EP4263907A2 - Anordnung elektrochemischer zellen - Google Patents

Anordnung elektrochemischer zellen

Info

Publication number
EP4263907A2
EP4263907A2 EP21836475.0A EP21836475A EP4263907A2 EP 4263907 A2 EP4263907 A2 EP 4263907A2 EP 21836475 A EP21836475 A EP 21836475A EP 4263907 A2 EP4263907 A2 EP 4263907A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cathode
anode
arrangement
electrically conductive
electrochemical cells
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
EP21836475.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Maximilian SCHALENBACH
Hermann TEMPEL
Hans Kungl
Rüdiger-A. Eichel
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.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich 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 Forschungszentrum Juelich GmbH filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
Publication of EP4263907A2 publication Critical patent/EP4263907A2/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • 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
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • 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
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/34—Simultaneous production of alkali metal hydroxides and chlorine, oxyacids or salts of chlorine, e.g. by chlor-alkali electrolysis
    • C25B1/46—Simultaneous production of alkali metal hydroxides and chlorine, oxyacids or salts of chlorine, e.g. by chlor-alkali electrolysis in diaphragm cells
    • 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
    • C25B9/60—Constructional parts of cells
    • C25B9/63—Holders for electrodes; Positioning of the electrodes
    • 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
    • C25B9/60—Constructional parts of cells
    • C25B9/65—Means for supplying current; Electrode connections; Electric inter-cell connections
    • 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
    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
    • C25B9/75—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type having bipolar electrodes
    • 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
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
    • H01M10/049—Processes for forming or storing electrodes in the battery container
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/471—Spacing elements inside cells other than separators, membranes or diaphragms; Manufacturing processes thereof
    • H01M50/474—Spacing elements inside cells other than separators, membranes or diaphragms; Manufacturing processes thereof characterised by their position inside the cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/471—Spacing elements inside cells other than separators, membranes or diaphragms; Manufacturing processes thereof
    • H01M50/477—Spacing elements inside cells other than separators, membranes or diaphragms; Manufacturing processes thereof characterised by their shape
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/531—Electrode connections inside a battery casing
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to an arrangement of electrochemical cells, in particular for alkaline electrolysis of water.
  • All cells are supplied with electrical energy by connecting the anode of one of the two cells arranged at the edge of the stack to a voltage source and the cathode of the other cell arranged at the edge of the stack being connected to this voltage source.
  • the generally metallic electrodes are pressed onto the metallic bipolar plates in order to ensure electrical contact between the electrodes and the bipolar plate, which, however, is accompanied by not inconsiderable contact resistances.
  • Oxide layers can grow at the interfaces between the electrodes and the bipolar plate, which additionally increase the contact resistance between the respective electrode and the bipolar plate.
  • the electrolyte in a cell is in direct contact with both electrodes, so that a liquid electrolyte, as in alkaline electrolysis, is also in contact with the bipolar plate.
  • bipolar plate So that the bipolar plate is not corroded by the electrolyte and the applied potentials, the bipolar plate is usually coated with corrosion-resistant metals.
  • the use of bipolar plates requires a considerable amount of material.
  • contact resistances between the electrodes and the bipolar plates are considerable. Scratches on the bipolar plates can cause protective layers that are typically applied by electroplating to peel off and the substrate underneath to dissolve.
  • a protective layer requires expensive production and an expensive material, since thick metal layers made of expensive metals such as nickel, platinum or gold are often used for bipolar plates.
  • Known bipolar plates also have a complex three-dimensional design with channels and inflows and outflows. In this respect, known stacks are expensive to produce and energetically inefficient to operate.
  • an arrangement which has a plurality of electrochemical cells arranged adjacent to one another in a stacking direction, with adjacent electrochemical cells being separated from one another by a respective electrically insulating separating element, with the electrochemical cells each having an anode compartment with an anode, a cathode compartment with a cathode and have a membrane arranged between the anode compartment and the cathode compartment, wherein the anodes are each connected to the cathode of the following electrochemical cell in the stacking direction via at least one electrically conductive connection, which is preferably separate from the respective anode compartment and the respective cathode compartment, and wherein the electrically conductive connections pass through the separating element arranged between the respective anode and the respective cathode and/or a boundary of the electrochemical cells.
  • the arrangement described does not require bipolar plates. In that regard, the cost of materials is reduced.
  • the operation of the arrangement described is particularly efficient in terms of energy because there are no energy losses due to contact resistances
  • the arrangement can be designed in particular for electrolysis. In that case the arrangement can also be referred to as an electrolysis arrangement.
  • the electrolysis arrangement is preferably set up for alkaline water electrolysis. However, the electrolysis arrangement can also be set up for other electrochemical systems, such as chloralkali electrolysis. Alternatively, the arrangement can be designed as a battery or fuel cell, for example.
  • the assembly includes multiple electrochemical cells.
  • An electrochemical cell is to be understood as meaning an element which is set up to carry out an electrochemical process.
  • the electrochemical cells can be electrolysis cells, galvanic cells, electrodialysis cells, fuel cells or battery cells. All electrochemical cells of the arrangement are preferably designed in the same way, in particular all as electrolytic cells. In the case of electrolysis cells, the arrangement can also be referred to as an electrolysis stack or as a stack for short.
  • Each of the electrochemical cells has an anode compartment with an anode, a cathode compartment with a cathode, and a membrane disposed between the anode compartment and the cathode compartment.
  • the membrane can also be referred to as a diaphragm.
  • the anode and the cathode are also referred to below as electrodes.
  • the electrodes are preferably made of nickel. Nickel electrodes can be hot dip galvanized and then specifically etched to obtain large catalytic surface areas. It is therefore generally preferred that the anode and/or the cathode of at least one of the electrochemical cells is formed from hot dip galvanized nickel.
  • the electrochemical cells can be operated with an electrolyte.
  • the electrochemical cells can be designed as electrolytic cells be set up for electrolysis of the electrolyte.
  • the electrolyte is preferably an alkaline solution.
  • the electrochemical cells are designed in such a way that the electrolyte can come into contact with the anode and the cathode.
  • the electrochemical cells have a respective anode compartment for the anode and a respective cathode compartment for the cathode.
  • the anode compartments and the cathode compartments are at least partially filled with the electrolyte.
  • the anode spaces and the cathode spaces of the electrochemical cells are connected to one another via the respective membrane to the extent that the membrane is ionically conductive but electrically insulating.
  • the electrochemical cells are arranged adjacent to each other in a stacking direction. That is, the electrochemical cells are typically arranged in a row, with adjacent ones of the electrochemical cells abutting one another.
  • the direction in which the electrochemical cells are arranged adjacent to each other is referred to as the stacking direction.
  • the arrangement is described using a coordinate system in which the stacking direction is a first direction and which also has a second and a third direction, the stacking direction, the second direction and the third direction being pairs perpendicular to one another.
  • the electrochemical cells are arranged along a straight line.
  • the described functionality with the described advantages can be achieved equally if neighboring electrochemical cells are at an angle to one another.
  • the electrochemical cells can be arranged along an arc of a circle.
  • the stacking direction can therefore be curved.
  • an angle between adjacent ones of the electrochemical cells is at most 20°.
  • the separating elements are electrically insulating and can be made of corrosion-resistant materials such as plastics or ceramics. In this way in particular, the separating elements differ from the bipolar plates known from the prior art. That the separating elements are electrically insulating means that there is no electrical connection between the two opposing surfaces of the separator.
  • the separating elements are preferably designed in the form of plates. It is not necessary for the separating elements to be formed entirely from electrically insulating material. It is possible that the separators consist of corrosion-resistant surfaces that clad an electrically conductive material such as a metal. Such an interconnected metal plate is protected against electrochemical corrosion and gives the separating element mechanical stability.
  • the surfaces are electrically insulated from one another. It is possible that the surfaces themselves are formed of an electrically conductive material, but are separated from each other by an electrically insulating material so that there is no electrical connection between the surfaces. This is the case, for example, with a plastic plate that is coated on both sides with a metal.
  • the separators extend across an entire cross-section of the electrochemical cells when viewed in a plane perpendicular to the stacking direction. It is preferred that the electrolyte spaces are each delimited by one of the membranes, a delimitation of the electrochemical cells and one of the separating elements.
  • the boundary may be integral for all of the electrochemical cells or may comprise a respective portion for each of the electrochemical cells. In this respect, the electrolyte spaces can be continuously delimited on all sides by an electrically insulating material.
  • the anodes are each electrically conductively connected to the cathode of the electrochemical cell that follows in the stacking direction, preferably via a metallic connection that is interconnected or sealed by the electrolyte.
  • a metallic connection that is interconnected or sealed by the electrolyte.
  • the cathode of the first electrochemical cell is connected to a voltage source
  • the anode of the first electrochemical cell is connected to the cathode of the second electrochemical cell
  • the anode of the second electrochemical cell is connected to the cathode of the third electrochemical cell
  • the anode of the third electrochemical cell is connected to the voltage source.
  • Any number of electrochemical cells can be provided between the electrochemical cells at the edge of the arrangement, here the first and third electrochemical cells.
  • the arrangement preferably has at least 5 and/or at most 200 of the electrochemical cells.
  • all electrochemical cells can be electrically contacted in that only one of the electrodes of the electrochemical cells arranged at the edge of the arrangement is directly connected to a voltage source.
  • the remaining electrodes are indirectly connected to the voltage source via other electrodes, via the electrical connections between them and via the electrolyte.
  • the electrical connection between the electrodes of the adjacent electrochemical cells means that the bipolar plates can be dispensed with. This is expressed in that the separating elements between the electrochemical cells are designed to be electrically insulating. This is not possible in an embodiment with bipolar plates known according to the prior art.
  • the electrically conductive connection comprises the electrically conductive material which is arranged between the respective anode and the respective cathode and via which a continuous electrical conduction path is formed between the anode and the cathode.
  • the electrically conductive connection can be integrally formed with the anode and/or with the cathode, for example by laser welding. With laser welding, there is only a comparatively low temperature input, so that plastic parts are protected.
  • the electrically conductive connection can be formed with a separate element.
  • the electrically conductive connection can be formed in that the respective anode and the respective cathode are connected to one another with at least one connecting pin such as a screw or a rivet.
  • the electrodes each have at least one through hole, at least one thread and/or have at least one socket, by means of which the at least one connecting pin can be connected to the respective electrode.
  • the at least one through hole, the at least one thread and/or the at least one bushing of the respective anode is preferably opposite the at least one through hole, the at least one thread and/or the at least one bushing of the respective cathode.
  • the at least one connecting pin can pass through the corresponding separating element and thus connect the respective anode and the respective cathode to one another.
  • the electrically conductive connection can also pass through the separating element arranged between the connected electrodes because the electrically conductive connection comprises a part of the separating element.
  • the electrically conductive connection is preferably at the same time a mechanical connection via which the electrodes are held.
  • the electrically conductive connection can pass through the boundary of the electrochemical cells.
  • the electrochemical connection thus passes through an element which encloses the electrolyte in the respective electrochemical cell. This element can be the separating element between the respective electrochemical cells or the boundary of the electrochemical cell.
  • the electrically conductive connections pass through the respective separating element and/or the delimitation of the electrochemical cells in a fluid-tight manner.
  • the electrolyte cannot escape from the electrolyte spaces at the point where an electrically conductive connection passes through the electrolyte space.
