EP4166691A1 - Rahmen für pem elektrolysezellen und pem elektrolysezellen stapel zur erzeugung von hochdruck-wasserstoff mittels differenzdruckelektrolyse - Google Patents

Rahmen für pem elektrolysezellen und pem elektrolysezellen stapel zur erzeugung von hochdruck-wasserstoff mittels differenzdruckelektrolyse Download PDF

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Publication number
EP4166691A1
EP4166691A1 EP21202604.1A EP21202604A EP4166691A1 EP 4166691 A1 EP4166691 A1 EP 4166691A1 EP 21202604 A EP21202604 A EP 21202604A EP 4166691 A1 EP4166691 A1 EP 4166691A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
frame
anode
cathode
type
opening
Prior art date
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Pending
Application number
EP21202604.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Karl-Heinz Lentz
Elena BORGARDT
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Igas Energy GmbH
Original Assignee
Igas Energy GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Igas Energy GmbH filed Critical Igas Energy GmbH
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Priority to US18/701,406 priority patent/US20240392455A1/en
Priority to CA3233832A priority patent/CA3233832A1/en
Priority to PCT/EP2022/078416 priority patent/WO2023062088A2/de
Priority to EP22803178.7A priority patent/EP4399351A2/de
Priority to PCT/EP2022/078404 priority patent/WO2023062081A2/de
Priority to JP2024522459A priority patent/JP2024536518A/ja
Priority to US18/701,383 priority patent/US20250243590A1/en
Priority to JP2024522291A priority patent/JP2024536919A/ja
Priority to KR1020247015611A priority patent/KR20240089587A/ko
Priority to CA3233829A priority patent/CA3233829A1/en
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
    • C25B9/77—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type having diaphragms

Definitions

  • the invention relates to a new frame for a PEM electrolytic cell and for a PEM electrolytic cell stack.
  • the subject matter of the invention is the frame, a PEM electrolytic cell and a PEM electrolytic cell stack, which comprise the frame according to the invention, preassembled assemblies, methods for producing the preassembled assemblies and methods for producing the PEM electrolytic cell stack.
  • the frame according to the invention, the PEM electrolytic cell according to the invention and the PEM electrolytic cell stack according to the invention are suitable for generating high-pressure hydrogen by means of differential pressure electrolysis in combination with the use of thin proton exchange membranes.
  • the invention is based on a new frame and sealing concept.
  • PEM Proton exchange membrane
  • PEM electrolysis is an attractive technology for producing hydrogen using electricity derived from renewable energy sources.
  • the energy can be stored in the energy carrier hydrogen for times when there is not enough electricity from renewable sources available, thereby contributing to decarbonization.
  • An important advantage of PEM electrolysis is the possibility of generating hydrogen under pressure. Hydrogen must be available in compressed form for all potential areas of application, which means that PEM systems (e.g. PEM electrolysis cells and PEM electrolysis cell stacks) serve the needs of industry to a particular extent. For reasons of energy saving, it is advantageous to operate the PEM electrolysis directly under pressure, since less additional energy is required than with subsequent mechanical compression.
  • differential pressure electrolysis Since usually only the hydrogen is used, the oxygen can be generated more cheaply without pressure, which is referred to as differential pressure electrolysis.
  • a differential pressure of at least 30 bar is state of the art today, although this is currently only possible using PEM membranes with a thickness of at least approx. 120 ⁇ m.
  • the efficiency in the PEM electrolysis cell is of outstanding importance.
  • a significant proportion of the energy losses are caused by the ohmic resistances, especially at the PEM membrane.
  • a PEM membrane is used catalyst coated membrane (CCM) used.
  • CCM catalyst coated membrane
  • a classic PEM electrolytic cell consists of a catalyst-coated membrane (CCM) on which the reaction takes place.
  • CCM catalyst-coated membrane
  • PTL porous transport layers
  • PTL porous transport layers
  • BPP bipolar plate
  • PEM electrolytic cells and PEM electrolytic cell stacks comprising frames are known in the prior art.
  • US 6,669,826 B1 discloses achieving sealing in a PEM electrolytic cell stack by uniform contact pressure on the electrolytic cells by compressing sub-stacks, each comprising a plurality of PEM electrolytic cells arranged in series in a bipolar array, by means of end plates, intermediate supports, tie rods and biasing means become.
  • US 6,852,441 B1 discloses stabilizing the frames of the PEM electrolytic cells in an electrolytic cell stack by a reinforcing element that surrounds the electrolytic cell stack peripherally.
  • EP 1 356 134 B1 discloses frames for PEM electrolytic cells in which the electrolytic cells are compactly stacked in a bipolar arrangement and the stacked frames are separated by partitions.
  • the frames have two opposed planar surfaces and an opening in which the membrane is held in the frame by thermal compression bonding to polyphenylene oxide strips, holes for inlet of electrolyte and outlet for the generated gas.
  • Gas and gas sealing is provided by O-rings and sealing of the stack by an array of O-rings in grooves in each frame.
  • the PEM electrolytic cell stack is sandwiched between two stainless steel plates held together by threaded tie rods and pressed together.
  • U.S. 8,282,811 B2 discloses electrolytic cells for generating hydrogen at high pressures, with frames which are arranged between membrane electrode assembly and separators which serve as hydrogen separators and oxygen separators, respectively, and which have openings for the passage of water, oxygen and hydrogen. Gaskets seal the frame on the separators while the membrane seals the frame on the opposite side. Pressure pads between adjacent separators and plastic manifold gaskets surrounding the pressure pads seal the openings between individual electrolytic cells in a stack.
  • U.S. 7,507,493 B2 discloses PEM electrolytic cells containing sealed bipolar plates.
  • the gasket is positioned between the frame and an edge of the porous gas diffusion layer.
  • the electrolytic cells have a protective element between the seal and the membrane electrode arrangement to protect the proton exchange membrane. This should allow the cell to work at sustained high pressures, low specific resistances and improved creep protection.
  • US 8,349,151 B2 discloses a frame for use as an anode frame and as a cathode frame in a water electrolyzer, the anode frame and cathode frame being of identical construction and comprising a universal cell frame having a central opening and a plurality of transverse openings, with mating sets of transverse openings being spaced about 90 or 180 degrees apart and each being fluidly connected or not connected to the central opening by at least one inner radial passage, and wherein the anode frame and cathode frame are rotated 90 degrees relative to one another such that a row of electrolysers are fluidly connected through the openings.
  • EP 3 462 528 A1 discloses an electrochemical cell for generating high pressure hydrogen with a membrane electrode assembly and flow structures having planar surfaces on both sides of the membrane electrode assembly, wherein the one planar Surface is larger than the other surface, in addition to the flow structure with the smaller surface, a bipolar plate, a reinforcing layer and a seal with a sealing ring between the bipolar plate and the electrolyte membrane are arranged.
  • DE 10 2014 010 813 A1 discloses a frame for a stack-type electrolyzer for high-pressure hydrogen production, the frame comprising an integral reinforcement disposed between the fluid guide and the outer periphery and embedded in the frame structure, and a receiving recess disposed radially between the reinforcement and the fluid guide a seal.
  • the subject matter of the invention is a frame 1 for a PEM electrolytic cell 2 with a metal core 21 , the metal core 21 being coated with a sealing material, preferably rubber, for example EPDM ( Figure 3a and 3b ).
  • a sealing material preferably rubber, for example EPDM
  • the metal offers good mechanical stability, whereas the coating of sealing material, preferably rubber, for example EPDM, produces the sealing effect.
  • all or at least 90%, preferably at least 95% or more of the surface of the metal core 21 of the anode frame 8 or the entire or at least 90%, preferably at least 95% or more of the surface of the metal core 21 of the cathode frame 11 is coated with sealing material, preferably rubber, for example EPDM, the sealing surface is very large.
  • Another advantage is that the components such as the PTL anode 7 and PTL cathode 10 can be pressed into the frame 1, in particular into the anode frame 8 and the cathode frame 11 (press fit) and thus into the PEM electrolytic cell 2 or the PEM electrolytic cell stack 23 in the case of electrolysis under high pressure or differential pressure, for example electrolysis which is carried out at a differential pressure of up to 40 bar, there is no deformation of the frame and no larger gap 17 is formed between individual components inside the frame 1 and between individual ones component and frame 1, e.g. between PTL cathode 10 and frame 1 and/or between PTL anode 7 and frame 1 ( figure 8 ). is formed.
  • the metal for the core of the anode frame 8 and/or cathode frame 11 can be, for example, high-grade steel, for example high-grade steel with a thickness of 0.5 cm.
  • the coated anode frame 8 and/or coated cathode frame 11 can have a thickness of 7.5 cm, for example.
  • the first opening 6 is at least 0.5 mm or 1 mm, for example 2 mm or more, 0.5 cm, preferably 1 cm, particularly preferably 1.5 cm or more larger than the second opening 9, with the shoulder 12 , which is formed inside the cathode frame 11 by the larger first opening 6 and the smaller second opening 9 , has the same width throughout ( Figure 7b ).
  • paragraph 12 can be of different widths at different points.
  • the width of the heel 12 and with it the planar third surface for receiving the CCM 13 may have the same or different widths at different locations.
  • the anode frame 8 can, for example, have external dimensions of 35 cm by 35 cm and the first opening can have dimensions of 20 cm by 20 cm.
  • the cathode frame 11 can, for example, have external dimensions of 35 cm by 35 cm and the first opening can have dimensions of 21 cm by 21 cm ( Figure 9a and b ).
  • the person skilled in the art is familiar with different frame shapes in which the frame 1, the anode frame 8 and the cathode frame 11 can be designed, for example square, rectangular, round.
  • the openings framing anode frame 8 and cathode frame 11 are of different sizes ( Figure 7b , 8th , 9a and 9b ).
  • the cathode frame 11 is smaller and the anode frame 8 is larger. This means that the gas pressure that occurs in the cathode during PEM electrolysis does not or cannot press on the 'gap 17 between anode frame 8 and PTL anode 7 on the anode side, even with a high differential pressure, for example a differential pressure of 40 bar.
  • the CCM 13 is therefore only pressed against the PTL anode 7 on the anode side and is well mechanically supported on the PTL anode 7 . A creeping 24 of the CCM 13 into the gap 17 between the anode frame 8 and the PTL anode 7 on the anode side can be prevented in this way.
  • the frame 1 comprises a channel or type I 14 for the supply and removal of water and gas and one or more channels type II 15, the channel type I 14 not having the first opening 6 in the anode frame 8 or the second Opening 9 in the cathode frame 11 are connected.
  • the anode frame 8 comprises on the surface of the first side 4 one or more type II channels 15 which are connected to the type I channel 14 and which connect the type I channel 14 to the first opening 6 and which, when the frame 1 is installed in a PEM electrolytic cell 2 or a stack type PEM electrolytic device 23 , are arranged towards the BPP 16 and the side of the anode frame 4" opposite the first side 4 does not have type II channels 15.
  • the cathode frame 11 comprises on the surface of the second side 5 a type II duct 15 which is connected to one or more type I ducts 14 and connects the type I duct 14 to the second opening 9 and which, when the frame 1 in a PEM electrolytic cell 2 or a stack type PEM electrolytic device 23 , are arranged towards the BPP 16 and the side of the cathode frame 5" opposite the second side 5 does not have type II 15 channels.
  • the frame 1 comprises at least two type I ducts 14 for transporting water and gas in and out and at least two type II ducts 15 , the type I ducts 14 not having the first opening 6 in the anode frame 8 or the second opening 9 are connected in the cathode frame 11 .
  • the anode frame 8 comprises on the surface of the first side 4 at least two type II channels 15 which are connected to the at least two type I channels 14 and which connect the type I channels 14 to the first opening 6 and the , when the frame 1 is installed in a PEM electrolytic cell 2 or a stack type PEM electrolytic device 23 , are arranged towards the BPP 16 and the side of the anode frame 4" opposite the first side 4 does not have type II channels 15.
