Edukte oder Produkte des Elektrolyseurs, wie beispielsweise, Wasser, Sauerstoff oder Wasserstoff geführt werden.
In Aufsicht auf die Erstreckung der Separatorlage 20 ist nun in der Separatorlage 20 benachbart zu dem Zellrahmen 3 eine erfindungsgemäße Dichtsicke 10 angeordnet. Diese Dichtsicke 10 weist Sickenfüße 17, Sickenflanken 18 sowie ein Sickendach 19 auf. Das Sickendach 19 ist unmittelbar dem Zellrahmen 3 benachbart angeordnet.
Zur Ausbildung eines Elektrolyseurs können nun eine Vielzahl von Kombinationen aus Separatorplatte/Dichtlage 1 und Zellrahmen 3 übereinander angeordnet werden, wobei noch in 3 nicht dargestellte Gasdiffusionslagen und Membran-Elektroden-Anordnungen hinzugefügt werden.
Als Ausgangssickenhöhe H₀ wird vorteilhafterweise eine Höhe zwischen 200 µm und 300 µm verwendet.
In 3B ist eine zu 3A ähnliche Separatorplatte 20 dargestellt. Nunmehr jedoch ist die Dichtsicke 10 im Bereich einer Sickennut 6 des Zellrahmens 3 angeordnet. Die Tiefe der Nut 6 ist in der 3B nicht maßstabsgerecht dargestellt. Sie ist lediglich so tief, dass auch hier eine erfindungsgemäße plastische Verpressung der Sicke 10 erzielt wird.
Das Sickendach 19, das hier wie in 3A gemeinsam mit der Separatorlage 20 und dem Zellrahmen im unverpressten Zustand dargestellt ist, liegt im verpressten Zustand am Boden der Nut 6 an. Zur Ausbildung eines Elektrolyseurs können auch hier nun eine Vielzahl von Kombinationen aus Dichtlage 1 und Zellrahmen 3 übereinander angeordnet werden.
4 zeigt in 4A ein weiteres Beispiel für eine erfindungsgemäße Dichtlage 1, die ähnlich ausgebildet ist wie diejenige in 3A. Im Unterschied zur 3A ist nun für die Dichtlage 1 nicht lediglich ein Zellrahmen 3 vorgesehen, sondern zwei Zellrahmen 3, 3', die zu beiden Seiten der Dichtlage 1 angeordnet sind. Die Kanalsicken 15 und 15' weisen eine derartige Höhe auf, dass die jeweiligen Sickendächer auf weitgehend gleicher bzw. gleicher Höhe wie die von der Dichtlage 1 weg gerichteten Außenseiten der Zellrahmen 3, 3' verlaufen. Zur Ausbildung eines Elektrolyseurs können nun eine Vielzahl von Kombinationen aus Dichtlage 1 und Zellrahmen 3, 3' übereinander angeordnet werden. Wie beschrieben, sind. noch zur Ausbildung einer funktionsfähigen elektrochemischen Zelle für jede Einheit aus Separatorlage 1, 20 und benachbarten Zellrahmen 3, 3' zwei Gasdiffusionslagen und eine Membranelektrodenanordnung erforderlich.
Dies ist in 4B dargestellt, wo zu beiden Seiten der Dichtlage 1 jeweils eine Gasdiffusionslage 5a, 5b und eine Membranelektrodenanordnung 4a, 4b angeordnet ist. Während 4A im unverpressten Zustand dargestellt ist, ist in 4B der Fließbereich 13 der Dichtlage 1 bereits derart teilverpresst, dass die Höhe zwischen den Sickendächern der Kanalsicken 15, 15' zuzüglich der Dicken der beiden Gasdiffusionslagen 5a, 5b der Höhe zwischen den beiden Außenseiten der beiden Zellrahmen 3, 3' entspricht.