  • the electrically conductive connection passes through the respective separating element and/or the delimitation of the electrochemical cells in a gas-tight manner. In that case, a gas formed in the electrolyte space cannot escape from the electrolyte space either.
  • the fluid-tight or gas-tight design of the passage points can be achieved, for example, by seals.
  • At least one seal is arranged between each of the electrically conductive connections and the separating element or the boundary. This can prevent electrolyte from coming into contact with a connecting pin, for example.
  • the electrically conductive connection is preferably separate from the anode space and the cathode space. This means that the electrically conductive connection does not come into contact with an electrolyte in the anode compartment and/or in the cathode compartment during operation.
  • the bipolar plates known from the prior art come into contact with the electrolyte, which places corresponding demands on the material of the bipolar plates, especially with regard to corrosion resistance and electrical conductivity.
  • the electrically conductive connection can be formed from any desired and particularly favorable material, for example steel.
  • the electrochemical properties of the material of the electrical connection are irrelevant.
  • the electrical connection can be separated from the anode space and/or from the cathode space, for example, by casing and/or a seal.
  • the electrically conductive connection can be a connecting pin with a plastic coating and/or with a plastic cover.
  • the embodiment of the arrangement is preferred in which the electrically conductive connection is separated from the respective anode space and the respective cathode space by casing and/or a seal.
  • the anodes and/or the cathodes each have a plurality of mesh supports and a metal mesh attached to them.
  • the "and" case is preferred.
  • the anodes and/or the cathodes preferably also each have at least one fastening element. Electrical contact can be established between the electrodes of the adjacent electrochemical cells via the fastening elements, in particular via connections which pass through the respective separating elements.
  • the electrodes are preferably realized in the manner of a skeleton structure.
  • the electrodes are self-supporting.
  • the metal mesh allows the electrode to do its job.
  • the metal mesh has a catalyst material. This is located at a short distance from the membrane.
  • the net carriers serve in particular to hold the metal net.
  • the mesh supports are preferably made of metal, preferably of the same material as the metal mesh and the fastening element.
  • the metal mesh and the mesh supports are preferably made of nickel.
  • the mesh supports can be welded to the metal mesh.
  • the fastening elements and the holding element can also be welded, in particular by means of laser welding, or can be produced straight from one piece. The welding, in particular laser welding, can take place after the elements to be connected to one another have been plugged together.
  • the entire electrode can then be hot-dip galvanized and specifically etched to obtain large catalytic surfaces. It is therefore generally preferred that the mesh supports and the metal mesh attached to the anode and/or the cathode of at least one of the electrochemical cells are made of hot-dip galvanized nickel.
  • the electrical conductivity between the metal mesh and the mesh supports remains intact.
  • the metal mesh is preferably formed in a plane perpendicular to the stacking direction.
  • the mesh supports preferably have an axis aligned in the direction of stacking.
  • the mesh carriers are preferably designed as a flat metal strip. The mesh carriers are preferably aligned perpendicular to the metal mesh.
  • the anodes can each be materially connected via at least one connecting pin to the cathode of the electrochemical cell that follows in the stacking direction, for example by welding, in particular laser welding.
  • the corresponding separating element can then be produced between the anode and cathode, for example by casting, clamping or gluing in the separating element. In this case, no holes, bushings or threads have to be provided on the anodes and/or on the cathodes.
  • the electrically conductive connections thereby are designed such that the anodes are each materially connected to the cathode of the electrochemical cell that follows in the stacking direction, for example by means of laser welding, the separating element being cast, clamped and/or glued between the respective anode and the respective cathode.
  • the anode and cathode can also be connected through the partition wall, with the connecting pin being welded after the anode, cathode and separator are arranged.
  • At least one respective spring element is provided for each of the metal nets, which is set up to tension the metal net away from the respective nearest separating element and to bring it closer to the membrane.
  • the arrangement thus has spring elements which are each arranged between a metal net and a separating element and are set up to tension the respective metal net away from the corresponding separating element.
  • the spring elements serve to bring the metal nets close to the respective membrane.
  • the spring elements therefore generate a force which acts on the respective metal mesh parallel to the stacking direction.
  • the spring elements can be made of plastic or metal.
  • the spring elements can each be implemented as a piece of fleece, a spring or a bent piece of wire.
  • the electrically conductive connections each comprise a connecting element arranged outside a boundary of the electrochemical cells.
  • the electrodes are not connected to one another via the corresponding separator, but via a connecting element arranged outside the boundary of the electrochemical cells.
  • the connecting element is preferably made of metal. Because the connector is located outside the confines of the electrochemical cells, it does not come into contact with the electrolyte in contact.
  • the connections between the electrodes and the connecting element are preferably separated from the anode compartments and the cathode compartments. The electrolyte therefore does not come into contact with the connection.
  • it is preferred that the electrically conductive connections each pass through the boundary of the electrochemical cells. It is not necessary for the electrically conductive connections to also pass through a separating element.
  • the electrically conductive connections each comprise at least one connecting pin between the respective anode and the respective cathode.
  • the connecting pin can be a screw, rivet or bolt.
  • the connecting pin is preferably made of metal.
  • the anodes are preferably each connected directly via at least one connecting pin to the cathode of the electrochemical cells that follow in the stacking direction. This means that the anode and the cathode connected to it are each in direct contact with the connecting pin.
  • the anodes can each be connected indirectly via at least one connecting pin to the cathode of the electrochemical cell that follows in the stacking direction.
  • the anode may be connected directly with a connector pin to a connector located outside the perimeter of the electrochemical cells, and the corresponding cathode may be directly connected with another connector pin to the connector.
  • the anode and the cathode can be screwed to the connecting element and to this extent indirectly connected to one another via two screws as connecting pins.
  • the separating elements each have an electrically conductive core and an electrically insulating cover, the electrically conductive connections each comprising the electrically conductive core of the separating element arranged between the respective anode and the respective cathode. Due to the electrically insulating cover, the electrolyte does not come into contact with the electrically conductive core of the separating elements. Any material, and in particular an inexpensive one, can be used for the core, in particular a metal such as steel. In comparison to the bipolar plates known from the prior art, the separating elements are therefore more favorable because the electrochemical properties of the metallic core are not important due to the separation from the electrolyte. Due to the metallic core, the separating elements are particularly stable.
  • the electrochemical cells are delimited by a plastic delimitation, metal stabilizing elements being provided within the delimitation.
  • the boundary can be formed by walls between which the electrolyte spaces are formed.
  • the boundary extends across all electrochemical cells and can be formed in one piece or be composed of respective boundary parts for the individual electrochemical cells.
  • the delimitation can be formed, for example, as a wall surrounding the stacking direction.
  • a boundary made of plastic is particularly favorable and also has no influence on the electrochemical processes taking place within the electrochemical cells. However, plastic can deform under the influence of temperature and pressure. This is counteracted by the metallic stabilizing elements.
  • the stabilizing elements are preferably designed and arranged in such a way that they in particular stabilize with respect to parallel to the stacking direction enable acting forces. By locating the metallic stabilizing elements within the plastic boundary, the metallic stabilizing elements do not come into contact with the electrolyte within the electrochemical cells.
  • the electrical connections each comprise two connection pins which point in opposite directions.
  • the connecting pins have a preferred direction. This makes it possible to see whether two connecting pins are aligned in opposite directions or parallel to one another.
  • the connecting pins are preferably designed as screws. In particular, two screws point in opposite directions when a first screw is screwed through a separating element from a first side and a second screw is screwed through the separating element from a second side.
  • the electrically conductive connection can be formed by first connecting a first electrode to the corresponding separating element from a first side and then connecting a second electrode to the separating element from a second side.
  • the separating elements have a core and that a cover is arranged between the electrodes and the core of the respective separating element.
  • the core can be formed from a metal.
  • the anode and corresponding cathode may be bonded together by first applying a cover to a first side of the core of the separator.
  • the cathode can then be attached to the core of the separator with a connecting pin.
  • Another cover may then be applied to a second side of the separator core and the anode secured to the core with a second connector pin.
  • the second connecting pin in particular a head of the second connecting pin, can be be sealed with a seal.
  • the electrically conductive connections are formed with a respective threaded socket on one of the electrodes and with a through hole on the other electrode, the through hole preferably having a cross-section which tapers towards the respective separator.
  • the through hole has a cross section which tapers in the direction of the respective separating element means that the cross section becomes smaller in the direction of the separating element.
  • the anode and the cathode are formed by a respective metal mesh, the assembly further comprising an electrically conductive plate, the metal mesh forming the cathode being connected to the plate, the electrically conductive connection being formed with a connecting pin which is connected to the anode and which is connected to the plate.
  • the connecting pin is preferably connected to the plate by laser welding.
  • the anode and the cathode are formed by a respective metal mesh, which is preferably formed from nickel.
  • the anode is connected to the cathode via the connecting pin.
  • the connecting pin thus represents the electrically conductive connection.
  • the connecting pin is preferably made of nickel.
  • the separating element is preferably formed from plastic, in particular from polypropylene.
  • the plate can be made of steel, for example. Since the plate and the metal mesh are electrically conductive, the plate can also contribute to the function of the cathode and in this respect can be regarded as part of the cathode.
  • the plate can come into contact with the electrolyte in the cathode compartment.
  • the electrically conductive connection can be formed from any desired and particularly favorable material, for example steel.
  • a cheaper material such as steel can be used at the cathode rather than at the anode.
  • the anode space is preferably delimited by nickel. Particularly in the case of alkaline electrolysis, the requirements for the cathode compartment and the cathode are comparatively low. It is therefore sufficient to use the expensive nickel only for the anode compartment.
  • a particularly small cross-section of the material can be achieved which is exposed to a highly corrosive medium.
  • the metal mesh forming the cathode can be attached directly to the plate. This can be made easier by structuring the plate on the cathode side, for example by corrugations or ridges.
  • the connecting pin is connected to the metal mesh forming the anode.
  • the connecting pins can be connected to one another, for example via a metal band to which the metal mesh forming the anode can be attached.
  • the connecting pin preferably has a collar on the anode side, via which a seal can be pressed onto the separating element.
  • anode compartment and the cathode compartment can be separated from one another in a fluid-tight manner.
  • An embodiment is also conceivable which differs from the embodiment described here only in that the anode and cathode are interchanged. As described above, however, such an embodiment is less preferred in view of the different requirements in the anode compartment and cathode compartment in terms of corrosion resistance.
  • Another aspect of the invention is an arrangement comprising a plurality of electrochemical cells arranged adjacent to one another in a stacking direction, with adjacent electrochemical cells being separated from one another by a respective electrically insulating separating element, with the electrochemical cells each having an anode compartment with an anode, a cathode compartment with a cathode and a membrane arranged between the anode compartment and the cathode compartment, wherein the anodes are each connected to the cathode of the following electrochemical cell in the stacking direction via an electrically conductive connection which is separate from the respective anode compartment and the respective cathode compartment, and wherein the electrically conductive connections pass through the separating element arranged between the respective anode and the respective cathode and/or a boundary of the electrochemical cells.
  • Fig. 2 a first side view of a cathode for an arrangement according to
  • Fig. 3 a second side view of the cathode from Fig. 2,
  • FIG. 4 a detailed view of an arrangement according to FIG. 1
  • Fig. 5a to 5h different connections between electrodes for an arrangement according to Fig. 1,
  • Fig. 6 a section of a boundary for an arrangement according to
  • Fig. 1 shows an arrangement 1 with three electrochemical cells 2, which are designed as electrolysis cells.