  • Preferably connecting several Type II channels 15 arranged on the first side 4 of the anode frame 7 a type I channel 14 with the first opening 6.
  • the cathode frame 11 on the surface of the second side 5 comprises at least two type II channels 15 which are connected to at least two type I ducts 14 and which connect the type I ducts 14 to the second opening 9 and which, when the frame 1 is installed in a PEM electrolytic cell 2 or a stacked type PEM electrolytic device 23 , towards the BPP 16 are arranged and wherein the side of the cathode frame 5 " opposite the second side 5" has no type II channels 15 .
  • a plurality of Type II channels 15 arranged on the second side 5 of the cathode frame 11 connect a Type I channel 14 to the second opening 9.
  • the channels type II 15 , the channels type I 14 with the first opening 6 and the second opening 9, ie in a PEM electrolytic cell the PTL anode 7 and the PTL cathode 10 with the channels type I 14 for transporting water in and out and gas connect are arranged in the anode frame 8 and/or in the cathode frame 11 so that they point towards the BPP 16 , and not towards the CCM 13.
  • the CCM 13 When gas and water flow through the type I channels 14 during electrolysis, will the CCM 13 is not affected by this, because the side of the anode frame 7 and the side of the cathode frame 11 on which the CCM 13 rests does not include any type II channels 15, ie no channels in the immediate vicinity of the first opening 6 or the second opening 9 in the area where the CCM 13 is arranged and subjected to a differential pressure of up to 40 bar during electrolysis.
  • the CCM 13 rests on a smooth, level surface without channels and is therefore well supported even at a differential pressure of up to 40 bar.
  • the anode compartment (the anode compartment is formed by anode frame 7, CCM 13 and BPP 16)
  • the cathode compartment is formed by cathode frame 11, CCM 13 and BPP 16
  • the entire PEM electrolytic cell 2 also at a differential pressure of up to 40 bar fully sealed so no gas or water can escape.
  • the anode frame 8 and the cathode frame 11 are connected to one another via connecting elements.
  • Corresponding connecting elements are known to the person skilled in the art.
  • the anode frame 8 comprises one or more connecting elements, for example pins 19 and the cathode frame 11 one or more connecting elements, for example holes 18, the pin or pins 19 and the hole or holes 18 being arranged such that the hole( s) 18 in the cathode frame 11 is plugged onto the pin(s) 19 in the anode frame 8 and the anode frame 8 and cathode frame 11 can thereby be connected to one another.
  • the invention relates to a PEM electrolytic cell 2 for operation under a differential pressure of up to 40 bar to generate high-pressure hydrogen, comprising a PEM membrane electrode arrangement with a CCM 13, a PTL anode 7, a PTL cathode 10,
  • the PEM electrolytic cell 2 having a frame 1 comprises, wherein the first opening 6 in the anode frame 8 comprises the PTL anode 7 and the second opening 9 in the cathode frame 11 comprises the PTL cathode 10 and the CCM 13 between the side of the anode frame 4 " opposite the first side 4" and that of the second side 5 opposite side of the cathode frame 5" , with one side of the CCM 13 resting on the PTL anode 7 and the other side of the CCM 13 resting on the step 12 and the PTL cathode 10 ( Figure 7b and 7c ).
  • the PEM electrolytic cell 2 according to the invention comprises a CCM 13 with a thickness of less than 80 ⁇ m, for example a CCM 13 with a thickness of 50 ⁇ m or less.
  • the coatings made of sealing material for example the rubber coating 22, preferably the EPDM coating of the anode frame 8, the coatings made of sealing material, for example the rubber coating 22, preferably the EPDM coating of the cathode frame 11 and the Paragraph 12 together with the CCM 13 ( Figure 7c ) and seal the PEM electrolytic cell 2 and the anode compartment and the cathode compartment completely, without the CCM 13 creeping 24 into the gap 17 between the anode frame 8 and the PTL anode 7 .
  • the special arrangement of the type II channels 15 ensures that water and gas is transported in and out completely, as well as the stability of the CCM 13 and complete sealing of the PEM electrolytic cell 2.
  • PEM electrolytic cells 2 can be produced with a thinner CCM 13 than is usual in the prior art.
  • these PEM electrolytic cells 2 can be operated in such a way that the hydrogen is accumulated to generate a differential pressure on the cathode side of up to 40 bar without the CCM 13 being damaged or the PEM electrolytic cell 2 becoming leaky.
  • the invention relates to a stack-type PEM electrolysis device 23 for operation under differential pressure to produce high-pressure hydrogen, comprising x preassembled assemblies 20, x+1 CCMs 13, a single anode, a single cathode and two end plates, the x preassembled assemblies 20 and the x+1 CCMs 13 are stacked alternately on top of each other to form a stack of preassembled assemblies 3 , with a preassembled assembly 20 and a CCM 13 being stacked alternately on top of each other in the stack of preassembled assemblies 3 and with the top and bottom of the stack of preassembled assemblies 3 one CCM 13 is arranged in each case and one CCM 13 is arranged between two adjacent preassembled assemblies 20 , and a single anode is arranged parallel to an outer CCM 13 on one side of the stack of preassembled assemblies 3 and on the other side of the stack of preassembled assemblies 3 a single cathode is placed parallel to an outer CCM 13 , with one end plate each placed parallel to the single anode and
  • insulating plate can be installed between the CCM 13 and the end plate. Insulating plates at these points, for example, prevent the end plates from being short-circuited, for example when using screws.
  • Appropriate Components are known to those skilled in the art. Those skilled in the art can adjust the manufacturing process accordingly.
  • the invention also relates to a stack-type PEM electrolysis device 23 for operation under differential pressure to generate high-pressure hydrogen, comprising x preassembled assemblies 20, x+1 CCMs 13, a single anode, a single cathode and two end plates, the x preassembled assemblies 20 and the x+1 CCMs 13 are stacked alternately on top of one another to form a stack of preassembled assemblies 3 , with a preassembled assembly 20 and a CCM 13 being stacked alternately on top of one another in the stack of preassembled assemblies 3 and on the top and bottom of the stack of preassembled assemblies 3 each has a CCM 13 and between two adjacent preassembled assemblies 20 each a CCM 13 is arranged, and wherein on one side of the stack of preassembled assemblies 3 a single anode is arranged parallel to an outer CCM 13 and on the other side of the stack of preassembled assemblies 3 a single cathode is placed in parallel with an outer CCM 13 , with one end plate each placed parallel to the single ano
  • the PEM electrolysis device of the stack type 23 comprises at least 2 or 3 or 5 or more, for example 10, 50, 100, 500, 1000 or more preassembled components 20.
  • the PEM electrolysis device of the stack type 23 according to the invention comprises a number of x preassembled ones Assemblies 20, where x is an integer and ⁇ 2, a cathode frame 11, a CCM 13, an anode frame 8 and two end plates.
  • x is an integer and ⁇ 2
  • a cathode frame 11 a CCM 13, an anode frame 8 and two end plates.
  • the first and last PEM electrolytic cells 2 are different from those in between.
  • a CCM 13 is placed on a cathode frame 11 , on the CCM 13 x preassembled assemblies 20 and x CCMs 13 are stacked alternately, and then a Anode frame 8.
  • the stack is pressed between end plates into a stack type PEM electrolyzer 23 where x is an integer and ⁇ 2.
  • the type II channels 15 are not milled out of each anode frame 8 and each cathode frame 11 , but are transferred once into a tool.
  • One tool is the negative of the anode frame 8
  • another tool is the negative of the cathode frame 11.
  • the type II channels 15 are transferred to the tool and inserted like a stamp into the sealing material, preferably the rubber, for example EPDM.
  • the metal core 21 is coated with the sealing material, preferably rubber, for example EPDM, by vulcanization, with the channels type II 15 being simultaneously produced in the regions of the anode frame 8 and/or the cathode frame 11 desired according to the invention.
  • the molded parts or molded rubber parts produced by vulcanization of anode frame 8 and/or cathode frame 11 can be used directly and can be produced in large numbers at low cost.
  • the stack-type PEM electrolyzer 23 is preferably designed so that all components have a smooth and homogeneous surface, so that no voltage peaks occur on the CCM 13 .
  • PTL anodes 7 and/or PTL cathodes 10 with a pore diameter ⁇ 0.1 mm are used, for example.
  • PTLs with a so-called “microporous layer”, ie a particularly homogeneous surface can be used.
  • the anode frame 8 and the cathode frame 11 can easily be joined together to form a preassembled assembly 20 , since the seal and the anode frame 8 or the seal and the cathode frame 11 each consist of one component.
  • a BPP 16, which is connected to a PTL anode 7 is preferably used to produce a preassembled assembly 20 .
  • BPP 16 and PTL anode 7 are welded so that BPP 16 and PTL anode 7 are present as one component.
  • the anode frame 8 is first pressed onto the BPP 16 and the PTL anode 7 .
  • the anode frame 8 can additionally have a second pin that can be inserted into the BPP 16 .
  • anode frame 8 is turned over with the pressed-in PTL anode 7 and the BPP 16 and the cathode frame 11 can also be inserted on the other side of the anode frame 8 .
  • the PTL cathode 10 is inserted into the cathode frame 11 ( figure 6 ).
  • a preassembled module 20 is obtained.
  • Preassembled assemblies 20 can then be stacked alternately with CCMs 13 via centering pins, for example, in order to produce stacks of preassembled assemblies 3 or PEM electrolysis devices of the stack type 23 .
  • Reference sign Frame 1 PEM electrolysis cell 2 Stack of pre-assembled assemblies 3 First side of frame 4 The side of the anode frame 8 opposite the first side 4 4" Second page 5 The side of the cathode frame 11 opposite the second side 5 5" First opening 6 Porous transport layer (PTL) anode 7 anode frame 8th Second opening 9 Porous transport layer (PTL) cathode 10 cathode frame 11 Unit volume 12 Catalyst Coated Membrane (CCM) 13 Type I channel 14 Type II canal 15 Bipolar Plate (BPP) 16 gap 17 Hole 18 Pen 19 Pre-assembled assembly 20 metal core 21 Rubber coating 22 Stack type PEM electrolyzer 23 Crawl 24

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen neuen Rahmen für eine PEM Elektrolysezelle und für einen PEM Elektrolysezellen Stapel. Gegenstand der Erfindung ist der Rahmen, eine PEM Elektrolysezelle und ein PEM Elektrolysezellen Stapel, die den erfindungsgemäßen Rahmen umfassen, vorassemblierte Bauteile und Verfahren zur Herstellung der vorassemblierten Bauteile und PEM Elektrolysezellen Stapel. Der erfindungsgemäße Rahmen, PEM Elektrolysezelle und PEM Elektrolysezellen Stapel sind für die Erzeugung von Hochdruck-Wasserstoff in Kombination mit dem Einsatz von dünnen Protonenaustauschmembranen geeignet. Die Erfindung basiert auf einem neuen Rahmen- und Dichtungskonzept.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen neuen Rahmen für eine PEM Elektrolysezelle und für einen PEM Elektrolysezellen Stapel. Gegenstand der Erfindung ist der Rahmen, eine PEM Elektrolysezelle und ein PEM Elektrolysezellen Stapel, die den erfindungsgemäßen Rahmen umfassen, vorassemblierte Baugruppen, Verfahren zur Herstellung der vorassemblierten Baugruppen und Verfahren zur Herstellung der PEM Elektrolysezellen Stapel. Der erfindungsgemäße Rahmen, die erfindungsgemäße PEM Elektrolysezelle und der erfindungsgemäße PEM Elektrolysezellen Stapel sind für die Erzeugung von Hochdruck-Wasserstoff mittels Differenzdruckelektrolyse in Kombination mit dem Einsatz von dünnen Protonenaustauschmembranen geeignet. Die Erfindung basiert auf einem neuen Rahmen- und Dichtungskonzept.