5 zeigt eine weitere Dichtlage 1 mit Zellrahmen 3, 3' ähnlich der Anordnung in 4A. Zusätzlich zu der Dichtlage 1 ist eine weitere metallische Lage 30 vorgesehen, die in Aufsicht auf die in 5 dargestellte Anordnung in Stapelrichtung eines Elektrolyseurs über der Dichtlage 1 im Bereich der Zellrahmen 3, 3' angeordnet ist. Die weitere metallische Lage 30 weist eine Dichtsicke 31 auf mit Sickenfüßen 37, Sickenflanken 38 und einem Sickendach 39. Die Sickendächer 19 und 39 liegen nunmehr unmittelbar aufeinander, d.h. die beiden Sicken 10 und 31 sind in ihrem Verlauf gegenläufig. In 5 sind beide Sicken im unverpressten Zustand dargestellt. Unter Nominalverpressung in einem Elektrolyseur wird die Dichtsicke 31 in ihrem elastischen Bereich (Bereich A in 2) betrieben, während die Dichtsicke 10 erfindungsgemäß plastisch verpresst wird (Bereich B in 2). Hierzu werden die Lagen 1 und 30 geeignet ausgebildet, z.B. durch geeignete Wahl des Lagenmaterials, der Lagendicke, der Sickengeometrie etc.
6 A zeigt eine weitere erfindungsgemäße Dichtlage 1. In 6A ist eine Anordnung ähnlich derjenigen in 5 dargestellt. Nunmehr ist jedoch die Dichtlage 1 lediglich im Bereich des Zellrahmens 3 ausgebildet, während die Separatorplatte 20 ohne Dichtsicke im Bereich des Zellrahmens ausgebildet ist. Die in der Dichtlage 1 angeordnete Dichtsicke 10 wird in 6 im unverpressten Zustand dargestellt. Unter Nominalbedingungen für den Elektrolyseur wird die Dichtsicke 10 plastisch verpresst.
6B zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dichtlage 1. In 6B ist der Zellrahmen 3 als Dichtlage 1 mit der plastisch zu verpressenden Dichtsicke 10 ausgebildet und im noch unverpressten Zustand dargestellt. Die zusätzliche metallische Lage 30 ist so wie die metallische Lage in 6A als Separatorplatte 20 ausgebildet. Im Unterschied zu 6A wird nun die Funktion der Dichtlage 1 nicht in einer von dem Zellrahmen 3 getrennten Dichtlage übernommen. Vielmehr ist der Zellrahmen 3 als Dichtlage 1 erfindungsgemäß ausgebildet.
7 zeigt ein weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen Dichtlage ähnlich der 6A. Im Unterschied zu 6A ist nunmehr jedoch die Dichtlage 1 an Schweißpunkten 24 mit dem Zellrahmen 3 verschweißt. Eine derartige Verbindung der Dichtlage 1 mit dem Zellrahmen 3 führt zu einer höheren Steifigkeit der Dichtsicke 1.
8 und 9 zeigen zwei verschiedene Schnitte durch einen Stapel von elektrochemischen Zellen in Aufsicht. Die elektrochemischen Zellen werden jeweils aus einem Zellrahmen 3a, einer Dichtlage 1 als Separatorlage 21, einer weiteren Separatorlage 22, Gasdiffusionslagen 5a und 5b sowie einer Membranelektrodenanordnung 4a, die in der Reihenfolge 5b, 21, 22, 5a, 4a angeordnet sind, ausgebildet. Die Separatorlagen 21 und 22 bilden gemeinsam eine zweilagige Separatorplatte bzw. Bipolarplatte 20. Elemente weiterer elektrochemischer Zellen sind in den 8 und 9 mit ähnlichen Bezugszeichen versehen. Weiterhin ist in dem Schnitt der 8 und 9 eine Durchgangsöffnung 25 gezeigt, mit der in Stapelrichtung der elektrochemischen Zellen Edukte oder Produkte zu oder von den elektrochemischen Zellen geführt werden können.
In der Dichtlage 1 (und in entsprechender Weise der Dichtlage 1b) ist jeweils eine Dichtsicke 10 (und 10b) ausgebildet, die um den Fließbereich 9 der Lage 1 (bzw. Fließbereich 9b der Lage 1b) umläuft. Die Dichtsicke 10 ist erfindungsgemäß als Dichtsicke ausgestaltet, die bei Verpressung des in 8 dargestellten Stapels von elektrochemischen Zellen plastisch verpresst wird. Der Dichtsicke 10 ist gegenüber in einer zweiten Lage 22 der Separatorplatte 20 eine weitere Sicke 31 angeordnet, wobei die Sicken 10 und 31 mit ihren Sickenfüßen aufeinander liegen. In diesem Beispiel ist auch die Sicke 31 derart ausgestaltet, dass sie bei Verpressung unter Nominalbedingungen des Elektrolyseurs 2 ebenfalls plastisch verpresst wird.