  • the electrochemical cells 2 are arranged in a row next to one another in a stacking direction x and adjoin one another. In addition to the stacking direction x, a second direction y and a third direction z are shown.
  • the electrochemical cells 2 each have an anode 4 and a cathode 5 as well as a membrane 6 arranged between them.
  • the anodes 4 are arranged in a respective anode compartment 24 and the cathodes 5 are arranged in a respective cathode compartment 25 .
  • the anode compartment 24 and the cathode compartment 25 of the electrochemical cell 2 on the left are provided with reference symbols.
  • the anode spaces 24 and the cathode spaces 25 are delimited by a delimitation 23 of the electrochemical cells 2 .
  • Adjacent ones of the electrochemical cells 2 are separated from one another by a respective electrically insulating separator 3 .
  • two separating elements 3 are present.
  • the separating elements 3 each have an electrically conductive core 13 and an electrically insulating cover 14 in the form of a coating or casing.
  • the casing can have a thickness of up to 20 mm.
  • the cathode 5 of the electrochemical cell 2 on the left is connected to an end plate 26 via two connecting pins 12 as an electrically conductive connection 11 .
  • the anodes 4 are each connected via two connecting pins 12 as an electrically conductive connection 11 to the cathode 5 of the electrochemical cell 2 following in the stacking direction x. This means that the anode 4 of the left electrochemical cell 2 is connected to the cathode 5 of the middle electrochemical cell 2 and that the Anode 4 of the middle electrochemical cell 2 is connected to the cathode 5 of the right electrochemical cell 2 .
  • No further electrochemical cell 2 follows the right electrochemical cell 2 in the stacking direction x, so that the anode 4 of the right electrochemical cell 2 cannot be electrically conductively connected to the cathode 5 of a following electrochemical cell 2 in the stacking direction x.
  • the anode 4 of the right-hand electrochemical cell 2 is connected to an end plate 26 via two connecting pins 12 as an electrically conductive connection 11 .
  • the two end plates 26 are connected to a voltage source.
  • the end plates 26 are separated from the adjoining anode space 24 or cathode space 25 by a respective cover 14 .
  • connection between the anodes 4 and the cathodes 5 takes place via connecting pins 12. These are (which is not emphasized in the schematic representation of FIG. 1) separated from the anode compartments 24 and the cathode compartments 25. This means that the electrolyte in the anode compartments 24 and the cathode compartments 25 does not come into contact with the connecting pins 12. Because the connecting pins 12 pass through the separators 3 including the respective electrically conductive core 13, the anodes 4 and the cathodes 5 can, but must, be connected to the conductive core via the electrically conductive core 13 of the respective separator 3 in the event of contact not if there is no contact.
  • FIG. 2 shows a cathode 5 for an arrangement 1 according to FIG. 1.
  • An anode 4 can be designed in the same way. However, the electrode shown is oriented like the cathodes 5 in FIG. 1. An anode 4 would accordingly be mirrored about the plane from the second direction y and the third direction z.
  • the cathode 5 has a plurality of mesh carriers 7 and a metal mesh 8 attached to them.
  • Fastening elements 16 are arranged on the mesh supports 7, via which the cathode 5 can be connected to the anode 4 of an adjacent electrochemical cell 2.
  • the fastening elements 16 each have a thread for a screw, for example.
  • the mesh supports 7 are connected to the fastening elements 16 and to the metal mesh 8 via spot welds 17 .
  • the holding elements 16 and the fastening elements are made of one piece.
  • the connection between the metal mesh 8 and the mesh supports 7 can be made by sintering.
  • FIG. 3 shows the cathode 5 from FIG. 2 from a further perspective.
  • the cathode 5 shown is particularly suitable for an arrangement 1 having anode compartments 24 and cathode compartments 25 with a round cross-section when viewed perpendicularly to the stacking direction x.
  • FIG. 4 shows a detailed view of an arrangement 1 according to FIG. 1.
  • Two electrochemical cells 2 are each shown in half.
  • the membrane 6, the anode space 24 and the cathode space 25 as well as one of the electrodes 4, 5 with the metal mesh 8 are shown.
  • the separating element 3 with the core 13 and the cover 14 is shown between the two electrolytic cells 2.
  • the cathode 5 of the left electrolytic cell 2 is connected to the anode 4 of the right electrolytic cell 2 via two connecting pins 11 .
  • two respective spring elements 9 are arranged, which are set up to tension the metal net 8 away from the separating element 3 .
  • the metal mesh 8 of the electrochemical cell 2 on the left is thus stretched to the left, and the metal mesh 8 of the electrochemical cell 2 on the right is stretched to the right.
  • Electrodes 4.5 show different electrically conductive connections 11 between electrodes 4.5 for an arrangement 1 according to FIG. 1.
  • the designation of the electrodes 4.5 as anode 4 and cathode 5 is only an example. In all of the embodiments of FIGS. 5a to 5f, the anode 4 and the cathode 5 could also be interchanged. In all cases, the electrodes 4.5 are connected to one another directly via a connecting pin 12 as the electrically conductive connection 11.
  • the separating element 3 could therefore be made entirely of plastic, for example. For reasons of stability, however, it is still preferred that the separating element 3 has a metallic core 13 and an electrically insulating cover 14 . This is shown in Figures 5a to 5f.
  • each of the embodiments of FIGS. 5a to 5f it is possible in each of the embodiments of FIGS. 5a to 5f to use flat or ring seals in order to keep the electrolyte away from the electrically conductive connection 11.
  • seals 27 are used so that the electrolyte cannot penetrate into the connection point.
  • the electrodes 4.5 are connected via a connecting pin 12 which engages in a respective socket 18 of the electrodes 4.5. If the connecting pin 12 is a rivet pin, the electrically conductive connection 11 can be formed by pressing. If the connecting pin 12 is a threaded pin, the electrodes 4.5 can be connected to one another by twisting.
  • a seal 27 is arranged between the electrodes 4 , 5 and the cover 14 of the separating element 3 . The seals 27 prevent electrolyte from coming into contact with the connecting pin 12 via the gaps between the electrodes 4 , 5 and the covers 14 of the separating element 3 .
  • the anode 4 has a bushing 18
  • the cathode 5 has a through hole 19
  • a screw as a connecting pin 12 extends through the through hole 19 and is screwed into the bushing 18 .
  • a head 20 of the screw rests against the edge of the through hole 19 on the outside.
  • a seal 27 is arranged between the electrodes 4 , 5 and the cover 14 of the separating element 3 .
  • a further seal 27 is arranged between the head 20 of the screw and the cathode 5 . This seal 27 is designed in such a way that it does not prevent an electrically conductive contact between the head 20 of the screw and the cathode 5 .
  • the connecting pin 12 is formed in one piece with the cathode 5.
  • FIG. 5c The connecting pin 12 is screwed or pressed into the socket 18 of the anode 4 .
  • a seal 27 is arranged between the electrodes 4 , 5 and the cover 14 of the separating element 3 .
  • both electrodes 4, 5 have a respective through hole 19, through which a screw as connecting pin 12 extends.
  • a nut 22 rests against the edge of the through hole 19 on the anode 4 side, and a head 20 of the screw rests on the edge of the through hole 19 on the cathode 5 side.
  • between the electrodes 4.5 and the cover 14 of the Separating element 3 each have a seal 27 arranged.
  • further seals 27 are arranged between the head 20 of the screw and the cathode 5 and between the nut 22 and the anode 4 . The latter are designed in such a way that they do not prevent an electrically conductive contact between the head 20 of the screw and the cathode 5 or between the anode 4 and the nut 22 .
  • the anode 4 has a bushing 18 into which a screw engages as a connecting pin 12.
  • FIG. A head 20 of the screw is covered with a seal 28 .
  • the seal 28 can - be sealed with seals 27 - as shown here.
  • the seal 28 could be screwed in, glued in or melted on.
  • the head 20 of the screw is oblique. This gives a particularly large contact surface between the fastening element and the screw.
  • a seal 27 is arranged between the electrodes 4 , 5 and the cover 14 of the separating element 3 .
  • the electrically conductive connection 11 is formed with the threaded bushing 18 on the anode 4 and with the through-hole 19 on the cathode 5, the through-hole having a cross-section tapering to the right.
  • the anode 4 and the cathode 5 are connected to one another via a connecting pin 12 which is integrally formed with the anode 4 and the cathode 5, for example by laser welding.
  • the connecting pin 12 can be cast onto the anode 4 and onto the cathode 5, for example. It is also possible for the anode 4 and the cathode 5 to be formed in one piece with the connecting pin 12 . In this case, a subdivision into anode 4, connecting pin 12 and cathode 5 is not possible on the basis of a physical dividing line, but only mentally.
  • a seal 27 is arranged between the electrodes 4 , 5 and the cover 14 of the separating element 3 .
  • 5g shows a screw connection as an electrically conductive connection 11 between the anode 4 and the cathode 5.
  • the anode 4 is connected to a socket 18 which has a left-hand thread with a blind hole.
  • the cathode 5 is equipped with a clockwise and continuous thread.
  • the electrodes 4, 5 are connected via a threaded pin 12, which has a left-hand thread on the cathode side and a right-hand thread on the anode side.
  • the threaded pin 12 can be tightened through the through-hole 19 with a screwdriver, for example.
  • the connection can be shielded from the electrolyte on the cathode side with a threaded piece of plastic as a seal 28 .
  • the anode 4 and the cathode 5 are each designed as a metal mesh 8 .
  • the anode 4 is connected to the cathode 5 via a connecting pin 12 .
  • the connecting pin 12 represents an electrically conductive connection 11.
  • a separating element 3 and an electrically conductive plate 29 are arranged between the anode 4 and the cathode 5, . Since the plate 29 and the metal mesh 8 are electrically conductive, the plate 29 can also contribute to the functioning of the cathode 5 and can be regarded as part of the cathode 5 in this respect.
  • the separating element 3 has a through hole 19 for the connecting pin 12 .
  • the plate 29 has a socket 18 for the connecting pin 12.
  • the socket 18 can be formed in that the plate 29 has a through hole into which the connecting pin 12 can be inserted, whereupon the connecting pin 12 can be connected to the plate 29 on the cathode side, for example by laser welding.
  • the connecting pin 12 On the anode side, the connecting pin 12 is connected to the metal mesh 8 forming the anode 4 . Furthermore, the connecting pin 12 has a collar 30 on the anode side, via which a seal 27 can be pressed onto the separating element 3 .
  • FIG. 6 shows a section of the boundary 23 of the electrochemical cells 2.
  • a metallic stabilizing element 15 is provided in this section.
  • the stabilizing element 15 is designed and arranged in such a way that the delimitation 23 is stabilized against forces along the stacking direction x.
  • FIG. 7 shows a detailed view of an arrangement 1 according to the invention, which can basically be designed like the arrangement 1 according to FIG.
  • a cathode 5, a separating element 3 and an anode 4 are shown.
  • the anode 4 and the cathode 5 are each connected to the core 13 of the separating element 3 via a connecting pin 12.
  • the connecting pin 12 can in particular be a screw.
  • the anode 4 and the cathode 5 are electrically conductively connected to one another via the connecting pins 12 and the core 13 of the separating element 3, provided that the connecting pins 11 and the core 13 of the separating element 3 are electrically conductive.
  • a seal 27 is arranged between the electrodes 4 , 5 and the cover 14 of the separating element 3 . The seals 27 prevent electrolyte from coming into contact with the connecting pins 12 via the gaps between the electrodes 4 , 5 and the covers 14 of the separating element 3 .
  • the anode 4 and the cathode 5 can be connected to each other by first applying a cover 14 to the left of the core 13 of the separator 3 .
  • the cathode 5 can then be attached to the core 13 of the separating element 3 with the upper connecting pin 12 .
  • a further cover 14 can then be placed on the right of the core 13 of the separating element 3 and the anode 4 can be attached to the core 13 with the lower connecting pin 12 .
  • the head 20 of the lower connecting pin 12 can be sealed with a seal 21 .
  • the core 13 of the separating element 3 is separated from the electrolyte on both sides by the covers 14 or by the seal 21 .
  • FIG. 8 shows a detailed view of a further arrangement 1 according to the invention, which can basically be designed like the arrangement 1 according to FIG.
  • the separating element 3 is formed entirely of electrically insulating material.
  • the anode 4 and the cathode 5 are connected to one another via a connecting element 10 arranged outside the boundary 23 of the electrochemical cells 2 .
  • the connecting element 10 is also part of the electrically conductive connection 11.
  • the electrically conductive connection 11 passes through the boundary 23.
  • a seal 27 is arranged in each case between the boundary 23 of the electrochemical cells 2 and the electrodes 4.5. By the seals 27 is prevented. that electrolyte comes into contact with the connecting pins 12 via the gaps between the electrodes 4, 5 and the boundary 23 of the electrochemical cells 2.
  • bipolar plates Due to the electrically conductive connection 11 between the anodes 4 and the cathodes 5, bipolar plates can be dispensed with in the arrangement 1 described. As a result, the arrangement 1 is cheaper to manufacture and more efficient to operate than known arrangements.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Connection Of Batteries Or Terminals (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Anordnung (1) umfassend mehrere in einer Stapelrichtung (x) aneinander angrenzend angeordnete elektrochemische Zellen (2), wobei benachbarte der elektrochemischen Zellen (2) durch ein jeweiliges elektrisch isolierendes Trennelement (3) voneinander getrennt sind, wobei die elektrochemischen Zellen (2) jeweils einen Anodenraum (24) mit einer Anode (4), einen Kathodenraum (25) mit einer Kathode (5) sowie eine zwischen dem Anodenraum (24) und dem Kathodenraum (25) angeordnete Membran (6) aufweisen, wobei die Anoden (4) jeweils mit der Kathode (5) der in der Stapelrichtung (x) folgenden elektrochemischen Zelle (2) über eine elektrisch leitende Verbindung (11) verbunden sind, und wobei die elektrisch leitenden Verbindungen (11) das zwischen der jeweiligen Anode (4) und der jeweiligen Kathode (5) angeordnete Trennelement (3) und/oder eine Begrenzung (23) der elektrochemischen Zellen (2) durchtreten. Durch die elektrisch leitende Verbindung (11) zwischen den Anoden (4) und den Kathoden (5) kann bei der beschriebenen Anordnung (1) auf Bipolarplatten verzichtet werden. Dadurch ist die Anordnung (1) günstiger in der Herstellung und effizienter im Betrieb als bekannte Anordnungen.