  • Die Protonenaustauschmembran (PEM)-Wasserelektrolyse ist eine attraktive Technologie zur Erzeugung von Wasserstoff mit Strom, der aus erneuerbaren Energiequellen stammt. Dadurch kann die Energie in dem Energieträger Wasserstoff für Zeiten, zu denen nicht genügend Strom aus erneuerbaren Quellen zur Verfügung steht, gespeichert werden und dadurch einen Beitrag zur Dekarbonisierung leisten. Ein wichtiger Vorteil der PEM Elektrolyse ist die Möglichkeit zur Erzeugung von Wasserstoff unter Druck. Für alle potenziellen Anwendungsgebiete muss Wasserstoff komprimiert vorliegen, wodurch PEM Systeme (z.B. PEM Elektrolysezellen und PEM Elektrolysezellenstapel) in besonderem Maße die Bedürfnisse der Industrie bedienen. Aus Gründen der Energieeinsparung ist es dabei vorteilhaft, die PEM Elektrolyse direkt unter Druck zu betreiben, da so weniger zusätzliche Energie aufgewandt werden muss als bei einer nachträglichen mechanischen Komprimierung. Da in der Regel nur der Wasserstoff genutzt wird, kann der Sauerstoff günstiger drucklos erzeugt werden, man spricht dann von Differenzdruckelektrolyse. Ein Differenzdruck von mindestens 30 bar ist heute Stand der Technik, wobei dies derzeit nur unter Verwendung von PEM Membranen mit einer Dicke von mindestens ca. 120 µm möglich ist.
  • Um mit dem zur Verfügung stehenden Strom möglichst viel Wasserstoff erzeugen zu können, ist der Wirkungsgrad in der PEM Elektrolysezelle von herausragender Bedeutung. Ein erheblicher Anteil der Energieverluste entsteht durch die ohmschen Widerstände, insbesondere an der PEM Membran. Als PEM Membran wird eine katalysatorbeschichtete Membran (CCM) verwendet. Der Membranwiderstand kann durch Verwendung einer dünnen PEM Membran erheblich verringert werden.
  • Der klassische Aufbau einer PEM Elektrolysezelle ist in Figur 1 dargestellt.
  • Eine klassische PEM Elektrolysezelle besteht aus einer katalysatorbeschichteten Membran (CCM), an der die Reaktion stattfindet. Auf der Anoden- und Kathodenseite transportieren poröse Transportschichten (PTL) das Wasser zur CCM hin bzw. transportieren poröse Transportschichten (PTL) das erzeugte Gas von der CCM weg. Die Bipolarplatte (BPP) trennt die Anoden- und Kathodenseite räumlich voneinander. Die Ein- bzw. Ausströmung von Gas und Wasser wird durch einen Rahmen aus klassischerweise Metall oder hochfesten Kunststoff (PEEK) gewährleistet. In diesen Rahmen werden die Komponenten CCM und PTL eingelegt. Der Rahmen wird durch O-Ringe oder andere Dichtungen wie Flachdichtungen oder eingespritzte eingesetzte Dichtungen seitlich abgedichtet, um zu verhindern, dass das Gas aus der PEM Elektrolysezelle ausströmt.
  • Im Stand der Technik sind PEM Elektrolysezellen und PEM Elektrolysezellen Stapel, die Rahmen umfassen, bekannt.
  • US 6,669,826 B1 offenbart die Abdichtung in einem PEM Elektrolysezellen Stapel durch gleichmäßigen Kontaktdruck auf die Elektrolysezellen dadurch zu erreichen, dass Unterstapel, die jeweils eine Vielzahl von PEM Elektrolysezellen, die in Reihe in einer bipolaren Anordnung angeordnet sind, mit Hilfe von Endplatten, Zwischenträgern, Zugstangen und Vorspannmitteln zusammengepresst werden.
  • US 6,852,441 B1 offenbart, die Rahmen der PEM Elektrolysezellen in einem Elektrolysezellen Stapel durch ein Verstärkungselement, dass den Elektrolysezellen Stapel peripher umgibt, zu stabilisieren.
  • EP 1 356 134 B1 offenbart Rahmen für PEM Elektrolysezellen, wobei die Elektrolysezellen in einer bipolaren Anordnung kompakt gestapelt werden und die gestapelten Rahmen durch Trennwände getrennt sind. Die Rahmen weisen zwei gegenüberliegende planare Oberflächen auf und eine Öffnung, in der die Membran durch thermisches Druckbonden auf Polyphenylenoxidstreifen im Rahmen gehalten wird, Löcher für den Einlass von Elektrolyt und als Auslass für das erzeugte Gas. Die Gas- und Gasdichtung erfolgt durch Dichtungsringe und die Abdichtung des Stapels durch eine Anordnung von Dichtungsringen in Nuten in jedem Rahmen. Um die Intaktheit der Dichtungsringe zwischen benachbarten Rahmen in einem Stapel gegen den Innendruck zu wahren, ist der PEM Elektrolysezellen Stapel zwischen zwei Edelstahlplatten, die durch Verbindungsstäbe mit Gewinde zusammengehalten werden, eingeschlossen und zusammengepresst.
  • US 8,282,811 B2 offenbart Elektrolysezellen zur Erzeugung von Wasserstoff bei hohen Drücken, mit Rahmen, die zwischen Membranelektrodenanordnung und Separatoren, die als Wasserstoffabscheider bzw. Sauerstoffabscheider dienen, angeordnet sind und die Öffnungen zum Durchfluss von Wasser, Sauerstoff und Wasserstoff aufweisen. Dichtungen dichten den Rahmen an den Separatoren ab, während die Membran den Rahmen auf der gegenüberliegenden Seite abdichtet. Druckkissen zwischen benachbarten Separatoren und Kunststoffverteilerdichtungen, die die Druckkissen umgeben, dichten die Öffnungen zwischen den einzelnen Elektrolysezellen in einem Stapel ab.
  • US 7,507,493 B2 offenbart PEM Elektrolysezellen, die Bipolarplatten mit Dichtung enthalten. Die Dichtung ist zwischen Rahmen und einer Kante der porösen Gasdiffusionsschicht angeordnet. Zudem weisen die Elektrolysezellen ein Schutzelement zwischen Dichtung und Membranelektrodenanordnung zum Schutz der Protonenaustauschmembran auf. Dadurch soll die Zelle bei anhaltend hohen Drücken, niedrigen spezifischen Widerständen und verbessertem Kriechschutz arbeiten können.
  • US 8,349,151 B2 offenbart einen Rahmen zur Verwendung als Anodenrahmen und als Kathodenrahmen in einem Wasserelektrolyseur, wobei Anodenrahmen und Kathodenrahmen identisch aufgebaut sind und einen universellen Zellenrahmen mit einer zentralen Öffnung und eine Vielzahl von Queröffnungen umfassen, wobei zusammenpassende Sätze von Queröffnungen einen Abstand von etwa 90 oder 180 Grad voneinander aufweisen und jeweils durch mindestens einen inneren radialen Durchgang mit der zentralen Öffnung strömungstechnisch verbunden oder nicht verbunden sind und wobei Anodenrahmen und Kathodenrahmen um 90 Grad relativ zueinander gedreht sind, so dass eine Reihe von Elektrolyseuren durch die Öffnungen fluidisch miteinander verbunden sind.
  • EP 3 462 528 A1 offenbart eine elektrochemische Zelle zur Erzeugung von Hochdruck-Wasserstoff mit Membranelektrodenanordnung und Strömungsstrukturen mit ebenen Oberflächen auf beiden Seiten der Membranelektrodenanordnung, wobei die eine ebene Oberfläche größer ist als die andere Oberfläche, wobei neben der Strömungsstruktur mit der kleineren Oberfläche eine Bipolarplatte, eine Verstärkungsschicht und eine Dichtung mit Dichtungsring zwischen Bipolarplatte und Elektrolytmembran angeordnet sind.
  • DE 10 2014 010 813 A1 offenbart einen Rahmen für eine Elektrolysevorrichtung vom Stapel-Typ zur Hochdruck-Wasserstofferzeugung, wobei der Rahmen eine integrierte Verstärkung, die zwischen der Fluidführung und dem äußeren Rand angeordnet und in die Rahmenstruktur eingebettet ist, umfasst und eine radial zwischen Verstärkung und Fluidführung angeordnete Aussparung zur Aufnahme einer Dichtung.
  • Schwierigkeiten, die bei klassischen PEM Elektrolysezellen typischerweise auftreten sind:
    1. 1. Probleme bei der Dichtigkeit, da in einem PEM Elektrolysezellen Stapel Rahmen vieler PEM Elektrolysezellen aufeinandergestapelt werden und jedes in den Rahmen und den anderen Komponenten verwendete Material Fertigungstoleranzen aufweist. Dies kann dazu führen, dass für die O-Ringe oder andere verwendete Dichtungen an einigen Stellen nicht genug Anpresskraft herrscht. Vor allem wenn der Wasserstoff unter Druck bzw. Differenzdruck erzeugt wird, ist die Dichtigkeit mit den bekannten Dichtungen schwer oder gar schwer zu realisieren.
    2. 2. Die mechanische Stabilität des Rahmens: Bei der Erzeugung von Hochdruck-Wasserstoff werden die Kunststoffrahmen verformt (Figur 2).
    3. 3. Zwischen PTL und Rahmen 1 verbleibt ein kleiner Spalt 17. In diesen Spalt 17 wird die CCM 13 im Druckbetrieb eingedrückt. Es kommt zu Kriechen 24 (sog. viskoelastisches Verhalten)) der CCM 13 in den Spalt 17. Dieser Effekt wird verstärkt, wenn der Rahmen 1 aufgrund von geringer mechanischer Stabilität verformt wird (vergl. Pkt. 2), so dass der Spalt 17 größer wird (Figur 2).
    4. 4. Der Rahmen umfasst Kanäle zum An- und Abtransport von Wasser und Gas. Die Kanäle werden aus dem Rahmen, d.h. aus dem Metall- oder Kunststoffteil ausgefräst, was hohe Kosten verursacht.
  • Um Wasserstoff unter Hochdruck für industrielle Zwecke mittels PEM Elektrolyse erzeugen zu können, wird eine verbesserte PEM Elektrolysezelle benötigt, die unter Hochdruck und Differenzdruck betrieben werden kann und die die vorstehend genannten Nachteile nicht aufweist.
  • Die Aufgabe wird durch die Erfindung gemäß den Ansprüchen 1 bis 10 gelöst.