9 zeigt dieselbe Abfolge von elektrochemischen Zellen in einer anderen Querschnittsansicht wie in 8. Der Schnitt ist nunmehr so gewählt, dass nicht in der Lage 22, sondern in der Lage 21, die auch als Dichtlage 1 ausgebildet ist, ein Schnitt durch die Kanäle des Fließbereichs 9 dargestellt ist.
Die Dichtsicke 10 der Lage 21 der Separatorplatte 20 ist, wie für die gleich gestaltete Dichtsicke 10b der Lage 21b dargestellt ist, um den Fließbereich 9b der Lage 21b umlaufend. Die Sicke 10b (und die Sicke 10 entsprechend) weist zusätzlich eine Erweiterung auf, die die Durchgangsöffnung 25 umlaufend vollständig umschließt.
Während 8 und 9 das Zellpaket im noch unverpressten Zustand darstellt, d.h. vor der ersten einmaligen Verpressung unter Nennbetriebsbedingungen des Elektrolyseurs 2, zeigen 10 bzw. 11 die Anordnung aus 8 bzw. 9 im verpressten Zustand unter Normpressbedingungen eines fertig montierten Elektrolyseurs 2. In beiden Fällen sind die Sicken 10 und 31 vollständig auf Höhe 0 und damit plastisch verpresst. Sowohl die Sicke 10 als auch die Sicke 31 sind folglich als erfindungsgemäße Dichtsicken ausgebildet, so dass in beiden Fällen sowohl die Lage 21 als auch die Lage 22 als erfindungsgemäße Dichtlage ausgebildet ist.
12 und 13 zeigen ein weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen Abfolge von elektrochemischen Zellen in verschiedenen Ausschnitten und Querschnitten. Grundsätzlich ist der Aufbau der elektrochemischen Zellen in diesem Beispiel ähnlich demjenigen in den 8 bis 11. Abweichend von dem vorherigen Beispiel sind nunmehr zwischen den Zellrahmen 3a und 3a' 4 metallische Lagen angeordnet. Die Lagen 21a und 22a der Separatorplatte 20a sind nicht als erfindungsgemäße Dichtlagen mit einer plastisch zu verpressenden Dichtsicke ausgebildet. Vielmehr sind außenseitig zu der Separatorplatte 20 jeweils zusätzliche Dichtlagen 1a und 1a' vorgesehen, die Dichtsicken 10a und 10a' aufweisen, die erfindungsgemäß ausgebildet sind und um den Fließbereich 9a umlaufen. Weitere elektrochemische Zellen des gezeigten Zellstapels sind entsprechend bzw. gleich ausgebildet.
14 und 15 zeigen jeweils eine Darstellung eines Ausschnittes um die Anordnung in 12 bzw. in 13 im Bereich der Durchgangsöffnung 25, wobei der Zellstapel unter Nominalbedingung verpresst ist. In diesem Zustand sind die Dichtsicken 10a und 10a' auf Höhe 0, d.h. plastisch, verpresst.

Claims

Dichtlage zur Verwendung in einem Elektrolyseur mit einem Stapel aus elektrochemischen Zellen, der eine Separatorplatte mit einem Strömungsfeld aufweist, wobei die Dichtlage mindestens eine Dichtsicke aufweist, die im in dem Stapel eingebauten Zustand in Draufsicht auf die Dichtlage in sich geschlossen um das Strömungsfeld der Separatorplatte umläuft und eine vor der ersten Verpressung im Stapel bestimmte Ausgangssickenhöhe H₀ aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer erstmaligen einmaligen Verpressung der Dichtlage unter Nominalverspannung im zusammengebauten, betriebsfertigen Zustand des Stapels und anschließender Demontage des Stapels die in sich geschlossene Dichtsicke eine Sickenhöhe H aufweist mit H ≤ 0,3 H₀, vorteilhafterweise H ≤ 0,2 H₀, vorteilhafterweise H ≤ 0,1 H₀.
Dichtlage nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtlage die Separatorplatte, eine von der Separatorplatte verschiedene Lage oder ein Zellrahmen ist.
Dichtlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der erstmaligen einmaligen Verpressung der Dichtlage und anschließender Demontage des Stapels die in sich geschlossene Dichtsicke eine Sickenhöhe H aufweist mit 2 µm ≤ H ≤ 60 µm, vorteilhafterweise 3 µm ≤ H ≤ 20 µm, vorteilhafterweise 5 µm ≤ H ≤ 10µm.
Dichtlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der ersten Verpressung der Dichtlage die in sich geschlossene Dichtsicke eine Ausgangssickenhöhe H₀ aufweist mit 100 µm ≤ H₀ ≤ 500 µm, vorteilhafterweise 200 µm ≤ H₀ ≤ 300 µm.
Dichtlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtlage eine Lagendicke D_L aufweist mit 100 µm ≤ D_L ≤ 500 µm, vorteilhafterweise 200 µm ≤ D_L ≤ 300 µm.
Dichtlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in sich geschlossene Dichtsicke in ihrer Längsrichtung und/oder in ihrer Querrichtung zumindest abschnittsweise beschichtet ist.
Dichtlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtlage im von der in sich geschlossenen Dichtsicke umschlossenen Bereich Flusskanäle, insbesondere geprägte Flusskanäle, zur Führung von fluiden Reaktanden aufweist.
Dichtlage nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Flusskanäle ausgebildet sind als Kanalsicken, die durch Stege voneinander getrennt sind, die sich parallel zu den Kanalsicken erstrecken, oder als Kanalsicken, die lediglich abschnittsweise durch Stegabschnitte, insbesondere runde, längliche oder freigeformte Stegabschnitte, voneinander getrennt sind.
Dichtlage nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass vor der ersten Verpressung der Dichtlage die Flusskanäle in Form von Kanalsicken eine Sickenhöhe H_f aufweisen, wobei die in sich geschlossene Dichtsicke eine Ausgangssickenhöhe H₀ mit H₀ ≤ 0,85 H_f aufweist.
Separatorplatte mit mindestens einer Dichtlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Separatorplatte nach dem vorhergehenden Anspruch mit zwei metallischen Lagen und einer Dichtlage nach einem der Ansprüche 7 bis 9.
Separatorplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit zwei metallischen Lagen, wobei mindestens eine der metallischen Lagen als Dichtlage nach einem der Ansprüche 7 bis 9 ausgebildet ist
Separatorplatte nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass beide metallischen Lagen als Dichtlage nach einem der Ansprüche 7 bis 9 ausgebildet sind, wobei die Flußkanäle jeder der beiden metallischen Lagen auf einer Außenseite der Separatorplatte verlaufen.
Separatorplatte nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass vor der ersten Verpressung der Separatorplatte die Flusskanäle in Form von Kanalsicken eine über die Kanalsicken beider metallischer Lagen summierte Sickenhöhe H_f,sum aufweisen, wobei die in sich geschlossenen Dichtsicken eine summierteAusgangssickenhöhe H_0,sum mit H_0,sum ≤ 0,85 H_f,sum aufweisen.
Elektrolyseur mit einem Stapel aus mindestens zwei elektrochemischen Einheiten, wobei jede der elektrochemischen Einheiten mindestens aufweist: eine Separatorplatte nach einem der Ansprüche 10 bis 14 und eine parallel zur Hauptplattenebene der Separatorplatte angeordnete flächige Membran-Elektroden-Anordnung, wobei zwischen je zwei benachbarten elektrochemischen Einheiten mindestens ein längs des Außenumfangsbereichs der benachbarten Separatorplatten umlaufender Zellrahmen angeordnet ist.
Elektrolyseur nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine, mehrere oder alle der elektrochemischen Einheiten eine weitere metallische Lage aufweisen, die ggfls. als Dichtlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist.
Elektrolyseur nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede der elektrochemischen Einheiten eine Dichtlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und mindestens eine weitere metallische Lage, die von der Dichtlage verschieden ist, aufweist und in der weiteren metallischen Lage parallel zur Dichtsicke in der Dichtlage eine weitere Sicke derart angeordnet ist, dass in einer senkrecht zur Lagenerstreckung der Dichtlage erfolgenden Draufsicht auf die Dichtlage und die weitere metallische Lage die Dichtsicke und die weitere Sicke übereinander verlaufen.
Elektrolyseur nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Querschnitt senkrecht zur Lagenebene der Dichtlage und senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Dichtsicke und/oder der weiteren Sicke die Dichtsicke und die weitere Sicke einen im Wesentlichen entgegengesetzten Verlauf aufweisen.
Elektrolyseur nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Querschnitt senkrecht zur Lagenebene der Dichtlage und senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Dichtsicke die Dichtsicke und die weitere Sicke Vollsicken sind und derart ausgestaltet sind, dass ihre Sickendächer unmittelbar aufeinander liegen oder einander abgewandt sind.