Description

Anordnung elektrochemischer Zellen
Die Erfindung betrifft eine Anordnung elektrochemischer Zellen, insbesondere für eine alkalische Elektrolyse von Wasser.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, Elektrolysen mit sogenannten Stacks von Elektrolysezellen durchzuführen. Dabei handelt es sich um Anordnungen von Elektrolysezellen. Die einzelnen Zellen werden nicht einzeln kontaktiert. Stattdessen ist zwischen den benachbarten Zellen jeweils eine sogenannte Bipolarplatte angeordnet, welche auf einer Seite mit der Anode der einen angrenzenden Zelle verbunden ist und auf der anderen Seite mit der Kathode der anderen angrenzenden Zelle. Die beiden Seiten der Bipolarplatte liegen auf dem gleichen elektrischen Potentialen. Allerdings ist dieses relativ zu den an den beiden Seiten angrenzenden Elektrolyten unterschiedlich, wodurch die Bezeichnung der Bipolarplatte begründet ist. Durch die Bipolarplatte fließt ein Strom von der einen Zelle über die Bipolarplatte zur nächsten Zelle. So werden alle Zellen mit elektrischer Energie versorgt, indem von einer der beiden am Rand des Stacks angeordneten Zelle die Anode mit einer Spanungsquelle verbunden wird und von der anderen am Rand des Stacks angeordneten Zelle die Kathode mit dieser Spannungsquelle verbunden wird. Die in der Regel metallischen Elektroden werden auf die metallischen Bipolarplatten gepresst, um einen elektrischen Kontakt zwischen den Elektroden und der Bipolarplatte zu gewährleisten, der jedoch von nicht unerheblichen Kontaktwiderständen begleitet wird. An den Grenzflächen zwischen den Elektroden und der Bipolarplatte können Oxidschichten wachsen, die zusätzlich den Übergangswiderstand zwischen der jeweiligen Elektrode und der Bipolarplatte erhöhen. Der Elektrolyt in einer Zelle ist im direkten Kontakt zu beiden Elektroden, so dass ein Flüssigelektrolyt wie bei der alkalischen Elektrolyse ebenfalls im Kontakt mit der Bipolarplatte ist. Damit die Bipolarplatte nicht durch den Elektrolyten und die aufgeprägten Potentiale korrodiert, wird die Bipolarplatte in der Regel mit korrosionsresistenten Metallen beschichtet. Die Verwendung von Bipolarplatten erfordert allerdings einen erheblichen Materialaufwand. Zudem sind Übergangswiderstände zwischen den Elektroden und den Bipolarplatten erheblich. Kratzer an den Bipolarplatten können dazu führen, dass sich typischerweise galvanisch aufgetragene Schutzschichten abblättern und sich das darunter liegende Substrat damit auflöst. Weiterhin erfordert eine solche Schutzschicht eine teure Herstellung und ein teures Material, da oft dicke Metallschichten für Bipolarplatte aus teuren Metallen wie Nickel, Platin oder Gold verwendet werden. Bekannte Bipolarplatten haben zudem ein aufwendiges dreidimensionales Design mit Kanälen und Zu- und Abflüssen. Bekannte Stacks sind insoweit teuer in der Herstellung und energetisch ineffizient im Betrieb.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend vom beschriebenen Stand der Technik eine Anordnung elektrochemischer Zellen vorzustellen, die günstiger in der Herstellung und effizienter im Betrieb ist.
Diese Aufgabe wird mit der Anordnung gemäß dem unabhängigen Anspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Die in den Ansprüchen und in der Beschreibung dargestellten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar.
Erfindungsgemäß wird eine Anordnung vorgestellt, die mehrere in einer Stapelrichtung aneinander angrenzend angeordnete elektrochemische Zellen aufweist, wobei benachbarte der elektrochemischen Zellen durch ein jeweiliges elektrisch isolierendes Trennelement voneinander getrennt sind, wobei die elektrochemischen Zellen jeweils einen Anodenraum mit einer Anode, einen Kathodenraum mit einer Kathode sowie eine zwischen dem Anodenraum und dem Kathodenraum angeordnete Membran aufweisen, wobei die Anoden jeweils mit der Kathode der in der Stapelrichtung folgenden elektrochemischen Zelle über mindestens eine elektrisch leitende Verbindung verbunden sind, welche vorzugsweise von dem jeweiligen Anodenraum und dem jeweiligen Kathodenraum getrennt ist, und wobei die elektrisch leitenden Verbindungen das zwischen der jeweiligen Anode und der jeweiligen Kathode angeordnete Trennelement und/oder eine Begrenzung der elektrochemischen Zellen durchtreten. Die beschriebene Anordnung kommt ohne Bipolarplatten aus. Insoweit ist der Materialaufwand reduziert. Zudem ist der Betrieb der beschriebenen Anordnung energetisch besonders effizient, weil es keine Energieverluste durch Übergangswiderstände zwischen Elektroden und Bipolarplatten gibt.
Die Anordnung kann insbesondere zur Elektrolyse ausgebildet sein. In dem Fall kann die Anordnung auch als eine Elektrolyseanordnung bezeichnet werden. Die Elektrolyseanordnung ist vorzugsweise für die alkalische Wasserelektrolyse eingerichtet. Die Elektrolyseanordnung kann aber auch für andere elektrochemische Systeme eingerichtet sein, wie beispielsweise die Chloralkali-Elektrolyse. Alternativ kann die Anordnung beispielsweise als Batterie oder Brennstoffzelle ausgebildet sein.
Die Anordnung umfasst mehrere elektrochemische Zellen. Unter einer elektrochemischen Zelle ist ein Element zu verstehen, welches für die Durchführung eines elektrochemischen Vorgangs eingerichtet ist. Insbesondere kann es sich bei den elektrochemischen Zellen um Elektrolysezellen, galvanische Zellen, Elektrodialysezellen, Brennstoffzellen oder Batteriezellen handeln. Vorzugsweise sind alle elektrochemischen Zellen der Anordnung gleichartig ausgebildet, insbesondere alle als Elektrolysezellen. Im Falle von Elektrolysezellen kann die Anordnung auch als Elektrolysestack oder kurz als Stack bezeichnet werden.
Jede der elektrochemischen Zellen weist einen Anodenraum mit einer Anode, einen Kathodenraum mit einer Kathode und eine zwischen dem Anodenraum und dem Kathodenraum angeordnete Membran auf. Die Membran kann auch als Diaphragma bezeichnet werden. Die Anode und die Kathode werden im Folgenden auch als Elektroden bezeichnet. Insbesondere für die alkalische Wasserelektrolyse sind die Elektroden vorzugsweise aus Nickel gebildet. Nickel- Elektroden können feuerverzinkt werden und anschließend spezifisch geätzt werden, um große katalytische Oberflächen zu erhalten. Es ist daher allgemein bevorzugt, dass die Anode und/oder die Kathode mindestens einer der elektrochemischen Zellen aus feuerverzinktem Nickel gebildet ist. Die elektrochemischen Zellen können mit einem Elektrolyten betrieben werden. Beispielsweise können die elektrochemischen Zellen als Elektrolysezellen ausgebildet sein, die für eine Elektrolyse des Elektrolyten eingerichtet sind. Der Elektrolyt ist vorzugsweise eine alkalische Lösung. Unabhängig von der Anwendung sind die elektrochemischen Zellen derart ausgestaltet, dass der Elektrolyt mit der Anode und der Kathode in Kontakt kommen kann. Dazu weisen die elektrochemischen Zellen einen jeweiligen Anodenraum für die Anode und einen jeweiligen Kathodenraum für die Kathode auf. Im Betrieb sind die Anodenräume und die Kathodenräume zumindest teilweise mit dem Elektrolyten gefüllt. Die Anodenräume und die Kathodenräume der elektrochemischen Zellen sind über die jeweilige Membran insoweit miteinander verbunden, als dass die Membran zwar lonenleitfähig, aber elektrisch isolierend ist.
Die elektrochemischen Zellen sind in einer Stapelrichtung aneinander angrenzend angeordnet. Das bedeutet, dass die elektrochemischen Zellen in der Regel in einer Reihe angeordnet sind, wobei benachbarte der elektrochemischen Zellen aneinander angrenzen. Die Richtung, in der die elektrochemischen Zellen aneinander angrenzend angeordnet sind, wird als Stapelrichtung bezeichnet. Im Folgenden wird die Anordnung unter Verwendung eines Koordinatensystems beschrieben, bei dem die Stapelrichtung eine erste Richtung ist und das zudem eine zweite und eine dritte Richtung aufweist, wobei die Stapelrichtung, die zweite Richtung und die dritte Richtung paarweise senkrecht zueinander stehen. Es ist jedoch nur bevorzugt und nicht erforderlich, dass die elektrochemischen Zellen entlang einer Geraden angeordnet sind. Die beschriebene Funktionalität mit den beschriebenen Vorteilen lässt sich gleichermaßen erreichen, wenn benachbarte der elektrochemischen Zellen schräg zueinander stehen. So können die elektrochemischen Zellen beispielsweise entlang eines Kreisbogens angeordnet sein. Die Stapelrichtung kann also gekrümmt sein. Vorzugsweise beträgt ein Winkel zwischen benachbarten der elektrochemischen Zellen maximal 20°.
Benachbarte der elektrochemischen Zellen sind durch ein jeweiliges Trennelement voneinander getrennt. Die Trennelemente sind elektrisch isolierend und können aus korrosionsresistenten Materialien wie Kunststoffen oder Keramiken bestehen. Insbesondere dadurch unterscheiden sich die Trennelemente von den aus dem Stand der Technik bekannten Bipolarplatten. Dass die Trennelemente elektrisch isolierend sind, bedeutet, dass keine elektrische Verbindung zwischen den beiden einander gegenüberstehenden Oberflächen des Trennelements besteht. Die Trennelemente sind vorzugsweise plattenförmig ausgebildet. Es ist nicht erforderlich, dass die Trennelemente vollständig aus elektrisch isolierendem Material gebildet sind. Es ist möglich, dass die Trennelemente aus korrosionsbeständigen Oberflächen bestehen, welche ein elektrisch leitendes Material wie ein Metall verschalen. Eine derartige verschalte Metallplatte ist vor elektrochemischer Korrosion geschützt und verleiht dem Trennelement mechanische Stabilität. Für die beschriebene Funktion der Trennelemente ist es ausreichend, dass die Oberflächen voneinander elektrisch isoliert sind. Es ist möglich, dass die Oberflächen selbst aus einem elektrisch leitenden Material gebildet sind, aber durch ein elektrisch isolierendes Material so voneinander getrennt sind, dass keine elektrische Verbindung zwischen den Oberflächen besteht. Das ist beispielsweise der Fall bei einer Kunststoff platte, die beidseitig mit einem Metall beschichtet ist. Vorzugsweise erstrecken sich die Trennelemente übereinen gesamten Querschnitt der elektrochemischen Zellen bei Betrachtung in einer Ebene senkrecht zur Stapelrichtung. Es ist bevorzugt, dass die Elektrolyträume jeweils von einer der Membranen, einer Begrenzung der elektrochemischen Zellen und einem der Trennelemente begrenzt sind. Die Begrenzung kann für alle elektrochemischen Zellen zusammen ausgebildet sein odereinen jeweiligen Teil fürjede der elektrochemischen Zellen umfassen. Insoweit können die Elektrolyträume zu allen Seiten durchgehend durch ein elektrisch isolierendes Material begrenzt sein.
Die Anoden sind jeweils mit der Kathode der in der Stapelrichtung folgenden elektrochemischen Zelle elektrisch leitend verbunden, vorzugsweise über eine vom Elektrolyt verschalte oder gedichtete metallische Verbindung. Diese Aussage ist naturgemäß nur soweit anwendbar, wie es eine in der Stapelrichtung folgende elektrochemische Zelle gibt. Auf die in Stapelrichtung am Ende der Anordnung angeordnete elektrochemische Zelle trifft diese Aussage daher nicht zu. Diese Verbindung erfolgt durch das jeweilige Trennelement. Weist die Anordnung beispielsweise drei elektrochemische Zellen auf, ist die Kathode der ersten elektrochemischen Zelle mit einer Spannungsquelle verbunden, ist die Anode der ersten elektrochemischen Zelle mit der Kathode der zweiten elektrochemischen Zelle verbunden, ist die Anode der zweiten elektrochemischen Zelle mit der Kathode der dritten elektrochemischen Zelle verbunden und ist die Anode der dritten elektrochemischen Zelle mit der Spannungsquelle verbunden. Zwischen den elektrochemischen Zellen am Rand der Anordnung, hier der ersten und dritten elektrochemischen Zelle, können beliebig viele elektrochemische Zellen vorgesehen sein. Vorzugsweise weist die Anordnung mindestens 5 und/oder höchstens 200 der elektrochemischen Zellen auf.
Durch die elektrische Verbindung der Elektroden benachbarter Zellen können alle elektrochemischen Zellen elektrisch kontaktiert sein, indem nur jeweils eine der Elektroden der am Rand der Anordnung angeordneten elektrochemischen Zellen unmittelbar mit einer Spannungsquelle verbunden sind. Die übrigen Elektroden sind indirekt über andere Elektroden, über die elektrischen Verbindungen zwischen diesen und über den Elektrolyten mit der Spannungsquelle verbunden. Durch die elektrische Verbindung zwischen den Elektroden der benachbarten elektrochemischen Zellen kann auf die Bipolarplatten verzichtet werden. Das drückt sich dadurch aus, dass die Trennelemente zwischen den elektrochemischen Zellen elektrisch isolierend ausgebildet sind. Das ist bei einer Ausgestaltung mit nach dem Stand der Technik bekannten Bipolarplatten nicht möglich.