  • Gegenstand der Erfindung ist ein Rahmen 1 für eine PEM Elektrolysezelle 2 für eine PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23, wobei der Rahmen 1 eine erste Seite 4 mit planarer erster Oberfläche und eine der ersten Seite 4 gegenüber liegende zweite Seite 5 mit planarer zweiter Oberfläche und einen Anodenrahmen 8 und einen Kathodenrahmen 11 umfasst, und
    • wobei der Anodenrahmen die erste Seite 4, eine der ersten Seite 4 gegenüberliegende Seite des Anodenrahmens 4" und eine erste Öffnung 6 zur Aufnahme der porösen Transportschicht (PTL) Anode 7 umfasst, wobei die erste Öffnung 6 sich von der ersten Seite 4 bis zur gegenüberliegenden Seite des Anodenrahmens 4" erstreckt,
    • wobei der Kathodenrahmen 11 die zweite Seite 5, eine der zweiten Seite 5 gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens 5" und eine zweite Öffnung 9 zur Aufnahme der PTL Kathode 10 umfasst, wobei die zweite Öffnung 9 sich von der zweiten Seite 5 bis zur gegenüberliegenden Seite des Kathodenrahmens 5" erstreckt,
    • wobei die der ersten Seite 4 gegenüberliegende Seite des Anodenrahmens 4" und die der zweiten Seite 5 gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens 5" nebeneinander angeordnet sind,
    • wobei Anodenrahmen 8 und Kathodenrahmen 11 miteinander verbunden sind,
    • wobei die erste Öffnung 6 und die zweite Öffnung 9 miteinander verbunden sind,
    • wobei die erste Öffnung 6 größer ist als die zweite Öffnung 9 und wobei der Anodenrahmen 8 und der Kathodenrahmen 11 so angeordnet sind, dass die der ersten Seite 4 gegenüberliegende Seite des Anodenrahmens 4" und die der zweiten Seite 5 gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens 5", beim Übergang vom Anodenrahmen 8 zum Kathodenrahmen 11 einen Absatz 12 bilden, wobei der Absatz 12 der Teil des Kathodenrahmens 11 ist, der an die zweite Öffnung 9 angrenzt und die zweite Öffnung 9 umrahmt und wobei der Absatz 12 eine planare dritte Oberfläche als Auflagefläche für die Katalysator-beschichtete Membran (CCM) 13 bildet, und wobei der Anodenrahmen 8 einen Kern aus Metall 21 und eine Beschichtung aus einem Dichtwerkstoff, beispielsweise eine Beschichtung aus Gummi 22 umfasst und wobei der Kathodenrahmen 11 einen Kern aus Metall 21 und eine Beschichtung aus einem Dichtwerkstoff, beispielsweise eine Beschichtung aus Gummi 22 umfasst. Als Beschichtung für den Kern aus Metall 21 ist jeder Dichtwerkstoff geeignet, beispielsweise Gummi, insbesondere Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM).
  • Gegenstand der Erfindung ist ein Rahmen 1 für eine PEM Elektrolysezelle 2 mit einem Kern aus Metall 21 wobei der Kern aus Metall 21 mit einem Dichtwerkstoff, vorzugsweise Gummi, beispielsweise EPDM beschichtet ist (Figur 3a und 3b). Das Metall bietet eine gute mechanische Stabilität wohingegen die Beschichtung aus Dichtwerkstoff, vorzugsweise Gummi, beispielsweise EPDM die Dichtwirkung erzeugt. Dadurch, dass der gesamte oder mindestens 90 %, vorzugsweise mindestens 95 % oder mehr der Oberfläche des Kerns aus Metall 21 des Anodenrahmens 8 bzw. der gesamte oder mindestens 90 %, vorzugsweise mindestens 95 % oder mehr der Oberfläche des Kerns aus Metall 21 des Kathodenrahmens 11 mit Dichtwerkstoff, vorzugsweise Gummi, beispielsweise EPDM beschichtet ist, ist die Dichtfläche sehr groß. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Komponenten wie PTL Anode 7 und PTL Kathode 10 in den Rahmen 1, insbesondere in den Anodenrahmen 8 und den Kathodenrahmen 11 eingepresst werden können (Presspassung) und dadurch in der PEM Elektrolysezelle 2 bzw. dem PEM Elektrolysezellen Stapel 23 bei einer Elektrolyse unter Hochdruck bzw. Differenzdruck, beispielsweise einer Elektrolyse, die bei einem Differenzdruck von bis zu 40 bar durchgeführt wird, es zu keiner Verformung des Rahmens und nicht zur Bildung eines größeren Spalts 17 zwischen einzelnen Komponente im Inneren des Rahmens 1 und zwischen einzelnen Komponente und dem Rahmen 1, z.B. zwischen PTL Kathode 10 und Rahmen 1 und / oder zwischen PTL Anode 7 und Rahmen 1, kommt (Figur 8). gebildet wird.
  • Als Metall für den Kern von Anodenrahmen 8 und / oder Kathodenrahmen 11 kann beispielsweise Edelstahl verwendet werden, beispielsweise Edelstahl mit einer Dicke von 0,5 cm. Der beschichte Anodenrahmen 8 und / oder beschichtete Kathodenrahmen 11 können beispielsweise eine Dicke von 7,5 cm aufweisen.
  • Beispielsweise ist die erste Öffnung 6 mindestens 0,5 mm oder 1 mm, beispielsweise 2 mm oder mehr, 0,5 cm, vorzugsweise 1 cm, besonders bevorzugt 1,5 cm oder mehr größer als die zweite Öffnung 9, wobei vorzugsweise der Absatz 12, der im Inneren des Kathodenrahmens 11 durch die größere erste Öffnung 6 und die kleinere zweite Öffnung 9 ausgebildet ist, überall die gleiche Breite hat (Figur 7b). Alternativ kann der Absatz 12, an verschiedenen Stellen unterschiedlich breit sein. Die Breite des Absatzes 12 und damit der planaren dritten Oberfläche zur Aufnahme der CCM 13 kann an unterschiedlichen Stellen die gleiche oder unterschiedliche Breite aufweisen.
  • Der Anodenrahmen 8 kann beispielsweise die Außenmaße 35 cm mal 35 cm und die erste Öffnung die Maße 20 cm mal 20 cm haben. Der Kathodenrahmen 11 kann beispielsweise die Außenmaße 35 cm mal 35 cm und die erste Öffnung die Maße 21 cm mal 21 cm haben (Figur 9a und b). Dem Fachmann sind unterschiedliche Rahmenform bekannt, in denen der Rahmen 1, der Anodenrahmen 8 und der Kathodenrahmen 11 ausgeführt werden können, beispielsweise quadratisch, rechteckig, rund.
  • Zusätzlich sind die Öffnungen, die Anodenrahmen 8 und Kathodenrahmen 11 umrahmen, unterschiedlich große (Figur 7b, 8, 9a und 9b). Der Kathodenrahmen 11 ist kleiner und der Anodenrahmen 8 ist größer. Das führt dazu, dass der Gasdruck, der bei einer PEM Elektrolyse in der Kathode entsteht, nicht auf den 'Spalt 17 zwischen Anodenrahmen 8 und PTL Anode 7 auf der Anodenseite drückt bzw. drücken kann, selbst bei hohem Differenzdruck, beispielsweise einem Differenzdruck von 40 bar. Die CCM 13 wird deshalb nur gegen die PTL Anode 7 auf der Anodenseite gedrückt und an der PTL Anode 7 gut mechanisch abgestützt. Ein Kriechen 24 der CCM 13 in den Spalt 17 zwischen Anodenrahmen 8 und PTL Anode 7 auf der Anodenseite kann auf diese Weise verhindert werden.
  • In bevorzugten Ausführungsformen umfasst der erfindungsgemäße Rahmen 1 einen oder Kanal Typ I 14 zum An- und Abtransport von Wasser und Gas und einen oder mehrere Kanäle Typ II 15, wobei der Kanal Typ I 14 nicht mit der ersten Öffnung 6 im Anodenrahmen 8 oder der zweiten Öffnung 9 im Kathodenrahmen 11 verbunden sind. In bevorzugten Ausführungsformen des Rahmens 1 umfasst der Anodenrahmen 8 auf der Oberfläche der ersten Seite 4 einen oder mehrere Kanäle Typ II 15, die mit dem Kanal Typ I 14 verbunden sind und die den Kanal Typ I 14 mit der ersten Öffnung 6 verbinden und die, wenn der Rahmen 1 in einer PEM Elektrolysezelle 2 oder einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 eingebaut ist, in Richtung zur BPP 16 angeordnet sind und wobei die der ersten Seite 4 gegenüberliegende Seite des Anodenrahmens 4" keine Kanäle Typ II 15 aufweist. In bevorzugten Ausführungsformen des Rahmens 1 umfasst der Kathodenrahmen 11 auf der Oberfläche der zweiten Seite 5 einen Kanal Typ II 15, der mit einem oder mehreren Kanälen Typ I 14 verbunden ist und den Kanal Typ I 14 mit der zweiten Öffnung 9 verbinden und die, wenn der Rahmen 1 in einer PEM Elektrolysezelle 2 oder einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 eingebaut ist, in Richtung zur BPP 16 angeordnet sind und wobei die der zweiten Seite 5 gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens 5" keine Kanäle Typ II 15 aufweist.
  • In bevorzugten Ausführungsformen umfasst der erfindungsgemäße Rahmen 1 mindestens zwei Kanäle Typ I 14 zum An- und Abtransport von Wasser und Gas und mindestens zwei Kanäle Typ II 15, wobei die Kanäle Typ I 14 nicht mit der ersten Öffnung 6 im Anodenrahmen 8 oder der zweiten Öffnung 9 im Kathodenrahmen 11 verbunden sind. In bevorzugten Ausführungsformen des Rahmens 1 umfasst der Anodenrahmen 8 auf der Oberfläche der ersten Seite 4 mindestens zwei Kanäle Typ II 15, die mit den mindestens zwei Kanälen Typ I 14 verbunden sind und die die Kanäle Typ I 14 mit der ersten Öffnung 6 verbinden und die, wenn der Rahmen 1 in einer PEM Elektrolysezelle 2 oder einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 eingebaut ist, in Richtung zur BPP 16 angeordnet sind und wobei die der ersten Seite 4 gegenüberliegende Seite des Anodenrahmens 4" keine Kanäle Typ II 15 aufweist. Vorzugsweise verbinden mehrere Kanäle Typ II 15, die auf der ersten Seite 4 des Anodenrahmens 7 angeordnet sind, einen Kanal Typ I 14 mit der ersten Öffnung 6. In bevorzugten Ausführungsformen des Rahmens 1 umfasst der Kathodenrahmen 11 auf der Oberfläche der zweiten Seite 5 mindestens zwei Kanäle Typ II 15, die mit mindestens zwei Kanälen Typ I 14 verbunden sind und die Kanäle Typ I 14 mit der zweiten Öffnung 9 verbinden und die, wenn der Rahmen 1 in einer PEM Elektrolysezelle 2 oder einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 eingebaut ist, in Richtung zur BPP 16 angeordnet sind und wobei die der zweiten Seite 5 gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens 5" keine Kanäle Typ II 15 aufweist. Vorzugsweise verbinden mehrere Kanäle Typ II 15, die auf der zweiten Seite 5 des Kathodenrahmens 11 angeordnet sind, einen Kanal Typ I 14 mit der zweiten Öffnung 9.
  • Die Kanäle Typ II 15, die die Kanäle Typ I 14 mit der ersten Öffnung 6 und der zweiten Öffnung 9, d.h. in einer PEM Elektrolysezelle die PTL Anode 7 und die PTL Kathode 10 mit den Kanälen Typ I 14 zum An- und Abtransport von Wasser und Gas verbinden, sind im Anodenrahmen 8 und / oder im Kathodenrahmen 11 so angeordnet, dass sie in Richtung zur BPP 16 zeigen, und nicht in Richtung zur CCM 13. Wenn während der Elektrolyse Gas und Wasser durch die Kanäle Typ I 14 strömen, wird die CCM 13 dadurch nicht beeinträchtigt, denn die Seite des Anodenrahmens 7 und die Seite des Kathodenrahmens 11, auf der die CCM 13 aufliegt, umfasst keine Kanäle Typ II 15, d.h. keine Kanäle in der unmittelbaren Umgebung der ersten Öffnung 6 oder der zweiten Öffnung 9 in dem Bereich, in dem die CCM 13 angeordnet und bei der Elektrolyse einem Differenzdruck von bis zu 40 bar ausgesetzt ist. Die CCM 13 liegt auf einer glatten ebenen Fläche ohne Kanäle auf und ist dadurch auch bei einem Differenzdruck von bis zu 40 bar gut abgestützt. Gleichzeitig ist der Anodenraum (der Anodenraum wird gebildet von Anodenrahmen 7, CCM 13 und BPP 16), der Kathodenraum (der Kathodenraum wird gebildet von Kathodenrahmen 11, CCM 13 und BPP 16) und die ganze PEM Elektrolysezelle 2 auch bei einem Differenzdruck von bis zu 40 bar vollständig abgedichtet, so dass kein Gas oder Wasser entweichen kann.
  • In dem erfindungsgemäßen Rahmen 1 sind Anodenrahmen 8 und Kathodenrahmen 11 miteinander über Verbindungselemente verbunden. Entsprechende Verbindungselemente sind dem Fachmann bekannt. In bevorzugten Ausführungsformen des Rahmens 1 umfasst der Anodenrahmen 8 ein oder mehrere Verbindungselemente, beispielsweise Stifte 19 und der Kathodenrahmen 11 ein oder mehrere Verbindungselemente, beispielsweise Löcher 18, wobei der bzw. die Stifte 19 und das bzw. die Löcher 18 so angeordnet sind, dass das bzw. die Löcher 18 im Kathodenrahmen 11 auf den bzw. die Stifte 19 im Anodenrahmen 8 gesteckt werden und Anodenrahmen 8 und Kathodenrahmen 11 dadurch miteinander verbunden werden können.
  • Gegenstand der Erfindung ist eine PEM Elektrolysezelle 2 zum Betrieb unter Differenzdruck von bis zu 40 bar zur Erzeugung von Hochdruck-Wasserstoff umfassend eine PEM Membranelektrodenanordnung mit CCM 13, eine PTL Anode 7, eine PTL Kathode 10, wobei die PEM Elektrolysezelle 2 einen erfindungsgemäßen Rahmen 1 umfasst, wobei die erste Öffnung 6 im Anodenrahmen 8 die PTL Anode 7 umfasst und die zweite Öffnung 9 im Kathodenrahmen 11 die PTL Kathode 10 umfasst und wobei die CCM 13 zwischen der der ersten Seite 4 gegenüberliegenden Seite des Anodenrahmens 4" und der der zweiten Seite 5 gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens 5" angeordnet ist, wobei die eine Seite der CCM 13 auf der PTL Anode 7 aufliegt und die andere Seite der CCM 13 auf dem Absatz 12 und der PTL Kathode 10 aufliegt (Figur 7b und 7c).
  • In bevorzugten Ausführungsformen umfasst die erfindungsgemäße PEM Elektrolysezelle 2 eine CCM 13 mit einer Dicke von weniger als 80 µm, beispielsweise eine CCM 13 mit einer Dicke von 50 µm oder weniger.
  • In der erfindungsgemäßen PEM Elektrolysezelle 2 wirken die Beschichtungen aus Dichtwerkstoff, beispielsweise die Beschichtung aus Gummi 22, vorzugsweise die Beschichtung aus EPDM des Anodenrahmens 8, die Beschichtungen aus Dichtwerkstoff, beispielsweise die Beschichtung aus Gummi 22, vorzugsweise die Beschichtung aus EPDM des Kathodenrahmens 11 und der Absatz 12 mit der CCM 13 zusammen (Figur 7c) und dichten die PEM Elektrolysezelle 2 und den Anodenraum und den Kathodenraum vollständig ab, ohne dass ein Kriechen 24 der CCM 13 in den Spalt 17 zwischen Anodenrahmen 8 und PTL Anode 7 erfolgt. Durch die besondere Anordnung der Kanäle Typ II 15 wird sowohl der An- und Abtransport von Wasser und Gas vollständig gewährleistet als auch die Stabilität der CCM 13 und eine vollständige Abdichtung der PEM Elektrolysezelle 2. Der erfindungsgemäße Rahmen 1 ermöglicht deshalb die Verwendung von CCMs 13 mit einer Dicke von weniger als 80 µm, beispielsweise mit einer Dicke von 50 µm oder weniger (= dünne CCM 13). Mit dem erfindungsgemäßen Rahmen 1 können PEM Elektrolysezellen 2 mit einer dünneren CCM 13 als im Stand der Technik üblich, hergestellt werden. Zusätzlich können diese PEM Elektrolysezellen 2 so betrieben werden, dass der Wasserstoff zur Erzeugung eines Differenzdrucks auf der Kathodenseite bis zu 40 bar aufgestaut wird, ohne dass die CCM 13 beschädigt wird oder die PEM Elektrolysezelle 2 undicht wird.
  • Gegenstand der Erfindung ist eine vorassemblierte Baugruppe 20 zur Herstellung einer Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 umfassend einen Anodenrahmen 8, einen Kathodenrahmen 11, eine BPP 16, eine PTL Anode 7 und eine PTL Kathode 10,
    • wobei der Anodenrahmen 8 eine erste Seite 4 mit planarer erster Oberfläche, eine der ersten Seite 4 gegenüberliegende Seite des Anodenrahmes 4" und eine erste Öffnung 6 zur Aufnahme der PTL Anode 7 umfasst, wobei die erste Öffnung 6 sich von der ersten Seite 4 bis zur der ersten Seite 4 gegenüberliegenden Seite des Anodenrahmens 4" erstreckt, und wobei die erste Öffnung 6 von dem Anodenrahmen 8 umgeben ist, und wobei der Anodenrahmen 8 mindestens ein Verbindungselement zur Verbindung mit dem Kathodenrahmen 11, beispielsweise einen Stift 19, umfasst,
    • wobei der Kathodenrahmen 11 eine zweite Seite 5 mit planarer zweiter Oberfläche, eine der zweiten Seite 5 gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens 5" und eine zweite Öffnung 9 zur Aufnahme der PTL Kathode 10 umfasst, wobei die zweite Öffnung 9 sich von der zweiten Seite 5 bis zur der zweiten Seite 5 gegenüberliegenden Seite des Kathodenrahmens 5" erstreckt und von dem Kathodenrahmen 10 umgeben ist, und wobei der Kathodenrahmen 11 mindestens ein Verbindungselement zur Verbindung mit dem Anodenrahmen 8, beispielsweise ein Loch 18 zur Aufnahme des Stiftes 19 des Anodenrahmens 8, umfasst,
    • wobei zwischen der ersten Seite 4 des Anodenrahmes 8 und der zweiten Seite 5 des Kathodenrahmens 11 die BPP 16 angeordnet ist,
    • wobei der Anodenrahmen 8 einen Kern aus Metall 21 und eine Beschichtung aus Dichtwerkstoff, beispielsweise eine Beschichtung aus Gummi 22, vorzugsweise eine Beschichtung aus EPDM umfasst, und wobei die BPP 16 mit der PTL Anode 7 verbunden ist und die mit der PTL Anode 7 verbundene BPP 16 in die erste Öffnung 6 eingepresst und von dem Anodenrahmen 8 eingerahmt ist,
    • der Kathodenrahmen 10 einen Kern aus Metall 21 und eine Beschichtung aus Dichtwerkstoff, beispielsweise eine Beschichtung aus Gummi 22, vorzugsweise eine Beschichtung aus EPDM umfasst und wobei die PTL Kathode 10 in die zweite Öffnung 9 eingepresst und von dem Kathodenrahmen 11 eingerahmt ist,
    • wobei Anodenrahmens 8 und Kathodenrahmen 11 über die Verbindungselemente des Anodenrahmens 8 und des Kathodenrahmens 11 verbunden werden, beispielsweise der Stift 19 des Anodenrahmens 8 in dem Loch 18 des Kathodenrahmens 11 steckt und der Anodenrahmen 8 und Kathodenrahmen 11 dadurch miteinander verbunden sind,
    • wobei die erste Öffnung 6 größer ist als die zweite Öffnung 9 und wobei der Anodenrahmen 8 und der Kathodenrahmen 11 so angeordnet sind, dass die erste Seite 4 und die zweite Seite 5 beim Übergang vom Anodenrahmen 8 zum Kathodenrahmen 11 einen Absatz 12 bilden, wobei der Absatz 12 der Teil des Kathodenrahmens 11 ist, der an die zweite Öffnung 9 angrenzt und die zweite Öffnung 9 einrahmt und wobei der Absatz 12 eine planare dritte Oberfläche als Auflagefläche für die CCM 13 bildet, wobei die BPP 16 auf der einen Seite auf der PTL Anode 7 und dem Anodenrahmen 8 aufliegt und auf der anderen Seite auf der PTL Kathode 10, dem Kathodenrahmen 11 und dem Absatz 12 aufliegt.
  • Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung einer vorassemblierten Baugruppe 20, umfassend die Verfahrensschritte
    1. a) für den Anodenrahmen 8 ein Kern aus Metall 21 hergestellt wird, wobei der Kern aus Metall 21 eine erste Seite 4 mit planarer erster Oberfläche und eine der ersten Seite 4 gegenüberliegende Seite des Anodenrahmens 4" umfasst, wobei die erste Seite 4 und die gegenüberliegende Seite des Anodenrahmens 4" eine erste Öffnung 6 umfassen, die sich von der ersten Seite 4 bis zur gegenüberliegenden Seite des Anodenrahmens 4" erstreckt und die von dem Anodenrahmen 8 eingerahmt ist, einen, zwei oder mehrere Kanäle Typ I 14 zum An- und Abtransport von Wasser und Gas umfassen, wobei der bzw. die Kanäle Typ I 14 nicht mit der ersten Öffnung 6 im Anodenrahmen 8 verbunden ist bzw. sind, und wobei der Anodenrahmen 8 mindestens ein Verbindungselement zur Verbindung mit dem Kathodenrahmen 11, z.B. einen Stift 19, umfasst,
    2. b) mindestens 90 % der Oberfläche des gemäß a) hergestellten Kerns aus Metall 21 für den Anodenrahmen 8 mit Natur- oder Synthesekautschuk beschichtet und anschließend vulkanisiert werden und dadurch auf dem Kern aus Metall 21 eine Beschichtung aus Gummi 22, vorzugsweise eine Beschichtung aus EPDM erzeugt wird, wobei in der Beschichtung aus Gummi 22 ein, zwei oder mehrere Kanäle Typ II 15 auf der Oberfläche der ersten Seite 4 erzeugt werden, die mit einem, zwei oder mehreren Kanälen Typ I 14 verbunden sind und die den bzw. die Kanäle Typ I 14 mit der ersten Öffnung 6 verbinden und die, wenn der Anodenrahmen 8 in einer PEM Elektrolysezelle 2 oder einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 eingebaut ist, in Richtung zur BPP 16 angeordnet sind und wobei in der der ersten Seite 4 gegenüberliegenden Seite des Anodenrahmens 4" keine Kanäle Typ II 15 erzeugt werden,
    3. c) in den gemäß a) und b) hergestellten Anodenrahmen 8 die PTL Anode 7 und die BPP 16 gelegt oder eingepresst werden,
    4. d) für den Kathodenrahmen 11 ein Kern aus Metall 21 hergestellt wird, wobei der Kern aus Metall 21 eine zweite Seite 5 mit planarer zweiter Oberfläche und eine der zweiten Seite 5 gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens 5" umfasst, wobei die zweite Seite 5 und die gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens 5" eine zweite Öffnung 9 umfassen, die sich von der zweiten Seite 5 bis zur gegenüberliegenden Seite des Kathodenrahmens 5" erstreckt und die von dem Kathodenrahmen 11 eingerahmt ist, einen, zwei oder mehrere Kanäle Typ I 14 zum An- und Abtransport von Wasser und Gas umfasst, wobei der bzw. die Kanäle Typ I 14 nicht mit der zweiten Öffnung 9 im Kathodenrahmen 11 verbunden sind, und wobei der Kathodenrahmen 11 mindestens ein Verbindungselement zur Verbindung mit dem Anodenrahmen 8, z.B. ein Loch 18, umfasst,
    5. e) mindestens 90 % der Oberfläche des gemäß d) hergestellten Kerns aus Metall 21 für den Kathodenrahmen 11 mit Natur- oder Synthesekautschuk beschichtet und anschließend vulkanisiert werden und dadurch auf dem Kern aus Metall 21 eine Beschichtung aus Gummi 22, vorzugsweise eine Beschichtung aus EPDM erzeugt wird, wobei in der Beschichtung aus Gummi 22 ein, zwei oder mehrere Kanäle Typ II 15 auf der Oberfläche der zweiten Seite 5 erzeugt werden, die mit einem, zwei oder mehreren Kanälen Typ I 14 verbunden sind und der bzw. die den bzw. die Kanäle Typ I 14 mit der zweiten Öffnung 9 verbinden und die, wenn der Kathodenrahmen 11 in einer PEM Elektrolysezelle 2 oder einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 eingebaut ist, in Richtung zur BPP 16 angeordnet sind und wobei in der der zweiten Seite 5 gegenüberliegenden Seite des Kathodenrahmens 5" keine Kanäle Typ II 15 erzeugt werden,
    6. f) der gemäß d) und e) hergestellte Kathodenrahmen 11 mit dem Anodenrahmen 8 verbunden wird, beispielsweise dadurch, dass der Kathodenrahmen 11 auf den Anodenrahmen 8 aufgesteckt wird und wobei die BPP 16 zwischen der erste Seite 4 und der zweiten Seite 5 angeordnet ist und dann die PTL Kathode 10 in den Kathodenrahmen 11 eingelegt oder eingepresst wird.
  • Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 zum Betrieb unter Differenzdruck zur Erzeugung von Hochdruck-Wasserstoff umfassend die Verfahrensschritte,
    1. a) mindestens x vorassemblierte Baugruppen 20 und mindestens x+1 CCMs 13 werden abwechselnd übereinander gestapelt, wobei ein Stapel vorassemblierter Baugruppen 3 erzeugt wird, wobei in dem Stapel vorassemblierter Baugruppen 3 jeweils eine vorassemblierte Baugruppe 20 und eine CCM 13 abwechselnd übereinander gestapelt sind und wobei auf der Oberseite und der Unterseite des Stapels vorassemblierter Baugruppen 3 jeweils eine CCM 13 und zwischen zwei benachbarten vorassemblierten Baugruppen 20 jeweils eine CCM 13 angeordnet ist, und wobei
    2. b) dann auf der einen Seite des Stapels vorassemblierter Baugruppen 3 eine einzelne Anode parallel zu einer äußeren CCM 13 angeordnet wird und auf der anderen Seite des Stapels vorassemblierter Baugruppen 3 eine einzelne Kathode parallel zu einer äußeren CCM 13 angeordnet wird,
    3. c) parallel zu der einzelnen Anode und parallel zu der einzelnen Kathode jeweils eine Endplatte angeordnet und der erzeugte Stapel dann zwischen den zwei Endplatten zu einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 zusammengepresst wird,
    wobei jede der x+1 CCMs 13 in der PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 eine Dicke von weniger als 80 µm hat und wobei x eine ganze Zahl und ≥ 2 ist.
  • Gegenstand der Erfindung ist eine PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 zum Betrieb unter Differenzdruck zur Erzeugung von Hochdruck-Wasserstoff umfassend x vorassemblierte Baugruppen 20, x+1 CCMs 13, eine einzelne Anode, eine einzelne Kathode und zwei Endplatten, wobei die x vorassemblierten Baugruppen 20 und die x+1 CCMs 13 abwechselnd übereinander zu einem Stapel vorassemblierter Baugruppen 3 gestapelt sind, wobei in dem Stapel vorassemblierter Baugruppen 3 jeweils eine vorassemblierte Baugruppe 20 und eine CCM 13 abwechselnd übereinander gestapelt sind und wobei auf der Oberseite und der Unterseite des Stapels vorassemblierter Baugruppen 3 jeweils eine CCM 13 und zwischen zwei benachbarten vorassemblierten Baugruppen 20 jeweils eine CCM 13 angeordnet ist, und wobei auf der einen Seite des Stapels vorassemblierter Baugruppen 3 eine einzelne Anode parallel zu einer äußeren CCM 13 angeordnet ist und auf der anderen Seite des Stapels vorassemblierter Baugruppen 3 eine einzelne Kathode parallel zu einer äußeren CCM 13 angeordnet ist, wobei parallel zu der einzelnen Anode und parallel zu der einzelnen Kathode jeweils eine Endplatte angeordnet ist und der erzeugte Stapel zwischen den zwei Endplatten zu einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 zusammengepresst wird, wobei jede der x+1 CCMs 13 in der PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 eine Dicke von weniger als 80 µm, vorzugsweise eine Dicke von weniger als 50 µm oder weniger aufweist und wobei x eine ganze Zahl und ≥ 2 ist.
  • In die PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 können je nach Bedarf weitere Komponenten an den entsprechenden Stellen eingebaut werden, beispielsweise kann zwischen CCM 13 und Endplatte jeweils eine Isolierplatte eingebaut werden. Isolierplatten an diesen Stellen verhindern beispielsweise, dass die Endplatten z.B. bei der Verwendung von Schrauben nicht kurzgeschlossen werden. Entsprechende Komponenten sind dem Fachmann bekannt. Der Fachmann kann das Herstellungsverfahren entsprechend anpassen.
  • Gegenstand der Erfindung ist auch eine PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 zum Betrieb unter Differenzdruck zur Erzeugung von Hochdruck-Wasserstoff umfassend x vorassemblierte Baugruppen 20, x+1 CCMs 13, eine einzelne Anode, eine einzelne Kathode und zwei Endplatten, wobei die x vorassemblierten Baugruppen 20 und die x+1 CCMs 13 abwechselnd übereinander zu einem Stapel vorassemblierter Baugruppen 3 gestapelt sind, wobei in dem Stapel vorassemblierter Baugruppen 3 jeweils eine vorassemblierte Baugruppe 20 und eine CCM 13 abwechselnd übereinander gestapelt sind und wobei auf der Oberseite und der Unterseite des Stapels vorassemblierter Baugruppen 3 jeweils eine CCM 13 und zwischen zwei benachbarten vorassemblierten Baugruppen 20 jeweils eine CCM 13 angeordnet ist, und wobei auf der einen Seite des Stapels vorassemblierter Baugruppen 3 eine einzelne Anode parallel zu einer äußeren CCM 13 angeordnet ist und auf der anderen Seite des Stapels vorassemblierter Baugruppen 3 eine einzelne Kathode parallel zu einer äußeren CCM 13 angeordnet ist, wobei parallel zu der einzelnen Anode und parallel zu der einzelnen Kathode jeweils eine Endplatte angeordnet ist und der erzeugte Stapel zwischen den zwei Endplatten zu einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 zusammengepresst wird, wobei jede der x+1 CCMs 13 in der PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23) eine Dicke von weniger als 80 µm hat und wobei x eine ganze Zahl und ≥ 2 ist.
  • In bevorzugten Ausführungsformen umfasst die PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 mindestens 2 oder 3 oder 5 oder mehr, beispielsweise 10, 50, 100, 500, 1000 oder mehr vorassemblierte Baugruppen 20. Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 neben einer Anzahl von x vorassemblierten Baugruppen 20, wobei x eine ganze Zahl und ≥ 2 ist, einen Kathodenrahmen 11, eine CCM 13, einen Anodenrahmen 8 und zwei Endplatten. In der erfindungsgemäßen PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 sind vorzugsweise die erste und die letzte PEM Elektrolysezelle 2 anders als die dazwischen liegenden. Beispielsweise wird zur Herstellung einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 auf einem Kathodenrahmen 11 eine CCM 13 angeordnet, auf der CCM 13 werden x vorassemblierte Baugruppen 20 und x CCMs 13 abwechselnd gestapelt, und darauf ein Anodenrahmen 8. Der Stapel wird zwischen Endpatten zu einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 verpresst, wobei x eine ganze Zahl und ≥ 2 ist.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung sind die Kosten. Die Kanäle Typ II 15 werden nicht aus jedem Anodenrahmen 8 und jedem Kathodenrahmen 11 ausgefräst, sondern einmalig in ein Werkzeug überführt. Ein Werkzeug ist das Negativ zum Anodenrahmen 8, ein weiteres Werkzeug ist das Negativ zum Kathodenrahmen 11. Die Kanäle Typ II 15 werden in das Werkzeug überführt und wie ein Stempel quasi in den Dichtwerkstoff, vorzugsweise das Gummi, beispielsweise EPDM eingebracht. Mit Hilfe des Werkzeugs wird durch Vulkanisation der Kern aus Metall 21 mit dem Dichtwerkstoff, vorzugsweise Gummi, beispielsweise EPDM, beschichtet, wobei gleichzeitig die Kanäle Typ II 15 in den erfindungsgemäß gewünschten Bereichen des Anodenrahmens 8 und / oder des Kathodenrahmens 11 erzeugt werden. Die durch Vulkanisation von Anodenrahmen 8 und / oder Kathodenrahmen 11 erzeugten Formteile bzw. Gummiformteile lassen sich direkt verwenden und können in großer Stückzahl kostengünstig hergestellt werden.
  • Die PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 wird vorzugsweise so ausgeführt werden, dass alle Komponenten eine glatte und homogene Oberfläche aufweisen, sodass keine Spannungsspitzen auf der CCM 13 auftreten. Um bei Gasdruck ein Kriechen 24 der CCM 13 in die Poren der PTL Anode 7 und / oder der PTL Kathode 10 zu verhindern, werden beispielsweise PTL Anoden 7 und / oder PTL Kathoden 10 mit einem Porendurchmesser < 0,1 mm verwendet. Beispielsweise können als PTL Anode 7 und / oder PTL Kathode 10 PTLs mit einer sogenannten ,Mikroporous Layer', also einer besonders homogenen Oberfläche, verwendet werden.
  • Der Anodenrahmen 8 und der Kathodenrahmen 11 können einfach zu einer vorassemblierten Baugruppe 20 zusammengefügt werden, da Dichtung und Anodenrahmen 8 bzw. Dichtung und Kathodenrahmen 11 jeweils aus einem Bauteil bestehen. Vorzugsweise wird zur Herstellung einer vorassemblierten Baugruppe 20 eine BPP 16, die mit einer PTL Anode 7 verbunden ist verwendet. Beispielsweise sind BPP 16 und PTL Anode 7 verschweißt, so dass BPP 16 und PTL Anode 7 als ein Bauteil vorliegen. Der Anodenrahmen 8 wird zunächst auf die BPP 16 und die PTL Anode 7 eingepresst. Beispielsweise kann der Anodenrahmen 8 zusätzlich einen zweiten Stift aufweisen, der in die BPP 16 eingesteckt werden kann. Anschließend wird der Anodenrahmen 8 mit der eingepressten PTL Anode 7 und der BPP 16 umgedreht und der Kathodenrahmen 11 kann auf der anderen Seite des Anodenrahmens 8 ebenfalls eingesteckt werden. Anschließend wird die PTL Kathode 10 in den Kathodenrahmen 11 eingelegt (Figur 6). Es wird eine vorassemblierte Baugruppe 20 erhalten. Vorassemblierte Baugruppe 20 können dann beispielsweise über Zentrierstifte abwechselnd mit CCMs 13 gestapelt werden, um Stapel vorassemblierter Baugruppen 3 bzw. PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23 herzustellen. Bezugszeichen
    Rahmen 1
    PEM Elektrolysezelle 2
    Stapel vorassemblierter Baugruppen 3
    Erste Seite des Rahmens 4
    Die der ersten Seite 4 gegenüberliegende Seite des Anodenrahmens 8 4"
    Zweite Seite 5
    Die der zweiten Seite 5 gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens 11 5"
    Erste Öffnung 6
    Poröse Transportschicht (PTL) Anode 7
    Anodenrahmen 8
    Zweite Öffnung 9
    Poröse Transportschicht (PTL) Kathode 10
    Kathodenrahmen 11
    Absatz 12
    Katalysator-beschichtete Membran (CCM) 13
    Kanal Typ I 14
    Kanal Typ II 15
    Bipolarplatte (BPP) 16
    Spalt 17
    Loch 18
    Stift 19
    Vorassemblierte Baugruppe 20
    Kern aus Metall 21
    Beschichtung aus Gummi 22
    PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23
    Kriechen 24
  • Figuren:
    • Figur 1: Klassischer Aufbau einer PEM Elektrolysezelle aus dem Stand der Technik mit Rahmen 1, katalysatorbeschichteter Membran (CCM) 13, Bipolarplatte (BPP) 16, PTL Anode 7, PTL Kathode 10 mit Spalt 17 zwischen Rahmen 1 und PTL Anode 7 und Rahmen 1 und PTL Kathode 10.