Die elektrisch leitende Verbindung umfasst das elektrisch leitende Material, welches zwischen der jeweiligen Anode und der jeweiligen Kathode angeordnet ist und über welches ein durchgehender elektrischer Leitungspfad zwischen der Anode und der Kathode ausgebildet ist. Die elektrisch leitende Verbindung kann stoffschlüssig mit der Anode und/oder mit der Kathode ausgebildet sein, beispielsweise durch Laserschweißen. Beim Laserschweißen kommt es nur zu einem vergleichsweise geringen Temperatureintrag, sodass Kunststoffteile geschont werden. Alternativ kann die elektrisch leitende Verbindung mit einem gesonderten Element ausgebildet sein. So kann die elektrisch leitende Verbindung dadurch ausgebildet sein, dass die jeweilige Anode und die jeweilige Kathode mit einem mindestens einem Verbindungsstift wie einer Schraube oder einer Niete miteinander verbunden sind. Dazu ist es bevorzugt, dass die Elektroden jeweils mindestens ein Durchgangsloch, mindestens ein Gewinde und/oder mindestens eine Buchse aufweisen, mittels welcher der mindestens eine Verbindungsstift mit der jeweiligen Elektrode verbunden werden können. Das mindestens eine Durchgangsloch, das mindestens ein Gewinde und/oder die mindestens eine Buchse der jeweiligen Anode liegt vorzugsweise dem mindestens einen Durchgangsloch, dem mindestens ein Gewinde und/oder der mindestens eine Buchse der jeweiligen Kathode gegenüber. Dadurch kann der mindestens eine Verbindungsstift das entsprechende Trennelement durchtreten und so die jeweilige Anode und die jeweilige Kathode miteinander verbinden. Dass die elektrisch leitende Verbindung durch das zwischen den verbundenen Elektroden angeordnete Trennelement hindurchtritt kann auch dadurch der Fall sein, dass die elektrisch leitende Verbindung einen Teil des Trennelements umfasst. Die elektrisch leitende Verbindung ist vorzugsweise zugleich eine mechanische Verbindung, über welche die Elektroden gehalten sind. Alternativ oder zusätzlich kann die elektrisch leitende Verbindung die Begrenzung der elektrochemischen Zellen durchtreten. In jedem Fall durchtritt die elektrochemische Verbindung also ein Element, welches den Elektrolyten in der jeweiligen elektrochemischen Zelle einschließt. Dieses Element kann das Trennelement zwischen den jeweiligen elektrochemischen Zellen sein oder die Begrenzung der elektrochemischen Zelle.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass die elektrisch leitende Verbindungen das jeweilige Trennelement und/oder die Begrenzung der elektrochemischen Zellen auf eine fluiddichte Weise durchtreten. Das bedeutet, dass der Elektrolyt aus den Elektrolyträumen nicht an der Durchtrittsstelle einer elektrisch leitenden Verbindung aus dem Elektrolytraum austreten kann. Besonders bevorzugt durchtritt die elektrisch leitende Verbindungen das jeweilige Trennelement und/oder die Begrenzung der elektrochemischen Zellen auf eine gasdichte Weise. In dem Fall kann auch ein im Elektrolytraum gebildetes Gas nicht aus dem Elektrolytraum austreten. Die fluid- oder gasdichte Ausbildung der Durchtrittsstellen kann beispielsweise durch Dichtungen erreicht werden. So ist es bevorzugt, dass zwischen den elektrisch leitenden Verbindungen und dem Trennelement beziehungsweise der Begrenzung jeweils mindestens eine Dichtung angeordnet ist. Durch diese kann verhindert werden, dass Elektrolyt beispielsweise mit einem Verbindungstift in Kontakt gelangt. Vorzugsweise ist die elektrisch leitende Verbindung von dem Anodenraum und dem Kathodenraum getrennt. Das bedeutet, dass die elektrisch leitende Verbindung im Betrieb nicht mit einem Elektrolyten im Anodenraum und/oder im Kathodenraum in Kontakt kommt. Die aus dem Stand der Technik bekannten Bipolarplatten kommen hingegen mit dem Elektrolyten in Kontakt, woraus sich entsprechende Anforderungen an das Material der Bipolarplatten ergeben, vor allem hinsichtlich der Korrosionsresistenz und der elektrischen Leitfähigkeit. Bei der beschriebenen Anordnung hingegen kann die elektrisch leitende Verbindung aus einem beliebigen und insbesondere günstigen Material gebildet sein, beispielsweise aus Stahl. Auf die elektrochemischen Eigenschaften des Materials der elektrischen Verbindung kommt es nicht an. Die elektrische Verbindung kann von dem Anodenraum und/oder von dem Kathodenraum beispielsweise durch eine Verschalung und/oder eine Abdichtung getrennt sein. Beispielsweise kann es sich bei der elektrisch leitenden Verbindung um einen Verbindungsstift mit einer Kunststoffbeschichtung und/oder mit einer Kunststoffabdeckung handeln.
So ist die Ausführungsform der Anordnung bevorzugt, in der die elektrisch leitende Verbindung von dem jeweiligen Anodenraum und dem jeweiligen Kathodenraum durch eine Verschalung und/oder eine Abdichtung getrennt ist.
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform der Anordnung weisen die Anoden und/oder die Kathoden jeweils mehrere Netzträger sowie ein an diesen befestigtes Metallnetz auf. Der„und"-Fall ist bevorzugt.
Die Anoden und/oder die Kathoden weisen vorzugsweise weiterhin jeweils mindestens ein Befestigungselement auf. Über die Befestigungselemente kann ein elektrischer Kontakt zwischen den Elektroden der benachbarten elektrochemischen Zellen hergestellt werden, insbesondere über Verbindungen, welche die jeweiligen Trennelemente durchtreten. Die Elektroden sind vorzugsweise nach Art des Skelettbaus realisiert.
In dieser Ausführungsform sind die Elektroden selbsttragend ausgebildet. Insbesondere durch das Metallnetz kann die Elektrode ihre Aufgabe erfüllen. Vorzugsweise weist das Metallnetz ein Katalysatormaterial auf. Dieses befindet sich in geringer Distanz zur Membran. Die Netzträger dienen insbesondere dazu, das Metallnetz zu halten. Die Netzträger sind vorzugsweise aus Metall ausgebildet, vorzugsweise aus dem gleichen Material wie das Metallnetz und das Befestigungselement. Vorzugsweise sind das Metallnetz und die Netzträger aus Nickel gebildet. Beispielsweise können die Netzträger an das Metallnetz geschweißt werden. Die Befestigungselemente und das Haltelement können ebenfalls geschweißt werden, insbesondere mittels Laserschweißens, oder gleich aus einem Guss hergestellt werden. Das Schweißen, insbesondere Laserschweißen, kann erfolgen, nachdem die miteinander zu verbindenden Elemente zusammengesteckt wurden. Beim Laserschweißen kommt es nur zu einem vergleichsweise geringen Temperatureintrag, sodass Kunststoffteile geschont werden. Eine metallische und stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Haltelement und dem Rest der Elektrode ist wegen geringer elektrischer Widerstände von Vorteil. Die gesamte Elektrode kann anschließend feuerverzinkt und spezifisch geätzt werden, um große katalytische Oberflächen zu erhalten. Es ist daher allgemein bevorzugt, dass bei der Anode und/oder bei der Kathode mindestens einer der elektrochemischen Zellen die Netzträger sowie das an diesen befestigte Metallnetz aus feuerverzinktem Nickel gebildet sind. Die elektrische Leitfähigkeit zwischen dem Metallnetz und den Netzträgern bleibt dabei bestehen. Das Metallnetzt ist vorzugsweise in einer Ebene senkrecht zur Stapelrichtung ausgebildet. Die Netzträgerweisen vorzugsweise eine Achse auf, die in Stapelrichtung ausgerichtet ist. Die Netzträger sind vorzugsweise als Metallflachband ausgebildet. Vorzugsweise sind die Netzträger senkrecht zu dem Metallnetz ausgerichtet.
Die Anoden können jeweils über mindestens einen Verbindungsstift stoffschlüssig mit der Kathode der in der Stapelrichtung folgenden elektrochemischen Zelle verbunden werden, beispielsweise durch Schweißen, insbesondere Laserschweißen. Anschließend kann das entsprechende Trennelement zwischen Anode und Kathode hergestellt werden, beispielsweise, indem das Trennelement eingegossen, eingeklemmt oder eingeklebt wird. In diesem Fall müssen an den Anoden und/oder an den Kathoden keine Löcher, Buchsen oder Gewinde vorgesehen sein. So ist die Ausführungsform der Anordnung bevorzugt, in der die elektrisch leitenden Verbindungen dadurch ausgebildet sind, dass die Anoden jeweils mit der Kathode der in der Stapelrichtung folgenden elektrochemischen Zelle stoffschlüssig verbunden sind, beispielsweise mittels Laserschweißens, wobei das Trennelement zwischen die jeweilige Anode und die jeweilige Kathode gegossen, geklemmt und/oder geklebt ist. Alternativ können Anode und Kathode auch durch die Trennwand verbunden werden, wobei der Verbindungsstift angeschweißt wird, nachdem die Anode, Kathode und das Trennelement arrangiert sind.
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform der Anordnung ist für jedes der Metallnetze mindestens ein jeweiliges Federelement vorgesehen, welches dazu eingerichtet ist, das Metallnetz von dem jeweils nächstgelegenen Trennelement weg zu spannen und es der Membran näher zu bringen.
Die Anordnung weist also Federelemente auf, die jeweils zwischen einem Metallnetz und einem Trennelement angeordnet sind und dazu eingerichtet sind, das jeweilige Metallnetz von dem entsprechenden Trennelement weg zu spannen.
Die Federelemente dienen dazu, die Metallnetze nahe an die jeweilige Membran zu bringen. Durch die Federelemente wird also eine Kraft erzeugt, die parallel zur Stapelrichtung auf das jeweilige Metallnetz wirkt. Dadurch wird der Abstand zwischen dem Metallnetz und der diesem gegenüberliegenden Membran verringert, wodurch die Effizient der Elektrolyse gesteigert werden kann. Die Federelemente können aus Kunststoff oder Metall gebildet sein. Beispielsweise können die Federelemente jeweils als ein Stück Fleece, eine Feder oder ein gebogenes Drahtstück realisiert sein.
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform der Anordnung umfassen die elektrisch leitenden Verbindungen jeweils ein außerhalb einer Begrenzung der elektrochemischen Zellen angeordnetes Verbindungselement.
In dieser Ausführungsform sind die Elektroden nicht über das entsprechende Trennelement miteinander verbunden, sondern überein außerhalb der Begrenzung der elektrochemischen Zellen angeordnetes Verbindungselement. Das Verbindungselement ist vorzugsweise aus Metall gebildet. Da das Verbindungselement außerhalb der Begrenzung der elektrochemischen Zellen angeordnet ist, kommt es nicht mit dem Elektrolyten in Kontakt. Die Verbindungen zwischen den Elektroden und dem Verbindungselement sind vorzugsweise von den Anodenräumen und den Kathodenräumen separiert. Der Elektrolyt kommt also nicht mit der Verbindung in Kontakt. In dieser Ausführungsform ist es bevorzugt, dass die elektrisch leitenden Verbindungen jeweils die Begrenzung der elektrochemischen Zellen durchtreten. Es ist nicht erforderlich, dass die elektrisch leitenden Verbindungen zusätzlich auch ein Trennelement durchtreten.
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform der Anordnung umfassen die elektrisch leitenden Verbindungen jeweils mindestens einen Verbindungsstift zwischen der jeweiligen Anode und der jeweiligen Kathode.
Bei dem Verbindungsstift kann es sich um eine Schraube, einen Niet oder einen Bolzen handeln. Der Verbindungsstift ist vorzugsweise aus Metall gebildet. Vorzugsweise sind die Anoden jeweils direkt über mindestens einen Verbindungsstift mit der Kathode der in der Stapelrichtung folgenden elektrochemischen Zellen verbunden. Das bedeutet, dass die Anode und die mit dieser verbundene Kathode jeweils unmittelbar mit dem Verbindungsstift in Kontakt stehen. Alternativ können die Anoden jeweils indirekt über mindestens einen Verbindungsstift mit der Kathode der in der Stapelrichtung folgenden elektrochemischen Zelle verbunden sein. Beispielsweise kann die Anode direkt mit einem Verbindungsstift mit einem außerhalb der Begrenzung der elektrochemischen Zellen angeordneten Verbindungselement verbunden sein und kann die entsprechende Kathode direkt mit einem weiteren Verbindungsstift mit dem Verbindungselement verbunden sein. So können die Anode und die Kathode an das Verbindungselement geschraubt sein und insoweit indirekt über zwei Schrauben als Verbindungsstifte miteinander verbunden sein.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Anordnung weisen die Trennelemente jeweils einen elektrisch leitenden Kern und eine elektrisch isolierende Abdeckung auf, wobei die elektrisch leitenden Verbindungen jeweils den elektrisch leitenden Kern des zwischen der jeweiligen Anode und der jeweiligen Kathode angeordneten Trennelements umfassen. Durch die elektrisch isolierende Abdeckung kommt der Elektrolyt nicht mit dem elektrisch leitenden Kern der Trennelemente in Kontakt. Für den Kern kann ein beliebiges und insbesondere günstiges Material verwendet werden, insbesondere ein Metall wie beispielsweise Stahl. Im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Bipolarplatten sind die Trennelemente daher günstiger, weil es aufgrund der Trennung vom Elektrolyten auf die elektrochemischen Eigenschaften des metallischen Kerns nicht ankommt. Durch den metallischen Kern sind die Trennelemente besonders stabil. Die Elektroden über den metallischen Kern miteinander zu verbinden erlaubt ein besonders einfaches und kompaktes Design der Anordnung. Aufgrund dieser elektrischen Verbindung über den Kern des Trennelements liegen die beiden gegenüberliegenden Seiten des Kerns auf verschiedenen elektrischen Potentialen - wie dies auch bei den aus dem Stand der Technik bekannten Bipolarplatten bekannt ist. Von diesen unterscheiden sich die beschriebenen Trennelemente aber durch die elektrisch isolierende Abdeckung. Durch diese kann für den Kern ein günstigeres Material gewählt werden als für die bekannten Bipolarplatten, weil der Kern der Trennelemente - anders als die Bipolarplatten - nicht mit dem Elektrolyten in Kontakt gelangt.