    • Figur 2: Rahmen 1 gemäß Figur 1 mit Verformung des Rahmens 1 und Bildung eines größeren Spalts 17 zwischen Rahmen 1 und PTL Anode 7 und Rahmen 1 und PTL Kathode 10 und Kriechen 24 der CCM 13 in den vergrößerten Spalt 17 zwischen Rahmen 1 und PTL Anode 7 und Rahmen 1 und PTL Kathode 10.
    • Figur 3a: Erfindungsgemäßer Rahmen 1 umfassend einen Kern aus Metall 21, eine Beschichtung aus Gummi 22 und in der Beschichtung aus Gummi 22 einen Kanal Typ 2 15.
    • Figur 3b: Erfindungsgemäßer Rahmen 1 umfassend einen Kern aus Metall 21, eine Beschichtung aus Gummi 22 und Teil eines Kanals Typ II 15 in der Beschichtung aus Gummi 22.
    • Figur 4: Erfindungsgemäßer Kathodenrahmen 11 mit zweiter Öffnung 9, zwei Löchern 18 als Verbindungselement zur Verbindung mit dem Anodenrahmen 8, zwanzig Kanälen Typ I 14 und mehreren Kanälen Typ II 15 auf der zweiten Seite 5, die die zweite Öffnung 9 mit zehn Kanälen Typ I 14 verbinden.
    • Figur 5: Erfindungsgemäßer Anodenrahmen 8 mit erster Öffnung 6, zwei Stiften 19 als Verbindungselement zur Verbindung mit dem Kathodenrahmen 11, zwanzig Kanälen Typ I 14 und mehreren Kanälen Typ II 15 auf der ersten Seite 4, die die erste Öffnung 6 mit zehn Kanälen Typ I 14 verbinden.
    • Figur 6: Verfahren zur Herstellung einer vorassemblierten Baugruppe 20 mit den Verfahrensschritten a) Ausgangslage: PTL Anode 7 und BPP 16 sind verbunden (7 + 16), b) 1. Schritt: Stift 19 des Anodenrahmens 8 werden in die Löcher 19 der BPP 16 eingesteckt, c)2. Schritt: Umdrehen der Anordnung aus b), d)3. Schritt: Kathodenrahmen 11 in die Anordnung einstecken, e) 4. Schritt: PTL Kathode 10 in die zweite Öffnung 9 einlegen.
    • Figur 7a: Vorassemblierte Baugruppe 20. Zu sehen sind alle 4 Teile, die zu der vorassemblierten Baugruppe 20 gehören: die Kathodenrahmen 11, Anodenrahmen 8 und die BPP/PTL Anode (7+16), und die PTL Kathode 10. Einmal als Explosionsdarstellung und einmal als zusammengesetztes Teil.
    • Figur 7b: Vorassemblierte Baugruppe 20 in der Seitenansicht.
    • Figur 7c: Vergrößerter Ausschnitt der vorassemblierten Baugruppe 20 mit dem Absatz 12.
    • Figur 8: Gezeigt ist ein Ausschnitt eines schematischen Aufbaus einer erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp 23, der die Anordnung eines Stapels mit drei PEM Elektrolysezellen 2 zeigt. Der Ausschnitt umfasst einen Kathodenrahmen 11 mit PTL Kathode 10, einen Stapel von zwei vorassemblierten Baugruppen 20 und einen Anodenrahmen 8 mit PTL Anode 7.Die Pfeile zeigen die Richtung des Gasdrucks bei einer Hochdruck-Wasserstoffelektrolyse, die unter Differenzdruck von 40 bar durchgeführt wird.
    • Figur 9: Beispielhafte Abmessungen für einen Kathodenrahmen 11 und einen dazu passenden Anodenrahmen 8.

Claims (10)

  1. Rahmen (1) für eine PEM Elektrolysezelle (2) für eine PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp (23), wobei der Rahmen (1) eine erste Seite (4) mit planarer erster Oberfläche und eine der ersten Seite (4) gegenüber liegende zweite Seite (5) mit planarer zweiter Oberfläche und einen Anodenrahmen (8) und einen Kathodenrahmen (11) umfasst, und
    wobei der Anodenrahmen die erste Seite (4), eine der ersten Seite (4) gegenüberliegende Seite des Anodenrahmens (4") und eine erste Öffnung (6) zur Aufnahme der porösen Transportschicht (PTL) Anode (7) umfasst, wobei die erste Öffnung (6) sich von der ersten Seite (4) bis zur gegenüberliegenden Seite des Anodenrahmens (4") erstreckt,
    wobei der Kathodenrahmen (11) die zweite Seite (5), eine der zweiten Seite (5) gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens (5") und eine zweite Öffnung (9) zur Aufnahme der PTL Kathode (10) umfasst, wobei die zweite Öffnung (9) sich von der zweiten Seite (5) bis zur gegenüberliegenden Seite des Kathodenrahmens (5") erstreckt,
    wobei die der ersten Seite (4) gegenüberliegende Seite des Anodenrahmens (4") und die der zweiten Seite (5) gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens (5") nebeneinander angeordnet sind,
    wobei Anodenrahmen (8) und Kathodenrahmen (11) miteinander verbunden sind,
    wobei die erste Öffnung (6) und die zweite Öffnung (11) miteinander verbunden sind,
    dadurch gekennzeichnet, dass die erste Öffnung (6) größer ist als die zweite Öffnung (9) und wobei der Anodenrahmen (8) und der Kathodenrahmen (11) so angeordnet sind, dass die der ersten Seite (4) gegenüberliegende Seite des Anodenrahmens (4") und die der zweiten Seite (5) gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens (5"), beim Übergang vom Anodenrahmen (8) zum Kathodenrahmen (11) einen Absatz (12) bilden, wobei der Absatz (12) der Teil des Kathodenrahmens (11) ist, der an die zweite Öffnung (9) angrenzt und die zweite Öffnung (9) einrahmt und wobei der Absatz (12) eine planare dritte Oberfläche als Auflagefläche für die Katalysator-beschichtete Membran (CCM) (13) bildet, und wobei der Anodenrahmen (8) einen Kern aus Metall (21) und eine Beschichtung aus Dichtwerkstoff, beispielsweise eine Beschichtung aus Gummi (22) umfasst und wobei der Kathodenrahmen (11) einen Kern aus Metall (21) und eine Beschichtung aus Dichtwerkstoff, beispielsweise eine Beschichtung aus Gummi (22) umfasst.
  2. Rahmen (1) nach Anspruch 1 umfassend einen oder mehrere Kanäle Typ I (14) zum An- und Abtransport von Wasser und Gas und umfassend einen oder mehrere Kanäle Typ II (15), wobei die Kanäle Typ I (14) nicht mit der ersten Öffnung (6) im Anodenrahmen (8) oder der zweiten Öffnung (9) im Kathodenrahmen (11) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenrahmen (8) auf der Oberfläche der ersten Seite (4) einen oder mehrere Kanäle Typ II (15) umfasst, die mit einem oder mehreren Kanälen Typ I (14) verbunden sind und den bzw. die Kanäle Typ I (14) mit der ersten Öffnung (6) verbinden und die, wenn der Rahmen (1) in einer PEM Elektrolysezelle (2) oder einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp (23) eingebaut ist, in Richtung zur Bipolarplatte (BPP) (16) angeordnet sind und wobei die der ersten Seite (4) gegenüberliegende Seite des Anodenrahmens (4") keine Kanäle Typ II (15) aufweist.
  3. Rahmen (1) nach Anspruch 1 oder 2 umfassend einen oder mehrere Kanäle Typ I (14) zum An- und Abtransport von Wasser und Gas und umfassend einen oder mehrere Kanäle Typ II (15), wobei die Kanäle Typ I (14) nicht mit der ersten Öffnung (6) im Anodenrahmen (8) oder der zweiten Öffnung (9) im Kathodenrahmen (11) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenrahmen (11) auf der Oberfläche der zweiten Seite (5) einen oder mehrere Kanäle Typ II (15) umfasst, die mit einem oder mehreren Kanälen Typ I (14) verbunden sind und den bzw. die Kanäle Typ I (14) mit der zweiten Öffnung (9) verbinden und die, wenn der Rahmen (1) in einer PEM Elektrolysezelle (2) oder einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp (23) eingebaut ist, in Richtung zur Bipolarplatte (BPP) (16) angeordnet sind und wobei die der zweiten Seite (5) gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens (5") keine Kanäle Typ II (15) aufweist.
  4. Rahmen (1) nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei der Anodenrahmen (8) ein oder mehrere Verbindungselemente zur Verbindung mit dem Kathodenrahmen (11) umfasst, beispielsweise ein oder mehrere Stifte (19) und der Kathodenrahmen (11) ein oder mehrere Verbindungselemente zur Verbindung mit dem Anodenrahmen (8) umfasst, beispielsweise ein oder mehrere Löcher (18), wobei die Verbindungselemente so angeordnet sind, dass Anodenrahmen (8) und Kathodenrahmen (11) miteinander verbunden werden können, beispielsweise der bzw. die Stifte (19) und das bzw. die Löcher (18) so angeordnet sind, dass das bzw. die Löcher (18) im Kathodenrahmen (11) auf den bzw. die Stifte (19) im Anodenrahmen (8) gesteckt werden und Anodenrahmen (8) und Kathodenrahmen (11) dadurch miteinander verbunden werden können.
  5. PEM Elektrolysezelle (2) zum Betrieb unter Differenzdruck von bis zu 40 bar zur Erzeugung von Hochdruck-Wasserstoff umfassend eine CCM (13), eine PTL Anode (7), eine PTL Kathode (10), dadurch gekennzeichnet, dass die PEM Elektrolysezelle (2) einen Rahmen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 umfasst,
    wobei die erste Öffnung (6) im Anodenrahmen (8) die PTL Anode (7) umfasst und die zweite Öffnung (9) im Kathodenrahmen (11) die PTL Kathode (10) umfasst und wobei die CCM (13) zwischen der der ersten Seite (4) gegenüberliegenden Seite des Anodenrahmens (4") und der der zweiten Seite (5) gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens (5") angeordnet ist, wobei die eine Seite der CCM (13) auf der PTL Anode (7) aufliegt und die andere Seite der CCM (13) auf dem Absatz (12) und der PTL Kathode (10) aufliegt.
  6. PEM Elektrolysezelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die CCM (13) eine Dicke von weniger als 80 µm, beispielsweise 50 µm oder weniger aufweist.
  7. Vorassemblierte Baugruppe (20) zur Herstellung einer Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp (23) umfassend einen Anodenrahmen (8), einen Kathodenrahmen (11), eine BPP (16), eine PTL Anode (7) und eine PTL Kathode (10),
    wobei der Anodenrahmen (8) eine erste Seite (4) mit planarer erster Oberfläche, eine der ersten Seite (4) gegenüberliegende Seite des Anodenrahmes (4") und eine erste Öffnung (6) zur Aufnahme der PTL Anode (7) umfasst, wobei die erste Öffnung (6) sich von der ersten Seite (4) bis zur der ersten Seite (4) gegenüberliegenden Seite des Anodenrahmens (4") erstreckt, und wobei die erste Öffnung (6) von dem Anodenrahmen (8) eingerahmt ist, und wobei der Anodenrahmen (8) mindestens ein Verbindungselement, vorzugsweise einen Stift (19), zur Verbindung mit dem Kathodenrahmen (11) umfasst,
    wobei der Kathodenrahmen (11) eine zweite Seite (5) mit planarer zweiter Oberfläche, eine der zweiten Seite (5) gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens (5") und eine zweite Öffnung (9) zur Aufnahme der PTL Kathode (10) umfasst, wobei die zweite Öffnung (9) sich von der zweiten Seite (5) bis zur der zweiten Seite (5) gegenüberliegenden Seite des Kathodenrahmens (5") erstreckt und von dem Kathodenrahmen (10) eingerahmt ist, und wobei der Kathodenrahmen (11) mindestens ein Verbindungselement, vorzugsweise ein Loch (18) zur Aufnahme des Stiftes (19), zur Verbindung mit dem Anodenrahmen (8) umfasst,
    wobei zwischen der ersten Seite (4) und der zweiten Seite (5) die BPP (16) angeordnet ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenrahmen (8) einen Kern aus Metall (21) und eine Beschichtung aus einem Dichtwerkstoff, vorzugsweise eine Beschichtung aus Gummi (22) umfasst, und wobei die BPP (16) mit der PTL Anode (7) verbunden ist und die mit der PTL Anode (7) verbundene BPP (16) in die erste Öffnung (6) eingepresst und von dem Anodenrahmen (8) eingerahmt ist,
    der Kathodenrahmen (10) einen Kern aus Metall (21) und eine Beschichtung aus einem Dichtwerkstoff, vorzugsweise eine Beschichtung aus Gummi (22) umfasst und wobei die PTL Kathode (10) in die zweite Öffnung (9) eingepresst und von dem Kathodenrahmen (11) eingerahmt ist,
    wobei das Verbindungselement des Anodenrahmens (8) mit dem Verbindungselement des Kathodenrahmens (11) verbunden wird, vorzugsweise der mindestens eine Stift (19) in dem mindestens einen Loch (18) steckt und der Anodenrahmen (8) und Kathodenrahmen (11) dadurch miteinander verbunden sind,
    wobei die erste Öffnung (6) größer ist als die zweite Öffnung (9) und wobei der Anodenrahmen (8) und der Kathodenrahmen (11) so angeordnet sind, dass die erste Seite (4) und die zweite Seite (5) beim Übergang vom Anodenrahmen (8) zum Kathodenrahmen (11) einen Absatz (12) bilden, wobei der Absatz (12) der Teil des Kathodenrahmens (11) ist, der an die zweite Öffnung (9) angrenzt und die zweite Öffnung (9) einrahmt und wobei der Absatz (12) eine planare dritte Oberfläche als Auflagefläche für die CCM (13) bildet, wobei die BPP (16) auf der einen Seite auf der PTL Anode (7) und dem Anodenrahmen (8) aufliegt und auf der anderen Seite auf der PTL Kathode (10), dem Kathodenrahmen (11) und dem Absatz (12) aufliegt.
  8. Verfahren zur Herstellung einer vorassemblierten Baugruppe (20), umfassend die Verfahrensschritte
    a) für den Anodenrahmen (8) ein Kern aus Metall (21) hergestellt wird, wobei der Kern aus Metall (21) eine erste Seite (4) mit planarer erster Oberfläche und eine der ersten Seite (4) gegenüberliegende Seite des Anodenrahmens (4") umfasst, wobei die erste Seite (4) und die gegenüberliegende Seite des Anodenrahmens (4") eine erste Öffnung (6) umfassen, die sich von der ersten Seite (4) bis zur gegenüberliegenden Seite des Anodenrahmens (4") erstreckt und die von dem Anodenrahmen (8) eingerahmt ist, einen oder mehrere Kanäle Typ I (14) zum An- und Abtransport von Wasser und Gas, wobei die Kanäle Typ I (14) nicht mit der ersten Öffnung (6) im Anodenrahmen (8) verbunden sind, und wobei der Anodenrahmen (8) mindestens ein Verbindungselement, vorzugsweise mindestens einen Stift (19), zur Verbindung mit dem Kathodenrahmen (11) umfasst,
    b) mindestens 90 % der Oberfläche des gemäß a) hergestellte Kerns aus Metall (21) für den Anodenrahmen (8) mit Natur- oder Synthesekautschuk beschichtet und anschließend vulkanisiert werden und dadurch auf dem Kern aus Metall (21) eine Beschichtung aus Gummi (22) erzeugt wird, wobei in der Beschichtung aus Gummi (22) ein oder mehrere Kanäle Typ II (15) auf der Oberfläche der ersten Seite (4) erzeugt werden, die mit einem oder mehreren Kanälen Typ I (14) verbunden sind und die den bzw. die Kanäle Typ I (14) mit der ersten Öffnung (6) verbinden und die, wenn der Anodenrahmen (8) in einer PEM Elektrolysezelle (2) oder einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp (23) eingebaut ist, in Richtung zur BPP (16) angeordnet sind und wobei in der der ersten Seite (4) gegenüberliegenden Seite des Anodenrahmens (4") keine Kanäle Typ II (15) erzeugt werden,
    c) in den gemäß a) und b) hergestellten Anodenrahmen (8) die PTL Anode (7) gelegt oder eingepresst wird, wobei die PTL Anode (7) mit einer BPP (16) verbunden ist,
    d) für den Kathodenrahmen (11) ein Kern aus Metall (21) hergestellt wird, wobei der Kern aus Metall (21) eine zweite Seite (5) mit planarer zweiter Oberfläche und eine der zweiten Seite (5) gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens (5") umfasst, wobei die zweite Seite (5) und die gegenüberliegende Seite des Kathodenrahmens (5") eine zweite Öffnung (9) umfassen, die sich von der zweiten Seite (5) bis zur gegenüberliegenden Seite des Kathodenrahmens (5") erstreckt und die von dem Kathodenrahmen (11) eingerahmt ist, einen oder mehrere Kanäle Typ I (14) zum An- und Abtransport von Wasser und Gas umfasst, wobei die Kanäle Typ I (14) nicht mit der zweiten Öffnung (9) im Kathodenrahmen (11) verbunden sind, und wobei der Kathodenrahmen (11) mindestens ein Verbindungselement, beispielsweise mindestens ein Loch (18), zur Verbindung mit dem Anodenrahmen (8) umfasst,
    e) mindestens 90 % der Oberfläche des gemäß d) hergestellten Kerns aus Metall (21) für den Kathodenrahmen (11) mit Natur- oder Synthesekautschuk beschichtet und anschließend vulkanisiert werden und dadurch auf dem Kern aus Metall (21) eine Beschichtung aus Gummi (22) erzeugt wird, wobei in der Beschichtung aus Gummi (22) ein oder mehrere Kanäle Typ II (15) auf der Oberfläche der zweiten Seite (5) erzeugt werden, die mit einem oder mehreren Kanälen Typ I (14) verbunden sind und die den bzw. die Kanäle Typ I (14) mit der zweiten Öffnung (9) verbinden und die, wenn der Kathodenrahmen (11) in einer PEM Elektrolysezelle (2) oder einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp (23) eingebaut ist, in Richtung zur BPP (16) angeordnet sind und wobei in der der zweiten Seite (5) gegenüberliegenden Seite des Kathodenrahmens (5") keine Kanäle Typ II (15) erzeugt werden,
    f) der gemäß d) und e) hergestellte Kathodenrahmen (11) mittels des mindestens einen Verbindungselementes des Kathodenrahmens (11), vorzugsweise des mindestens einen Lochs (19) mit dem gemäß a) bis c) hergestellten Anodenrahmen (8) mittels des mindestens einen Verbindungselements des Anodenrahmens (8), vorzugsweise des mindestens einen Stifts (18), verbunden wird, vorzugsweise das mindestens eine Loch (19) auf den mindestens einen Stift (18) gesteckt und dadurch der Kathodenrahmen (11) mit dem Anodenrahmen (8) verbunden wird, wobei die BPP (16) zwischen der erste Seite (4) und der zweiten Seite (5) angeordnet ist, und die PTL Kathode (10) in den Kathodenrahmen (11) eingelegt oder eingepresst wird.
  9. Verfahren zur Herstellung einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp (23) zum Betrieb unter Differenzdruck zur Erzeugung von Hochdruck-Wasserstoff umfassend die Verfahrensschritte,
    a) mindestens x vorassemblierte Baugruppen (20) und mindestens x+1 CCMs (13) werden abwechselnd übereinander gestapelt, wobei ein Stapel vorassemblierter Baugruppen (3) erzeugt wird, wobei in dem Stapel vorassemblierter Baugruppen (3) jeweils eine vorassemblierte Baugruppe (20) und eine CCM (13) abwechselnd übereinander gestapelt sind und wobei auf der Oberseite und der Unterseite des Stapels vorassemblierter Baugruppen (3) jeweils eine CCM (13) und zwischen zwei benachbarten vorassemblierten Baugruppen (20) jeweils eine CCM (13) angeordnet ist, und wobei
    b) dann auf der einen Seite des Stapels vorassemblierter Baugruppen (3) eine einzelne Anode parallel zu einer äußeren CCM (13) angeordnet wird und auf der anderen Seite des Stapels vorassemblierter Baugruppen (3) eine einzelne Kathode parallel zu einer äußeren CCM (13) angeordnet wird,
    c) parallel zu der einzelnen Anode und parallel zu der einzelnen Kathode jeweils eine Endplatte angeordnet und der erzeugte Stapel dann zwischen den zwei Endplatten zu einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp (23) zusammengepresst wird,
    wobei jede der x+1 CCMs (13) in der PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp (23) eine Dicke von weniger als 80 µm hat und wobei x eine ganze Zahl und ≥ 2 ist.
  10. PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp (23) zum Betrieb unter Differenzdruck zur Erzeugung von Hochdruck-Wasserstoff umfassend x vorassemblierte Baugruppen (20), x+1 CCMs (13), eine einzelne Anode, eine einzelne Kathode und zwei Endplatten, wobei die x vorassemblierten Baugruppen (20) und die x+1 CCMs (13) abwechselnd übereinander zu einem Stapel vorassemblierter Baugruppen (3) gestapelt sind, wobei in dem Stapel vorassemblierter Baugruppen (3) jeweils eine vorassemblierte Baugruppe (20) und eine CCM (13) abwechselnd übereinander gestapelt sind und wobei auf der Oberseite und der Unterseite des Stapels vorassemblierter Baugruppen (3) jeweils eine CCM (13) und zwischen zwei benachbarten vorassemblierten Baugruppen (20) jeweils eine CCM (13) angeordnet ist, und wobei auf der einen Seite des Stapels vorassemblierter Baugruppen (3) eine einzelne Anode parallel zu einer äußeren CCM (13) angeordnet ist und auf der anderen Seite des Stapels vorassemblierter Baugruppen (3) eine einzelne Kathode parallel zu einer äußeren CCM (13) angeordnet ist,
    wobei parallel zu der einzelnen Anode und parallel zu der einzelnen Kathode jeweils eine Endplatte angeordnet ist und der erzeugte Stapel zwischen den zwei Endplatten zu einer PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp (23) zusammengepresst wird, wobei jede der x+1 CCMs (13) in der PEM Elektrolysevorrichtung vom Stapeltyp (23) eine Dicke von weniger als 80 µm hat und wobei x eine ganze Zahl und ≥ 2 ist
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