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform der Anordnung sind die elektrochemischen Zellen von einer Begrenzung aus Kunststoff begrenzt, wobei innerhalb der Begrenzung metallische Stabilisierungselemente vorgesehen sind.
Die Begrenzung kann durch Wände ausgebildet sein, zwischen denen die Elektrolyträume ausgebildet sind. Die Begrenzung erstreckt sich über alle elektrochemischen Zellen und kann einstückig ausgebildet sein oder aus jeweiligen Begrenzungsteilen für die einzelnen elektrochemischen Zellen zusammengesetzt sein. Die Begrenzung kann beispielsweise als eine um die Stapelrichtung umlaufende Wand ausgebildet sein. Eine Begrenzung aus Kunststoff ist besonders günstig und hat zudem keinen Einfluss auf die innerhalb der elektrochemischen Zellen ablaufenden elektrochemischen Prozesse. Allerdings kann sich Kunststoff unter Einfluss von Temperatur und Druck verformen. Dem wird durch die metallischen Stabilisierungselemente entgegengewirkt. Vorzugsweise sind die Stabilisierungselemente derart ausgebildet und angeordnet, dass diese insbesondere eine Stabilisierung in Bezug auf parallel zur Stapelrichtung wirkende Kräfte ermöglichen. Dadurch, dass die metallischen Stabilisierungselemente innerhalb der Begrenzung aus Kunststoff angeordnet sind, kommen die metallischen Stabilisierungselemente nicht mit dem Elektrolyten innerhalb der elektrochemischen Zellen in Kontakt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Anordnung umfassen die elektrischen Verbindungen jeweils zwei Verbindungsstifte, welche in einander entgegengesetzte Richtungen weisen.
In dieser Ausführungsform weisen die Verbindungsstifte eine Vorzugsrichtung auf. Dadurch ist erkennbar, ob zwei Verbindungsstifte einander entgegengerichtet oder parallel zueinander ausgerichtet sind. Vorzugsweise sind die Verbindungsstifte als Schrauben ausgebildet. Zwei Schrauben weisen insbesondere dann in einander entgegengesetzte Richtungen, wenn eine erste Schraube von einer ersten Seite durch ein Trennelement geschraubt ist und eine zweite Schraube von einer zweiten Seite durch das Trennelement geschraubt ist. Für andere Verbindungsstifte gilt Entsprechendes. So kann die elektrisch leitende Verbindung dadurch ausgebildet werden, dass zuerst eine erste Elektrode von einer ersten Seite mit dem entsprechenden Trennelement verbunden wird und anschließend eine zweite Elektrode von einer zweiten Seite mit dem Trennelement verbunden wird.
In dieser Ausführungsform ist es bevorzugt, dass die Trennelemente einen Kern aufweisen und dass zwischen den Elektroden und dem Kern des jeweiligen Trennelements jeweils eine Abdeckung angeordnet ist. Der Kern kann aus einem Metall gebildet sein. Die Anode und entsprechende Kathode können dadurch miteinander verbunden werden, dass zuerst eine Abdeckung an eine erste Seite des Kerns des Trennelements angelegt wird. Anschließend kann die Kathode mit einem Verbindungsstift am Kern des Trennelements befestigt werden. Daraufhin kann eine weiter Abdeckung an einer zweiten Seite des Kerns des Trennelements angelegt werden und die Anode mit einem zweiten Verbindungsstift am Kern befestigt werden. Abschließend kann der zweite Verbindungsstift, insbesondere ein Kopf des zweiten Verbindungsstifts, mit ei- ner Versiegelung versiegelt werden. Dadurch ist der Kern des T rennelements beidseitig durch die Abdeckungen beziehungsweise durch die Versiegelung von dem Elektrolyten getrennt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die elektrisch leitenden Verbindungen mit einer jeweiligen Buchse mit Gewinde an einer der Elektroden und mit einem Durchgangsloch an der anderen Elektrode ausgebildet, wobei das Durchgangsloch vorzugsweise einen Querschnitt aufweist, welcher in Richtung auf das jeweilige Trennelement hin verjüngt ist.
Dass das Durchgangsloch einen Querschnitt aufweist, welcher in Richtung auf das jeweilige Trennelement hin verjüngt ist, bedeutet, dass der Querschnitt in der Richtung auf das Trennelement zu kleiner wird. Dadurch kann eine Schraube mit konischem Kopf als Verbindungsstift zur Verbindung der beiden Elektroden eingesetzt werden. Der Kopf der Schraube kann mit einer Versiegelung abgedichtet werden. Aufgrund der konischen Form des Kopfes kann die Versiegelung an einer besonders großen Oberfläche des Kopfes anliegen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Anordnung sind die Anode und die Kathode durch ein jeweiliges Metallnetz gebildet, wobei die Anordnung weiterhin eine elektrisch leitende Platte aufweist, wobei das die Kathode bildende Metallnetz mit der Platte verbunden ist, wobei die elektrisch leitende Verbindung mit einem Verbindungsstift gebildet ist, welcher mit der Anode verbunden ist und welcher mit der Platte verbunden ist. Der Verbindungsstift ist vorzugsweise durch Laserschweißen mit der Platte verbunden.
Die Anode und die Kathode sind in dieser Ausführungsform durch ein jeweiliges Metallnetz gebildet, welches vorzugsweise aus Nickel gebildet ist. Die Anode ist über den Verbindungsstift mit der Kathode verbunden. Der Verbindungsstift stellt also die elektrisch leitende Verbindung dar. Vorzugsweise ist der Verbindungsstift aus Nickel gebildet. Das Trennelement ist in dieser Ausführungsform vorzugsweise aus Kunststoff gebildet, insbesondere aus Polypropylen. Die Platte kann beispielsweise aus Stahl gebildet sein. Da die Platte und das Metallnetz elektrisch leitend sind, kann auch die Platte zur Funktion der Kathode beitragen und insoweit als Teil der Kathode angesehen werden.
Die Platte kann mit dem Elektrolyten im Kathodenraum in Kontakt kommen. Das steht nicht dem oben beschriebenen Vorteil entgegen, dass bei der Ausführungsform mit vom Anodenraum und Kathodenraum getrennter elektrisch leitender Verbindung die elektrisch leitende Verbindung aus einem beliebigen und insbesondere günstigen Material gebildet sein kann, beispielsweise aus Stahl. Insoweit ist zu beachten, dass an den Anodenraum und den Kathodenraum unterschiedliche Anforderungen gestellt werden, insbesondere im Hinblick auf Korrosionsbeständigkeit. An der Kathode kann eher ein günstiges Material wie Stahl verwendet werden als an der Anode. Der Anodenraum ist vorzugsweise durch Nickel begrenzt. Insbesondere im Fall der alkalischen Elektrolyse sind die Anforderungen an den Kathodenraum und an die Kathode vergleichsweise gering. Daher genügt es das teure Nickel nur für den Anodenraum zu verwenden. Allgemein kann mit der beschriebenen Ausführungsform ein besonders geringer Querschnitt des Materials erreicht werden, welches einem starken korrosiven Medium ausgesetzt ist.
Das die Kathode bildende Metallnetz kann unmittelbar an der Platte befestigt werden. Das kann dadurch erleichtert werden, dass die Platte kathodenseitig strukturiert wird, beispielsweise durch Wellen oder Stege. Anodenseitig ist der Verbindungsstift mit dem die Anode bildenden Metallnetz verbunden. Im bevorzugten Fall, dass die Anode und die Kathode über mehr als eine wie beschrieben ausgebildete Verbindung miteinander verbunden sind, können die Verbindungsstifte beispielsweise über ein Metallband miteinander verbunden werden, an welchem das die Anode bildende Metallnetz befestigt werden kann. Vorzugsweise weist der Verbindungsstift anodenseitig einen Kragen auf, überweichen eine Dichtung an das Trennelement gepresst werden kann. Mit der Dichtung können der Anodenraum und der Kathodenraum fluiddicht voneinander getrennt werden. Denkbar ist auch eine Ausführungsform, die sich von der vorliegend beschriebenen Ausführungsform lediglich dadurch unterscheidet, dass Anode und Kathode gegeneinander vertauscht sind. Wie zuvor beschrieben ist eine solche Ausgestaltung aber mit Blick auf die unterschiedlichen Anforderungen im Anodenraum und Katho- denraum hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit weniger bevorzugt.
Als ein weiterer Aspekt der Erfindung wird eine Anordnung umfassend mehrere in einer Stapelrichtung aneinander angrenzend angeordnete elektrochemische Zellen vorgestellt, wobei benachbarte der elektrochemischen Zellen durch ein jeweiliges elektrisch isolierendes Trennelement voneinander getrennt sind, wobei die elektrochemischen Zellen jeweils einen Anodenraum mit einer Anode, einen Kathodenraum mit einer Kathode sowie eine zwischen dem Anodenraum und dem Kathodenraum angeordnete Membran aufweisen, wobei die Anoden jeweils mit der Kathode der in der Stapelrichtung folgenden elektrochemischen Zelle über eine elektrisch leitende Verbindung verbunden sind, welche von dem jeweiligen Anodenraum und dem jeweiligen Kathodenraum getrennt ist, und wobei die elektrisch leitenden Verbindungen das zwischen der jeweiligen Anode und der jeweiligen Kathode angeordnete Trennelement und/oder eine Begrenzung der elektrochemischen Zellen durchtreten.
Die zuvor beschriebenen Merkmale und Vorteile sind auf diese Anordnung anwendbar und übertragbar.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele, auf die die Erfindung jedoch nicht begrenzt ist. Die Figuren und die darin dargestellten Größenverhältnisse sind nur schematisch. Es zeigen:
Fig. 1 : eine erfindungsgemäße Anordnung,
Fig. 2: eine erste Seitenansicht einer Kathode für eine Anordnung gemäß
Fig. 1,
Fig. 3: eine zweite Seitenansicht der Kathode aus Fig. 2,
Fig. 4: eine Detailansicht einer Anordnung gemäß Fig. 1, Fig. 5a bis 5h: verschiedene Verbindungen zwischen Elektroden für eine Anordnung gemäß Fig. 1,
Fig. 6: einen Ausschnitt aus einer Begrenzung für eine Anordnung gemäß
Fig. 1,
Fig. 7: eine Detailansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung,
Fig. 8: eine Detailansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung.
Fig. 1 zeigt eine Anordnung 1 mit drei elektrochemischen Zellen 2, die als Elektrolysezellen ausgebildet sind. Die elektrochemischen Zellen 2 sind in einer Stapelrichtung x in einer Reihe nebeneinander angeordnet und grenzen aneinander an. Neben der Stapelrichtung x sind eine zweite Richtung y und eine dritte Richtung z eingezeichnet. Die elektrochemischen Zellen 2 weisen jeweils eine Anode 4 und eine Kathode 5 sowie eine dazwischen angeordnete Membran 6 auf. Die Anoden 4 sind in einem jeweiligen Anodenraum 24 und die Kathoden 5 sind in einem jeweiligen Kathodenraum 25 angeordnet. Der Übersichtlichkeit halber sind nur der Anodenraum 24 und der Kathodenraum 25 der linken elektrochemischen Zelle 2 mit Bezugszeichen versehen. Die Anodenräume 24 und die Kathodenräume 25 sind durch eine Begrenzung 23 der elektrochemischen Zellen 2 begrenzt. Benachbarte der elektrochemischen Zellen 2 sind durch ein jeweiliges elektrisch isolierendes Trennelement 3 voneinander getrennt. In der gezeigten Ausführungsform sind zwei Trennelemente 3 vorhanden. Die Trennelemente 3 weisen jeweils einen elektrisch leitenden Kern 13 und eine elektrisch isolierende Abdeckung 14 in Form einer Beschichtung oder Verschalung auf. Die Verschalung kann eine Dicke von bis zu 20 mm haben.
Die Kathode 5 der linken elektrochemischen Zelle 2 ist über zwei Verbindungsstift 12 als elektrisch leitende Verbindung 11 mit einer Endplatte 26 verbunden. Die Anoden 4 sind jeweils über zwei Verbindungsstift 12 als elektrisch leitende Verbindung 11 mit der Kathode 5 der in der Stapelrichtung x folgenden elektrochemischen Zelle 2 verbunden. Das bedeutet, dass die Anode 4 der linken elektrochemischen Zelle 2 mit der Kathode 5 der mittleren elektrochemischen Zelle 2 verbunden ist und dass die Anode 4 der mittleren elektrochemischen Zelle 2 mit der Kathode 5 der rechten elektrochemischen Zelle 2 verbunden ist. Auf die rechte elektrochemische Zelle 2 folgt in Stapelrichtung x keine weitere elektrochemische Zelle 2, so dass die Anode 4 der rechten elektrochemischen Zelle 2 nicht mit der Kathode 5 einer in der Stapelrichtung x folgenden elektrochemischen Zelle 2 elektrisch leitend verbunden sein kann. Stattdessen ist die Anode 4 der rechten elektrochemischen Zelle 2 über zwei Verbindungsstifte 12 als elektrisch leitende Verbindung 11 mit einer Endplatte 26 verbunden. Die beiden Endplatten 26 sind mit einer Spannungsquelle verbunden. Die Endplatten 26 sind über eine jeweilige Abdeckung 14 von dem angrenzenden Anodenraum 24 bzw. Ka- thodenraum 25 getrennt.
Die Verbindung zwischen den Anoden 4 und den Kathoden 5 erfolgt über Verbindungsstifte 12. Diese sind (was in der schematischen Darstellung von Fig. 1 nicht hervorgehoben ist) von den Anodenräumen 24 und den Kathodenräumen 25 getrennt. Das bedeutet, dass der Elektrolyt in den Anodenräumen 24 und den Kathodenräumen 25 nicht mit den Verbindungsstiften 12 in Kontakt kommt. Dadurch, dass die Verbindungsstifte 12 die Trennelemente 3 einschließlich des jeweiligen elektrisch leitenden Kerns 13 durchtreten, können die Anoden 4 und die Kathoden 5 im Fall einer Berührung mit dem leitend Kern über den elektrisch leitenden Kern 13 des entsprechenden Trennelements 3 verbunden sein, müssen es aber nicht, wenn kein Kontakt besteht.
Fig. 2 zeigt eine Kathode 5 für eine Anordnung 1 gemäß Fig. 1. Eine Anode 4 kann gleichermaßen ausgebildet sein. Die gezeigte Elektrode ist aber so orientiert, wie die Kathoden 5 in Fig. 1. Eine Anode 4 wäre entsprechend um die Ebene aus zweiter Richtung y und dritter Richtung z gespiegelt.
Die Kathode 5 weist mehrere Netzträger 7 sowie ein an diesen befestigtes Metall- netzt 8 auf. An den Netzträgern 7 sind Befestigungselemente 16 angeordnet, über welche die Kathode 5 mit der Anode 4 einer benachbarten elektrochemischen Zelle 2 verbunden werden kann. Die Befestigungselemente 16 weisen beispielsweise jeweils ein Gewinde für eine Schraube auf. Die Netzträger 7 sind über Schweißpunkte 17 mit den Befestigungselementen 16 und mit dem Metallnetz 8 verbunden. Alternativ können die Haltelemente 16 und die Befestigungselemente aus einem Guss gefertigt werden. In einerweiteren Ausführung kann die Verbindung zwischen dem Metallnetz 8 und den Netzträgern 7 durch Sinterung erfolgen.
Fig. 3 zeigt die Kathode 5 aus Fig. 2 aus einer weiteren Perspektive. Die gezeigte Kathode 5 ist insbesondere für eine Anordnung 1 geeignet, die Anodenräume 24 und Kathodenräume 25 mit rundem Querschnitt bei Betrachtung senkrecht zur Stapelrichtung x haben.
Fig. 4 zeigt eine Detailansicht einer Anordnung 1 gemäß Fig. 1. Dabei sind zwei elektrochemische Zellen 2 jeweils zur Hälfte gezeigt. Gezeigt sind jeweils die Membran 6, der Anodenraum 24 bzw. der Kathodenraum 25 sowie eine der Elektroden 4,5 mit dem Metallnetz 8. Zwischen den beiden Elektrolytzellen 2 ist das Trennelement 3 mit dem Kern 13 und der Abdeckung 14 gezeigt. Die Kathode 5 der linken Elektrolytzelle 2 ist über zwei Verbindungsstifte 11 mit der Anode 4 der rechten Elektrolytzelle 2 verbunden. Gezeigt ist zudem, dass zwischen den Metallnetzen 8 und dem Trennelement 3 zwei jeweilige Federelemente 9 angeordnet sind, welche dazu eingerichtet sind, das Metallnetz 8 von dem Trennelement 3 weg zu spannen. Das Metallnetz 8 der linken elektrochemischen Zelle 2 wird also nach links gespannt, das Metallnetz 8 der rechten elektrochemischen Zelle 2 nach rechts.
Fig. 5a bis 5g zeigen verschiedene elektrisch leitende Verbindungen 11 zwischen Elektroden 4,5 für eine Anordnung 1 gemäß Fig. 1. Die Bezeichnung der Elektroden 4,5 als Anode 4 und Kathode 5 ist nur beispielhaft. Bei allen Ausführungsformen der Fig. 5a bis 5f könnten die Anode 4 und die Kathode 5 auch vertauscht sein. In allen Fällen sind die Elektroden 4,5 unmittelbar über einen Verbindungsstift 12 als die elektrisch leitende Verbindung 11 miteinander verbunden. Das Trennelement 3 könnte daher beispielsweise vollständig aus Kunststoff gebildet sein. Aus Stabilitätsgründen ist es aber dennoch bevorzugt, dass das Trennelement 3 einen metallischen Kern 13 und eine elektrisch isolierende Abdeckung 14 aufweist. Dies ist in den Fig. 5a bis 5f gezeigt. Weiterhin ist es bei den Ausführungsformen der Fig. 5a bis 5f jeweils möglich, Flach- oder Ringdichtungen zu verwenden, um den Elektrolyten von der elektrisch leitenden Verbindung 11 fernzuhalten. Bei allen hier gezeigten Varianten werden Dichtungen 27 eingesetzt, damit der Elektrolyt nicht in die Verbindungsstelle penetrieren kann.
In Fig. 5a sind die Elektroden 4,5 über einen Verbindungsstift 12 verbunden, welcher in eine jeweilige Buchse 18 der Elektroden 4,5 eingreift. Ist der Verbindungsstift 12 ein Nietstift, kann die elektrisch leitende Verbindung 11 durch Verpressen ausgebildetwerden. Ist der Verbindungsstift 12 ein Gewindestift, können die Elektroden 4,5 durch Verdrehung miteinander verbunden werden. Zwischen den Elektroden 4,5 und der Abdeckung 14 des Trennelements 3 ist jeweils eine Dichtung 27 angeordnet. Durch die Dichtungen 27 wird verhindert, dass Elektrolyt über die Zwischenräume zwischen den Elektroden 4,5 und den Abdeckungen 14 des Trennelements 3 in Kontakt mit dem Verbindungsstift 12 gelangt.
In Fig. 5b weist die Anode 4 eine Buchse 18 auf, die Kathode 5 hingegen ein Durchgangsloch 19. Eine Schraube als Verbindungsstift 12 erstreckt sich durch das Durchgangsloch 19 und ist in die Buchse 18 eingeschraubt. Ein Kopf 20 der Schraube liegt außen am Rand des Durchgangslochs 19 an. Zwischen den Elektroden 4,5 und der Abdeckung 14 des Trennelements 3 ist jeweils eine Dichtung 27 angeordnet. Eine weitere Dichtung 27 ist zwischen dem Kopf 20 der Schraube und der Kathode 5 angeordnet. Diese Dichtung 27 ist so ausgebildet, dass diese einem elektrisch leitenden Kontakt zwischen dem Kopf 20 der Schraube und der Kathode 5 nicht entgegensteht.
In Fig. 5c ist der Verbindungsstift 12 einstückig mit der Kathode 5 ausgebildet. Der Verbindungsstift 12 ist in die Buchse 18 der Anode 4 eingeschraubt oder eingepresst. Auch in dieser Ausführungsform ist zwischen den Elektroden 4,5 und der Abdeckung 14 des Trennelements 3 jeweils eine Dichtung 27 angeordnet.
In Fig. 5d weisen beide Elektroden 4,5 ein jeweiliges Durchgangsloch 19 auf, durch welches sich eine Schraube als Verbindungsstift 12 erstreckt. Aufseiten der Anode 4 liegt eine Mutter 22 am Rand des Durchgangslochs 19 an, aufseiten der Kathode 5 liegt ein Kopf 20 der Schraube am Rand des Durchgangslochs 19 an. Auch in dieser Ausführungsform ist zwischen den Elektroden 4,5 und der Abdeckung 14 des Trennelements 3 jeweils eine Dichtung 27 angeordnet. Zudem sind weitere Dichtungen 27 zwischen dem Kopf 20 der Schraube und der Kathode 5 sowie zwischen der Mutter 22 und der Anode 4 angeordnet. Letztere sind so ausgebildet, dass diese einem elektrisch leitenden Kontakt zwischen dem Kopf 20 der Schraube und der Kathode 5 beziehungsweise zwischen der Anode 4 und der Mutter 22 nicht entgegensteht.
In Fig. 5e weist die Anode 4 eine Buchse 18 auf, in die eine Schraube als Verbindungsstift 12 eingreift. Ein Kopf 20 der Schraube wird mit einer Versiegelung 28 abgedeckt. Die Versiegelung 28 kann - wie hier gezeigt - mit Dichtungen 27 abgedichtet sein. Alternativ könnte die Versiegelung 28 eingeschraubt, eingeklebt oder angeschmolzen werden. Der Kopf 20 der Schraube ist schräg ausgebildet. Damit ist eine besonders große Auflagefläche zwischen dem Befestigungselement und der Schraube gegeben. Auch in dieser Ausführungsform ist zwischen den Elektroden 4,5 und der Abdeckung 14 des Trennelements 3 jeweils eine Dichtung 27 angeordnet. In dieser Ausführungsform ist die elektrisch leitende Verbindung 11 mit der Buchse 18 mit Gewinde an der Anode 4 und mit dem Durchgangsloch 19 an der Kathode 5 ausgebildet, wobei das Durchgangsloch einen sich nach rechts verjüngenden Querschnitt aufweist.
In Fig. 5f sind die Anode 4 und die Kathode 5 über einen Verbindungsstift 12 miteinander verbunden, welcher stoffschlüssig mit der Anode 4 und der Kathode 5 ausgebildet ist, beispielsweise durch Laserschweißen. Der Verbindungsstift 12 kann beispielsweise an die Anode 4 und an die Kathode 5 angegossen sein. Auch ist es möglich, dass die Anode 4 und die Kathode 5 einstückig mit dem Verbindungsstift 12 ausgebildet sind. Eine Unterteilung in Anode 4, Verbindungsstift 12 und Kathode 5 ist in dem Fall nicht anhand einer körperlichen Trennlinie, sondern nur gedanklich möglich. Auch in dieser Ausführungsform ist zwischen den Elektroden 4,5 und der Abdeckung 14 des Trennelements 3 jeweils eine Dichtung 27 angeordnet. Durch die Dichtungen 27 wird verhindert, dass Elektrolyt über die Zwischenräume zwischen den Elektroden 4,5 und den Abdeckungen 14 des Trennelements 3 in Kontakt mit dem Verbindungsstift 12 gelangt. Fig. 5g zeigt eine Schraubverbindung als elektrisch leitende Verbindung 11 zwischen der Anode 4 und der Kathode 5. Die Anode 4 ist mit einer Buchse 18 verbunden, welche ein linksdrehendes Gewinde mit einem Sackloch aufweist. Die Kathode 5 ist mit einem rechtsdrehenden und durchgehenden Gewinde ausgestattet. Verbunden sind die Elektroden 4,5 über einen Gewindestift 12, der kathodenseitig ein linksdrehendes Gewinde und anodenseitig ein rechtsdrehendes Gewinde aufweist. Kathodenseitig kann der Gewindestift 12 durch das Durchgangsloch 19 mit beispielsweise einem Schraubendreher angezogen werden. Die Verbindung kann kathodenseitig mit einem Plastikstück mit Gewinde als Versiegelung 28 vom Elektrolyten abgeschirmt werden.
Fig. 5h zeigt ein weiteres Beispiel, wie die Anode 4 und die Kathode 5 miteinander verbunden werden können. Dabei sind die Anode 4 und die Kathode 5 jeweils als ein Metallnetz 8 ausgebildet. Die Anode 4 ist über einen Verbindungsstift 12 mit der Kathode 5 verbunden. Der Verbindungsstift 12 stellt eine elektrisch leitende Verbindung 11 dar. Zwischen der Anode 4 und der Kathode 5 sind ein Trennelement 3 und eine elektrisch leitende Platte 29 angeordnet. Da die Platte 29 und das Metallnetz 8 elektrisch leitend sind, kann auch die Platte 29 zur Funktion der Kathode 5 beitragen und insoweit als Teil der Kathode 5 angesehen werden. Das Trennelement 3 weist ein Durchgangsloch 19 für den Verbindungsstift 12 auf. Die Platte 29 weist eine Buchse 18 für den Verbindungsstift 12 auf. Die Buchse 18 kann dadurch gebildet sein, dass die Platte 29 ein durchgehendes Loch aufweist, in welches der Verbindungsstift 12 gesteckt werden kann, woraufhin der Verbindungsstift 12 kathodenseitig beispielsweise durch Laserschweißen mit der Platte 29 verbunden werden kann.
Anodenseitig ist der Verbindungsstift 12 mit dem die Anode 4 bildenden Metallnetz 8 verbunden. Weiterhin weist der Verbindungsstift 12 anodenseitig einen Kragen 30 auf, überweichen eine Dichtung 27 an das Trennelement 3 gepresst werden kann.
Fig. 6 zeigt einen Ausschnitt aus der Begrenzung 23 der elektrochemischen Zellen 2. In diesem Abschnitt ist ein metallisches Stabilisierungselement 15 vorgesehen. Das Stabilisierungselement 15 ist derart ausgebildet und angeordnet, dass damit die Begrenzung 23 gegen Kräfte entlang der Stapelrichtung x stabilisiert wird. Fig. 7 zeigt eine Detailansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung 1, die grundsätzlich wie die Anordnung 1 gemäß Fig. 1 ausgebildet sein kann. Gezeigt sind eine Kathode 5, ein Trennelement 3 und eine Anode 4. Die Anode 4 und die Kathode 5 sind über jeweils einen Verbindungsstift 12 mit dem Kern 13 des Trennelements 3 verbunden. Der Verbindungsstift 12 kann insbesondere eine Schraube sein. Die Anode 4 und die Kathode 5 sind über die Verbindungsstifte 12 und den Kern 13 des Trennelements 3 elektrisch leitend miteinander verbunden, sofern die Verbindungsstifte 11 und der Kern 13 des Trennelements 3 elektrisch leitend sind. Zwischen den Elektroden 4,5 und der Abdeckung 14 des Trennelements 3 ist jeweils eine Dichtung 27 angeordnet. Durch die Dichtungen 27 wird verhindert, dass Elektrolyt über die Zwischenräume zwischen den Elektroden 4,5 und den Abdeckungen 14 des Trennelements 3 in Kontakt mit den Verbindungsstiften 12 gelangt.
Die Anode 4 und die Kathode 5 können miteinander verbunden werden, indem zuerst eine Abdeckung 14 links an den Kern 13 des Trennelements 3 angelegt wird. Anschließend kann die Kathode 5 mit dem oberen Verbindungsstift 12 am Kern 13 des Trennelements 3 befestigt werden. Daraufhin kann eine weiter Abdeckung 14 rechts an den Kern 13 des Trennelements 3 angelegt werden und die Anode 4 mit dem unteren Verbindungsstift 12 am Kern 13 befestigt werden. Abschließend kann der Kopf 20 des unteren Verbindungsstifts 12 mit einer Versiegelung 21 versiegelt werden. Dadurch ist der Kern 13 des Trennelements 3 beidseitig durch die Abdeckungen 14 beziehungsweise durch die Versiegelung 21 von dem Elektrolyten getrennt.
Fig. 8 zeigt eine Detailansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Anordnung 1, die grundsätzlich wie die Anordnung 1 gemäß Fig. 1 ausgebildet sein kann. In dieser Ausführungsform ist das Trennelement 3 vollständig aus elektrisch isolierendem Material gebildet. Die Anode 4 und die Kathode 5 sind über ein außerhalb der Begrenzung 23 der elektrochemischen Zellen 2 angeordnetes Verbindungselement 10 miteinander verbunden. Das Verbindungselement 10 ist ebenfalls Teil der elektrisch leitenden Verbindung 11. Die elektrisch leitende Verbindung 11 durchtritt die Begrenzung 23. Zwischen der Begrenzung 23 der elektrochemischen Zellen 2 und den Elektroden 4,5 ist jeweils eine Dichtung 27 angeordnet. Durch die Dichtungen 27 wird verhindert. dass Elektrolyt über die Zwischenräume zwischen den Elektroden 4,5 und der Begrenzung 23 der elektrochemischen Zellen 2 in Kontakt mit den Verbindungsstiften 12 gelangt.
Durch die elektrisch leitende Verbindung 11 zwischen den Anoden 4 und den Ka- thoden 5 kann bei der beschriebenen Anordnung 1 auf Bipolarplatten verzichtet werden. Dadurch ist die Anordnung 1 günstiger in der Herstellung und effizienter im Betrieb als bekannte Anordnung.
Bezugszeichenliste
1 Anordnung
2 elektrochemischen Zellen
3 Trennelement
4 Anode
5 Kathode
6 Membran
7 Netzträger
8 Metallnetz
9 Federelement
10 Verbindungselement
11 elektrisch leitende Verbindung
12 Verbindungsstift
13 Kern
14 Abdeckung
15 Stabilisierungselement
16 Befestigungselement
17 Schweißpunkt
18 Buchse
19 Durchgangsloch
20 Kopf
21 Versiegelung
22 Mutter
23 Begrenzung
24 Anodenraum
25 Kathodenraum
26 Endplatte
27 Dichtung
28 Versiegelung 29 Platte
30 Kragen x Stapelrichtung (erster Richtung) y zweite Richtung z dritte Richtung

Claims

Ansprüche Anordnung (1) umfassend mehrere in einer Stapelrichtung (x) aneinander angrenzend angeordnete elektrochemische Zellen (2), wobei benachbarte der elektrochemischen Zellen (2) durch ein jeweiliges elektrisch isolierendes Trennelement (3) voneinander getrennt sind, wobei die elektrochemischen Zellen (2) jeweils einen Anodenraum (24) mit einer Anode (4), einen Kathodenraum (25) mit einer Kathode (5) sowie eine zwischen dem Anodenraum (24) und dem Kathodenraum (25) angeordnete Membran (6) aufweisen, wobei die Anoden (4) jeweils mit der Kathode (5) der in der Stapelrichtung (x) folgenden elektrochemischen
Zelle
(2) über eine elektrisch leitende Verbindung (11) verbunden sind, und wobei die elektrisch leitenden Verbindungen (11) das zwischen der jeweiligen Anode (4) und der jeweiligen Kathode (5) angeordnete Trennelement
(3) und/oder eine Begrenzung (23) der elektrochemischen Zellen (2) durchtreten. Anordnung (1) nach Anspruch 1, wobei die elektrisch leitende Verbindung (11) von dem jeweiligen Anodenraum (24) und dem jeweiligen Kathodenraum (25) durch eine Verschalung und/oder eine Abdichtung getrennt ist. Anordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Anoden
(4) und/oder die Kathoden
(5) jeweils mehrere Netzträger (7) sowie ein an diesen befestigtes Metallnetz (8) aufweisen. Anordnung (1) nach Anspruch 3, wobei für jedes der Metallnetze (8) mindestens ein jeweiliges Federelement (9) vorgesehen ist, welches dazu eingerichtet ist, das Metallnetz (8) von dem jeweils nächstgelegenen Trennelement (3) weg zu spannen. Anordnung (1) nach Anspruch 1 bis 4, wobei die elektrisch leitenden Verbindungen (11) jeweils ein außerhalb einer Begrenzung (23) der elektrochemischen Zellen (2) angeordnetes Verbindungselement (10) umfassen.
- 27 -
6. Anordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die elektrisch leitenden Verbindungen (11) jeweils mindestens einen Verbindungsstift (12) zwischen der jeweiligen Anode (4) und der jeweiligen Kathode (5) umfassen.
7. Anordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Trennelemente (3) jeweils einen elektrisch leitenden Kern (13) und eine elektrisch isolierende Abdeckung (14) aufweisen, und wobei die elektrisch leitenden Verbindungen (11) jeweils den elektrisch leitenden Kern (13) des zwischen der jeweiligen Anode (4) und der jeweiligen Kathode (5) angeordneten Trennelements (3) umfassen.
8. Anordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die elektrochemischen Zellen (2) von einer Begrenzung (23) aus Kunststoff begrenzt sind, und wobei innerhalb der Begrenzung (23) metallische Stabilisierungselemente (15) vorgesehen sind.
9. Anordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die elektrischen Verbindungen (11) jeweils zwei Verbindungsstifte (12) umfassen, welche in einander entgegengesetzte Richtungen weisen.
10. Anordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Anode (4) und die Kathode (5) durch ein jeweiliges Metallnetz (8) gebildet sind, wobei die Anordnung (1) weiterhin eine elektrisch leitende Platte (29) aufweist, wobei das die Kathode (5) bildende Metallnetz (8) mit der Platte (29) verbunden ist, wobei die elektrisch leitende Verbindung (11) mit einem Verbindungsstift (12) gebildet ist, welcher mit der Anode (4) verbunden ist und welcher mit der Platte (29) verbunden ist.
EP21836475.0A 2020-12-16 2021-12-13 Anordnung elektrochemischer zellen Pending EP4263907A2 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020133770.1A DE102020133770A1 (de) 2020-12-16 2020-12-16 Anordnung elektrochemischer Zellen
PCT/EP2021/085383 WO2022128856A2 (de) 2020-12-16 2021-12-13 Anordnung elektrochemischer zellen

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4263907A2 true EP4263907A2 (de) 2023-10-25

Family

ID=79259387

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP21836475.0A Pending EP4263907A2 (de) 2020-12-16 2021-12-13 Anordnung elektrochemischer zellen

Country Status (5)

Country Link
US (1) US12540411B2 (de)
EP (1) EP4263907A2 (de)
JP (1) JP2023553324A (de)
DE (1) DE102020133770A1 (de)
WO (1) WO2022128856A2 (de)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11978590B1 (en) * 2023-03-28 2024-05-07 University Of Sharjah Integrated thermal management system with a symmetrical supercapacitor cell
BE1031574B1 (fr) * 2023-04-28 2024-12-10 John Cockerill Hydrogen Belgium Plaque bipolaire multifonction, cellule électrolytique et électrolyseur en comportant

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3880670A (en) * 1973-07-02 1975-04-29 United Aircraft Corp Electrochemical cell separator plate means
US3950239A (en) * 1974-07-24 1976-04-13 Hooker Chemicals & Plastics Corporation Electrical connector for bipolar electrodes
IT1163737B (it) 1979-11-29 1987-04-08 Oronzio De Nora Impianti Elettrolizzatore bipolare comprendente mezzi per generare la ricircolazione interna dell'elettrolita e procedimento di elettrolisi
JP4583005B2 (ja) 2003-06-26 2010-11-17 京セラ株式会社 燃料電池用容器および燃料電池
DE102004015680A1 (de) 2004-03-26 2005-11-03 Condias Gmbh Elektrodenanordnung für eine elektrochemische Behandlung von Flüssigkeiten mit einer geringen Leitfähigkeit
US7785450B2 (en) 2006-02-03 2010-08-31 Med-E-Cell “On-site” carbon dioxide generator
CA2728173C (en) 2008-06-16 2013-07-02 William R. Richards Alkaline electrolyzer
DE102009016635A1 (de) 2009-04-08 2010-10-14 Elcomax Gmbh Bipolarplatte für Brennstoff- oder Elektrolysezellen
US10337111B2 (en) 2015-12-15 2019-07-02 Hamilton Sunstrand Corporation Solid oxide electrochemical gas separator inerting system
FR3069107B1 (fr) 2017-07-13 2022-01-14 Commissariat Energie Atomique Plaque de maintien de cellule electrochimique a etancheite amelioree

Also Published As

Publication number Publication date
DE102020133770A1 (de) 2022-06-23
WO2022128856A3 (de) 2022-08-18
JP2023553324A (ja) 2023-12-21
US12540411B2 (en) 2026-02-03
WO2022128856A2 (de) 2022-06-23
US20230349056A1 (en) 2023-11-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0142029B1 (de) Speicherzellenverbindung
DE10217034A1 (de) Brennstoffzellen-System in Leiterplattenbauweise
DE102005007353B4 (de) Brennstoffzelle
DE102007042985A1 (de) Bipolarplatte für einen PEM-Elektrolyseur
EP2065958A1 (de) Bipolarplatten für Stapel von Brennstoffzellen
EP2417662A2 (de) Bipolarplatte für brennstoff- oder elektrolysezellen
DE2262173A1 (de) Auseinandernehmbare bipolare elektrode
DE102004022969A1 (de) Brennstoffzelle
DE10244884B4 (de) Brennstoffzellen-Stapelkörper
EP4263907A2 (de) Anordnung elektrochemischer zellen
DE102015007615A1 (de) Verbindungselement zur elektrischen Verschaltung von Einzelzellen, Zellblock und elektrische Batterie
DE102012111229B4 (de) Bipolarplatte für einen PEM-Stapelreaktor und PEM-Stapelreaktor
EP1634346A2 (de) Elektrochemische anordnung mit elastischer verteilungsstruktur
DE69405047T2 (de) Elektrolyseur
WO2024083406A2 (de) Zellanordnung für eine redox-flow batterie und redox-flow batterie
DE102006028541A1 (de) Brennstoffzelle und Separator für Brennstoffzelle
DE2645121A1 (de) Elektrolysezelle
DE102004057447B4 (de) Versorgungsplatte sowie deren Verwendung
EP1481439A2 (de) Verfahren und vorrichtung zum stapeln von brennstoffzellen
DE202022107286U1 (de) Poröse Transportlage, Einheit mit einer Separatorplatte und einer porösen Transportlage sowie elektrochemische Zelle
DE102023111278A1 (de) Elektrochemischer Zellenstapel und Verfahren zum Betrieb eines elektrochemischen Zellenstapels
WO2022122080A1 (de) Elektrodenblech für eine redox-flow-zelle und redox-flow-zelle
WO2010000355A1 (de) Vorrichtung zum erzeugen eines sauerstoff-/wasserstoffgemisches
AT526615B1 (de) Zellenmodul mit wiederaufladbaren Zellen
DE2158259C3 (de) Elektrolysezelle zur Herstellung von Chloraten

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20230712

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: EXAMINATION IS IN PROGRESS

17Q First examination report despatched

Effective date: 20251218